CN105043555B - 一种计算光谱发射率和真实温度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种计算光谱发射率和真实温度的方法，采用多光谱测温仪对待测发光体的光谱发射率和真实温度进行测量，包括步骤：(1)采用分光器将待测发光体发出的光分成具有不同波长的多路光；(2)让多光谱测温仪的多个通道分别接收相应的一路光，从而得到每路光的亮度温度；(3)基于预定规则得到每个通道测得的亮度温度与真实温度的温度关系式，即这里，T_i为第i个通道的亮度温度，T为真实温度，λ_i为第i个通道接收的分光束的波长，C₂为第二辐射常数，ε(λ_i，T)为第i个通道的光谱发射率；(4)基于温度关系式以及预定转换规则，得到迭代截止条件，即、 $\min f\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}i}\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\[T_i-E\left(T_i\right)\]}^2,$ 这里， $E\left(T_i\right)=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{T}_i;$ (5)基于梯度投影法和光谱发射率的值介于0和1之间，计算出光谱发射率和真实温度。

Description

一种计算光谱发射率和真实温度的方法

技术领域

本发明涉及一种无需假设光谱发射率与波长之间函数关系即能够计算出待测发光体的真实温度和光谱发射率的一种计算光谱发射率和真实温度的方法。

背景技术

多光谱辐射温度测量技术是一种基于探测和分析待测目标热辐射的非接触测温技术。该项技术以普朗克定律为理论依据，根据待测目标多光谱辐射信息，利用相关算法实现真实温度和光谱发射率的同时测量。根据多光谱辐射测温理论，利用普朗克公式建立温度求解的方程组属于欠定方程组(未知数个数大于方程数)。

目前，多光谱辐射测温算法需要事先假设待测对象的光谱发射率与波长之间的函数关系，如果假设的函数关系与实际情况相吻合，则反演结果较好，反之则偏差很大。但在实际测量过程中，往往难以确定光谱发射率与波长之间的函数关系，导致反演结果不准确。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种无需假设光谱发射率与波长之间函数关系即能够计算出待测发光体的真实温度和光谱发射率的一种计算光谱发射率和真实温度的方法。

本发明提供了一种计算光谱发射率和真实温度的方法，采用多光谱测温仪对待测发光体的光谱发射率和真实温度进行测量，具体包括以下步骤：(1)采用分光器将待测发光体发出的光分成具有不同波长的多路光；(2)让多光谱测温仪的多个通道分别接收相应的一路光，从而得到每路光的亮度温度；(3)基于预定规则得到每个通道测得的亮度温度与真实温度的温度关系式，即这里，T_i为第i个通道的亮度温度，T为真实温度，λ_i为第i个通道接收的分光束的波长，C₂为第二辐射常数，ε(λ_i，T)为第i个通道的光谱发射率；(4)基于温度关系式以及预定转换规则，得到迭代截止条件，即、这里，以及(5)基于梯度投影法和光谱发射率的值介于0和1之间，计算出光谱发射率和真实温度。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的一种计算光谱发射率和真实温度的方法，首先，采用分光器将待测温度场的辐射光分成具有不同波长的多路光，然后,让多波长温度计的每个通道接收相应的一路光，从而得到每路光的亮度温度，其次，基于预定规则得到每个通道测得的亮度温度与真实温度的温度关系式，再次，根据温度关系式和预定转换规则得到方程式，最后，根据方程式和待测发光体的光谱发射率的值介于0和1之间，计算出光谱发射率和真实温度，所以，本发明无需假设光谱发射率与波长之间函数关系就能够计算出待测发光体的真实温度和光谱发射率，而且计算精度高。

附图说明

图1是本发明的实施例中一种计算光谱发射率和真实温度的方法的动作流程图；

图2是本发明的实施例中六个待测发光体的光谱发射率与波长的对应表；

图3是本发明的实施例中计算出的待测发光体A的光谱发射率的曲线图；

图4是本发明的实施例中计算出的待测发光体B的光谱发射率的曲线图；

图5是本发明的实施例中计算出的待测发光体C的光谱发射率的曲线图；

图6是本发明的实施例中计算出的待测发光体D的光谱发射率的曲线图；

图7是本发明的实施例中计算出的待测发光体E的光谱发射率的曲线图；

图8是本发明的实施例中计算出的待测发光体F的光谱发射率的曲线图；以及

图9是本发明的实施例中计算出的六个待测发光体的真实温度的对应表。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的一种计算光谱发射率和真实温度的方法作具体阐述。

在本实施例中，一种计算光谱发射率和真实温度的方法是一种用于计算待测发光体的光谱发射率和真实温度的计算方法，尤其是高温的待测发光体。在该计算方法中，采用了多光谱测温仪和分光器。

多光谱测温仪具有多个通道，所有通道分别用于接收不同波长的光，从而能够获取每个通道中被接收的光的亮度温度。这里，亮度温度是指实际测量某一物体的温度时，其在某一波长的亮度值与黑体(发射率为1的理想标准辐射体)在某一温度下的亮度值相同，则此时黑体的温度就为该物体在该波长下的亮度温度。在本实施例中，多光谱测温仪所具有的通道的数量是已知的，每个通道所能够接收的光的波长也是已知的，这样，每个通道所接收的光的亮度温度则也可以标定出。

分光器用于将待测发光体发出的光分成具有不同波长的多路光。

图1是本发明的实施例中一种计算光谱发射率和真实温度的方法的动作流程图。

如图1所示，本实施例的一种计算光谱发射率和真实温度的方法的动作流程具体包括以下步骤：

步骤S1，采用分光器将待测发光体发出的光分成具有不同波长的多路光，然后进入步骤S2。

步骤S2，让多光谱测温仪的多个通道分别接收相对应波长的一路光，从而标定出被接收的每路光的亮度温度。也就是说，通过多光谱测温仪能够得到被所有通道收到的所有路光的亮度温度，这里，被接收的每路光都具有一个光谱发射率，然后进入步骤S3。

步骤S3，基于预定规则得到每个通道测得的亮度温度与真实温度的温度关系式，这里的预定规则为普朗克定律。那么，该温度关系式为：其中，T_i为第i个通道测得的亮度温度，T为真实温度，λ_i为第i个通道接收的分光束的波长，C₂为第二辐射常数，ε(λ_i，T)为被第i个通道接收的一路光的的光谱发射率，然后进入步骤S4。

步骤S4，基于温度关系式以及预定转换规则，得到方程式。这里的预定转换规则为：在每个通道的亮度温度与真实温度的温度关系式中，待测发光体的真实温度T的值应该相同，这样，转换成数学语言即为满足每次迭代计算得到的各个通道的真实温度的方差和最小即可。因此，基于该预定转换规则和温度关系式即可得到方程式这里，然后进入步骤S5。

步骤S5，由于所有的物体的光谱发射率的值都介于0和1之间，也就是待测发光体的光谱发射率的值介于0和1之间，那么，将待测发光体的光谱发射率的值介于0和1之间作为约束条件，并根据梯度投影算法原理，则能够求解步骤S4中的方程式，从而计算出待测发光体的光谱发射率和真实温度，然后进入结束状态。

梯度投影算法是一种求解如下约束最优化问题的算法，其中约束条件为线性约束，A为约束系数矩阵，b为约束向量。基本思路是从可行点出发，沿着目标函数值减小的方向搜索求出新的可行点，如此迭代下去。这里，可行点是满足约束条件的点。

梯度投影算法的算法过程如下：

①给定初始可行点x⁽¹⁾，使其满足约束条件Ax≥b，置k＝1；

②在x^(k)处，将A，b分解成和使A₁x^(k)＝b₁，A₂x^(k)＞b₂；

③如果A₁是空的，则令P＝1，否则令P＝1-(A₁)^T(A₁(A₁)^T)^-1A₁；

④计算若d^(k)≠0则转⑥，否则转⑤；

⑤若A₁是空的，则停止计算，输出x^(k)，否则计算如果w≥0，则停止计算，输出x^(k)，若w包含负的分量，则选择一个负分量，去掉A₁对应的行，转③；

⑥求一维约束问题minf(x^(k)+λd^(k))，s.t.0≤λ≤λ_max,其中λ_max的计算方法如下：

求出最优解，设为λ_k，令x^(k+1)＝x^(k)+λ_kd^(k)，置k＝k+1，转②。

那么，将梯度投影算法应用到待测发光体的光谱发射率和真实温度的计算过程中，则步骤S5的具体计算过程如下：

由于根据待测发光体的光谱发射率则能够确定其真实温度。因此，对应到约束条件Ax≥b中，则x为光谱发射率。再根据待测发光体的光谱发射率的值介于0和1之间(即0≤x≤1)，则能够计算出A和b的值。例如，当多光谱测温仪具有一个通道时，则b＝[-10]’，x＝ε_λ其中，上标’代表矩阵的转置。当多光谱测温仪具有四个通道，则b＝[-1 0 -1 0 -1 0 -1 0]’，x＝[ε_λ1 ε_λ2 ε_λ3 ε_λ4]’。

计算出A和b的值以后，沿着梯度减小方向依次寻找可行点(即光谱发射率)，再根据可行点x计算出待测发光体的真实温度。

下面对本实施例的一种计算光谱发射率和真实温度的方法进行验证：

图2是本发明的实施例中六个待测发光体的光谱发射率与波长的对应表。

如图2所示，多光谱测温仪具有八个通道，依次用于接收0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm、1.0μm、1.1μm波长的光。并且，选取六个待测发光体(A、B、C、D、E、F)作为验证对象，每个待测发光体具有与八个通道分别对应的八个光谱发射率。

接下来，将六个待测发光体放置在真实温度为1800K的正常环境中，进行光谱发射率和真实温度的反演计算。另外，还对本实施例的一种计算光谱发射率和真实温度的方法进行了抗噪能力验证，即、在每个通道真实电压值的基础上增加±5％的随机误差。

首先，基于每个待测发光体的每个光谱发射率和真实温度，计算出该待测发光体在与当前光谱发射率相对应的通道中的电压值，进一步根据该电压值得到相对应的亮度温度。

然后将相应的亮度温度代入上述步骤S3中的温度关系式和步骤S4中的方程式中，根据梯度投影算法原理计算出相应的光谱发射率和真实温度。

图3是本发明的实施例中计算出的待测发光体A的光谱发射率的曲线图；图4是本发明的实施例中计算出的待测发光体B的光谱发射率的曲线图；图5是本发明的实施例中计算出的待测发光体C的光谱发射率的曲线图；图6是本发明的实施例中计算出的待测发光体D的光谱发射率的曲线图；图7是本发明的实施例中计算出的待测发光体E的光谱发射率的曲线图；以及图8是本发明的实施例中计算出的待测发光体F的光谱发射率的曲线图。

由图3、4、5、6、7、8可以看出：本实施例的计算方法在正常环境中计算出的六个待测发光体(A、B、C、D、E、F)与每个通道相对应的光谱发射率的值都非常接近图2所示的目标值，说明本实施例的计算方法计算精度高；而且在噪音环境下计算出的光谱发射率的值也很接近图2所示的目标值，再次说明了本实施例的计算方法计算精度高，而且抗噪能力强。

图9是本发明的实施例中计算出的六个待测发光体的真实温度的对应表。

由图9可以看出：本实施例的计算方法计算出的六个待测发光体(A、B、C、D、E、F)的真实温度的值都非常接近1800K，误差在20K以内，说明本实施例的计算方法计算精度高；而且在噪音环境下计算出的真实温度的值也很接近1800K，再次说明了本实施例的计算方法计算精度高，而且抗噪能力强。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的一种计算光谱发射率和真实温度的方法，首先，采用分光器将待测发光体发出的光分成具有不同波长的多路光，然后，让多波长温度计的每个通道接收相应的一路光，从而得到每路光的亮度温度，其次，基于预定规则得到每个通道测得的亮度温度与真实温度的温度关系式，再次，根据温度关系式和预定转换规则得到方程式，最后，根据方程式和待测发光体的光谱发射率的值介于0和1之间，计算出光谱发射率和真实温度，所以，本实施例无需假设光谱发射率与波长之间函数关系就能够计算出待测发光体的真实温度和光谱发射率，而且计算精度高。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种计算光谱发射率和真实温度的方法，采用多光谱测温仪对待测发光体的光谱发射率和真实温度进行测量，具体包括以下步骤：

(1)采用分光器将所述待测发光体发出的光分成具有不同波长的多路光；

(2)让所述多光谱测温仪的多个通道分别接收相应的一路光，从而得到每路光的亮度温度；

(3)基于预定规则得到每个所述通道测得的所述亮度温度与所述真实温度的温度关系式，即这里，T_i为第i个所述通道的亮度温度，T为所述真实温度，λ_i为第i个所述通道接收的所述分光束的波长，C₂为第二辐射常数，ε(λ_i，T)为第i个所述通道的所述光谱发射率；

(4)基于所述温度关系式以及预定转换规则，得到迭代截止条件，即、这里，以及

(5)基于梯度投影法和所述光谱发射率的值介于0和1之间，计算出所述光谱发射率和所述真实温度。