科技小报内容-教师节节目串词

第25卷第1期
光电技术应用
Vol.25,No.1
　　　　　　　 　　　　　　　　
2010年2月ELECTRO-OPTICTECHNOLOGYAPPLICAT IONFebruary.2010
·光电系统与设计·
近场红外辐射模拟技术与工程应用吕明春,张延坤,王　旭
(总参某部军事代表室,北京　100012)
　　摘　要:随着 新材料、光电子器件和光电技术的不断发展,红外波段光电设备应用领域越来越广泛,对红外辐射模拟技术
方面的需求日益迫切.分析了红外辐射体的工作机理,探讨了红外辐射模拟的关键技术,研究了近距离红外辐射 模拟工程实
现的可行性.介绍的红外辐射模拟技术主要基于模拟近距离外界目标的红外辐射特性,为红外 设备提供试验、检验配试所需
的红外辐射模拟信号.
关键词:红外辐射;模拟技术研究;工程应 用
中图分类号:TN219　　　　文献标识码:A　　　　文章编号:1673-1255(2010 )01-0009-03
IRSimulationTechnologyandApplicatio ninShortDistance
LVMing-chun,ZHANGYan-kun,WANGX u
(MilitaryAffairsRepresentativeOfficeofOneMana gementofPLA'sStaffManagement,Beijing100012,China)< br>　　Abstract:Theapplicationfieldofelectro-opticeq uipmentininfraredbandisbecomingmoreandmoreex-
t ensive,andtherequirementforIRsimulationtechnologyi surgentincreasinglywithcontinuousdevelopmentof
thenewmaterial,ncipleoftheinfraredradia-
torwas analyzed,thekeytechnologyofIRsimulationwasdiscusse d,andthefeasibilityofIRsimulationengi-
imulatio ntechnologyisintroducedinordertoprovidethe
IRsi mulationsignalsfortheinfraredequipmentstestandexam inationmainlybasedonIRfeatureoftargetsout-
side inshortdistance.
　　Keywords:infraredradiation;s imulationtechnologystudy;manufacturingapplication< br>　　近年来,二维凝视焦平面阵列红外摄像器件研
制蓬勃发展,该器件不仅可以作为传感器使用, 而且
还可作为红外图像产生器使用.由此,红外场景视频
模拟技术开发研究工作逐渐展开.目前 ,在红外辐射
模拟技术方面的需求非常迫切,红外辐射模拟技术
已经成为当今检测和试验等领域 的重要研究课题之
一.以红外光电设备性能检测和试验为背景,探讨红
外辐射模拟技术与工程实 现的可行性等问题.
外产生的辐射能量便达到一定值.辐射体的红外辐
射能量主要是由辐射体的 温度所决定.
1.1　红外辐射及红外光谱
任何物质(体),其内部的带电粒子都是处于不断运动状态的.当物体具有一定温度,即物体温度高
于热力学温度0K或摄氏温度-273℃时,它 就会
不断地向周围进行电磁辐射.物体的自发辐射,在常
温下主要是红外辐射.红外辐射的物理 本质是热辐
射,物体的热辐射特性主要由物体的温度决定,故又
称为温度辐射.温度越高、辐射 出来的红外线越多,
红外辐射的能量就越强.
1　工作原理
红外辐射体是红外辐射模拟 的重要内容.红外
辐射体主要靠加电升温,当温度达到一定值时,其向
收稿日期:2009-1 2-02
作者简介:吕明春(1967-),男,辽宁普兰店人,硕士,高级工程师,研究方向为光机电 与电子工程.

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　光　电　技　术　应　用　　　 　　　　　　　　　　　　第25卷
10
在电磁波谱中,通常将波长范围为0.76～1
000μm的区域称为红外光谱区.在红外技术中,为
便于对不同波长的红外光进行研究,通常将红外 辐
射分为4个区域:近红外(波长为0.76～3μm);中
红外(波长为3～6μm);中远 红外(波长为6～20
[1]
μm);远红外(波长为20～1000μm).
射都全 部吸收,且具有最大辐射率的物体.它能够在
任何温度下,全部吸收任何波长的入射辐射功率.黑
体必然是最理想的辐射体.实际上,在自然界中并不
存在完全理想的黑体.但通过对理想物体的研究, 可
使对所研究的问题得以简化.因此,人们提出了黑体
的概念,并以此为基础进行红外辐射的研 究.
黑体是理想化的辐射体,然而,在自然界中理想
的黑体是不存在的,大量的非黑体辐射才是 自然界
中的自然现象.基尔霍夫定律指出,一个良好的辐射
体必然是一个良好的吸收体.该定律 还把黑体辐射
和非黑体辐射联系了起来,为研究实际物体的辐射
提供了方便.
比辐射率 是衡量一个物体辐射性能的重要物理
参数,常用ε表示.黑体是比辐射率最大的物体.把黑
体的 比辐射率定为1,其他物体在同一温度时的辐射
出射度与黑体相比,就得到比辐射率的定义式为
物体的全辐射量M(λ,T)
　ε=
同一温度下黑体的全辐射量
=
M(
(3)
λ,T)
B
所谓远或近,是指红外辐射在电磁波谱中距离
可见光的远 、近程度,靠近可见光的为近红外区,远
离可见光的为远红外区
[2]
.
1. 2　点源和面源
任何物体在高于温度0K的任何温度下,总是
不断地自发向周围空间辐射红外线 .因而,任何物体
在一定条件下,都可以视为红外辐射源.根据辐射源
几何尺寸的大小及距离探 测器的远近,可分为点源
和面源,下面重点探讨面源辐射体.
面源是具有一定大小面积的辐射源 ,如图1所
示.既然辐射源的面积有一定的大小,就无法明确定
义立体角,且面源所发射的功率 P会与面积大小有
关.点源定义的辐射强度I不适合描述面源.
比辐射率又称为发射率.根据物 体辐射发射率
的变化规律,辐射源可分为如下3类:(1)黑体.这类
辐射体的特点是发射率ε 与波长和方向无关,且等
于1,这是理想化辐射体;(2)灰体.灰体的发射率ε
是小于1的一 个常数,其发射率不随波长变化;(3)
选择性辐射体.选择性辐射体的发射率ε随波长而
变化 ,且ε小于1.选择性辐射体的辐射特性与黑体
辐射特性差异较大,是随辐射波长的改变而变化的,且其辐射光谱不连续.
可见,黑体是最佳的热辐射体.灰体的ε是黑体的
图1　面源辐射体
对于面源,按照图1的定义,面源上X点的面
辐射亮度(辐射度)为
2
■2
P
■
P
L=
■
lim
=
A※0cosθ·■A·■Ψcosθ A Ψ
■Ψ※0
一个不变分数,其ε越接近1,就越似黑 体.因此,在研
制红外辐射源时,高发射率的灰体材料是最佳选
择
[3-4]
.
(1)
由式(1)可见,面辐射亮度L与被照面在面源表面
上的位置、方向和面源的 面积ΔA有关.
辐射出射度,即单位面积发射的辐射功率为
P
=∫
Lcosθ M=

dΨ(2)
半球
A
进行红外目标模拟的理论设计时,需要利 用面源
的概念.假设辐射面温度、辐射率均匀分布,则可通过
温度与有效发射率求得辐射体单位 面积的辐射功率,
再乘以面积因子,即可得到辐射体总的辐射能量.
1.3　黑体与实际辐射源
绝对黑体是指一个物体对于任何波长的电磁辐
2　红外辐射模拟技术与工程实现
2.1 　红外辐射模拟的关键技术
通常红外辐射模拟技术主要有以下几个方面:
(1)高温度、大口径 辐射源
文中研究的模拟辐射源其温度工作范围为室温
+5～800℃,有效辐射口径不小于Υ6 0mm.为解决
外场试验距离较远(相对室内试验而言)、大气传输
衰减、辐射能量不足的问题 ,要求辐射体应具有高温
度、大口径.为此,通过选择良好辐射体材料,设计特

第1期　　　　　　　　　　　　　吕明春等:近场红外辐射模拟技术与工程应用　　　　　　　　　　　　　　
11
殊的腔形结构,采取表面特殊的发黑处理,以解决开
口大影响有效发射率这一难题 .
(2)高精度温度调节、稳定控制与显示
该模拟辐射源具有温度控制功能,温度分辨率
优于0.2℃,温度控制精度优于2℃,控制器具有温
度显示功能、连续可调可控、能独立操作,且可 根据
标准测量结果对显示温度实施修正.为实现不同测
试距离、不同天气状况以及不同目标对辐 射体温度
的不同要求,采取温度可任意调节、控制及显示等技
术,使得辐射体辐射能量可调节, 将辐射体的辐射能
量按要求控制在一定数值上,同时便于观测与实时
调整,以有效提高红外辐射 模拟信号的实用性
[5]
.
(3)智能型档位设定.设计多个固定温度档位,
以实现模拟红外辐射特性的选定,温度值可根据需
要预先设置.
(4)插片式光阑,光阑口径分 别为Υ5、Υ10、Υ20、
Υ40mm可选.更换光阑限定辐射窗口的几何尺寸,
以实现不同 测试距离条件下对红外辐射口径大小的
要求.工程实现上采取简捷的可调光阑插片式结构,
光阑 模块与辐射腔体采取一定的隔热措施,并对光阑
片与辐射体接口端面进行高反射率抛光处理,以有效防止光阑片受腔体加热后对其性能的影响.
2.2　红外辐射模拟的工程实现
红外辐射模拟 工程实现上的硬件设备主要由红
外辐射体、温度控制器、光阑转接头与光阑插片等构
成.其组成 示意图如图2所示.
同孔径的光阑可以满足不同测试条件下对红外辐射
口径的需求.
2 .2.1　总体设计
红外辐射模拟设备的总体设计基于模块化、易
操作、安全性、效费比、使用 维护方便等工程设计思
想,以上述分析计算为基础,并综合考虑使用环境要
求等因素.
根据红外辐射原理,可以研制多种不同的红外
辐射源.其有效发射率的大小是评价辐射源优劣的
重要依据,有效发射率是空腔形状、制作材料、空腔
壁面与真正等温条件差异的函数.在选择和设计腔< br>体结构时,往往以壁面漫反射和温场均匀性为前提,
选择合理的腔体结构,可以获得理想的有效发 射率.
因此,设计时选择特殊的腔形结构,配以高精度控温
仪和严密的工艺措施,确保其性能满 足使用要求.
首先,采取分体式结构.辐射体与温度控制器采
用2个模块,通过电缆连接,电缆 提供供电接口与控
制数据接口,实现控制器和辐射体的供电与数据信
息交换.其次,温度可调、 可控、可显示,以满足多种
条件下对辐射能量的需要.第三,智能型固定温度
档位设计.根据使 用需要设定固定档位的温度值,通
过掀动数字键盘选择辐射体的辐射能量.第四,进
行插片式光 阑结构设计,光阑通过插片式结构与辐
射体连接,使用方便.
2.2.2　红外辐射体的设计与 研制
根据总体设计要求,辐射体选用不锈钢材料制
作,以满足高温要求.腔形结构设计采用圆柱 加同心
槽底部的结构形式,表面进行特殊的发黑处理,以获
得高的有效发射率.辐射体外体非均 匀绕制加热丝,
并用特殊材料加以固定,填充高铝纤维棉进行保温.
辐射体与外壳留有气道,加 装轴流风机排风,以避免
图2　近距离红外辐射模拟硬件组成示意图
红外辐射体是红外辐射模拟 设备的重要组成部
分.该模块主要由高发射率的材料制成,通过加电升
温产生红外热辐射.辐射 体温度可随意调节,能够满
足多种测试条件下对辐射能量的需求.
温度控制器采取智能化测温控 温仪,配合热电
偶温度传感器,来实现红外辐射体温度的测量、调节
与控制.同时,温度控制器 配备温度预先设定器,可
通过数字键盘设置固定档位的温度(辐射能量),使
用方便快捷.光阑转接头与光阑插片用于连接辐射体与限孔
光阑,并具有防热隔离功能,光阑为插片式结构,不< br>发热腔体的温度传导至外壳.
2.2.3　温度控制器的开发与研制
根据总体设计要求, 温度控制器需要实现以下
2个方面的功能:
一是温度的高精度调节、测量、控制与显示.根据使用要求,辐射体温度要严格进行控制,并在规定
范围内可任意设置.为实现这一要求,需要开展 的关
键工作主要有温度传感器的选择、传感器的布设和
智能化测温控温仪的参数选择等,同时综 合考虑三
者之间的相互制约以及对温度控制器功能的影响,
实现智能化测温控温仪的开发与研制 .
(下转第74页)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　光　电　技　术 　应　用　　　　　　　　　　　　　　　第25卷
74
用[J].空间控制技术与应用,20 08,34(4):28-32.
3　结　束　语
从振动理论入手,阐述了高精度星敏感器随机
振动的相关分析过程,包括功率谱密度的确定和振
动分析的结果评价.由分析结果可知,航天器 发射过
程中产生的随机载荷对某高精度星敏感器的影响非
常小.不论是X向安装还是Y向安装, 星敏感器的
最大加速度响应放大倍数都在安全裕度内,应力集
中处应力值都远小于材料的许用值 .接下来的工作
是结合星敏感器其他静态和动态指标,在满足要求
的同时优化星敏感器的结构.
参考文献
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[6]　李蓓蓓.振动分析的有效工具—— —功率谱密度[J].包
装工程,2004,25(3):46-50.
(上接第11页)二是温度的固定档位预先设置.根据使用需求,
预设多档固定温度值,研制温度预置设定器,以有效
解决温度设定的输入与修改、辐射功率的自动调整
以及与智能化测温控温仪的通讯接口等问题, 使之
满足使用要求.
测.结果表明,该模拟辐射源功能较为全面,可以较
好地模拟不同 目标的红外特性,并且体积小、质量
轻、操作使用简便,实用性强.
参考文献
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[5]　华振斌,孟凡斌.红外辐射强度测量系统设计 [J].光电
技术应用,2009,24(2):10-12.
3　结　束　语
对近距 离红外辐射模拟技术,如高温度大口径
目标红外辐射模拟技术、多功能高精度温度控制技
术、红 外辐射模拟的温度稳定控制等进行了初步探
讨.通过模拟辐射源试验、温度控制的手动设置与计
算机自动调节能力的检测、辐射口径变换功能的检
(上接第51页)
理芯片,设计了多画面监视 控制器,不仅实现了用一
台监视器同时监视多路视频输入,而且还能够将
ATM机上的点钞数据 同步叠加到视频画面上,既提
高了监控效率、降低了监控系统成本,又增加了监控
视频的信息量 ,深受金融行业客户欢迎.此设计方案
硬件电路简洁,软件开发和升级容易,对业界同行进
行相 关产品开发也有一定的参考价值.该产品已经
量产,产品性能稳定,使用效果良好.为了使之设计
更合理、功能更完善,下一步的改进重点是用
TW2835TW2836代替TW2824,因为前者 功耗更
低,功能更强,特别是支持音频输入输出.此外,为
了使操作更加方便,必须增加对鼠标 功能的支持.
参考文献
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