固体材料定向光谱发射率测量装置研究及误差分析

针对红外隐身材料光谱发射率测评的需要,提出一种基于能量法的发射率测量模型,并建立起固体材料定向光谱发射率测量装置,能实现温度范围50℃～300℃与光谱范围1.3μm～14.5μm的固体材料定向光谱发射率测量。通过对试样进行实测,得到不同样品在150℃和同一样品在不同温度下的光谱发射率曲线,得出该材料发射率随温度变化的结论。最后分析了样品同黑体温度不等引起的误差,给出温差为1℃和2℃时,发射率相对误差随温度与波长的分布曲线,以及不同黑体温度下3μm～5μm和8μm～14μm的平均相对误差值。     

表面结构对面源黑体光谱发射率的影响

随着红外测温技术的快速发展,红外测温仪在军事及民用领域得到广泛应用,对测量准确度的要求提升到了新的高度。面源黑体辐射源作为非接触测温设备校准的核心装置,近年来受到广泛的关注。发射率是描述辐射源性能的重要指标,目前缺少黑体表面形貌对发射率影响的研究。面源黑体发射率主要由表面凸锥结构和涂覆涂层决定。为设计出高发射率面源黑体,以具有凸锥结构的面源黑体为基础模型,引入间距及涂层结构,建立具有不同表面结构参数、单元间距及涂层厚度的面源黑体模型,设置基底材料为石墨,涂层材料为氮化硅,通过有限元软件得到仿真模型的反射率,利用反射率反演得到其发射率,绘制3～14μm范围内的光谱发射率曲线;研究面源黑体表面的电场分布情况。分析结构单元的宽高比、涂层厚度和结构单元间距等参数对发射率的影响。结构单元高度与发射率成正比、较窄的宽度对发射率有优化作用,发射率随宽高比的减小而增大。涂层结构改变了光谱发射率的下降趋势,在11μm后发射率上升,发射率随厚度增加而增大;单元间距变化与发射率成正比。设置初始面源黑体单元结构高度为10μm、宽度为1μm,在该模型上依次添加2μm涂层及2μm间距结构,进行仿真计算。优化后黑体...     

超高温FTIR光谱发射率测量系统的线性度分析

为研究航天领域特种材料高温区域的光谱辐射特性,建立了基于傅里叶光谱仪的超高温光谱发射率测量系统。系统线性度是发射率测量精度的保证,通过测量多温度点黑体辐射的光谱信号,采用多温度点线性拟合方法求得每个光谱点的光谱信号值与黑体光谱辐射亮度的函数关系式,并结合仪器线性度测量理论,建立了光谱发射率测量系统的线性度测量方法。实验测量了黑体温度范围1 000～2 000℃和光谱范围3～20μm的光谱辐射信号,求得波长λ=4μm的理论直线与测量光谱值的线性关系。实验表明,仪器在4～18μm光谱范围响应较好,除CO2强吸收光谱区域,仪器的光谱线性度均优于1%。当测量系统线性度一定时,温度越高,光谱误差对发射率的影响越小。评定光谱发射率测量系统的线性度有利于剔除个别温度点光谱扰动带来的误差。     

基于激光旋转加热的非导电材料高温光谱发射率测试方法与装置

光谱发射率是表征材料热物理性能的重要参数。对于非导电材料的高温光谱发射率测试,一般采用高温加热炉加热或辐射加热的方式来进行发射率测试,存在的问题是采用高温石墨炉加热时,样品可能会与高温石墨发生化学反应,从而破坏材料原有物性;采用辐射加热,一般是单向静止加热,会存在样品温场梯度非均匀分布的问题。基于激光旋转加热和样品/黑体整体一体化设计,提出了一种“样品动中测”的非导电材料高温光谱发射率测试新方法,建立了相应的测量模型,突破了传统的 “样品静中测”的局限,样品与参考黑体共形一体化设计,采用微区域光谱辐射成像方法,同时测量参考黑体和样品的光谱辐射能量与温度。建立了激光旋转加热状态下的热传导方程,对典型样品材料的温度分布进行了仿真计算,结果表明旋转样品温场分布较为均匀,分析了温场分布与红外光谱发射率测量误差间的关系,给出了适用于本测试方法的材料的热导率下限值。基于该方法,搭建了相应的测量装置,对典型材料碳化硅在1 000 K时的光谱发射率进行了测试,在4 μm处对各个典型高温温度点的光谱发射率进行了测试,得到了碳化硅材料在红外波段的光谱发射率波长变化和温度变化规律特性。与国外的测量结果进行了比对,结果较为一致,验证了激光旋转加热光谱发射率测试方法的可行性。采用此方法,不破坏样品本身的理化特性,样品加热升温速度快,测量温度范围上限高,有效减小了激光静止单向加热带来的温度不均匀性,可同时测量出样品和参考黑体的光谱辐射亮度及温度,无需另外再设计标准高温黑体,解决了现有非导电材料高温光谱发射率测试中非均匀加热和辐射能量同步比对测量的问题,可应用于多种非导电材料高温光谱发射率的测试。     

700K—1200K涂层及材料的红外光谱法向发射率的测定

本文根据分离黑体法原理,叙述了红外光谱法向发射率测试方法,介绍了温度在700K—1200K、波长在2.5—40μm范围的测试装置.将Perkin-Elmer 577型双光束自动记录红外光栅分光光度计作了微小变动,专门设计并研制了标准黑体炉,参考黑体炉及样品加热炉.测试过程在干燥的大气中进行。所测结果与文献值作了比较,吻合程度基本上是满意的。本文还对红外光谱法向发射率的计算公式作了推导,对测量误差也作了分析。给出了某些材料及涂层的红外光谱法向发射率曲线。     

中温黑体全辐照度装置

本文介绍了新近研制的中温黑体全辐照度装置的结构、工作原理和实验方法。中温标准黑体的温度范围为+50℃～100℃,有效发射率为0.999。该装置给定的标准辐照度的总不确定度是0.54％。     

常温下高灵敏度灰体红外方向发射率测试技术研究

介绍了一种新颖的在常温下直接测量灰体表面方向发射率的方法。采用直接比对样品与参照物表面的光谱辐射率来测量方向发射率ε的绝对值。使用的传感器是热释电传感器,采用光学调制和锁相放大技术,实现对微弱信号的检测。设计的实验装置结构简单不需要制冷。在实验中,使用一块干净的浮法玻璃和氧化不锈钢作为测试样品,测试温度为50—200℃,将一块标定过的已知发射率为0.67的材料作为参照物。在没有制冷的条件下,与参照物和NPL数值、标定值相比较,实验得到的结果令人满意。     

带通红外比色滤波测温技术研究

提出可精确测量中低温物体温度的带通比色滤波测温理论,利用该理论,搭建了相应的实验装置。对装置所用的器件进行精确标定,并利用数值函数对测试得到的离散点数据拟合后,用面源黑体在５０℃～４００℃范围对该实验装置进行了测温实验验证,实验结果表明,该实验装置在不需知道目标发射率的情况下,能精确测量物体的真实温度,因此,验证了提出理论的正确性与所建立测温系统的可行性,对中低温物体真实温度的测量研究具有重要意义。     

空间基准黑体源发射率影响因素研究

空间基准黑体源对气候变化监测、防灾减灾、红外定标等方面的发展具有重要意义。空腔发射率作为空间基准黑体源最关键的表观辐射特性,在红外探测设备的校准过程中需要保持较低的不确定度。针对空间基准黑体源的定向发射率开展相应的理论建模和实验测量研究。在反向蒙特卡罗法和涂层表面辐射特性的基础上构建了方向发射率计算模型,分析了探测距离、温度非均匀性、涂层表面辐射特性等因素对空腔发射率的影响。然后,采用受控背景的材料发射率测量系统开展了相应的实验研究。研究结果可为空间基准黑体源的设计、开发与溯源提供理论指导。     

紫外光学传递函数测量装置研究

光学传递函数是评价光学系统成像质量的重要指标,针对目前光学传递函数测量只能覆盖可见光和红外波段,自行研制了紫外波段(260 nm～400 nm)光学传递函数（OTF）测量装置。介绍了装置的原理及组成,采用中心波长为0=300 nm和0=380 nm 2种OTF标准镜头在2个光谱范围内对OTF测量装置进行了标定和测试,结果表明:调制传递函数（MTF）的测量值与理论值的偏差:0.03（轴上）;0.05（轴外）。最后,对装置的测量不确定度进行了评估。     

Ultrahigh infrared normal spectral emissivity of microstructured silicon coating Au film

We studied infrared normal spectral emissivity on quasi-periodic microstructured silicon, which was prepared by femtosecond laser irradiation in SF6 ambient gas, coated with 100 nm thick Au thin film. The observed emissivity is higher than any reported previously for a flat material with a thickness of less than 0.5 mm, at a temperature range of 200 °C to 400 °C. The emissivity over the measured wavelength region increases with temperature and the spike height. These results show the potential to be used as a flat blackbody source or for applications in infrared thermal sensor, detector, and stealth military technology.     

自校准多通道红外辐射计的设计与性能测试

为满足遥感器热红外波段自动化观测定标的需求,研制了具有自动化观测能力的自校准多通道红外辐射计。该设备需具有以下特色功能:1）采用电机驱动镀金反射镜的设计,实现0°～90°仰角的大气下行辐射和地表辐亮度的测量,为消除大气下行辐射对反演地表温度的影响提供了技术手段;2）采用滤光轮分光的方法实现了6个光谱通道的自动设置,结合多通道温度与发射率分离算法可以实现场地温度与发射率的分离,为卫星遥感器热红外波段绝对辐射定标提供了2个关键因子;3）采用内置2个控温精度分别优于0.04 K和0.05 K、发射率均高于0.994,稳定性均优于0.0014的黑体实现内部探测器的实时辐射定标,有效地消除了内部背景辐射对辐射测量的影响,定标不确定度小于0.167%。等效测温不确定度为0.2 K（@303 K, 11 μm）,为遥感器热红外波段场地自动化定标应用的开展奠定了基础。     

A3铁、304钢和201钢光谱发射率

随着科学技术日新月异的发展,红外测量技术在遥感、辐射测温、红外隐身、农业、医疗等领域都展现出了重要的应用前景。在花样众多的辐射测量中,材料的发射率是重要的参数之一。为满足材料发射率数据的需求,根据一套自主研制的光谱发射率测量装置对A3铁、304钢以及201钢在不同温度下的光谱发射率进行了精确的测量,并对影响发射率的几个因素做了深入的探究。结果显示：这三种钢材的发射率随温度升高而变大,同等温度下A3铁的发射率要高于304钢和201钢,且材料中的铬含量会降低材料的发射率值。采用XRD分析了三种材料表面氧化后的成分,并探讨了表面成分变化对发射率的影响。结果表明：A3铁氧化后生成不稳定的四氧化三铁Fe₃O₄和氧化亚铁FeO,各种成分的相互转变会导致光谱发射率发生较大的变化,而304钢和201钢表面氧化后主要生成氧化铬,因而光谱发射率也相对比较稳定。另外使用辐射光叠加原理和Christiansen效应成功解释了三种材料的发射率在大约10 μm处出现极大值的现象。该研究极大地丰富了三种材料的光谱发射率数据,为辐射测量技术在三种材料中的应用提供了强有力的数据支撑。     

温度对AZO薄膜红外辐射性能的影响

随着全球资源的减少和环境的恶化,节能减排已成为人们关注的焦点,具有保温隔热功能的低辐射玻璃成为研究的热点。提高玻璃保温隔热性能最有效的方法就是在其表面涂覆低辐射率层。原材料丰富、导电性能好、可见光透过率高等优势使得Al掺杂ZnO (AZO)薄膜成为最具潜力的低辐射率层。系统研究了温度对AZO薄膜红外辐射性能的影响,分析了变化机理。首先研究了在一定的温度下持续一段时间后,AZO薄膜的红外比辐射率的变化情况。然后研究了在变温环境中红外比辐射率的变化情况。采用直流磁控溅射法在室温下玻璃基片上沉积500 nm厚的AZO薄膜,将薄膜放到马弗炉中进行热处理,在100～400 ℃空气气氛下保温1 h,随炉冷却。采用X射线衍射仪对AZO薄膜进行物相分析,采用扫描电子显微镜观察薄膜表面形貌变化。利用四探针测试法测量AZO薄膜的电阻率,采用红外比辐射率测试仪测试薄膜红外比辐射率, 可见分光光度计测量可见光谱。测试的结果表明,薄膜热处理前后均为六角纤锌矿结构,(002)择优取向。300 ℃及以下热处理1 h后,(002)衍射峰增强,半高宽变窄,晶粒尺寸长大。随着热处理温度的升高,薄膜的电阻率先减小后增大,200 ℃热处理后的薄膜具有最小的电阻率(0.9×10-3 Ω·cm)。热处理温度升高,晶粒长大使得薄膜电阻率降低。热处理温度过高,薄膜会从空气中吸收氧,电阻率下降。薄膜的红外比辐射率变化趋势和电阻率的一致,在200 ℃热处理后获得最小值(0.48)。自由电子对红外光子有较强的反射作用,当电阻率低,自由电子浓度高的时候,更多的红外光子被反射,红外辐射作用弱,红外比辐射率小。薄膜的可见光透过率随着热处理温度的升高先减小后增大,200 ℃热处理后的薄膜的可见光透过率最小,但仍高达82%。这种变化是由于自由电子浓度变化引起的,自由电子对可见光有很强的反射作用。选取未热处理和200 ℃热处理后的样品进行变温红外比辐射率的测量,将样品放在可加热的样品台上,位置固定,在室温到350 ℃的升温和降温过程中每隔25 ℃测量一次红外比辐射率,结果表明,在室温到350 ℃的温度范围内,AZO薄膜的红外比辐射率在升温过程中随着温度的上升而增大,在降温过程中减小,经过整个升、降温过程后,薄膜的红外比辐射率增大。     

一种高精度光纤测温系统工作波长的优化设计

基于基尔霍夫定律 ,利用钽酸锂热释电探测器设计了一种实用化的双波长、高精度光纤测温系统。依照测温系统中单个探测器的温度分辨力、R(T)～T曲线的线性度、R(T)～T曲线的温度灵敏度及其相对温度灵敏度与各主要技术参量之间的关系 ,对采用钽酸锂热释电探测器作光电转换器件实现的实用化实时测温系统的工作波长进行了优化设计。实验表明 ,在测温范围 4 0 0～ 130 0℃内 ,当系统工作在λ1=2 .1μm、λ2 =2 .3μm时 ,其温度灵敏度高于 1.0× 10 -4℃ -1,相对温度灵敏度不低于 0 9,测温精度不低于 0 15 %。均符合设计要求     

地面目标动态红外特征模拟与隐身技术的研究

针对易受敌方红外制导武器攻击的地面军事目标,模拟并计算出其红外辐射特征。通过合理的假设,将复杂的三维辐射与对流耦合传热问题简化为一维瞬态传热问题,运用多层有限差分的数值计算方法计算模拟出目标瞬时温度变化方向图,得出其动态红外特征。在此基础之上,分别研究了地面目标不同部位(顶部与侧面)隐身所需要的表面发射率与温差的关系。分析了在不同温差条件下目标隐身所需表面发射率随时间的变化关系。计算模拟得出目标与背景在一日之中都存在明显的温差,最大温差可达10℃左右。分析得出利用水雾隐身使目标与背景的温差控制在2℃以内可达到良好的隐身效果。     

蛋白石型光子晶体红外隐身材料的制备

基于光子晶体的红外隐身材料,主要采取一维层层堆叠结构和三维木堆结构等来实现对红外波段电磁波辐射性能的调控.本文报道了一种操作简易、成本低廉的光子晶体红外隐身材料制备方法.通过优化的垂直沉积法,微米级SiO_2胶体微球自组装成高质量的蛋白石型光子晶体结构.对SiO_2胶体微球进行优选,成功制备了禁带位于2.8—3.5μm,8.0—10.0μm的SiO_2胶体晶体蛋白石型光子晶体材料.该材料可改变目标相应波段的红外辐射特征,具有目标红外波段的隐身效果.     

目标辐射特性现场校准用大面积黑体辐射源技术研究

红外成像技术在空间探测、对地观测、安防监控等领域的应用越来越广,为了确保红外目标识别的准确性,必须掌握目标的辐射特性。目标辐射特性需要在外场实际条件下测量得到,需要利用大面积黑体辐射源对目标特性测量设备进行现场辐射参数校准。设计了一种大面积黑体辐射源,辐射体采用铝材质并发黑处理,大面积黑体辐射源温度控制采用PID控制算法。在外场实际环境温度为26.8 ℃,湿度为60%时对目标特性测量设备辐射参数进行了校准。试验数据表明:辐射温度测量不确定度为0.4 ℃（k=2）,取得了较好的应用效果。     

迎头方向隐身导弹红外辐射特性分析北大核心CSCD

隐身导弹应用红外隐身技术将降低导弹被红外探测系统的发现概率。通过以AGM-158C导弹为参考,对迎头观测方向目标的红外辐射特性,包括目标蒙皮、目标蒙皮反射周围背景和目标尾焰的红外辐射强度进行估算,并与典型亚音速导弹红外辐射特性的数据进行对比分析。分析结果表明:红外隐身技术可以明显降低导弹的中、长波红外辐射,尤其是中波波段的红外辐射;红外探测系统设计时尾焰探测通常选用中波红外探测器,弹体探测通常选用长波红外探测器;隐身导弹采用红外隐身技术将提高导弹的突防能力。