基于红外光谱的含氧化皮热态锻件温度检测方法

针对大型热态锻件在锻造过程中表面有较厚的氧化皮包裹,导致测温数据存在较大的误差,提出了一种基于红外光谱的测温方法,能有效的消除氧化皮层对测温的影响。该方法通过接收锻件氧化皮表面辐射的红外光谱直接测量氧化皮表面的温度和发射率,然后利用热交换公式推导求出被氧化皮覆盖的热态锻件真实温度。为了更好的抑制接收的红外光谱中各种干扰光谱的透过,提出了三级干涉滤光系统,并利用光谱仿真获得一组最优间隙参数值,提高了测温精度。实验结果表明,该测温方法能够准确测出覆盖有氧化皮高温锻件表面的温度,满足测温精度要求,验证了该测温方法的可行性。     

Non-contact charge temperature measurement on industrial continuous furnaces and steel charge emissivity analysis

Continuous furnaces are commonly used for steel billet reheating before a rolling operation. It is necessary to perform a number of measurements to set-up and operate the optimization system of the furnaces correctly. A charge temperature measurement using infrared detectors can be one of the usable measurement techniques. This non-contact measurement method is based on the detection of infrared radiation emitted from a measured surface. The radiation intensity depends on the surface temperature and emissivity, which is one of the most important parameters for infrared measurements. Advantages of the non-contact temperature measurement, as well as some problems regarding the surface emissivity, are presented. The direct steel billet temperature measurement procedure using infra-red detectors, emissivity determination procedures, and example results are introduced. It is shown that steel emissivity can vary from approx. 0.17 to 0.8, depending on the surface state, scale formation, and wavelength interval. These problems are critical for the charge temperature measurement using the infra-red detectors, and are discussed in this paper.     

目标表面发射率对红外热像仪测温精度的影响

介绍了红外热像仪测温原理,分析了影响红外热像仪测温精度的因素,计算了不同表面发射率下红外热像仪的测温误差曲线。理论分析表明,目标表面发射率越高,红外热像仪测温精度越高。实验改变表面发射率的设置,计算了不同表面发射率对应的总辐射亮度,得到TP8型长波红外热像仪能够精确测温时,目标表面发射率必须大于0.5的结果。最后,对表面发射率分别为0.96、0.93和0.3的3种材料进行实际测温,结果表明,材料表面发射率较高时,红外热像仪具有较好的测温精度。     

A3铁、304钢和201钢光谱发射率

随着科学技术日新月异的发展,红外测量技术在遥感、辐射测温、红外隐身、农业、医疗等领域都展现出了重要的应用前景。在花样众多的辐射测量中,材料的发射率是重要的参数之一。为满足材料发射率数据的需求,根据一套自主研制的光谱发射率测量装置对A3铁、304钢以及201钢在不同温度下的光谱发射率进行了精确的测量,并对影响发射率的几个因素做了深入的探究。结果显示：这三种钢材的发射率随温度升高而变大,同等温度下A3铁的发射率要高于304钢和201钢,且材料中的铬含量会降低材料的发射率值。采用XRD分析了三种材料表面氧化后的成分,并探讨了表面成分变化对发射率的影响。结果表明：A3铁氧化后生成不稳定的四氧化三铁Fe₃O₄和氧化亚铁FeO,各种成分的相互转变会导致光谱发射率发生较大的变化,而304钢和201钢表面氧化后主要生成氧化铬,因而光谱发射率也相对比较稳定。另外使用辐射光叠加原理和Christiansen效应成功解释了三种材料的发射率在大约10 μm处出现极大值的现象。该研究极大地丰富了三种材料的光谱发射率数据,为辐射测量技术在三种材料中的应用提供了强有力的数据支撑。     

自校准多通道红外辐射计的设计与性能测试

为满足遥感器热红外波段自动化观测定标的需求，研制了具有自动化观测能力的自校准多通道红外辐射计。该设备需具有以下特色功能:1）采用电机驱动镀金反射镜的设计，实现0°～90°仰角的大气下行辐射和地表辐亮度的测量，为消除大气下行辐射对反演地表温度的影响提供了技术手段；2）采用滤光轮分光的方法实现了6个光谱通道的自动设置，结合多通道温度与发射率分离算法可以实现场地温度与发射率的分离，为卫星遥感器热红外波段绝对辐射定标提供了2个关键因子；3）采用内置2个控温精度分别优于0.04 K和0.05 K、发射率均高于0.994，稳定性均优于0.0014的黑体实现内部探测器的实时辐射定标，有效地消除了内部背景辐射对辐射测量的影响，定标不确定度小于0.167%。等效测温不确定度为0.2 K（@303 K, 11 μm），为遥感器热红外波段场地自动化定标应用的开展奠定了基础。     

基于光谱发射率函数基形式不变的辐射测温技术

近年来,随着国防、工业、科技等领域飞速发展,无论是对于军用动力发射系统还是对于民用钢铁冶炼以及高科技新兴产业,辐射温度测量都具有重要意义。尤其在温度极高且伴随着瞬态测温(小于1 μs)需求的场合,多光谱辐射测温法被广泛运用。多光谱辐射测温法是通过选取被测目标多个特征波长,测量特征波长的辐射信息,再假设发射率与波长相关的数学模型,最终求解得到辐射温度。目前,利用该方法实际测温时,光谱发射率都采用固定的假设数学模型,而针对目标在不同温度状态下,该固定模型则无法进行自适应变化。同样,在不同温度下,如何解算最终的发射率和辐射温度也没有普适性的方法。基于普朗克黑体辐射定律,提出一种被测目标在不同温度下光谱发射率函数基形式不变的思想,简称发射率函数基形式不变法。通过该方法,发射率模型可以根据物体在不同温度状态下,函数系数动态改变来进行自适应变化。同时对于如何解算最终的发射率和辐射温度也相应提出了普适性的方法。通过大量仿真验证以及实际测量光谱辐射照度标准灯和溴钨灯温度实验,证明本文提出的方法比现有的光谱发射率处理方法更加简单实用并且能够有效地提高光谱发射率的计算精度,从而提高辐射温度测量精度。同时具有实用性好、应用广泛等特点。     

红外光学系统内部构件热辐射分析

红外光学系统的内部构件由于呈现于光路之中,其表面热辐射将会通过光学系统到达探测像面而引起背景辐射噪声。本文利用LightTools分析软件对一套折反式红外光学系统内部机械构件的主要表面的热辐射进行了分析,得到了探测像面接收到的热辐射的量级。分析了三种不同的表面反射率的情况,能够用于指导如何进行表面处理和结构设计的改善。     

非朗伯体红外测温计算研究

根据红外辐射理论和红外热像仪的测温原理,建立了红外热像仪测温的通用数学模型;基于物体表面法向发射率的特点,简化了热像仪测温的数学模型,得到了红外热像仪测温的计算公式。通过相关实验,验证了在一定的温度范围内,物体的发射率和反射率之和基本保持不变这一结论。物体的发射率与反射率之和a与物体种类、表面状况及物体温度有关。物体与朗伯体越接近,a越大,其值越接近于1;物体表面状况偏离朗伯体越远,表面越光滑,越小。实验表明,若物体接近朗伯体,则可将其视为朗伯体,无需进行实际物体修正;对于非朗伯体(特别是表面光滑且发射率较低的物体),需要对其红外测温进行修正,否则将增大测温误差,甚至偏离其真实温度很远。该研究表明,通过修正,可以对非朗伯体进行红外测温。     

利用地球红外辐射的旋转飞行体姿态估计方法

针对导航控制系统对姿态测试技术多元化、新型化和低成本的要求, 提出了一种基于地球红外辐射的旋转飞行体姿态估计方法. 首先, 根据地球红外辐射的产生机理, 结合红外辐射在大气中的传播规律, 建立了地球红外辐射模型. 然后, 分析了旋转飞行体的运动特征, 构建了红外传感器的测量模型. 为了探索红外传感器的输出信号与旋转飞行体的姿态信息之间的内在联系, 研究了不同姿态角和视场角下的传感器输出信号特征. 最后, 为了提高旋转飞行体的姿态测试精度, 设计了基于三轴红外传感器的扩展卡尔曼滤波算法来估计姿态角和横滚角速度. 结果表明: 利用地球红外辐射场进行姿态测试的方法有效可行, 俯仰角估计误差在±0.1°, 横滚角估计误差在±0.05°, 横滚角速度估计误差在±1 rad/s. 该姿态测量方法简单有效, 能够满足旋转飞行体的姿态测量要求.     

热辐射体真实温度的测试研究

在辐射测温中，普遍存在一个问题，被测温度物体表面发射率影响很大，而物体的发射率很难确测量，这是因为发射率不仅与材料有关，而且还与波长，温度，表面状态（表面粗糙度，氧化程度等）有关，本文叙述一种利用多波长辐射法测量实际物体真实温度的方法，该方法利用最小二乘法原理拟合出实际热辐射体的光谱发射率曲线，从而使测量目标的真实温度成为可能。     

目标表面发射率对红外热像仪测温精度的影响

介绍了红外热像仪测温原理,分析了影响红外热像仪测温精度的因素,计算了不同表面发射率下红外热像仪的测温误差曲线。理论分析表明,目标表面发射率越高,红外热像仪测温精度越高。实验改变表面发射率的设置,计算了不同表面发射率对应的总辐射亮度,得到TP8型长波红外热像仪能够精确测温时,目标表面发射率必须大于0.5的结果。最后,对表面发射率分别为0.96、0.93和0.3的3种材料进行实际测温,结果表明,材料表面发射率较高时,红外热像仪具有较好的测温精度。     

模拟月壤发射率光谱测量实验及精度评定

基于月球样品反射光谱的月表矿物识别和成分反演能力受到月球环境的严重影响,仅限于月球表面5％的成熟度较低的区域。相比之下,包含大量硅酸盐矿物的月球样品发射光谱不仅光谱特征明显,而且受月表大气、温差和真空等环境的影响较小,是研究月表成分和物理特性的新途径。因此,对于嫦娥五号月球探测器采集的月球实地样品的发射光谱测量不仅可用于月表硅酸盐类矿物的成分分析,而且可以作为遥感研究中可见光-近红外光谱的有效补充。但是,实验室发射光谱测量中最大的难题是寻找最佳的实验方法和仪器,以便获得准确可靠的光谱数据。研究以模拟月壤样品为测量对象,分别在实验室大气、氮气冷背景和模拟真空环境中,利用TurboFT 102F和Bruker VERTEX 70V两种仪器,设计和实施了傅里叶光谱法、独立黑体法和反射率法三种发射率测量实验,并利用误差传播定律和已有Apollo样品发射率光谱对实验获得的发射率光谱进行了精度分析与评定。发现在异常复杂和困难的模拟月球真空测量环境构建完成之前,密闭实验室环境中的反射率法发射率光谱特征最明显,测量精度最高,可以作为目前月球样品发射率光谱测量的最佳选择。研究希望能为嫦娥五号采集的月球样品发射率光谱测量实验提供理论基础和技术参数。     

温度对AZO薄膜红外辐射性能的影响

随着全球资源的减少和环境的恶化,节能减排已成为人们关注的焦点,具有保温隔热功能的低辐射玻璃成为研究的热点。提高玻璃保温隔热性能最有效的方法就是在其表面涂覆低辐射率层。原材料丰富、导电性能好、可见光透过率高等优势使得Al掺杂ZnO (AZO)薄膜成为最具潜力的低辐射率层。系统研究了温度对AZO薄膜红外辐射性能的影响,分析了变化机理。首先研究了在一定的温度下持续一段时间后,AZO薄膜的红外比辐射率的变化情况。然后研究了在变温环境中红外比辐射率的变化情况。采用直流磁控溅射法在室温下玻璃基片上沉积500 nm厚的AZO薄膜,将薄膜放到马弗炉中进行热处理,在100～400 ℃空气气氛下保温1 h,随炉冷却。采用X射线衍射仪对AZO薄膜进行物相分析,采用扫描电子显微镜观察薄膜表面形貌变化。利用四探针测试法测量AZO薄膜的电阻率,采用红外比辐射率测试仪测试薄膜红外比辐射率, 可见分光光度计测量可见光谱。测试的结果表明,薄膜热处理前后均为六角纤锌矿结构,(002)择优取向。300 ℃及以下热处理1 h后,(002)衍射峰增强,半高宽变窄,晶粒尺寸长大。随着热处理温度的升高,薄膜的电阻率先减小后增大,200 ℃热处理后的薄膜具有最小的电阻率(0.9×10-3 Ω·cm)。热处理温度升高,晶粒长大使得薄膜电阻率降低。热处理温度过高,薄膜会从空气中吸收氧,电阻率下降。薄膜的红外比辐射率变化趋势和电阻率的一致,在200 ℃热处理后获得最小值(0.48)。自由电子对红外光子有较强的反射作用,当电阻率低,自由电子浓度高的时候,更多的红外光子被反射,红外辐射作用弱,红外比辐射率小。薄膜的可见光透过率随着热处理温度的升高先减小后增大,200 ℃热处理后的薄膜的可见光透过率最小,但仍高达82%。这种变化是由于自由电子浓度变化引起的,自由电子对可见光有很强的反射作用。选取未热处理和200 ℃热处理后的样品进行变温红外比辐射率的测量,将样品放在可加热的样品台上,位置固定,在室温到350 ℃的升温和降温过程中每隔25 ℃测量一次红外比辐射率,结果表明,在室温到350 ℃的温度范围内,AZO薄膜的红外比辐射率在升温过程中随着温度的上升而增大,在降温过程中减小,经过整个升、降温过程后,薄膜的红外比辐射率增大。     

真空条件下低温红外辐射测量技术研究

针对红外载荷在轨服役期间低温目标的红外辐射探测需求，提出一种真空条件下的低温红外辐射测量方案，并研制了测量装置。测量装置主要由低温红外光学系统、低温机械结构、低温红外探测系统及微弱信号处理系统构成。低温红外辐射经过光学系统会聚到探测器像面，锁相放大器利用相干检测技术将目标信号提取，完成低温红外辐射的测量。测量装置研制完成后，在真空仓内使用标准黑体辐射源，在198 K～423 K温度范围内进行了低温红外辐射定标试验，取得了有效的试验数据，测量不确定度在5%以内。该文提出的真空条件下低温红外辐射测量技术可为在轨空间红外载荷低温红外目标探测设计提供重要数据支撑。     

水雾强弥散条件下高温温场多光谱成像反演

高浓度水雾条件下的表面高温温场反演测量在航空航天、冶金铸造等工业领域有着重要的应用。由于水雾的弥散作用,高温表面的辐射透过水雾后,会出现强烈的衰减和散射,导致传统辐射测温方法出现很大误差。现有水雾弥散条件下的温场反演测量主要包括基于试验数据反推及实时测量水雾参数进行修正的测量方法,并基于辐射传输理论对测量结果进行误差分析和评估,测量方式多为单通道或双通道点辐射测温。基于水雾场红外光谱辐射特性的计算,提出了一种水雾强弥散条件下表面高温温场多光谱成像反演方法;根据辐射传输理论,考虑强弥散条件下的邻近效应,建立了相应的反演模型。在水雾场相关参数未知的情况下,通过三个透过水雾场后的高温目标长波红外光谱辐射图像,反演得到表面高温温场的真温分布。反演第一步是辐射温度场反演,即通过长波红外辐射图像,根据定标曲线和高温目标的光谱发射率先验数据,得到高温目标透过弥散水雾场经过发射率校正的辐射温度场;反演的第二步是根据三通道非线性反演模型,得到目标的真温温场分布。设计了一个长波红外三光谱通道反演测量装置,中心波长分别是8.8, 10.7和12.0 μm,对高温目标进行三个长波红外光谱通道的同时探测成像。设计了一套验证测试装置,利用标准高温黑体源和水雾弥散设备,进行了高温目标水雾弥散条件下的辐射图像采集和目标温度的反演试验。试验结果表明8～14 μm长波红外波段比短波波段对水雾弥散具有更强的抗干扰能力,在1 100和1 200 ℃典型温度点反演的平均误差在7%左右,大大减小了未经校正的辐射传输失真,适用于黑体和灰体高温目标,且无需水雾场的浓度和粒径分布等先验信息,基于多光谱成像信息的水雾弥散条件下温场反演方法具有一定的普适性和创新性。     

Surface temperature measurement of the plasma facing components with the multi-spectral infrared thermography diagnostics in tokamaks

For the long-pulse high-confinement discharges in tokamaks, the equilibrium of plasma requires a contact with the first wall materials. The heat flux resulting from this interaction is of the order of 10 MW/m² for steady state conditions and up to 20 MW/m² for transient phases. The monitoring on surface temperatures of the plasma facing components (PFCs) is a major concern to ensure safe operation and to optimize performances of experimental operations on large fusion facilities. Furthermore, this measurement is also required to study the physics associated to the plasma material interactions and the heat flux deposition process. In tokamaks, infrared (IR) thermography systems are routinely used to monitor the surface temperature of the PFCs. This measurement requires an accurate knowledge of the surface emissivity. However, and particularly for metallic materials such as tungsten, this emissivity value can vary over a wide range with both the surface condition and the temperature itself, which makes instantaneous measurement challenging. In this context, the multi-spectral infrared method appears as a very promising alternative solution. Indeed, the system has the advantage to carry out a non-intrusive measurement on thermal radiation while evaluating surface temperature without requiring a mandatory surface emissivity measurement.In this paper, a conceptual design for the multi-spectral infrared thermography is proposed. The numerical study of the multi-channel system based on the Levenberg-Marquardt (LM) nonlinear curve fitting is applied. The numerical results presented in this paper demonstrate the design allows for measurements over a large temperature range with a relative error of less than 10%. Furthermore, laboratory experiments have been performed from 200 °C to 740 °C to confirm the feasibility for temperature measurements on stainless steel and tungsten. In these experiments, the unfolding results from the multi-channel detection provide good performance on temperature measurement, which supports our numerical evaluation and demonstrates the potential feasibility for metallic surface high temperature measurement with this method.     

超光谱红外卫星资料同步反演不同地表类型的大气廓线、地表温度和地表发射率

大气温度、水汽、地表温度和地表发射率是大气和地表的本征信息量。利用卫星红外资料精确反演大气温湿廓线有利于准确预报天气和研究气候变化,同时地表温度和地表发射率光谱的反演为研究植物生长与作物产量、地表水分蒸发与循环、能量平衡、地表成分及物理性质、气候变迁与全球环境提供重要参数指标。把大气和地面作为一个整体系统来考虑,建立一种能同步反演大气温度廓线、大气水汽廓线、地表温度和地表发射率的反演方法,利用超光谱红外卫星资料(atmospheric infrared sounder, AIRS),针对我国新疆地区沙漠和雪地两种典型发射率地表同步反演大气温度廓线、水汽廓线、地表温度和地表发射率。反演方法首先线性化地球-大气系统红外辐射传输方程, 提出通过经验正交函数构建大气廓线和地表发射率光谱,有效减少反演变量数,建立同步物理反演模式,然后以美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)的预报结果(初始大气温度、水汽廓线以及地表参数)作为初始值,最后通过牛顿迭代得到最优化解。反演观测区域覆盖我国新疆塔克拉玛干沙漠和准噶尔盆地,分别选择位于塔克拉玛干沙漠腹地的塔中探测站(纬度38.98°, 经度83.64°)和准噶尔盆地的阜康荒漠生态系统国家野外科学观测研究站(纬度44.2°, 经度87.9° )为反演地面验证点。反演结果表明,塔克拉玛干沙漠地表温度明显高于准噶尔盆地地表温度,与实际情况相一致;根据反演的8.6和13.4 μm处的地表发射率分布情况,可以看出在8.6 μm处沙漠地表发射率明显低于雪地发射率,在6～15 μm范围内,反演的沙漠地区(塔中站)地表发射率和雪地地区(阜康站)地表发射率与美国喷气推进实验室测量的沙漠发射率光谱和雪地发射率光谱相一致。研究表明,把大气和地面作为一个整体系统来考虑,把地表发射率加入到反演中,通过比较和分析沙漠地区(塔中)和雪地地区(阜康)的大气廓线反演结果与当地气象探空值和传统反演方法反演值,改进了大气温度廓线和水汽廓线反演精度,特别是边界层温度和水汽改进尤为明显;同时分析表明在发射率光谱变化较大的沙漠地区, 大气廓线反演精度的改进比雪地要高,这是由于地表发射率光谱在沙漠、戈壁地区变化较大,而雪地的发射率光谱变化不大。用该方法针对地表发射率光谱变化较大的地区(沙漠)同步反演大气廓线、地表温度和地表发射率,可以更有效的提高大气温度廓线、水汽廓线的反演精度。该研究结果可以为数值天气预报和我国未来超光谱红外卫星应用提供服务和有力支持, 具有十分重要的意义。     

基于激光旋转加热的非导电材料高温光谱发射率测试方法与装置

光谱发射率是表征材料热物理性能的重要参数。对于非导电材料的高温光谱发射率测试,一般采用高温加热炉加热或辐射加热的方式来进行发射率测试,存在的问题是采用高温石墨炉加热时,样品可能会与高温石墨发生化学反应,从而破坏材料原有物性;采用辐射加热,一般是单向静止加热,会存在样品温场梯度非均匀分布的问题。基于激光旋转加热和样品/黑体整体一体化设计,提出了一种“样品动中测”的非导电材料高温光谱发射率测试新方法,建立了相应的测量模型,突破了传统的 “样品静中测”的局限,样品与参考黑体共形一体化设计,采用微区域光谱辐射成像方法,同时测量参考黑体和样品的光谱辐射能量与温度。建立了激光旋转加热状态下的热传导方程,对典型样品材料的温度分布进行了仿真计算,结果表明旋转样品温场分布较为均匀,分析了温场分布与红外光谱发射率测量误差间的关系,给出了适用于本测试方法的材料的热导率下限值。基于该方法,搭建了相应的测量装置,对典型材料碳化硅在1 000 K时的光谱发射率进行了测试,在4 μm处对各个典型高温温度点的光谱发射率进行了测试,得到了碳化硅材料在红外波段的光谱发射率波长变化和温度变化规律特性。与国外的测量结果进行了比对,结果较为一致,验证了激光旋转加热光谱发射率测试方法的可行性。采用此方法,不破坏样品本身的理化特性,样品加热升温速度快,测量温度范围上限高,有效减小了激光静止单向加热带来的温度不均匀性,可同时测量出样品和参考黑体的光谱辐射亮度及温度,无需另外再设计标准高温黑体,解决了现有非导电材料高温光谱发射率测试中非均匀加热和辐射能量同步比对测量的问题,可应用于多种非导电材料高温光谱发射率的测试。     

基于积分球反射计的红外光谱发射率测量系统校正方法

针对非理想参考反射标准对光谱发射率测量结果的影响,基于积分球反射计的红外发射率测量系统原理,提出了一种适用于反射法光谱发射率测量系统的校正方法。通过参考反射标准样光谱反射率的数据拟合,得到反射率的曲线方程,计算反射测量系统的校正系数,校正参考标准样的输出电压,推导出光谱反射率为1的参考标准样输出电压曲线,消除了非理想参考标准造成的系统误差。应用该修正方法对基于积分球反射计的太阳能选择吸收涂层光谱发射率测量系统进行了校正,将校正后的光谱发射率测量结果与能量比较法的测量结果进行对比,验证了校正方法的可行性,有效性,提高了光谱发射率测量的准确度。     

空间目标红外双波段比色测温法精度分析

针对空间目标与地基望远镜红外成像传感器终端之间的不确知参量将降低双波段比色测温法求解精度,且精度影响程度未知,假设目标为灰体,对包含不确知参量的最大似然估计函数关于发射率求偏导,建立基于红外探测器测量电子数的双波段比色测温数学模型,并进行双波段比色测温法的蒙特卡洛仿真实验与精度分析。对于大气透过率的估算,提出应用红外自然星体的大气透过率现场标校方法。空间目标温度反演精度与成像探测器的信噪比、大气透过率、地球热辐射以及波段之间的发射率差异等未知参量的估算精度有关。结果表明:信噪比高于20,波段之间发射率差异小于0.03,地球热辐射预测精度优于50%,大气透过率预测精度优于10%时,比色测温法优于40 K的温度估计精度。