满足烟幕透过率测量的红外辐射源设计

第35卷　第3期 激光与红外Vol.35,No.3　2005年3月 LASER　&　I N FRARE D March,2005
文章编号:100125078(2005)0320171204
满足烟幕透过率测量的红外辐射源设计
乔广林,苏东林,康文运
(北京跟踪与通讯技术研究所,北京100094)
摘　要:经过理论分析计算,估算出了满足烟幕透过率测量要求的红外辐射源辐射特性,依此,
对国内生产的各种红外辐射器件进行了调研分析以及试验测量,最终选择远红外陶瓷发热片
为红外辐射源的辐射器件。

提出了红外辐射源的结构设计方案,并作了验证试验。

进行了烟
幕透过率测量仿真计算,分析了辐射源的波动对烟幕透过率测量精度的影响。

关键词:烟幕透过率测量;红外辐射源;辐射强度
中图分类号:T N212 文献标识码:A
Desi gn i n g of I nfrared Radi a nt Source
Q I A O Guang2lin,S U Dong2lin,K ANG W en2yun
(Beijing I nstitute of Tracking and Telecommunicati ons Technol ogy,Beijing100094,China)
Abstract:According t o the require ment on the measurement of s moke screen per meability,the radiati on characteristic
of infrared radiant s ource is calculated.Based on this,we investigated the internal infrared radiant s ource,theoreti2
cally analyzed,and measured in test.Finally,we decided t o choose far2infrared cera m ic heater as radiant s ource.A t
last,we p r ovided the design sche me about the structure of radiant s ource,tested f or design validati on,calculated with
e mulati on mode on s moke screen per meability,and analyzed the influences o
f the fluctuati on of radiant s ource on its
measuring p recisi on.
Key words:screen per meability;infrared radiant s ource;radiati on intensity.
1　引　言
烟幕是对抗光电侦察与光电制导武器装备的最有效手段之一,烟幕对抗的机理是利用烟幕颗粒对光波的吸收与散射作用来遮蔽己方被保护目标的辐射或反射光波,使敌方侦察、探测、制导和观瞄设备无法接收到足够强度的目标信号,从而达到保护己方目标的目的。

烟幕因其化学组分、颗粒尺寸和浓度分布的不同而对不同波长的光波有不同的衰减效果。

早期的烟幕主要是遮敝可见光,现在正在研制能遮蔽从可见光到远红外光的宽波段烟幕弹。

利用“多功能红外对抗试验评估系统”的三波段红外成像辐射计,测量烟幕在1～3μm、3～5μm、8～10.5μm三个波段的透过率。

将红外成像辐射计放置在高100m的综合试验塔上,在距离红外成像辐射计400～800m的地段布设200个红外辐射源,构成一个红外辐射源阵列,在距离辐射计350m处施放烟幕,以便多点测量烟幕透过率。

红外辐射源是烟幕遮蔽效果测量评估系统的重要组成部分,要求红外辐射源产生1～3μm、3～5μm、8～10.5μm 三波段的红外辐射,因此,有必要对红外辐射源进行优化设计,进行必要的仿真计算和理论分析,提出了红外辐射源的设计方案,并进行了烟幕透过率测量仿真计算,分析了辐射源的波动对烟幕透过率测量精度的影响。

2　烟幕透过率测量对辐射源辐射特性的要求
2.1　三波段红外成像辐射计的主要性能参数
三波段红外成像辐射计的主要性能参数列于表1。

2.2　烟幕透过率测量要求
(1)测量波段:1～3μm、3～5μm、8～10.5μm;
(2)测量范围:透过率1～100%,测量点200个;
(3)测量精度:测量绝对精度优于3%(透过率小于20%时)。

2.3　满足烟幕透过率测量要求的辐射源辐射特性理论估算
烟幕透过率计算公式[1]如下:
τ=
H y m-H yb
H m-H b
(1)
作者简介:乔广林,男,高级工程师,主要从事电子战仿真系统的总体设计工作。

收稿日期:2004209208
表1　三波段红外成像辐射计的主要性能参数参数短波辐射计中波辐射计长波辐射计红外焦平面PtSi I nSb HgCdTe 制冷器斯特林制冷斯特林制冷斯特林制冷像元数324×240256×256128×128像元尺寸/μm30×3030×3050×50
8°镜头
光学口径D/mm<22<22<22 F数 2.3 2.3 2.3瞬时视场ω/m rad0.6×0.60.6×0.61×1
16°镜头
光学口径D/mm<11<11<11 F数 2.3 2.3 2.3瞬时视场ω/m rad 1.2×1.2 1.2×1.22×2
D3/c mHz1/2W-14×10108×10104×1010式中,H
m
—目标点(含背景)在探测器上产生的辐照
度;H
b —背景在探测器上产生的辐照度;H
m
-H b—
辐射源在探测器上产生的辐照度;H
y m
—施放烟幕后,目标点(含背景)在探测器上产生的辐照度;
H yb—含烟幕背景在探测器上产生的辐照度;H y m-H yb—辐射源在探测器上产生的辐照度;τ—烟幕透过率。

为了把透过率测至1%,H
y m
-H yb至少应等于红外成像辐射计的噪声等效照度NE I。

因此, H m-H b至少应等于100倍的NE I,才能满足透过率测量范围的要求。

其中NE I的计算公式[2]如下:
NE I=(A
d
Δf)1/2
D3A d
(2)
由于烟幕透过率测量时,红外成像辐射计的瞬时视场角较大,辐射源离辐射计的距离较远,这时辐射源可看作点源,因此,为了满足烟幕透过率测量要求,辐射源的辐射强度至少为:
Jλ
1-λ2=
R2H
τ
a
=R2
400NE I A d
D2πτ0τa
(3)
将公式(2)代入公式(3)得:
Jλ
1-λ2=
400(A dΔf)1/2
D3D2πτ0τa
R2(4)
式中,D3—探测器的探测率;Δf—系统带宽,取Δf= 60Hz;A d—像元的面积;R—辐射源与辐射计的距离,取R=800m;D—光学口径,取D=11mm;τ
—光
学系统透过率;τ
a —大气透过率,取τ
a
=0.9。

对1～3μm波段,取τ
=0.5,A d=30μm×30μm,D3=4×1010c mHz W-1。

对3～5μm波段,取τ
=0.5,A d=30μm×30μm,D3=8×1010c mHz W-1。

对8～10.5μm波段,取τ
=0.3,A d=50μm×50μm,D3=4×1010c mHz W-1。

将参数代入公式(4)中,计算得:J1-3μm=0.87W/Sr,J3-5μm=0.44W/Sr,J8-10.5μm= 2.42W/Sr。

分析可知:在1～3μm波段,辐射源的强度至少为0.87W/Sr,在3～5μm波段,辐射源的强度至少为0.44W/Sr,在8～10.5μm波段,辐射源的强度至少为2.42W/Sr。

3　辐射器件选择、辐射源结构设计及设计验证
3.1　辐射器件选择
以理论计算结果为依据,我们对国内生产的远红外辐射器件进行了选择,对电阻带红外加热器、磨沙灯、远红外陶瓷发热片的辐射特性进行了测量,对能斯特灯、硅碳棒、乳白石英加热器等进行了调研和理论分析。

通过优选,认为中科院生产的远红外陶瓷发热片,耗电功率较小,热电转换效率较高,红外辐射频带宽,寿命长,价格低,能满足烟幕透过率测量的需要。

该产品为直接电加热辐射元件,它是多种材料均匀混合后,再经高温烧结而成,其加热体和远红外辐射材料合成一体,它比间接加热的辐射元件升温快,与涂敷式红外辐射元件相比,又具有红外材料不脱落、寿命长的优点,其辐射光谱宽、效率高。

现有九个型号,除了选用现有型号外,还可委托研制单位按要求设计新型号,产品为片状结构,结构示意图如图1所示。

图1　远红外陶瓷发热片结构示意图
远红外陶瓷发热片技术参数如下:
(1)辐射特性接近灰体辐射,发射率ε为0.92;
(2)寿命大于2000h;(3)正常工作时其表面温度超过600K;(4)热响应时间小于9m in;(5)红外辐射起伏小于5%。

我们选择了型号YH W-100的远红外陶瓷发热片,它长100mm,宽35mm,厚5mm。

工作电压220V,功率300W,测得表面温度为900K。

试验测得其单表面辐射强度:
J1～3μm=5.6W/sr,J3～5μm=9.6W/sr,J8～10.5μm=2.2 W/sr。

试验测得其辐射强度起伏小于5%(连续工作2小时)。

3.2　红外辐射源的结构设计
为了提高红外辐射源的有效辐射强度,减小外界环境对陶瓷发热片的影响,提高源的辐射稳定性。

有必要给陶瓷发热片加装反射罩,反射罩由红外线反射率较高的内反射罩和一个强度较大的外保护罩组成,并在中间填充隔热材料,其横截面示意图如图2所示。

由于金属铝表面对红外线的反射率为90%以上,因此,内反射罩可由光亮的铝箔制成。

271激光与红外 第35卷
图2　反射罩横截面示意图
图3　红外辐射源结构示意图
由于红外辐射源需布设在野外,所以,应带有三角架,将反射罩放置在三角架上,三角架可选用大地测量用的小型三角架。

红外辐射源的组成:远红外陶瓷发热片、反射罩、三角支架、防水电源插座等,结构示意图如图3所示。

尽管铝箔对红外线的反射率较高,但在野外工作时存在着热对流和热传导的影响,陶瓷发热片背离辐射计的那个表面的辐射,不可能被90%反射回来。

取有效反射率为50%是合理的,那么,红外辐射源的辐射强度为:
J1～3μm=8.4W/Sr,J3～5μm=14.4W/Sr,J8～10.5μm= 3.3W/Sr。

3.3　红外辐射源设计验证
验证试验在上午9～12时进行,晴天风速小于3m/s,将红外辐射源样机置于上海技物所宾馆楼顶,红外热像仪置于上外图书馆楼顶,两者相距500m。

试验时利用调压器给红外辐射源样机加压,所加电压分别为110V、150V、180V、200V、220V,由红外热像仪测得的数据列于表2。

在烟幕透过率测量试验时,红外辐射源与红外热像仪最远相距800m,视场分8°、16°两挡。

由于辐射源在8～12μm波段的辐射强度最小(仅8～10.5μm辐射有效),而且8～12μm红外热像仪的像元面积A
d
最大,根据公式(5)知:红外辐射源只要能满足8～12μm波段烟幕透过率的测量,便可满足1～3μm、3～5μm波段烟幕透过率测量要求。

为了满足烟幕透过率测至1%的要求,800m处的红外辐射源至少应在8～12μm红外热像仪(16°视场)中产生100个灰度级。

由试验数据知:500m 处的红外辐射源样机在8～12μm红外热像仪(9.2°视场、D=30mm)产生的灰度级为890。

表2　试验数据
　波段
电压　
3～5μm8～12μm备注背景目标+背景目标背景目标+背景目标110V111651250513401056910809240
150V11165饱和1056911099530
180V11165饱和1056911279710
200V11165饱和1056911319750
220V11165饱和1056911459890
热像仪的动态范围为14bit,灰度级最大是16384
单
位
为
灰
度
级
辐射源在热像仪探测器上产生的照度为: H=
Jλ1-λ2D2πτ0τa
4A d R2
(5)
式中,Jλ
1-λ2
—辐射源波段辐射强度;D—光学口径;
τ
—光学系统透过率;τ
a
—大气透过率;A
d
—像元面积;R—辐射源与热像仪的距离。

灰度级与探测器上的光照度H成正比,由公式5知:若采用16°镜头(D=20mm),R取800m,红外辐射源样机产生的灰度级N为:
N
890
=
20
800
2
/305002N=154 因此,若将红外辐射源样机置于离8～12μm红外热像仪(16°视场)800m处,在红外热像仪中能产生154个灰度级,满足了至少产生100个灰度级的试验要求。

由上述分析知:我们设计的辐射源样机能基本满足烟幕透过率测量的要求。

4　烟幕透过率测量仿真计算及精度分析
4.1　烟幕透过率测量仿真计算
将三波段红外成像辐射计放置在高100m的综合试验塔上,在距离辐射计400～800m的地段布设我们设计的红外辐射源200个,构成一个红外辐射源阵列,在距离辐射计350m处施放烟幕。

当辐射源工作稳定后,在烟幕施放前后,用三波
段红外成像辐射计测量H
m
、H
b
,H y m、H yb。

由于辐射源的有效辐射面积较小,仅为几十平方厘米,没有充满一个像元,因此,目标点在探测器上产生的辐照度,是由辐射源和背景共同产生的。

施放烟幕后,烟幕本身还有辐射。

因此,为了消除烟幕自身辐射和背景辐射的影响,采用公式(1)计算烟幕的透过率。

在试验过程中,这200个目标点中每个目标点
必须满足H
m
-H b≥100NE I,同时,H m、H b,H y m、H yb 始终应在辐射计的线性测量范围内。

烟幕测量时背景是大地,设为300K、发射率0.9
的灰体[3],因此,背景在探测器上产生的辐照度可由以下公式计算:
371
第3期 激光与红外
H b =τ0ω[F (λ2T )-F (λ1T )]
εσT 4D 2D 34(A d Δf )
1/2
NE I (6)式中,ω—瞬时视场立体角;ε—发射率,取为0.9;σ—斯忒藩-玻耳兹曼常数。

辐射源在探测器上产生的辐照度可由如下公式计算:
H =τa τ0J
λ1-λ2πD 2D 3
4R 2(A d Δf )1/2NE I
(7)式中,R —辐射源与辐射计的距离;τa —大气透过率,取τa =0
.9。

由于辐射源没有充满一个像元,所以,目标点在探测器上产生的辐照度:
H m =H +H b 。

由于绝大多数烟幕为“冷烟幕”,主要是靠散射、反射红外线来到达遮蔽目标的作用,从以往烟幕试验的热图看,烟幕与背景仅存在约0.3℃的温差,因此,施放烟幕后,含有烟幕的背景在探测器上产生的辐照度H yb 与H b 接近,可认为H yb ≈H b ,而施放烟幕后,目标点在探测器上产生的辐照度H y m 最大不超过H m ,当H y m =H yb 时,透过率τ=0,当H y m =H m ,透过率τ=100%。

因此,H yb ≤H y m ≤H m 。

在这200个辐射源中,800m 处的辐射源在探测器上产生的辐照度最小,400m 处的辐射源在探测器上产生的辐照度最大,因此,只要计算出800m 和400m 处辐射源在探测器上产生的辐照度,就可确定200个辐射源产生的辐照度动态范围。

将各参数代入公式(6)和公式(7),可计算得H m 、H 、H b 如表3。

表3　背景及目标在探测器上的辐射照度
16°
镜头
波段
H b H
(400m )H (800m )H m (400m )H m (800m )1～3μm 1386096538619663～5μm 3981324433111364237098～10.5μm 2561552138311326998°
镜头
1～3
μm 11544038601544138613～5μm 398529761324453374136428～10.5
μm 2561
2208
552
4769
3113
备注H =H m -H b ,其中H m 、H 、H b 的单位是NE I
一般光子探测器在比NE I 值大四个数量级的
范围内是线性的[4]。

从以上数据可以看出,烟幕透
过率测量时,若采用16°镜头,离3～5
μm 波段辐射计较近的部分目标点超过了测量线性区,需要加一
个20%的光阑,1～3
μm 波段和8～10.5μm 波段的200个目标点,均在辐射计的线性测量范围内;若采
用8°镜头,1～3
μm 波段辐射计需加20%的光阑,3～5
μm 波段辐射计需加5%的光阑,8～10.5μm 波段的200个目标点,仍在辐射计的线性测量范围内。

加光阑后的H m 、H 、H b 见表4。

由于H yb ≈H b 、H yb ≤
H y m ≤H m ,所以,只要H b 和H m 在辐射计的线性测量范围内,就可保证H m 和H y m 也在辐射计的线性测量
范围内。

表4　加光阑后背景及目标在探测器上的辐射照度
16°
镜头
波段H b H
(400m )H (800m )H m (400m )H m (800m )3～5μm 99331182334109278°
镜头1～3μm 0386096538609653～5
μm 20
2648
662
2668
682
备注
H =H m -H b ,其中H m 、H 、H b 的单位是NE I
从表3和表4的数据可知,对这200个目标点,
均有H m -H b >100NE I,并且通过给某些波段辐射计加光阑,在烟幕测量过程中,可确保各目标点的H m 、H b 、H y m 、H yb 值在辐射计的线性测量范围内。

因此,我们设计的辐射源能满足烟幕透过率测量的要求。

4.2　烟幕透过率测量精度分析
利用公式(1)计算透过率时,由于目标点内的背景辐射与辐射源辐射叠加在一起,减背景辐射只能减相邻像元对应的背景辐射,这会影响烟幕透过率测量精度。

但是,在试验区,布设辐射源的地段是一块植被均匀平整的农田,从热像仪拍摄的热图看,没有温差显示,因此,相邻像元对应的背景辐射差可忽略不计。

施放烟幕后,由于我们测量的烟幕面积
较大(200m 2～4000m 2
),同时烟幕与背景的温差又很小,因此,相邻像元对应的背景辐射差也可忽略不计。

所以,影响烟幕透过率测量精度的主要因素是辐射源的波动,辐射源波动小于5%,透过率测量相
对精度为[5]
:
δττ
≤(5%)2+(5%)2
=7%
(8)当τ≤20%时,δ
τ≤1.4%,因此,辐射源的波动能满足烟幕透过率测量的要求。

5　结　论
通过以上理论分析和仿真计算,说明我们设计的红外辐射源能满足烟幕透过率测量的要求,另外耗电总功率约60k W ,没有超过试验场供电限制。

经过对红外辐射源的优化设计,为烟幕遮蔽效果测量评估系统总体技术方案的拟制提供了技术支持,为辐射源的研制以及烟幕透过率测量试验提供了理论依据,降低了设备研制的风险。

参考文献:
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业出版社,1997,6,212-213.
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