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。     

一种被动式辐射测温系统的波长及其带宽设计

介绍了采用PIN硅光电二极管作光接收器件实现的一种被动式实时测温系统。该系统主要由光学接收系统、信号放大与处理系统及显示系统三部分组成。从系统的相对测温灵敏度及探测器的温度分辨力与波长间的关系出发,结合大气对红外辐射的透射特性,确定了系统的工作波长;从系统的抗反射辐射能力出发,并结合探测器的最小可探测光功率要求,确定了系统的波长带宽。从P1、P2的测量不确定度出发,讨论了待测目标的发射率及温度的测量精度。结果表明,当λ=0.80μm、Δλ=20nm时,在测温范围600~2500℃内,系统的测温不确定度优于0.3%,满足设计要求。     

基于多光谱法的激发温度和辐射温度瞬态测试技术

近些年来,随着国内外尖端科技快速发展,温度测量无论是对于国防建设领域还是对于工业制造领域都有着极为重要的指导意义和研究价值。尤其在瞬态超高温测量方面,测温精度要求更为严苛。测温方法多种多样,多光谱法由于其精度较高且适用性强,被国内外专家广泛运用。基于多光谱测温法,提出一种新的能够同时高精度测量目标的瞬态激发温度和辐射温度的方法。该方法通过查找可信度更高的目标物理特性数据以及更为精确的多光谱直线拟合方法,精准计算得到目标激发温度。通过建立更加准确的数学模型和算法,减小光谱发射率对整个测温过程的影响实现高精度的辐射温度测量。通过相关测温实验表明,系统测温精度达到3%。     

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。     

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。     

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.     

基于锁相放大的被动红外信号处理方法研究

被动红外气体遥测系统具有成本低、体积小、便于扩展等优点。利用窄带滤光片进行被动红外气体探测时,为抑制信号漂移和背景噪声干扰,需要对信号进行调制、滤波和锁相处理。系统接收的测量信号受斩光器辐射的影响较大,需要对测量过程进行辐射建模分析。本文研究了基于锁相放大的被动红外探测辐射模型,提出了在锁相放大算法后添加相位判断的信号处理方法;设计并搭建了被动式气体多光谱探测系统,在实验室对系统进行定标,并开展了不同温度黑体的测量实验。结果表明:实际测量的各通道辐射值与所建模型的结果比较吻合。本研究为基于锁相放大的被动红外信号提供了模型基础和实验验证,并为便携式近距离气体遥测系统的研制提供了参考。     

基于红外检测技术的旋转轮盘的温度测量

介绍了红外测温仪的工作原理和用红外测温技术测量旋转轮盘温度的结构原理。从旋转轮盘需要低温测量和高温测量的实际要求选取了合适的红外测温仪型号。对某型发动机涡轮盘在加温状态的同一点温度分别采用红外测温仪和热电偶进行了测量。结果表明,红外测温系统可以达到较高的测量精度,可满足工程实际的需要。     

一种被动式单波长实时测温系统的优化设计

基于Kirchhoff定律,利用一面反射镜,设计了一种可同时测量发射率及温度的单波长实时测温系统.从系统的测温灵敏度、相对测温灵敏度、探测器的温度分辨力及系统的测温标准差与波长的关系出发,并结合大气对红外辐射的透射特性,优化了系统的工作波长; 从系统的抗反射辐射能力与波长带宽的关系出发,并结合探测器的最小可探测光功率要求,优化了系统的波长带宽.实验结果表明,当λ=0.80 μm、Δλ=20 nm时,在测温范围600~2 500℃内,系统的测温不确定度优于0.3%.     

基于液晶调制器调制的实时测温系统

分析了一种基于基尔霍夫定律的钽酸锂(LiTaO3)热释电探测器作为接收元件的实时测温系统中,机械式调制盘对测量精度影响,提出了改变机械式调制盘对测量精度的影响的方法;介绍了液晶调制器的结构、对辐射调制的原理以及在使用过程中的优点。设计了利用液晶调制器替代机械调制器的钽酸锂热释电实时测温系统。结果表明,利用液晶调制器改进后的测温系统在给定的温度范围中,测量精度均有明显的改善,符合测量要求。     

光纤拉曼测温系统的温度标定及设计考虑

分布式光纤拉曼测温系统的重要参量之一是其温度测量精度，系统的温度标定对温度测量精度有着极其重要的影响，从该类系统的工作原理出发揭示了进行温度标定的物理原因及其对系统测温精度的影响程度。同时提出了在标定装置的实际设计上所要注意的几个方面。     

热辐射率对火焰温度测量精度影响的研究

分析了影响热辐射法测量火焰温度精度的主要因素，研究了基于灰体热辐射理论描述火焰介质的热辐射率变量特征的相关参量，构造了燃烧产物的热辐射率函数的理论模型。根据火焰产物的特性采用不同的近似方案，讨论了热辐射率准确性对温度测量精度的影响。结果表明，火焰介质可分为理想、线性和一般灰体，相关的热辐射率函数的表现形式是不同的，多波长辐射法比单波长辐射法测温精度要高。     

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.     

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。     

三维非等温多孔层的红外测温误差分析

以太阳能多孔吸热器等热利用系统为研究背景,针对多孔层表面的红外测温问题,基于反向蒙特卡罗法建立了三维非等温各向异性散射多孔层的红外测温模型,讨论了散射类型、多孔层厚度、基材发射率、孔隙率、孔径等物理性质和结构参数对红外测温误差的影响,提出了一种多孔层表面温度的反向计算方法。结果表明,将红外温度的实验测量值视作多孔表面温度会导致一定误差;后向散射可削弱高温背景辐射,从而减小探测温度较高时的误差,但增大了探测温度较低时的误差;高孔隙率(大于0.93)会造成测温误差迅速增大;测温误差小于2%时的参数范围如下:多孔层厚度为14~27mm,基材发射率为0.33~0.81,孔隙率为0.86~0.93,孔径为1.5~2.8mm。     

基于红蓝宝石光纤传感头的多通道光纤温度传感器

为了实现从室温到1000℃范围内的多点温度实时测量,基于红蓝宝石光纤传感探头,研制了一种连续快速温度测量的多通道光纤温度传感器.该系统结合了荧光测温和辐射测温原理,可同时测量8个传感探头的温度随时间的变化信号.提出基于面积平衡计算的数字迭代算法用来计算荧光寿命.与快速傅里叶变换算法的仿真对比结果表明,该算法计算速度快、抗噪声能力强、结果稳定性好、测量精度高.对系统进行长期的温度和稳定性实验,结果表明该系统具有较高的稳定性和测量精度,测温范围从室温到1000℃,精度达±1℃.     

光谱响应对辐射光谱测温法的影响研究

针对光谱响应系数对辐射光谱测温法的影响问题,利用200～1 100和900～1 700 nm两种波段光纤光谱仪测量了不同温度下黑体炉辐射光谱,分析了不同波段高温黑体辐射光谱特征,确定了不同波段光谱分析适宜采用的有效响应波段,获得了不同温度下该波段光谱响应系数变化情况,详细分析了温度对光谱响应系数的影响,总结了辐射光谱法温度拟合时的波长范围以及响应系数选择原则,并分析了波长范围以及响应系数选择对测温的影响,这为提高辐射光谱测温法的测量精度具有重要价值。     

表面辐射测温方法的设计原理

讨论了表面辐射测温方法的设计中所包含的几个基本问题:辐射的光谱和方向复杂性问题、光学设计问题以及电路设计问题,给出了具有普适意义的辐射测温基本分析式。比较了绝对辐射测温方法和相对辐射测温方法,指出前者须做标定,并且不宜进行温度场测量;后者无须标定,适合于温度场测量。     

多光谱辐射瞬态高温测温计的研制

在现代动力学发射系统中,在强电磁场激发下瞬间产生的等离子体的火焰辐射温度对飞行目标运动状态以及动力系统轨道烧灼情况有着重要的影响。针对该情况下火焰不仅温度极高,而且其产生是一个瞬态过程。因此,传统的接触式测温方法不再使用,而基于光学高温计和CCD成像阵列等非接触式测温方法也无法响应瞬态过程。文章以经典的普朗克黑体辐射定律作为理论基础,结合多波长光谱辐射方法,研制了新型的多光谱辐射瞬态高温测温计。该高温计可以对目标产生的从300～860nm的波段内任意波长光谱的提取,最快响应时间可达到2ns。通过采用高分辨率衍射光栅和光纤连接的方式,保证多光谱提取的准确性。实验结果表明,利用目标发出的多光谱辐射测温与高速响应光电探测器件相结合的方法能够测量得到动力发射目标表面辐射温度分布的同时,也保证了较高的精度,满足了对于发射瞬间物体表面瞬态温度测试的要求。     

提高空间目标温度测量精度的波段优选方法

为提高空间目标温度的测量精度而进行波段优选方法的探索。建立空间目标温度测量数学模型和波段优选评价函数数学模型,仿真分析探测波段对红外系统的测温灵敏度、温度分辨力和信噪比的影响,实现系统探测波段的优选。仿真结果表明,优选的探测波段为中心波长范围8.0 m～9.6 m,波段宽度60 nm,温度分辨力最高可达到0.06 K,同时可获得大于5的信噪比。结论:提出的方法可以使测温灵敏度和温度分辨力分别平均有8.7%和11.3%的提高。