CN110907188B - 一种红外辐射测试的尾喷流流向测试段长度选取方法 - Google Patents

一种红外辐射测试的尾喷流流向测试段长度选取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种红外辐射测试的尾喷流流向测试段长度选取方法，该方法包括下述步骤，首先设置30m距离标记灯以及15m标记点；其次设置中波红外热像仪；其次发动机试车并用中波红外热像仪拍摄尾喷流的红外热图：按照试车流程进行试车，分别在发动机处于典型工作状态时，在其状态稳定预设时间后，使用中波红外热像仪对尾喷流进行测量得到各个状态的红外热图，之后发动机试车结束，关闭中波红外热像仪，断开线缆；之后对步三得到的红外热图处理得到尾喷流红外辐射场；本发明用于辅助确定傅里叶红外光谱仪的测量距离，满足外场使用傅里叶红外光谱仪对航空发动机进行红外光谱辐射特性测试的需要。

Description

一种红外辐射测试的尾喷流流向测试段长度选取方法
技术领域
本发明属于红外光谱辐射测试领域，具体是一种红外辐射测试的尾喷流流向测试段长度选取方法。
背景技术
航空发动机是飞机尾向重要的红外辐射源，测量其红外光谱辐射特性能够为发动机进行隐身设计以及隐身性能评估提供重要参考。目前对于发动机尾向的红外光谱辐射特性测试多采用傅里叶红外光谱仪。傅里叶红外光谱仪具有多通道同时测量、高精度、高信噪比的优点，但是在航空发动机的红外光谱辐射特性测试过程中，存在视场小，信噪比受距离因素和背景辐射影响严重的局限。
装机状态的航空发动机红外辐射可以分为高温部件的固体红外辐射和尾喷流的气体红外辐射两部分，其中气体红外辐射强度远小于固体红外辐射强度。对机体进行有效遮蔽后，垂直机体方向进行红外辐射特性测试时，无法观测到发动机内壁等部位的固体红外辐射，进入傅里叶红外光谱仪的辐射能量主要为发动机尾喷流的气体辐射能量。此时，采用傅里叶红外光谱仪对发动机红外光谱辐射特性测试时，由于其最大视场一般为75mrad，而发动机尾喷流长度在几十米以上，若要将发动机的尾喷流全部包含在辐射计视场内，需要将傅里叶红外光谱仪放置在距离发动机500m以上进行测试。发动机尾喷流的气体红外辐射强度远小于发动机内壁、中心锥的固体红外辐射强度，再加上傅里叶红外光谱仪放置距离远，红外辐射信号经过长距离大气传输后衰减严重，使得傅里叶红外光谱仪接收到的信号大大衰弱，背景辐射占比增大，导致信噪比减小，测量结果存在很大误差。
发动机尾焰可以分为尾焰初始段和尾焰主段。初始段内有一组分、压强和温度基本恒定为最大值的区域，称为核心区。尾焰核心区占发动机尾喷流红外辐射的绝大部分，其余部分对于发动机尾焰整体的红外辐射量贡献很小。因此可以通过快速评估和判读尾焰初始段和主段的长度，选择合适的距离开展红外辐射特性测试，提高测量结果的信噪比，保证测量结果的准确性和可重复性；或者快速评估尾焰初始段和主段在整个尾焰中红外辐射的占比，若主段的辐射量对于测试结果的影响可以忽略，则只需要测试尾焰初始段的红外辐射；或者初始段和主段的比例固定不变，则可以由测得初始段的红外辐射量推导出整个尾焰的红外辐射量。
红外热像仪能够测试发动机尾喷流的红外辐射场分布，发动机处尾喷流的红外辐射能量分布主要集中在3～5μm波段，因而可以采用光谱范围为3～5μm的中波红外热像仪对发动机尾喷流的红外辐射场进行测试。
综上所述，可以通过使用光谱范围为3～5μm的中波红外热像仪对发动机尾喷流进行测试，按照发动机红外光谱辐射特性测试的需要，给定一个红外辐射占比值，根据该占比值，通过对红外热图进行数据处理，选定一段尾喷流流向长度，用作实际进行红外光谱辐射测试的尾喷流测试段，进而辅助确定傅里叶红外光谱仪的测量距离。为了实现上述构思，现提供一种解决方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种红外辐射测试的尾喷流流向测试段长度选取方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种红外辐射测试的尾喷流流向测试段长度选取方法，该方法包括下述步骤：
步一：设置30m距离标记灯以及预设距离的标记点；
步二：设置中波红外热像仪；
步三：发动机试车并用中波红外热像仪拍摄尾喷流的红外热图：发动机试车前，用中波红外热像仪对背景进行测试，得到背景辐射红外热图，之后按照试车流程进行试车，在发动机处于典型工作状态时，在其状态稳定足够长的时间后，使用中波红外热像仪对尾喷流进行测量，得到对应处于典型工作状态中所有状态的红外热图，之后发动机试车结束，关闭中波红外热像仪，断开线缆；
步四：对步三得到的红外热图处理得到尾喷流红外辐射场：以步三中测得背景辐射热图中得到的大气温度为阈值对红外热图进行处理，将温度低于大气温度的背景去除，得到尾喷流红外辐射场的红外热图；
步五：给定红外光谱测试所需的红外辐射占比，累加尾喷流红外辐射场的总电平值：按照使用傅里叶红外光谱仪对发动机红外光谱辐射测试的需要，给定一个所需测试的红外辐射占比值δ，对红外热图已经去除背景得到的尾喷流红外辐射场中每个像素点电平值进行累计，得到尾喷流红外辐射场总电平值Δ；
步六：对尾喷流长度进行选定：从尾喷流起始端开始，对尾喷流红外辐射场的电平值按列累加，其第i列的电平值为Δi，累加值为Δc，则有：
Δc＝Δ1+Δ2+...+Δi+...；
式中，i小于中波热像仪的像素总列数N；
之后根据判断条件得到选定的尾喷流长度；
步七：计算选定的尾喷流长度：中波红外热像仪的总像素列数为N，对应的实际距离为30m，选定的像素列数为i+1，对应选定的尾喷流实际长度为L，有：
Figure BDA0002301464980000031
进一步地，步一中设置30m距离标记灯以及标记点的方法为：
S1：将激光准直仪的激光发射器设置在发动机尾喷管一端，并使发射出的激光与发动机尾喷管轴线平行，将激光准直仪的光电接收系统逐渐后移至距离尾喷管的预设距离处，在此位置做好标记；
S2：然后继续后移至30m处，在此位置设置30m距离标记灯，布置好后撤离激光准直仪。
进一步地，步二中设置中波红外热像仪的具体方法为：
在步一中设置预设距离的标记点上放置全站仪，实时测量中波红外热像仪与全站仪、尾喷管与全站仪之间所成的夹角，调整中波红外热像仪的位置，使该夹角成90°，中波红外热像仪到全站仪的距离根据中波红外热像仪的水平视场角计算得到，具体计算公式为：
Figure BDA0002301464980000041
式中：30为距离标记灯至尾喷管的距离，θ为中波红外热像仪的水平视场角，D为中波红外热像仪到全站仪的距离。
进一步地，设置中波红外热像仪时，中波红外热像仪的视场恰好包括发动机尾喷管和距离标记灯，并完成测试前与数据处理电脑的线缆连接以及调试。
进一步地，步三中的典型工作状态包括慢车、中间、最大和加力状态。
进一步地，步六中根据判断条件得到选定的尾喷流长度具体方法为：
在每累加一列Δi，进行一次以下判断，若满足条件，则停止累加，否则继续累加；判断条件为：
Figure BDA0002301464980000042
由此选定一段尾喷流红外辐射场的区域，该区域从尾喷流起始端开始，至第i+1列像素终止，其所对应的实际长度即为选定的尾喷流长度。
进一步地，预设距离的标记点采取的距离为15m。
本发明的有益效果：
本发明通过在发动机轴线正后方距离发动机30m处设置高亮度的距离标记灯，为使用光谱范围为3～5μm的中波红外热像仪测量发动机尾喷流长度提供标定，并为设置中波红外热像仪的位置距离提供依据；根据中波红外热像仪的水平视场角，使用全站仪将其设置在尾喷管与距离标记灯的中线上若干米处，确保中波红外热像仪的视场恰好包括尾喷管和距离标记灯；设置好中波红外热像仪后，安排发动机按照试车流程进行试车；对于发动机慢车、中间、最大和加力状态等各个典型工作状态，在其状态稳定足够长的时间后，使用中波红外热像仪测量其尾喷流的红外热图；之后利用中波红外热像仪所连接的数据处理电脑上的软件对红外热图进行处理，得到发动机尾喷流红外辐射场，根据发动机红外光谱辐射特性测试的需要，给定一个红外辐射占比值，根据该占比值，通过对红外热图进行处理，选定一段尾喷流流向长度，用作实际进行红外光谱辐射测试的尾喷流测试段。
本发明用于辅助确定傅里叶红外光谱仪的测量距离，满足外场使用傅里叶红外光谱仪对航空发动机进行红外光谱辐射特性测试的需要。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明中红外热像仪测试的布设示意图；
图2为本发明红外热像仪测试与红外热图处理的流程示意图；
图3是去除背景后的发动机处于慢车状态时的尾喷流红外辐射场。
具体实施方式
如图1-3所示，本实施例选择在风力等级小于一的夜晚开展，利用SC7300M型中波红外热像仪对发动机尾喷流进行测试，在配备12毫米镜头时，该型红外热像仪视场角为44°×36°，即水平视场角为44°，垂直视场角为36°，像素规格为320×256；一种红外辐射测试的尾喷流流向测试段长度选取方法，该方法具体步骤如下：
步骤1)：设置30m距离标记灯以及预设距离的标记点，该标记点的预设距离具体可根据实际需要设定和修改，此处采取15m的标记点；将激光准直仪的激光发射器设置在发动机尾喷管一端，并使发射出的激光与发动机尾喷管轴线平行，将激光准直仪的光电接收系统逐渐后移至距离尾喷管15m处，在此位置做好标记，然后继续后移至30m处，在此位置设置30m距离标记灯，布置好后撤离激光准直仪；
步骤2)：设置中波红外热像仪：在第一步中设置的15m的标记点上放置全站仪，实时测量中波红外热像仪与全站仪、尾喷管与全站仪之间所成的夹角，调整中波红外热像仪的位置，使该夹角成90°；则有中波红外热像仪到全站仪的距离为：
Figure BDA0002301464980000061
使中波红外热像仪视场恰好包括发动机尾喷管和距离标记灯，完成与数据处理电脑的线缆连接以及调试准备工作；
步骤3)：发动机试车并用中波红外热像仪拍摄尾喷流的红外热图：发动机试车前，用中波红外热像仪对背景进行测试，得到背景辐射图，之后按照试车流程进行试车，对于发动机慢车、中间、最大和加力状态等各个典型工作状态，在其状态稳定足够时间后，使用中波红外热像仪对尾喷流进行测量得到各个状态的红外热图，之后发动机试车结束，关闭红外热像仪，断开线缆；
步骤4)：对红外热图处理得到尾喷流红外辐射场：以步三中测得背景辐射热图中得到的大气温度为阈值对红外热图进行处理，将温度低于大气温度的背景去除，得到尾喷流红外辐射场的红外热图；
步骤5)：给定红外光谱测试所需的红外辐射占比，累加尾喷流红外辐射场的总电平值：按照使用傅里叶红外光谱仪对发动机红外光谱辐射测试的需要，给定红外辐射占比值为δ，对红外热图已经去除背景得到的尾喷流红外辐射场中每个像素点电平值进行累计，得到尾喷流红外辐射场总电平值Δ；
步骤6)：对尾喷流长度进行选定：从尾喷流起始端开始，对尾喷流红外辐射场的电平值按列累加，其第i列的电平值为Δi，累加值为Δc，有
Δc＝Δ1+Δ2+...+Δi+...
其中，i小于中波热像仪的像素总列数N
每累加一列Δi，进行一次以下判断，若满足条件，则停止累加
Figure BDA0002301464980000071
由此选定一段尾喷流红外辐射场的区域，该区域从尾喷流起始端开始，至第i+1列像素终止，其所对应的实际长度即为选定的尾喷流长度；
步骤7)：计算选定的尾喷流长度：SC7300M型中波红外热像仪的总像素列数为320，对应的实际距离为30m，选定的像素列数为i+1，对应选定的尾喷流实际长度为L，有
Figure BDA0002301464980000072
本发明的工作原理为：由于发动机尾喷流在长度为30m以后的温度已经较低，红外辐射基本可以忽略，则可以在发动机轴线正后方距离发动机30m处设置高亮度的距离标记灯，为使用光谱范围为3～5μm的中波红外热像仪测量发动机尾喷流长度提供标定，并为设置中波红外热像仪的位置距离提供依据；根据中波红外热像仪的水平视场角，使用全站仪将其设置在尾喷管与距离标记灯的中线上若干米处，确保中波红外热像仪的视场恰好包括尾喷管和距离标记灯；设置好中波红外热像仪后，安排发动机按照试车流程进行试车；先在发动机开车前用红外热像仪对背景进行测试，得到背景辐射热图，然后对于发动机慢车、中间、最大和加力状态等各个典型工作状态，在其状态稳定足够长的时间后，使用中波红外热像仪测量其尾喷流的红外热图；之后利用数据处理电脑上的软件对红外热图进行处理：以背景辐射热图中的背景温度为阈值，将发动机各个阶段的尾喷流红外热图去除背景辐射，得到发动机尾喷流红外辐射场；根据发动机红外光谱辐射特性测试的需要，给定一个红外辐射占比值，根据该占比值，通过对去除背景后的红外热图的电平值按列累加，直至累加值与总电压值的比值与给出的占比值相符，由此选定符合要求的列数，进而通过计算选定一段尾喷流流向长度，用作实际进行红外光谱辐射测试的尾喷流测试段。
本发明用于辅助确定傅里叶红外光谱仪的测量距离，满足外场使用傅里叶红外光谱仪对航空发动机进行红外光谱辐射特性测试的需要。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种红外辐射测试的尾喷流流向测试段长度选取方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
步骤一：设置30m距离标记灯以及预设距离的标记点，具体方法为：
S1：将激光准直仪的激光发射器设置在发动机尾喷管一端，并使发射出的激光与发动机尾喷管轴线平行，将激光准直仪的光电接收系统逐渐后移至距离尾喷管的预设距离处，并做好标记；
S2：然后继续后移光电接收系统至30m处，并设置30m距离标记灯，布置好后撤离激光准直仪；
步骤二：设置中波红外热像仪；
步骤三：发动机试车并用中波红外热像仪拍摄尾喷流的红外热图：发动机试车前，用中波红外热像仪对背景进行测试，得到背景辐射红外热图，之后按照试车流程进行试车，在发动机处于典型工作状态时，在其状态稳定足够长的时间后，使用中波红外热像仪对尾喷流进行测量，得到对应处于典型工作状态中所有状态的红外热图，之后发动机试车结束，关闭中波红外热像仪，断开线缆；
步骤四：对步骤三得到的红外热图处理得到尾喷流红外辐射场：以步骤三中测得背景辐射热图中得到的大气温度为阈值对红外热图进行处理，将温度低于大气温度的背景去除，得到尾喷流红外辐射场的红外热图；
步骤五：给定红外光谱测试所需的红外辐射占比，累加尾喷流红外辐射场的总电平值：按照使用傅里叶红外光谱仪对发动机红外光谱辐射测试的需要，给定一个所需测试的红外辐射占比值δ，对红外热图已经去除背景得到的尾喷流红外辐射场中每个像素点电平值进行累计，得到尾喷流红外辐射场总电平值Δ；
步骤六：对尾喷流长度进行选定：从尾喷流起始端开始，对尾喷流红外辐射场的电平值按列累加，其第i列的电平值为Δi，累加值为Δc，则有：
Figure 565228DEST_PATH_IMAGE001
；
式中，i小于中波热像仪的像素总列数N；
之后根据判断条件得到选定的尾喷流长度；
步骤七：计算选定的尾喷流长度：中波红外热像仪的总像素列数为N，对应的实际距离为30m，选定的像素列数为i+1，对应选定的尾喷流实际长度为L，有：
Figure 607002DEST_PATH_IMAGE002
。
2.根据权利要求1所述的一种红外辐射测试的尾喷流流向测试段长度选取方法，其特征在于，步骤二中设置中波红外热像仪的具体方法为：
在步骤一中设置预设距离的标记点上放置全站仪，实时测量中波红外热像仪与全站仪、尾喷管与全站仪之间所成的夹角，调整中波红外热像仪的位置，使该夹角成90°，中波红外热像仪到全站仪的距离根据中波红外热像仪的水平视场角计算得到，具体计算公式为：
Figure 386739DEST_PATH_IMAGE003
；
式中：30为距离标记灯至尾喷管的距离，θ为中波红外热像仪的水平视场角，D为中波红外热像仪到全站仪的距离。
3.根据权利要求1所述的一种红外辐射测试的尾喷流流向测试段长度选取方法，其特征在于，设置中波红外热像仪时，中波红外热像仪的视场恰好包括发动机尾喷管和距离标记灯，并完成测试前与数据处理电脑的线缆连接以及调试。
4.根据权利要求1所述的一种红外辐射测试的尾喷流流向测试段长度选取方法，其特征在于，步骤三中的典型工作状态包括慢车、中间、最大和加力状态。
5.根据权利要求1所述的一种红外辐射测试的尾喷流流向测试段长度选取方法，其特征在于，步骤六中根据判断条件得到选定的尾喷流长度具体方法为：
在每累加一列Δi，进行一次以下判断，若满足条件，则停止累加，否则继续累加；判断条件为：
Figure 781948DEST_PATH_IMAGE004
；
由此选定一段尾喷流红外辐射场的区域，该区域从尾喷流起始端开始，至第i+1列像素终止，其所对应的实际长度即为选定的尾喷流长度。
6.根据权利要求1-3任一项所述的一种红外辐射测试的尾喷流流向测试段长度选取方法，其特征在于，预设距离的标记点采取的距离为15m。
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