Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы имитации объектов, излучающих в инфракрасной области спектра (аналитический обзор ) 15
Глава 2. Теплофизические процессы при воздействии лазерным излучением на экран имитатора из различных материалов 41
2.1. Краевая задача теплопроводности для твердотельного экрана при преобразовании лазерного излучения в тепловое 41
2.2. Исследование численными методами характеристик теплового отклика при лазерном нагреве металлических мишеней 48
Глава 3. Экспериментальные исследования характеристик источника ИК - излучения с лазерной подсветкой 64
3.1. Экспериментальные исследования преобразования лазерного излучения в тепловое на металлических мишенях 64
3.2. Результаты экспериментальных исследований преобразования импульсного лазерного излучения в ИК - излучение в объемнопоглощающих материалах 74
Глава 4. Разработка и исследование метода имитации дискретных динамических ИК - изображений 89
4.1. Описание имитатора и его узлов 90
4.2. Алгоритм имитации динамических объектов для испытаний оптико-электронных приборов 103
4.3. Исследование имитатора в динамическом режиме 113
Глава 5. Практическое применение метода нагрева мишеней оптическим излучением для метрологических задач 118
5.1. Метод определения облученности от мощных источников оптического излучения 119
5.2. Определение теплофизических характеристик материалов 129
Заключение 136
Литература ] 40
- Исследование численными методами характеристик теплового отклика при лазерном нагреве металлических мишеней
- Результаты экспериментальных исследований преобразования импульсного лазерного излучения в ИК - излучение в объемнопоглощающих материалах
- Алгоритм имитации динамических объектов для испытаний оптико-электронных приборов
- Определение теплофизических характеристик материалов
Введение к работе
Оптико - электронные приборы работающие в инфракрасной (ИК) области спектра, в настоящее время широко используются во многих областях науки и техники. Освоение космического пространства выдвинуло
ряд новых областей применения инфракрасной техники. ИК - приборы применяются в космической навигации, для исследования поверхности и атмосферы Земли, других планет, для различных астрономических и астрофизических исследований, в системах космической связи. Непрерывно
возрастающий объем космических исследований и благоприятные условия распространения инфракрасного излучения в космическом пространстве способствует все большему применению оптико - электронных приборов (ОЭП) ИК - диапазона в комплексе оборудования космических летательных аппаратов. Интенсивное освоение космоса становится экономически
оправданным. Ценные результаты космонавтика приносит при исследовании природных ресурсов Земли, изучении географических процессов, прогнозе стихийных бедствий, в метереологии и ряде других научных и народнохозяйственных направлений.
Оптико - электронные приборы, устанавливаемые на борту
космического аппарата должны удовлетворять требованиям работы в
условиях космического пространства. Проверка их работоспособности
является завершающей стадией процесса разработки. Соответственно
условиям применения ОЭП подвергаются определенным испытаниям. В
реальных условиях на прибор воздействует большое количество
возмущающих факторов. В соответствии с видом воздействий испытания
разделяются на механические, климатические, электромагнитные,
специальные, на надежность и т.д. Во многих случаях подобные испытания
требуют создания специализированного оборудования, имитаторов того или
а иного воздействия, в том числе и оптической фоноцелевой обстановки
(ФЦО), представляющей совокупность излучений фона и различных
объектов, попадающих в поле зрения испытуемого прибора [1]. Лабораторные наземные (стендовые) испытания становятся одним из основных видов испытаний ОЭП, предназначенных для наблюдения за подвижными космическими объектами, как естественными (метеориты, звездные тела), так и искусственными (летательные аппараты) по их тепловому излучению с присущими им преимуществами (менее дорогие, обеспечение повторяемости и управляемости условий тестирования, соблюдения определенной последовательности и чередования воздействующих факторов и возможность проведения полномасштабного
тестирования). При проведении работ по созданию ОЭП, необходимо иметь целый набор имитаторов - источников ИК-излучения, воспроизводящих излучение реальных объектов и сопутствующих им фонов. Так, например, температура Земли, наблюдаемой с орбиты спутника, равна 250 К, а окружающий космический фон имеет температуру — 4 К. Во многих случаях
имитаторы должны воспроизводить динамику таких объектов.
Поэтому актуальной становится проблема разработки методов имитации и создания источников ИК - излучения, (имитаторов объектов) основные характеристики которых - пространственные координаты и интенсивность излучения, - могут непрерывно изменяться во времени. В литературе описаны разработки вакуумно-криогенных стендов [2] для испытания ОЭП, в условиях максимально приближенных к условиям космоса и оснащенных различными статическими имитаторами оптического излучения. Полная и правильная проверка функционирования ОЭП обеспечивается при условии, когда изображение ФЦО, проецируемой оптической системой ИК - прибора и создаваемой имитатором, было адекватно изображению ситуации при наблюдении реального объекта в окружении внешних источников и фона.
Исходя из вышеуказанного появляется актуальная задача разработки
« методов имитации и создания динамических имитаторов оптической
ситуации для оснащения стендовой базы на основе выбранной оптической
* модели фоноцелевой обстановки, направляющих поток излучения на вход
ОЭП, Вся совокупность информации, поступающей на вход ОЭП сводится к
пространственно-временному распределению облученности и спектральному
составу излучения. При этом ФЦО должна быть динамичной, отображающей
пространственные и временные параметры объектов в режиме реального
времени при соответствующих энергетических характеристиках объектов и
фона. Обеспечение полного представления наблюдаемой ФЦО (описания
оптической модели объекта) сопряжено со многими трудностями и
необходимостью удовлетворения многих требований. Во многом требования,
» предъявляемые к имитаторам ИК - объектов, а равно и степень верности
имитации ФЦО, определяются техническими характеристиками тестируемых ИК - устройств. Необходимо, чтобы имитатор мог использоваться при испытаниях различных ОЭП без доработки или с небольшой модернизацией. Наиболее важными техническими требованиями, которые следует принимать
* во внимание при разработке имитаторов ФЦО в ИК диапазоне, являются:
интервал имитируемой температуры и температурное разрешение,
пространственное разрешение и поле зрения имитатора, спектральная
полоса, частота кадров. При работе в криовакуумных условиях имитирующая
аппаратура не должна создавать дополнительную фоновую составляющую.
Динамический интервал имитируемой температуры - диапазон температур, в
пределах которых должен управляться любой разрешающий элемент
имитатора. Со значением имитируемой температуры непосредственно
связана спектральная полоса испускаемого излучения. Рабочий интервал
спектральной чувствительности наиболее распространенных ОЭП ИК -
диапазона, определяется выбором одной из зон спектрального диапазона
3...5,5 мкм и 8... 14 мкм, соответствующих окнам прозрачности атмосферы.
Диапазон изменения температуры зависит от назначения ОЭП, и для
устройств, работающих в спектральной полосе 3...5 мкм может достигать
ф значения 1000 К. Поверхности космических объектов, нагретых за счет
излучения Солнца, Земли могут иметь температуру порядка - 400 К.
Температурное разрешение - минимальная разность температуры, которая может быть воспроизведена имитатором. Пространственное разрешение выражается числом независимых разрешающих элементов на экране имитатора, представляющего его поле зрения и определяет количество информации (число объектов и деталей фона), которое может отобразить имитатор на входной зрачок тестируемого ОЭП. В оптимальном варианте пространственное разрешение имитатора должно быть в 2 раза лучше, чем разрешение испытываемого устройства и должно стремиться к значению 1024 х 1024 элементов. Все выше рассмотренные требования характеризуют статическую сцену. Частота кадров, определяющая динамику сцены, является важным параметром имитатора. Она во многом определяется временными характеристиками (времена установления и релаксации температуры) потока от излучающих элементов. Частота кадров многих имитаторов должна быть в интервале 25 - 100 Гц с возможностью увеличения ее для вновь разрабатываемых приборов до 200 Гц, Для некоторых случаев могут иметь значение такие характеристики имитаторов, как равномерность по полю, форма спектрального излучения, поляризация и т.д.
Представляет интерес возможность использования для решения такой задачи преобразование лазерного излучения в тепловое. Лазерное излучение позволяет реализовать простую возможность транспортировки и управления им в пространстве, в т.ч. ввода в криовакуумную камеру без создания фоновой составляющей, варьирования энергетическими и временными характеристиками излучения. Этот метод дополнительно может быть распространен для теплофизических исследований характеристик твердых тел и измерения энергетических характеристик импульсных оптических излучений.
Цель работы состояла в разработке метода имитации динамической оптической ФЦО с дискретными групповыми малоразмерными ИК-изображениями для испытаний ОЭП систем наведения и навигации,
1 тепловизионнои аппаратуры различного назначения и т.д., предназначенных
для работы в дальней инфракрасной области спектра, создание макета такого имитатора на базе системы преобразования лазерного излучения в тепловое с целью подтверждения его реализуемости и использования в вакуумно-криогенных стендах. Для достижения поставленной цели было необходимо
* решить следующие задачи:
1. Исследовать преобразование энергии лазерного излучения в
ИК - излучение в различных материалах и обосновать на этом принципе
метод имитации динамических малоразмерных объектов, излучающих в
и инфракрасной области спектра.
2. Исследовать энергетические и временные характеристики теплового
отклика мишени (модели экрана ИК - имитатора) на воздействие лазерным
излучением миллисекундной длительности при плотности мощности
105...108 Вт/см2 расчетным и экспериментальным методами.
* 3. Обосновать выбор материала и конструкции экрана имитатора,
разработать отдельные узлы имитатора и создать на их основе макет
динамического имитатора ИК - объектов с системой преобразования
лазерного излучения в тепловое излучение.
Исследовать метод регистрации энергетических характеристик оптического излучения, основанного на его взаимодействии с материалами, имеющими точку температурной инверсии (X - область спектра) на изотермах спектрального коэффициента теплового излучения.
Исследовать методику и показать возможность определения тепло физических характеристик пленочных образцов различных материалов импульсным лазерным подогревом.
Постановка этих задач обусловлена необходимостью разработки
метода имитации и создания на его основе динамического имитатора
групповых малоразмерных объектов для оснащения существующих стендов
» для испытания ОЭП в условиях, адекватных ситуации при наблюдении
реального динамического, низкотемпературного объекта в окружении
* внешних источников и космического фона, проведения исследований и
метрологического обеспечения такого имитатора. Измерение тепловых характеристик твердых тел, энергетических характеристик мощного излучения расширяет класс измерительных средств и тем самым способствует совершенствованию метрологии таких измерений.
Научная новизна работы.
1. Предложен метод создания динамического имитатора
малоразмерных объектов, излучающих в ИК - области спектра, основанный
на преобразовании излучения лазерной подсветки в тепло и регистрации
теплового излучения точки экрана испытуемой системой.
Получены расчетные и экспериментальные данные по тепловому отклику экранов из различных материалов при воздействии на них лазерным излучением, показывающих существенное влияние на временные и энергетические характеристики изображения имитируемого объекта тепло физических и оптических характеристик материала экрана имитатора.
Экспериментально установлено, что релаксация теплового отклика объемнопоглощающих материалов условно состоит из двух стадий: "быстрой" релаксации, связанной с излучательным характером остывания излучающей поверхности, и "медленной", связанной с охлаждением внутренних слоев образца и теплопередачей к поверхности экрана.
Экспериментально исследовано преобразование энергии лазерного излучения в тепловое излучение мишени пленочной конструкции с целью создания динамического имитатора для работы в криовакуумных условиях с
л данными характеристиками имитатора. Экспериментальные исследования
макета предложенного имитатора подтверждают правильность теоретических выводов.
5. Исследована возможность использования точки температурной
инверсии на изотермах спектрального коэффициента теплового излучения
ряда материалов для измерения энергетических характеристик источников
оптического излучения, в том числе доли поглощенного излучения.
* Таким образом, полученные результаты, содержащие теоретическое и
экспериментальное обоснование метода имитации динамических объектов,
излучающих в ИК-области спектра, заключающегося в преобразовании
энергии лазерного излучения в тепловое и его дальнейшая реализация в
составе стендовой базы с криогенным охлаждением для испытаний ОЭП по
* подвижным низкотемпературным малоразмерным объектам, представляют
собой решение научно-технической задачи, имеющей важное значение для
повышения надежности и достоверности результатов стендовых испытаний и
развития методов и средств испытаний ОЭП ИК - диапазона космического
т базирования, в особенности в криовакуумных условиях.
Практическая ценность работы состоит в том, что на использовании полученных результатов разработан макет динамического ИК имитатора групповых объектов для оснащения стендовой базы с криогенным охлаждением для испытаний ОЭП по малоразмерным движущимся
*> низкотемпературным объектам. Предложен алгоритм дискретной имитации
динамических объектов, излучающих в ИК - диапазоне с преобразованием энергии лазерного излучения на элементе экрана имитатора в тепловое. Разработаны оригинальные оптические и измерительные блоки, на базе которых создан макет динамического имитатора ИК - объектов.
* Получены результаты экспериментальных исследований
преобразования лазерного излучения на мишенях из различных материалов,
которые подтверждают возможность создания динамического имитатора для
работы в криовакуумных условиях с данными характеристиками имитатора
и даны технические предложения для оснащения стендовой базы, созданной
в НИИКИ ОЭП и оснащенной ранее статическим имитатором цели.
Результаты исследований по взаимодействию излучения СОг-лазера со
стеклом и с другими материалами переданы в Институт Лазерной Физики
ВНЦ 'ТОЙ им. С.И.Вавилова" для внедрения и использования в
щ. практических целях.
По результатам проведенных исследований разработано устройство для измерения энергетических характеристик мощных силовых источников оптического излучения, внедренное на светоиспытательной станции СИС ЬШИКИ ОЭП (г. Сосновый Бор). Предложен метод измерения коэффициента температуропроводности материалов в криовакуумных условиях, который может быть практически использован на базе разработанного макета имитатора.
Реализация результатов работы подтверждена актами внедрения.
На защиту выносятся:
1. Метод оптической имитации динамических малоразмерных
объектов, излучающих в ИК - области спектра, основанный на
преобразовании лазерного излучения в тепловое изображение на экране
имитатора и проецировании изображения движущегося объекта на
тестируемый оптико-электронный прибор.
Результаты экспериментальных исследований теплового отклика экранов из различных материалов при воздействии на них лазерным излучением, показывающие существенное влияние на временные и энергетические характеристики имитируемого объекта теплофизических и оптических характеристик материала экрана имитатора и позволяющие оптимизировать конструкцию имитатора.
Оптическая схема и конструкция имитатора низкотемпературных объектов на основе преобразования лазерного излучения в ИК- излучение на тыльной поверхности экрана имитатора при импульсном дискретном сканировании лазерном лучом по поверхности экрана.
4. Способ измерения энергетических характеристик мощного
оптического излучения, основанный на его воздействие на материалы,
имеющие точку температурной инверсии на изотермах спектрального
коэффициента теплового излучения.
5. Метод измерения теплофизических характеристик материалов в криовакуумных условиях, заключающийся в сравнении временных характеристик теплового отклика на поверхности исследуемого образца.
Апробация работы. Результаты работы обсуждались на научных семинарах НИИКИ ОЭП, ИЛФ ВНЦ ТОЙ им. СИ. Вавилова". Основное содержание диссертации докладывалось на конференциях "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" (1996г.), на международных конференциях "Laser Optics - 98" (1998г.), "Прикладная оптика - 2000" (2000г.), "Прикладная оптика - 2002" (2002г.), "Прикладная оптика - 2004" (2004г.).
По материалам выполненных исследований имеется 12 публикаций, в том числе опубликованы пять статей и получен один патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация, отражающая основное содержание проделанной работы состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы и изложена на 150 машинописных страницах, включая 46 рисунков, 7 таблиц и списка литературы, содержащего 127 наименований.
Во введении обосновывается актуальность работы и сформулированы цель и задачи исследований. Представлены основные защищаемые положения, обоснована практическая значимость работы.
Первая глава представляет собой аналитический обзор существующих
методов и средств имитации динамических объектов, излучающих в
ИК - области спектра. В результате анализа литературных данных сделан
вывод, что всем системам присущи те или иные недостатки. На сегодняшний
день ни один из рассмотренных методов не является более
предпочтительным, они имеют свойственные ограничения. Существуют
проблемы по созданию глубокоохлаждаемых имитаторов
низкотемпературных объектов. По результатам аналитического обзора сделаны выводы, так же сформулированы требования к разрабатываемому имитатору ИК - излучения.
Во второй главе рассматривается краевая задача теплопроводности применительно к преобразованию энергии лазерного излучения средней мощности в ИК - излучение в пленочных образцах различных материалов, охватывающих широкий интервал оптических и теплофизических характеристик. Рассмотрены результаты теоретических исследований теплового воздействия лазерного излучения на различные мишени. Показано, что импульсный лазерный подогрев можно использовать для разработки методов имитации динамических ИК-объектов с заданными энергетическими и временными характеристиками имитируемых объектов.
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований преобразования излучения лазеров средней мощности, генерирующих на длинах волн 0,69 и 1,06 мкм в ИК- излучение в пленочных образцах различных материалов, обладающих широким спектром оптических и теплофизических характеристик и объемнойоглощающих материалах на примере стекла К8 с использованием ССЬ - лазера (длина волны лазера 10,6 мкм). Рассмотрены результаты сравнения теоретических и экспериментальных исследований теплового преобразования лазерного излучения на различные мишени, подтверждающих возможность использования лазерного подогрева для имитации динамических малоразмерных объектов в ИК области спектра.
Четвертая глава посвящена исследованию и разработке метода имитации динамических малоразмерных объектов, излучающих в дальней ИК-области спектра на основе преобразования лазерного излучения в тепловое на экране имитатора и создания динамического имитатора на его основе. Рассматривается функциональная схема имитатора, состав и конструкция его в целом и основных элементов макета. Рассмотрен алгоритм моделирования динамики объекта для конкретного исполнения. Приведены результаты экспериментальных исследований лабораторного макета имитатора в режиме имитации динамических объектов. Приведены основные выводы и рекомендации к конструированию.
В пятой главе рассмотрены результаты исследований, посвященных использованию метода импульсного оптического (в т.ч. лазерного) подогрева материалов для практических применений в метрологических задачах. Рассмотрены способ и устройство для измерения энергетических характеристик мощных источников оптического излучения с использованием в качестве приемного элемента материала, имеющего точку температурной инверсии на изотермах спектрального коэффициента теплового излучения. Предложен метод определения теплофизических характеристик материалов при криогенных температурах с использованием импульсного лазерного нагрева методом сравнения с известным образцом.
В заключение диссертации приведены и обобщены основные результаты и выводы проведенных исследований.
Исследование численными методами характеристик теплового отклика при лазерном нагреве металлических мишеней
При проведении расчетов нами учитывались различные факторы, влияющие на характер нагрева мишени лазерным излучением: характеристики материала самой мишени (коэффициент поглощения, теплопроводность, теплоемкость), параметры лазерного излучения (интенсивность, длительность, длина волны).
Расчеты краевой задачи проводились с использованием пакета прикладных программ FEMTEM. Пакет предназначен для нахождения распределения температуры в неоднородных телах сложной конфигурации, представленных в одномерной (стержень переменного сечения, диск), двумерной (в декартовых и цилиндрических координатах) и трехмерной (XYZ) геометрии. Рассматривается уравнение нестационарной теплопроводности с изменяющимися (во времени и пространстве) коэффициентами и заданными функциями распределенных или точечных источников, а также граничных температур, тепловых потоков, обусловленных конвективным теплообменом или излучением (граничные и начальные условия).
Метод конечных элементов (МКЭ), используемый в программе, позволяет решить широкий класс задач теплопроводности. Следуя концепции МКЭ, рассматриваемая непрерывная область разбивается на конечное число подобластей, называемых элементами, искомая функция аппроксимируется на каждом элементе полиномом, который определяется с помощью узловых значений искомой функции [92].
Особенности используемого алгоритма:-возможен учет фазовых переходов, свободной конвекции, изменения положения границ области, контактного теплового сопротивления между поверхностями;-возможно формирование итерационного процесса для нелинейной стационарной задачи;-задание коэффициентов уравнения выделено в отдельные модули;-обеспечивается как поэтапная обработка результатов задачи, так и в ходе ее решения.
Временная структура лазерного излучения зависит от типа лазера и особенностей режимов генерации. В общем виде поглощенная часть мощности лазерного излучения мишенью является сложной функцией координат и времени и может быть представлена в виде произведения функций, зависящих только от времени и только от координат на поверхности мишени [81]:где А - поглощательная способность мишени, qr описывает временную структуру лазерного импульса, qr - пространственное распределение падающей на поверхность мощности лазерного излучения.
При воздействии лазерного излучения на металлы, когда основным эффектом является тепловое действие, монохроматичность играет второстепенную роль. В нашем случае это влияние выражается в различных поглощательных способностях материалов мишени. В табл. 2.1 приведены поглощательные способности ряда металлов на длинах волн излучения некоторых лазеров [91]. Как видно из табл. 2.1, поглощательная способность мишеней А с увеличением длины волны воздействующего лазерного излучения уменьшается. При проведении расчетов различие длин волн сказывается на поглощенной доли лазерного излучения, которая непосредственно участвует в механизме теплового нагрева мишени:
Существует минимальный размер пятна, который можно получить при фокусировке лазерного излучения. Предельным дифракционным размером пятна является радиус, соответствующий первому минимуму Бесселевой функции rs =1,22 XVID (где F и D- фокусное расстояние и диаметр фокусирующей системы). В случае генерации излучения с многомодовой структурой (N - число мод) радиус пятна равен: rs =NF0. (9 - расходимость лазерного пучка.) Одномодовый режим генерации имеет наиболее пространственно однородное распределение мощности излучения по пятну и обладает наилучшими свойствами для фокусировки. Расходимость лазерного излучения может быть уменьшена при использовании коллимирующей оптики. Расширение луча на порядок приводит к уменьшению расходимости на порядок.
Учет длины волны (с точки зрения желаемого размера фокального пятна и поглощательной способности) может повлиять на выбор типа лазера для конкретной задачи. Поэтому для задач нагрева важное значение имеет также выбор длины волны. С точки зрения эффективности преобразования лазерного излучения в тепловое, как следует из табл. 2.1 в качестве источника лазерного подсвета для целей имитации наиболее перспективными являются лазеры видимого и ближнего ИК- диапазона. Так как речь идет о создании динамической оптической сцены, когда каждый следующий импульс лазерной системы подсвета имитирует следующую точку траектории движении объекта, (алгоритм имитации рассматривается в главе 4) в качестве источника выбираем лазерную систему, генерирующую излучение в им пульсно-перио дичее ком режиме. С учетом вышесказанного, нами при проведении исследований рассматривались твердотельные Nd:HAT- и рубиновый лазеры, генерирующие на длинах волн: 1,06 и 0,69 мкм, соответственно.
При рассмотрении временной структуры импульса лазерного излучения следует учесть возможность реализации различающихся по форме и длительности импульсов режимов генерации. Наиболее распространенным является режим свободной генерации.
Временная форма лазерного импульса при расчетах нами аппроксимируется экспоненциально-показательной функцией вида:где тт - время (сек), при котором плотность мощности (Вт/см ) достигает свое максимальное значение q0; m - целое число. Форму импульса ИЛГ-лазера аппроксимировали выражением (6) со значениями m = 1 для нарастающей
Результаты экспериментальных исследований преобразования импульсного лазерного излучения в ИК - излучение в объемнопоглощающих материалах
В предыдущем разделе мы рассмотрели процесс преобразования лазерного излучения в тепловое в непрозрачных материалах. Как было показано, металлы слабо поглощают излучение в инфракрасной области спектра, например, излучение СОг-лазера (длина волны 10,6 мкм) (табл. 2.1). При воздействии импульсного лазерного излучения на металлы, можно было считать, что поглощение лазерного излучения происходило натонком поверхностном слое материала. Для непрозрачных материалов происходит разогрев поверхностных слоев материала, коэффициент поглощения - 104 - 105 см . Для полупрозрачных материалов закон Кирхгофа в его обычном виде неприменим, так как часть падающего потока излучения проходит сквозь материал, что нарушит тепловое равновесиесистемы [96]. Поглощение лазерного излучения стеклом имеет характер объемного поглощения. Значение спектральной излучательной способности Е(Х) также зависит от толщины слоя стекла. Так для стекла толщиной 0,3 см в спектральном диапазоне от 3 мкм &(Х) равна 0,92 [96].
В данном разделе рассмотрены результаты экспериментальных исследований воздействия лазерного излучения ИК - диапазона (С02 - лазера) с плотностью энергии -0,1-2 Дж/см2 при варьировании длительностью импульса в пределах 20 - 70 мкс на объемнопоглощающие оптические материалы, в основном на различные образцы стекла К8 (полированное, шлифованное) [97, 98]. Исследовалась динамика теплового отклика образца, определены температуры нагрева и оценены излучательные способности. В качестве основной мишени нами было выбрано оптическое стекло К8, которое, с одной стороны, характеризуется сильным поглощением в 10-мкм области, а с другой является широко используемым и изученным материалом. Взаимодействие излучения СОг -лазера со стеклом изучалась в целом ряде работ [99, 100]. Однако, сравнение экспериментальных значений оптических и теплофизических характеристик ряда типов стекол крайне противоречивы [101]. Целью проведенных исследований является получение количественных оценок динамики нагрева и остывания стекла марки К8, облучаемого импульсным С02-лазером для последующих оценок спектральной излучательной способности нагретого материала и выяснения возможности использования данного материала для целей создания динамического имитатора объекта теплового излучения и проверки регистрирующей аппаратуры. Оптическая схема экспериментальной установки, базирующейся на основе импульсного электроионизационного TEA С02 - лазера представлена на рис. 3.6. Длительность импульса излучения лазера 1 с неустойчивым резонатором могла варьироваться от 10 до 80 мкс. Энергия излучения лазера в каждом импульсе измерялась путем ответвления части пучка от клина 2 и зеркала 3 на калориметр 4, форма импульса во времени соответственно от клина 2 и зеркала 5 на фотоприемник 6 на основе Ge, легированного Hg с временным разрешением до 10"7 сек. Излучение направлялось на исследуемый стеклянный образец 10 после отражения от клиньев 7 и 8 через формирующую оптику 9. Соответствующим подбором клиньев 7 и 8 с различными коэффициентами отражения (BaF2, ZnSe, Ge), а также изменяя параметры системы электрической накачки варьировали плотность энергии на образце от десятых долей до нескольких Джоулей на квадратный сантиметр. Высокочувствительный приемник 11 теплового излучения со сменными спектральными фильтрами 12 располагался на расстоянии 1 от образца, которое в процессе опытов варьировалось от 50 до 200 мм (с целью обеспечения линейного режима работы ФПУ). Угол « наблюдения по отношению к нормали к образцу в зависимости отрасстояния до приемника изменялся от 10 до 40 градусов. Индикатриса излучения для диэлектрических материалов слабо меняется в пределах углов наблюдения до 60 [89]. Учет же уменьшения эффективной площади излучающего пятна S при размещении приемника под углом ср к образцу производится путем умножения величины S на coscp. Регистрация теплового отклика взаимодействия производилась на одном из каналов двухлучевого осциллографа 13 С8-17, а на втором - временная развертка формы импульса излучения лазера. Все неиспользуемые пучки излучения перекрывались графитовыми поглотителями 15. Через экран 14 с диафрагмой производился вывод излучения из соседнего помещения, где располагался лазер с целью уменьшения влияния акустических и электромагнитных помех. При выборе приемников излучения в первую очередь был сделан акцент на неселективные пироэлектрические МГ-30 и БП-7, однако из-за влияния сильных электромагнитных наводок и акустических шумов на пироэлектрические приемники на установках с силовыми лазерами их использование оказалось невозможным. Измерения производилисьфотоприемным устройством (ФПУ) на базе охлаждаемого фоторезистора на основе тройного соединения HgCdTe с диаметром приемной площадки 0,6 мм, устойчивое к акустическим воздействиям и значительно меньше подверженное электромагнитным наводкам.
При измерениях следует учитывать такой аспект, что при комнатной температуре или невысоких температурах нагрева максимум излучения неселективного излучателя приходится на спектральную область, в которой находится "нагревающее" излучение с длиной волны 10,6 мкм. Если не исключить как фоновую составляющую, то его рассеянная часть создаст мешающий сигнал, значительно превосходящий исследуемый по величине. В экспериментах для исключения влияния нагревающего излучения на полезный сигнал перед приемником излучения вставлялись полосовые фильтры, полоса пропускания которых не включает длину волны 10,6 мкм.
В классической пирометрии в основе измерения температуры лежит метод ее определения по отношению спектральных плотностей двух квазимонохроматических компонент [96, 102]. При работе в ИК - области спектра для повышения отношения сигнал/шум появляется необходимость расширения спектральной полосы. Учитывая, что основное внимание уделялось обычному оптическому стеклу, в соответствии с литературными данными [103] в области поглощения, лежащей далее 3 мкм, нагретое стекло является неселективным источником теплового излучения. Подобные предположения можно сделать и в отношении факела, возникающего при превышении порога разрушения. Поскольку поток излучения от нагретого образца одновременно зависит от температуры и коэффициента излучения для их оценок необходимо проведение измерение потоков в разных спектральных интервалах.
Поэтому нами для измерения температуры образца использовался метод [104], основанный на измерении отношений сигналов R(T) приемника от теплового излучения исследуемого образца, прошедшего
Алгоритм имитации динамических объектов для испытаний оптико-электронных приборов
В оптико-электронных приборах используются различные траектории сканирования, которые определяют контролируемую область поля обзора ОЭП [111]. Задача имитации динамики имитируемого объекта путем сканирования лазерным лучом поверхности экрана имитатора может решаться аналогично схемам сканирования, используемых в ОЭП. Исходя из типа тестируемых ОЭП, в системе управления программируется соответствующая траектория имитируемого объекта. В имитаторе в процессе работы можно перестраивать параметры процесса сканирования: последовательность сканирования точек, регулировать яркостные характеристики элементов имитатора и время сканирования каждого элемента и т.д.
Режим работы имитатора задается общей программой, а закон сканирования траектории - заранее подготовленной (тестовой) траекторией. Сканирование можно обеспечивать в ручном в режиме оператором обходом всех точек траектории на экране монитора управляющей машины в режиме "обучения" системы [106]. При этом автоматически фиксируется последовательность точек сканирования. В качестве тестовых траекторий выбраны общепринятые в оптоэлектронике схемы сканирования. Иногда параметры динамического имитатора должны быть согласованы с параметрами управляющей системы тестируемого ОЭП, тогда функция сканирования имитатора будет определяться сканирующей системой ОЭП.
Замена непрерывной траектории совокупностью дискретных значений, эквивалентных ей по информационному содержанию может быть проведена по теореме отсчетов (теорема Котельникова) применительно к пространственным частотам [111]. Сканирующим пятном является локальная область плоского экрана имитатора, на которую фокусируется лазерное излучение системы подсвета. Преимущественная форма сканирующего пятна круглая с диаметром d. Траектория движения имитируемого объекта будет определяться траекторией сканирования лазерного излучения, которая является последовательностью точек (х, у) при своем движении по поверхности экрана. Параметрическое задание траектории сканирования осуществляется в прямоугольных координатах последовательностью точек (х,у) в зависимости от номера импульса ЛСП (или от времени с привязкой к частоте повторения f импульсов t=n/f):где п — порядковый номер импульса лазерной системы подсвета в одной серии; х0, у0- начальная точка траектории.
В общем случае поведение объекта не прогнозируемо, он может появиться в любом месте экрана имитатора, то в имитаторе предусмотрен алгоритм сканирования, когда первая точка траектории (х0, у0) создается по закону случайных чисел от серии к серии, или же все точки траектории составляют случайную совокупность имитируемых точек на поверхности экрана имитатора, создаваемых генератором случайных чисел.
Кривую, образованную при сканировании оценим длиной L и ее проекциями на оси X и Y - Lx и Ly, соответственно. В общем виде в зависимости от скорости движения объекта проекции траектории будут определяться:где FK - фокусное расстояние коллиматора; R — расстояние до объекта; Vr -проекции скорости объекта на соответствующие оси координат в момент і -ого импульса ЛСП; m - число импульсов, необходимых для моделирования траектории; р- число имитируемых объектов.
Если функции Lx и Ly не содержат частот выше vm , то по теореме отсчетов они полностью определяются последовательностью своих значений, отстоящих друга от друга на значение Дх = 1/(2 vm). Тогда число выборки m для проекции траектории по оси X (аналогично по осиУ) определяется:
Пространственный спектр определяется преобразованием Фурье от функции проекции траектории:В сканирующем устройстве рассматриваемого имитатора, оптическая схема которого представлена на рис. 4.7, управление лазерным лучом осуществляется двумя зеркальными оптико-механическими дефлекторами с приводом магнитоэлектрического типа. (Коллиматор на рисунке не указан.) Плоские зеркала расположены под углом у к оптической системе ЛСП, причем начальное значение угла установки у0 = 45. Сканирование вдоль оси X осуществляется за счет поворота зеркала 1 на значение ± а. Аналогично осуществляется сканирование по оси Y за счет поворота зеркала 2 на угол ±р\ Тогда перемещение пятна в плоскости экрана 4 имитатора характеризуется координатами (х,у), которые связаны с углом отклонения Поворот дефлектора на угол d/(2 F,lcn) приводит к смещению лазерного луча на один разрешаемый элемент имитатора размером d. Но с другой стороны размер элемента имитатора соответствует угловому перемещению
Определение теплофизических характеристик материалов
Для проведения прогностических расчетов, как показано во второй главе, необходимо знать усредненные их значения в интересующем температурном диапазоне, так как теплофизические характеристики материалов имеют нелинейную зависимость от температуры. Методы измерения тепло физических характеристик материалов в установившемся режиме рассмотрены в работах [101, 125]. Принцип импульсного нагрева материалов, используемый в целях имитации, может быть предложен и для измерения теплофизических свойств материалов экрана имитатора [127]. Используя лазерный подогрев, можно проводить исследование зависимости теплофизических характеристик материалов от температуры вплоть до криогенных. Принцип действия лазерного метода измерения температуропроводности материала в криовакуумных условиях заключается в следующем. Небольшой образец материала в виде фольги помещается в криовакуумную камеру и охлаждается (нагревается) до заданной первоначальной температуры. После установления температуры на материал направляется импульсное лазерное излучение. Результаты взаимодействия материала и лазерного излучения рассмотрены в третьей главе. Тепловой отклик с тыльной поверхности образца регистрируется радиометром. Функциональная схема метода представлена на рис. 5.5. тепла на тыльную поверхность материала, при этом, длительность импульсалазерного излучения сравнима со временем распространения температурывглубь образца. Расстояние hT, на которое распространяется за времядействия лазерного ипульса тепловая волна оценивается:
При характерных для металлов значениях коэффициентов температуропроводности при различных длительностях лазерного импульса значения величины hT представлены в табл. 2.4. Как следует из приведенныхоценок, лазеры в режиме свободной генерации для мишеней толщиной до 100 мкм пригодны для использования в таких задачах.
Измерение времени запаздывания теплового отклика относительно импульса лазерного излучения или другого временного критерия Tg (временного интервала с момента подачи импульса ЛИ до момента достижения заданного соотношения температур 5 = Т/Тмах), зависящего от коэффициента температуропроводности является основой метода. Осциллограммы теплового отклика различных материалов представлены на рис.3.2 и на рис.5.б. Как видно из осциллограмм, временные характеристики теплового отклика (время запаздывания теплового отклика относительно лазерного импульса тзад, время достижения максимальной температуры тмакс и т.д.) пропорциональны коэффициенту температуропроводности материала мишени (табл. 5.2). В работе [126] температуропроводность материала определяется по измерению времени Ті/2, необходимой для достижения тыльной стороной образца половины максимума температуры по формуле:
Из анализа временной зависимости теплового отклика на тыльной поверхности результатов измерений, описанных в третьей главе, в частности, можно сказать, что запаздывание теплового отклика по отношению к лазерному излучению составляет от 0,1 мс (Си) до 0,3 мс (нержавеющая сталь) и коррелируются с временем Th с некоторым коэффициентом, равным 6; 8; 1 и I, соответственно, для пластин из меди, алюминия, никеля и нержавеющей стали [95] и зависят от условий теплоотвода.
Для повышения надежности измерений предлагается с исследуемым образцом устанавливать материал с известными теплофизическими характеристиками (стандартный образец), для которых условия теплоотвода близки. Или же два образца одного и того же материала исследуются приразных начальных температурах. Оптическая система формирования пучка делит лазерное излучение на два луча в соотношении 1:1 и одновременно направляет их на образцы, или же попеременно от импульса к импульсу фокусирует их на образцы. По изменению определенного временного промежутка Tg теплового отклика при одной и той же толщине материала и параметрах лазерного излучения определяется ход зависимости теплофизических характеристик материала от температуры:где индекс "о" относится к стандартному образцу; к - коэффициент, в общем случае зависящий от параметров материала и лазерного излучения и к-1 для случая образцов из одного и того же материала и энергии воздействующего лазерного излучения.
В табл. 5.2 представлены результаты измерений коэффициента температуропроводности ряда материалов по сравнению с материалами с известным коэффициентом. Сравнение полученных значений коэффициентов температуропроводности по значению временной задержки теплового отклика при одинаковых условиях теплоотвода дает удовлетворительные результаты: например, для меди по сравнению с алюминием или наоборот. Проведено измерение коэффициента температуропроводности неизвестного материала (нержавеющая сталь - бритвенные лезвия толщиной 100 мкм различных фирм) по сравнению с Ni.
Использование метода лазерного нагрева аналогично может использоваться для определения теплоемкости образца материала. Как было показано во второй главе, максимальная температура зависит от теплоемкости материала. Основным недостатком такого метода является то, что при измерениях надо знать поглощенную энергию лазерного излучения. Поглощенная часть энергии лазерного излучения, в свою очередь, зависит от поглощательной способности материала. В методе, описанном в разделе 5.1
