一種輻射量線性可調紅外源設計

倪家正，陳亦望，程玉寶

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一種輻射量線性可調紅外源設計

倪家正1，陳亦望1，程玉寶2

（1. 解放軍理工大學 電磁環境效應與電光工程國家級重點實驗室，江蘇 南京 210007； 2. 解放軍電子工程學院 脈沖功率激光技術國家重點實驗室，安徽 合肥 230037）

針對紅外輻射源輻射控制問題，設計了一種均勻可調紅外輻射源方案。分析了拋物柱面鏡的光學特性，給出了拋物柱面鏡反射后的輻射模型，并仿真模擬了拋物柱面鏡的準直效果，證明了拋物柱面鏡具有很好的會聚作用；對比了百葉窗和雙向推拉窗的輻射調節效果，推導了雙向推拉窗透光面積的變化模型，得到了推拉窗開口寬度與輻射功率之間的線性關系；基于以上研究，設計了均勻可調紅外輻射源原理樣機，并進行了驗證實驗，結果證明通過控制推拉窗開口寬度，能夠較好的實現對輻射量的均勻控制。

紅外輻射源；均勻可調；拋物柱面鏡；雙向推拉窗

0 引言

光電威脅信號環境是復雜電磁環境的一個重要組成部分，國家軍用標準《GJB6134合同戰術訓練光電威脅信號環境要求》規定：可以由紫外威脅信號、可見光威脅、紅外威脅信號、激光威脅信號的一種或幾種信號組成來構建光電威脅信號環境，其中，針對紅外威脅信號的模擬設備研究較少。

對于紅外輻射源模擬生成技術，美國早在上世紀90年代就已經研制出多款熱電阻陣列的紅外目標模擬器[1-3]。國內研究多集中于激光光源[4]，紅外輻射源的結構過于復雜[5]。在目前國內已知的紅外輻射源研究中，很少考慮紅外輻射源的變化因素，而紅外輻射源模擬的對象大部分都是變化的，尤其是輻射量的變化。針對這一缺陷，開展紅外輻射源輻射控制的研究，提出了一種均勻可調紅外輻射源設計方案。

1 準直系統設計

所有的輻射都是針對探測而言的，為了保證輻射均勻可調，輻射源必須具有確定的輻射方向，因此準直系統必不可少。在準直光學系統的設計中，有多種方案，常用的有卡塞格林光管[6]、聚焦透鏡和拋物柱面鏡，其中拋物柱面鏡穩定性高，適應性較強，得到廣泛應用[7]。

如圖1(a)所示，拋物柱面鏡的橫截面為拋物線形，設拋物線方程為：

2＝2(1)

式中：為拋物線的焦點參數，＝2，為拋物柱面鏡的焦距。

任意從焦點發出的光線入射至拋物柱面鏡上點(0,0)，點處的法線為，法線與軸負方向的夾角大小為1，則光線的入射角和反射角分別為1￠、1，出射光線平行于光軸軸，同理，出射光線平行于光軸軸。在理想狀態下，即輻射熱源位于拋物柱面鏡焦線位置，從拋物柱面鏡焦線發出的光，經拋物柱面鏡的準直，將會成為一束平行于拋物柱面鏡光軸的平行光。實際操作中由于拋物柱面鏡的口徑有限，少部分的光會溢出，如圖1(b)所示，則溢出部分的角度為：

式中：h為拋物柱面鏡的深度，h＝r2/(2p)；r為拋物柱面鏡的口徑。

對于放置在焦線處的輻射熱源，其輻射強度可以分為未經過拋物柱面鏡反射和經過拋物柱面鏡反射兩部分進行計算。

經過拋物柱面鏡反射的部分，其輻射轉化為平行輻射，不具有輻射強度的特性，因此采用輻射功率對其輻射特性進行表述：

式中：U為輻射熱源總的輻射功率[8]。

式(3)用拋物柱面鏡的口徑表示為：

式(4)對進行微分，得到輻射功率沿圖1中的軸的分布規律：

未經過拋物柱面鏡反射的部分即為溢出的部分，在軸方向的輻射強度有以下的計算公式：

式中：0為在不經過拋物柱面鏡反射時，與線輻射熱源垂直方向上的輻射強度：

0＝U/p2(7)

綜合(6)和(7)可以得到：

令拋物柱面鏡焦距＝1cm，輻射熱源總輻射功率U為常數，則可以得到∥()和之間的關系如圖2(a)所示，1和之間的關系如圖2(b)所示。

由式(5)和圖2(a)可以看出，經過拋物柱面鏡反射部分的輻射功率在軸上并不是均勻分布，與2成反比，隨的增大而減小，趨于無窮時，∥()的值趨于零，即輻射能量集中于拋物柱面鏡焦線位置。由式(8)和圖2(b)可以看出，1的最大值為U/p2，當＝2時，1的值開始減小，趨于無窮時，1的值趨于零。在垂直于平面的方向，拋物柱面鏡不具有匯聚作用，輻射熱源的輻射仍然保持發散狀態。

由以上的分析可以看出：拋物柱面鏡對紅外輻射熱源具有很好的匯聚作用，能夠較好地保證輻射的方向性，但是，經過拋物柱面鏡準直后的輻射并不是標準的平行輻射，其輻射量的準確值仍然需要在實驗中進行標定，以實現對輻射量的精確控制。

圖2 輻射強度與拋物柱面鏡參數關系示意圖

2 調節裝置設計

對于常見的紅外輻射源，溫度變化反應慢，同時其溫度的改變還會引起輻射熱源光譜特性的改變，所以其輻射量的調節只能依靠外部裝置。輻射量調節常見的方法有：控制出光面積、控制出光譜帶、控制出光偏振特性等[9]?？刂瞥龉庾V帶限制了光源的光譜特性；控制出光偏振特性能夠較精確的控制輻射量，但是操作復雜，精密性要求高，易于損壞；控制出光面積對光源光譜特性無影響，易于控制，穩定性高；因此選擇控制出光面積的方法。

控制出光面積，若輻射熱源面積小，可以采用小孔光闌，對于面積較大的輻射熱源，一般采用推拉窗或百葉窗[10]，其中推拉窗可以分為單向推拉窗和雙向推拉窗。如圖3所示，單向推拉窗會改變輻射熱源的輻射中心位置，因此對雙向推拉窗和百葉窗進行分析。

如圖4所示，若輻射熱源出射窗口的面積為0，百葉窗透光面積為：

1＝0(1－cos) (9)

式中：為百葉窗窗葉的傾斜角度。雙向推拉窗透光面積為：

2＝0/(10)

式中：為光源出射窗口的寬度；為推拉窗開口寬度。

將輻射窗口放在準直輻射源的出光口，如圖5所示。

輻射量調節系統的調節系數為，則模擬器的輻射功率為：

￠＝U(11)

圖3 輻射中心位置對比圖

Fig.3 Contrast of centers of radiation areas

圖4 透光面積對比圖

Fig.4 Contrast of radiation areas

式中：為經由拋物柱面鏡反射后到達出射窗口0的輻射功率比例系數。由式(9)和(10)可得：

1￠＝U×(1－cos) (12)

2￠＝U×/(13)

1￠和2￠分別對應輻射熱源出射窗口為百葉窗和雙向推拉窗時模擬器的輻射功率?？梢酝茖С觯?/p>

顯見，在式(14)中，百葉窗窗葉的傾斜角度與模擬器的輻射功率1￠成反三角函數的關系；而在式(15)中，推拉窗開口寬度模擬器的輻射功率2￠成簡單的線性關系，易于控制，因此選擇雙向推拉窗作為輻射量調節系統。

圖5 輻射窗口位置示意圖

在式(15)中：U為輻射熱源輻射功率；為出射窗口的寬度，為經由拋物柱面鏡反射后到達出射窗口0的輻射功率比例系數，都是固定不變的常數；因此，推拉窗開口寬度作為唯一的變量，能夠較精確地控制模擬器的輻射功率2￠。

3 整體設計

紅外熱源采用鎳鉻電阻絲，其輻射功率可以由焦耳定律得出[11]：

U＝2/(16)

式中：U為有效輻射功率；為轉換效率；為電阻絲兩端電壓；為電阻絲電阻。輻射功率穩定且易于控制。

為了配合鎳鉻電阻絲結構，將拋物柱面鏡設計成雙鏡并列的結構，拋物柱面鏡采用石英玻璃材質，鍍膜采用金膜，如圖6所示。

加裝推拉窗的紅外輻射源如圖7(a)所示，在鎳鉻電阻絲和后面電路板之間加裝了石棉隔板以隔熱。為了防止雜散光輻射，以及器件對電阻絲的漫反射，在推拉窗前加裝限制窗口，可調紅外輻射源原理樣機如圖7(b)所示。

圖6 拋物柱面鏡實物圖

圖7 可調紅外輻射源實物圖

4 測試結果

為驗證可調紅外輻射源的實際可行性，需要對實物進行功能測試。選用TECMAN公司TM910型紅外測溫儀，其接收到的輻射照度與所設定的發射率和顯示溫度有如下關系：

即由紅外測溫儀可以通過溫度參量間接地測量輻射照度參量。

設定鎳鉻電阻絲溫度為400℃，紅外測溫儀設定發射率為0.9，探測距離為2.6m。對輻射量調節裝置進行測試，可以得到結果如表1。

表1 可調紅外輻射源測試數據表

由式(17)可以得到輻射照度與開口寬度的關系，如圖8所示。

圖8 輻射量調節裝置輻射照度與開口寬度關系圖

由圖8可以看出，實驗測試的數據點基本分布在擬合的直線附近，輻射照度與開口寬度的關系符合線性規律，與式(13)相吻合，證明通過控制推拉窗開口寬度，能夠較好的實現對模擬器輻射量的均勻控制，達到了預期目的。

5 結束語

本文基于拋物柱面鏡準直系統和雙向推拉窗調節裝置設計了一種均勻可調的紅外輻射源，制作完成了原理樣機，并進行了驗證實驗，實驗結果證明輻射源符合設計要求，達到了預期目的。作為模擬源的必需部分，本文的設計為后續的研究奠定了基礎。

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A Design for Linearly Controllable Infrared Radiator

NI Jiazheng1，CHEN Yiwang1，CHENG Yubao2

(1.,,21007,; 2.,,230037,)

In order to solve the control issue of infrared radiator, an infrared radiator with linearly controllable power is designed. The parabolic mirror is analyzed: the model of reflected power has been established, the collimation has been simulated, and the focusing effect has been proved. By comparing the jalousie and the two-direction tracking shutters, the change model of pervious area to light of the two-direction tracking shutters has been established. It turns out that the width of pervious area to light is linearly correlated with radiated power. Based on analyses, the prototype of infrared radiator with controllable power has been realized and tested. The results demonstrate that the radiated power could be linearly controlled by width of pervious area to light of two-direction tracking shutters.

infrared radiator，linearly controllable，parabolic mirror，two-direction tracking shutters

TN216

A

1001-8891(2017)07-0605-05

2017-01-13；

2017-06-22.

倪家正（1988-），男，碩士研究生，主要從事光信息處理方面的研究。

江蘇省科委應用基礎資金資助項目（BK20150715）。