[发明专利]基于光谱技术的瞬态温度测量与反演系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于光谱技术的瞬态温度测量与反演系统，属于光谱测温技术领域。

背景技术

多光谱辐射测温法(Multispectral Radiation Thermometry)是七十年代末才发展起来的可同时测量目标真实温度及材料光谱发射率的非接触测温方法，也可作为多参数动态热物性测试的重要仪器，用以测量试样的发射率、熔点、比热、热膨胀等。

传统测试手段由于受限于本身的测试原理，无法实现爆炸或是激光毁伤等剧烈作用中的瞬态温度及成份变化过程的测量。瞬态温度是指很短一段时间内目标的温度，例如在爆炸中，爆炸时刻或是爆炸后很短的一段时间内，爆炸区的温度就叫瞬态温度。例如激光与物质相互作用过程中常产生热辐射谱、激光诱导等离子体谱和拉曼光谱等，根据各种谱的产生机理，分析反演靶材温度信息及成份变化信息，为激光辐照靶材机理的研究奠定基础。[蔡红星，胡馨月等；强激光毁伤过程中的热辐射谱测量研究进展.吉林省光学学会三十周年会议文集；2011]

目前常用的多谱辐射测温反演方法只能出一个近似温度值，而无法给出实际的温度分布。

发明内容

为了解决传统测量只能给出一个近似温度值，而无法给出实际的温度分布，本发明提供了一种基于光谱技术的瞬态温度测量与反演系统。所述的瞬态温度是指很短一段时间内作用目标的温度，例如在爆炸中，爆炸时刻或是爆炸后很短的一段时间内，爆炸区的温度就叫瞬态温度。

本发明采用主成分回归算法，给出了基于多谱辐射测温方法的温度分布反演。

主成分回归方法(PCA)是采用多元统计中的主成分分析方法。它可以从多元事物中解析出主要影响因素，揭示事物的本质，简化复杂的问题。PCA旨在利用降维的思想，把多指标转化为少数几个综合指标。在用统计方法研究多变量问题时，变量太多会增加计算量和增加分析问题的复杂性。人们希望在进行定量分析的过程中，涉及的变量较少，得到的信息量较多。主成分分析正是适应这一要求产生的，是解决这类题的理想工具。[洪素珍；如何有效利用主成分分析中的主成分；硕士学位论文.2008]

光电二极管阵列PDA，是在晶体硅上紧密排列一系列光电二极管。每一个二极管相当于一个单色器的出口狭缝，二极管越多分辨率越高。一般是一个二极管对应接收光谱上一个纳米谱带宽的单色光。复色光照射在二极管阵列装置上，是每个纳米波长的光强度转变为相应的电信号强度。

一种基于光谱技术的瞬态温度测量与反演系统，其包括一种基于光谱技术的瞬态温度测量与反演系统，其特征在于，其包括会聚透镜A、光纤探头、光纤、分光仪、光电二极管阵列PDA、接口电路、计算机和显示器；

其中，光纤探头的中心在会聚透镜A的主光轴方向上；光纤探头与光纤连接，光纤与分光仪连接；分光仪、光电二极管阵列、接口电路、计算机、显示器顺次连接；

所述的目标可以是非合作目标，也可以是合作目标；

会聚透镜A的焦距根据具体测量要求选择，根据目标的距离来确定会聚透镜A的焦距，焦距的选择使得光纤探头可以接收到尽量多的光信号；

光纤为大芯径多模光纤，光纤内径为200-400微米；

分光仪为光栅分光仪，可将复色光分离成单色光，进行光谱测量和分析；

计算机中存储有计算及运行软件，计算机能进行人机交互、信号处理、控制和数据计算；

目标经过某种作用而产生具有特征的光信号，经会聚透镜A接收并耦合到光纤探头中，通过光纤传导；由光纤传导的光信号进入分光仪，经其作用后，按波长的不同分开，照射在光电二极管阵列PDA上；光电二极管阵列PDA所产生的电信号经接口电路后，进入计算机；

计算机接收到传入的测量数据信息，基于普朗克辐射公式设计的软件程序对相关数据的处理计算；对目标的热辐射谱的光谱数据反演得到其温度分布；显示器把信息是显示出来；

普朗克黑体理论给出了物质表面的温度和其发射光谱间的关系，采用主成分回归方法，建立了辐射光谱与温度间的关系；目标的谱辐射出射度M_vT与波数v、温度T的公式为