CN106644099A - 一种多光谱温度场测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种多光谱温度场测量装置,包括：被测温度场、物镜组、平行光管、多面分光棱锥、平面反射镜、窄带滤光片、成像透镜和面阵CCD传感器，物镜组将被测温度场的辐射通过平行光管聚焦在多面分光棱锥的入射面上，多面分光棱锥将投射的辐射等分至少八束不同方向的波段辐射到平面反射镜的入射面上，平面反射镜将辐射反射到窄带滤光片上，辐射通过窄带滤光片被成像透镜并将辐射聚焦在面阵CCD传感器上。本发明分光光谱通道数至少8个光谱通道，光谱通道越多，获得的待测场信息越多，利于检测，同时，提高了温度求解速度，可应用实时在线温度计算，操作简单，且性能稳定。

Description

一种多光谱温度场测量装置

技术领域

本发明涉及光学测温技术领域，尤其涉及一种多光谱温度场测量装置。

背景技术

多光谱辐射温度测量方法是一种非接触的辐射测温方法，主要用于测量高温，如火箭尾喷火焰温度场、船舶用大型发动机燃烧场温度测量等领域，通过待测场发出的热辐射进行测温，具有无测量上限、响应速度快及不影响被测温度场等优点。该方法是在一个仪器中制成多个光谱通道，利用多个光谱的物体辐射亮度信息，再经过数据处理，得到物体的真实温度和材料的光谱发射率。但是目前，多光谱高温计由于受光路的限制只能测量单点的温度，而实际应用过程中往往需要获得待测温度场的分布，为此，本发明实现了一种待测温度场各点的多光谱信息的同时获取，通过多个面阵CCD(电荷耦合元件)获得各点光谱强度信息，进而通过数据处理获得待测辐射表面各点温度值。

发明内容

本发明的目的是针对待测的某一表面发出的热辐射，经过本发明设计的光路后，可实现二维表面各点多光谱信息的同时采集，通过光电转换后，经反演计算获得各个点的温度值，从而实现多光谱二维表面温度的实时测量，进而提出了一种多光谱温度场测量装置。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种多光谱温度场测量装置，包括：被测温度场、物镜组、平行光管、多面分光棱锥、平面反射镜、窄带滤光片、成像透镜和面阵CCD传感器，

所述物镜组将被测温度场的辐射通过平行光管聚焦在多面分光棱锥的入射面上；

所述多面分光棱锥将投射的辐射等分至少八束不同方向的波段辐射到平面反射镜的入射面上；

所述平面反射镜将辐射反射到窄带滤光片上，辐射通过窄带滤光片被成像透镜并将辐射聚焦在面阵CCD传感器上。

对本发明的进一步限定，所述物镜组包括：按照辐射方向分别第一物镜和第二物镜。

对本发明的进一步限定，所述采用窄带滤光片，可以获得更精细的光谱信息，直接带入

式中T为待测温度，T_i为标定温度，C₂为第二辐射常数，λ_i为光谱波长值，ε_i(λ_i，T)为光谱发射率。

对本发明的进一步限定，所述光谱发射率函数求解方程为

转换为式中，T_ri为每个通道的温度计算值，为每个通道计算温度的平均值，

即寻找一组合适发射率带入上述方程，使得由上述方程式构成的方程组中每一个方程得到的温度T_ri都相等，实际情况是在约束条件即发射率ε∈[0,1]条件下，如果即让小于某个较小的数(迭代截止条件)，说明此时找到了合适一组发射率，温度此时也为真温。

本发明的有益效果是：

1、本发明分光光谱通道数至少8个光谱通道，光谱通道越多，获得的待测场信息越多，利于检测。

2、本发明提高了温度求解速度，可应用实时在线温度计算。

3、本发明操作简单，且性能稳定。

附图说明

图1是本发明的光路图；

图2是本发明的八光谱通道光路成像端模拟图；

图3是本法的物镜组结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

一种多光谱温度场测量装置，包括：被测温度场1、物镜组12、平行光管6、多面分光棱锥7、平面反射镜8、窄带滤光片9、成像透镜10和面阵CCD传感器11，

所述物镜组12将被测温度场1的辐射通过平行光管6聚焦在多面分光棱锥7的入射面上；

所述多面分光棱锥7将投射的辐射等分至少八束不同方向的波段辐射到平面反射镜8的入射面上；

所述平面反射镜8将辐射反射到窄带滤光片9上，辐射通过窄带滤光片9被成像透镜10并将辐射聚焦在面阵CCD传感器11上。

所述物镜组12包括：按照辐射方向分别第一物镜3和第二物镜4。

所述采用窄带滤光片9，可以获得更精细的光谱信息，直接带入

式中T为待测温度，T_i为标定温度，C₂为第二辐射常数，λ_i为光谱波长值，ε_i(λ_i，T)为光谱发射率。

所述光谱发射率函数求解方程为

转换为式中，T_ri为每个通道的温度计算值，为每个通道计算温度的平均值，

即寻找一组合适发射率带入上述方程，使得由上述方程式构成的方程组中每一个方程得到的温度T_ri都相等，实际情况是在约束条件即发射率ε∈[0,1]条件下，如果即让小于某个较小的数(迭代截止条件)，说明此时找到了合适一组发射率，温度此时也为真温。

用坐标轮换法可以求解此类约束多维函数的极值问题。即

第一步，给定初始点x⁽⁰⁾，初始步长缩放因子u>1及精度ε₁>0,ε₂>0，置k＝0；

第二步，令y＝x^k；

第三步，从y出发，按步长沿坐标轴e¹的正方向搜索，y⁽¹⁾＝y+te¹，如果y⁽¹⁾在可行域内，即满足g(y⁽¹⁾)≥0，且有∫(y⁽¹⁾)<∫(y)，则取t＝2t，加速向前搜索直到不满足可行性条件或函数值的条件，转第五步；

第四步，如果沿坐标轴e¹的正方向和负方向都找不到同时满足可行性条件和函数值下降的点，则将搜索步长减小，令δ⁰＝δ⁰/u，转第五步；

第五步，依次沿其他坐标轴进行同样的搜索，最终求得此轮搜索的最优点y¹；

第六步，如果||y¹-x^k||≤ε₂，转第七步，否则令x^k+1＝y¹,k＝k+1，则转第二步；

第七步，如果步长max(ε⁰)≤ε₁，则x^k为最优点，否则令δ⁰＝δ⁰/u，转第二步。

待测温度场1表面的热辐射光谱(混和在一起)通过组合物镜12后通过平行光管6出射平行光，进入多面分光棱锥7，通过多面分光棱锥7的多个侧面反射实现分光，每个方向的光通过平面反射镜8进入窄带滤光片9，实现光谱提取，经成像透镜10进入面阵CCD，每个CCD对应一个光谱通道，CCD上的每个像素对应待测点的位置信息和光谱信息，这样就获得了待测温度场各点的多光谱信息，经光电转换得到电压值后，根据坐标轮换算法同时计算真温和发射率。

Claims (4)

1.一种多光谱温度场测量装置，包括：被测温度场(1)、物镜组(12)、平行光管(6)、多面分光棱锥(7)、平面反射镜(8)、窄带滤光片(9)、成像透镜(10)和面阵CCD传感器(11)，其特征在于，

所述物镜组(12)将被测温度场(1)的辐射通过平行光管(6)聚焦在多面分光棱锥(7)的入射面上；

所述多面分光棱锥(7)将投射的辐射等分至少八束不同方向的波段辐射到平面反射镜(8)的入射面上；

所述平面反射镜(8)将辐射反射到窄带滤光片(9)上，辐射通过窄带滤光片(9)被成像透镜(10)并将辐射聚焦在面阵CCD传感器(11)上。

2.根据权利要求1所述一种多光谱温度场测量装置，其特征在于，所述物镜组(12)包括：按照辐射方向分别第一物镜(3)和第二物镜(4)。

3.根据权利要求1所述一种多光谱温度场测量装置，其特征在于，所述采用窄带滤光片(9)，可以获得更精细的光谱信息，直接带入

$\frac{1}{T}-\frac{1}{T_i}=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_i}{C_2}{\mathrm{ln\&epsiv;}}_i({\mathrm{\&lambda;}}_i,T)$

式中T为待测温度，T_i为标定温度，C₂为第二辐射常数，λ_i为光谱波长值，ε_i(λ_i，T)为光谱发射率。

4.根据权利要求1所述一种多光谱温度场测量装置，其特征在于，所述光谱发射率函数求解方程为

$\frac{1}{T}-\frac{1}{T_i}=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_i}{C_2}{\mathrm{ln\&epsiv;}}_i({\mathrm{\&lambda;}}_i,T)$

转换为式中，T_ri为每个通道的温度计算值，为每个通道计算温度的平均值，

即寻找一组合适发射率带入上述方程，使得由上述方程式构成的方程组中每一个方程得到的温度T_ri都相等，实际情况是在约束条件即发射率ε∈[0,1]条件下，如果即让小于某个较小的数(迭代截止条件)，说明此时找到了合适一组发射率，温度此时也为真温。