辐射温度的数据处理方法

 辐射温度是间接驱动惯性约束聚变实验中可以定量测量的重要物理量。引进了一种通过直接计算辐射通量来得到辐射温度的方法,该方法的主要优点是计算简单,避免了某些时刻不能计算辐射温度的情况。由该方法得到的辐射温度与传统方法计算结果符合较好,不确定度均为7%。通过与冲击波测量温度峰值的结果对比确认了数据处理方法的正确性。在此基础上建立了国内某大型激光装置上的新型15道软X光能谱仪的数据处理系统。     

高速碰撞诱发闪光辐射温度的测量及误差分析

为实现对高速碰撞诱发的闪光辐射温度进行实验测量及误差分析,建立了二级轻气炮加载系统及闪光辐射温度测量系统。采用聚碳酸酯弹丸分别以6 km/s、3.9 km/s的速度垂直撞击2A12铝靶,利用瞬态光纤高温计采集闪光信号,通过比色法计算不同碰撞条件下的闪光辐射强度及辐射温度。依据普朗克辐射定律计算了不同波长及温度条件下的闪光辐射强度理论值,与实验测量结果相比较并进行了误差分析;分别采用双色测温法的不同波长组合及四色测温法计算了闪光辐射温度及其平均温度,通过计算标准差分析了波长的选取对闪光辐射温度的影响。结果表明：与理论计算结果相比较,实验测量得到的闪光辐射强度值偏低,采用双色测温法计算闪光辐射温度时波长的选取对计算结果影响很大,波长间隔越大计算结果误差越小（误差最小值实验No.1为68.25 K,实验No.2为30.67 K）;四色测温法计算得到的闪光辐射温度与平均温度相近（误差实验No.1为72.88 K,实验No.2为63.66 K）,因此采用比色法计算闪光辐射温度时应尽量选取大间隔波长或多个波长参与计算以降低误差。     

圆形渐变滤光片光谱辐射计辐射定标

基于分区线性法对圆形渐变滤光片型光谱辐射计开展辐射定标研究,以解决温度范围大、工作波段宽的测量目标对该类型光谱辐射计造成的非线性问题。所提光谱辐射计的主要技术原理是将待测目标的温度区间分为多个子区间,采集目标温度区间内多个不同温度黑体对应的测量光谱,并计算各个温度下的响应度函数。在进行红外光谱测量时,将目标光谱与区间内记录的不同温度点光谱进行比对,从而确定待测目标所属温度子区间的上下限。根据子区间计算的响应度函数,通过线性插值求得待测目标的响应度函数并进行辐射定标。基于该方法的实验结果表明,待测目标理论辐亮度与使用分区线性法进行辐射定标得到的辐亮度在波长范围内的平均偏差小于1%。通过定标结果反演测量黑体的等效温度,等效温度误差小于2%。     

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。     

三维燃烧介质和壁面温度的非接触联合重建研究

温度分布在线实时测量对于燃烧过程优化和污染物控制具有重要意义, 针对以往非接触三维温度分布重建过程的耗时性问题和忽略壁面辐射的不足, 本文提出了一种新的离散重建模型, 用于三维吸收、 发射和散射性高温燃烧介质以及壁面温度的快速联合非接触测量. 该模型以四个CCD(Charge Coupled Device) 为测量传感器, 通过构建辐射逆问题求解方程, 从CCD输出的辐射投影图像重建温度分布. 介质中不同投影方向内的辐射传递过程通过离散传递法来描述, 介质的散射和壁面反射则通过离散坐标法来近似. 离散后计算局部辐射强度的病态方程通过最小二乘余量法来求解, 论文对其计算速度进行了优化. 通过非对称温度分布测量算例分析了该模型的有效性, 讨论了测量噪音、 介质和壁面辐射特性对重建精度的影响, 并与其他方法对比分析了模型的重建速度. 计算结果表明本文提出的离散模型可以有效地用于大型高温燃烧介质和壁面温度分布的联合非接触测量. 即使在有噪声的情况下, 该模型也能获得准确的测量结果, 与其他计算方法相比, 采用改进的最小二乘余量法, 能有效地提高温度分布的重建计算速度.     

基于辐射光谱法的高温颗粒辐射传热参数在线测量方法研究

针对在高温燃烧环境中的颗粒辐射传热问题,基于普朗克辐射定律,提出了用于高温颗粒辐射传热参数在线测量的辐射光谱法,根据高温颗粒可见波段辐射光谱随波长变化情况,通过参数拟合方法直接获得颗粒温度及辐射强度等辐射传热参数。为验证该方法测量准确性,搭建了高温黑体炉辐射测量系统,实验测量结果显示：温度测量值与设定温度相对偏差小于3%;辐射强度测量值与理论计算值相对偏差小于5%。以此为基础,设计了应用于高温燃烧环境下的颗粒辐射传热参数测量的水冷结构探针,并利用该探针开展了高温燃烧环境气固两相流200～1 100 nm波段辐射光谱测量,基于上述方法,直接获得了高温颗粒温度、辐射强度等辐射传热参数沿截面分布情况,有效剥离了高温气体对流传热的影响,为高温颗粒辐射传热研究提供数据支撑。     

用于气象观测的阵列式温度传感器流体动力学分析与实验研究

传统百叶箱和防辐射罩内部的温度传感器受到太阳辐射会导致其温度高于大气真实温度, 升温量可达0.8 K甚至更高. 为提高大气温度观测精度, 本文设计了一种阵列式温度传感器. 利用计算流体动力学方法分析计算该传感器在不同环境条件下的辐射升温量, 采用遗传算法对计算结果进行拟合, 获得辐射升温量修正方程. 为验证阵列式温度传感器的实际性能, 研制了强制通风温度测量平台. 将阵列式温度传感器、配有传统防辐射罩的温度传感器和强制通风温度测量平台置于相同环境下, 进行大气温度观测比对实验. 配有传统防辐射罩的温度传感器辐射升温量平均值为0.409 K; 与前者相比, 阵列式温度传感器的辐射升温量仅为0.027 K. 这种阵列式温度传感器可将辐射升温引起的误差降低约93%. 辐射升温量实验测量值与修正方程修正值之间的平均偏移量为0.0174 K, 均方根误差为0.0215 K, 该结果验证了计算流体动力学方法与遗传算法的准确性. 如果配合计算流体动力学方法与遗传算法, 温度测量精度有进一步提高的潜力.     

基于辐射光谱法的高温颗粒辐射传热参数在线测量方法研究（英文）

针对在高温燃烧环境中的颗粒辐射传热问题,基于普朗克辐射定律,提出了用于高温颗粒辐射传热参数在线测量的辐射光谱法,根据高温颗粒可见波段辐射光谱随波长变化情况,通过参数拟合方法直接获得颗粒温度及辐射强度等辐射传热参数。为验证该方法测量准确性,搭建了高温黑体炉辐射测量系统,实验测量结果显示:温度测量值与设定温度相对偏差小于3%;辐射强度测量值与理论计算值相对偏差小于5%。以此为基础,设计了应用于高温燃烧环境下的颗粒辐射传热参数测量的水冷结构探针,并利用该探针开展了高温燃烧环境气固两相流200～1 100nm波段辐射光谱测量,基于上述方法,直接获得了高温颗粒温度、辐射强度等辐射传热参数沿截面分布情况,有效剥离了高温气体对流传热的影响,为高温颗粒辐射传热研究提供数据支撑。     

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。     

高气压钠电弧的温度分布

本文介绍一种计算高气压钠电弧温度分布的方法,在电弧处于局部热平衡状态的假定下,采用扩散近似来得到辐射通量密度,计算中考虑了由于热导、辐射的发射和吸收等因素所引起的能量转移。用这一方法计算了250Torr压强下钠放电的特性,并用Bartels方法对该电弧进行了实验诊断,将计算得到的温度与实验测量进行了比较。 关键词：     

重复高压脉冲产生与成形一体化装置研制

介绍了脉冲变压器与分布参量形成线相结合的高功率脉冲产生与成形一体技术,简要阐述了采用该技术的高压脉冲发生器的基本设计思想。研制的脉冲变压器与形成线一体化装置利用变压器的同轴开环铁芯来充当分布电参量脉冲形成线的内外导体,将脉冲功率源中最重要的两个独立部件有机结合起来,实现了结构的紧凑性。高压脉冲发生器在重复频率100 Hz、变压器工作电压1.65 MV时能够稳定运行,输出脉冲电压760 kV,峰值功率23 GW,脉冲宽度大于40 ns。     

Reduction of laser spot elongation in adaptive optics

Adaptive optics systems measure the wave front to be corrected by use of a reference source, a star, or a laser beacon. Such laser guide stars are a few kilometers long, and when observed near the edges of large telescopes they appear elongated. This limits their utility significantly. However, with more sophisticated launch optics their shape and length can be controlled. We propose to string around the rim of a telescope a number of small telescopes that will add laser beams in the scattering medium to create a compact spot. The method could also be adapted for ocular adaptive optics.     

自适应光学系统时域特性分析

分析了激光导星发出的波前通过湍流大气所造成的波前相位畸变的时间功率谱 ;根据湍流相位时间功率谱和自适应光学系统的传递函数 ,比较了使用自然导星和激光导星时自适应光学系统的时间响应误差 ;讨论了使用自然导星时自适应光学系统的时域优化问题。     

Constrained matched filtering for extended dynamic range and improved noise rejection for Shack-Hartmann wavefront sensing

We recently introduced matched filtering in the context of astronomical Shack-Hartmann wavefront sensing with elongated sodium laser beacons [Appl. Opt. 45, 6568 (2006)]. Detailed wave optics Monte Carlo simulations implementing this technique for the Thirty Meter Telescope dual conjugate adaptive optics system have, however, revealed frequent bursts of degraded closed loop residual wavefront error [Proc. SPIE 6272, 627236 (2006)]. The origin of this problem is shown to be related to laser guide star jitter on the sky that kicks the filter out of its linear dynamic range, which leads to bursts of nonlinearities that are reconstructed into higher-order wavefront aberrations, particularly coma and trifoil for radially elongated subaperture spots. An elegant reformulation of the algorithm is proposed to extend its dynamic range using a set of linear constraints while preserving its improved noise rejection and Monte Carlo performance results are reported that confirm the benefits of the method.     

Versatile Raman fiber laser for sodium laser guide star

Robust high‐power narrow‐linewidth lasers at 589 nm are required for sodium laser guide star adaptive optics in astronomy. A high‐power 589 nm laser based on Raman fiber amplifier is reported here, which works in both continuous‐wave and pulsed formats. In the continuous‐wave case, the laser produces more than 50 W output. In the pulsed case, the same laser produces square‐shaped pulses with tunable repetition rate (500 Hz to 10 kHz) and duration (1 ms to 30 μs). The peak power is as high as 84 W and remains constant during the tuning. The laser also emits an adjustable sideband at 1.71 GHz away from the main laser frequency for better sodium excitation. The versatility of the laser offers much flexibility in laser guide star application.     

激光雷达大气湍流测量方法研究

 报道了一种用激光雷达方法测量大气湍流的技术，利用发射激光束在空间所需位置产生一个聚焦光斑，通过此光斑处的大气分子瑞利散射机制形成一个空间的人造散射光源，接收系统对此光源的散射光进行探测，测量出从地面到此空间散射光源之间的大气湍流参数。给出了对武汉上空大气湍流测量的初步结果。得到了不同高度层的大气相干长度随时间的变化特性、平均值和起伏均方差，并对实验测量和模型计算的大气折射率结构常数在相应高度段的积分值进行了比较，二者积分值都在10-12量级，得到的结果基本相符。这种测量方法的实现，为测量空间不同方位、不同距离的大气湍流提供了一种新的手段。     

Image restoration of multiple noisy images by use of a priori knowledge of the anisoplanatic point-spread function

We propose and simulate an iterative maximum-likelihood image reconstruction method that uses multiple images taken through the turbulent atmosphere under photon-limited conditions. The method assumes that the point-spread function corresponding to each image has been measured by a guide star or other technique. Although a guide star is still required, wave-front correction is achieved through postprocessing instead of by the mechanical methods currently used with adaptive optics. A restored image of greatly increased quality was found to be produced after only 10 iterations. Additional iterations continued to reduce the mean-square error.     

用于非完全校正自适应光学系统的人造导星

讨论了使用激光导星的非完全补偿自适应光学望远镜性能与导星亮度之间的关系,给出子孔径上剩余波前误差均方根值大于0.10λ,子孔径直径大于大气相关长度r_o时为产生瑞利导星和Na导星分别需要的激光能量.     

Astronomical adaptive optics in parameter space

We present a general, undiscretized formulation of astronomical adaptive optics that encompasses arbitrary guide star sources and deformable mirror configurations. It is shown that wave-front measurements can be represented as samples of an integral transform of the turbulence perturbation and also that the desired information for adaptive correction is a subset of this transformed space. Some properties of this space are explored, and their implications for adaptive optics are discussed.     

基于布洛赫方程的多色信标回波光子数数值仿真

信标技术历经了自然信标、瑞利信标、钠信标以及信标阵列的发展过程仍无法实现真正意义上的全天空覆盖,而多色信标是大口径地基自适应望远镜实现100%天空覆盖率的有效手段之一.但是现有的多色信标的仿真模型都存在着一定的不足,特别是对一级激发中间层钠原子形成多色信标的仿真模型无法准确计算出多色信标的回波光子数.本文提出了基于布洛赫方程的仿真模型,对一级激发中间层钠原子形成多色信标回波光子数进行数值仿真,充分考虑多普勒展宽、进出作用场、碰撞以及反冲作用的影响,并采用回光效率描述回波光子数的多少.仿真结果表明,存在最优的激光器线宽使得回光效率达到最大,若采用功率密度为10 W/m~2的激光器激发中间钠层,最优线宽为18 MHz,最大330 nm回光效率为0.907 Photons/[s·sr·atom·(W/m~2)].