红外窗口气动热辐射效应评估方法

气动热辐射效应导致红外探测制导系统的性能降低甚至失效,而红外窗口是气动热辐射效应评估的关键因素。通过分析红外辐射在红外窗口中的传输特性,提出一种红外窗口气动热辐射效应评估方法,基于等温状态试验,评估了某超音速飞行器红外探测系统蓝宝石红外窗口在中波3.7~4.8m波段的气动热辐射效应。研究结果显示,红外窗口暴露于大气环境后,蓝宝石窗口导致的气动热辐射效应迅速上升,表现为红外窗口透过率下降约10%,仍然在0.9以上,而自辐射迅速增强约458倍,相当于约125℃黑体,在探测器获取总辐射中的比例大于78%。在对地探测应用中,对于厚度小于20 mm的蓝宝石红外窗口,窗口温度在100~350℃范围内,随着厚度增加,透过率下降,自辐射增强,总辐射也增强,自辐射在总辐射中的比例增加,易造成探测器饱和,对探测系统影响较大。     

高超声速飞行器气动热辐射特性

飞行器在大气层内高速飞行时,高速气体来流在飞行器顶端形成高温高压气体绕流,并对顶端光学探测窗口形成强烈气动加热,光学窗口温度急剧上升,高温气体和光学窗口的红外辐射对探测系统形成严重的气动热辐射效应,探测信噪比下降。针对非灰混合气体和光学窗口材料的辐射特点,采用介质辐射传输方法,模拟了钝锥球头外形头部且顶端安装探测窗口飞行器的气动热辐射,研究了气体和窗口热辐射随时间的发展及其与窗口材料的关系。结果表明,高温气体的热辐射与飞行器的运动状态关系密切,而光学窗口的热辐射随飞行时间增加而迅速增强,逐渐成为气动热辐射的主要因素,因此抑制光学窗口的温度上升速度和幅度是减弱气动热辐射的关键。     

常用中波红外窗口材料高温透过与热辐射性能比较

在高超音速飞行下,飞行器的中波红外窗口面临着气动加热导致的高温透过率下降和高温辐射增强的挑战,在高马赫应用中,选择窗口材料时必须对材料的高温透过率与高温热辐射这两个性能进行考察.本文采用傅里叶红外光谱仪测试了蓝宝石单晶、钇铝石榴石单晶、镁铝尖晶石陶瓷、氟化镁陶瓷和氧化钇陶瓷5种常见中波红外窗口材料在50℃~400℃的高温透过性能和高温辐射性能.考察了这几种窗口材料的高温透过率下降趋势和高温辐射增强.结果表明,相对于其他3种材料,氟化镁和氧化钇材料在3~5μm应用波段的高温透过率下降很小,同样高温辐射也较小.此外,氧化钇表现出非常优异的超低红外辐射性能,是一种非常有应用前景的中波红外窗口材料.     

高超声速飞行器红外探测窗口辐射透射特性研究

高超声速飞行器在飞行过程中受到强烈的气动加热,位于头部的红外探测窗口温度上升显著,辐射透过率下降的同时自身发射辐射大幅增强,致使内部的红外探测器信噪比下降,严重情况下可能失效。对超声速弹头弹道末端蓝宝石红外探测窗口的气动加热-非稳态温升过程及其3.7-4.8μm波段红外辐射透射特性进行数值模拟,结果表明:平均温度已经不能准确反映蓝宝石窗口的红外透射特性及其对红外探测器灵敏度的影响;存在一个最优的红外探测窗口厚度,该厚度下红外探测器在弹道末端的灵敏度达到最佳。     

水平方向上的大气透过率和热辐射计算模型研究

大气透过率和大气热辐射是影响目标本征辐射特性测量精度的重要因素。传统的空间目标辐射特性测量方法就是利用大气观测设备配合MODTRAN等软件或者利用红外恒星计算大气热辐射。然而，水平方向上的空气对流和复杂的地面状况会导致模式计算大气热辐射不确度增大，而火箭、导弹等目标发射起始段的红外特性测量有助于实现目标识别。因此，研究水平大气透过率和热辐射对于目标红外辐射特性测量具有十分重要的意义。针对以上问题，首先借鉴垂直廓线理论建立了同层大气“水平温度廓线”模型。然后推导了水平方向上的大气透过率和热辐射计算公式，并对其进行了实验验证。最后将大气热辐射的MODTRAN软件计算结果和实验测量结果进行了比较。结果表明，基于传统软件的热辐射计算精度为8.65% ，而本文方法的计算精度为4.91%。该实验说明这种算法在水平方向上是正确的。通过公式推导和实验验证说明了本文方法的合理性，为目标辐射特性测量过程中的水平大气透过率和热辐射计算提供了一种新的思路。     

临近空间对地探测目标与背景红外特性研究

红外辐射特性是红外探测系统进行目标识别的主要依据。基于辐射传输原理,面向临近空间对地探测目标与背景的红外特性进行研究。利用全球大气廓线反映全球大气状况先验知识,设计了一套临近空间对地探测红外特性研究的辐射传输仿真方案。利用MODTRAN模型进行仿真,量化临近空间对地探测目标与背景的红外特性差异,分析传感器最优透过率波段以及红外辐射特性的影响因素。结果表明,大气透过率以及目标与背景的红外辐射差异随着临近空间传感器高度的增加而减小,且与大气状况密切相关;得出了传感器在3~14 μm范围内的最优透过率波段;季节、大气能见度与传感器观测角度对目标与背景的亮温差异造成的影响不可忽略。     

高超声速飞行器红外波段及窗口选择（特邀）

随着技术发展,现代化战争对新型武器提出了更高的要求,高超声速飞行器的发展也备受关注,红外成像制导在高超声速飞行器的末制导领域中占有重要地位。红外成像设备易受到背景辐射和窗口热辐射带来的干扰,产生的背景噪声易造成图像饱和。通过试验对比中、长波热像仪对高温物体、太阳、云层、海面、干扰弹以及转动、高速、高动态条件下的成像效果,并且试验对比尖晶石、氧化钇、氧化锆以及硫化锌材料自身热辐射分别对中、长波热像仪成像的影响,通过测试得出各窗口在高温下透过率的相对衰减率。对比分析得出长波热像仪在抗干扰等方面占有优势,硫化锌材料具有低辐射、高透过率、以及耐压性能好等优势。中、长波对比试验对于工作波段选择以及窗口材料选择提供了参考与支持,对后续中-长波双色系统设计研究具有参考价值。     

焦距固定红外探测系统定标实验

辐射定标数据在目标辐射特性数据测量和仿真试验应用中均有重要作用。首先对焦距固定红外探测系统外场定标方法进行了初步分析。采用近距离直接扩展源法、远距离扩展面源法和平行光管定标法对焦距固定红外探测系统进行了定标实验研究。实验发现:近距离直接扩展源法对旋转的红外探测系统不适用;远距离扩展面源法对路径辐射、路径透过率和环境辐射修正较为困难;平行光管定标法操作较为麻烦,但考虑目标特性数据的有效性和实用性,需考虑平行光管定标。文中对焦距固定红外探测系统辐射外场定标技术改造研究、红外目标特性测量系统研制具有较大的参考意义。     

水平方向上的大气透过率和热辐射计算模型研究

水平方向上的空气对流和复杂的地面状况会导致大气热辐射计算的不确定度增大,目标发射起始段的红外辐射特性测量有助于实现目标识别。因此,研究水平大气透过率和热辐射对目标的高精度红外辐射特性测量具有十分重要的意义。针对以上问题,首先借鉴垂直廓线理论建立了同层大气“水平温度廓线”模型,然后推导了水平方向计算大气透过率和热辐射的公式,并对其进行了实验验证。最后将MODTRAN软件计算和实验测量的大气热辐射结果进行了比较。实验结果表明,传统软件的热辐射计算精度为8.65% ,而本文方法的计算精度为4.91%。该实验说明,在水平方向上,这种算法是正确的。通过公式推导和实验验证说明了该方法的合理性,为水平方向大气透过率和热辐射的计算提供了一种新的思路。     

氟化镁共形整流罩热障效应分析及试验验证

围绕氟化镁共形整流罩的热障效应展开分析,模拟了真实飞行状态,建立了整流罩气动加热及其内部传热过程的有限元分析模型,计算不同飞行速度下整流罩的气动热载荷及平均温度;再根据红外探测基本原理,分析各个温度下整流罩的热辐射及其对探测系统成像质量的影响,计算探测器达到饱和状态时整流罩的临界温度,即研究热障效应产生机制;最后用成像试验对分析结果加以验证。分析结果表明,对于该红外成像探测系统,氟化镁共形整流罩的临界温度约为460 K,即在Ma=3的末制导阶段及Ma=4的情形下,热障效应显著,若想进一步加快红外成像制导武器的飞行速度,必须对热障效应加以抑制和校正。各项结论对认识热障效应机理及其校正方法有一定借鉴意义。     

高温窗口作用下红外导引头性能建模与评估

高超声速飞行器的高温窗口会对红外导引头成像性能产生严重影响。为了定量分析高温窗口效应,通过红外导引头信号响应特性和高温热辐射特性耦合的方法,建立了高温窗口作用下的红外导引头成像量化表征模型,并利用典型红外导引头系统高温窗口实验对该模型进行验证。基于量化表征模型,结合外场试验获取的船海辐射数据,实现了多种温度窗口作用下红外导引头成像结果计算,并对高温窗口作用下的红外导引头成像性能进行评估分析。分析结果表明:当窗口温度超过250℃时,肉眼基本无法通过图像分辨船只;当窗口温度超过300℃时,基本无法通过导引头识别算法实现目标的分辨和跟踪。     

蓝宝石光纤高温光学特性研究

蓝宝石光纤物理化学性能稳定,熔点高（超过2000℃）,在0.3-4.0μm波段范围内透光性好,具有光波导的特点,在高温光纤传感和近红外传感等领域有很好的应用前景.实验从蓝宝石光纤在高温环境下（大于1000℃）的光学稳定性、光纤的自辐射、塑性弯曲对出射光信号的影响3个方面进行研究,结果表明,蓝宝石光纤在高温下的光学传输损耗随时间增加,温度测量精度由信号的稳定性和光纤自辐射决定,而蓝宝石光纤的塑性弯曲引起的信号额外损耗比较小,在900 nm处小于0.1dB.光纤表面在高温下的永久损伤是产生这些性能劣变的主要原因,损伤的主要机制为外部杂质在高温下与光纤表面的相互作用.为了保护蓝宝石光纤传感头在高温下的稳定工作,有必要在光纤表面制作保护层和采用合适的保护套.     

蓝宝石光纤高温光学特性研究

实验研究了蓝宝石光纤在高温环境下(大于1000℃)的光学稳定性,以及光纤的自辐射、塑性弯曲对出射光信号的影响,结果表明蓝宝石光纤在高温下的光学传输损耗随时间增加,温度测量精度由信号的稳定性和光纤自辐射决定,而蓝宝石光纤的塑性弯曲引起的信号额外损耗比较小,在900nm处小于0.1 dB.光纤表面在高温下的永久损伤是产生这些性能劣变的主要原因,损伤的主要机制为外部杂质在高温下与光纤表面的相互作用.

Abstract：

The performance stability,self-radiation and plastically bend of sapphire fiber under high temperature are studied.Experimental results show the optical transmitter loss increases with time when sapphire fiber under high temperature environment.Temperature measurement precision depends on the stability of signal and the self-radiation of fiber.The additional loss caused by a single plastically bend is less than 0.1 dB at 900 nm,less than the loss.before bend.The permanent injury of the sapphire fiber surface is the main reason for deterioration.It is found that the surface injury is mainly attributed to the pollution of the fiber surface and the mutual reaction between the sapphire fiber and the polluted substance in the ambient environment.     

Development of Output Windows for High-Power Long-Pulse Gyrotrons and EC Wave Applications

Electron cyclotron heating (ECH) is one of the main candidates for heating and current drive on ITER (170 GHz) and W7-X (140 GHz). High unit power (1 MW or greater) and high efficiency single-mode continuous-wave (CW) gyrotrons are under development in order to reduce significantly the systems costs. Face-cooled double-disk sapphire and silicon nitride windows (FC-75 liquid cooling), cryogenically edge-cooled single-disk sapphire (liquid nitrogen, liquid neon or liquid helium cooling) and silicon (230 K refrigerator cooling) windows, water-edge-cooled single-disk CVD-diamond windows and water-cooled distributed windows are being investigated in order to solve the window problem. A water-cooled window has two very important advantages; it employs a cheap and effective coolant and it is compact and probably more reliable than other solutions and thus can also be easily used as a torus window. The present paper summarizes the development status of high-power millimeter-wave windows with emphasis on CVD diamond.     

Thermo-Mechanical Analysis of Single-Disc Edge-Cooled Silicon Nitride Millimeter Wave Window for 200 kW CW Gyrotrons

This paper investigates the possibility of using Silicon Nitride Composite (Kyocera SN-287) as single-disc, edge-cooled window for gyrotrons operating below 200 kW CW in the frequency range 28-42 GHz. Rotationally symmetric TE_0n, and TEM₀₀ Gaussian modes of rf transmission through the window have been considered. Analysis performed using a one dimensional (1D) finite difference (FD) code reveals that thermal stresses developed due to non-uniform temperature distribution on the disc surface are well within manageable limits for a 200 kW 42 GHz gyrotron proposed for some ECRH applications. For industrial gyrotrons, for microwave material processing and operating at a maximum power level of 100 kW CW, Si₃N₄ windows may be a cost effective replacement for sapphire windows. It is found that a TE₀₂ profile results in lower peak temperature at the window disc in comparison to a Gaussian beam profile and allows the use of smaller discs.     

用于红外光学窗口的多层保护膜

采用GexC1-x（碳化锗）、BP（磷化硼）和-Si（非晶硅）作为高折射率材料,DLC（类金刚石）作为低折射率材料,在ZnS（硫化锌）、GaAs（砷化镓）、Ge（锗）等常用红外光学窗口表面研制了用于长波红外（8～12 m）波段的GexC1-x/DLC、BP/DLC及-Si/DLC系列多层保护膜。通过对比试验,研究了多层红外光学窗口保护膜的光学性能、显微硬度及海洋环境适应性。结合红外窗口及膜系材料特性,对试验结果进行了分析讨论。结果表明:GexC1-x/DLC多层红外保护膜具有最佳的光学性能,BP/DLC多层红外保护膜在海洋环境下具有最佳的保护效果。     

激光窗口材料热应力分析研究

利用有限Hankel变换就常见的环形分布激光束情形,推导得到了激光束辐照透过窗口镜引起热传导温度场和热变形分布的理论解,通过分析白宝石、石英两种窗口材料的热变形分布,结果表明,材料的热膨胀系数和热扩散率分别是决定热变形量大小和空间分布的决定性因素.