半透明介质表面红外测温的辐射传输模拟

考虑不透明漫射基底的反射/发射和半透明介质层的吸收/发射,建立半透明介质层表面红外测温过程的辐射传输模型,采用反向蒙特卡罗法进行模拟,获得探测表面在热像仪的指示辐射温度。与不透明表面红外测温进行比较,分析表面形状、基底发射率ε_s及介质层光学厚度τ的影响。结果表明,半透明介质层表面的指示辐射温度在ε_s1.0时,随τ的增大而增大,τ≥2时数值趋于ε_s=1.0时的结果,与不透明表面存在较大差异;针对复杂形状或内凹曲面红外测温,不透明表面和半透明介质层表面均受到反射其他部位辐射现象的影响。     

海面油膜热红外发射率光谱特征研究（英文）

利用热红外遥感技术探测海面溢油存在能够全天时探测、更好地探测海表及油膜辐射特征和对油膜厚度的识别潜力较大等优势。而热红外发射率是物体在指定温度时的辐射能与同温度黑体辐射能的比值,在常温范围内,物体的发射率光谱与温度无关,仅与材质属性及波长相关。基于这一假设,以山东省东营市胜利油田孤岛采油厂获取的原油样品与渤海湾海水为材料,利用102F傅里叶变换热红外光谱辐射仪设计海面油膜发射率光谱实验,系统的测量分析了海面油膜随厚度连续变化过程中海面油膜发射率的变化特征与产生机理。结果表明,海表油膜的热红外发射率在甚薄阶段(20~120μm)变化较大,利用热红外发射率光谱能够较好的探测海表甚薄油膜;在8~10μm和在13.2~14μm波段范围内,海水与厚度为20μm的甚薄油膜存在较为稳定的发射率差异,利用该光谱范围内的油膜发射率可以用来探测20μm的甚薄油膜;在11.7~14μm波段范围内,油膜发射率与其厚度相关性小,油膜的发射率明显低于本底海水的发射率,利用该光谱范围内的油膜发射率可以用来探测较薄油膜的有无;在11.72,12.2,12.55,13.48和13.8μm这几个波长附近,油膜发射率随着油膜厚度的增加呈现出递增或递减,且变化幅度较大,利用这几个波长附近谱段的发射率可以用来探测较薄油膜的发射率光谱响应。     

激光导星动态聚焦系统模拟分析及设计

增加激光导星的散射层采样厚度可以提高波前探测器的探测能量,但是存在探测光斑弥散问题。针对该问题,分析并设计了动态聚焦系统。首先分析了采样厚度对波前探测能量的影响,结果显示,波前探测能量随着采样厚度非线性增大,当采样厚度为4 km、激光脉冲能量为10 m J时,望远镜子孔径接收到的光子数为120,满足探测精度要求。然后分析了光斑弥散对波前探测精度的影响,当采样厚度为4 km时,波前探测误差约为0.5λ,探测误差较大。为了实现精确探测,依据分析结果设计了动态聚焦系统,将聚焦反射镜的移动距离由111 mm缩小到100μm、移动速度由4200 m/s降低到3.8 m/s,满足应用需求。最后利用Zemax软件进行优化,结果表明,对于4 km采样厚度,光学系统均能实现理想成像。     

红外低发射率隐身涂层对太赫兹波的反射光谱研究

为研究红外低发射率隐身涂层对太赫兹波的反射特性,制备了红外低发射率隐身涂料,测试了其可见光效果、红外热像图及红外发射率等特性参数。以土黄色红外低发射率涂料为测试样品,利用透射式太赫兹时域光谱系统获得了样品在太赫兹波段的复折射率。分析了特征矩阵理论,并利用特征矩阵理论计算了涂层厚度(0.3~0.5 mm）与入射角度(0°~60°)的变化对入射太赫兹波反射特性的影响。结果表明,在相应厚度及入射角度范围内,太赫兹波在0.8 THz频率下具有多个反射峰值,最高值可达90%以上,有利于实现太赫兹波对红外低发射率隐身涂层下金属目标的探测。此外,涂层厚度变化对入射太赫兹波反射率具有较大影响,涂层越厚,太赫兹波的反射振荡越多,反射峰值越大。入射角度对太赫兹波的反射特性具有一定的影响,但整体影响不大,有利于太赫兹波实现多角度目标的探测。最后,以表面均匀涂覆0.42 mm厚涂料的金属板为测试样品,实验测量了样品在0.1~1.5 THz频率范围内的反射特性,并与部分理论计算结果进行对比。结果表明：实验测量结果与理论计算结果在数值和趋势上较为吻合,但也存在一定的偏差。究其原因,主要由样品厚度和样品参数误差导致,但依然可利用特征矩阵理论研究红外低发射率涂层对太赫兹波的反射光谱特性。     

非朗伯体红外测温计算研究

根据红外辐射理论和红外热像仪的测温原理,建立了红外热像仪测温的通用数学模型;基于物体表面法向发射率的特点,简化了热像仪测温的数学模型,得到了红外热像仪测温的计算公式。通过相关实验,验证了在一定的温度范围内,物体的发射率和反射率之和基本保持不变这一结论。物体的发射率与反射率之和a与物体种类、表面状况及物体温度有关。物体与朗伯体越接近,a越大,其值越接近于1;物体表面状况偏离朗伯体越远,表面越光滑,越小。实验表明,若物体接近朗伯体,则可将其视为朗伯体,无需进行实际物体修正;对于非朗伯体(特别是表面光滑且发射率较低的物体),需要对其红外测温进行修正,否则将增大测温误差,甚至偏离其真实温度很远。该研究表明,通过修正,可以对非朗伯体进行红外测温。     

一种用于MOCVD石墨盘的红外测温装置

根据MOCVD (metal organic chemical vapor deposition)在线红外测温的发展需要,结合Thomas Swan CCS MOCVD反应室的结构特征,考虑加热比调节空烧过程的特定条件,设计了一种能够在线监测MOCVD石墨盘上表面温度及径向19个点温度分布的简易940 nm红外测温装置。通过安装于光学视窗上方的红外探头,探测高温石墨盘及外延片的红外辐射强度,根据Planck黑体辐射公式及光谱发射率修正进行测温。红外测温装置主要由可读数轨道、红外探头、连接板以及精密平移台4部分组成。将该装置应用于MOCVD Si(111)衬底上制备InGaN/GaN多量子阱(MQW)结构外延片加热程序的空烧过程,结果表明:最低能够测量的温度为430℃,700℃~850℃测量误差在2.3℃内,900℃~1 100℃测量误差在1℃内,700℃~1 100℃范围内,重复性均在0.6℃内,无需反射率修正、探孔有效面积校准;能稳定工作。     

目标表面发射率对红外热像仪测温精度的影响

介绍了红外热像仪测温原理,分析了影响红外热像仪测温精度的因素,计算了不同表面发射率下红外热像仪的测温误差曲线。理论分析表明,目标表面发射率越高,红外热像仪测温精度越高。实验改变表面发射率的设置,计算了不同表面发射率对应的总辐射亮度,得到TP8型长波红外热像仪能够精确测温时,目标表面发射率必须大于0.5的结果。最后,对表面发射率分别为0.96、0.93和0.3的3种材料进行实际测温,结果表明,材料表面发射率较高时,红外热像仪具有较好的测温精度。     

中红外波段地表发射率特性分析

陆表温度(LST)在地-气相互作用过程中扮演着重要的角色,是全球变化研究的关键参数。陆表发射率是陆表温度反演的关键输入参数之一。中红外谱区(3~5 μm)介于可见光-近红外谱区(0.38~2.5 μm)与热红外谱区(8~14 μm)之间,地物的发射率在该谱区表现出独特的光谱特性,可用于霜冻监测、矿物成分分析等研究。由于传感器在中红外谱区探测到的能量既有来自于地物自身发射的热辐射能量,又有反射的太阳辐射能量,这两部分的能量分离机理比较复杂,因此中红外谱区发射率特性分析的相关文献较少。本文针对单一均匀地表和具有混合像元的复杂地表计算了MODIS红外通道的有效发射率,发现通道有效发射率在单一均匀地表下与温度的耦合效应不强烈;但在复杂地表下,通道有效发射率与混合像元内的成分比例以及成分的地表温度具有耦合效应。在误差允许的范围内,混合像元的有效发射率可以忽略成分地表温度的影响。发射率误差对陆表温度反演精度的敏感性随着波长的变化而变化。在热红外波段,敏感性是其在中红外波段的2倍左右,说明利用中红外波段进行陆表温度反演具有一定的优势。     

目标表面发射率对红外热像仪测温精度的影响

介绍了红外热像仪测温原理,分析了影响红外热像仪测温精度的因素,计算了不同表面发射率下红外热像仪的测温误差曲线。理论分析表明,目标表面发射率越高,红外热像仪测温精度越高。实验改变表面发射率的设置,计算了不同表面发射率对应的总辐射亮度,得到TP8型长波红外热像仪能够精确测温时,目标表面发射率必须大于0.5的结果。最后,对表面发射率分别为0.96、0.93和0.3的3种材料进行实际测温,结果表明,材料表面发射率较高时,红外热像仪具有较好的测温精度。     

红外热成像法测量薄膜热物理参数

研究了一种利用稳态红外热成像法实现自悬浮薄膜面内热导率测量的方法。从一维热传导方程出发,建立了稳态时薄膜表面温度分布的理论模型,利用稳态理论模型,只需测量薄膜边缘温度及厚度,便可同时得到面内热导率、发射率及热流,无需测量薄膜对可见光的吸收率。仿真表明,当薄膜的温升不超过5K时,可以保证拟合得到的面内热导率与理论值的误差低于3%,薄膜样品x方向的最小尺寸为6mm。对厚度为900nm的自悬浮聚酰亚胺薄膜进行实验测量,拟合得到的面内热导率为2.04W/mK、红外发射率为0.92、x=0处的热流为1.77×10~4W/m~2。实验结果与查阅文献的测量值一致,证明方法可以用来测量自悬浮薄膜的面内热导率。     

植被红外特征的多孔介质模拟

利用流动介质在多孔材料孔隙通道内的渗流和表面蒸发与植物叶片的蒸腾作用相似的原理,设计一种多孔仿真叶片,建立多孔仿真叶片及实际叶片的理论模型,研究孔隙率、仿真叶片厚度、多孔材料固体颗粒的有效直径对仿真叶片表面温度的影响,并比较处于同样环境条件下的植物叶片与仿真叶片表面温度的变化情况,发现厚度0.5 cm,孔隙率0.05,颗粒有效直径2.5 mm的仿真叶片与植物叶片表面温度最接近,全天温差在3℃以内.     

连铸坯表面发射率的测量研究

铸坯表面发射率是影响铸坯表面温度测量的一项重要的物理参数。利用辐射能比较测量发射率的方法,研制了一套高温铸坯发射率测量装置,其主要由加热系统、角度旋转系统、温度检测系统、真空控制系统以及背景辐射屏蔽系统等5部分组成。利用该装置测量了GCr15钢在不同角度、不同温度及不同氧化程度下的表面发射率。研究表明:角度增加对发射率的影响具有先增大后减小的变化规律;发射率会随着氧化程度的加深而变大,并且发射率极值点所对应的角度逐渐减小;随着温度的增加,发射率会随之增大,但是当温度超过1000℃后,其对发射率的影响较小。当温度为1000℃以上时,深度氧化的GCr15钢发射率的最大不确定度为0.0205。     

空间目标红外双波段比色测温法精度分析

针对空间目标与地基望远镜红外成像传感器终端之间的不确知参量将降低双波段比色测温法求解精度,且精度影响程度未知,假设目标为灰体,对包含不确知参量的最大似然估计函数关于发射率求偏导,建立基于红外探测器测量电子数的双波段比色测温数学模型,并进行双波段比色测温法的蒙特卡洛仿真实验与精度分析。对于大气透过率的估算,提出应用红外自然星体的大气透过率现场标校方法。空间目标温度反演精度与成像探测器的信噪比、大气透过率、地球热辐射以及波段之间的发射率差异等未知参量的估算精度有关。结果表明:信噪比高于20,波段之间发射率差异小于0.03,地球热辐射预测精度优于50%,大气透过率预测精度优于10%时,比色测温法优于40 K的温度估计精度。     

激光制造中双光谱测温法发射率的补偿优化

为进一步提高温度测量精度,以激光照射下普通钢的熔池为研究对象,通过对发射率模型的合理假设,实现了双光谱测温系统的补偿优化。测量结果显示,针对普通钢的温度测量时,发射率采用指数模型可以取得很好的测量效果,测量误差在4%以内。同时,在同一种测量条件下将优化后的测温法与传统的比色法测温进行精度比较,证实与比色法相比该方法的误差显著减少。通过对数据处理的误差做定量分析,得出其误差在13~25 ℃之间。     

表面结构对面源黑体光谱发射率的影响

随着红外测温技术的快速发展,红外测温仪在军事及民用领域得到广泛应用,对测量准确度的要求提升到了新的高度。面源黑体辐射源作为非接触测温设备校准的核心装置,近年来受到广泛的关注。发射率是描述辐射源性能的重要指标,目前缺少黑体表面形貌对发射率影响的研究。面源黑体发射率主要由表面凸锥结构和涂覆涂层决定。为设计出高发射率面源黑体,以具有凸锥结构的面源黑体为基础模型,引入间距及涂层结构,建立具有不同表面结构参数、单元间距及涂层厚度的面源黑体模型,设置基底材料为石墨,涂层材料为氮化硅,通过有限元软件得到仿真模型的反射率,利用反射率反演得到其发射率,绘制3～14μm范围内的光谱发射率曲线;研究面源黑体表面的电场分布情况。分析结构单元的宽高比、涂层厚度和结构单元间距等参数对发射率的影响。结构单元高度与发射率成正比、较窄的宽度对发射率有优化作用,发射率随宽高比的减小而增大。涂层结构改变了光谱发射率的下降趋势,在11μm后发射率上升,发射率随厚度增加而增大;单元间距变化与发射率成正比。设置初始面源黑体单元结构高度为10μm、宽度为1μm,在该模型上依次添加2μm涂层及2μm间距结构,进行仿真计算。优化后黑体...     

全天时紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统

紫外高光谱瑞利测温激光雷达是一种探测大气温度廓线的有效工具。目前,紫外高光谱瑞利测温激光雷达通常采用355nm波长的光,然而白天太阳背景光辐射会影响雷达系统的信噪比(SNR),进而制约温度探测的距离和精度。针对大气温度的全天时探测,提出了基于法布里-珀罗标准具的266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统。由于到达地面的太阳背景光辐射不包含266nm波长的光,只需考虑臭氧对266nm波长光吸收的影响,进而实现全天时大气温度的探测。基于脉冲能量、望远镜直径、望远镜接收视场角、臭氧浓度以及太阳背景光强度等主要影响参数,对266nm和355nm两个波长紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的谱宽、透过率、回波信号SNR以及温度偏差参数进行数值仿真和对比分析。结果表明,大气分子和气溶胶散射对266nm波长光的影响远大于对355nm波长光的影响。白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离为4km左右,比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离远2.9km;夜间266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统有效探测距离为6km。探测距离小于5km时,白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差小10K。266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达可实现全天时大气温度的探测。     

全天时紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统EI北大核心CSCD

紫外高光谱瑞利测温激光雷达是一种探测大气温度廓线的有效工具。目前,紫外高光谱瑞利测温激光雷达通常采用355nm波长的光,然而白天太阳背景光辐射会影响雷达系统的信噪比(SNR),进而制约温度探测的距离和精度。针对大气温度的全天时探测,提出了基于法布里-珀罗标准具的266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统。由于到达地面的太阳背景光辐射不包含266nm波长的光,只需考虑臭氧对266nm波长光吸收的影响,进而实现全天时大气温度的探测。基于脉冲能量、望远镜直径、望远镜接收视场角、臭氧浓度以及太阳背景光强度等主要影响参数,对266nm和355nm两个波长紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的谱宽、透过率、回波信号SNR以及温度偏差参数进行数值仿真和对比分析。结果表明,大气分子和气溶胶散射对266nm波长光的影响远大于对355nm波长光的影响。白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离为4km左右,比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离远2.9km;夜间266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统有效探测距离为6km。探测距离小于5km时,白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差小10K。266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达可实现全天时大气温度的探测。     

一种应用于MOCVD的3波长在线红外测温方法

根据金属有机物化学气相沉积(MOCVD)在线红外测温的发展需要,提出一种3波长免探测孔有效面积校准和反射率修正的测温方法。给出了探测1 300 nm、1 150 nm、940 nm 3波长的在线测温探头设计方案和光路图,将该探头应用于THOMAS SWAN CCS MOCVD 5.08 cm (2英寸)Si(111)衬底上生长10 μm GaN外延层的在线测温。测量结果表明:在700 ℃~1 100 ℃范围内,探头多次测量的重复性误差在1.0 ℃内,在950 ℃~1 100 ℃范围内,以EpiTT红外测温仪为参考,探头测温精度在1 ℃内,距离容差性为2 mm。该探头应用于我国自主研发的MOCVD 5.08 cm Si(111)衬底上生长InGaN/GaN MQW结构蓝光LED外延片,可得最低测温量程为435 ℃,n-GaN生长过程中测量噪声为0.75℃。结果分析表明:该3波长免修正在线红外测温法对于高质量单层薄膜外延生长具有一定可行性,对于多层复杂结构外延生长需要进一步改进。     

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%.     

双波长激光路面气象传感方法

为解决传统接触式路面气象传感器寿命低、安装不便、易破坏路基等问题,用1 310 nm、1 430 nm两种波长的激光器作为探测光源,结合红外测温辅助,研究了一种非接触的路面气象传感方法。该方法通过测量不同路面状态下由光源照射形成的后向散射光强,得到水、冰介质膜在两个特征波长下的反射率;通过设定反射率和红外温度信号的判别逻辑,可以分辨多种路面状态,包括干燥、潮湿、积水、结冰和结霜;以朗伯比尔定律为基础建模实现积水、结冰厚度检测,利用反射率零点自动判别校准测量模型参数,无需现场标定即可在不同道路条件下实现精准测量。实验证明,该方法路面状态判别准确,水/冰厚度检测量程达到3 mm,精度均为±0.2 mm,具有结构简单、探测距离远、成本低等特点,有良好的实用价值。