基于长波红外光谱的热态锻件温度场测量方法研究

提出一种长波红外光谱的温度场测量方法。将谱色测温原理与三级Fabry-Perot(FP)型Liquid Crystal Tunable Filter(LCTF)相结合,并对测温理论模型中三组非线性相关方程组所得的解进行了优化,以进一步减小误差,使测量值更加客观、真实;然后运用液晶双折射可调谐滤光原理,制作了三级FP型LCTF滤光系统,该系统在一定的长波红外光谱范围内实现了波长的任意调谐,从而保证测温系统的响应快速、准确。该方法测温前无需知晓被测物发射率,且能有效抑制背景光辐射和环境光源对测温精度带来的影响,保证了测温结果的准确性。最后通过matlab仿真软件验证了滤光系统所得红外光谱符合系统设计要求,并通过实验验证了该测温方法的可行性,测温准确性较之传统的单波段红外热像仪得到了提高。     

基于红外光谱的含氧化皮热态锻件温度检测方法

针对大型热态锻件在锻造过程中表面有较厚的氧化皮包裹,导致测温数据存在较大的误差,提出了一种基于红外光谱的测温方法,能有效的消除氧化皮层对测温的影响。该方法通过接收锻件氧化皮表面辐射的红外光谱直接测量氧化皮表面的温度和发射率,然后利用热交换公式推导求出被氧化皮覆盖的热态锻件真实温度。为了更好的抑制接收的红外光谱中各种干扰光谱的透过,提出了三级干涉滤光系统,并利用光谱仿真获得一组最优间隙参数值,提高了测温精度。实验结果表明,该测温方法能够准确测出覆盖有氧化皮高温锻件表面的温度,满足测温精度要求,验证了该测温方法的可行性。     

基于中波红外光谱遥测的温度估计算法

高于绝对零度的物体满足Plank定律,因此红外辐射在一定程度上反映温度。红外辐射测温具有响应速度快,分辨率高,能较好的实现对微小、高速移动等不可接触测量目标的温度测量。用一种先进的双波段红外遥感光谱系统采集不同温度金属的红外发射光谱,分析和研究这些不同温度的光谱数据所具有的不同特征。在此基础上,对样本提取重心位置、波峰位置、波长λ₁的值、波长λ₂的值四种光谱特征,寻找温度与其之间的函数关系;并建立多元线性回归模型,通过光谱反推温度值。实验结果表明,该方法可以有效的分辨有明显温差的高温物体,在实验所测温度范围内的测温绝对误差小于30 ℃,在测量误差小于20 ℃的置信区间内有98%正确率,优于一般系统需要保证目标发射率、大气透射率、环境等效辐射温度等复杂参数高精度的情况下2%的测温精度。该方法可以简单有效的对远距离目标测温,从而进一步拓展红外光谱遥测温度的应用领域。     

红外双色复合仿真系统测温技术研究

为了模拟红外制导时目标和干扰的等效辐射环境,并比较单色测温和比色测温两种方法在复杂环境下目标测温效果的差异,利用红外双色复合仿真系统对空间6 km处目标和干扰弹进行了实物模拟.通过准确标定的热像仪,采用单色和比色测温两种方法对不同温度的目标和干扰进行测试.利用经标定的中波热像仪和长波热像仪对黑体测温,黑体温度为(20~60)℃时,长波热像仪的绝对误差限为0.5 ℃;黑体温度为(50~120) ℃时,中波热像仪的绝对误差限为0.2 ℃.当目标温度为500 ℃、干扰温度为1 000 ℃时,用长波红外、中波红外、比色方法测得的目标温度分别为28.5 ℃、148.3 ℃、322.4 ℃,干扰温度分别为56.7 ℃、223.2 ℃、660.1 ℃.实验结果表明,在复杂环境下采用比色测温方法更能真实反映目标的温度特性.     

基于红外光谱环类锻件内壁状态监测方法研究

考虑到环类锻件内壁状态对于保证工业的生产安全具有重要作用,而基于红外光谱的测温方法可以大大提高测温精度,因此研究基于红外光谱的环类锻件内壁状态监测方法具有重要的意义。为了实时掌握环类锻件的内壁状态,提出一种红外光谱环类锻件内壁状态监测方法。首先利用红外光谱构建了三级FP型LCTF的测温系统,通过获取锻件表面辐射的两个单一光谱运用红外双色测温原理实现锻件表面温度的测量。相比传统的测温方法大大提高了锻件表面的测温精度。其次在拉普拉斯导热微分方程的基础上,运用分离变量法建立了环类锻件内壁状态监测模型;结合红外光谱测温系统测量的温度数据和锻件自身参数信息,实现了环类锻件的内壁状态监测;最后通过仿真实验验证了所提出方法的可行性,实现了环类锻件的内壁状态监测,为保证环类锻件的正常运行提供了理论依据。     

基于红外光谱环类锻件内壁状态监测方法研究

考虑到环类锻件内壁状态对于保证工业的生产安全具有重要作用, 而基于红外光谱的测温方法可以大大提高测温精度, 因此研究基于红外光谱的环类锻件内壁状态监测方法具有重要的意义。为了实时掌握环类锻件的内壁状态, 提出一种红外光谱环类锻件内壁状态监测方法。首先利用红外光谱构建了三级FP型LCTF的测温系统, 通过获取锻件表面辐射的两个单一光谱运用红外双色测温原理实现锻件表面温度的测量。相比传统的测温方法大大提高了锻件表面的测温精度。其次在拉普拉斯导热微分方程的基础上, 运用分离变量法建立了环类锻件内壁状态监测模型;结合红外光谱测温系统测量的温度数据和锻件自身参数信息, 实现了环类锻件的内壁状态监测;最后通过仿真实验验证了所提出方法的可行性, 实现了环类锻件的内壁状态监测, 为保证环类锻件的正常运行提供了理论依据。     

数字图像技术的数字滤光方法在图像测温中的应用

针对在比色测温法中由CCD光谱响应带宽引起的误差,提出了数字滤光的误差校正方法。该方法利用数字图像技术将光谱曲线离散化,采用离散化数据模型展开比色测温计算,在540±10nm绿光段和640±10nm红光段分别加入数字滤光算法,测温误差与外光路搭载滤光片效果接近。该方法简单实用,精度较高,在无外置滤光光路情况下实现了彩色CCD摄像设备的辐射测温,可为图像测温产品的便携性和适用化带来便利。     

基于有限立体角测量的多光谱测温

辐射测温以Planck定律为基础通过测量物体表面的发射辐射来反演温度。推导了有限立体角辐射测量条件下的单色测温方程,发现多光谱辐射测温能够实现温度和光谱发射率同时求解通常需满足特定的辐射测量条件：进行微元立体角辐射测量或仅针对漫发射体的有限立体角辐射测量。引入多项式发射率模型,经过数学转化,可以摆脱以上测量限制,得到具有测量普适性的单色测温方程,但却不一定能同时测量光谱发射率。对测温方程组的多解问题进行了初步研究,提出使测量通道数大于待求变量数及采用非线性最小二乘来解决此问题。     

MOCVD原位红外测温方法的比较研究

MOCVD原位红外测温方法主要有单色辐射测温法与双波长比色测温法。利用薄膜等厚干涉模型与Kirchhoff定律计算了Si (111)衬底生长10 m GaN外延片的940 nm、1 550 nm光谱发射率,以Thomas Swan CSS MOCVD为例,比较了500 ℃至1 300 ℃范围内,940 nm单色辐射测温法、1 550 nm单色辐射测温法、940 nm与1 550 nm双波长比色测温法的相对误差和相对灵敏度,以及单色辐射测温法与双波长比色测温法的校准修正,并利用940 nm与1 550 nm双波长比色测温法在线监测了Si (111)衬底生长InGaN/GaN MQW 结构LED外延片过程中的温度。研究表明:940 nm与1 550 nm双波长比色测温法在相对误差及有效探测孔径修正校准上优于940 nm单色辐射测温法和1 550 nm单色辐射测温法,该结论可为MOCVD原位红外测温设备开发提供参考。     

环境对中波红外探测器测温精度的影响

为了分析环境辐射和大气吸收对红外辐射特性测量精度的影响,对基于中波红外探测器的红外测温进行了研究。首先,介绍了影响中波红外探测器测温精度的几种辐射能,根据测温模型得出了红外探测器像元灰度值和辐射照度之间的关系公式,并进一步推导出辐射测温的修正公式。以高精度面黑体为目标进行了测温实验,对红外探测器像元的灰度值进行修正并计算测温误差。结果显示,修正前、后测温误差的均方根分别为3.56℃和0.27℃,测温精度得到了显著的提高,表明该修正公式可准确地修正环境和大气吸收对中波红外探测器测温精度的影响。     

基于预估测量值的EKF在手臂测姿中的应用

针对载体线性加速度以及周围局部磁干扰对姿态测量精度的影响,基于已有的惯性测量单元,设计了一个基于四元数的实时估计手臂姿态的扩展卡尔曼滤波器(EKF)。提出利用四元数引入加速计和磁强计的预估测量值构造自适应测量噪声协方差阵的方法,结合QUEST算法,来判定姿态角解算对陀螺仪、加速计和磁强计输出信息的依赖程度,以此来提高测量精度。文末通过实验仿真对该方法进行了验证,并对实验结果和电磁跟踪系统采集到的数据进行了比较,结果表明,本文提出的方法能显著提高手臂姿态测量精度,可有效满足应用要求。     

自适应滤波技术在激光多普勒测速仪中的应用

激光多普勒测速仪检测系统提取的光电信号中存在较大的噪声信号。为了消除这些噪声干扰, 提高激光多普勒测速仪的测量精度,提出一种新的信号处理方法,将最小均方差自适应滤波技术应用于激光多普勒测量中,利用多普勒信号和噪声信号的统计特性,以最小均方误差估计为准则,最大程度地滤除噪声信号。阐述了最小均方差自适应滤波算法的基本原理,在MATLAB平台上将其应用于理想正弦信号进行仿真,并将其应用于实测多普勒信号的处理中。仿真和实验均表明,该技术可以有效抑制激光多普勒测量中的多频率噪声的干扰,大大提高多普勒信号的信噪比和测量精度,为设计高精度的激光多普勒测速仪创造了条件。     

噪声对等光频采样调频连续波激光雷达测距精度的影响分析及实验验证

调频连续波激光雷达具有测量范围大,精度高,无需合作目标等优点,在计量学和工业现场测量中具有重要作用。简单介绍了等光频重采样调频连续波激光雷达的基本结构和测距原理,分析了系统辅助干涉信号和测量干涉信号中存在的主要噪声及其特点。当系统辅助干涉信号中存在噪声时,会造成极值点不准确并且引入测量误差。随后,使用Cramér-Rao下界定理评估测量干涉信号的噪声对测量结果的影响。为了提高测量的准确性和稳定性,基于经验模态分解的小波阈值滤波和汉宁窗带通滤波结合小波滤波的自适应滤波方法分别用来去除了辅助干涉信号和测量干涉信号中的噪声。实验中多次测量了平面镜和多种粗糙度样块,并使用精密导轨验证测量结果的准确性。实验结果表明,当被测物位于3.9 m左右时,使用自适应滤波方法去除噪声后,系统对反射镜和其他粗糙度样块的测量不确定度为20 μm和几十微米(K取值2),远小于使用小波阈值滤波的方法(120 μm和几百微米)。同时,通过对比精密导轨位移数值和系统的测量结果,证明了所提出的方法能够有效提高系统的测量准确性。     

光纤光栅传感信号解调技术研究进展

光纤光栅传感器是一种新型传感器,有着非常广泛的应用前景。限制光纤光栅传感器大量实际应用的主要障碍是传感信号解调,因而,光纤光栅传感信号解调是光纤光栅传感器应用的关键技术之一。本文对现有已报道的光纤光栅传感信号的解调方法进行综述,并归类为:边缘滤波法、匹配滤波法、可调谐滤波法、光源波长可调谐扫描法、射频探测法、光栅啁啾法、CCD分光仪法、干涉法。对各种方法的原理及相关改进方法进行了阐述,并对其优缺点做了比较分析,最后,对光纤光栅传感信号的解调技术发展进行了展望。     

基于多速率交互式多模型的快速光电跟踪算法

针对交互式多模型粒子滤波算法运算量大的问题,提出了一种基于多速率跟踪思想的交互式多模型算法.该算法根据各模型假定的机动性,采用不同的数据更新速率,实现了模式空间和测量空间的混合滤波.同时,多模型综合选配了不同的滤波算法,其中,弱机动模型匹配卡尔曼滤波器,强机动模型匹配粒子滤波器.仿真结果表明,与传统的交互式多模型粒子滤波算法相比,本文算法在保证滤波精度的基础上,具有较低的计算复杂度,降低了约38.9%,能够有效地改善光电目标跟踪系统的可靠性和实时性.     

一种基于光学干涉原理的图像分割方法

 介绍了基于光学干涉原理的图像分割理论算法。在计算机上模拟一个均匀相干光源、一个滤波器和一个接收屏。选择强度 相位的转换曲线，将输入图像的强度信息转化成伪相位信息，并显示在滤波器上。利用光源照明滤波器上的相位图，在接收屏上得到其干涉条纹。再通过选择阈值对干涉图进行分割得到二值图，从而实现输入图像的边缘分割。计算结果表明，该方法得到的图像轮廓，与Sobel 算子效果相当。与实验结果对比分析可得，改善硬件并实现良好的分割效果的关键在于：控制光源的相干长度，或增大液晶的点阵间隔，并利用CCD相机和计算机相连，对干涉图进行二值化。     

基于红外光谱大型筒类锻件热处理过程中温度场检测方法研究

为了实时掌握热处理过程中锻件温度场的变化情况,提出一种基于红外光谱大型筒类锻件温度场检测方法。在传热学的基础上,运用分离变量法建立了大型筒类锻件热处理过程中的温度场检测模型;利用红外光谱构建了基于三级干涉滤光器的大型锻件红外光谱测温系统;结合红外光谱测温系统测量的温度数据和锻件温度场检测模型,实现了锻件热处理过程中温度场的检测;最后通过仿真实验验证了本文提出方法的可行性,实现了热处理过程中锻件温度场的检测,为热处理工艺的正确实施提供了理论依据。     

Displacement measurement method based on laser self-mixing interference in the presence of speckle

In order to achieve the accurate measurement of displacement, this Letter presents a self-mixing interference displacement measurement method suitable for the speckle effect. Because of the speckle effect, the amplitude of the self-mixing interference signal fluctuates greatly, which will affect the measurement accuracy of displacement. The ensemble empirical mode decomposition is used to process the interference signal, which can filter out high-frequency noise and low-frequency noise at the same time. The envelope of the self-mixing interference signal is extracted by Hilbert transform, and it is used to realize the normalization of the signal. Through a series of signal processing, the influence of speckle can be effectively reduced, and the self-mixing interference signal can be transformed into standard form. The displacement can be reconstructed by fringe counting and the interpolation method. The experimental results show that the method is successfully applied to the displacement measurement in the presence of speckle, which verifies the effectiveness and feasibility of the method.     

四旋翼惯性导航姿态解算算法的改进与仿真

为了实现四旋翼飞行器的高精度导航,提出了互补滤波法和四元数算法对传感器获得的数据进行修正,最大限度的抑制干扰误差并提高姿态角解算的准确度。首先简单推导了捷联式惯性导航系统的算法基本原理并利用互补滤波算法进行改进,然后给出了惯性导航系统的力学编排模型分析旋翼飞行器的运动姿态。最后仿真验证数据选用惯性仪表MPU6050和HMC5883所得到实测数据采集并进行仿真分析,平台处理器选用STM32来仿真惯性仪表的测量速度,最终得到实验结果证明算法可行性。