高温红外头罩不同厚度材料热辐射特性高效测量系统及方法

1.本发明属于热辐射测量技术领域，具体涉及一种高温红外头罩不同厚度材料热辐射特性测量方法。


背景技术：

2.飞行器在大气层内超高声速飞行时，高温红外头罩迅速成为红外探测系统气动热辐射效应的主要因素。高温使红外头罩自身热辐射增加，红外头罩表面的辐射主要集中于红外波段，高温激波气体和红外头罩产生强烈的气动热辐射效应，对探测器形成辐射干扰，对目标的红外信号形成干扰，使探测器背景亮度增加，降低目标的探测信噪比，降低了系统对目标的检测和跟踪能力，甚至导致红外探测器饱和而不能准确分辨来自目标的信号，引起目标探测、跟踪与识别能力的减弱，使红外探测系统成像质量下降。
3.目前对红外头罩材料的测量研究多集中在强度、硬度﹑熔点、折射率、热导率和耐腐蚀等物理化学性能，而透过率、衰减系数等热辐射传输特性的研究较少，高温状态的数据更少，影响甚至制约了高温红外光学窗口的气动热辐射效应研究的发展，阻碍了红外探测系统在高超声速飞行器领域的应用。
4.传统的红外头罩辐射特性测试方法针对同一种材料，材料厚度改变时需要开展一次乃至多次重复性实验，每次实验的温度等环境工况不能保证完全一致，红外头罩材料辐射特性测量值与真实值误差较大且造成额外的实验成本浪费。传统的思路为采用数值模拟的方法包括离散坐标法、有限体积法等对实际情况进行模拟，结合不同角度的表观辐射强度测量结果，反演重建介质内部的辐射特性场，如吸收系数场、折射率场等。重建过程受到测量误差等影响较大，且重建的精度随着介质的厚度增加而降低。因此急需一种在高温状态下实现不同厚度红外头罩材料热辐射特性一次性测量的方法，更加高效地建立高温红外头罩传输特性量化模型。


技术实现要素：

5.本发明为了解决现有的采用数值模拟方法存在因为受到待测材料厚度以及测量误差的影响较大导致的重建结果精度交叉的问题。
6.一种高温红外头罩不同厚度材料热辐射特性高效测量系统，包括傅里叶变换红外光谱仪、加热炉、黑体炉、温控巡检仪和数据采集及处理系统；
7.测量时，傅里叶红外光谱仪的探测镜头中心、加热炉中心以及黑体炉腔体中心设置在同一条水平线上；
8.黑体炉，用于发射黑体红外辐射；在测量工作过程中，调整黑体炉改变黑体温度，以发射不同黑体温度下的红外辐射；
9.加热炉，用于红外头罩样品加热；在测量工作过程中，调整加热炉的温度，为红外头罩样品材料提供不同温度；
10.温控巡检仪，用于检测和控制加热炉内的温度；
11.傅里叶红外光谱仪，用于获取透过红外头罩的黑体红外辐射；
12.数据采集及处理系统，用于采集傅里叶红外光谱仪的数据和温控巡检仪，并利用傅里叶红外光谱仪得到的信号计算得到材料在温控巡检仪所显示的温度下的法相光谱表观辐射强度。
13.一种高温红外头罩不同厚度材料热辐射特性高效测量方法，包括以下步骤：
14.步骤一、搭建权利要求1所述的高温红外头罩不同厚度材料热辐射特性高效测量系统；
15.步骤二、初始阶段，不启动加热炉，加热炉内不放置样品，启动黑体炉，设定黑体炉温度为tb，用傅里叶红外光谱仪获取黑体的红外辐射l
obj
；
16.步骤三、将红外头罩样品放置于高温加热炉内加热，待红外头罩样品材料温度达到指定温度t
win
且分布均匀后，用红外探测器获取透过红外头罩样品材料的红外辐射l
tot
；
17.步骤四、控制样品材料温度，使其温度保持t
win
不变，改变黑体温度tb状态下，重复步骤二与步骤三，获取多组黑体温度t
b,i
状态下的红外辐射l
obj,i
和l
tot,i
；其中下标i表示第i次测量；
18.步骤五、当材料的温度不变时，其辐射特性参数为固定值，通过对试验结果的统计，利用最小二乘法拟合多组黑体温度t
b,i
状态下的红外辐射l
obj,i
和l
tot,i
，进而得出温度t
win
均匀分布的红外头罩样品材料的透过率τ
t,win
和自身辐射l
t,win
；
19.步骤六、沿厚度方向将红外头罩样品等分成n层，根据能量守恒关系获得单位厚度δ的红外头罩样品材料的表观光谱透过率自身辐射并基于获得表观法向光谱发射率
20.步骤七、根据辐射传输逆问题求解算法，假设红外头罩样品材料的折射率为吸收系数为通过求解辐射传输方程计算得到该红外头罩样品材料的出射界面上任意角度的表观光谱辐射强度表观法向光谱发射率估计值以及表观光谱透过率估计值
21.步骤八、将步骤六得到的红外头罩样品材料的表观法向光谱发射率与表观光谱透过率和步骤七得到的红外头罩样品材料的表观法向发射率估计值与表观光谱透过率估计值代入如下目标函数计算公式，计算得到目标函数值f
obj
；
[0022][0023]
步骤九、判断步骤八中的目标函数值f
obj
是否小于设定阈值ξ，
[0024]
若是，则步骤八中所假设的红外头罩样品材料的折射率吸收系数即为该的红外头罩样品材料的真实折射率、吸收系数；
[0025]
若不是，则返回步骤七，根据逆问题算法更新的红外头罩样品材料的折射率
吸收系数重新设定红外头罩样品材料的折射率和吸收系数重新计算，直至步骤八中的目标函数值f
obj
小于设定阈值ξ，得到该的红外头罩样品材料的真实折射率吸收系数
[0026]
结合步骤六，目前获得了温度为t
win
的样品材料的自身辐射折射率吸收系数
[0027]
步骤十、改变样品材料的温度t
win
，重复步骤二至步骤九，以获得不同温度t
win,j
下，单位厚度δ红外头罩样品材料的折射率吸收系数与自身辐射其中下标j表示第j组测量；
[0028]
通过计算得到单位厚度δ红外头罩样品材料的不同方向的自身辐射
[0029]
通过不同温度t
win,j
下的样品材料的折射率吸收系数与自身辐射建立不同温度单位厚度δ红外头罩材料的辐射物性数据库；
[0030]
步骤十一、利用物理离散的思想，将待测红外头罩均匀分成m层厚度为δ的薄层；使用红外热像仪测量，待测工况下，各个红外头罩薄层的温度，记为t
win,k
，其中下标k＝1,2,
…
,m，表示第k个薄层；根据测量结果建立红外头罩的温度场，查询步骤十中建立的不同温度单位厚度δ红外头罩材料的辐射物性数据库，得到各个红外头罩薄层的折射率、吸收系数、自身辐射分布场以及不同方向辐射分布场；进而得到红外头罩内不同位置处的折射率以及吸收系数，通过沿厚度方向叠加获取待测红外头罩的方向辐射强度以及方向发射率。
[0031]
有益效果：
[0032]
传统的计算方法在模型层面对待测红外光学窗口进行离散，但是传统的计算方法受到待测材料厚度以及测量误差的影响。因此本发明另辟蹊径，采用在物理层面对材料进行离散，将待测材料分成数个厚度较小的薄层，对薄层的透过率以及自身辐射进行测量，并引入辐射传输反问题计算方法，对材料的辐射特性，诸如吸收系数以及折射率进行反演重建。此时，由于反演重建的模型厚度较小，因此能保证重建结果具有较高精度。
[0033]
同时本发明还根据红外头罩的目标特性传输机理提供了一种无需多次重复实验即可针对不同材料厚度红外头罩的透过率和自身辐射等热辐射特性测量方法，即在前期建立红外头罩传输特性量化模型时只要基于不同温度下的样品材料的折射率、吸收系数与自身辐射建立单位厚度红外头罩材料的辐射物性数据库之后就以不用重复实验即可针对不同材料厚度获得红外头罩的透过率和自身辐射等热辐射特性。从而为评估弹载条件对红外探测图像以及信息处理的影响提供关键数据支持，形成更加逼真的红外探测仿真图像，促进高超声速飞行红外探测系统的设计与优化。
附图说明
[0034]
图1为高温红外头罩不同厚度材料热辐射特性高效测量系统示意图。
具体实施方式
[0035]
下面将结合附图对本发明的工作原理进行进一步详细说明。
[0036]
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，
[0037]
本实施方式为一种高温红外头罩不同厚度材料热辐射特性高效测量系统，包括傅里叶变换红外光谱仪1、加热炉2、黑体炉3、温控巡检仪4和数据采集及处理系统5；
[0038]
工作时，傅里叶红外光谱仪的探测镜头中心、加热炉中心以及黑体炉腔体中心设置在同一条水平线上；
[0039]
黑体炉，用于发射黑体红外辐射；在测量工作过程中，调整黑体炉改变黑体温度，以发射不同黑体温度下的红外辐射。
[0040]
加热炉，用于红外头罩样品加热；在测量工作过程中，调整加热炉的温度，为红外头罩样品材料提供不同温度；
[0041]
温控巡检仪，用于检测和控制加热炉内的温度；
[0042]
傅里叶红外光谱仪，用于获取透过红外头罩的黑体红外辐射；
[0043]
数据采集及处理系统，用于采集傅里叶红外光谱仪的数据和温控巡检仪，并利用傅里叶红外光谱仪得到的信号计算得到材料在温控巡检仪所显示的温度下的法相光谱表观辐射强度。
[0044]
本实施方式中，
[0045]
傅里叶变换红外光谱仪为ftir-6100型傅里叶变换红外光谱仪，主要指标有：(1)最高光谱分辨率为0.022nm；(2)扫描光谱范围为1.25-25；(3)扫描频率为20hz；(4)信噪比为50000/1。
[0046]
加热炉为sgm.m6/14ae型加热炉，其为双开门加热炉，炉膛深、宽、高尺寸(mm)为230
×
180
×
150。加热功率：4kw，加热元件为硅钼棒。最高温度：1700℃，温度稳定性为
±
1℃，温度均匀性为
±
6℃，从室温升到1400度需要45-50分钟。
[0047]
黑体炉为rt1500型黑体炉，主要指标参数为：最高温度1450℃，有效发射率0.99，辐射孔径φ50，温度范围：0—1450℃范围内任意设定，温度控制精度
±
0.5℃，稳定度1℃/3min，升温时间：室温至1450℃不大于1小时。
[0048]
具体实施方式二：
[0049]
本实施方式为一种高温红外头罩不同厚度材料热辐射特性高效测量方法，包括以下步骤：
[0050]
步骤一、搭建高温红外头罩不同厚度材料热辐射特性高效测量系统。
[0051]
步骤二、初始阶段，不启动加热炉，加热炉内不放置样品，启动黑体炉，设定黑体炉温度为tb，用傅里叶红外光谱仪获取黑体的红外辐射l
obj
。
[0052]
步骤三、将红外头罩样品放置于高温加热炉内加热，待红外头罩样品材料温度达到指定温度t
win
且分布均匀后，用红外探测器获取透过红外头罩样品材料的红外辐射l
tot
；
[0053]
红外头罩材料即红外光学窗口材料；
[0054]
步骤四、控制样品材料温度，使其温度保持t
win
不变，改变黑体温度tb状态下，重复步骤二与步骤三，获取多组黑体温度t
b,i
状态下的红外辐射l
obj,i
和l
tot,i
；其中下标i表示第i次测量。
[0055]
步骤五、当材料的温度不变时，其辐射特性参数为固定值，因此可以通过对试验结
果的统计，利用最小二乘法拟合多组黑体温度t
b,i
状态下的红外辐射l
obj,i
和l
tot,i
，进而得出温度t
win
均匀分布的红外头罩样品材料的透过率τ
t,win
和自身辐射l
t,win
。
[0056]
步骤六、沿厚度方向将红外头罩样品等分成n层，根据能量守恒关系获得单位厚度δ的红外头罩样品材料的表观光谱透过率自身辐射并基于获得表观法向光谱发射率
[0057]
表观法向光谱发射率可以通过下式计算得到
[0058][0059]
式中，l
t,b
表示温度与单位厚度的样品材料的温度相同，即温度为t
win
的黑体辐射强度。
[0060]
步骤七、根据辐射传输逆问题求解算法，假设红外头罩样品材料的折射率为吸收系数为通过求解辐射传输方程计算得到该红外头罩样品材料的出射界面上任意角度的表观光谱辐射强度表观法向光谱发射率估计值以及表观光谱透过率估计值
[0061]
步骤八、将步骤六得到的红外头罩样品材料的表观法向光谱发射率与表观光谱透过率和步骤七得到的红外头罩样品材料的表观法向发射率估计值与表观光谱透过率估计值代入如下目标函数计算公式，计算得到目标函数值f
obj
；
[0062][0063]
步骤九、判断步骤八中的目标函数值f
obj
是否小于设定阈值ξ，
[0064]
若是，则步骤八中所假设的红外头罩样品材料的折射率吸收系数即为该的红外头罩样品材料的真实折射率、吸收系数；
[0065]
若不是，则返回步骤七，根据逆问题算法更新的红外头罩样品材料的折射率吸收系数重新设定红外头罩样品材料的折射率和吸收系数值重新计算，直至步骤八中的目标函数值f
obj
小于设定阈值ξ，得到该的红外头罩样品材料的真实折射率吸收系数结合步骤六，目前获得了温度为t
win
的样品材料的自身辐射折射率吸收系数
[0066]
步骤十、改变样品材料的温度t
win
，重复步骤二至步骤九，以获得不同温度t
win,j
下，单位厚度δ红外头罩样品材料的折射率吸收系数与自身辐射其中下标j表示第j组测量。
[0067]
通过计算可以得到单位厚度δ红外头罩样品材料的不同方向的自身辐射(这里引入的不同方向的辐射强度是通过折射率和吸收系数计算得到的，不是测量得到
的)。通过不同温度t
win,j
下的样品材料的折射率吸收系数与自身辐射建立不同温度单位厚度δ红外头罩材料的辐射物性数据库。
[0068]
步骤十一、利用物理离散的思想，将待测红外头罩均匀分成m层厚度为δ的薄层。使用红外热像仪测量，待测工况下，各个红外头罩薄层的温度，记为t
win,k
，其中下标k＝1,2,
…
,m，表示第k个薄层。根据测量结果建立红外头罩的温度场，查询步骤十中建立的不同温度单位厚度δ红外头罩材料的辐射物性数据库，可以得到各个红外头罩薄层的折射率、吸收系数、自身辐射分布场以及不同方向辐射分布场。进而可以得到红外头罩内不同位置处的折射率以及吸收系数，通过沿厚度方向叠加可以获取待测红外头罩的方向辐射强度以及方向发射率。
[0069]
具体实施方式三：
[0070]
本实施方式为一种高温红外头罩不同厚度材料热辐射特性高效测量方法，步骤六获得单位厚度δ的红外头罩样品材料的表观光谱透过率自身辐射的过程包括以下步骤：
[0071]
红外探测系统(傅里叶变换红外光谱仪中的系统)所测得的红外头罩材料红外辐射l
tot
是材料内表面的辐射亮度l
λ
(s)，由到达红外头罩试样外表面的目标红外辐射l
obj
以及红外头罩自身辐射l
win
共同作用所产生，即
[0072]
l
tot
＝l
obj
τ
win
l
win
ꢀꢀꢀ
(3)
[0073]
式中，τ
win
为红外光学窗口的透过率。
[0074]
利用辐射传输方程描述目标辐射能量透过红外头罩试件的传递过程，沿辐射传输方向能量守恒，将红外头罩材料等分为n层，推演出单位厚度红外头罩材料的透过率和自身辐射与整个红外头罩的透过率和自身辐射之间存在固定的代数关系；根据所得代数关系可实现直接计算出其他不同厚度红外头罩材料在相同温度等工况下的透过率、衰减系数等热辐射特性数据。
[0075]
为了实现该目的，本发明采用的技术方案是：沿厚度方向将红外头罩样品等分成n层，假定红外光学窗口的温度t分布均匀，且每一层的表观光谱透过率和自身辐射各向同性，根据辐射传输原理和能量守恒关系可以得到透过红外头罩材料第1层的总辐射为
[0076][0077]
透过第1～2层的红外辐射为
[0078][0079]
同理可得，透过第1～n层的总辐射即透过整个红外头罩的总辐射为
[0080][0081]
进而可以通过由能量法推演出厚度为δ且温度为t的红外头罩材料的表观光谱透过率和自身辐射与整个红外探测红外头罩的透过率τ
t,win
和自身辐射l
t,win
之间所满足的代数关系式为
[0082][0083][0084]
通过测量出厚度为x的红外头罩的透射率和红外辐射特性，进而获得单位厚度δ的红外光学窗口材料的表观光谱透过率和自身辐射等热辐射特性数据。
[0085]
由此无需再多次重复实验即可根据所得代数关系直接计算出相同温度等环境工况下其他不同厚度的红外光学窗口材料热辐射特性数据，建立红外头罩传输特性量化模型。
[0086]
具体实施方式四：
[0087]
本实施方式为一种高温红外头罩不同厚度材料热辐射特性高效测量方法，步骤七中，通过求解辐射传输方程计算得到该红外头罩样品材料的出射界面上任意角度的表观光谱辐射强度表观法向光谱发射率估计值以及表观光谱透过率估计值的过程包括以下步骤：
[0088]
假设各向同性介质温度为折射率为吸收系数为反射率为介质厚度为δ；在一维条件下，当介质处于稳态条件下且不考虑介质散射时，辐射传递方程可化简为：
[0089][0090]
对辐射传递方程进行求解可以得到：
[0091][0092][0093]
其中，表示前向辐射，表示后向辐射；θ为前向辐射、后向辐射分别与面法线的夹角；
[0094]
在内部边界x＝0处，沿正方向传播的辐射强度包括将入射在界面上的辐射强度反射的部分，因此有：
[0095][0096]
同理，在内部边界x＝l处，沿负方向传播的辐射强度也包括将入射在界面上的辐射强度反射的部分，即：
[0097]
[0098]
结合介质内沿正向、负向的辐射传递方程，以及两个边界条件，可以化简得到：
[0099][0100]
其中，
[0101][0102]
进而出射界面上任意角度的表观光谱辐射强度为：
[0103][0104]
表观法向光谱发射率为：
[0105][0106]
式中，l
t,b
是对应温度为t、波长为λ的黑体辐射强度；
[0107]
表观光谱透过率由贝尔定律可以得到：
[0108][0109]
由于各向同性介质温度折射率吸收系数反射率为为假设值，因此对应得到的表观法向光谱发射率表观光谱透过率即为表观光谱发射率估计值表观光谱透过率估计值
[0110]
在本发明中，通过测量一种厚度的红外头罩材料热辐射传输特性，计算出单位厚度红外头罩材料的相应辐射特性，进而计算得到相同温度工况下其他不同厚度红外头罩材料的透过率等热辐射特性数据，实现了红外头罩传输量化模型的建立。
[0111]
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。