红外光谱辐射计镜头视场角测量研究

刘先富, 赵会妮, 熊 兵, 刘枭铭

(中国航发四川燃气涡轮研究院,四川 绵阳 621000)

0 引言

隐身性能关系到战机的生存能力,已经成为先进战机的主要性能指标之一。战机隐身技术可以分为雷达隐身、红外隐身和其他光声电磁隐身等,在现代战争中,雷达隐身和红外隐身是战机隐身技术发展的两个最主要的分支。在现代局部战争中,红外(含热寻的)制导占了60%以上,红外精确制导武器是战机面临的主要威胁之一,红外隐身技术成为了关系战机生存的重要问题。航空发动机是战机尾向主要的红外辐射源,也是红外制导武器探测、追踪的主要目标。研究航空发动机红外隐身特性,提升战斗机红外隐身性能,对于提高战斗机生存能力具有重要作用[1-8]。红外隐身特性研究分为数值计算和试验测试两个方面。数值计算相对比较成熟,国内外都依据不同的算法,开发出了多款红外辐射特性计算软件,并应用于不同的发动机红外辐射特性研究。但是,由于流场参数、燃气成分、计算区域等差别造成数值计算存在偏差,需要通过试验测试来获取真实的发动机红外辐射强度,验证及修正数值计算模型[9-13]。

红外光谱辐射计是航空发动机红外辐射特性测试使用的经典测量仪器,具有光谱分辨率高、测量精度高、响应快、光谱范围广等优点。在工程测试中,红外光谱辐射计需要综合考虑发动机试车过程中的高温高速气流和噪声,根据被测目标尺寸及测量距离选择合适的镜头,既要保证测试仪器设备及人员的安全,还要能够获取可靠的红外辐射亮度数据[14-16]。利用测量的红外光谱辐射亮度乘以对应距离下的镜头视场面积,才能得到航空发动机的红外辐射强度。

光学元器件加工及装配误差,导致红外光谱辐射计配套镜头的视场角度值与其出厂默认值存在一定的偏差,进而造成航空发动机辐射强度测试偏差。测量红外光谱辐射计镜头的视场角度值,通常有两种方法:一是将标准面源黑体作为被测目标,在一定距离下,利用红外光谱辐射计从面源黑体的法向测量黑体的辐射亮度,再结合测量距离、镜头视场角度和大气透过率计算所测黑体的辐射强度,并与理论黑体值进行比较,确定视场角度值;二是利用高温目标点源(因为红外对高温目标更为敏感,所以不采用低温目标),在一定的距离下,从不同的径向方向缓慢进入镜头视场,通过监测红外光谱辐射计信号波动,探寻视场边界,再将视场边界的离散点拟合成闭合曲线,结合曲线包含的面积、测量距离及视场角的关系,计算镜头视场角度值。第一种方法受面源黑体表面发射率、温度均匀性、大气透过率测量精度等影响,测量误差较大;第二种测量方法比较直观且精度较高,但是实施较为复杂。目前,国内外尚未查询到光谱辐射计视场角度测量的相关文献资料。

本文使用第二种测量方法,以高温腔式黑体炉作为高温目标,以200 m的测量距离为例,25 mrad镜头对应视场直径达到5 m,利用高温目标从周向不同角度探寻5 m的边界,实施较为困难。如果在更远的距离下测量,或者测量的镜头视场角更大,则基本无法实施。为了解决在视场面积较大时周向不同角度移动高温目标难以操作的难题,本文设计了一种全新的测量方法:保持高温目标在水平方向移动,通过旋转红外光谱辐射计及其镜头来实现周向不同角度视场边界的测量,并设计制作了旋转装置及高温目标滑轨平台,实现了镜头视场角测量。

1 红外光谱辐射计简介

本文测试对象是加拿大LR公司的VSR-3型红外光谱辐射计及其通用的中视场镜头,VSR-3型红外光谱辐射计(如图1所示)是基于傅里叶变换技术,采用迈克尔逊干涉仪,配置斯特林电子制冷参考源。其典型技术指标如下。

图1 VSR-3型红外光谱辐射计配中视场镜头

1) 红外光谱工作范围:0.9～20 μm(包含MCT,InSb,InGaAs 3个探测器);

2) 光谱稳定性:不低于0.01 cm-1;

3) 光谱分辨率:1、2、4、8、16、32、64,单位为cm-1,可调;

4) 配置有同轴可见光CCD观测器。

2 测试方案设计

红外光谱辐射计镜头视场角度测量思路:由于红外辐射能量边界无法用肉眼直接观察,只能利用高温目标配合传感器响应来识别边界,图2为镜头视场角度测量示意图。

图2 镜头视场角度测量示意图

最直接的方法是保持光谱辐射计静止不动,在测量距离为L的位置,利用高温目标从某一周向角度由视场外向内移动,直至光谱辐射计传感器开始响应,则证明高温目标所在的位置即为该周向位置的边界坐标。从周向不同角度重复以上测量步骤,即可得到离散的周向坐标点,对这些坐标点进行闭合曲线拟合,计算拟合后的曲线所包含的面积,再利用该面积作为标准圆的面积,计算等效标准圆的视场半径r,利用

θ=arctan(r/L)

(1)

计算θ值,再乘以2即可得到镜头的视场角度值。

在测量镜头视场角度时,要求测量距离尽可能远,高温目标面积尽可能小,且能量尽可能大,则测量精度越高。但是,相同的高温目标条件下,测量距离越远,目标视场则越小,加上大气衰减增加,光谱辐射计响应越弱,边界辨识难度加大。另外,距离越远,对应视场面积越大,从周向不同角度移动高温目标越难以操作。因此,需要在测量距离、传感器响应、高温目标能量之间寻找一个平衡点。

2.1 旋转装置设计

根据红外光谱辐射计及镜头结构,设计了旋转装置,由可移动底座、支撑框架、减速器、转接云台等组成。可移动底座用于支撑整个装置及红外光谱辐射计,设计了可锁止的滚轮及可调地脚支撑,在移动至所需位置后,通过可调地脚支撑实现旋转装置的可靠固定;支撑框架根据整个装置的质量及重心进行设计,确保红外光谱辐射计围绕镜头中心轴线稳定旋转;减速器由圆盘手柄、周向角度盘、轴承、蜗轮等组成,用于带动红外光谱辐射计精确旋转至所需角度并锁定;转接云台用于安装红外光谱辐射计,具有上下、左右、俯仰3个自由度,用于微调光谱辐射计镜头的位置。由于光谱辐射计安装有不同视场角的镜头,镜头中心轴线位置会随之变化,通过转接云台能够调节不同镜头中心轴线与减速器旋转轴重合,实现光谱辐射计旋转时都以镜头中心轴线为轴心进行旋转。红外光谱辐射计旋转装置如图3所示。

图3 红外光谱辐射计旋转装置

2.2 高温目标滑轨平台设计

本文测量对象为VSR-3型红外光谱辐射计最常用的镜头,视场角初始值25 mrad(厂家标称值),在距离为200 m时,根据式(1)中测量距离L和视场半径r的关系,计算出测量距离对应的视场直径为5 m。相对于低温目标,红外光谱辐射计对高温目标更为敏感,因此,利用高温目标代替低温目标来测定红外光谱辐射计的视场边界精度更高。为了实现高温目标在视场内水平方向的移动并获取特定位置的坐标,本文设计了一套如图4所示的支撑高温目标移动的滑轨平台,它由底座、滑轨、升降平台等组成。底座配置了滚轮及可调地脚支撑,在移动到位后,调节地脚支撑将滚轮悬空,实现滑轨的调平及固定;滑轨是利用双导轨设计,通过螺栓固定在底座上,滑轨总长5.5 m,沿导轨侧面安装了刻度尺;升降平台安装于滑轨上,可在导轨上水平移动并在任意位置锁止,升降平台上设计了指针并指向导轨上的刻度尺,可通过指针读取升降平台所处的水平坐标。高温目标(高温腔式黑体炉)放置于顶部平台上,顶部平台可在1.2～1.8 m范围内升降,将高温目标调节至与红外光谱辐射计镜头中心同一水平高度。

图4 高温目标滑轨平台

2.3 测量步骤

测量步骤如下。

1) 利用全站仪测绘出红外光谱辐射计与高温目标之间的距离及高度差,本次试验测量距离设计为150 m。

2) 安装旋转装置、红外光谱辐射计及镜头、高温目标及滑轨平台,根据测绘的高度差调节高温目标的高度,使得高温目标与光谱辐射计镜头中心等高。

3) 通电,将高温目标升温至1000 ℃,打开光谱辐射计及采集计算机,通过光谱辐射计软件实时观测光谱辐射计信号响应。

4) 调节光谱辐射计镜头至水平(定义为0°),通过同轴可将光CCD相机观测高温目标,微调云台的俯仰角和水平角,使得高温目标处于CCD相机中心位置,如图5所示,记录当前高温点源的坐标值及能量响应。

图5 可见光相机中心的高温目标

5) 手动移动滑轨上的平台,带动高温目标缓慢向左侧移动,通过软件观察红外光谱辐射计响应,直至红外光谱辐射计响应能量积分值降为最低(背景辐射能量值积分值)且不再变化,证明高温目标移出了视场左边界,将高温目标从左往右缓慢移动,通过软件观察红外光谱辐射计响应,直至响应能量突增,证明高温目标刚进入视场左边界,停止移动高温目标并记录左边界坐标值。相同的方法寻找并记录视场右边界坐标值。

6) 旋转红外光谱辐射计,使得镜头角度为10°(逆时针旋转为负),重复上述步骤,获取10°角下的左右视场边界坐标值。继续以上操作,使得红外光谱辐射计镜头角度每间隔10°采集一组左右坐标值,直至采集完170°范围共18组数据。

7) 将以上数据坐标值输入计算机绘图软件,生成闭合曲线,计算闭合曲线包含的面积,利用标准圆的面积算式,根据该面积值计算等效标准圆的半径,再结合测量距离,通过式(1)计算镜头视场角度。

3 测试结果

本次试验对厂家标称的25 mrad镜头进行测量,测量坐标值如表1所示。

表1 25 mrad镜头测量坐标值

利用计算机绘图软件将所有坐标值拟合成闭合曲线(如图6黑色线条所示),利用软件计算闭合曲线所包含的面积为10186377.531 mm2,以该面积为等效标准圆的面积,计算出等效标准圆的半径为1800.673 mm,通过式(1)计算镜头视场角度实测值为24.086 mrad,与厂家标称值 25 mrad接近。在测量过程中,主要的误差来源是在确定视场边界值时因为不同的人员操作引入的随机误差。

图6 拟合圆(黑色线)和等效圆(红色线)

由图6可知:红外光谱辐射计镜头视场是一个不规则的近似圆,左边界近似为竖直线,右边界近似为圆弧形,上下边界的距离(高)明显大于左右边界的距离(宽),在实际应用中,应将被测目标略向右侧偏移,尽可能将被测目标放置于视场中心,提高测量精度。

4 结论

本文设计一种红外光谱辐射计视场角测量方法,并制作了相应的测量装置,成功测量了加拿大LR公司的VSR-3型红外光谱辐射计25 mrad镜头的视场角,并得到以下结论:

1) 红外光谱辐射计的实际测量视场是一个不规则的区域,左边界近似为竖直线,右边界近似为圆弧形,上下边界明显大于左右边界,故需要预先进行测量,才能在实际使用中将被测目标放置于合理的视场区域内;

2) 中视场镜头的视场角厂家标称值为25 mrad,实际测量结果为24.086 mrad,利用该结果对红外辐射强度进行修正,能够提升约4%的测量精度;

3) 厂家标称的红外光谱辐射计配套光学镜头的视场角度具有参考价值,但针对高精度红外辐射强度测量,需要对该视场角度进行准确测量,对所测结果进行修正。建议厂家在红外光谱辐射计及镜头的加工和装配完成后,参照本文方法进行视场角测量,以减小其出厂标称值的偏差;

4) 厂家提供的同轴可见光相机可以更为直观地观察视场内的目标,但是,对于高温目标,建议配套同轴红外相机进行测量;

5) 利用本文方法测量视场角,搭建仪器设备较为复杂,需多人配合操作,耗时长,本文仅针对特定镜头进行一组数据的测量,后续将结合测试需求,实现视场角的精细化测量及测试误差分析。