基于约束优化的多光谱辐射真温反演算法

多光谱辐射测温是通过测量待测物某点的多个光谱辐射强度信息,通过普朗克公式反演获得真实温度。但是,通过普朗克公式获得的多光谱辐射测温方程组,是欠定方程组,即N个方程,N+1个未知数(N个未知的光谱发射率ε_λi和1个待求真温T)。目前,多采用事先假设一组发射率模型(发射率-波长或发射率-温度模型),假设模型与实际情况如果相符,则反演结果能够满足要求,如果假设模型与实际情况不符,则反演结果误差很大。但是,发射率模型受温度、表面状态、波长等诸多因素影响,难以事先确定发射率模型。因此受未知光谱发射率的制约一直是多光谱辐射测温理论面临的主要障碍,能否在无需任何光谱发射率假设模型的情况下,实现真温和光谱发射率的直接反演一直是多光谱辐射测温理论研究的热点和难点。通过对参考温度模型的分析表明,多光谱辐射测温反演过程的实质是寻找一组光谱发射率,使得每个通道方程解得的真温都相同,如不相同则继续寻找合适的光谱发射率,直到每个通道解得的真温都相等。为此,提出将多光谱辐射测温参考温度模型的求解过程转换为约束优化问题,即在光谱发射率0≤ε_λi≤1的约束条件下,通过梯度投影算法不断寻找光谱发射率,带入多光谱辐射测温参考温度模型方程组后,计算温度反演值的方差,直到每个光谱通道方程获得的温度值应该近似相等,此时各个光谱通道的温度反演值方差最小,这样就把多光谱辐射真温和发射率的反演问题转换为约束优化问题。约束优化算法是解决这一类问题的主要方法,但为了满足Ax≥b的约束条件,将0≤ε_λi≤1分解为ε_λi≥0和-ε_λi≥-1的两个约束条件,从而满足了约束优化问题Ax≥b的约束条件。这样就可以通过约束优化算法在无需任何光谱发射率假设模型的条件下,直接求解真温和光谱发射率。实验采用六种不同光谱发射率分布模式(随波长递增、递减、凸波动、凹波动、“M”型波动、“W”型波动)的材料为研究对象,以验证新算法对不同材料光谱发射率分布反演的适应性,利用Matlab的minRosen函数,选择光谱发射率的初始值均为0.5(取中间值,提高计算效率)。针对六种不同光谱发射率模型的仿真结果表明,新算法无需任何有关发射率的先验知识,对不同发射率模型反演结果均表现较好,在真温1 800 K的情况下,绝对误差均小于20 K,相对误差均小于1.2%,新算法具有无需考虑任何光谱发射率先验知识、反演精度较高及适合于各种发射率模型等优点,进一步完善了多光谱辐射测温理论,在高温测量领域具有良好的应用前景。     

基于发射率缓变特性的光谱发射率反演研究

发射率是辐射测温的重要参数,基于普朗克定律,针对辐射测温中n个方程,n+1个未知数这一病态方程组问题,利用发射率的缓变特性提出一种新的计算方法,以此来减少未知数的个数,简化计算过程。对该计算方法进行了理论及实验验证。结果表明无论是基于理论热辐射谱还是实验数据,均能反演出与材料发射率线形一致的发射率谱及材料真实温度,当T=1 173 K时,反演所得温差最大13 K,发射率的最大绝对误差0.05;且缓变程度越大,波长间隔越小,计算的准确度越高。所述方法可应用于基于多光谱数据提取温度和发射率。     

多目标普朗克极小值优化法的多光谱真温反演研究

光谱发射率是辐射体辐射能力的重要参数,通过光谱发射率可以建立辐射体与黑体的之间的桥梁,从而黑体辐射的相关理论就可以应用于辐射体。采用普朗克公式,光谱高温计的每一个光谱通道可以构成一个方程,这个方程中包含有真温、亮度温度和光谱发射率。对于N个光谱通道可以构成N个方程,这N个方程中也包含一个真温、N个亮度温度和N个光谱发射率,其中亮度温度是已知量,真温和光谱发射率是未知量。由于方程组是欠定的,理论上存在着大量的解。为了求解这个方程组常需要假设光谱发射率与波长和温度之间的数学模型,使方程组未知数的个数降为N个,实现真温的求解。当光谱发射率与波长或温度之间的规律被正确获得后,多光谱辐射测温法才能反演出正确的真温。通过对上述较为常用两种光谱发射率模型的分析可知,这两种方法的基本思想都是试图找到光谱发射率与波长或温度之间的函数关系,确立光谱发射率与波长或温度之间数学模型。用含有波长或温度的表达式代替光谱发射率,实现方程的求解。由于光谱发射率具有一定的不确定性,假设的光谱发射率模型与实际光谱发射率的变化之间存在一定的差异,有可能导致真温反演产生较大的误差。光谱发射率与波长或温度之间的数学模型是需要通过大量的实验和经验才能获得的,而且这种数学模型通用性较差,尤其是当待测辐射体发生改变时,这种数学模型也就失去了意义。为了解决多光谱高温计在实际测量中存在的问题,找到一种无需假定光谱发射率与波长或温度之间数学模型而且又具有一定通用性的多光谱真温反演方法成为一种迫切的需要。为此,将优化的思想引入到了多光谱求解过程中,将多光谱真温的求解问题转化为多目标普朗克极小值优化(MMP)问题,从而不再需要建立光谱发射率与波长或温度之间的数学模型,降低了系统的复杂性与难度。该方法以普朗克公式和光谱发射率之间的等式约束条件为基础,构造了六个目标函数,实现了真温的求解。新方法在反演精度上得到了较大幅度的提高,仿真数据的误差都小于1%。借助于以往的真实测量数据,利用多目标普朗克极小值优化法实现了真温的反演。     

基于发射率温差模型的多光谱辐射测温理论研究

对于辐射测温数据的处理过程实质就是要解决光谱发射率与真温之间的关系。如果假设的光谱发射率模型与实际光谱发射率模型不符,则会造成较大的测温误差。因此,如何减少光谱发射率和真温对测量模型的依赖程度进而使算法具有一定的通用性,是该领域亟待解决的主要问题之一。提出的算法无需预先假定的发射率与波长之间的模型关系即可找出求解出光谱发射率和真温。通过仿真和实验验证结果表明,使用该算法可以求解出一个相对合理的光谱发射率和满足一定精度要求的真温。算法简单、可靠、具有一定的通用性,适合光谱发射率和真温的测量。     

基于参考温度的多目标极小值优化原理的多光谱真温反演

多光谱辐射测温法是一种能够反演出辐射体真实温度(真温)的非接触式的温度测量方法,这种方法通过采集不同波长下被测目标的亮度温度信息,利用相关的算法反演被测目标的真温,多光谱高温计就是利用这种方法反演被测目标真温的最重要的测量工具之一。经过近半个世纪的不懈努力与探索,国内外众多学者在此领域取得了长足的进步。由于光谱发射率都小于1,因此采用辐射高温计不能直接测量得到被测目标的真温,只有通过处理多个光谱通道的波长和亮度温度,利用多光谱辐射测温数据的处理方法才可以获得被测目标的真温。在真温的反演的过程中,一般都需要找到光谱发射率与波长或温度等变量之间的函数关系,用含有波长或温度等变量的表达式代替光谱发射率,这类方法模型选取缺乏足够的理论支持,对于非专业人员,选择合适的光谱发射率模型存在一定的难度。由于光谱发射率具有瞬时多变性,假设的光谱发射率模型与实际光谱发射率的变化之间往往存在一定的差异,有可能导致真温反演产生较大的误差。另外,光谱发射率与波长或温度等变量之间的数学模型是需要通过大量的实验和经验才能确定,这种数学模型通用性较差,尤其是当待测辐射体发生改变时,这种数学模型也就失去了意义。因此,找到一种无需假定光谱发射率与波长或温度之间数学模型而且又具有一定通用性的多光谱真温反演方法成为一种迫切的需要。对于多波长高温计的N个光谱通道,每一个光谱通道的测量数据满足一个数学方程,对于N个光谱通道可以构成一个欠定方程组。为了求解这个方程组,将优化的思想引入多光谱求解过程中,提出了一种基于参考温度的多目标极小值优化原理的多光谱真温反演方法,将多光谱真温的求解问题转化为多目标极值优化问题,实现了无需假设光谱发射率模型的真温和光谱发射率的反演。与传统的二次测量法相比,新方法在反演精度上与二次测量法大体相同,但在反演速度上得到了较大幅度的提高。借助于以往学者测量的真实数据,利用基于参考温度的多目标极小值优化原理的多光谱真温反演方法实现了真温和光谱发射率的反演。新方法在反演速度上得到了较大幅度的提高,借助于以往的固体火箭发动机羽焰温度真实的测量数据,利用基于参考温度的多目标极小值优化方法实现了真温的反演。     

非漫发射体温度测量原理

辐射测温以Planck定律为基础可以在不同的空间位置测量物体表面的发射辐射来反演温度,以实现物体表面温度的非接触测量,具有重要现实意义。Planck定律确立了光谱辐射强度与黑体温度之间的定量关系,然而在辐射测温理论和实践研究中,实际物体表面光谱发射率的复杂性和未知性成为辐射温度精确测量的主要障碍。基于特定的发射率模型,可以在未知晓物体表面发射率的条件下实现物体温度的非接触测量,但此时难于考虑被测物体的非漫发射特征。为了在有限立体角辐射测量条件下实现非漫发射体温度测量,研究中直接从辐射测量方程出发,经过适当数学转化后,提出了辐射测温中的一个新概念一表观发射率,并对其特征进行了分析,结果表明在对非漫发射体进行温度测量时在同一次测量中,表观发射率虽然形式上很复杂但仅是波长的函数,可以直接针对波长进行模型构建,进而可以在有限立体角辐射测量条件下实现非漫发射体温度的封闭求解,进而给出了有限立体角辐射测量条件下非漫发射体的波长和波段测量方程。同时,还对有限面积条件下的温度测量进行了研究,发现如果具有非漫发射特征有限面积上的温度处处相同,基于表观发射率的构建也可以实现温度的封闭求解。     

红外辐射频谱扫描测温技术

红外辐射测温技术值得研究的问题是如何消除发射率对测量温度的影响,直接测得真实温度.目前,国内、外许多作者提出采用多色测温技术,测量三个波长、四个波长或者六个波长的辐射信号来测定温度,消除发射率的影响.红外辐射频谱扫描测温技术是根据多色测温原理和调谱平衡原理提出的一种新的测温技术.由于此法测量的是红外辐射频谱,信息量多,可以用各种方法进行处理,因此测量精确度高,且可以减小发射率对测量准确度的影响.     

组合优化算法在冲击温度反演中的应用

冲击物理温度是武器弹药性能测试、极端环境材料状态的重要参量,温度的精准获取在国防建设和工业制造领域有重要意义。冲击过程由于持续时间短、较难接触式测量以及温度范围广等特性,常规测温方法较难满足要求。利用多光谱辐射测温法,获取材料辐射强度值,以普朗克辐射定律为基础建立温度反演模型,从而获取目标的冲击物理温度值。实际中,由于不同目标发射率存在一定随机性,在模型反演温度时误差较大。冲击压缩下材料的结构可能发生相变,发射率随之变化,因此直接将发射率模型假定用于冲击物理温度求解,很难准确的获取温度值。基于约束优化理论,将多光谱测温实验中温度求解问题转为约束优化问题。针对每个通道获取到的温度值应该相同,将物体发射率限制在特定范围,利用约束优化算法计算获取目标温度和发射率,克服了未知发射率对于冲击物理温度求解的障碍。同时,将平衡优化器算法(EO)与序列二次规划法(SQP)相结合应用于温度模型的求解中,避免了单一算法求解稳定性差和速度慢的缺点,提高了温度反演的效率和准确性。对四种常见的发射率模型在3 000 K时的发射率数据进行了仿真验证,结果表明温度反演误差均小于1%,反演时间小于3 s。最后利用本算...     

基于光谱分布曲线交点捕捉的辐射测温方法

现代科技发展对温度的辐射测量提出了更高的要求,采用波长封闭求解温度的多波长测温法得到了广泛应用。然而准确确定被测物体发射率的函数表征是测量真实温度的难题。引入仪器测量的概念后,将确定物体发射率的难题转化为确定仪器发射率模型,用物体与仪器发射率光谱分布曲线的交点波长构造真实温度封闭求解的条件,是辐射测温的一大进步。研究提出采用波段积分消除物体辐射二元函数带来的波长对测温的影响,并且积分中值波长恰巧可以取代交点波长,结合“谱色函数”实现了对上述曲线交点的捕捉,完成了真实温度的测量。需要明确,测温所需波长个数并非越多越好。对普朗克定律中第一、第二辐射常数进行修定,得到了广义测温模型,使得测量所需波长数目限定为“3”,其可以作为普朗克定律与发射率级数模型乘积表征所需测温波长的下限数目,这是辐射测温的另一突破。用物体辐射定义层面上的数学形式表示广义模型,实现广义模型与线性仪器发射率的对接。在可见光与近红外大气窗口波段内,对广义模型和仪器测量方程进行数值拟合,验证了定义式与广义模型在任意波段内的适应性。在可见光波段内,对金属钨的实验数据进行仿真计算,结果表明：广义模型通过调整有限的待定参数,很好地...     

基于有限立体角测量的多光谱测温

辐射测温以Planck定律为基础通过测量物体表面的发射辐射来反演温度。推导了有限立体角辐射测量条件下的单色测温方程,发现多光谱辐射测温能够实现温度和光谱发射率同时求解通常需满足特定的辐射测量条件：进行微元立体角辐射测量或仅针对漫发射体的有限立体角辐射测量。引入多项式发射率模型,经过数学转化,可以摆脱以上测量限制,得到具有测量普适性的单色测温方程,但却不一定能同时测量光谱发射率。对测温方程组的多解问题进行了初步研究,提出使测量通道数大于待求变量数及采用非线性最小二乘来解决此问题。     

基于发射率模型约束的多光谱辐射真温反演法

温度测量是工业生产或科学实验中保证产品质量、降低生产成本和确保实验安全的重要因素之一。目前非接触的测温方法以辐射测温法为主,二次测量法是多光谱辐射测温中一种常用的方法。但是,二次测量法不适用于实时数据处理。针对此问题,基于多光谱亮度温度数学模型引入了发射率模型约束条件,提出了一种多光谱辐射真温快速反演法。对于非黑体,根据不同波长下的亮度温度的关系,得出当亮度温度在一个区间内是增函数或者常数函数时,发射率在该区间内是增函数;当亮度温度在一个区间内是减函数时,则发射率在该区间内满足一个关于发射率和波长的不等式。该发射率模型约束条件根据亮度温度的信息,将发射率假设值的构建由多类减少到一类,避免了不必要的发射率的构建。实验分别采用实际发射率随波长单调下降、单调上升、先下降再上升、先上升再下降和随机变化的具有代表性的五个被测目标,针对两个被测温度点进行了仿真对比分析。结果表明,与二次测量法相比,对于同一个被测目标,在相同的温度初值和相同的发射率搜索范围下,新算法在保证精度的情况下,不仅所得结果相同,而且处理速度提升了19.16%～43.45%。     

三波段辐射测温的存储二分法求解原理

引入线性发射率模型,基于辐射测温方程组推导了三波段辐射测温方法的等温面方程,该方程是测量信号矢量与测量信号系数矢量的点积。根据测量信号系数矢量是温度的单值函数这一特征,结合二分法求解非线性方程的优点,提出了三通道辐射测温方法的存储二分法求解原理,并进行了C++程序实现。基于C++程序研究了特定测量信号矢量条件下的等温面方程曲线,结果表明在较大的温度求解区间内该曲线具有单调特征,随着V3的增加该曲线尾部逐渐上翘由负变正。误差及时间复杂性分析结果表明二分数为Num时最大误差为(T_max-T_min)/2num+1,求解过程包括3Num+1次乘法和2Num+1次加法,没有除法和指数对数运算,极大地提高了温度求解速度。     

基于有限立体角测量的谱色测温法

辐射测温是通过测量物体表面发射的辐射来反演温度. 本文结合线性发射率模型从辐射测温方程封闭求解的角度, 解释了谱色测温通常需采用微元立体角测量或针对漫发射体的有限立体角辐射测量的原因, 并推导出了有限立体角辐射测量条件下, 具有非漫发射性质物体表面温度测量的辐射测温方程, 该方程具有测量普适性. 以此方程为基础, 推导了具有测量普适性的谱色测温方程组, 发现不同的辐射测量条件下, 发射率标尺的取值范围相同, 但物理意义发生了明显变化.     

具有单调发射率表现的三波段温度测量方法

针对有限短波段内连续辐射物体的发射率通常具有单调性这个事实 ,提出波段辐射测量方法 ,即选择三个非相关波段构造测量方程。这种方法避免了单色辐射测量在技术实现上的难度 ,同时从理论上证明了具备求解温度的封闭完备性。在测量数据处理上 ,采用分量计算 ,使该方法在测量过程中无需标定 ,并且实现了真正意义上的非接触式的二维温度场的测量。     

基于光谱响应定标的辐射测温方法

辐射测温是通过测量物体发出的辐射来反演温度,辐射测量方程中含有与空间位置相关的非光谱参数,通常需通过辐射标定予以确认。而该研究将非光谱参数归入有限项级数形式的光谱发射率中,这既不会影响多通道测温方程组的封闭性,又不会影响真温求解,从而在无需测量数据归一化的条件下,实现了无需空间位置标定的辐射测温,该方法仅需要标定仪器的绝对光谱响应或相对光谱响应,但不能解得发射率。以两个特例分别对多波长测温方法和多谱段测温方法的求解特性进行了研究。结果表明：对于任意的测量矢量,有效波长不相同的多波长测温唯一解是存在的;而多谱段测温时,存在无解区域,双解直线,甚至可能存在三解直线。     

基于发射率偏差约束的多光谱真温反演算法

基于二次测量的多光谱辐射测温反演算法由于无需事先假设发射率模型而受到广泛关注,但需要较长的迭代时间,并且需要设定合适初始温度和发射率范围。为此提出了基于发射率偏差约束的多光谱真温反演算法。将二次测量法中发射率连续迭代转变为发射率偏差约束后迭代,拟合了光谱发射率偏差和温度偏差之间的函数关系,依据此函数关系确定每次迭代所产生的发射率偏差,从而迅速减小发射率搜索范围,提高计算效率。针对四种光谱发射率模型的仿真结果表明,与二次测量法相比,新算法无需设定温度初值范围,在保证反演精度的前提下,运算效率提高60%以上。