重力式热管腔式黑体和面黑体辐射源的研究

一、引言黑体辐射源广泛用于校热体空胶高魁明准各种红外辐射温度计和热象仪,也用于作为测量各种物质发射率的标准辐射源。黑体辐射源的研制目前仍处于发展阶段,尚缺乏制作的统一标准。

新型面黑体

本成果是利用国防科技成果研制的面黑体。所达到的技术指标国内领先，国际先进，具有很好的工程应用价值和应用前景。本系统主要应用于红外成像传感器的性能测试和一些需要面黑体的场合，可以产生测试用的种种图案，并且可以做动态测试。系统包括可见光投影系统、薄膜转换器和红外图像投影光学系统三部分。

温度均匀性对V形槽面黑体辐射特性的影响

为了解决同心圆V形槽结构面源黑体的温度不均匀性产生原因及其对辐射特性的影响等问题,提出了基于蒙特卡洛全光路跟踪的辐射特性评估方法.首先通过与精密方法的相互比对验证了该方法的正确性及准确程度,而后分析了温度不均匀性的产生原因及变化规律,最后对温度均匀性与辐射特性之间的影响关系进行了研究.结果表明,槽夹角越小、槽深度越深、工作温度与环境温度差异越大,温度均匀性越差;槽夹角和槽深度还会直接或间接的对有效发射率产生影响.作为结论,建议采用45°或60°槽夹角,槽深度不宜超过2 mm,建议附加热管技术以及保护套筒结构.

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。优化后黑体辐射源在长波段具有优势,在3~14μm波段内光谱发射率稳定,最低值为0.966;电场分布图表明了三种结构因素对面源黑体表面能量的影响,优化得到的模型参数可用于面源黑体的实际制造。仿真结果表明较小宽高比、较厚涂层、较大间距具有提高发射率的能力,为制造高辐射性能面源黑体辐射源提供了理论参考。

一种基于面源黑体的某型红外动态模拟靶标研制

基于某型导引头对目标体红外辐射特性和运动特性的仿真需求,研制了基于面源黑体的红外动态模拟靶标,用于模拟无穷远处的设定目标与背景温差,以及目标体在视场中的动态变化。介绍了该红外动态模拟靶标的基本原理、主要组成以及硬件系统设计和软件实现情况,并对其红外成像辐射特性以及动态性能指标进行了实验验证。

-60℃～80℃面源黑体辐射特性校准系统

分析面源黑体及其辐射特性校准在红外热像仪研制、航天红外遥感及民用领域等的需求背景。提出一种基于光谱辐亮度比对的 - 6 0℃～ 80℃面源黑体辐射特性校准装置 。

基于两相流体的超大面源黑体控温技术

面源黑体作为红外源标在红外测温、红外成像、红外相机标定等领域广泛应用,红外源标红外辐射性能主要取决于面源黑体温度场的控制。为了适应星载和机载红外探测器大孔径、大视场角的发展需求,文中对超大尺寸面源黑体温度控制技术进行了研究。外场条件下,面源黑体会随着尺寸的增大而增加温度控制的难度,控温系统采用两相流体回路技术实现了外场3m×3m面源黑体不同目标温度下高温度均匀性、稳定性温度控制,试验结果表明,黑体表面温度均匀性控制优于±0.60℃,稳定性控制优于0.14℃/15min。

面黑体辐射源的温度自抗扰控制

设计了一种基于自抗扰控制(ADRC)的面黑体辐射源温度控制系统,通过对系统状态与未知扰动进行实时的观测和有效的补偿,提高了黑体辐射源的控温品质。在实际应用中,为了平衡控制输入大小与扰动估计速度,将扩张状态观测器(ESO)参数β03改造为分段函数以避免扰动估计量过大引起的饱和作用。结合LabVIEW软件的图形化编程,在Compact RIO实时控制器中实现黑体辐射源的温度控制和实验数据采集。通过在控制软件界面中实时观测系统各状态,从而快速有效地整定控制器参数。实验结果表明,ADRC算法能够有效地提高面黑体辐射源的温控品质,温度稳定性达到9mK/10min,并且有着更强的抗扰能力。

低温面源黑体均温结构研究

低温面源黑体作为红外谱段的标准辐射源,广泛应用于红外遥感器、热像仪的标定中。随着红外技术的发展,其应用越来越广泛并已经开始向低温领域发展。温度均匀性是面源黑体的重要指标,介绍一种可以提高面源黑体温度均匀性的结构,实验结果表明这种结构可使面源黑体温度均匀性优于0.2 K。

中温面源黑体设计及性能参数测试

中温面源黑体是一种宽带红外参考源,其波长范围覆盖了从近红外到远红外的波段,辐射面的温度具有很高的精度。作为高辐射强度的参考源,中温面源黑体已被广泛应用于红外传感器如辐射温度计、红外热像仪的校准以及样品辐射率或透过率的测量。用基于大辐射面和坚实结构的面源黑体在实验室内或野外测试中对无准直仪时的红外传感器进行了标定。为了提供红外系统性能测试的解决方案,本文对中温面源黑体进行了设计和性能参数测试。结果表明,其主要参数能满足高稳定度和高精度的要求。

面向外场1.2 m口径低温面源黑体温控系统设计与实现

为满足外场大口径红外测量设备的辐射定标要求,研制了一套直径为1.2 m的大尺寸低温面源黑体系统。该系统主要由低温制冷机组和辐射体两部分组成。通过对系统降温和升温过程的热负荷计算,确定了需要的冷热量;同时配套了精密温度调控系统,制定了黑体温度均匀性保证措施;为测试系统的温度稳定性和均匀性,搭建了测试装置。试验证明,系统的温度稳定性达到±0.20 K,温度均匀性达到±0.60 K,满足设计和实际使用要求。

面源黑体用于8μm^9.4μm波段的大气透过率测试

文章分析了被测目标的红外辐射特性、大气组分对红外辐射能量的吸收特性,针对现场实际测试环境,利用面源黑体和长波红外热像仪测试了在8μm^9.4μm波段内大气透过率的平均值,提升对目标测试的精度。

采用低温面源黑体实现红外系统宽动态范围定标

针对大口径地基红外辐射测量系统在辐射定标时存在定标时间长、成本高和设备机动性差等缺点,提出一种仅采用低温面源黑体实现红外系统宽动态范围定标的方法.首先对红外系统中的衰减片进行标校,测量其实际透过率并计算其辐射量;然后采用低温面源黑体在两个积分时间下分别进行辐射定标,根据定标结果解算系统响应率、杂散辐射和探测器自身偏置;结合标校获得的衰减片特性对低温定标结果进行外推,即可获得宽动态范围定标结果.为验证该定标方法有效性,分别采用该方法和通用的高温黑体加大口径平行光管定标法,对Φ600mm红外系统进行宽动态范围辐射定标实验.实验结果表明:本文方法的宽动态范围定标误差小于10.25%,能够满足该系统的辐射定标精度要求.该方法只需要一个低温黑体即可实现红外系统的外场宽动态范围辐射定标,操作简单、实时性强,具有一定的应用价值.

含微腔面式黑体温度均匀性优化设计与评价

为解决同心圆V形槽结构面黑体有效辐射面的高温度均匀性需求问题,提出了以轴向温度均匀性、径向温度均匀性以及有效发射率为约束条件并基于有限元的温度均匀性优化设计方法.首先,分析了温度均匀性的种类、产生原因及变化规律;而后,研究了温度均匀性与有效发射率之间的相互影响关系;进而,基于多约束条件确定了同心圆V形槽结构面式黑体的优化设计参数并研制面式黑体;最后,通过实验对面黑体的温度均匀性进行了测试与评估.测试结果表明:面黑体在250～350 K温域范围内可达0.1 K温度均匀分布.有效辐射面及均热盘结构参数的合理设计是确保面黑体温度均匀性的关键.

V形槽结构面源黑体辐射特性评估方法及结构参数优化设计

随着红外技术的迅速发展,作为标准辐射源的面源黑体在红外遥感与探测、红外成像等领域得到了日益广泛的应用,但不同形式面源黑体的辐射特性评估方法以及辐射特性与结构参数间的影响关系等问题还没有得到深入的研究.基于这一现状,针对同心圆V形槽结构面源黑体,提出了基于蒙特卡洛全光路跟踪的辐射特性评估方法.首先,通过与精密方法的相互比对验证了方法的正确性及准确程度;然后,基于该方法对V形槽面源黑体的有效发射率进行了评估;最后,对影响辐射特性的主要结构参数及其规律进行了分析研究.实验结果显示,槽夹角越小、涂层本征发射率越高,黑体的有效发射率就越高、越均匀.对于一般性应用可以采用45°或60°槽夹角;为了获取更高的有效发射率,可以采用更小的槽夹角,但涂层本征发射率必须大于等于0.8;采用长径比为2的保护套筒结构可以达到更为理想的辐射特性.

面源黑体辐射特性校准系统的校准方法

通过非接触测温接收目标物体发射、反射和传导能量可以测量其表面温度。根据黑体的辐射特性,在发射率设定的情况下,可实现利用标准点源黑体对中温面源黑体的校准。本文比较了中温面源黑体的校准方法,并重点分析了中温面源黑体辐射特性的辐射量值实时比对的测量方法。

真空低温环境下超大面源黑体现场校准技术

红外辐射面源黑体应用于特定红外特性目标的模拟,各种红外探测、制导系统的外场测试。随着空间应用的红外成像器的口径的增大,红外辐射面源的口径也相应增大,为了保证超大辐射面黑体的性能指标满足要求,必须对其在真空低温条件下进行性能校准。但目前国内还没有相应计量标准,无法保证测试结果的准确可靠。设计了一种真空低温环境下超大面源黑体现场校准装置,实现对超大面源黑体的发射率、辐射温度、温场均匀性、温度稳定性等性能参数的校准,并取得了较好的试验结果,实现了真空低温环境下超大面源黑体的参数校准。

基于模糊PID算法的红外面源黑体设计

针对红外热像系统检测需求,采用紫铜辐射面、热电制冷器、散热片等设计了红外面源黑体的结构,采用铂热电阻和24位AD采样,实现了环境温度及辐射面温度的高精度采集。为克服黑体时间常数大、响应滞后、环境温度持续扰动等问题,设计了模糊PID控制器,根据偏差及其变化率实时整定控制参数,实现超调量小、响应速度快、稳态精度高等目标。实验及测试情况表明,温控精度为±0.03℃,响应时间小于180 s,达到了设计要求。

FY-3/中分辨率光谱成像仪星上黑体的在轨太阳污染模拟与抑制

对风云三号(FY-3)中分辨率光谱成像仪(MERSI)的黑体进行了在轨太阳污染模拟,以掌握在轨太阳污染对面源黑体的影响,同时研究了抑制太阳污染的措施。模拟了FY-3卫星轨道及全轨道周期内太阳光的入射角,使用Tracepro软件建立了太阳污染模拟的模型,利用太阳光入射与MERSI的相对位置对太阳污染进行仿真,分析了污染随光谱成像仪扫描镜旋转和卫星飞行位置的变化。最后,根据分析结果设计了太阳污染抑制措施,并对抑制效果进行了仿真验证。结果表明:在扫描镜附近区域设置遮光板,有效地抑制了太阳光的污染,使辐射量级小于0.1 W,整个太阳污染功率下降了97%以上,对黑体有良好的保护效果。另外,提出的方法提高了面源黑体温度的均匀性和稳定性,保证了红外通道星上定标精度。