CN111289148B - 一种基于现场校准的瞬态火球参数获取方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于现场校准的瞬态火球参数获取方法，属于瞬态高温火球光学测试领域。通过现场温度校准，获取现场辐射衰减参数，校准修正测试距离、空气湿度等所产生的红外热像仪测温误差。通过比色测温仪与校准现场环境因素靶确定爆心在红外热图上的二维坐校准位，从而获得测量位置匹配。将比色测温仪得到的温度与红外热像仪拍摄的红外热图做好帧间配准，并将比色测温仪得到的温度作为排除发射率干扰的温度，结合亮温定义进行温度反演获得各帧火球热像图的动态温度校正系数：发射率。利用红外校准靶结合施密特变体法对火球发射率进行辅助测试。本发明消除了现场环境因素引起的误差，提高了高温瞬态火球温度场的测试精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于现场校准的瞬态火球温度获取方法，属于瞬态高温火球光学测试技术领域。
背景技术
火球温度是确定爆炸场火球物理状态和战斗部毁伤威力评估的重要参数之一。爆炸火球温度得现有非接触式测试方法因安全原因测试设备距离火球十几米，甚至上百米。远距离测试使得火球热图无法充满整个视场，环境背景占比越大，红外焦平面阵列所接受的辐射能变低；随着距离的增大，大气透射率减小导致了辐射能传播衰减，最终造成了测量精度的降低。有因试验场地、实验条件得不同，现场因素引起得误差目前无法准确评估及消除。要测得火球面温度，发射率是必求参数，发射率的准确度直接影响了温度测量的误差。目前以推算为主，炸药爆炸时火球内部发生的多相流体动力学和化学过程是复杂的，因爆炸物类型、成分配比的不同发射率也有所不同。推算方法误差较大，且在火球持续时间中为单一值。
发明内容
本发明提供一种基于现场校准的瞬态火球温度获取方法，其目的是为了减少现场环境、大气引起的辐射误差,减少火球发射率测定误差，以便获取精确瞬态火球温度场。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的:
一种基于现场校准的瞬态火球参数获取方法，其特征是包括下述内容：
(1)通过现场温度校准，获取现场辐射衰减参数，校准修正测试距离、空气湿度所产生的红外热像仪测温误差；
(2)通过比色测温仪与红外温度校准靶确定爆心在红外热图上的二维坐标校准位，从而获得测量位置匹配；
(3)将比色测温仪得到的温度与红外热像仪拍摄的红外热图做好帧间配准，并将比色测温仪得到的温度作为排除发射率干扰的温度，结合亮度温度定义进行温度反演获得各帧火球热像图的动态温度校正系数：发射率；
(4)利用红外温度校准靶结合施密特变体法对火球发射率进行辅助测试。
上述基于现场校准的瞬态高温火球参数获取方法：具体操作步骤如下：
1、在试验前，将红外温度校准靶放于爆心位置并通电加热，同时对测试点位的比色测温仪和红外热像仪进行温度校准；以此校准数据作为修正由气候引发的辐射衰减系数的依据；同时对比色测温仪测量点在红外热像仪温度场热图上的二维坐标进行定位；
温度校准方法：将红外温度校准靶调节两个不同温度T1和T2，T1值和T2值由加热板热电偶给出，随后通过红外热像仪观测T1和T2温度下对应的输出值DN1与DN2。由于校准靶表面涂有发射率已知的材质，利用公式(1)求得大气透过率τa。其中，对于T1和T2取值，取决于热像仪选取的测温波段及现场环境条件，T1和T2两者之间的差值不小于30℃。爆心位置与测试点位间的距离由安全距离、火球直径、红外热像仪的发分辨率和镜头焦距相关，符号中国国家军用标准GJB5083-2004。
Lt1(λ,T1)为T1温度下红外热像仪工作波段λ积分所得辐亮度，量纲为W·m-2·sr-1；Lt1(λ,T2)为T2温度下红外热像仪工作波段λ积分所得辐亮度，量纲为W·m-2·sr-1；大气透过率τa，无量纲；α为红外测量系统的辐射响应度，无量纲；DN1为T1温度下红外热像仪测量所得的真实输出响应，单位为bit。DN2为T2温度下红外热像仪测量所得的真实输出响应，单位为bit；
2、现场通电加热红外温度校准靶，在试验前利用加热到高温的红外温度校准靶实现红外热像仪与比色测温仪测量点的定位。
方法如下：将红外温度校准靶加热到高于环境背景且介于红外热像仪的有效测温范围。
3、将比色测温仪观测孔对准红外温度校准靶，并调整红外温度校准靶靶面面积大小来保证靶面充满观察孔视场，最后在红外热像仪实时显示界面寻找红外温度校准靶对应的像素坐标并记录。实测时，爆炸火球测量面上的像素坐标点上的温度值与比色仪测量温度值相对应，用于后续发射率计算。
4、在爆炸瞬态火球测试试验中，红外温度校准靶放置于远离红外热像仪与比色测温仪的火球后方，靶板摆放位置符号中国国家军用标准GJB 5083-2004，通过公式(2)计算瞬态火球发射率ε
其中，α为红外热像仪的辐射响应度，无量纲；λ1和λ2分别为红外热像仪工作波段的上限、下限，单位均是μm；c1为下限波长的辐射常数，3.7419×108W·m2·μm-4
c2为上限波长辐射常数，1.4388×104μm4·K；T为比色测温仪修正温度，单位℃；DN与DN0分别表示红外热像仪输出数字量与红外热像仪偏置，红外热像仪偏置由自身光机结构热辐射、散射背景辐射及电流引发的输出偏移，量纲为bit；τa为大气透射率,无量纲。
红外温度校准靶由支架、喷涂热塑丙烯酸树脂黑漆的两层氧化铝板、加热电路、温度测量组成。
在爆炸瞬态火球测试试验中，红外温度校准靶放置于远离红外热像仪与比色测温仪的火球后方，作为施密特变体法中高温叠加源使用，用以求瞬态火球发射率。
本发明可以消除现场环境、大气引起的辐射误差，能够减小火球发射率测定误差，提高爆炸火球温度场测量精度，提高实时测得火球发射率的精确度。
附图说明
图1为红外温度校准靶单元模块发热丝分区排布图；
图2为红外温度校准靶机械结构图；
图中，1、电源连接点，2、加热丝，3、两层氧化铝板,4、支架，5、单元模块。
具体实施方法
下面结合附图对本发明做具体的介绍：
图2所示，红外温度校准靶由支架4、单元模块5、温控装置组成，单块或多块单元模块5固定安装在支架4上。
图1所示，单元模块5由两层氧化铝板模块3、发热丝2组成，发热丝2成曲线形排布在两层氧化铝板模块3之间，发热丝接交流电加热。多块单元模块5之间电源并联。
两层氧化铝板模块3表面喷涂热塑丙烯酸树脂黑漆。
根据测试距离远近可调整校准靶单元模块的数量，测试距离越远单元模块的数量就越多。
红外温度校准靶与爆心距离符号中国国家军用标准GJB5083-2004核爆炸冲击波对地面野战通信装备的破坏等级及防护要求。
爆心、红外热像仪与比色测温仪摆放位置在爆心正前方，红外温度校准靶位置在爆心正后方(摆放位置均符合中国国家军用标准GJB5083-2004)。
红外温度校准靶放置于爆心位置，红外热像仪与比色测温仪组成的红外测量系统位于爆心正前方的仪器测试点位。
将红外温度校准靶加热到明显高于环境温度的红外温度校准靶第一温度T1下，随后将比色测温仪观测孔瞄向红外温度校准靶并保证靶面充满观察孔视场，最后在红外热像仪实时显示界面寻找红外温度校准靶对应的像素坐标，实现测量位置的定位。
随后，将红外温度校准靶第二温度T2继续调高，红外温度校准靶第二温度T2>红外温度校准靶第一温度T1；利用Matlab计算高于环境温度的红外温度校准靶第一温度T1下的红外温度校准靶辐亮度Lt1(λ,T1)和红外温度校准靶第二温度T2下的红外温度校准靶辐亮度Lt1(λ,T2)，λ波段选取由红外热像仪工作波段决定，量纲为W·m-2·sr-1；通过读取红外热像仪对T1和T2下的响应值分别为DN1与DN2,利用下式可解得目标与红外热像仪之间的大气透过率τa：
在大气透射率校正结束后，将红外温度校准靶摆放在爆心正后方，作为热源使用，红外温度校准靶点位符号中国国家军用标准GJB5083-2004。
由红外热像仪的响应模型DN＝α·ε·L(λ,T)+DN0(2)可知,在排除大气透射率对红外热像仪输出值影响的情况下，输出值DN只受到火球发射率的干扰。
在各个仪器数据采集完成后，通过采样率配比计算，将比色测温仪得到的温度与红外热像仪拍摄的红外热图做好帧间配准，得到每帧红外热图所对应的比色测量温度。利用比色测温仪得到的火焰真温T结合辐射亮温公式计算L(λ,T),就能由式(3)得到火球的瞬态发射率
其中，α为系统辐射响应度，无量纲；λ1和λ2为热像仪工作波段，单位μm；c1为第一辐射常数，3.7419×108W·m2·μm-4,c2为第二辐射常数，1.4388×104μm4·K；T为比色测温仪修正温度，单位℃；DN与DN0表示红外热像仪二维坐标上试验前标定的点的输出数字量与系统偏置，红外热像仪偏置由自身光机结构热辐射、散射背景辐射及电流引发的输出偏移，量纲为bit；τ为大气透射率,无量纲。
在计算获得标定点发射率的情况下，将发射率参数输入红外热像仪，选择应用到全局，即可得到爆炸火球测试区域范围内的校正温度。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于现场校准的瞬态火球参数获取方法，其特征是包括下述内容：
（1）通过现场温度校准，获取现场辐射衰减参数，校准修正测试距离、空气湿度所产生的红外热像仪测温误差；
（2）通过比色测温仪与红外温度校准靶确定爆心在红外热图上的二维坐标校准位，从而获得测量位置匹配；
（3）将比色测温仪得到的温度与红外热像仪拍摄的红外热图做好帧间配准，并将比色测温仪得到的温度作为排除发射率干扰的温度，结合亮度温度定义进行温度反演获得各帧火球热像图的动态温度校正系数：发射率；
（4）利用红外温度校准靶结合施密特变体法对火球发射率进行辅助测试；
具体操作步骤如下:
(ⅰ) 在试验前，将红外温度校准靶放于爆心位置并通电加热，同时对测试点位的比色测温仪和红外热像仪进行温度校准；以此校准数据作为修正由气候引发的辐射衰减系数的依据；同时对比色测温仪测量点在红外热像仪温度场热图上的二维坐标进行定位；
所述温度校准的方法：将红外温度校准靶调节两个不同温度T1和T2，T2- T1≥30℃；随后通过红外热像仪观测T1温度对应的输出值DN1和T2温度对应的输出值DN2；
求得大气透过率τa：
Lt1(λ,T1) 为T1温度下红外热像仪工作波段λ积分所得辐亮度，量纲为
;Lt1(λ,T2)为T2温度下红外热像仪工作波段λ积分所得辐亮度，量纲为
；大气透过率τa，无量纲；α为红外热像仪的辐射响应度，无量纲；DN1为T1温度下红外热像仪测量所得的真实输出响应，单位为bit；DN2为T2温度下红外热像仪测量所得的真实输出响应，单位为bit；
（ⅱ）将红外温度校准靶加热到高于环境温度且介于红外热像仪的有效测温范围；
（ⅲ）将比色测温仪观测孔对准红外温度校准靶，并调整红外温度校准靶靶面面积大小来保证靶面充满观察孔视场，最后在红外热像仪实时显示界面寻找红外温度校准靶对应的像素坐标并记录；实测时，爆炸火球测量面上的像素坐标点上的温度值与比色仪测量温度值相对应；
（ⅳ）将红外温度校准靶放置于远离比色测温仪和红外热像仪的火球后方，计算瞬态火球发射率
：
其中，α为红外热像仪辐射响应度，无量纲；λ1和λ2分别为红外热像仪工作波段的上限、下限，单位均是μm；c1为下限波长的辐射常数，
；
c2为上限波长辐射常数，
；T为比色测温仪修正温度，单位℃；DN与DN0分别表示红外热像仪输出数字量与红外热像仪偏置，红外热像仪偏置由自身光机结构热辐射、散射背景辐射及暗电流引发的输出偏移，量纲为bit；τa为大气透过 率,无量纲。
2.根据权利要求1所述一种基于现场校准的瞬态火球参数获取方法,其特征在于：红外温度校准靶由支架、单元模块、温控装置组成，单块或多块单元模块固定安装在支架上；单元模块由两层氧化铝板模块、发热丝组成，发热丝成曲线形排布在两层氧化铝板模块之间，发热丝接交流电加热；两层氧化铝板模块表面喷涂热塑丙烯酸树脂黑漆。
3.根据使用权利要求1所述一种基于现场校准的瞬态火球参数获取方法,其特征在于：在爆炸瞬态火球测试试验中，红外温度校准靶放置于远离比色测温仪和红外热像仪的火球后方，作为施密特变体法中高温叠加源使用，用以求瞬态火球发射率。
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