[發(fā)明專利]一種多層光學薄膜光譜熱輻射率的計算方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611128964.X
• 申請日: 2016-12-09
• 公開（公告）號: CN106644087B
• 公開（公告）日: 2020-05-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉華松;劉丹丹;楊霄;姜承慧;陳丹;季一勤
• 申請（專利權(quán)）人: 天津津航技術(shù)物理研究所
• 主分類號: G01J5/00
• 分類號: G01J5/00
• 代理公司: 中國兵器工業(yè)集團公司專利中心 11011
• 代理人: 劉東升

本發(fā)明屬于光譜熱輻射率表征領(lǐng)域，具體涉及一種多層光學薄膜光譜熱輻射率的計算方法。本發(fā)明提供的計算方法具有簡單可操作性，對于確定的多層薄膜?基底?多層薄膜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，僅需確定基底與薄膜材料的熱光系數(shù)，就能夠完整表達光學多層膜的光譜定向輻射率、定向輻射率、光譜輻射率和積分空間輻射率。采用本方法能夠避免直接測量的繁瑣和測量儀器的復雜結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有一定的科學與應用價值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光譜熱輻射率表征領(lǐng)域，具體涉及一種多層光學薄膜光譜熱輻射率的計算方法。

背景技術(shù)

隨著紅外光電技術(shù)的發(fā)展，基于目標紅外輻射的被動光電探測與成像系統(tǒng)成為基礎(chǔ)科學和應用技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)重要的基礎(chǔ)技術(shù)，如紅外熱像儀、紅外輻射測溫儀、紅外高分辨率光譜儀、紅外成像制導系統(tǒng)等。在航空航天應用領(lǐng)域，以紅外成像導引系統(tǒng)為代表的紅外光電設(shè)備，廣泛應用于飛行器中。

近年來，隨著飛行系統(tǒng)飛行速度從亞聲速向高超聲速方向發(fā)展，帶有紅外成像裝置的飛行器在稠密的大氣層中高速飛行，氣動加熱效應使光學窗口與薄膜面臨著高溫和熱沖擊的挑戰(zhàn)。在高速飛行過程氣動加熱的作用下，光學窗口與薄膜的熱輻射率隨著溫度的升高迅速增加，其輻射波段與被探測目標輻射的波段接近時，系統(tǒng)成像的質(zhì)量變得最差，嚴重時可能會淹沒被探測目標輻射的信號。由于當前高性能紅外成像探測器的水平已達到背景限，光學窗口與薄膜的熱輻射成為限制紅外成像器性能發(fā)揮的關(guān)鍵因素，也是提高高性能紅外成像探測系統(tǒng)目標探測能力的主要障礙。如何確定在高溫下光學窗口與薄膜的熱輻射特征，降低光學窗口-薄膜系統(tǒng)的熱輻射率，是目前在高速飛行平臺應用中急需解決的關(guān)鍵問題，該問題對于光學窗口與薄膜材料本身及與熱輻射相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域具有重要意義。

薄膜-基底-薄膜系統(tǒng)的熱輻射率表征方法是評價系統(tǒng)應用的關(guān)鍵。在熱輻射率的測量表征研究中，目前國內(nèi)外主要采用量熱法、反射率法、輻射能量法、多波長混合法等直接測量方法。熱輻射率的測量表征現(xiàn)狀是多種方法并存，沒有一種測量表征方法占有絕對主導地位，還未建立熱輻射率測量表征的國家或國際標準，更沒有標準的商品化設(shè)備出售。由于窗口與薄膜材料的熱輻射具有顯著的方向性，上述的直接測量方法能夠表征半球空間內(nèi)的光譜積分輻射率和法向光譜輻射率，方向光譜輻射率的直接測量在實驗裝置上較為復雜。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明的目的是提出一種多層光學薄膜光譜熱輻射率的計算方法，以解決如何降低直接熱輻射測量成本與測量裝置復雜性的問題。

(二)技術(shù)方案

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種多層光學薄膜光譜熱輻射率的計算方法，該方法包括如下步驟：

(1)對多層光學薄膜的傳輸矩陣進行修正：

基底的前表面和后表面分別具有多層薄膜A和多層薄膜B，構(gòu)成多層薄膜A-基底-多層薄膜B系統(tǒng)；定義光波從入射介質(zhì)通過多層薄膜A-基底-多層薄膜B的光傳輸方向為前向，相反方向為反向；

對多層薄膜中第j層薄膜進行溫度修正時的修正傳輸矩陣M_j，如公式(1)所示：

其中，j＝1,2,..m，m為多層薄膜的層數(shù)；λ為入射波長，θ_j為第j層膜內(nèi)的復折射角，d_j為第j層薄膜的物理厚度，T為系統(tǒng)溫度，δ_j和η_j分別為第j層薄膜的相位厚度和等效導納；

根據(jù)公式(1)，對多層薄膜的前向傳輸矩陣進行修正，修正后如公式(2)所示：

其中，η_s分別為基底的等效導納，θ_s為基底內(nèi)的復折射角；

根據(jù)公式(1)，對多層薄膜的反向傳輸矩陣進行修正，修正后如公式(3)所示：