CN113701887B - 一种基于超高温瞬态目标多光谱温度场测量装置及其温度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超高温瞬态目标多光谱温度场测量装置、测量系统及其温度测量方法。所述测量装置包括多光谱成像CCD测量装置(1)和工控机(2)，所述工控机(2)与多光谱成像CCD测量装置(1)相连接，所述多光谱成像CCD测量装置(1)内包括衰减片是放在物镜(9)之前的、滤光片(4)、目镜(5)、环形镜(6)、定镜(7)、动镜(8)、物镜(9)和CCD探测器(3)，所述滤光片(4)、环形镜(6)、定镜(7)、动镜(8)、物镜(9)和CCD探测器(3)从左至右或从右至左依次设置，所述目镜(5)配合环形镜(6)使用。本发明针对超高温瞬态目标温度场的真温测量难题。

Description

一种基于超高温瞬态目标多光谱温度场测量装置及其温度测 量方法

技术领域

本发明涉及超高温测量技术领域，具体涉及一种基于超高温瞬态目标多光谱温度场 测量装置及其温度测量方法。

背景技术

在这些重点发展领域中，超高温度的准确获取，特别是瞬态目标的温度场测量成为解 决众多科学难题和突破系列关键技术的前提和技术保障。等离子体点火过程是影响火箭推 进器工作稳定性的关键因素之一，阴极表面的真实温度及分布规律则是反映点火状态和研究等离子体放电过程的重要参数；空间碎片的高速撞击对在轨运行卫星带来巨大威胁，高 速碰撞形成的瞬态高温及不规则分布是评估卫星防护材料损伤程度的重要数据；弹药爆炸 的最高温度及温度场是衡量武器系统杀伤能力的重要信息，也正是新一代可编程弹药爆炸 机理的深入研究和精确控制所急需的基础数据。所以，超高温瞬态目标温度场测量已经成为保障我国航空航天、军事国防等领域理论创新和技术进步的关键支撑技术。然而，发达 国家在应用于重点领域和复杂背景下的真实温度场测量技术一直予以技术封锁，相关的高 速成像多光谱测温仪器对我国实施禁运。导致国内对瞬态超高温度及温度场分布信息只能 依靠理论分析或仿真估计，等离子体放电、空间碎片撞击损伤、高性能弹药爆炸等机理研究领域始终面对无法获取真实温度场数据的窘境。

因此，面向航空航天和国防军事等领域的技术需求、建立一套适用于超高温瞬态目 标的多光谱温度场测量系统已经测量方法已经迫在眉睫，突破超高温瞬态目标多光谱温度 场测量关键技术已经刻不容缓。

发明内容

本发明提供了一种基于超高温瞬态目标多光谱温度场测量装置及其温度测量方法，针 对超高温瞬态目标温度场的真温测量难题，解决多幅单色辐射图像在同一CCD焦平面上 同步成像的问题，在传统多光谱测温理论基础上，克服固定发射率假设模型存在测温准确性不可估计的理论不足这一问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于超高温瞬态目标多光谱温度场测量装置，所述多光谱成像CCD测量装置1和工控机2，所述多光谱成像CCD测量装置1与工控机2相连接，所述多光谱成像CCD 测量装置1内包括CCD探测器3、物镜9、动镜8、定镜7、环形镜6、目镜5、滤光片4，

所述CCD探测器3、物镜9、动镜8、定镜7、环形镜6、目镜5、滤光片4依次设 置在一条直线上，所述目镜5配合环形镜6使用。

进一步的，多个所述滤光片4安装在分光孔径光栏上，当前滤光片4与物镜9在一条直线上。

进一步的，环形镜6、定镜7、动镜8和CCD探测器3均与物镜9在一条直线上。

一种基于超高温瞬态目标多光谱温度场测量装置的温度测量方法，所述温度测量方法 包括如下步骤：

步骤1：将测量系统的物镜9的一端对准黑体炉，获得标定参数；

步骤2：打开多光谱成像CCD测量装置的光学镜头对准被测目标，进行不断拍摄以获取被测目标的灰度信息；

步骤3：基于Drude模型，推导材料发射率的理论模型，生成多种材料的发射率数据库；

步骤4：根据步骤2所测灰度信息与步骤3相关材料的发射率，建立被测目标的真实温度模型。

进一步的，所述步骤2中被测目标的光谱包含可见光和近红外波段，300nm-900nm。

进一步的，所述步骤2根据被测目标的灰度值进行亮温值计算，以获取多种不同波长 下的亮温值，通过下式获取多光谱下的目标的亮温值：

其中，G_n为被测目标在n个通道上的灰度值，n为通道数，n为大于1的整数，A_n和B_n为n个通道的标定参数，T_n为被测目标在n个通道上的亮温值。

进一步的，所述步骤4所述被测目标的真实温度模型通过式2表示：

其中，T为被测目标的真实温度，f(x)发射率智能识别模型，C₂为常量： C₂＝14388μmk。

本发明的有益效果是：

本发明可以将发射率带来的影响降到最低。

本发明实现超高温瞬态目标的多光谱温度场测量。

附图说明

图1是本发明的真空弧等离子体阴极表面真温测量结构图。

图2是本发明的四孔径分幅成像系统图。

图3是本发明的瞬态目标真温测量结果图。

图4是本发明的瞬态目标反解发射率曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描 述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发 明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种基于超高温瞬态目标多光谱温度场测量装置，所述测量装置包括多光谱成像CCD测量装置1和工控机2，所述多光谱成像CCD测量装置1与工控机2相连接，多光 谱成像CCD测量装置1内包括、滤光片4、目镜5、环形镜6、定镜7、动镜8、物镜9 和CCD探测器3，所述滤光片4、环形镜6、定镜7、动镜8、物镜9和CCD探测器3从 左至右或从右至左依次设置，所述目镜5配合环形镜6使用。

进一步的，多个所述滤光片4安装在分光孔径光阑上，当前滤光片4与物镜9的镜头在一条直线上；

环形镜6、定镜7、动镜8、和CCD探测器3均与物镜9在一条直线上。

包含依次设置的：中性衰减片，设置于显微镜头的前端，使得不同波长下的光信号得 到相同比例的衰减。

含有滤光片多通道的分光孔径系统，实现不同波长下的光谱分离，将各孔成的像分别 呈到CCD探测器的不同部分，最终获得同一个目标在不同光谱下的成像。

含有图像采集和分析软件的工控机，用于超高温瞬态目标多光谱温度场测量系统的图 像采集和图像分析功能。

中性衰减片包含3种规格(0.01％、0.1％、2％)，使用时按需求安装在显微镜头的前端。

含有滤光片多通道的分光孔径系统包括多波长滤光片和多通道分光孔径光阑，用于 目标多光谱成像。

图像采集软件对目标进行捕捉、采集和目标识别。图像分析软件是将采集到的图像 进行标定、计算以及显示彩色图。

一种基于超高温瞬态目标多光谱温度场测量系统的温度测量方法，所述温度测量方法 包括如下步骤：

步骤1：将测量系统的物镜9的一端对准黑体炉，获得标定参数，在1000K-2500K 温度之间进行标定，获得标定参数；

步骤2：打开多光谱成像CCD测量装置的光学镜头对准被测目标，进行不断拍摄以获取被测目标的灰度信息；

步骤3：基于Drude模型，推导材料发射率的理论模型，生成多种材料的发射率数据库；采用基于随机森林方法获得发射率智能识别模型。

在金属介质中，电子不受原子核束缚而成为自由电子，失去洛伦兹模型中电子简谐 振动的恢复力，即Kx＝0。那么电子的运动方程为：

令电子简谐振动的阻尼系数：

式中N_f——每立方厘米的自由电子数量；

σ₀——介质的直流电导率(S/m)。

运动方程的解为：

由ω＝2πυ＝2πc/λ，σ₀＝N_fe²λ₀/2πc，λ₀为德鲁德单电子理论的松弛波长，则金属复介电函数也可表示为：

所以，光学常量n、k与导体介电函数的关系为：

假设材料的折射率n和消光系数k不随着介质深度变化，则与介质表面法线夹角θ方 向的反射率：

式中

对于法向入射光，θ₁＝θ₂，对于非偏振的法向入射光的反射率为：

对于非透明介质，应用Kirchhoff定律：

ε'_λ＝α'_λ＝1-ρ'_λ (10)

在色散理论中，复介电函数ε＝ε′-iε″，当假设材料表面由谐振子组成，并与电磁波相 互作用，复介电函数与复折射率的关系式为ε＝m²，折射系数n与消光系数k与复介电函数 的实部与虚部的关系式为：

式中ε′——复介电函数的实部，ε′＝ε/ε₀；

ε″——复介电函数的虚部，ε″＝σ_e/2πνε₀；

ε₀——真空介电常数值；

σ_e——材料电导率。

通过菲涅尔方程可以得到不同金属的发射率。采用随机森林模型中用于材料发射率模 型多个参数进行学习，最终建立基于材料辐射机理的发射率模型识别算法。本专利采用随 机森林的回归预测功能，所建模型最后输出预测值为：

如果多波长温度计有n个通道，则第i个通道测得的亮温T_i与目标真温T的关系为：

将根据随机森林算法的发射率识别模型代入式(14)，联立各波长得到多光谱测温模型：

步骤4：根据步骤2所测灰度信息与步骤3相关材料的发射率，建立被测目标的真实温度模型。

进一步的，所述步骤2中被测目标的光谱包含可见光和近红外波段，通过plank定律 和维恩位移定律选取合适的光谱范围：300nm-900nm。

进一步的，所述步骤2根据被测目标的灰度值进行亮温值计算，以获取多种不同波长下的亮温值，通过式(1)获取多光谱下的目标的亮温值：

其中，G_n为被测目标在n个通道上的灰度值，n为通道数，n为大于1的整数，A_n和B_n为n个通道的标定参数，T_n为被测目标在n个通道上的亮温值。

进一步的，所述步骤4所述被测目标的真实温度模型通过式(2)表示：

其中，T为被测目标的真实温度，f(x)发射率智能识别模型，C₂为常量： C₂＝14388μmk。

实施例2

以真空弧等离子体阴极表面真温测量为例，其测量系统图如图1所示：

含有滤光片多通道的分光孔径系统为4通道分光孔径系统，实现了4波长下的光谱分离，将4个孔成的像分别呈到CCD探测器的不同部分，最终获得同一个目标在4种光 谱下的成像。

根据本发明的另一方面，包括如下步骤：

S1、将所述的多光谱温度测量系统的物镜9的一端对准黑体炉，在1000K-2500K温度之间进行标定，获得标定参数。

S2、将含有滤光片4通道分光孔径系统的多光谱成像CCD测量装置固定到合适位置， 打开光学镜头对准金属电极材料放电目标。

S3、使用多光谱温度测量系统进行不断拍摄以获取被测目标的灰度信息，根据被测 目标的灰度值进行亮温值计算，以获取4波长下的亮温值。

S4、基于Drude模型，推导材料发射率的理论模型，生成多种材料的发射率数据库。采用基于随机森林方法获得发射率智能识别模型。

S5、建立被测目标的真实温度模型，通过下式表示被测目标的真实温度模型：

其中T₁,T₂,T₃,T₄分别为被测目标(金属放电材料)的4个通道的亮温值，C₂为常量：C₂＝14388μmk，λ₁,λ₂,λ₃,λ₄为4个通道所选用的波长，四个波长值分别为：460nm、550nm、640nm、750nm，通过进行拟合计算得出被测目标的真实温度和发射率。

结合图2，本发明所述的多光谱成像是指在不同光谱段上对同一目标进行成像，其中 最为重要的是如何对光谱进行分离，在本发明中，采用多孔径的方法，即在孔径光阑处设 置了4种不同的滤光片以实现对光谱的分离，分别成像到CCD探测器的4个部分，最终 获得同一个目标、4种光谱下的图像。

图3为真空弧等离子体阴极表面温度真温曲线图(铜电极材料)。图4为电极材料(铜 电极)反解出的不同光谱发射率曲线图。

Claims (4)

1.一种基于超高温瞬态目标多光谱温度场测量装置的温度测量方法，其特征在于，所述测量装置包括多光谱成像CCD测量装置(1)和工控机(2)，多光谱成像CCD测量装置(1)与工控机(2)相连接，多光谱成像CCD测量装置(1)内包括CCD探测器(3)、物镜(9)、动镜(8)、定镜(7)、环形镜(6)、目镜(5)、滤光片(4)，衰减片是在物镜(9)之前；

所述CCD探测器(3)、物镜(9)、动镜(8)、定镜(7)、环形镜(6)、滤光片(4)依次设置在一条直线上，所述目镜(5)配合环形镜(6)使用；

所述温度测量方法包括如下步骤：

步骤1：将测量系统的物镜(9)的一端对准黑体炉，获得标定参数；

步骤2：打开多光谱成像CCD测量装置的光学镜头对准被测目标，进行不断拍摄以获取被测目标的灰度信息；

步骤3：基于Drude模型，推导材料发射率的理论模型，生成多种材料的发射率数据库；

步骤4：根据步骤2所测灰度信息与步骤3相关材料的发射率，建立被测目标的真实温度模型；

在金属介质中，电子不受原子核束缚而成为自由电子，失去洛伦兹模型中电子简谐振动的恢复力，即Kx＝0；电子的运动方程为：

令电子简谐振动的阻尼系数：

式中N_f——每立方厘米的自由电子数量；

σ₀——介质的直流电导率(S/m)；

运动方程的解为：

由ω＝2πυ＝2πc/λ，σ₀＝N_fe²λ₀/2πc，λ₀为德鲁德单电子理论的松弛波长，则金属复介电函数也可表示为：

所以，光学常量n、k与导体介电函数的关系为：

假设材料的折射率n和消光系数k不随着介质深度变化，则与介质表面法线夹角θ方向的反射率：

式中

对于法向入射光，θ₁＝θ₂，对于非偏振的法向入射光的反射率为：

对于非透明介质，应用Kirchhoff定律：

ε'_λ＝α'_λ＝1-ρ'_λ (10)

在色散理论中，复介电函数ε＝ε′-iε″，当假设材料表面由谐振子组成，并与电磁波相互作用，复介电函数与复折射率的关系式为ε＝m²，折射系数n与消光系数k与复介电函数的实部与虚部的关系式为：

式中ε′——复介电函数的实部，ε′＝ε/ε₀；

ε″——复介电函数的虚部，ε″＝σ_e/2πνε₀；

ε₀——真空介电常数值；

σ_e——材料电导率；

通过菲涅尔方程可以得到不同金属的发射率；采用随机森林模型中用于材料发射率模型多个参数进行学习，最终建立基于材料辐射机理的发射率模型识别算法；采用随机森林的回归预测功能，所建模型最后输出预测值为：

如果多波长温度计有n个通道，则第i个通道测得的亮温T_i与目标真温T的关系为：

将根据随机森林算法的发射率识别模型代入式(14)，联立各波长得到多光谱测温模型：

2.根据权利要求1所述一种基于超高温瞬态目标多光谱温度场测量装置的温度测量方法，其特征在于，多个所述滤光片(4)安装在分光孔径光阑上，当前滤光片(4)与物镜(9)在一条直线上。

3.根据权利要求1项所述一种基于超高温瞬态目标多光谱温度场测量装置的温度测量方法，其特征在于，所述步骤2中被测目标的光谱包含可见光和近红外波段，300nm-900nm。

4.根据权利要求1所述一种基于超高温瞬态目标多光谱温度场测量装置的温度测量方法，其特征在于，所述步骤2根据被测目标的灰度值进行亮温值计算，以获取多种不同波长下的亮温值，通过下式获取多光谱下的目标的亮温值：

其中，G_n为被测目标在n个通道上的灰度值，n为通道数，n为大于1的整数，A_n和B_n为n个通道的标定参数，T_n为被测目标在n个通道上的亮温值。