CN115452755A - 一种高温高压气体红外光谱辐射和吸收特性测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高温高压气体红外光谱辐射和吸收特性测量方法，包括以下步骤：搭建红外光谱辐射测量光路，光路一般应包括光源，两个光路镜组，耐高温耐高压气体池，光谱仪；利用标准黑体对光谱仪进行标定；测量光源辐射亮度和光源衰减后叠加气体辐射的辐射亮度；改变光源辐射功率，再次测量光源辐射亮度和光源衰减后叠加气体辐射的辐射亮度；若需测量其他温度、压力时气体的红外辐射和吸收特性，则改变气体的温度、压力，重复上述测量步骤。随后对上述测量光路的辐射传输过程进行数学建模，并求解方程组，得到待测气体的红外光谱辐射和吸收特性。本发明的测量方法，能够实现对高温高压气体红外光谱辐射亮度和吸收率的测量，不需要额外购买斩波器，成本低，测量精度高，具有实际应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及红外光谱测量技术领域，具体说是一种高温高压气体红外光谱辐射和吸收特性测量方法。
背景技术
在红外光谱学中，通常将红外波段分成近红外(0.78-2.5μm)、中红外(2.5-50μm)和远红外(50-1000μm)三个波段。因为不同波长的红外辐射与大气分子的相互作用不同，所以不同波长的红外辐射在大气中的传播特性也不同。因此也可以按照波长和大气对红外辐射的吸收，将红外辐射分为三个波段：短波红外(1-2.5μm)、中波红外(3-5μm)和长波红外(8-14μm)。这三个波段是大气选择吸收形成的“大气窗口”。
红外目标发出的红外辐射在被光学系统接收前，要在大气中传输，大气中的水蒸气、二氧化碳、臭氧等气体分子和其他微粒会吸收红外辐射，导致目标红外辐射衰减。由于气体辐射具有强烈的光谱选择性，因此常用光谱的或单色的辐射特性参数考虑其选择性。目前，关于常温常压下各种大气组成气体的吸收和辐射特性，经过长期的研究，已经形成了成熟的实验测试方法。
然而，当飞行器在大气层中高速飞行时，会在光学头罩前附着一层高温激波，激波层内的高温高压气体分子会产生强红外辐射，对红外成像探测产生严重干扰，甚至使光电探测器饱和而不能接收来自目标的辐射。因此，需要详细了解高温高压气体的红外光谱辐射和吸收特性。。现有的高温高压气体辐射和吸收特性测量方法，通常是利用斩波器对光源发出的辐射进行调制，调制后的光源辐射经过高温高压气体的传输，最终被光谱仪接收。光谱仪接收到信号包括调制后的光源辐射和未调制的高温高压气体辐射，后续再利用电子系统将光源辐射与气体辐射分开。该方法需要额外购买斩波器、并设计相应的电子系统，较为昂贵、复杂。所以现阶段亟需一种低成本且更加便捷的测量方法，实现对高温高压气体红外光谱辐射和吸收特性的测量。
发明内容
针对上述技术不足，本发明提供一种气体红外光谱辐射和吸收特性测量方法，利用标准光源发射红外辐射，建立红外光谱辐射测量光路，通过红外光谱辐射测量光路收集光源和气体的红外辐射，并聚焦于光谱仪上，最终由光谱仪测量辐射值。通过对红外光谱辐射测量光路的辐射传输过程进行数学建模，求解方程组，最终得到高温高压待测气体的红外辐射和吸收特性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种高温高压气体红外光谱辐射和吸收特性测量方法，所述该方法是基于一种高温高压气体红外光谱辐射测量光路实现的，光源发出的红外幅射光，经过第一光路镜组收集再折射后，聚焦于气体池中心，光源的红外辐射因气体池两侧的红外窗口和气体池内的高温高压气体吸收而衰减，再叠加着待测气体发出的红外辐射，被第二光路镜组收集并聚焦于光谱仪上，光谱仪采集光谱辐射亮度信号；改变光源的辐射功率，控制光谱仪测量待测气体衰减后且叠加了气体辐射的辐射亮度，得到含待测气体红外辐射特性参数的方程组，求解该方程组从而得到待测气体的红外光谱辐射和吸收特性。
包括以下步骤：
步骤1：建立红外光谱辐射测量光路；
步骤2：利用标准黑体源对光谱仪进行标定；
步骤3：测量功率P1时光源的辐射亮度；
步骤4：测量功率P1时，光源被气体池的红外窗口、待测气体衰减后且叠加了气体辐射的辐射亮度；
步骤5：改变光源的辐射功率，设为P2，重复步骤3-4，得到含有待测气体红外辐射特性的方程组，求解该方程组得到高温高压气体的红外辐射特性；
步骤6：改变待测气体的温度、压力，重复步骤3-5，得到不同温度、压力时气体的红外辐射特性。
所述的测量功率P1时光源的辐射亮度，需将气体池移出光路后，再记录光谱仪的测量值L1。
所述的光源被气体池的红外窗口、待测气体衰减后且叠加了气体辐射的辐射亮度，用下式表示：
其中，τw为已知的红外窗口透过率；Lgas(Tgas,pgas)为温度Tgas，压力pgas时待测气体的辐射亮度；τgas(Tgas,pgas)为温度Tgas，压力pgas时待测气体的透过率。
所述的含有待测气体红外辐射特性的方程组用下式表示：
所述的高温高压气体的红外辐射特性用下式表示：
所述的不同温度、压力时气体的红外辐射特性，通过控制气体池的加热器和高压充气装置来改变气体的温度Tgas和压力pgas。
所述红外光谱辐射测量光路包括光源，以及沿光路依次设置的第一光路镜组、气体池、第二光路镜组和光谱仪；所述光源为红外辐射源，且置于第一光路镜组的物点处；所述光谱仪置于第二光路镜组的像点处；所述第一光路镜组的像点、第二光路镜组物点重合，且为气体池中心；所述气体池内设有加热器、连接高压充气装置，其内充满待测的高温高压气体；所述气体池为不透光金属材质密闭而成，且两侧为红外输入、输出窗口，用于红外辐射穿透。
所述第一光路镜组、第二光路镜组内部为折射光路，组成折射光路的光路元件包括：在垂直于光路方向依次平行放置的凸透镜I、凸透镜II；凸透镜I的焦点为第一光路镜组或第二光路镜组的物点，凸透镜II的焦点为第一光路镜组或第二光路镜组的像点。
所述第一光路镜组、第二光路镜组内部为反射光路，所述第一光路镜组与第二光路镜组相对气体池成镜像；组成反射光路的光路元件包括：在垂直于光路方向依次平行放置的主镜、次镜；所述主镜的工作面为向内凹的椭球面，且主镜中心开通光孔，所述通光孔半径小于次镜镜面半径；所述次镜为双曲面镜，双曲面的其中一面为工作面，朝向光源或光谱仪；所述主镜的工作面与所述次镜的工作面相对设置；第二光路镜组内部，主镜的物点为气体池中心，主镜的像点与次镜的物点重合，次镜的像点为光谱仪的入口光阑处。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明对红外光谱辐射测量光路的辐射传输过程进行数学建模，通过改变光源的辐射功率，获得了含有待测气体红外辐射特性参数的方程组，通过求解方程组得到气体的红外辐射特性。该方法剔除了杂散光和干扰项的影响，且不需要过多修改光路结构，成本低，测量准确且效率高。
2.本发明利用耐高温耐高压气体池获得高温、高压的待测气体，区别于以往常温、常压气体辐射测量，提高了测量方法在气体辐射测量的温度、压力参数的数值范围，为透过高温、高压待测气体后面的待测物体的检测提供实现基础。
3.本发明的方法在建立红外光谱辐射测量光路后，收集光源辐射和高温高压气体辐射，利用光谱仪测量光源和高温高压气体的红外辐射亮度，进而实现后续传输建模。
附图说明
图1是本发明提供的高温高压气体红外光谱辐射和吸收特性测量方法的流程图；
图2是红外光谱辐射测量光路实验装置图；
图3是测量光源辐射亮度的光路图；
图4是测量光源衰减后叠加气体辐射亮度的光路图。
图5是本发明提供的第一光路镜组、第二光路镜组的反射结构示意图；
其中，1为光源，2为第一光路镜组，3为气体池，4为第二光路镜组，5为光谱仪，6为实例1的凸透镜I，7为实例1的凸透镜II，8为实例2的主镜，9为实例2的次镜。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方法做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
为了测量高温高压气体的红外光谱辐射和吸收特性，本发明提供的高温高压气体红外光谱辐射和吸收特性测量方法，如图1所示为该测量方法的流程图，具体步骤如下：
步骤1：搭建红外光谱辐射测量光路；如图2所示；
步骤2.利用标准辐射源对光谱仪进行标定；
步骤3.测量光源1的辐射亮度，测量光路如图3所示。需将气体池3移出光路后，再利用光谱仪5进行测量，此时测量的光源1辐射亮度用L1表示；图中黑色实线表示光源1的辐射亮度。
步骤4.测量光源1衰减后叠加气体的辐射亮度，测量光路如图4所示。图中黑色虚线表示光源1经过气体池3两侧红外窗口和气体池3内高温高压气体吸收而衰减后的辐射亮度，实线表示高温高压气体发射的红外辐射，测量的辐射亮度可用下式表示：
其中，τw为已知的红外窗口透过率；Lgas(Tgas,pgas)为温度为Tgas，压力为pgas时待测气体的辐射亮度；τgas(Tgas,pgas)为温度为Tgas，压力为pgas时待测气体的透过率。
步骤5.改变光源1的辐射功率，重复步骤3-4，得到含有待测气体红外辐射特性的方程组：
求解该方程组可以得到当前高温高压气体的红外辐射特性：
步骤6.判断是否需要测量其他温度、压力时气体的红外辐射特性，如果需要，则改变气体的温度Tgas和压力pgas，再重复步骤3-5即可得到不同温度、压力时气体的红外辐射特性。
其中，步骤1建立红外光谱辐射测量光路，如图2所示为本发明一种高温高压气体红外光谱辐射和吸收特性测量光路结构示意图，红外光谱辐射测量传输光路包括光源1，以及沿光路依次设置的第一光路镜组2、气体池3、第二光路镜组4和光谱仪5；光源1为红外辐射源，且置于第一光路镜组2的物点处；所述光谱仪5置于第二光路镜组4的像点处；所述第一光路镜组2的像点、第二光路镜组4物点重合，且为气体池3中心；所述气体池3内设有加热器、连接抽真空装置，其内充满待测的高温高压气体；所述气体池3为不透光金属材质密闭而成，且两侧为红外输入、输出窗口，用于红外辐射穿透。
实际应用时，光源1为辐射光谱覆盖红外波段且辐射功率已知的标准光源，如黑体、硅碳棒等。第一镜组2用于收集光源1的红外辐射并聚焦于气体池3的中心，气体池3两侧安装的窗口材料在2-15μm红外波段有高透过率，如ZnSe材料，且窗口材料透过率已知。气体池3内设有加热电阻丝，能够加热气体至设定温度，最高温度为600℃，气体池3材质如316不锈钢，气体池3具有良好的气密性和耐高压的强度结构，通过外部的高压充气装置进行充气，可承受最大气压为60个大气压。气体池3两侧红外窗口间的距离为23mm，可以形成厚度约为23mm的待测气柱。第二光路镜组4用于收集光源1衰减后的红外辐射和气体的辐射，并将辐射聚焦于光谱仪5上。光谱仪5为红外光谱仪，测量范围覆盖2-15μm波段。
作为第一光路镜组2、第二光路镜组4可以采用以下折射或反射的两种实例形式：
实例1：如图2～4所示，第一光路镜组2、第二光路镜组4内部为折射光路，组成折射光路的光路元件包括：在垂直于光路方向依次平行放置的凸透镜I6、凸透镜II7；凸透镜I6的焦点为第一光路镜组2或第二光路镜组4的物点，凸透镜II7的焦点为第一光路镜组2或第二光路镜组4的像点。第一光路镜组2中，待测光谱从光源1发出，经过凸透镜I6折射后平行出至凸透镜II7，再经凸透镜II7汇聚至气体池3中心；第二光路镜组4中，待测光谱从气体池3中心发出，经过凸透镜I6折射后平行出至凸透镜II7，再经凸透镜II7汇聚至光谱仪5。
实例2：如图5所示，第一光路镜组2、第二光路镜组4内部为反射光路，第一光路镜组2与第二光路镜组4相对气体池3成镜像；组成反射光路的光路元件包括：在垂直于光路方向依次平行放置的主镜8、次镜9；所述主镜的工作面为向内凹的椭球面，且主镜中心开通光孔，所述通光孔半径小于次镜镜面半径；所述次镜为双曲面镜，双曲面的其中一面为工作面，朝向光源或光谱仪；所述主镜的工作面与所述次镜的工作面相对设置。第二光路镜组(4)内部，主镜(8)的物点为气体池(3)中心，主镜(8)的像点与次镜(9)的物点重合，次镜(9)的像点为光谱仪(5)的入口光阑处。第一光路镜组2中，待测光谱从光源1发出，经过次镜9工作面反射至主镜8工作面，再经过主镜8反射至气体池3中心；第二光路镜组4中，待测光谱从气体池3中心发出，经过主镜8工作面反射至次镜9工作面，再经过次镜9反射至光谱仪5。其中，主镜8和次镜9材质为铝合金，表面镀金膜，平均反射率大于90％。主镜8与次镜9的面间距均为d，主镜与次镜之间通过支撑组件连接；所述支撑组件为一个或多个支撑柱，一端连接主镜，一端连接次镜；所述支撑组件还可以是筒形结构的镜筒，主镜与次镜分别同轴固定在镜筒内，主镜外边缘与镜筒接触相抵，次镜与镜筒通过一个或多个支撑柱连接。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高温高压气体红外光谱辐射和吸收特性测量方法，其特征在于，所述该方法是基于一种高温高压气体红外光谱辐射测量光路实现的，光源(1)发出的红外幅射光，经过第一光路镜组(2)收集再折射后，聚焦于气体池(3)中心，光源(1)的红外辐射因气体池(3)两侧的红外窗口和气体池(3)内的高温高压气体吸收而衰减，再叠加着待测气体发出的红外辐射，被第二光路镜组(4)收集并聚焦于光谱仪(5)上，光谱仪(5)采集光谱辐射亮度信号；改变光源(1)的辐射功率，控制光谱仪(5)测量待测气体衰减后且叠加了气体辐射的辐射亮度，得到含待测气体红外辐射特性参数的方程组，求解该方程组从而得到待测气体的红外光谱辐射和吸收特性。
2.根据权利要求1所述的一种高温高压气体红外光谱辐射和吸收特性测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立红外光谱辐射测量光路；
步骤2：利用标准黑体源对光谱仪(5)进行标定；
步骤3：测量功率P1时光源(1)的辐射亮度；
步骤4：测量功率P1时，光源(1)被气体池(3)的红外窗口、待测气体衰减后且叠加了气体辐射的辐射亮度；
步骤5：改变光源(1)的辐射功率，设为P2，重复步骤3-4，得到含有待测气体红外辐射特性的方程组，求解该方程组得到高温高压气体的红外辐射特性；
步骤6：改变待测气体的温度、压力，重复步骤3-5，得到不同温度、压力时气体的红外辐射特性。
3.根据权利要求2所述的一种高温高压气体红外光谱辐射和吸收特性测量方法，其特征在于，所述的测量功率P1时光源(1)的辐射亮度，需将气体池(3)移出光路后，再记录光谱仪(5)的测量值L1。
4.根据权利要求1或2所述的一种高温高压气体红外光谱辐射和吸收特性测量方法，其特征在于，所述的光源(1)被气体池(3)的红外窗口、待测气体衰减后且叠加了气体辐射的辐射亮度，用下式表示：
其中，τw为已知的红外窗口透过率；Lgas(Tgas,pgas)为温度Tgas，压力pgas时待测气体的辐射亮度；τgas(Tgas,pgas)为温度Tgas，压力pgas时待测气体的透过率。
5.根据权利要求1或2所述的一种高温高压气体红外光谱辐射和吸收特性测量方法，其特征在于，所述的含有待测气体红外辐射特性的方程组用下式表示：
6.根据权利要求1或2所述的一种高温高压气体红外光谱辐射和吸收特性测量方法，其特征在于，所述的高温高压气体的红外辐射特性用下式表示：
7.根据权利要求2所述的一种高温高压气体红外光谱辐射和吸收特性测量方法，其特征在于，所述的不同温度、压力时气体的红外辐射特性，通过控制气体池(3)的加热器和高压充气装置来改变气体的温度Tgas和压力pgas。
8.根据权利要求1或2所述的一种高温高压气体红外光谱辐射和吸收特性测量方法，其特征在于，所述红外光谱辐射测量光路包括光源(1)，以及沿光路依次设置的第一光路镜组(2)、气体池(3)、第二光路镜组(4)和光谱仪(5)；
所述光源(1)为红外辐射源，且置于第一光路镜组(2)的物点处；所述光谱仪(5)置于第二光路镜组(4)的像点处；所述第一光路镜组(2)的像点、第二光路镜组(4)物点重合，且为气体池(3)中心；所述气体池(3)内设有加热器、连接高压充气装置，其内充满待测的高温高压气体；所述气体池(3)为不透光金属材质密闭而成，且两侧为红外输入、输出窗口，用于红外辐射穿透。
9.根据权利要求8所述的一种高温高压气体红外光谱辐射和吸收特性测量系统，其特征在于，所述第一光路镜组(2)、第二光路镜组(4)内部为折射光路，组成折射光路的光路元件包括：在垂直于光路方向依次平行放置的凸透镜I(6)、凸透镜II(7)；凸透镜I(6)的焦点为第一光路镜组(2)或第二光路镜组(4)的物点，凸透镜II(7)的焦点为第一光路镜组(2)或第二光路镜组(4)的像点。
10.根据权利要求8所述的一种高温高压气体红外光谱辐射和吸收特性测量系统，其特征在于，所述第一光路镜组(2)、第二光路镜组(4)内部为反射光路，所述第一光路镜组(2)与第二光路镜组(4)相对气体池(3)成镜像；组成反射光路的光路元件包括：在垂直于光路方向依次平行放置的主镜(8)、次镜(9)；所述主镜的工作面为向内凹的椭球面，且主镜中心开通光孔，所述通光孔半径小于次镜镜面半径；所述次镜为双曲面镜，双曲面的其中一面为工作面，朝向光源或光谱仪；所述主镜的工作面与所述次镜的工作面相对设置；第二光路镜组(4)内部，主镜(8)的物点为气体池(3)中心，主镜(8)的像点与次镜(9)的物点重合，次镜(9)的像点为光谱仪(5)的入口光阑处。
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