张 冰，孟 鑫，刘 磊，李志增

（中电科仪器仪表有限公司，山东 青岛266555）

近年来，随着科学技术的发展，材料特性测试成为材料性能评估的重要技术。光谱信息是重要的光学特性参量，具有“指纹”效应，通过测试材料的光谱辐射特性，能够反演材料的发射率、计算材料的光学观测窗口以及测试涂层的损伤等。

本文研究了一种利用标准黑体、红外光谱辐射计测试材料在红外宽谱段内发射光谱和镜面反射光谱特性的方法。其中，红外光谱辐射计可对目标的红外光谱辐射特性进行准确测定。在飞机、舰船与坦克等装备的红外隐身性能测试中，需要红外光谱辐射计对这些目标的红外光谱辐射进行准确测试，以评估其隐身效能；在红外诱饵弹与红外烟幕弹的研制开发过程中，需要红外光谱辐射计对其红外光谱辐射进行准确测试，以判断其迷惑敌方红外制导武器的能力[1]；在红外隐身材料的研究与保障过程中，需要红外光谱辐射计对其不同条件下的红外光谱辐射进行准确测试，评估并保障其隐身效能；另外，在红外目标模拟器的校准与计量过程中，目标背景与大气传输特性研究过程中等，都需要用红外光谱辐射计对其环境与目标的红外光谱辐射特性进行准确测定[2]。

1 测试仪器基本原理

1.1 红外光谱辐射计

红外光谱辐射计是材料红外光谱辐射特性测试的核心仪器，光谱辐射分光方法主要有光栅分光、渐变滤光片分光和傅里叶分光3 种方式。其中，光栅分光方式对目标辐射损失较大，不利于微弱目标信号测试。另外，其分光波段有限，难以覆盖宽红外波段分光；傅里叶分光方式采用干涉式分光，对光路稳定性要求较高，且有运动扫描机构，环境适用性差；渐变滤光片分光方式结构简单，可靠性高，可覆盖2～14 μm 波段辐射分光，通过该方式分光测试速度快、稳定性好、辐射损失小。

本文采用渐变滤光片型红外光谱辐射计进行测试[3]，其基本原理如图1 所示，主要包括入射镜头、分光单元、探测器、信号处理运算模块等部分。首先通过大口径红外入射镜头收集尽可能多的目标红外辐射；通过会聚光路后采用渐变滤光片分光方式；分光后通过红外探测器进行时域或空间探测，获得不同波长处强度信息。光路设计方案如图1 所示，入射镜头采用卡塞格林反射式结构，主镜和次镜均镀金膜，该反射式结构体积小，容易实现大口径制作，宽红外波段反射率高，没有色差，是较为理想的会聚结构；会聚过程中通过斩光器对入射辐射进行斩光，将连续辐射转化为脉冲辐射，在会聚焦点处，通过可变光阑控制视场；对于分光单元，根据渐变滤光片不同位置处透过不同波长的特性，要提高光谱分辨率，必须尽量缩小入射光斑，因此，渐变滤光片必须位于焦点处，但由于光阑与渐变滤光片实际结构及其固定架结构限制，无法同时置于焦点附近，因此，需再一次对辐射进行聚焦才能完成渐变滤光片分光；同样原理，由于探测器光敏面的限制，需对分光后的辐射重新聚焦后汇聚到探测器上进行探测。

图1 渐变滤光片型红外光谱辐射计原理图

由于入射镜头调焦的需要，卡塞格林镜头的主镜和次镜均采用非球面镜，通过调整它们之间的距离来完成调焦，透镜采用镀宽红外波段增透膜的ZnSe，反射镜均镀金膜，反射率高，化学稳定性好。

渐变滤光片型红外光谱辐射计采用渐变滤光片来完成目标宽红外波段的分光，渐变滤光片采用在带状基底上真空蒸镀光学干涉膜得到，其厚度随位置呈线性变化，大大提高了光谱分辨率，但这也对镀膜技术提出了更高的要求。其光谱透过特性随着滤光片的表面位置在一定方向上呈线性渐变，透过的波长与渐变滤波片的位置是线性对应关系，随着渐变滤波片的转动，辐射的波长在最大值和最小值之间扫描。渐变滤光片横截面如图2 所示。

图2 渐变滤光片横截面示意图

对于线性渐变滤光片，线性色散系数的定义为：

式（1）中：λstart和λend分别为线性滤光片的起始工作波长和终止工作波长；dstart和dend分别为线性渐变滤光片的起始工作位置和终止工作位置。

对于线性渐变长波通滤光片，由于其通带范围只受材料透过范围的限制，在设计和制备上不存在较大的问题。而对于线性渐变短波通滤光片和线性渐变带通滤光片，由于受高级次截止带的影响，其终止工作波长λend和起始工作波长λstart的比值一般小于2∶1。

1.2 黑体辐射源

黑体是材料红外光谱辐射特性测试的必备仪器，整机工作原理如图3 所示。

图3 整机工作原理框图

主机主要包括温度控制系统和嵌入式计算机控制系统。面源黑体辐射源的温度通过放在辐射头内的铂电阻温度传感器采集输入主机。温度控制系统首先利用测温模块通过测量铂电阻的线性化电阻完成对辐射温度的测量，线性化测量是由铂电阻适配器板上的电阻桥电路完成的。在铂电阻适配器板上由于温度变化产生的电压梯度约为10 mV/℃，然后高分辨率的模数转换器将这些输入数字化，送入主控制器的微处理器准备输出。温度测量中克服温漂非常重要，可以通过微处理器用增益和偏移修正的办法来补偿。可以通过界面的菜单实现辐射温度的设定，处理器根据设定的温度值及温度传感器（Pt100）反馈回来的实际温度值进行比较和计算，找出调节量，由A/D 转换器转换成数字信号后送到控制CPU，CPU 经处理后发出指令，温度控制电路运用模糊PID参数控制交流电压负反馈模块，从而利用单相交流调压模块控制输出到黑体辐射板加热电阻丝上的电压，通过电压幅度的调节实现对黑体辐射源的加热功率的控制，从而实现对黑体温度的控制。

面源黑体辐射源实现温度控制的基本过程是：处理器通过比较设定的温度值与温度传感器（Pt100）反馈回来的实际温度值，采用模糊PID 参数控制技术，对绕制在黑体辐射板上的电热丝进行功率控制，使实测温度逐渐接近设定温度。嵌入式计算机控制系统应用程序设计了温度数据采集处理显示以及参数设定、温度校正等功能。除了仪器使用仪器面板上的按键外，用户也可外接鼠标键盘进行操作；外部接口支持用户通过RS232 对仪器远程控制。

理想黑体辐射源内部的温度场为均匀等温场，而实际的面源由于加热的不均匀、外界环境影响以及加工精度等原因造成了内部温度场是具有温度梯度的不均匀场。这一原因使得面源黑体的有效发射率随温度分布和波长变化而变化。因此，应该采取黑体辐射板温度均匀性控制技术，使面源黑体辐射板的温度尽可能均匀，使其接近理想黑体的温场，从而提高面源黑体辐射源的性能。

面源黑体辐射板采用一定厚度的热容板（铝板）作为热量缓冲和均衡的介质，通过传热达到辐射面温度均匀的目的。在加热装置进行加热时，铝板会先存储热量，并传导热量到另一面。热量在铝板内部半个空间角传递，所以铝板越厚其到达另一面的温度就越均衡，但是，当铝板温度与所设定的温度有差别时，需要调整的时候就会很困难，因为铝板的厚度越大，其对热量的惯性就会越大。对于加热功率和冷却功率一定的系统来说，惯性大的热系统，改变其温度的时间就会越长。铝板的厚度从不同的两方面影响辐射源的温度均匀性，因此应该选择适当的铝板厚度，从而使辐射源预热的时间在恰当的范围内。

2 测试方案

2.1 发射光谱测试

样板发射光谱特性测试系统包括红外光谱辐射计、面源黑体、加热器、温度测试仪等设备，测试流程如下。

利用红外光谱辐射计测试设定温度条件下面源黑体的光谱辐射数据，测试过程中首先利用红外光谱辐射计的观瞄系统对面源黑体进行对焦，保证测试辐射光谱数据来源黑体。测试前面源黑体需要在设定的温度处稳定30 min，测试面源黑体如图4 所示。

利用加热器将待测材料加热至相同的温度，期间不断用接触式温度测试仪进行温度监控，控制加热器，将待测材料温度稳定在所设定的温度。

加热和温度监控系统如图5 所示。

图4 面源黑体校准源

图5 材料加热与测温系统

利用红外光谱辐射计测试待测材料在设定温度条件下的发射光谱辐射数据，测试时应保证测试距离与黑体测试距离相同，且利用红外光谱辐射计的观瞄系统对待测材料进行瞄准。

为全方面检测材料特性，可以将面源黑体温度设定到不同温度，将待测材料加热相同待测温度，重复上述步骤，分别测试黑体和材料在不同温度条件下的发射光谱辐射数据。

2.2 反射光谱测试

样板反射光谱特性测试系统包括红外光谱辐射计、面源黑体、碳硅棒光源、温度测试仪、镀金反射镜等，测试流程如下。

利用红外光谱辐射计测试设定温度条件下面源黑体经过镀金反射镜的光谱辐射数据，测试过程中首先利用红外光谱辐射计的观瞄系统对面源黑体进行对焦，保证测试辐射光谱数据来源黑体。测试前面源黑体需要在设定温度处稳定30 min，如图6 所示。

图6 面源黑体反射红外光谱辐射

将待测材料放置在反射镜前方，利用红外光谱辐射计测试待测材料反射黑体的光谱辐射数据，如图7 所示。

将面源黑体温度设定到不同的温度，重复上述步骤，分别测试黑体和材料在不同温度条件下的镀金反射镜及材料的光谱辐射数据。该测试能够实现对材料镜面反射红外光谱特性的测试。

图7 待测材料反射面源黑体辐射光谱

3 结束语

本文主要描述了一种材料红外光谱辐射特性测试方法，利用面源黑体、红外光谱辐射计、加热系统、温度测试仪等设备，测试不同温度条件下黑体与材料的红外光谱辐射谱，通过比较可以表征材料在不同红外波段的发射光谱特性；测试不同温度条件下镀金反射镜与材料的对统一位置黑体反射的红外光谱辐射谱，通过比较可以表征材料在不同红外波段的镜面反射光谱特性。材料光谱辐射特性测试系统主要用于对材料的光谱辐射信息进行测试，获取材料在红外波段的光谱辐射数据，并依据光谱辐射信息对材料的物理特性进行分析，评估材料的性能。