Инфракрасные системы «смотрящего» типа

ИЗЛУЧАТЕЛИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В СТЕНДАХ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ И ИССЛЕДОВАНИЙ ИКС

В качестве излучателей, используемых в стендах для испытаний и исследований ИКС, наиболее распространены черные тела [8, 26, 51, 176, 207 и др.]. Несмотря на то, что ЧТ, называемое также полным излучателем, - физическая идеализация, его коэф­фициент поглощения, а следовательно, и коэффициент излучения в реальных конст­рукциях очень близки к единице.

Конструкции ЧТ неоднократно описывались в литературе. В одной из них (рис. 12.3) нагреваемый с помощью электрической спирали 5 элемент 6 с конической излу­чающей полостью 11 окружен изоляцией 7. Выходная диафрагма 2, устанавливаемая перед излучающей полостью, может быть постоянной или сменной, например пред­ставлять собой поворачивающийся диск (револьверную головку) с расположен­ными по его периферии диафрагмами различных форм и размеров. Элемент 6 изготавливают из материалов с хорошей теплопроводностью (сталь, медь, алюми­ний), что обеспечивает постоянство тем­пературы по всей излучающей полости. Для увеличения коэффициента излучения 8 поверхность этой полости обычно вы­полняют шероховатой и оксидированной.

Выходное окно полости (основание конуса) иногда защищают специальным, прозрачным в рабочем спектральном диапазоне экраном 3, чтобы оно вместе с теплоизолирующими слоями 4 уменьшало те­пловые потери. В передней части конструкции установлены диафрагмы-радиаторы 1, охлаждаемые воздухом. Температура ЧТ измеряется с помощью термисторов 9, выво­ды которых закрыты крышкой 8. Корпус ЧТ имеет ребра охлаждения 10.

Для приближенного расчета 8 в случае распространенной на практике конической полости можно воспользоваться формулой [26]

О,7«) 1+А7«)]

Где р - коэффициент отражения полости; Д< и /к - соответственно диаметр основания и вы­сота конуса. Диаметр Бк выходных отверстий излучающих полостей ЧТ обычно не превы­шает 25.. .50 мм, а диаметры калиброванных диафрагм 2 метут быть уменьшены до 1 мм.

Рабочие температуры наиболее распространенных на практике ЧТ составляют от 50 до 1000°С. Иногда необходимо иметь черные тела с более низкими температурами. Ряд конструкций таких излучателей, разработанных во ВНИИ оптико-физических измере­ний (Россия), описан в [207]. Они способны имитировать полные излучатели с рабочи­ми температурами от -197 до +180°С, причем стабильность этих температур поддер­живается с допусками порядка 0,002...0,02°С/ч, а коэффициенты их излучения в спек­тральных диапазонах 1.. .20 мкм равны 0,9997...0,9998.

В табл. 12.1 приведены параметры трех калибровочных моделей черных тел, ис­пользуемых при испытаниях и исследованиях ИКС у нас и за рубежом.

Черные тела используются как эталонные излучатели при испытаниях и исследо­ваниях ИКС, работающих главным образом в средне - и длинноволновой частях ИК - спектра. Для испытаний ИКС, работающих в коротковолновой (ближней) части ИК - спектра с длинами волн 0,76... 1,8 мкм, например ИКС с ЭОП, часто применяют элек­трические лампы с вольфрамовыми нитями накала (источники типа А, В и С с темпе­ратурами нитей канала ТА = 2850 К, Тв = 4800 К, Тс = 6500 К), а иногда галогенные лампы. При испытаниях и исследованиях ИКС функции ЧТ имитируют также тепло­вые излучатели специальной конструкции (штифты Нернста, глобары, трубчатые кварцевые излучатели, различные установки с электроподогревом и др. [26, 51]).

Низкотемпературное излучение при испытаниях и исследованиях ИКС воспроизводят с помощью кювет, через которые пропускается вода требуемой температуры. На стенки кю­веты, служащие излучателем, наносят покрытия с коэффициентом излучения, близким к единице («черный хром», глубокоматовые эмали, смесь сажи с клеем БФ). Иногда в каче­стве низкотемпературных излучателей используют экраны из меди, покрытой черной глу­бокоматовой эмалью. С обратной стороны экрана располагают пленочный электронагрева­тель в виде спиральной токопроводящей дорожки. Температуру контролируют терморези­стором, управляющим автоматической системой терморегулирования. Погрешность ка­либровки такой системы составляет ±0,2°С [21].

При охлаждении элементов конструкции ЧТ часто сталкиваются с проблемой об­разования влаги, если требуемая температура охлаждения ниже точки росы окру­жающей ЧТ среды.

У большинства известных промышленных конструкций ЧТ рабочие температуры не превышают 600°С. Еще одной из проблем для таких ЧТ оказывается достижение одно­родности температуры по всей площади излучающих диафрагм или масок при необхо­
димости иметь широкое угловое поле. Кроме того, здесь приходится сталкиваться с большой тепловой инерцией таких имитаторов, т. е. с трудностью достаточно быстро изменять температуру излучателя.

Для контроля температурного разрешения ИКС часто используется температурный клин - медная шина с поглощающим покрытием, на концах которой установлены элек­троподогреватели, нагревающие концы шины до различных температур. Температура вдоль шины считается линейно изменяющейся от одного конца к другому. В отдельных точках вдоль шины размещаются термодатчики, а на излучающую поверхность нано­сятся риски с малым коэффициентом излучения, позволяющие получить отсчетную шкалу [21].

Описанный в [120] эталонный источник TTRS (Thermoelectric Thermal Reference Source), встраиваемый в ИКС, представляет собой однородно нагретую поверхность с
высоким коэффициентом поглощения, используемую для калибровки и коррекции не­однородности отдельных элементов МПИ и ФПУ. В состав TTRS входят также термо­электрический холодильник/нагреватель и датчик температуры. Теплопроводность излучающей поверхности TTRS очень высока, что способствует достижению равно­мерности излучения. Источник может использоваться в составе ИКС, работающих в диапазонах 3...5 и 8...12 мкм. Если конструкция TTRS герметизирована, то в ней предусматривается окно из просветленного сапфира для X = 3...5 мкм или германия для X = 8... 12 мкм. Наиболее рационально располагать излучающую поверхность в плоскости зрачка объектива ИКС, благодаря чему каждый элемент МПИ облучается равномерно, что снижает требования к однородности энергетической яркости по пло­щади излучателя и ослабляет эффект Нарцисса.

Испытания TTRS показали, что его радиометрическая однородность оценивается отклонениями 0,2...0,4СС при устанавливаемых температурах 82...86°С. Скорость ус­тановления температуры излучающей поверхности при ее охлаждении и нагреве на не­сколько десятков градусов у разных моделей TTRS изменялась от 2,25 до 7°С/с. Темпе­ратура излучения контролируется платиновым резистором, сопротивление которого при изменении температуры от 0 до -100°С меняется от 1000 до 611,8 Ом с крутизной 3,878 Ом/°С, а при изменении температуры от 0 до 100°С - от 1000 до 1375 Ом с кру­тизной 3,75 Ом/сС.

В [153] описывается радиометрическая аппаратура MIRAGE, разработанная компа­нией «Santa Barbara Infrared Inc.» для калибровки ИКС. В аппаратуре используется мат­рица резисторных ИК-излучателей, состоящая из 512*512 элементов. Алгоритм быст­рой коррекции неоднородности излучения отдельных элементов матрицы основан на использовании ряда калибровочных таблиц, составляемых для каждого излучающего элемента. Радиометрическая аппаратура, применявшаяся при калибровке, имела два эталонных черных тела: одно обеспечивало диапазон температур О...ЮО°С с разреше­нием и стабильностью порядка 0,001 °С, а другое - рабочий диапазон 50...600°С с раз­решением и стабильностью 0,1 СС. Подробная методика измерений при калибровке ИКС с помощью этой аппаратуры приводится в [153].