[科普中国]-红外测量吊舱

20世纪70年代，美国的第一个测量吊舱问世，相应技术迅速发展。我国也研制出了多种不同类型的吊舱，如可加装在直升机座舱下的前视红外吊舱、蓝天低空地形跟随导航吊舱、KZ900电子情报吊舱、激光瞄准吊舱等，专门用于红外特性测量的吊舱有16DS-AD直升机吊舱。

红外测量吊舱是一个通用吊舱系统，除配置电视跟踪子系统和激光测距子系统外，还能根据需要更换安装中波（3~5微米）红外热像仪、长波（8~12微米）红外热像仪、红外光谱仪、红外辐射计，适当扩展后还可以安装各种制导武器的导引头。其功能是美国测量军用目标红外辐射亮度(或温度)分布、红外光谱分布和红外辐射强度分布的三个超音速吊舱系统的总合，其系统十分复杂，技术含量很高，是我国第一个超音速机载红外测量吊舱。目前该设备已完成外场30多个架次试飞任务，效果良好。

红外测量吊舱有三个光学窗口，分别安装在球台体前整流罩上，与三种光电探头对应。图为吊舱头部示意图，图中最小的窗口为激光窗口，最大的为红外窗口，另一个为可见光窗口。其中激光窗口和可见光窗口采用平板形设计，红外窗口采用球冠形设计，这是因为红外窗口面积很大，采用球冠形状可以使头部转动时气动干扰力矩最小，若采用平板形设计则当头部做横滚或俯仰运动时必将带来很大的干扰力矩;同时红外窗口在设计时选择同心球冠状圆形窗口(球冠球心和球台体的球心重合)，只要保证热像仪的光轴通过球台体的球心，必将使离轴像差最小;此外为了提高红外窗口外表面膜层抵抗含有尘埃的高速气流的冲刷能力及透过率，红外窗口应选用杂质少、透过率均匀、本征透过率高(6000)的CPV硫化锌材料，在红外窗口内、外表面各镀9层高增透膜，并在外表面镀类金刚石保护膜，以增加机械强度和耐磨性，镀膜后,全波段范围内平均透过率≥ 88%、3～ 5μm范围内透过率≥ 90%、8～ 12μm范围内透过率≥ 87%。挂飞30个架次证明:红外窗口气动性能设计合理、可靠;窗口外表面类金刚石保护膜能承受高速气流和起飞、着陆时沙尘的冲击。

在红外测量吊舱系统中使用HgCdTe中波红外焦平面器件，红外探测器为二维平面形状，具有电子扫描功能，被测目标的红外辐射只需通过简洁的物镜，就可以将目标聚焦在底片上曝光成像，这与照相原理相似，被测目标聚集成像在红外探测器的阵列平面上(焦平面阵列)，其结构如图所示。

HgCdTe红外CCD输出视频信号，经钳位和放大等预处理后，由A D转换成14 bits的数字图像信号，然后由固定图形噪声消除，响应率非均匀性校正后存入帧图像存储器中。经伪彩色编码和D A转换后，在显示器上显示。

由以上数据可知，焦平面热像仪的温度灵敏度明显比单元或线列机电扫描热像仪的高，在200 m距离内可用于飞机蒙皮温度分布和气动力流场特性的研究，在600 m距离内可用于飞机发动机状态的尾焰流场特性的研究。同时红外测量系统自带的软件处理功能强大，可以直接读出像幅上任何一个点、一条线或一个感兴趣区域内的温度和它的像元数目，该点在平面内所处的坐标位置、最大温度值、最小温度值、平均值、均方根值、最大直方图等。1

红外窗口气动加热后，窗口的温度噪声对红外导引头模拟器成像质量的影响很大。地面实验表明：对同一距离的同一目标，窗口温度升高过程是红外热像仪成像(面目标)质量由清晰变模糊的过程。对近目标观察,温度从室温25℃升到60℃时，清楚的杯子边缘变得模糊，这是由于折射率变化，窗口曲率半径变化，影响镜头成像位置；窗口温度升高，影响红外热图的获取。

窗口温度升高对8～ 12μm波段成像(面目标)质量的影响比3～ 5μm波段成像质量的影响要大得多。为了消除窗口温度对目标成像的影响，根据测温值用图像处理的方法消除窗口热噪声的干扰。这对于目标特性的分析非常重要。红外窗口温度测量的实现为准确分析目标的特性提供了必要的实验数据，同时也为气动加热对红外窗口的影响有了实际的数据记录。该测温方法对以后机载设备窗口温度的测量具有实际的参考价值。2