一种辐射量线性可调红外源设计

倪家正，陈亦望，程玉宝



一种辐射量线性可调红外源设计

倪家正1，陈亦望1，程玉宝2

（1. 解放军理工大学 电磁环境效应与电光工程国家级重点实验室，江苏 南京 210007； 2. 解放军电子工程学院 脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽 合肥 230037）

针对红外辐射源辐射控制问题，设计了一种均匀可调红外辐射源方案。分析了抛物柱面镜的光学特性，给出了抛物柱面镜反射后的辐射模型，并仿真模拟了抛物柱面镜的准直效果，证明了抛物柱面镜具有很好的会聚作用；对比了百叶窗和双向推拉窗的辐射调节效果，推导了双向推拉窗透光面积的变化模型，得到了推拉窗开口宽度与辐射功率之间的线性关系；基于以上研究，设计了均匀可调红外辐射源原理样机，并进行了验证实验，结果证明通过控制推拉窗开口宽度，能够较好的实现对辐射量的均匀控制。

红外辐射源；均匀可调；抛物柱面镜；双向推拉窗

0 引言

光电威胁信号环境是复杂电磁环境的一个重要组成部分，国家军用标准《GJB6134合同战术训练光电威胁信号环境要求》规定：可以由紫外威胁信号、可见光威胁、红外威胁信号、激光威胁信号的一种或几种信号组成来构建光电威胁信号环境，其中，针对红外威胁信号的模拟设备研究较少。

对于红外辐射源模拟生成技术，美国早在上世纪90年代就已经研制出多款热电阻阵列的红外目标模拟器[1-3]。国内研究多集中于激光光源[4]，红外辐射源的结构过于复杂[5]。在目前国内已知的红外辐射源研究中，很少考虑红外辐射源的变化因素，而红外辐射源模拟的对象大部分都是变化的，尤其是辐射量的变化。针对这一缺陷，开展红外辐射源辐射控制的研究，提出了一种均匀可调红外辐射源设计方案。

1 准直系统设计

所有的辐射都是针对探测而言的，为了保证辐射均匀可调，辐射源必须具有确定的辐射方向，因此准直系统必不可少。在准直光学系统的设计中，有多种方案，常用的有卡塞格林光管[6]、聚焦透镜和抛物柱面镜，其中抛物柱面镜稳定性高，适应性较强，得到广泛应用[7]。

如图1(a)所示，抛物柱面镜的横截面为抛物线形，设抛物线方程为：

2＝2(1)

式中：为抛物线的焦点参数，＝2，为抛物柱面镜的焦距。

任意从焦点发出的光线入射至抛物柱面镜上点(0,0)，点处的法线为，法线与轴负方向的夹角大小为1，则光线的入射角和反射角分别为1¢、1，出射光线平行于光轴轴，同理，出射光线平行于光轴轴。在理想状态下，即辐射热源位于抛物柱面镜焦线位置，从抛物柱面镜焦线发出的光，经抛物柱面镜的准直，将会成为一束平行于抛物柱面镜光轴的平行光。实际操作中由于抛物柱面镜的口径有限，少部分的光会溢出，如图1(b)所示，则溢出部分的角度为：

式中：h为抛物柱面镜的深度，h＝r2/(2p)；r为抛物柱面镜的口径。

对于放置在焦线处的辐射热源，其辐射强度可以分为未经过抛物柱面镜反射和经过抛物柱面镜反射两部分进行计算。

经过抛物柱面镜反射的部分，其辐射转化为平行辐射，不具有辐射强度的特性，因此采用辐射功率对其辐射特性进行表述：

式中：U为辐射热源总的辐射功率[8]。

式(3)用抛物柱面镜的口径表示为：

式(4)对进行微分，得到辐射功率沿图1中的轴的分布规律：

未经过抛物柱面镜反射的部分即为溢出的部分，在轴方向的辐射强度有以下的计算公式：

式中：0为在不经过抛物柱面镜反射时，与线辐射热源垂直方向上的辐射强度：

0＝U/p2(7)

综合(6)和(7)可以得到：

令抛物柱面镜焦距＝1cm，辐射热源总辐射功率U为常数，则可以得到∥()和之间的关系如图2(a)所示，1和之间的关系如图2(b)所示。

由式(5)和图2(a)可以看出，经过抛物柱面镜反射部分的辐射功率在轴上并不是均匀分布，与2成反比，随的增大而减小，趋于无穷时，∥()的值趋于零，即辐射能量集中于抛物柱面镜焦线位置。由式(8)和图2(b)可以看出，1的最大值为U/p2，当＝2时，1的值开始减小，趋于无穷时，1的值趋于零。在垂直于平面的方向，抛物柱面镜不具有汇聚作用，辐射热源的辐射仍然保持发散状态。

由以上的分析可以看出：抛物柱面镜对红外辐射热源具有很好的汇聚作用，能够较好地保证辐射的方向性，但是，经过抛物柱面镜准直后的辐射并不是标准的平行辐射，其辐射量的准确值仍然需要在实验中进行标定，以实现对辐射量的精确控制。

图2 辐射强度与抛物柱面镜参数关系示意图

2 调节装置设计

对于常见的红外辐射源，温度变化反应慢，同时其温度的改变还会引起辐射热源光谱特性的改变，所以其辐射量的调节只能依靠外部装置。辐射量调节常见的方法有：控制出光面积、控制出光谱带、控制出光偏振特性等[9]。控制出光谱带限制了光源的光谱特性；控制出光偏振特性能够较精确的控制辐射量，但是操作复杂，精密性要求高，易于损坏；控制出光面积对光源光谱特性无影响，易于控制，稳定性高；因此选择控制出光面积的方法。

控制出光面积，若辐射热源面积小，可以采用小孔光阑，对于面积较大的辐射热源，一般采用推拉窗或百叶窗[10]，其中推拉窗可以分为单向推拉窗和双向推拉窗。如图3所示，单向推拉窗会改变辐射热源的辐射中心位置，因此对双向推拉窗和百叶窗进行分析。

如图4所示，若辐射热源出射窗口的面积为0，百叶窗透光面积为：

1＝0(1－cos) (9)

式中：为百叶窗窗叶的倾斜角度。双向推拉窗透光面积为：

2＝0/(10)

式中：为光源出射窗口的宽度；为推拉窗开口宽度。

将辐射窗口放在准直辐射源的出光口，如图5所示。

辐射量调节系统的调节系数为，则模拟器的辐射功率为：

¢＝U(11)

图3 辐射中心位置对比图

Fig.3 Contrast of centers of radiation areas

图4 透光面积对比图

Fig.4 Contrast of radiation areas

式中：为经由抛物柱面镜反射后到达出射窗口0的辐射功率比例系数。由式(9)和(10)可得：

1¢＝U×(1－cos) (12)

2¢＝U×/(13)

1¢和2¢分别对应辐射热源出射窗口为百叶窗和双向推拉窗时模拟器的辐射功率。可以推导出：

显见，在式(14)中，百叶窗窗叶的倾斜角度与模拟器的辐射功率1¢成反三角函数的关系；而在式(15)中，推拉窗开口宽度模拟器的辐射功率2¢成简单的线性关系，易于控制，因此选择双向推拉窗作为辐射量调节系统。

图5 辐射窗口位置示意图

在式(15)中：U为辐射热源辐射功率；为出射窗口的宽度，为经由抛物柱面镜反射后到达出射窗口0的辐射功率比例系数，都是固定不变的常数；因此，推拉窗开口宽度作为唯一的变量，能够较精确地控制模拟器的辐射功率2¢。

3 整体设计

红外热源采用镍铬电阻丝，其辐射功率可以由焦耳定律得出[11]：

U＝2/(16)

式中：U为有效辐射功率；为转换效率；为电阻丝两端电压；为电阻丝电阻。辐射功率稳定且易于控制。

为了配合镍铬电阻丝结构，将抛物柱面镜设计成双镜并列的结构，抛物柱面镜采用石英玻璃材质，镀膜采用金膜，如图6所示。

加装推拉窗的红外辐射源如图7(a)所示，在镍铬电阻丝和后面电路板之间加装了石棉隔板以隔热。为了防止杂散光辐射，以及器件对电阻丝的漫反射，在推拉窗前加装限制窗口，可调红外辐射源原理样机如图7(b)所示。

图6 抛物柱面镜实物图

图7 可调红外辐射源实物图

4 测试结果

为验证可调红外辐射源的实际可行性，需要对实物进行功能测试。选用TECMAN公司TM910型红外测温仪，其接收到的辐射照度与所设定的发射率和显示温度有如下关系：

即由红外测温仪可以通过温度参量间接地测量辐射照度参量。

设定镍铬电阻丝温度为400℃，红外测温仪设定发射率为0.9，探测距离为2.6m。对辐射量调节装置进行测试，可以得到结果如表1。

表1 可调红外辐射源测试数据表

由式(17)可以得到辐射照度与开口宽度的关系，如图8所示。

图8 辐射量调节装置辐射照度与开口宽度关系图

由图8可以看出，实验测试的数据点基本分布在拟合的直线附近，辐射照度与开口宽度的关系符合线性规律，与式(13)相吻合，证明通过控制推拉窗开口宽度，能够较好的实现对模拟器辐射量的均匀控制，达到了预期目的。

5 结束语

本文基于抛物柱面镜准直系统和双向推拉窗调节装置设计了一种均匀可调的红外辐射源，制作完成了原理样机，并进行了验证实验，实验结果证明辐射源符合设计要求，达到了预期目的。作为模拟源的必需部分，本文的设计为后续的研究奠定了基础。

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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，硕士研究生，主要从事光信息处理方面的研究。

江苏省科委应用基础资金资助项目（BK20150715）。