多目标多光谱辐射高速高温计的研制

固体火箭羽焰是一种特殊的火焰,固体火箭发动机喷管羽流沿径向和轴向的温度是研究固体推进剂燃烧状况和发动机燃烧流场的基本参数。针对固体火箭发动机尾喷焰温度及其空间分布测量的需要,继1999年采用多光谱辐射测温方法和技术实现航天某型号固体火箭发动机测量后,研制了新型的多目标多光谱辐射高速高温计用于固体火箭发动机地面搭载试验。仪器使用组合棱镜和光电二极管阵列实现目标0.4~1.1μm光谱的热辐射测量,在主光路设计中首次使用光纤技术,实现一台仪器同时测量空间分布6个目标点的温度和发射率,每个点的空间位置由光阑上的通光孔精确确定,且每个目标测点均有8个工作光谱,研制的同步高速数据采集系统完成48个测量通道的数据同步时间小于10 ns。     

瞬态光谱测试仪在烟火方面的应用

用３５０～１１００ｎｍ瞬态光谱测试仪对烟火药剂进行谱测试，分析碱金属和碱土金属在烟火药火焰光谱中的辐射波段，计算各红外烟火剂的稳身指数。     

一种测量发光火焰温度的数据处理方法研究

火焰温度是燃烧诊断的重要参数之一,它对研究各种燃烧过程具有重要价值。根据多光谱辐射测温所用的参考温度数学模型,提出了一种基于遗传算法的新的数据处理方法。该方法对火焰发射率与波长的关系依次进行了三点直线拟合,并通过遗传算法进行了优化,从而得到了发光火焰的温度和发射率。采用多波长高温计测量了某种固体推进剂燃烧火焰的自辐射光谱,并进行了数据处理。计算结果表明:火焰温度计算值与理论值之差在±100K以内;这种基于遗传算法的新的数据处理方法是测量发光火焰温度的一种可行性方法。     

固体火箭发动机羽流辐射光谱测温方法研究

固体火箭发动机羽流具有高温、高速与强辐射特征,羽流温度是发动机工作状态与性能的重要表征参数。准确测量固体火箭发动机羽流温度对了解发动机内部燃烧情况以及发动机综合性能具有重要的参考价值。随着激光与光谱学的发展,激光光谱技术逐步应用于固体推进剂燃烧及发动机羽流温度测量。辐射光谱测温法通过测量火焰辐射光谱来实现温度的非接触在线测量,具有测温范围宽、响应快及可靠性高等优点,可应用于固体火箭发动机羽流温度测量。在此提出了基于火焰辐射光谱的固体火箭发动机羽流温度测量方法,采用350～1 000 nm波段光纤光谱仪搭建了发动机羽流火焰辐射光谱测量系统,利用标准辐射黑体炉开展光谱仪响应系数标定,获得响应系数随波长的变化曲线,并以此用作羽流辐射光谱数据修正。之后将该测量系统应用于标准Φ118固体火箭发动机地面试验,开展典型12%铝质量含量推进剂发动机羽流辐射光谱实验测量,选取不同时刻羽流辐射光谱分析了发动机羽流辐射光谱特征,并利用双色法灰性判断原理对羽流火焰灰体特性进行讨论,验证在675～745 nm波段发动机羽流火焰辐射可近似认为灰体,该波段辐射率随波长变化最大相对偏差为4.01%,相对均方差为1.53%。因此,基于普朗克辐射定律开展辐射光谱拟合参数获得不同时刻羽流温度与辐射率参数,并讨论测量结果与发动机工作状态的关系。最后,开展12%,15%与19%铝质量含量的不同推进剂配方固体火箭发动机羽流辐射光谱测量,将辐射光谱法温度测量值与理论热力计算值进行比较,两者最大偏差值为5.40%,讨论了不同铝含量推进剂发动机羽流辐射光谱特征,并结合温度与辐射率测量结果,分析了固体推进剂铝含量对辐射光谱、羽流温度及辐射率的影响。通过固体火箭发动机羽流辐射光谱测温方法研究,为固体火箭发动机性能评估及推进剂配方优化等研究提供了有效的羽流参数测量手段。分析获得的推进剂铝含量对发动机羽流辐射光谱、温度及辐射率参数的影响,为降低固体发动机羽流特征信号提供了重要的实验数据支撑。     

固体火箭发动机羽流辐射光谱测温方法研究（英文）

固体火箭发动机羽流具有高温、高速与强辐射特征,羽流温度是发动机工作状态与性能的重要表征参数。准确测量固体火箭发动机羽流温度对了解发动机内部燃烧情况以及发动机综合性能具有重要的参考价值。随着激光与光谱学的发展,激光光谱技术逐步应用于固体推进剂燃烧及发动机羽流温度测量。辐射光谱测温法通过测量火焰辐射光谱来实现温度的非接触在线测量,具有测温范围宽、响应快及可靠性高等优点,可应用于固体火箭发动机羽流温度测量。在此提出了基于火焰辐射光谱的固体火箭发动机羽流温度测量方法,采用350～1 000 nm波段光纤光谱仪搭建了发动机羽流火焰辐射光谱测量系统,利用标准辐射黑体炉开展光谱仪响应系数标定,获得响应系数随波长的变化曲线,并以此用作羽流辐射光谱数据修正。之后将该测量系统应用于标准?118固体火箭发动机地面试验,开展典型12%铝质量含量推进剂发动机羽流辐射光谱实验测量,选取不同时刻羽流辐射光谱分析了发动机羽流辐射光谱特征,并利用双色法灰性判断原理对羽流火焰灰体特性进行讨论,验证在675～745 nm波段发动机羽流火焰辐射可近似认为灰体,该波段辐射率随波长变化最大相对偏差为4.01%,相对均方差为1.53%。因此,基于普朗克辐射定律开展辐射光谱拟合参数获得不同时刻羽流温度与辐射率参数,并讨论测量结果与发动机工作状态的关系。最后,开展12%, 15%与19%铝质量含量的不同推进剂配方固体火箭发动机羽流辐射光谱测量,将辐射光谱法温度测量值与理论热力计算值进行比较,两者最大偏差值为5.40%,讨论了不同铝含量推进剂发动机羽流辐射光谱特征,并结合温度与辐射率测量结果,分析了固体推进剂铝含量对辐射光谱、羽流温度及辐射率的影响。通过固体火箭发动机羽流辐射光谱测温方法研究,为固体火箭发动机性能评估及推进剂配方优化等研究提供了有效的羽流参数测量手段。分析获得的推进剂铝含量对发动机羽流辐射光谱、温度及辐射率参数的影响,为降低固体发动机羽流特征信号提供了重要的实验数据支撑。     

FTIR遥测固体推进剂燃烧温度

应用遥感FTIR对固体推进剂燃烧火焰的温度进行了研究。遥感FTIR光谱仪在光谱分辨率为4cm^-1时,连续收集燃烧火焰的发射光谱。分别利用分子基带转振光谱测温法,以及分子发射光谱最大强度谱线测温法,对燃烧温度进行了遥感实时测定。文中列出了两种方法测得的各时刻的火焰温度。结果表明。两种方法在测量快速、剧烈燃烧的火焰温度时,都是很可靠的方法,当火焰的燃烧比较稳定时,分子发射光谱最大强度谱线测温法更为简便、快速。     

碳氢扩散火焰实验研究：燃烧气氛对火焰光谱与温度的影响

辐射是各种燃烧过程中热传递的主要方式。在不同的火焰中,辐射光谱分布十分复杂。在这项工作中,利用光谱仪测量了可见光(200～900 nm),近红外(900～1 700 nm)和中红外(2 500～5 000 nm)波段火焰的光谱强度,分析了空气和富氧气氛下扩散火焰的光谱特征。并基于光谱分析,定量得到了火焰中碳烟以及气体发射的辐射力,计算了火焰的温度分布。结果表明,空气燃烧中的火焰温度低于富氧燃烧中的火焰温度。在空气气氛下,火焰中的碳烟和气体均对中的热辐射起着重要作用。而在富氧气氛下,气体对于火焰热辐射更为重要。在可见光和近红外波段,由于在空气气氛下火焰中碳烟的大量形成,光谱曲线显示出了良好连续性。而富氧气氛下火焰的辐射光谱降低。在中红外波段,空气气氛下火焰的气体辐射明显弱于富氧气氛下火焰的气体辐射。     

煤粉燃烧火焰辐射光谱实验研究

针对煤粉燃烧辐射光谱问题,利用光纤光谱仪对煤粉平面火焰炉实验装置煤粉燃烧火焰辐射光谱进行了测量,详细分析了煤粉辐射光谱特征,并基于普朗克辐射传热定律,通过对光谱仪波长响应特性的标定,得到火焰绝对辐射强度随波长的分布情况,进而利用最小二乘法获得火焰温度与辐射率参数,由此提出基于煤粉燃烧火焰辐射光谱测量的火焰参数测量方法。利用该方法对不同燃烧条件下煤粉燃烧参数进行测量,开展了不同燃烧参数下煤粉火焰辐射光谱实验研究,研究结果表明：煤粉燃烧火焰辐射在200～1 100 nm波段具有较强且连续的光谱特征,基于普朗克辐射定律与最小二乘法可实现煤粉燃烧火焰温度与辐射率的测量;煤粉燃烧火焰辐射光谱在590,766,769和779 nm附近可见明显的Na和K等碱金属痕量元素原子光谱发射谱线,并且这些原子谱线的出现与火焰温度有关;随着煤粉浓度的提高,虽然燃烧温度变化不大,但由于火焰辐射率的增加,造成辐射光谱强度的大幅提升。这对锅炉煤粉燃烧优化具有重要参考价值。     

等离子体激发和辐射温度瞬态光谱测试方法

对等离子体温度的测量能间接诊断瞬态物理场的瞬时温度变化.使用望远光学系统对准等离子体并收集其光谱.光栅分光系统高精度地(△λ<0.1 nm)分离提取出测最所需的等离子体四通道特征光谱信号.光纤将光谱信号导入高灵敏度、快速响应的光电倍增管(PMTs,采集时间小于1 μs),达到瞬态测试的要求.用四通道数据拟合Boltzmann直线提高了计算激发温度的精度(优于2%),同时从黑体辐射理论推导出等离子体辐射温度的计算模型.只需用一次测量得到的光强就可以同时得到等离子体的激发温度和辐射温度.利用标准温度灯对系统的光谱响应系数进行了标定,通过实验表明系统测温的精度优于3%.     

基于多元极值优化的多光谱温度测量方法

多光谱测温依据黑体辐射定律,通过辐射光强、多组波长即能推测出温度值,克服了比色测温要求光谱单一和比色光谱相近的约束,在工程实际中得到了广泛的应用。在多光谱温度反演的过程中,光谱发射率的求解及多光谱数据处理是精确测温的关键。目前,光谱发射率的求解大多以光谱发射率假设模型为主要的方法,当假设模型与实际情况接近时,反演的温度与光谱发射率精度很高,当二者不相符时,反演的结果与实际情况相差甚大,对于复杂材料和燃烧过程中材料性能动态变化情况下的测温,以光谱发射率假设模型的方法存在盲目性;近年来,基于神经网络的深度学习的方法应用于多光谱测温,避免了光谱发射率假设模型,可建立温度与多光谱的非线性统计规律关系,但需要海量数据与超强算力支撑,且建模过程复杂。针对上述问题,提出了一种基于多元极值优化的多光谱温度测量方法(MEVO),该方法利用不同温度下多光谱信号之间的关联性,通过分析在多光谱温度反演过程中各通道测量温度之间的联系,基于多光谱辐射测温原理以及温度反演过程中各通道数据之间的信息关联,建立多元温差关联函数,通过关联函数的寻优,建立高精度测温模型。该方法将建模过程简化为多元温差函数的寻优问题,避免了...     

测量爆炸火焰真温的多光谱温度计的研制

研制了一种可用于大型爆炸现场的、测量爆炸火焰真温的多目标多光谱温度计.此温度计在爆炸的瞬间,同时对棱镜分光后的多个光谱带下的爆炸火焰辐射能量进行采集,利用二次测量法得出爆炸火焰的真温及发射率.在光路中采用了光纤远传技术和光纤耦合技术,极大程度上解决了仪器核心部分的防震、防爆、防电磁干扰的问题.采用高速采集和多级放大解决了爆炸时间短、温度变化剧烈、信号难于采集的问题,同时采用无线远传的结构保证了工作人员的安全.     

测量爆炸火焰真温的多光谱温度计的研制——现场实验与测量精度分析

研制了可用于大型爆炸现场的、 测量爆炸火焰真温的多光谱温度计(量程为800~3 500 ℃,波长范围为0.6~1.1 μm)。测量原理进一步改进,加入亮温逼近法解决了二次测量法初值选取困难的问题,并应用此高温计在空旷场地对3 kg TNT炸药爆炸的全过程进行测量。通过实验结果的分析可知,此高温计可以测量爆炸火焰真温变化全过程,对波阵面瞬时温度与燃烧火球温度的测量均具有很好的效果。同时,分析了影响此高温计测量精度的各个因素,得出目前制约多光谱高温计测量精度提高的主要因素仍然为真温算法及标定方法的误差,这为今后研制高精度高温计明确了方向。     

多光谱瞬态测温计用于动力发射系统火焰测试

 无论在民用钢铁冶炼、焊接技术或者军用近代动力学发射系统中,对于目标火焰的辐射温度测量一直有着重要意义,其对钢铁冶炼成分的判定、焊接工艺的提高和动力系统轨道烧灼的研究都有着重要的影响。该情况下火焰不仅温度极高,而且在某些场合其产生是一个瞬态过程。因此,传统的接触式测温方法不再适用。基于经典的普朗克黑体辐射定律在测量时受到光谱发射效率的影响也难以准确得到最后结果。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。该高温计最快响应时间可达到2 ns。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。同时将经典的普朗克黑体辐射定律结合多波长提出新型辐射温度算法,不仅解决对该目标辐射温度的精准计算,更可以同时求得目标在该温度下的实时光谱发射效率。通过对高速发射目标和可调节亮度的溴钨灯测量的实验表明,该方法满足测量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。     

海洋气溶胶多光谱偏振特性研究

为提高海洋气溶胶的反演精度,定量研究了气溶胶在可见近红外波段的多光谱偏振辐射特性。首先建立了合理的海洋气溶胶及海面模型,基于逐次散射法准确模拟了光在气溶胶中及大气—海洋交界面处的矢量辐射传输过程,接着从光谱角度定量分析了典型波段处的反射率和偏振反射率,在此基础上提出了海洋气溶胶偏振辐射的光谱分布模型,并用卫星数据对模型进行验证,最后研究了气溶胶光学厚度、观测角度、海水叶绿素a浓度和海面风速对气溶胶多光谱偏振辐射的影响。研究表明,在可见近红外波段不考虑大气吸收和耀斑效应时,气溶胶偏振辐射的光谱变化符合幂函数模型;在不同波段处,海洋气溶胶的偏振辐射受海水叶绿素a浓度和海面风速的影响不同;海洋气溶胶的多光谱偏振辐射信息有效体现了气溶胶的自身特性,且与反射率相比,偏振反射率随各因素的变化存在更明显的谱段差异性。因此,可以运用气溶胶的多光谱偏振信息反演海洋气溶胶参数,多光谱探测的加入对提高气溶胶反演精度具有重要意义。     

着火油罐燃烧过程预测的通用模型

本文根据油罐火灾的燃烧特点,从基本的传热规律和燃烧机理出发,以油品表面热反馈的能量平衡为前提,并利用化工热力学方法计算了火焰的平均温度,通过迭代方法,并结合相关的实验数据和结果,提出了油罐火灾燃烧过程的通用模型,该模型可适用于多种碳氢类燃料。本文以汽油为例,通过计算可以得到着火油罐的多项燃烧特性,包括燃烧速度、平均火焰温度等,是获取油罐周围热辐射规律的基础和前提,计算结果可为火灾现场战术的决策以及预案的制订提供依据。     

Processing of thermogram sequences to determine the rotation rate of a vortex flame

We study vortex flame radiation in laboratory conditions. A fire torch was burning from a tank, which was fixed at the axis of uprising swirl airflow. Ethanol was used as a fuel. Processing of a sequence of thermograms of a swirling torch is described. The vortex flame revolutions were calculated using FFT of time pulsations of a signal from a thermal imaging system.     

温压炸药爆炸瞬态多光谱真温高温计的研究

温压炸药爆炸温度高且具有较强的破坏力,因而使其爆炸温度测试较为困难。为有效评估温压炸药的热温度毁伤效力,将多光谱温度测量系统应用到温压炸药瞬态高温测试中,利用二次测量法计算出爆炸火焰的发射率与真温。在数据采集系统中结合光纤线传感技术,在确保参试人员的安全前提下,可在500 m外测试仪器状态进行数据采集,实现了测量数据信息的远距离传递。测试结果表明,所设计的测量系统工作稳定、安全性高,具有良好的应用前景。     

油料池火焰红外光谱特性分析研究

油罐池火燃烧污染强度大、范围广,航天遥感可成为实时动态监测油罐池火灾污染的新途径。航天遥感监测以目标光谱特性分析为基础,针对油料池火焰光谱特性研究不足的现状,通过构建全火焰红外测试系统,在室外开放空间条件下对多种油料及混合油料池火焰光谱,其他可燃物火焰的发射光谱进行了测试分析研究,光谱范围1~14 μm。结果表明：92#汽油、95#汽油、0#柴油、航空煤油、润滑油池火焰的光谱曲线特征相似,在特定的波长处存在特征发射峰,在1.1,2.4,2.8及6.3 μm附近存在H₂O特征发射峰,在4.2及4.5 μm附近存在CO₂发射峰,在3.4 μm处存在C—H伸缩振动发射峰,6.3 μm后各光谱曲线无明显特征峰。92#汽油与0#柴油以不同比例混合的池火焰光谱与各油料池火焰光谱相比也无明显差别。92#汽油池火焰光谱与木柴及纸张火焰光谱相比,在3.4 μm处存在特征发射峰;酒精火焰光谱虽然在3.4 μm附近也有类似辐射发射,但辐射强度与4.5 μm处CO₂的辐射强度之比远低于92#汽油池火焰光谱在此两波段处辐射强度之比;蜂窝煤火焰光谱近似灰体辐射光谱。各燃料火焰光谱的差异主要由燃料的化学组成及燃烧反应机理的差异决定的。对92#汽油池火焰连续区、间歇区及烟气区的光谱特性进行了比较分析,结果表明3.4 μm处的C—H伸缩振动峰只存在于连续区,证明了该发射峰是参与燃烧化学反应的油气产生的,该结果与油料池火燃烧反应机理吻合。实验结论对基于光谱特性分析的油料池火焰遥感识别具有重要借鉴意义。