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。     

谱色测温法的温度场分区讨论

谱色测温法是该课题组提出的一种新的辐射测温法。针对可探测的温度区间,通过辐射光谱耦合信息的分析,考察了区间内所有温度点都能同时被失真测量的必要条件;对于不满足该条件的测量,提出了温度场分区的概念,描述了温度场分区的步骤,并给出了相应的数值模拟结果。研究结果将对谱色测温法的应用具有指导意义。     

多光谱多点标定的CCD二维温度场重建方法的研究

以多光谱技术作为基础,针对CCD二维温度场测量的特点,提出了彩色CCD二维温度场多光谱真温在线多点标定系统。通过对多光谱辐射测温理论和CCD的测量模型的分析,推导出气体燃烧时的真温与CCD亮度之间的近似关系。使用多光谱多点测温技术计算出多点的发射率和真温并使用这些真温值完成CCD面阵上与之对应点的真温标定。将该真温标定系统应用于CO₂激光焊接火焰的二维温度场测量过程中,不但得到了波长与光谱发射率之间的变化规律同时也得到了CO₂激光焊接火焰的二维真温分布图。研究提出的多光谱标定技术具有实时性、灵活性的特点, 是一种可行的CCD在线真温多点标定与测量的方法。     

辐射温度的检测原理及应用

辐射测温是科学研究和工业生产中一种广泛采用的非接触测温方法，随着新型探测器件的出现，测温的精度不断提高，测温的范围不断扩大，但中低温特别是低温的测量却比高温要困难些，本文从黑体辐射理论出发，着重讨论了用热电型探测器测量辐射测试的方法，其中包括原理计算公式，探测光学系统，处理线路，计算机数据采集和处理，温度闭环控制方法等，在介绍实验系统的同时，对辐射温度测量系统的设计特点也进行了讨论。     

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。     

发射率限定辐射测温原理

辐射测温技术随着辐射测量传感器技术的进步而不断进步,已经由单波长测温发展到多波长和多波段测温,由点温测量发展到二维甚至三维温度场测量。但是在辐射测温更精确反演方面,却很难克服因发射率未知性而引起的模型构建误差。发射率行为难以确定并极大地影响了测温精度,急需发展一种具有通用性,不受发射率具体行为限制,具有较高稳定性的辐射测温方法。双波长测温适用于发射率具有灰体行为的物体温度测量,一系列的发射率补偿算法和波长选择方法均未能很好地实现通用性测量,往往直接单色测量可能误差比比色法更小。多波长测温得到广泛应用,但并不是波长越多越好,发射率模型仍然具有较大局限性。提出了发射率直接限定算法和发射率松驰限定算法来反演温度。在发射率限定条件相同时,这两种方法是等价的。发射率松驰限定算法基于最小二乘算法和松驰因子进行真温求解。推导了松驰限定法的误差传递公式,发现在保证测量信号强度的前提下,λT越小温度误差越小;发射率行为对温度相对误差具有重要影响,在相同的λT条件下,发射率随波长变化越大,在限定区间上覆盖越均匀,测量误差越小。但从直接限定算法可以看出所测波长数越多,测量误差越小。两种方法均可以看出,减少限定区间长度也可以显著地提高测量精度。     

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.     

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。     

基于光电探测的多光谱测温装置

为了实现非接触式高温测量,本文基于多光谱辐射测温理论,采用多路光电探测器,设计了多光谱快响应测温系统。对测量装置的测量原理、系统结构、系统标定等进行了阐述和分析。接着利用标准钨灯对装置进行了光谱响应系数标定,并通过标准辐射源进行了温度测量的实验验证,验证了测量装置用于高温测量的准确性。     

辐射测量中的成像效应

明确了辐射的非成像测量和成像测量之间的差异并给出数学表述, 才能够把已经成熟的非成像辐射测量方法推广至成像测量. 本文从辐射测量的基本公式以及成像下目标微元与传感阵列像素的对应关系出发, 分别建立了关于辐射的非成像和成像测量式.根据成像面的存在不会改变辐射传输的事实, 比较非成像测量式和成像测量式后, 可得到成像效应的数学表述. 把成像效应与针孔和透镜两种成像技术结合后的分析指出: 成像效应的主因是成像光轴角, 辅因是测量天顶角; 辅因作用的大小取决于测量天顶角与发射天顶角的差异度. 关键词： 辐射测量 辐射测温 成像效应     

脉冲辐射成像绝对测量方法研究

设计了一种高透过率、能量响应平坦的探测器, 利用该探测器将脉冲射线源图像与射线强度直接关联, 简化了图像诊断系统绝对测量的标定环节, 建立了脉冲辐射源图像诊断定量化的新技术方法. 实验表明, 由该方法得到的射线绝对强度的不确定度为33%. 关键词： 脉冲辐射成像 绝对测量 能量响应平坦     

光谱辐照度测量的数学模型及其方法研究

光谱辐照度是光谱辐射计量中最基本的参数，是研究各种辐射源及光电探测器特性的重要依据。为提高光谱辐照度的测量精度和量值溯源等问题，国防科工委光学计量一级站采用BB3200K高温黑体作为基准的辐射源，以新型辐射测温法为基础，通过一系列光辐射理论和几何原理推导出辐射温度与辐射光功率之间的关系；通过对光辐射功率的绝对测量，并结合低温辐射计，从而完成了光谱辐照度量值的精度测量。该理论奠基了以探测器为基础的新的光辐射量传体系。主要介绍了在光谱辐照度标准装置的项目中复现光谱辐照度所建立的数学模型及新的测试方法，给出了测量结果，并简要介绍了基于该理论的测量装置的组成及原理。     

绝对辐射计预测辐射电补偿的快速测量方法

绝对辐射计测量光辐射需要接收辐射和电定标两个阶段,这两个阶段都要使辐射计的接收腔达到热平衡才能比较它们的腔温响应．电定标其辐射量值。根据绝对辐射计接收腔在光入射(或电加热)时腔温升响应的指数变化规律,研究出在辐射入射腔之初就动态预测其功率．电加热补偿,使腔的温度住接收辐射和电定标阶段维持恒定的状态下．快速达到平衡进行测量的新方法。为世界辐射中心(PMOD／WRC)研制的两台太阳辐照绝对辐射计SIAR-2a和SIAR-2b采用了这种快速测量的厅法。斤在世界辐射中心进行一年半10000多次同世界标准(辐射计)组(WSG)一起同时观测太阳辐照度的比刘实验．结果表明其绝对辐射精度达到了0．08％．既保持了原有测量方法(慢速热平衡、测量时间长)的精度．又缩短了秒测量时间。     

基于辐射光谱法的高温颗粒辐射传热参数在线测量方法研究

针对在高温燃烧环境中的颗粒辐射传热问题,基于普朗克辐射定律,提出了用于高温颗粒辐射传热参数在线测量的辐射光谱法,根据高温颗粒可见波段辐射光谱随波长变化情况,通过参数拟合方法直接获得颗粒温度及辐射强度等辐射传热参数。为验证该方法测量准确性,搭建了高温黑体炉辐射测量系统,实验测量结果显示：温度测量值与设定温度相对偏差小于3%;辐射强度测量值与理论计算值相对偏差小于5%。以此为基础,设计了应用于高温燃烧环境下的颗粒辐射传热参数测量的水冷结构探针,并利用该探针开展了高温燃烧环境气固两相流200～1 100 nm波段辐射光谱测量,基于上述方法,直接获得了高温颗粒温度、辐射强度等辐射传热参数沿截面分布情况,有效剥离了高温气体对流传热的影响,为高温颗粒辐射传热研究提供数据支撑。     

基于吸收光谱和激光干涉技术的气体压力测量方法研究

气体压力光学非接触测量是目前激光技术重要应用领域之一,其中气压测量过程中温度耦合问题是现在面临的研究难点。故而提出一种光谱测量技术与激光干涉技术组合测量方法,通过积分吸光度和折射率融合的方式实现气体压力、温度解耦的目的。分析可调谐半导体激光光谱技术(TDLAS)的直接吸收法测量原理和基于折射率的激光干涉测量原理,建立基于吸收光谱的气压测量模型和基于折射率的激光干涉气压测量模型,通过利用三次多项式拟合吸收谱线强度函数的方式,建立了基于积分吸光度和折射率的气体压力、温度解耦的数学模型。实验搭建了基于TDLAS技术和激光干涉技术的气体压力检测系统,采用中心波长为2 004 nm的可调谐半导体激光器和波长为632.8 nm的激光干涉仪,气室长度为24.8 cm,将CO₂作为研究对象,并以高精度压力控制器和温度传感器的测量结果分别作为压力温度参考值,以真空为背景信号,在室温环境中测量并计算出气体压力变化后积分吸光度值和折射率值,进而解算得到气体压力和温度值。实验结果显示：压力测量结果最大相对误差为3.61%,最小相对误差为0.5%,测量平均相对误差为1.99%;在以开尔文温度为前提下,温度解算结果最大绝对误差为7.66 K,最小绝对误差为0.78 K,测量平均绝对误差为3.29 K,测量结果与参考结果具有较高的吻合度,该研究可为以后光学法测量气体压力温度影响分析提供参考。     

基于主成分回归的温度分布反演研究

多谱辐射测温是一种非接触温度测量方法,目前常用的多谱辐射测温只能反演出一个近似温度值,而无法给出实际的温度分布。针对此问题,基于普朗克定律,采用主成分回归算法,以强激光毁伤靶材温度测量为例,在脉冲能量为34.2 J的激光入射条件下,从热辐射谱中反演出近似温度值为2 700 K,拟合相对偏差为0.5%,当温度分布范围为2 600～2 800 K时,拟合相对偏差减小为0.13%,减小了温度反演偏差。首次给出了基于主成分回归方法的温度分布反演,提高了非接触式温度测量的表征精度。     

Measurement of the spectral brightness of terahertz radiation in the process of nonlinear-optical detection

A method has been proposed for the absolute measurement of the spectral brightness of terahertz radiation in the process of the parametric frequency conversion to the optical range. The method has a low threshold flux and does not require extrinsic references. The method simultaneously allows for the calibration of thermal fluctuations and the determination of the absolute local temperature of a nonlinear converter crystal.     

光谱辐射照度量值复现中计算大口径固定点黑体拐点温度的新方法

我国光谱辐射照度基准量值复现的理论基础是普朗克定律,它揭示了波长、温度和光谱辐射照度之间存在着精确的定量关系。采用比较法、通过卤钨灯来进行光谱辐射照度量值的保存与传递。其中,黑体的温度测量在量值复现中是最主要的不确定来源。以往都是采用变温黑体作为量值复现的辐射源,其温度通过高温计溯源至温标固定点黑体。为满足我国对地观测、气象遥感、应对气候变化、海洋水色等领域对光谱辐射照度高精度的测量需求,中国计量科学研究院NIM建立了一套14 mm大口径钨碳-碳WC-C高温固定点黑体系统,作为基准辐射源直接复现光谱辐射照度量值,进一步缩短了量值溯源链,减少了温度测量误差。实验中高温计用来测量黑体的相对温度,采用固定点熔化温坪曲线的拐点POI值校准后得到温度绝对值。因此拐点POI的合理评估计算就十分重要。与小口径WC-C固定点黑体不同,大口径固定点的熔化温坪曲线的持续时间更长,但温度起伏也更大,因此广泛用于小口径固定点的传统拐点POI算法不再适用。提出了一种可筛选多次拟合法,用于计算大口径固定点黑体的拐点温度。采用3 mm小口径WC-C和Re-C固定点对新方法的有效性进行验证,结果表明新方法与三种传统方法的平均值的最大偏差为-0.007和-0.001 K,在500 nm引入的光谱辐射照度测量误差分别为0.002 2%和0.000 3%。进一步采用14 mm大口径WC-C大口径固定点对新方法的稳健性进行验证。分析比较了筛选条件、数据平滑处理、拟合范围对拐点POI计算结果的影响,新方法和三种传统POI计算方法的最大影响量分别为0.001和0.633 K,在500 nm引入的光谱辐射照度不确定度分别为0.000 3%和0.20%。所提出的新方法能够有效减小外界因素引入的温度误差,进一步提升光谱辐射照度量值的复现准确度,更适用于大口径高温固定点黑体拐点温度的计算。     

Determination of true temperature of opaque materials via spectral distribution of thermal radiation intensity: application of Wien’s displacement law

The equation for the derivative connecting surface spectral emissivity, wavelength, and thermodynamic (true) temperature of an opaque heated body at the point of spectral maximum of thermal radiation was obtained. It is suggested to solve the problem of determining the true temperature of an opaque surface in two stages. At the first stage, the spectral range, most comfortable for approximation of body emissivity, is distinguished using a special function (relative emissivity), and the true temperature is determined. At the second stage, the true temperature is determined again using the resulting equation for the derivative. The dimensionless parameter that connects the radiative properties of material with the peak wavelength and characterizes deviation from Wien’s displacement law was found. If the absolute value of this parameter is low, the value of true temperature obtained at the first step can be specified at the second stage. This approach is illustrated by experimental data obtained at comparison of spectral radiance of the temperature lamps.     

图像光谱技术实现精确测温

建立了一种以灰体辐射为基础测量温度的新方法,它不仅可以测定辐射体的实时温度,而且可以实现无接触和高精度测量。首先,利用多通道CCD图像光谱仪精确测量辐射体在较宽波段内的辐射光谱,作为该辐射体的指纹光谱,将其定义为一个等效的灰体;其次,通过对所测光谱的拟合确定该辐射体的灰体辐射模型的系数,从而确定待测辐射体的灰体辐射模型;最后,通过光谱技术与灰体辐射模型的结合确定给定辐射体的任意温度。通过对无火焰和有火焰这两类热辐射体的实验检验,表明该测温方法具有实时、准确和无接触等优点。