测量冲击温度的六通道瞬态光学高温计

 研制了一台测量冲击载荷下材料光谱辐射的瞬态光学高温计。在可见光和近红外光谱范围内，把光源的热辐射取出六个波段进行测量。每个波段信号通过各自的光线传输，光电倍增管探测和示波器记录。系统的时间分辨率约为20 ns。冲击温度测量范围为2 400~9 000 K，测量误差小于3%。给出了以空气和NaI警惕为样品的若干爆轰实验结果。     

稠密氘气物态方程研究

 用二级轻气炮作为加载手段,通过瞬态辐射高温计对样品氘的冲击压缩层的光谱辐射亮度历史进行测量,测得氘气中冲击波速度和冲击温度,并用离解电离平衡方程从理论上分析了冲击压缩下稠密气体的组分,理论计算的Hugoniot曲线及冲击温度和实验结果吻合。     

稠密氦气物态方程研究

用二级氢气炮作为冲击压缩加载工具和多通道瞬态辐射高温计作为主要测量系统,测量了冲击压缩氦气等离子体的光辐亮度历史（初始温度293K,初始压力为1.2MPa）。根据实测记录信号波形的有关特征量,计算得到了氦等离子体的Hugoniot物态方程（含冲击温度）。结果发现：实测Hugoniot物态方程可用Saha方程加Debye-Huckel修正物理模型解释。     

一种新型光纤高温计的研制

 基于国产GDB159/142光电倍增管（PMT）,采用光纤传输并结合二向色分光原理研制了高速光学高温计系统,测量波长覆盖340～811 nm,响应时间2～3 ns,可测量2 500～15 000 K的冲击温度。脉冲线性检测结果表明,6个通道的动态线性均大于200 mV（50 Ω负载）。给出了溴钨灯光谱辐照度标定方法和动态应用实例。     

瞬态辐射高温计动态线性响应范围测量

 动态线性是辐射高温计的一项重要技术指标与对高温计的测量精度、测量结果有重要影响。为了解影响辐射高温计动态线性的因素,采用LED脉冲光源和高线性光电探头发展了一种脉冲线性测量方法,并对一种基于光电倍增管（PMT）的瞬态辐射高温计在不同工作条件下的动态线性响应进行了测量。结果表明,PMT的结构、分压器电路和工作电压对动态线性响应范围有显著的影响。测量和研究结果为研制高性能瞬态辐射高温计及其使用提供了重要的设计和参照依据。     

用于固体火箭羽焰真温测量的宽量程多光谱高温计

现有的多光谱高温计的测量下限均大于1 173 K(900 ℃),不适用于新型火箭羽焰真温测量范围的要求(900~2 700 K)。为了解决现有的多光谱高温计无法测量1 173 K以下羽焰真温的问题,研制了用于固体火箭发动机羽焰真温测量的宽量程多光谱高温计。该多光谱高温计采用了并联光电探测器阵列相邻像元的方法,并且创建了基于对数函数的900~1 173 K温区的温度标定方法,从而拓宽了高温计的温度测量范围。针对某型号固体火箭发动机羽焰的三个目标点进行了现场测量,实验结果验证了该高温计的有效性。     

一种多光谱高温计无源温区的标定方法研究

目前,高温测量中,多光谱高温计具有高分辨率与高信噪比的优点,但无源温区(大于3 000℃)标定方法的发展却远滞后于多光谱高温计制造水平,并已严重影响高温计的测量精度和应用范围。为突破高温测量领域中无源温区标定方法的瓶颈,文章提出了一种多光谱高温计无源温区的标定方法。此方法利用已知温度点的多光谱高温计的输出电压U建立了一种基于幂函数的温度-电压(T-U)模型。在此基础上应用导数最小二乘法对模型参数求解,实现对无源温区的标定。理论和实测数据都验证了此方法的有效性与精度。在多光谱高温测量应用的光谱范围(0.4～1.1μm)内,对精度优于3‰,1%和3%的无源温区标定范围做出理论上的划分。     

块状密实铁/蓝宝石界面的冲击温度测量

 利用二级轻气炮技术并结合对称碰撞方法对铁样品进行了冲击加载,通过测量铁/蓝宝石的界面光谱辐射亮度获得该界面的冲击温度。实验中,采用了新的样品/窗口界面制备途径和更加可靠的高温计标定方法,有效地消除了直接接触界面的“尖峰”辐射现象,观测到了Fe/Al₂O₃接触界面的稳定辐射。实验结果表明,在164 GPa冲击压力下Fe/Al₂O₃的界面温度为（3 950±180） K。     

稠密氦气辐射不透明度的实验研究

用二级氢气炮作为冲击压缩加载工具和多通道瞬态辐射高温计作为主要测量系统,测量了冲击压缩氦气等离子体的光辐亮度历史(初始温度293 K,初始压力为0.6 MPa和1.2 MPa两种).根据实测记录信号波形的有关特征量,计算得到了氦等离子体的光谱吸收系数κ(λ)和冲击压缩铝基板表面的光反射率R.结果发现:受冲击铝基板表面的光反射率～0.4(比其初始反射率0.8约降低一半),与Erskine的数据相同;对于光谱吸收系数的实测数据,本文目前未能给出合理的物理解释.     

两种多光谱高温计无源温区标定方法抗随机误差能力研究

两种多光谱高温计无源温区标定方法,即依据图形相似性原理的标定方法和依据高温计传递函数的标定方法。为验证两种方法的实用性,通过对黑体辐射出度加入不同大小的随机误差模拟不同测量精度的多光谱高温测量系统,对这两种方法的抗干扰能力进行了研究。实验结果证明,依据图形相似原理的标定方法具有强抗随机误差能力,适用于随机误差较大的测量系统。当随机误差很小时,其精度低于依据传递函数的标定方法,但当随机误差增加到一定范围,其精度远高于后者。基于高温计传递函数的标定方法虽在一定的随机误差范围内具有高的外推标定精度,但抗随机误差能力较弱,适用于随机误差小的测量系统。     

Application for optical thermometers calibration based on virtual instruments

In this paper we present a new developed application for calibration of optical thermometers which is implemented in the Serbian Metrology Institute. The method for calibration of optical thermometer–pyrometer is based on measuring blackbody temperature via thermocouple standards and measuring voltage on pyrometer in temperature range from 550 to 1650 °C. The objective is to precisely determinate calibration curve of pyrometer—transfer function. The metrology traceability was realized through thermocouples standard which has traceability to the international standard. A developed application has a role to control and supervise calibration process. Based on virtual instruments (VI), application offers monitoring measurement parameters in real time on three charts. The main advantage of the developed VI application is reduction of measurement uncertainty of type A by increased accuracy with multi—temperature measurement up to 3 thermocouples on temperature equilibrium in the measurement system and automatic data processing by converting voltage to temperature, calculating the mean value and standard deviation of the mean value. Advantage is also reflected in permanent data logging while application is running and low cost and user friendly interface One of the goals is to improve quality of metrological services through this application and support the establishment of a traceability chain to SI.     

Measurement performance of an optical CCD-based pyrometer system

The measurement performance of a CCD-based pyrometer system using a three-color method was evaluated for scientific and engineering metrology. The relationships between the system parameters (exposure time and sensor gain) and the intensity measurements in an integrating sphere experiment were determined for a specific CCD sensor. The pyrometer system uses the three-color method based on the intensity ratio without geometry calibrations. The field measurement characteristics and the effectiveness of coupling the three-color channels were investigated in terms of the temperature measurement uniformity, temperature sensitivity and temperature range of the pyrometer system in standard blackbody tests. The results showed that the temperature non-uniformity is not proportional to the intensity non-uniformity and is in the range of 0.13-2.14%. The relative temperature sensitivities of intensity ratios for different channel combinations are different, which may provide a way to improve the measurement results. The temperature range bandwidth for object with a non-uniform temperature distribution varies from 190 to 270 K for this specific CCD-based pyrometer. The performance evaluation conclusions for the system with this specific CCD sensor are general and applicable for pyrometer systems using other CCD sensors.     

FY-2水汽通道光谱响应测量大气污染评估和订正

由于无法实现真空测量,大气吸收作用会对实验室光谱响应(SRF)测量产生污染。为了提高光谱定标精度,通过敏感性试验定量评估了大气污染对水汽通道实验室光谱响应测量的影响,并以FY-2D为例进行了光谱响应污染订正,分析了光谱污染带来的通道辐射计算误差。不同测量环境的敏感性模拟结果表明： 大气吸收导致光谱测量曲线产生显著波动,强吸收光谱处的响应减弱,致使依赖于SRF的通道辐射计算结果被高估。光谱污染带来的通道亮温偏差随着水汽含量的增加呈指数增长趋势,偏差大于0.5 K且仅在等效水平路径小于1 m相对湿度低于15%的干燥环境下小于1 K。4 m水平路径35%相对湿度的情况下,亮温偏差可大于4 K。FY-2系列卫星水汽通道的光谱响应都存在不同程度的大气污染现象。利用水平大气透过率光谱,通过光谱比值的方法,对FY-2D的SRF进行订正。订正后SRF的异常波动被基本消除,曲线分布更加光滑合理。理论分析结果表明： 大气污染导致FY-2D在典型大气条件下大气层顶的通道亮温模拟偏高2.2 K,黑体辐射进而辐射定标高估7.6%。大气吸收对实验室光谱定标的影响非常显著,不仅对水汽通道对所有气体吸收通道都不能忽略。实验室光谱定标不能忽略大气吸收的影响,应该通过扣除大气透过率的影响的方式对测量光谱响应进行订正。     

多光谱高温计有效波长标定方法研究

针对光纤式多光谱高温计波长标定中由于光纤耦合导致信号太弱而无法获得有效波长的问题,基于普朗克定律,充分结合不同标定温度点的标定值的比值,提出了一种由温度标定数据来确定有效波长的方法。相比于传统的有效波长标定方法,新方法避免了耗时复杂的波长标定过程可以快速获取有效波长。分别采用仿真和实验两种手段来验证新方法的可行性和有效性。仿真结果表明所提出的新方法可行并且具有一定的抗随机误差能力,所得有效波长计算的真温值与实际值的相对误差小于0.7%。实验结果表明提出的新方法能够得到各个通道的有效波长值,进一步验证了该方法的有效性。所提出的新方法也可应用于其他多光谱高温计,为多光谱高温计的研制和应用提供了理论基础。     

高光谱遥感器现场光谱定标精度验证方法研究

鉴于精确的光谱辐射定标精度验证对于高光谱遥感器的现场定标和数据应用非常必要,以SVC光谱辐亮度计为例,利用多波段辐亮度标准传递探测器和新型的光谱可调积分球参考光源,设计了一种高光谱遥感器光谱定标精度的验证方法。该方法利用新型光谱可调积分球参考光源在待测波段内分别输出光谱形状单调上升和单调下降的光谱辐亮度状态,通过光谱匹配技术,即平移改变SVC光谱辐亮度计的波长,分析比对MRSTD和SVC光谱辐亮度计测量辐亮度的相对偏差。比对结果为光谱定标验证精度优于±0.2 nm,辐射定标验证精度小于5%。     

基于Ar分支比方法的光谱强度响应效率标定研究

利用Nd∶YAG激光器输出的1 064 nm激光在大气压环境中产生了Ar等离子体,测量了Ar等离子体的发射光谱,从Ar等离子体发射光谱中筛选出了来自Ar Ⅰ和Ar Ⅱ 15个上能级的35条跃迁谱线,基于分支比方法计算了光谱仪的辐射强度响应效率标定系数。此外,利用氘灯和卤钨灯标准光源,对光谱仪辐射强度响应效率进行了标定,得到了针对不同光栅的光谱仪的辐射效率标定系数。用分支比方法获得的辐射强度响应效率标定系数与标准光源得到辐射强度响应效率标定系数具有较好的一致性,其最大相对误差为5.4%。该研究的标定方法可以为一些大型聚变装置的光谱测量的在线标定提供借鉴和参考。     

新一代高温黑体和同步辐射装置及其在地外太阳光谱辐照度测量中的应用

在地外太阳光谱辐照度测量和大气定量遥感等项研究的推动下,近二、三十年,国际上光谱辐射计量技术发展十分迅速。基于先进的高温技术、优异的高温热解石墨材料和独特的设计,全俄光学物理测量研究所(VNIIOFI)研制出温度高达3 200～3 500 K、具有高均匀性和高稳定性的大面积普朗克高温黑体光源。基于低温绝对辐射计的滤光片辐射计迭代测温技术,使高温黑体温度测量不确定度小于0.5 K。在德国物理技术研究院(PTB),将这种高温黑体直接用于国际空间站地外太阳光谱测试仪器(SOLSPEC)的辐射定标,定标综合不确定度小于0.5%～1%。2008年德国物理技术研究院(PTB)建成名为计量光源(MLS)的新一代专用同步辐射存储环并投入使用。为调节同步辐射的光谱分布,稳态下其能量可设置为105～630 MeV任意值,相应特征波长随之从735 nm改变至3.4 nm。为在不改变光谱分布情况下改变光强,电子束流可调节 11个量级,即从 1个存储电子(相当于1 pA)到200 mA。美国国家标准技术研究院(NIST)在同步辐射紫外辐射装置(SURF Ⅲ)3号光束线上建立了使用同步辐射的光谱辐照度定标装置(FICUS),为紫外传递标准光源定标,光谱范围200～400 nm,相对测量不确定度1.2% (k=2)。新一代同步辐射装置为地外太阳光谱辐照度测量仪器,如SUSIM,SOLSTICE,SBUV,SIM和SOLSPEC等,短波段高精度辐射定标奠定了技术基础。该文描述新型高温黑体和同步辐射装置的建立与发展,光谱辐照度和光谱辐亮度标准的传递及国际比对并评述它们在太阳光谱辐照度测量中的应用。     

冲击压缩下甲烷-空气混合气体状态参数实验研究

 为研究强冲击状态下混入少量空气的甲烷气体的冲击状态参数,利用二级轻气炮加载技术,使加速到5 km/s的钨合金飞片撞击封装有常态下空气混入量依次为零（纯甲烷气体）、1%、5%、10%的甲烷-空气混合气体铝靶。采用六通道瞬态光学高温计记录冲击压缩气体的光辐射历程曲线,得到了相同初始条件下4种不同比例混合气体的冲击状态参数。结果表明,在强冲击压缩下,混合气体的冲击温度随着空气混入比例的增大而增高,冲击波后混合气体存在非平衡辐射过程。采用Saha电离平衡方程,对空气混入量为10%的混合气体的电离度进行了估算。结果表明,常态下空气含量C_air≤10%的甲烷 空气混合气体具有电探针保护能力。