名词

黑体在任何温度下对所有波长的电磁辐射的光谱吸收比恒为1的辐射体，亦称绝对黑体．黑体在自然界并不存在，只是一种理想化的模型，但可用人工制作接近于黑体的模拟物．把一封闭空腔开一小孔，光穿过小孔进入空腔后，在空腹内壁反复反射，重新从小孔射出的机会极少，即使有机会从小孔射出，由于经历了多次反射而损失了大部能量．对空腔外的观察者来说，小孔对任何波长电磁辐射的光谱吸收比都接近了1，故可看作是黑体。将基尔霍夫辐射定律应用到黑体，有r。（．T）＿～～5。rn（尺，T）＝f（几，T）．QO（，7，）可见，基尔霍夫辐射定律中…     

湍流自然对流与表面辐射相互耦合的开口空腔中的流动与传热

用数值方法分析了开口空腔中的湍流自然对流与表面辐射相互耦合的复杂传热。结果表明,不论过热度θ_o值大小如何,只要壁面发射率ε,不是太小,辐射换热在复合换热中所占的份额均是不可忽略的。     

空间基准黑体源发射率影响因素研究

空间基准黑体源对气候变化监测、防灾减灾、红外定标等方面的发展具有重要意义。空腔发射率作为空间基准黑体源最关键的表观辐射特性,在红外探测设备的校准过程中需要保持较低的不确定度。针对空间基准黑体源的定向发射率开展相应的理论建模和实验测量研究。在反向蒙特卡罗法和涂层表面辐射特性的基础上构建了方向发射率计算模型,分析了探测距离、温度非均匀性、涂层表面辐射特性等因素对空腔发射率的影响。然后,采用受控背景的材料发射率测量系统开展了相应的实验研究。研究结果可为空间基准黑体源的设计、开发与溯源提供理论指导。     

一种含柱形空腔结构橡胶层的吸声机理及优化

采用有限元法,分析了含单层柱形空腔橡胶层(厚度20 mm)的吸声性能,表明其吸声峰频率比相同尺寸的球形空腔低,这与单个柱形和球形空腔的单极共振频率相对应,通过谐波散射分析证实了空腔单极共振引起的能量耗散增强了声波的吸收。采用能量耗散功率及位移场分布,对柱形空腔结构的吸声机理进行了深入分析.其次,在钢背衬条件下分析了横波损耗因子对橡胶层吸声特性的影响,并采用遗传算法对含不同尺寸柱形空腔橡胶层在1.5—10 kHz频段上的吸声特性进行了优化,获得了较好的宽频吸声效果.     

薄膜的光谱发射率

本文讨论了薄膜内的多次反射对低吸收薄膜光谱发射率的影响。这里推导出的薄膜发射率的表达式与薄膜厚度d和其光学常数n(λ）和k(λ）有关。在d→∞的特殊情况下，薄膜发射率与大块材料发射率相等。给出了实际数值评价及发射率与d、n(λ）和k(λ)相互关系的更为精确的数值结果。     

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。     

基于积分球反射计的红外光谱发射率测量系统校正方法

针对非理想参考反射标准对光谱发射率测量结果的影响,基于积分球反射计的红外发射率测量系统原理,提出了一种适用于反射法光谱发射率测量系统的校正方法。通过参考反射标准样光谱反射率的数据拟合,得到反射率的曲线方程,计算反射测量系统的校正系数,校正参考标准样的输出电压,推导出光谱反射率为1的参考标准样输出电压曲线,消除了非理想参考标准造成的系统误差。应用该修正方法对基于积分球反射计的太阳能选择吸收涂层光谱发射率测量系统进行了校正,将校正后的光谱发射率测量结果与能量比较法的测量结果进行对比,验证了校正方法的可行性,有效性,提高了光谱发射率测量的准确度。     

温度变化下研磨金属表面反射率和发射率的测量

介绍了测量材料表面双向反射分布函数和发射率的原理和方法,搭建了532 nm和1 064 nm波长双向反射分布函数和表面发射率测量平台,对经金刚砂(320目)研磨后金属靶板表面的反射率和发射率及中等温升情况下的变化特性进行了实验测量。测量结果表明,粗糙金属靶板表面近似为朗伯辐射体,反射率低于0.25。在常温至320℃范围内,靶板表面反射分布、反射率和发射率的变化幅度较小。     

基于微面斜率法的粗糙表面半透明介质层光谱散射特性分析

对具有一维高斯分布粗糙表面的半透明介质层光谱散射,基于微面斜率法建立了考虑遮蔽效应的粗糙表面光谱辐射传递概率模型,采用蒙特卡罗法模拟光谱辐射能束在粗糙表面、半透明介质层介质与镜反射基底之间的多次反射、折射和吸收等传递过程。通过数值模拟,分析了介质层表面粗糙度、光谱光学厚度、折射率和基底反射率对介质层双向反射分布函数(BRDF)的影响。结果表明,表面粗糙程度不同时,反射峰值随入射角度呈现不同的变化趋势;表面粗糙度增加或折射率增大都将导致漫反射份额增大;介质层光谱光学厚度和基底反射率主要影响BRDF的数值大小,而对BRDF的分布形态影响很小。     

太阳能热光伏系统辐射器热设计

本文针对太阳能热光伏系统中的能量吸收模块,建立了不同结构的灰体辐射吸收器吸收太阳能及瞬态导热过程的数理模型.通过数值模拟获得了吸收相同太阳能时各辐射器的温度分布及能量泄漏量,结果表明在四种辐射器结构中,球形辐射器具有较好的辐射热性能,更适用于STPV系统;而通过将四种不同材料的选择性辐射器和灰体辐射器比较发现,选择性辐射器可显著减小辐射能量中的不可用部分,从而提高系统性能和稳定性.     

红外光学系统内部构件热辐射分析

红外光学系统的内部构件由于呈现于光路之中,其表面热辐射将会通过光学系统到达探测像面而引起背景辐射噪声。本文利用LightTools分析软件对一套折反式红外光学系统内部机械构件的主要表面的热辐射进行了分析,得到了探测像面接收到的热辐射的量级。分析了三种不同的表面反射率的情况,能够用于指导如何进行表面处理和结构设计的改善。     

空腔"黑体"辐射的简单模型及推论

建立了一个简单的模型来描绘空腔辐射中腔壁与辐射场的能量交换,由此可以得到空腔辐射平衡场能谱的性质,基尔霍夫定律,以及空腔与黑体的关系．     

Experimental study of the relationships between the spectral emissivity of brass and the temperature in the oxidizing environment

Effect of surface oxidization on the spectral emissivity of brass is studied over the temperature range from 800 to 1070 K at the wavelength of 1.5 μm. The temperature of brass surface is measured by averaging the two R-type platinum–rhodium thermocouples. The radiant energy emitted by the brass surface is received by an InGaAs photodiode detector. Two kinds of relationships between the spectral emissivity and the temperature are investigated in the oxidizing environment at the elevated temperature. One is the variation of spectral emissivity with the heating-duration time at the given temperature. The other is the variation of spectral emissivity with the temperature at the given heating-duration time. The interference effect of radiation coming from the brass surface and coming from the oxidization film is discussed when the oxidation film on the surface is grown. The resonant structures of spectral emissivity are observed during the whole heating period, in particular at the early stage of heating duration. The analytic formula of spectral emissivity versus the temperature is derived at the heating-duration time of 30, 60, 90, 120, 150, 180, 210, 240, 270 and 300 min, respectively. The conclusion is obtained that coefficients of analytic expressions between the spectral emissivity and the temperature are different from each other for the experimental results obtained at the different heating-duration time, though the polynomial functional form is suitable to fit all the measurements obtained in the present work.     

基于约束优化的多光谱辐射真温反演算法

多光谱辐射测温是通过测量待测物某点的多个光谱辐射强度信息,通过普朗克公式反演获得真实温度。但是,通过普朗克公式获得的多光谱辐射测温方程组,是欠定方程组,即N个方程,N+1个未知数(N个未知的光谱发射率ε_λi和1个待求真温T)。目前,多采用事先假设一组发射率模型(发射率-波长或发射率-温度模型),假设模型与实际情况如果相符,则反演结果能够满足要求,如果假设模型与实际情况不符,则反演结果误差很大。但是,发射率模型受温度、表面状态、波长等诸多因素影响,难以事先确定发射率模型。因此受未知光谱发射率的制约一直是多光谱辐射测温理论面临的主要障碍,能否在无需任何光谱发射率假设模型的情况下,实现真温和光谱发射率的直接反演一直是多光谱辐射测温理论研究的热点和难点。通过对参考温度模型的分析表明,多光谱辐射测温反演过程的实质是寻找一组光谱发射率,使得每个通道方程解得的真温都相同,如不相同则继续寻找合适的光谱发射率,直到每个通道解得的真温都相等。为此,提出将多光谱辐射测温参考温度模型的求解过程转换为约束优化问题,即在光谱发射率0≤ε_λi≤1的约束条件下,通过梯度投影算法不断寻找光谱发射率,带入多光谱辐射测温参考温度模型方程组后,计算温度反演值的方差,直到每个光谱通道方程获得的温度值应该近似相等,此时各个光谱通道的温度反演值方差最小,这样就把多光谱辐射真温和发射率的反演问题转换为约束优化问题。约束优化算法是解决这一类问题的主要方法,但为了满足Ax≥b的约束条件,将0≤ε_λi≤1分解为ε_λi≥0和-ε_λi≥-1的两个约束条件,从而满足了约束优化问题Ax≥b的约束条件。这样就可以通过约束优化算法在无需任何光谱发射率假设模型的条件下,直接求解真温和光谱发射率。实验采用六种不同光谱发射率分布模式(随波长递增、递减、凸波动、凹波动、“M”型波动、“W”型波动)的材料为研究对象,以验证新算法对不同材料光谱发射率分布反演的适应性,利用Matlab的minRosen函数,选择光谱发射率的初始值均为0.5(取中间值,提高计算效率)。针对六种不同光谱发射率模型的仿真结果表明,新算法无需任何有关发射率的先验知识,对不同发射率模型反演结果均表现较好,在真温1 800 K的情况下,绝对误差均小于20 K,相对误差均小于1.2%,新算法具有无需考虑任何光谱发射率先验知识、反演精度较高及适合于各种发射率模型等优点,进一步完善了多光谱辐射测温理论,在高温测量领域具有良好的应用前景。     

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.     

Simple method for calculating the local effective emissivity of the blackbody cavity as a temperature sensor

A blackbody cavity is used as a temperature sensor for measuring the average temperature of the molten liquid. Due to the deviation of fabrication and installation, the detector usually receives the radiation from the different regions of the measuring cavity, so the local effective emissivity distribution is an important parameter to evaluate the measuring temperature discrepancy of a blackbody cavity sensor. We introduced the net-radiation method into the finite element method and extended it to calculate the local effective emissivity of blackbody cavities. It was applied to three typical cavities, and the calculated results are in very well agreement with those in references. This method is simple, easy to use, replicable, and very suitable to evaluate and design a novel cavity.     

Temperature recovery of opaque bodies by thermal radiation spectrum: the use of relative emissivity to select the optimal spectral range

The approach based on relative emissivity was tested and developed using the experimental data. It was assumed that the medium separating an opaque body and measuring device was diathermic or nonradiating (it is characterized by its transmittance); radiation source emissivity and medium transmittance were unknown. Data on comparison of spectral radiances (spectral intensities), obtained within 220–2500 nm for the temperature lamps in the metrological laboratories of Europe, Russia, and USA were used as the initial experimental data. It is shown that the use of relative emissivity allows graphical interpretation for the solution to the initial nonlinear system of equations. In this case, the problem of determining the true temperature of the body by the thermal radiation spectrum in a graphical interpretation is reduced to the choice depending on relative emissivity at the desired temperature. It is shown that to narrow the interval, which includes the true temperature, the criterion was based on a change in convexity of spectral dependence of the relative emissivity in the process of desired temperature selection. The use of relative emissivity in a spectral range, where the Rayleigh—Jeans approximation is satisfied, allows unambiguous determination for the shape of emissivity dependence on the wavelength. The relationship for determination of the peak wavelength within the registered thermal radiation spectrum on the basis of data about the true temperature of the body and its spectral emissivity is presented.     

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。     

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。