（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

溫度作為表征物體冷熱的物理量，對(duì)于在國防軍事中應(yīng)用的燃燒彈是其重要的熱力參數(shù)，特種彈藥燃燒火焰溫度多數(shù)可達(dá)3273K以上，彈藥的殺傷力需要對(duì)其進(jìn)行真溫的準(zhǔn)確測(cè)量予以判定。測(cè)溫方法可分為接觸式測(cè)溫與非接觸式測(cè)溫，非接觸式測(cè)溫中的多光譜測(cè)溫技術(shù)是輻射測(cè)溫技術(shù)的一個(gè)重要分支［1］，也是實(shí)現(xiàn)高溫火焰測(cè)量的最佳途徑。考慮到彈藥構(gòu)成復(fù)雜難以確定其發(fā)射率，同時(shí)彈藥燃燒中會(huì)混有離子譜與特征譜，需要通過接收大量波段輻射并篩選多個(gè)可用波段來測(cè)得目標(biāo)真溫［2］，因此，基于多光譜熱輻射測(cè)溫法，研制了燃燒彈火焰測(cè)溫系統(tǒng)——通過可見與近紅外全波段通道采集輻射信息，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到真實(shí)溫度。由于該系統(tǒng)內(nèi)包含自制的小視場(chǎng)輻射接收光學(xué)系統(tǒng)，其未知的VNIR波段傳遞函數(shù)與分光耦合帶來的衰減情況，以及系統(tǒng)內(nèi)光譜儀自身的光譜響應(yīng)特性［3］，輻射信息經(jīng)過系統(tǒng)后將會(huì)發(fā)生改變，以此解算出來的結(jié)果亦毫無意義，因而需要對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行標(biāo)定，校正采集的輻射信息為可用于反演目標(biāo)溫度的有效數(shù)據(jù)。本文側(cè)重介紹此系統(tǒng)的標(biāo)定。

1 測(cè)溫系統(tǒng)的組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)輻射光譜的特點(diǎn)，火焰分為發(fā)光火焰與透明火焰，發(fā)光火焰在可見波段均有輻射，透明火焰的輻射多在紅外波段［4］，多光譜測(cè)溫算法需要同時(shí)記錄各個(gè)波段的輻射能量；若目標(biāo)未能充滿視場(chǎng)，測(cè)量將受到背景輻射的影響［5］，合理減小視場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)更精確的測(cè)量，微小的測(cè)溫區(qū)域需要直觀的視覺輔助對(duì)準(zhǔn)，測(cè)量時(shí)熱輻射譜和燃燒狀態(tài)圖像應(yīng)在時(shí)間和空間維度上相互對(duì)應(yīng)。

該測(cè)溫系統(tǒng)主要由成像物鏡、分光耦合裝置、輔助觀瞄CCD相機(jī)、可見光與紅外傳輸光纖、可見光與紅外光譜儀組成。成像物鏡為焦距3m的反遠(yuǎn)距定焦鏡頭，可接收波段范圍在400nm～1700nm，鏡筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，輻射源經(jīng)過1、2鏡，在3鏡前通過加設(shè)的可調(diào)光闌消除雜光，達(dá)到了衰減輻射強(qiáng)度的效果。

圖1 鏡頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

分光耦合裝置位于箱體內(nèi)部，裝置主體在箱體前端與接收鏡組的鏡筒通過螺紋連接，主體設(shè)計(jì)含有與水平面成45度的兩平行面，用于固定分光鏡，如圖2所示，輻射經(jīng)過物鏡后首先到達(dá)分光鏡1，紅外波段光透射導(dǎo)入紅外光纖，可見光反射至分光鏡2，30%透射至CCD相機(jī)，剩余部分反射導(dǎo)入可見光纖，兩光纖端面位置為各自通道所對(duì)應(yīng)的像面，光纖末端各自接入對(duì)應(yīng)光譜儀。以上設(shè)計(jì)構(gòu)成了成像與接收熱輻射雙功能的光學(xué)系統(tǒng)，滿足光纖和CCD相機(jī)的光路耦合［6］。

圖2 測(cè)溫系統(tǒng)原理簡圖

1.2 工作原理

普朗克定律是多光譜測(cè)溫技術(shù)的理論基礎(chǔ)，物體輻射的出射譜遵循普朗克黑體輻射定律，相應(yīng)的輻射曲線線形只與溫度相關(guān)。德國物理學(xué)家普朗克論述了任何物體在一定溫度條件下都會(huì)以電磁波形式輻射能量，并給出黑體輻射普朗克公式：

式中，Mb(λ,T)代表溫度T時(shí)波長為λ的理論輻射度，ε0代表目標(biāo)的材料發(fā)射率，C1、C2為第一、第二輻射常數(shù)。在確定的目標(biāo)溫度下，各波段有著與之對(duì)應(yīng)的輻射度M0(λ,T)。

溫度反演是將表征溫度的遙測(cè)初始數(shù)據(jù)經(jīng)過修正處理與計(jì)算，獲得真實(shí)溫度信息的演算過程。上述的輻射度M0(λ,T)即是表征溫度的數(shù)據(jù)，但是因系統(tǒng)中不能完全傳遞輻射源的初始輻射度，即對(duì)M0(λ,T)進(jìn)行調(diào)制，該調(diào)制主要涉及系統(tǒng)中的光學(xué)元件帶來的影響，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。此外，因測(cè)溫中接收到的光譜不僅包含熱輻射譜，還包含拉曼光譜、離子譜和自發(fā)輻射鋪多重信息，在反演前還需對(duì)采集結(jié)果進(jìn)行去背景輻射與譜分離操作。

2 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

2.1 標(biāo)定方法及裝置

標(biāo)定即是為系統(tǒng)引入修正函數(shù)［5］，對(duì)經(jīng)過調(diào)制的輻射信息再度修正，在以多光譜測(cè)溫法實(shí)際測(cè)取火焰溫度時(shí)，測(cè)得的結(jié)果經(jīng)過與測(cè)溫系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的修正函數(shù)計(jì)算后方能準(zhǔn)確反演溫度，修正函數(shù)可使實(shí)際采集的譜線與理論值相擬合，理論值由黑體輻射普朗克公式獲得，根據(jù)普朗克定律，修正函數(shù)如下：

式中，實(shí)測(cè)光譜輻射強(qiáng)度k1(λ)，黑體理論光譜輻射度Mb(λ,T)，測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)應(yīng)每個(gè)波段的響應(yīng)函數(shù)v1(λ)。

修正函數(shù)的求取依靠高溫黑體輻射源作為參考，本次實(shí)驗(yàn)采用Therm Gauge高溫黑體爐，在1173～2273K取整百度記錄數(shù)據(jù)，室內(nèi)控制恒溫21.5℃、濕度58.5%～59.5%rh。測(cè)溫箱體固定于精密升降位移臺(tái)，外部輻射接收端正對(duì)爐內(nèi)腔體且距離3m，使輔助觀瞄CCD成清晰像，即像面已位于光纖探頭，再經(jīng)逆向檢測(cè)，從接收裝置內(nèi)部反向傳輸激光，出射后正好位于腔體中心。圖3為標(biāo)定實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖3 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

2.2 標(biāo)定過程

標(biāo)定起點(diǎn)始于1173K，黑體爐每次升至規(guī)定溫度且穩(wěn)定后，完全遮蔽輻射出射口并關(guān)閉室內(nèi)照明燈采集環(huán)境溫度譜線，測(cè)溫流程如圖4所示。為避免光譜儀在測(cè)量值域內(nèi)出現(xiàn)飽和，調(diào)整光闌并選擇設(shè)置積分時(shí)間為10ms，并保證之后的測(cè)溫過程中積分時(shí)間不變［6］。測(cè)溫系統(tǒng)每組溫度測(cè)量10次取平均值為最終結(jié)果，如圖5所示，以1673K的實(shí)測(cè)曲線為例，橫坐標(biāo)為波長，縱坐標(biāo)為輻射強(qiáng)度，隨著溫度上升輻射增強(qiáng)而顯示的波形不變。表1記錄了輻射曲線部分波段相應(yīng)的輻射強(qiáng)度值。

圖4 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)流程圖

圖5 1673-2073K采集輻射曲線

2.3 系統(tǒng)特性曲線

因測(cè)溫系統(tǒng)在不同溫度下的光譜響應(yīng)函數(shù)基本相同，在這里只選取單一溫度點(diǎn)（1673K）對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)譜線與普朗克曲線對(duì)比，經(jīng)歸一化處理，將數(shù)據(jù)代入公式（2）中，得到測(cè)溫系統(tǒng)在300nm～1000nm的修正函數(shù)，如圖6所示，大約波長在1080nm左右修正函數(shù)出現(xiàn)極大值，而其余波段的數(shù)據(jù)與之相比甚微。

圖6 測(cè)溫系統(tǒng)校正曲線

應(yīng)用得出的修正曲線，逐一校正各個(gè)溫度點(diǎn)的實(shí)測(cè)輻射曲線，而實(shí)際上不同溫度下的修正函數(shù)還存在細(xì)微差別，根據(jù)各自校正后的結(jié)果參考相應(yīng)理論曲線以驗(yàn)證次修正函數(shù)的精度，驗(yàn)證結(jié)果如圖7所示。

表1 1673-2073K部分波段的輻射強(qiáng)度值

圖7 經(jīng)校正后的1773K-2473K測(cè)溫結(jié)果

3 修正效果驗(yàn)證

校正處理后得到光譜數(shù)據(jù)與理論曲線有效擬合，由表2可知，此測(cè)溫方法在無其它干擾因素時(shí)效果穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性良好。結(jié)果表明數(shù)據(jù)經(jīng)過以上處理，實(shí)測(cè)光譜與理論光譜間的誤差在2%以內(nèi)，達(dá)到系統(tǒng)指標(biāo)，為后續(xù)溫度反演結(jié)果的可靠性提供保障。

表2 1773K-2473K目標(biāo)測(cè)溫結(jié)果與誤差

4 結(jié)論

多光譜測(cè)溫法是測(cè)取火焰溫度的有效途徑，標(biāo)定技術(shù)的水平?jīng)Q定著測(cè)溫系統(tǒng)的可靠性，標(biāo)定的校正系數(shù)是多光譜測(cè)溫系統(tǒng)各參數(shù)測(cè)試的基礎(chǔ)，本文介紹了一種成像式多光譜測(cè)溫系統(tǒng)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了高溫標(biāo)定。標(biāo)定實(shí)驗(yàn)在室溫與濕度穩(wěn)定的環(huán)境下采集了黑體爐輻射的光譜曲線，進(jìn)而得出設(shè)備的響應(yīng)函數(shù)。經(jīng)多個(gè)溫度點(diǎn)測(cè)試結(jié)果表明該響應(yīng)函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)的校正效果趨近理論曲線，能夠使該測(cè)溫系統(tǒng)反演溫度的結(jié)果更加準(zhǔn)確，具有實(shí)際意義。