蒙特-卡罗法计算黑体空腔有效发射率

介绍了蒙特-卡罗法计算黑体空腔发射率的基本思想和主要算法。首先阐述了计算黑体空腔有效发射率的理论基础,然后分别从正向光线追迹和逆向光线追迹的角度对蒙特-卡罗法的具体算法予以说明,提出逆向追迹思想能方便地计算空腔的定向有效发射率,经过运算可以得到腔积分半球有效发射率和平均垂直有效发射率。最后对比了采用蒙特-卡罗法和其它方法的计算结果,分析表明：蒙特-卡罗法在计算黑体空腔有效发射率上是准确的,劣势在于计算速度慢。     

黑体模拟器

根据黑体光壁腔观点，用几何光学方法模拟黑体，得一维齿腔黑体模型，其发射率ε＝０．９９９９９９９９，给出黑体模拟数学式及实用黑体模拟器的几何参数。     

基于牛顿迭代法高温光谱温度和发射率的反演研究

针对基于光谱数据进行温度与发射率分离过程中存在的n个方程包含n+1个未知数这一欠定问题,提出利用牛顿迭代法来实现材料表面真温及发射率的反演计算,通过给定温度和发射率初值,利用泰勒级数的线性项建立迭代公式,通过迭代得到温度和发射率的近似解。分别利用理论热辐射谱和腔黑体的实验数据进行验证,结果表明,任意给定温度和发射率初值均可获得与真实温度接近的计算温度值,相对误差小于0.09。发射率反演结果与真实发射率线形一致,当温度和发射率初值越接近真实温度和发射率时,发射率反演结果越精确。该方法消除了发射率假定模型限制,有望应用于高温及超高温下各种材料真实温度和光谱发射率研究。     

低温红外辐射源研究

随着空间红外探测、卫星遥感等技术的飞速发展,低温红外辐射源的需求日益迫切。研制了一种基于液体循环控温原理的低温红外辐射源。辐射源的工作温度范围为-60℃～50 ℃,控温精度达到0.01 ℃,有效发射率优于0.999 7。首先阐述了低温红外辐射源的设计原理,介绍了辐射源腔形设计,使用基于蒙特卡罗算法的软件STEEP3计算了辐射腔的有效发射率;接着对辐射腔内部温度特性进行了研究,实验结果表明低温红外辐射源辐射腔温度均匀性优于0.02 ℃,腔底温度稳定性优于0.05 ℃/h;最后通过与镓熔点黑体比较得到低温红外辐射源在29.76 ℃时的光谱发射率,与仿真计算结果一致。     

锶原子光晶格钟黑体辐射频移评估

在中性原子光晶格钟的系统不确定度评估中,通常黑体辐射引起的频移是最大的一项.黑体辐射频移主要受周围环境温度的影响.针对国家授时中心的锶原子光晶格钟实验系统,通过理论分析、腔体表面温度的测量和软件模拟相结合的方法,评估了锶原子光晶格钟黑体辐射频移的修正量和不确定度.其中主要分析了锶原子炉、蓝宝石加热窗口、透过窗口片进入到真空腔体内的室温以及Zeeman减速装置对原子团处的热辐射引起的黑体辐射频移.在真空腔体外表面设置了5个测温点,利用校准过的铂电阻温度传感器监测真空腔体外表面的温度变化,用SolidWorks绘图软件建立腔体模型,通过有限元分析软件模拟出在真空腔体温度变化0.72 K时,原子团所处位置温度的波动为0.34 K.最终得到黑体辐射频移总的修正量为-2.13(1) Hz,不确定度为2.4×10~(-17).     

超高温FTIR光谱发射率测量系统的线性度分析

为研究航天领域特种材料高温区域的光谱辐射特性,建立了基于傅里叶光谱仪的超高温光谱发射率测量系统。系统线性度是发射率测量精度的保证,通过测量多温度点黑体辐射的光谱信号,采用多温度点线性拟合方法求得每个光谱点的光谱信号值与黑体光谱辐射亮度的函数关系式,并结合仪器线性度测量理论,建立了光谱发射率测量系统的线性度测量方法。实验测量了黑体温度范围1 000～2 000℃和光谱范围3～20μm的光谱辐射信号,求得波长λ=4μm的理论直线与测量光谱值的线性关系。实验表明,仪器在4～18μm光谱范围响应较好,除CO2强吸收光谱区域,仪器的光谱线性度均优于1%。当测量系统线性度一定时,温度越高,光谱误差对发射率的影响越小。评定光谱发射率测量系统的线性度有利于剔除个别温度点光谱扰动带来的误差。     

二锥黑体腔

用一特殊光路模拟黑体，将简单的二锥腔变成黑体发射率为０．９９９９９的黑体模拟器。给出黑体模拟数学式和适用模型的几何参数。     

常温物体表面真实温度的亮度法测量

本文给出了用红外测温仪直接测定常温物体表面真实温度的方法和实验结果,并对直接用红外测温仪的温度读数来计算环境辐射等效黑体温度T_B及目标的比辐射率ε进一步加以说明。 关键词：     

Ultrahigh infrared normal spectral emissivity of microstructured silicon coating Au film

We studied infrared normal spectral emissivity on quasi-periodic microstructured silicon, which was prepared by femtosecond laser irradiation in SF6 ambient gas, coated with 100 nm thick Au thin film. The observed emissivity is higher than any reported previously for a flat material with a thickness of less than 0.5 mm, at a temperature range of 200 °C to 400 °C. The emissivity over the measured wavelength region increases with temperature and the spike height. These results show the potential to be used as a flat blackbody source or for applications in infrared thermal sensor, detector, and stealth military technology.     

光纤瞬态高温传感器及动态测试系统

为了解决特殊环境下的瞬态高温测量, 设计了一种基于黑体辐射的光纤高温传感器及动态测试系统。根据辐射测温的基本原理, 结合光纤传感技术, 采用了“接触-非接触”测量方法和光纤光栅窄带滤波技术, 提高了测量精度, 减小了背景光的影响。由于瞬态温度随时间变化快, 动态误差大, 探索了一种利用大功率高频CO2激光器作为激励源, 用激光脉冲加热被校传感器。用测得的温度信号对被校传感器进行可溯源高温动态校准的新方案。实验结果表明, 系统测温范围为800～2000 ℃, 并具有精度高, 响应快, 抗电磁干扰, 性能稳定的特点, 解决了热电偶响应速度慢, 寿命短的缺陷, 为冶金、石油、化工、武器研制等领域的瞬态高温测量提供了一种新的测试手段。     

Normal emissivity of high-purity nickel at temperatures between 1440 and 1605 K

Emissivity measurements for nickel were carried out in a vacuum by comparing the radiation heat fluxes of individual samples and a blackbody cavity maintained at the same temperature. The data presented here cover the spectral range between 1 and 16 μm for temperatures of 1440, 1488, 1551, and 1605 K. An experimental apparatus was designed and constructed to measure the spectral normal emissivity of suspended metals in a vacuum by a radiometric technique. The apparatus is comprised of a Fourier transform infrared spectrometer, a high-temperature blackbody cavity (hohlraum), and a vacuum chamber where a metal sample can be electromagnetically heated to temperatures above 1300 K. Although the samples can also be levitated in the electromagnetic coil, the positioning is accomplished here only by suspending them inside a copper induction coil     

阵列型微波黑体的发射率分析

在微波波段, 用于标定温度和辐射功率的发射率接近于1的标准发射率器件, 即微波频段的黑体, 结构形式一般为表面涂覆吸波材料的金属锥体阵列. 这种黑体器件常用于为微波辐射计提供参考亮温, 要求具有高发射率和均匀的温度分布. 对此类黑体器件的发射率评估主要基于基尔霍夫热平衡定律, 即通过评估反射率来确定发射率. 已报道的研究集中在黑体发射率随频率的变化趋势, 较少针对其随方向和极化状态的变化趋势. 本文针对此类周期型排布的黑体, 提出基于Floquet模式分析的反射率评估方法, 相比已报道的基于后向散射的评估方法, 具有更大的适用范围. 基于这种方法, 对某黑体的发射率随频率、角度和极化状态的变化规律进行了计算分析. 分析结果表明: 此黑体发射率在X到K_α波段内随频率提高而增大; 在发射率较低的低频处, 垂直极化与水平极化的发射率随俯仰角的变化趋势不同, 并且存在垂直极化发射率随俯仰角增大而明显降低的现象. 这些规律均与其物理上低频段内涂层对电磁波的衰减特性相符合.     

环境辐射对目标热辐射特性测试的影响

把落到目标上的总的环境辐射等效成一个温度为T₀的黑体辐射,研究了环境辐射改变时对热成象系统灵敏度方程的影响,从而从理论上证明了用改变环境辐射的办法可以测定目标的比辐射率。给出了用红外测温仪测定环境等效黑体温度T₀的方法和实验结果。给出了用红外测温仪测定目标比辐射率的一种新方法及实验结果。对于环境辐射不能忽略时如何用比辐射计测定目标的真实温度作了方法性和原理性的讨论。对于如何用测温仪测定地物对太阳的光谱反射率也作了方法性和原理性的讨论。 关键词：     

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。     

基于多层感知器网络的FTIR高光谱数据温度和发射率光谱同步反演

文章以土壤为例,首先指出了典型的温度反射率分离算法由高光谱FTIR数据反演温度和发射率的局限; 当地物出射能量的真值和地物真实温度对应的黑体辐射在数值上的差别与仪器的噪声等效光谱辐射亮度在相同的数量级上时,产生奇异发射率的概率很大, 野外测量时这种现象在714和1 250 cm-1附近经常发生。针对这个局限,构建了一个三层的感知器(MLP)网络,利用ASTER光谱库中的土壤发射率光谱生成训练样本,MODIS光谱库中的土壤发射率光谱生成测试样本,对网络进行训练和测试,取得了比较好的结果。同时利用光谱平滑迭代算法(ISSTES)由测试样本反演土壤的温度和发射率,并与MLP方法的结果进行比较,MLP方法反演的土壤发射率精度在可接受的范围之内,略低于ISSTES算法,MLP方法的优点在于,它能够克服典型的温度发射率算法的局限,可以作为典型的温度发射率分离算法有益的补充。     

A method to retrieve blackbody temperature errors in the two points radiometric calibration

Measurements of the atmospheric thermal emission using an infrared Fourier transform spectrometer need to be radiometrically calibrated. As for several existing instruments (IASI-MetOp, IASI-balloon, NAST-I, AERI, etc.), the two points radiometric calibration is generally performed using two well-characterized blackbodies at two different temperatures (or one blackbody and the cold space), which allow to determine the response and the self-emission of the instrument. To perform an accurate radiometric calibration, the emissivity and the temperature of each blackbody should be known accurately. The blackbody temperatures are chosen to fit the characteristics of the instrument. The measurement of these temperatures is essential. This paper proposes a method to perform an accurate radiometric calibration even when one of the two blackbodies temperatures is not perfectly measured, by numerically retrieving this erroneous temperature.     

可同时测量真温及光谱发射率的8波长高温计

基于提出的新的多光谱测温法的数据处理方法 ,研制了一种可以自动识别目标真温及光谱发射率的新型多波长高温计。其光路系统采用棱镜分光技术 ,克服了以往用光导纤维分光、干涉滤光片限定工作波长的缺点 ;数据采集系统采用 SA6 8D2 2模块 ,可以实现数据的无线传输。基于提出的新的发射率假设模型 ,使得此多波长高温计可用于大多数工程材料的目标真温及光谱发射率的测量     

定量化红外遥感应用的高精度水浴黑体

辐射定标是红外遥感信息定量化的关键技术之一。根据定量化红外遥感应用的需求,研制了高精度水浴黑体辐射源,并应用均匀镜-漫反射模型法对其发射率进行了计算。提出了基于绝对低温辐射计的常温黑体定标方法。性能测试结果表明,该黑体辐射源可用于遥感探测器中的红外辐射定标。     

Particle effects on the emissivity and temperature of optically thick, mixed media retrieved by mid-IR emission spectroscopy

Passive diagnostics offer new ways of obtaining real-time data for the control and modeling of industrial furnaces. It has been proposed elsewhere that from the intensity profile between 3.8 and 4.7 μm one may derive the temperature of a gas-particle medium and the particle emissivity (ε_p) at 3.95 μm. This technique applies to large columns of combustion products with enough CO₂. The temperature is retrieved by finding the best fit between Planck's function and the intensity profile between 4.56 and 4.7 μm, which is that of a blackbody due to CO₂ saturation. Here we consider the effect of particles on the intensity profile and, therefore, on the retrieved temperature and particle emissivity. We derive an analytic approximation of the effective emissivity for an optically thick gas-particle mixture that includes emission and absorption due to particles and gases, along with isotropic particle scattering. The derivation follows the method of embedded invariance and has been used already for particle-only clouds. It yields a spectral solution that is applicable in other infrared regions where gas and particle optical thicknesses are large. A key parameter (χ) is the ratio of the gas absorption coefficient to the particle extinction coefficient. For χ=1 and ε_p=0.5, particle effects decrease the gas band profile by 5% from that of a blackbody. For χ<1 and ε_p<0.5, particle effects on the calculated temperature and particle emissivity are noticeable and particle effects should be considered. If χ is known, an iterative procedure may be used to calculate temperature and particle emissivity. We illustrate this procedure with data from a coal-fired boiler. Accounting for particle effects, temperatures were 4% higher (at about 1500 K) and particle emissivities 28% lower (for ε_p within 0.3-05) than without considering these effects.     

纯钨红外光谱发射率特性研究

光谱发射率是一个重要的热物性参数,在辐射测温、热传输计算等领域有着广泛的应用。钨作为一种重要的金属,关于其光谱发射率的研究报道较少。利用黑体炉、傅里叶红外光谱仪、加热装置和光学系统搭建了一套能量对比法光谱发射率测量装置,该装置能够测量3~20μm的光谱发射率,测量装置的整体不确定度优于5%。利用该装置测量了纯钨在4个温度点(573, 673, 773和873 K)的法向光谱发射率,重点探讨了氧化、温度、波长和加热时间对纯钨光谱发射率的影响。研究结果表明:纯钨在表面未氧化的情况下,光谱发射率在几个温度点的变化规律基本一致,且数值相差较小,而当其表面发生氧化后光谱发射率迅速增加,在某些波长处出现了强烈的振荡。表面未氧化时纯钨的光谱发射率受温度的影响较小,随着温度的增加仅出现微小的增加,但是当表面发生氧化后,随温度的升高而迅速增大。纯钨的光谱发射率整体上随着波长的增加而减小,但是当表面发生氧化后,由于表面氧化膜与钨金属基底发生干涉效应,在4, 9, 12.5和16.5μm处均出现了峰值。在573和673 K,纯钨的光谱发射率随着加热时间的增加无明显变化。然而,随着温度的升高,在773和873 K时,光谱发射率随着加热时间增加而增大,在773 K时光谱发射率随加热时间的增加增幅较大,因为在该温度点,纯钨表面刚开始发生氧化,氧化速率较大,在873 K时光谱发射率随加热时间的增加增幅较为平缓,并且随着加热时间的增长呈现稳定的趋势。综上,纯钨的光谱发射率在温度较低和表面未氧化时较为稳定。随着温度的升高,当表面发生氧化后,光谱发射率迅速增大,并且在多个波长位置出现了强烈的振荡。由此可见,纯钨光谱发射率受温度、波长、加热时间的影响较大,在实际应用过程中,特别是在辐射测温过程中,如果把纯钨的光谱发射率看做常数将会带来较大的测量误差。该研究将进一步丰富钨的光谱发射率数据,并为其在科学研究和应用中提供数据支持。