多光譜輻射測溫系統(tǒng)的標定

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

溫度作為表征物體冷熱的物理量，對于在國防軍事中應(yīng)用的燃燒彈是其重要的熱力參數(shù)，特種彈藥燃燒火焰溫度多數(shù)可達3273K以上，彈藥的殺傷力需要對其進行真溫的準確測量予以判定。測溫方法可分為接觸式測溫與非接觸式測溫，非接觸式測溫中的多光譜測溫技術(shù)是輻射測溫技術(shù)的一個重要分支［1］，也是實現(xiàn)高溫火焰測量的最佳途徑?？紤]到彈藥構(gòu)成復雜難以確定其發(fā)射率，同時彈藥燃燒中會混有離子譜與特征譜，需要通過接收大量波段輻射并篩選多個可用波段來測得目標真溫［2］，因此，基于多光譜熱輻射測溫法，研制了燃燒彈火焰測溫系統(tǒng)——通過可見與近紅外全波段通道采集輻射信息，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到真實溫度。由于該系統(tǒng)內(nèi)包含自制的小視場輻射接收光學系統(tǒng)，其未知的VNIR波段傳遞函數(shù)與分光耦合帶來的衰減情況，以及系統(tǒng)內(nèi)光譜儀自身的光譜響應(yīng)特性［3］，輻射信息經(jīng)過系統(tǒng)后將會發(fā)生改變，以此解算出來的結(jié)果亦毫無意義，因而需要對系統(tǒng)整體進行標定，校正采集的輻射信息為可用于反演目標溫度的有效數(shù)據(jù)。本文側(cè)重介紹此系統(tǒng)的標定。

1 測溫系統(tǒng)的組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)輻射光譜的特點，火焰分為發(fā)光火焰與透明火焰，發(fā)光火焰在可見波段均有輻射，透明火焰的輻射多在紅外波段［4］，多光譜測溫算法需要同時記錄各個波段的輻射能量；若目標未能充滿視場，測量將受到背景輻射的影響［5］，合理減小視場可以實現(xiàn)更精確的測量，微小的測溫區(qū)域需要直觀的視覺輔助對準，測量時熱輻射譜和燃燒狀態(tài)圖像應(yīng)在時間和空間維度上相互對應(yīng)。

該測溫系統(tǒng)主要由成像物鏡、分光耦合裝置、輔助觀瞄CCD相機、可見光與紅外傳輸光纖、可見光與紅外光譜儀組成。成像物鏡為焦距3m的反遠距定焦鏡頭，可接收波段范圍在400nm～1700nm，鏡筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，輻射源經(jīng)過1、2鏡，在3鏡前通過加設(shè)的可調(diào)光闌消除雜光，達到了衰減輻射強度的效果。

圖1 鏡頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

分光耦合裝置位于箱體內(nèi)部，裝置主體在箱體前端與接收鏡組的鏡筒通過螺紋連接，主體設(shè)計含有與水平面成45度的兩平行面，用于固定分光鏡，如圖2所示，輻射經(jīng)過物鏡后首先到達分光鏡1，紅外波段光透射導入紅外光纖，可見光反射至分光鏡2，30%透射至CCD相機，剩余部分反射導入可見光纖，兩光纖端面位置為各自通道所對應(yīng)的像面，光纖末端各自接入對應(yīng)光譜儀。以上設(shè)計構(gòu)成了成像與接收熱輻射雙功能的光學系統(tǒng)，滿足光纖和CCD相機的光路耦合［6］。

圖2 測溫系統(tǒng)原理簡圖

1.2 工作原理

普朗克定律是多光譜測溫技術(shù)的理論基礎(chǔ)，物體輻射的出射譜遵循普朗克黑體輻射定律，相應(yīng)的輻射曲線線形只與溫度相關(guān)。德國物理學家普朗克論述了任何物體在一定溫度條件下都會以電磁波形式輻射能量，并給出黑體輻射普朗克公式：

式中，Mb(λ,T)代表溫度T時波長為λ的理論輻射度，ε0代表目標的材料發(fā)射率，C1、C2為第一、第二輻射常數(shù)。在確定的目標溫度下，各波段有著與之對應(yīng)的輻射度M0(λ,T)。

溫度反演是將表征溫度的遙測初始數(shù)據(jù)經(jīng)過修正處理與計算，獲得真實溫度信息的演算過程。上述的輻射度M0(λ,T)即是表征溫度的數(shù)據(jù)，但是因系統(tǒng)中不能完全傳遞輻射源的初始輻射度，即對M0(λ,T)進行調(diào)制，該調(diào)制主要涉及系統(tǒng)中的光學元件帶來的影響，需要對系統(tǒng)進行標定。此外，因測溫中接收到的光譜不僅包含熱輻射譜，還包含拉曼光譜、離子譜和自發(fā)輻射鋪多重信息，在反演前還需對采集結(jié)果進行去背景輻射與譜分離操作。

2 標定實驗

2.1 標定方法及裝置

標定即是為系統(tǒng)引入修正函數(shù)［5］，對經(jīng)過調(diào)制的輻射信息再度修正，在以多光譜測溫法實際測取火焰溫度時，測得的結(jié)果經(jīng)過與測溫系統(tǒng)相對應(yīng)的修正函數(shù)計算后方能準確反演溫度，修正函數(shù)可使實際采集的譜線與理論值相擬合，理論值由黑體輻射普朗克公式獲得，根據(jù)普朗克定律，修正函數(shù)如下：

式中，實測光譜輻射強度k1(λ)，黑體理論光譜輻射度Mb(λ,T)，測溫系統(tǒng)對應(yīng)每個波段的響應(yīng)函數(shù)v1(λ)。

修正函數(shù)的求取依靠高溫黑體輻射源作為參考，本次實驗采用Therm Gauge高溫黑體爐，在1173～2273K取整百度記錄數(shù)據(jù)，室內(nèi)控制恒溫21.5℃、濕度58.5%～59.5%rh。測溫箱體固定于精密升降位移臺，外部輻射接收端正對爐內(nèi)腔體且距離3m，使輔助觀瞄CCD成清晰像，即像面已位于光纖探頭，再經(jīng)逆向檢測，從接收裝置內(nèi)部反向傳輸激光，出射后正好位于腔體中心。圖3為標定實驗現(xiàn)場圖。

圖3 標定實驗現(xiàn)場

2.2 標定過程

標定起點始于1173K，黑體爐每次升至規(guī)定溫度且穩(wěn)定后，完全遮蔽輻射出射口并關(guān)閉室內(nèi)照明燈采集環(huán)境溫度譜線，測溫流程如圖4所示。為避免光譜儀在測量值域內(nèi)出現(xiàn)飽和，調(diào)整光闌并選擇設(shè)置積分時間為10ms，并保證之后的測溫過程中積分時間不變［6］。測溫系統(tǒng)每組溫度測量10次取平均值為最終結(jié)果，如圖5所示，以1673K的實測曲線為例，橫坐標為波長，縱坐標為輻射強度，隨著溫度上升輻射增強而顯示的波形不變。表1記錄了輻射曲線部分波段相應(yīng)的輻射強度值。

圖4 標定實驗流程圖

圖5 1673-2073K采集輻射曲線

2.3 系統(tǒng)特性曲線

因測溫系統(tǒng)在不同溫度下的光譜響應(yīng)函數(shù)基本相同，在這里只選取單一溫度點（1673K）對應(yīng)的實測譜線與普朗克曲線對比，經(jīng)歸一化處理，將數(shù)據(jù)代入公式（2）中，得到測溫系統(tǒng)在300nm～1000nm的修正函數(shù)，如圖6所示，大約波長在1080nm左右修正函數(shù)出現(xiàn)極大值，而其余波段的數(shù)據(jù)與之相比甚微。

圖6 測溫系統(tǒng)校正曲線

應(yīng)用得出的修正曲線，逐一校正各個溫度點的實測輻射曲線，而實際上不同溫度下的修正函數(shù)還存在細微差別，根據(jù)各自校正后的結(jié)果參考相應(yīng)理論曲線以驗證次修正函數(shù)的精度，驗證結(jié)果如圖7所示。

表1 1673-2073K部分波段的輻射強度值

圖7 經(jīng)校正后的1773K-2473K測溫結(jié)果

3 修正效果驗證

校正處理后得到光譜數(shù)據(jù)與理論曲線有效擬合，由表2可知，此測溫方法在無其它干擾因素時效果穩(wěn)定，實驗重復性良好。結(jié)果表明數(shù)據(jù)經(jīng)過以上處理，實測光譜與理論光譜間的誤差在2%以內(nèi)，達到系統(tǒng)指標，為后續(xù)溫度反演結(jié)果的可靠性提供保障。

表2 1773K-2473K目標測溫結(jié)果與誤差

4 結(jié)論

多光譜測溫法是測取火焰溫度的有效途徑，標定技術(shù)的水平?jīng)Q定著測溫系統(tǒng)的可靠性，標定的校正系數(shù)是多光譜測溫系統(tǒng)各參數(shù)測試的基礎(chǔ)，本文介紹了一種成像式多光譜測溫系統(tǒng)，并對樣機進行了高溫標定。標定實驗在室溫與濕度穩(wěn)定的環(huán)境下采集了黑體爐輻射的光譜曲線，進而得出設(shè)備的響應(yīng)函數(shù)。經(jīng)多個溫度點測試結(jié)果表明該響應(yīng)函數(shù)對數(shù)據(jù)的校正效果趨近理論曲線，能夠使該測溫系統(tǒng)反演溫度的結(jié)果更加準確，具有實際意義。