基于大气实时修正的飞机辐射特性测量

研究了飞机飞行时的动态辐射特性测量方法。针对利用软件计算大气透过率进行目标辐射修正精度较低的问题,提出了通过机上标校黑体进行实时大气修正的新辐射测量方法。该方法通过目标飞机上挂载的标校黑体实现大气透过率的实时测量,并利用实测大气透过率对目标飞机辐射进行大气修正来提高修正精度。借助中波和长波红外相机、两个标准面源黑体及一块硒化锌平板,开展了飞机目标辐射特性测量的地面模拟实验。利用MODTRAN和CART计算以及实测大气透过率分别对黑体目标红外测量值进行辐射反演。与MODTRAN和CART计算大气透过率的传统方法相比,文中提出的实测大气透过率方法可将目标辐射反演精度提高一倍以上。     

红外热像仪精确测温技术

为实现红外热像仪对温度的精确测量,根据热辐射理论和红外热像仪的测温原理,推导了计算被测物体表面真实温度的通用计算公式;讨论了发射率对测温精度的影响,分析了用红外热像仪进行精确测温的条件,探讨了环境、大气和热像仪本身对测量精度的影响,并绘制了各种因素对测温精度影响的理论曲线。结果表明:发射率为0.7时,真实温度为50℃,发射率偏离0.1时,对于3~5 μm热像仪来说,测温结果偏离真实温度0.76~0.89 ℃; 对于8~14 μm热像仪来说,测温结果偏离真实温度1.56~1.87℃。本研究结果对提高热像仪测量温度和表面发射率的准确性,减小不必要的测量误差具有实际意义。     

标定红外热像仪的一种新型黑体辐射源

提出了一种用于标定红外热像仪的黑体辐射源，黑体腔形状为球形，开孔直径与球腔直径之比为0.13。由恒温液体浴保证黑体腔温度分布均匀，采用水浴和酒精浴时，壁耐最大温差低于0．2℃，油浴时壁面最大温差低于0.3℃。该黑体辐射源升温快，控温稳定性好，工作温度范围可达-20～300℃，有效比辐射率大于0.998。     

高精度红外热成像测温技术研究

红外热成像测温系统由于其远距离、非接触、多目标、高精度的特点,发展非常迅速。在当前新型冠状病毒流行的时期,为快速、高效地筛查出高温人群,及时防控、隔离疫情,红外热成像测温技术凸显了其重要性。测量过程中被测物体温度、环境温度、大气温度、镜头温度、探测器温度等因素,对测温精度都有一定影响,尤其是测温曲线的高精度标定对于红外热像仪测温精度影响最为关键。对红外测温原理进行了研究,建立了红外测温系统输出灰度值与被测物体测量温度的匹配模型,找到一种精确标定测温曲线的方法,提出了应用于高精度测温的V-T_r~4曲线,以及应用于温漂补偿的V-T_(FPA)、V-T_(镜筒)和V-T_(快门)曲线。经过实验验证,达到了理想的效果,使得测温精度显著提升,测温精度可以达到0.15 K以内。     

利用大气修正因子提高目标红外辐射特性测量精度

提出了利用大气修正因子修正大气透过率来提高测量目标红外辐射特性精度的方法。建立了目标红外辐射特性测量模型,给出了基于大气修正因子的目标红外辐射特性测量方法。该方法将短距离大气透过率实测结果和MODTRAN模拟计算的大气透过率之比定义为基础大气修正因子,然后依据长距离与短距离的不同数量关系得到增强大气修正因子,最后利用该因子对MODTRAN计算的长距离大气透过率进行修正并进行目标的辐射反演,从而获得目标辐射特性。对中波红外摄像机进行了定标,利用中波红外摄像机和面源黑体开展了目标红外辐射特性测量实验。实验结果表明,利用大气修正因子修正大气透过率的目标辐射测量方法得到的目标辐射特性测量精度在8%左右,高于传统的利用MODTRAN计算方法得到的20%的测量精度。得到的结果显示本文方法较传统方法较大程度地提高了目标辐射特性测量精度。     

大口径红外光学系统透过率测量装置

针对大口径红外光学系统的整机透过率测量难题，提出了基于图像灰度的单通道红外透过率测量方法，搭建了大口径红外光学系统整机透过率测量装置。首先，将黑体和靶标按照指定位置关系放置于待测红外光学系统的焦平面处，将红外热像仪放置于待测红外光学系统的入光口，采集被测系统的辐射图像；接着，将黑体放置于红外热像仪前，采集黑体辐射图像；最后，分别计算被测系统辐射图像均值和黑体辐射图像均值，二者比值即为被测系统的透过率。以某型大口径红外光学系统作为被测系统，开展了红外透过率测量实验。实验结果标明：本文方法测量值与设计值的绝对误差为0.85%，对测量结果不确定度进行分析，测量精度约为1.04%，测量方法可行。此方法测量过程简单，为大口径红外光学系统的整机性能评估提供了有效手段。     

基于大气透过率比例校正的目标辐射测量

大气透过率是影响目标辐射测量精度的重要因素,而常规通过MODTRAN等模式计算软件,由大气参数计算大气透过率的误差一般在15％以上,极大地限制了目标辐射测量精度.为此,本文提出利用某一距离的实测大气透过率和模式计算大气透过率之比得到大气过率校正系数来对其它距离的模式计算大气透过率进行比例校正.实验显示,校正后大气透过率的精度优于8.1％,大大提高了目标辐射测量精度.利用中波红外相机和面源黑体开展了目标辐射特性测量实验,结果表明,采用MODTRAN计算大气透过率的辐射测量方法得到的目标辐射反演精度约为20％,而采用本文方法对大气透过率校正后可将反演精度提高到10％以内.     

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切削温度是影响切削加工过程中刀具状况和工件表面质量的重要物理量，但切削温度信号的获取与处理存在一些实际问题。针对切削温度测量中的自然热电偶法、人工热电偶法以及红外热图像法，介绍了热电偶的固定、从旋转体上引出测量信号、自然热电偶的标定、工件和刀具表面发射率的标定，以及应用红外热像仪进行测温时切削实验的设计等一些实践做法。实践证明，开槽嵌夹绞丝热电偶方法的测量结果比较可靠；采用集流器引出旋转体热电势信号时所产生的摩擦附加电势可被定量测定并可将其从测温信号中减除；应用红外热像仪测量切削温度时应标定被测材料在各温度段的表面发射率并量化标定环境的影响。     

基于双波段比能量法的非接触测温系统的研究

为实现表面发射率未知但稳定的材料的中高温(300～550℃)温度的精确测量,提出了一种双波段比能量测温法,并基于该方法设计了一套非接触测温系统。非接触测温系统选用工作波段为0.9～1.65μm和5.5～14.5μm的红外辐射传感器,传感器将2个波段的能量信号转化为电压信号,并将电压信号做比值,得到和温度相关的K因子,使用面源黑体炉和金属样板对系统进行标定及测试。实验结果表明:使用双波段比能量测温法的非接触测温系统不需要知道目标发射率,也能较为精确地得到中高温物体的真实温度,且温度误差在10℃以内。基于该方法的非接触测温系统对中高温物体真实温度的精确测量具有重要的研究意义。     

红外热像仪测量切削温度的误差来源分析与实验研究

用红外热像仪测量切削温度时,拍摄角度、距离以及物体表面发射率都是导致测温误差的来源。在红外热像仪测温理论分析的基础上,对这些因素用控制变量法进行实验。结果结果表明,拍摄角度在5o~10o和30o~35o这两个范围内,测温误差较小。热像仪与切削区之间的距离在1.1m~1.2m的范围内,测量温度比较稳定。对于粗加工45号钢而言,表面发射率设在0.48~0.45之间,温度波动较小,此区间的发射率为较好。研究结果对于红外热像仪现场监测切削温度,具有实际的指导意义。     

应用内外定标修正实现红外测量系统辐射定标

由于现有的大口径短波红外测量系统的辐射定标需要制备大口径红外平行光管,不仅机动性差且成本较高,故提出了一种基于内、外定标修正的辐射定标新方法。该方法将一个中、高温腔型黑体置于红外系统内部,通过切换反射镜,将中、高温腔型黑体辐射引入红外光学系统,并对部分光路进行中、高温段的内定标。然后,使用大面源黑体对全系统进行中温段的外定标;提取并处理公共温度范围的内、外定标数据以获取内、外定标之间的修正系数。最后,对中、高温段的内定标数据进行修正从而获取全系统的辐射定标数据。使用该方法对某Φ400mm口径的红外测量系统进行了辐射定标,并根据定标结果反演了黑体的辐射亮度和温度。结果显示:辐射亮度反演的最大误差为1.67%,温度反演的最大误差为1.02℃。实验结果证明了该方法可以准确、有效地对大口径短波红外测量系统进行辐射定标。     

红外高光谱干涉仪辐射定标误差敏感性因子的仿真分析

鉴于对高精度高时空分辨率大气探测资料日益增长的科研和业务需求,我国正大力发展星载红外高光谱探测系统。星载红外高光谱干涉仪光机结构复杂,仪器状态会显著影响其定标精度。本文通过理论分析和仿真实验,分别讨论了内黑体发射率、低温黑体发射率、内黑体与环境温度差、非线性系数以及直流电压演算等误差敏感性因子影响辐射定标精度的特征。分析表明定标辐射偏差的绝对值与内黑体/低温黑体发射率呈线性关系,且与内黑体与环境温度差、非线性系数、直流电压呈正相关;提高内黑体发射率和低温黑体发射率到0.985以上、控制内黑体与环境温度差在0.6 K左右、控制干涉仪的非线性效应系数低于0.04,这些方案均是实现0.1 K辐射定标精度的必要条件;辐射定标参数对定标辐射的影响特征结合地面真空实验的定标参数估计,可以迭代得到已测得和未知的定标参数的最优估计,从而提高定标精度。本文的研究结果对于红外高光谱干涉仪的参数设计以及辐射定标误差来源的识别和订正有着十分重要的意义。     

反射温度补偿法及其实验验证

为补偿环境辐射对红外测温的影响,根据红外辐射理论和红外热像仪的测温原理,提出了反射温度补偿法。介绍了该方法的原理,给出了该补偿方法的理论计算公式。相关实验显示,在被测物体周围存在高温物体的情况下,采用提出的反射温度补偿法可补偿高温物体的反射能量。红外反射镜的选取与被测物体的表面状况有关,若被测物体可视为朗伯体,则可选铝箔为红外反射镜;若被测物体为非朗伯体,则需选用与被测物体表面结构相似的材料为红外反射镜。经过反射温度补偿,能较为准确地得到朗伯体的表面温度,误差可控制在2%以内;该方法亦能够较大地提高对非朗伯体的测温精度,其误差不超过5%。这些结果表明该方法简单易行,精度较高,适用于大部分的红外热像仪。     

地基大口径红外光电系统的联合辐射定标

考虑标准红外星定标方法无法测定地基大口径红外光电系统像元级的辐射响应度,进而导致对系统存在的非均匀性现象适应能力差的问题,提出了基于标准红外星与小口径黑体的联合辐射定标方法。该方法以标准红外星为外定标参考源,测定全光路系统的辐射响应度;以小口径黑体为内定标参考源,测定半光路系统像元级的辐射响应度;最后,结合内、外定标结果推算前端光学系统透过率,进而实现系统的全光路像元级辐射响应度定标。开展了自然星红外辐射特性测量实验,并与标准红外星定标方法进行了对比。结果显示:提出方法获得的目标最大反演误差为15.89%,而标准红外星定标方法在最理想情况下获得的最大反演误差为15.92%,表明提出方法的定标精度高于标准红外星定标方法。另外,提出方法能够测定全光路系统像元级的辐射响应度,克服了系统响应非均匀性的影响,进而提高了红外探测器的焦平面利用率,弥补了标准红外星定标方法的应用缺陷。     

红外辐射光转换系统在温度测量中的应用

分析红外辐射光转换的原理及方法,研制红外辐射测温系统,用于高速运动物体的温度检测.从实际应用情况入手,对硬件电路设计、温度标定以及温度曲线拟合进行了详细论述.硬件电路设计主要包括光电转换、前置放大和恒温模块.设计温度标定实验获取数据.经多个模型比较,选用了指数模型,用来拟合电压温度曲线并进行了拟合误差分析.最后给出了整个系统的测试效果.     

Irradiance-based emissivity correction in infrared thermography for electronic applications

This work analyzes, discusses, and proposes a solution to the problem of the emissivity correction present in infrared thermography when coatings with known emissivity cannot be deposited on the inspected surface. It is shown that the conventional technique based on two reference thermal images and the linearization of the blackbody radiation dependence on temperature is not a reliable and accurate solution when compared with the coating procedure. In this scenario, a new approach based on the direct processing of the output signal of the infrared camera (which is proportional to the detected irradiance) is proposed to obtain an accurate emissivity and surrounding reflections map, perfectly compensating the thermal maps. The results obtained have been validated using a module as a test vehicle containing two thermal test chips which incorporate embedded temperature sensors.     

风云卫星的红外遥感亮度温度国家计量标准装置

综述了国际上美国、德国、俄罗斯的典型红外遥感亮度温度标准装置的研究现状,着重介绍了由中国计量科学研究院研制的用于风云卫星红外载荷黑体定标的红外遥感亮度温度国家计量标准装置(VRTSF)。给出了VRTSF的设计方案,描述了它的结构和光路。设计了满足风云卫星红外载荷定标黑体工作环境的真空低背景实验舱,建立了满足量值溯源需求的标准黑体辐射源作为量值标准器。标准变温黑体辐射源的温度覆盖190K~340K,口径为30mm,空腔发射率为0.999 9,温度不确定度优于50mK@300K/10μm(k=2)。该装置的光谱为(1-1 000)μm,光谱分辨率为0.2cm-1,可满足多种红外载荷的定标需求。该装置具有高温度不确定度水平、高光谱分辨率和扩展性强等特点,如未来该装置温度覆盖至(100-500)K,将会满足大部分红外载荷量值的溯源需求。     

The use of RuO<Subscript>2</Subscript> resistors as broadband low-temperature radiation sensors

The possibility of using commercial RuO₂ planar resistors as low-temperature radiation sensors was investigated. At temperatures of 0.08–0.1 K, their sensitivity to blackbody radiation at temperatures of 5–40 K was about 2–3 pW. The radiation absorption coefficient was <10%. The response is a linear function of the radiation power, thus indicating that the detector band is no narrower than 0.5–2.5 THz. The rise time of an output signal without feedback-assisted temperature stabilization was ~12 s owing to an unexpectedly high thermal capacity of the resistor.