紅外光譜輻射計鏡頭視場角測量研究

劉先富, 趙會妮, 熊 兵, 劉梟銘

(中國航發四川燃氣渦輪研究院,四川 綿陽 621000)

0 引言

隱身性能關系到戰機的生存能力,已經成為先進戰機的主要性能指標之一。戰機隱身技術可以分為雷達隱身、紅外隱身和其他光聲電磁隱身等,在現代戰爭中,雷達隱身和紅外隱身是戰機隱身技術發展的兩個最主要的分支。在現代局部戰爭中,紅外(含熱尋的)制導占了60%以上,紅外精確制導武器是戰機面臨的主要威脅之一,紅外隱身技術成為了關系戰機生存的重要問題。航空發動機是戰機尾向主要的紅外輻射源,也是紅外制導武器探測、追蹤的主要目標。研究航空發動機紅外隱身特性,提升戰斗機紅外隱身性能,對于提高戰斗機生存能力具有重要作用[1-8]。紅外隱身特性研究分為數值計算和試驗測試兩個方面。數值計算相對比較成熟,國內外都依據不同的算法,開發出了多款紅外輻射特性計算軟件,并應用于不同的發動機紅外輻射特性研究。但是,由于流場參數、燃氣成分、計算區域等差別造成數值計算存在偏差,需要通過試驗測試來獲取真實的發動機紅外輻射強度,驗證及修正數值計算模型[9-13]。

紅外光譜輻射計是航空發動機紅外輻射特性測試使用的經典測量儀器,具有光譜分辨率高、測量精度高、響應快、光譜范圍廣等優點。在工程測試中,紅外光譜輻射計需要綜合考慮發動機試車過程中的高溫高速氣流和噪聲,根據被測目標尺寸及測量距離選擇合適的鏡頭,既要保證測試儀器設備及人員的安全,還要能夠獲取可靠的紅外輻射亮度數據[14-16]。利用測量的紅外光譜輻射亮度乘以對應距離下的鏡頭視場面積,才能得到航空發動機的紅外輻射強度。

光學元器件加工及裝配誤差,導致紅外光譜輻射計配套鏡頭的視場角度值與其出廠默認值存在一定的偏差,進而造成航空發動機輻射強度測試偏差。測量紅外光譜輻射計鏡頭的視場角度值,通常有兩種方法:一是將標準面源黑體作為被測目標,在一定距離下,利用紅外光譜輻射計從面源黑體的法向測量黑體的輻射亮度,再結合測量距離、鏡頭視場角度和大氣透過率計算所測黑體的輻射強度,并與理論黑體值進行比較,確定視場角度值;二是利用高溫目標點源(因為紅外對高溫目標更為敏感,所以不采用低溫目標),在一定的距離下,從不同的徑向方向緩慢進入鏡頭視場,通過監測紅外光譜輻射計信號波動,探尋視場邊界,再將視場邊界的離散點擬合成閉合曲線,結合曲線包含的面積、測量距離及視場角的關系,計算鏡頭視場角度值。第一種方法受面源黑體表面發射率、溫度均勻性、大氣透過率測量精度等影響,測量誤差較大;第二種測量方法比較直觀且精度較高,但是實施較為復雜。目前,國內外尚未查詢到光譜輻射計視場角度測量的相關文獻資料。

本文使用第二種測量方法,以高溫腔式黑體爐作為高溫目標,以200 m的測量距離為例,25 mrad鏡頭對應視場直徑達到5 m,利用高溫目標從周向不同角度探尋5 m的邊界,實施較為困難。如果在更遠的距離下測量,或者測量的鏡頭視場角更大,則基本無法實施。為了解決在視場面積較大時周向不同角度移動高溫目標難以操作的難題,本文設計了一種全新的測量方法:保持高溫目標在水平方向移動,通過旋轉紅外光譜輻射計及其鏡頭來實現周向不同角度視場邊界的測量,并設計制作了旋轉裝置及高溫目標滑軌平臺,實現了鏡頭視場角測量。

1 紅外光譜輻射計簡介

本文測試對象是加拿大LR公司的VSR-3型紅外光譜輻射計及其通用的中視場鏡頭,VSR-3型紅外光譜輻射計(如圖1所示)是基于傅里葉變換技術,采用邁克爾遜干涉儀,配置斯特林電子制冷參考源。其典型技術指標如下。

圖1 VSR-3型紅外光譜輻射計配中視場鏡頭

1) 紅外光譜工作范圍:0.9～20 μm(包含MCT,InSb,InGaAs 3個探測器);

2) 光譜穩定性:不低于0.01 cm-1;

3) 光譜分辨率:1、2、4、8、16、32、64,單位為cm-1,可調;

4) 配置有同軸可見光CCD觀測器。

2 測試方案設計

紅外光譜輻射計鏡頭視場角度測量思路:由于紅外輻射能量邊界無法用肉眼直接觀察,只能利用高溫目標配合傳感器響應來識別邊界,圖2為鏡頭視場角度測量示意圖。

圖2 鏡頭視場角度測量示意圖

最直接的方法是保持光譜輻射計靜止不動,在測量距離為L的位置,利用高溫目標從某一周向角度由視場外向內移動,直至光譜輻射計傳感器開始響應,則證明高溫目標所在的位置即為該周向位置的邊界坐標。從周向不同角度重復以上測量步驟,即可得到離散的周向坐標點,對這些坐標點進行閉合曲線擬合,計算擬合后的曲線所包含的面積,再利用該面積作為標準圓的面積,計算等效標準圓的視場半徑r,利用

θ=arctan(r/L)

(1)

計算θ值,再乘以2即可得到鏡頭的視場角度值。

在測量鏡頭視場角度時,要求測量距離盡可能遠,高溫目標面積盡可能小,且能量盡可能大,則測量精度越高。但是,相同的高溫目標條件下,測量距離越遠,目標視場則越小,加上大氣衰減增加,光譜輻射計響應越弱,邊界辨識難度加大。另外,距離越遠,對應視場面積越大,從周向不同角度移動高溫目標越難以操作。因此,需要在測量距離、傳感器響應、高溫目標能量之間尋找一個平衡點。

2.1 旋轉裝置設計

根據紅外光譜輻射計及鏡頭結構,設計了旋轉裝置,由可移動底座、支撐框架、減速器、轉接云臺等組成?？梢苿拥鬃糜谥握麄€裝置及紅外光譜輻射計,設計了可鎖止的滾輪及可調地腳支撐,在移動至所需位置后,通過可調地腳支撐實現旋轉裝置的可靠固定;支撐框架根據整個裝置的質量及重心進行設計,確保紅外光譜輻射計圍繞鏡頭中心軸線穩定旋轉;減速器由圓盤手柄、周向角度盤、軸承、蝸輪等組成,用于帶動紅外光譜輻射計精確旋轉至所需角度并鎖定;轉接云臺用于安裝紅外光譜輻射計,具有上下、左右、俯仰3個自由度,用于微調光譜輻射計鏡頭的位置。由于光譜輻射計安裝有不同視場角的鏡頭,鏡頭中心軸線位置會隨之變化,通過轉接云臺能夠調節不同鏡頭中心軸線與減速器旋轉軸重合,實現光譜輻射計旋轉時都以鏡頭中心軸線為軸心進行旋轉。紅外光譜輻射計旋轉裝置如圖3所示。

圖3 紅外光譜輻射計旋轉裝置

2.2 高溫目標滑軌平臺設計

本文測量對象為VSR-3型紅外光譜輻射計最常用的鏡頭,視場角初始值25 mrad(廠家標稱值),在距離為200 m時,根據式(1)中測量距離L和視場半徑r的關系,計算出測量距離對應的視場直徑為5 m。相對于低溫目標,紅外光譜輻射計對高溫目標更為敏感,因此,利用高溫目標代替低溫目標來測定紅外光譜輻射計的視場邊界精度更高。為了實現高溫目標在視場內水平方向的移動并獲取特定位置的坐標,本文設計了一套如圖4所示的支撐高溫目標移動的滑軌平臺,它由底座、滑軌、升降平臺等組成。底座配置了滾輪及可調地腳支撐,在移動到位后,調節地腳支撐將滾輪懸空,實現滑軌的調平及固定;滑軌是利用雙導軌設計,通過螺栓固定在底座上,滑軌總長5.5 m,沿導軌側面安裝了刻度尺;升降平臺安裝于滑軌上,可在導軌上水平移動并在任意位置鎖止,升降平臺上設計了指針并指向導軌上的刻度尺,可通過指針讀取升降平臺所處的水平坐標。高溫目標(高溫腔式黑體爐)放置于頂部平臺上,頂部平臺可在1.2～1.8 m范圍內升降,將高溫目標調節至與紅外光譜輻射計鏡頭中心同一水平高度。

圖4 高溫目標滑軌平臺

2.3 測量步驟

測量步驟如下。

1) 利用全站儀測繪出紅外光譜輻射計與高溫目標之間的距離及高度差,本次試驗測量距離設計為150 m。

2) 安裝旋轉裝置、紅外光譜輻射計及鏡頭、高溫目標及滑軌平臺,根據測繪的高度差調節高溫目標的高度,使得高溫目標與光譜輻射計鏡頭中心等高。

3) 通電,將高溫目標升溫至1000 ℃,打開光譜輻射計及采集計算機,通過光譜輻射計軟件實時觀測光譜輻射計信號響應。

4) 調節光譜輻射計鏡頭至水平(定義為0°),通過同軸可將光CCD相機觀測高溫目標,微調云臺的俯仰角和水平角,使得高溫目標處于CCD相機中心位置,如圖5所示,記錄當前高溫點源的坐標值及能量響應。

圖5 可見光相機中心的高溫目標

5) 手動移動滑軌上的平臺,帶動高溫目標緩慢向左側移動,通過軟件觀察紅外光譜輻射計響應,直至紅外光譜輻射計響應能量積分值降為最低(背景輻射能量值積分值)且不再變化,證明高溫目標移出了視場左邊界,將高溫目標從左往右緩慢移動,通過軟件觀察紅外光譜輻射計響應,直至響應能量突增,證明高溫目標剛進入視場左邊界,停止移動高溫目標并記錄左邊界坐標值。相同的方法尋找并記錄視場右邊界坐標值。

6) 旋轉紅外光譜輻射計,使得鏡頭角度為10°(逆時針旋轉為負),重復上述步驟,獲取10°角下的左右視場邊界坐標值。繼續以上操作,使得紅外光譜輻射計鏡頭角度每間隔10°采集一組左右坐標值,直至采集完170°范圍共18組數據。

7) 將以上數據坐標值輸入計算機繪圖軟件,生成閉合曲線,計算閉合曲線包含的面積,利用標準圓的面積算式,根據該面積值計算等效標準圓的半徑,再結合測量距離,通過式(1)計算鏡頭視場角度。

3 測試結果

本次試驗對廠家標稱的25 mrad鏡頭進行測量,測量坐標值如表1所示。

表1 25 mrad鏡頭測量坐標值

利用計算機繪圖軟件將所有坐標值擬合成閉合曲線(如圖6黑色線條所示),利用軟件計算閉合曲線所包含的面積為10186377.531 mm2,以該面積為等效標準圓的面積,計算出等效標準圓的半徑為1800.673 mm,通過式(1)計算鏡頭視場角度實測值為24.086 mrad,與廠家標稱值 25 mrad接近。在測量過程中,主要的誤差來源是在確定視場邊界值時因為不同的人員操作引入的隨機誤差。

圖6 擬合圓(黑色線)和等效圓(紅色線)

由圖6可知:紅外光譜輻射計鏡頭視場是一個不規則的近似圓,左邊界近似為豎直線,右邊界近似為圓弧形,上下邊界的距離(高)明顯大于左右邊界的距離(寬),在實際應用中,應將被測目標略向右側偏移,盡可能將被測目標放置于視場中心,提高測量精度。

4 結論

本文設計一種紅外光譜輻射計視場角測量方法,并制作了相應的測量裝置,成功測量了加拿大LR公司的VSR-3型紅外光譜輻射計25 mrad鏡頭的視場角,并得到以下結論:

1) 紅外光譜輻射計的實際測量視場是一個不規則的區域,左邊界近似為豎直線,右邊界近似為圓弧形,上下邊界明顯大于左右邊界,故需要預先進行測量,才能在實際使用中將被測目標放置于合理的視場區域內;

2) 中視場鏡頭的視場角廠家標稱值為25 mrad,實際測量結果為24.086 mrad,利用該結果對紅外輻射強度進行修正,能夠提升約4%的測量精度;

3) 廠家標稱的紅外光譜輻射計配套光學鏡頭的視場角度具有參考價值,但針對高精度紅外輻射強度測量,需要對該視場角度進行準確測量,對所測結果進行修正。建議廠家在紅外光譜輻射計及鏡頭的加工和裝配完成后,參照本文方法進行視場角測量,以減小其出廠標稱值的偏差;

4) 廠家提供的同軸可見光相機可以更為直觀地觀察視場內的目標,但是,對于高溫目標,建議配套同軸紅外相機進行測量;

5) 利用本文方法測量視場角,搭建儀器設備較為復雜,需多人配合操作,耗時長,本文僅針對特定鏡頭進行一組數據的測量,后續將結合測試需求,實現視場角的精細化測量及測試誤差分析。