基於光纖束分路傳感的紅外比色發射光譜層析方法
2024-01-29 21:03:15
專利名稱：基於光纖束分路傳感的紅外比色發射光譜層析方法
技術領域：
本發明涉及一種三維溫度場測試方法，尤其涉及一種基於光纖束分路傳感的紅外比色發射光譜層析方法。
背景技術：
結合輻射溫度測量及光學層析形成的發射光譜層析方法屬於光學層析的一個分支，採用該方法能夠對具有對外輻射的待測目標三維物理量分布進行無損檢測。由普朗克黑體輻射定律可知，根據黑體在某一波長下的輻射出射度可以得出黑體的溫度，但是實際物體的溫度還跟物體的發射率有關係，由於物體的發射率沒有通用的數學模型，一般不易在線測量，因此基於單波長發射光譜層析的溫度場重建會因為發射率問題引入較大的測量誤差。雙波長比色測溫通過雙波長下輻射出射度的比值(比色)可以一定程度地減少發射率對溫度測量的影響，因此基於雙波長發射光譜層析的溫度場重建可避免單波長發射光譜層析方法的缺點。現有的雙波長發射光譜層析方法採用成像透鏡、比例分光鏡、窄帶濾色片、面陣探測器件進行原始數據採集，存在著兩個明顯的缺點其一由於輻射線為錐形束成像方法，因此在層析反演計算時存在比平行束層析大得多的重建誤差；其二由於採用比例分光鏡進行輻射信息的分路，分光鏡的固定、分光後兩路成像光軸的角度匹配、面陣探測器的角度及位置匹配要求非常高，極易受現場測試環境幹擾(例如振動衝擊等)的影響，從而導致較大的重建誤差。針對以上問題，本發明提出一種基於光纖束分路傳感的紅外比色發射光譜層析方法，可以獲得多方向兩種不同紅外波長的平行束髮射光譜原始輻射數據，結合比色層析重建算法，可對溫度場進行重建。
發明內容
本發明的目的在於提供一種基於光纖束分路傳感的紅外比色發射光譜層析方法， 以解決現有單波長及雙波長發射光譜層析重建方法中存在的問題，可進行較高精度及較高可靠度的待測流場的三維溫度分布測試。本發明是這樣來實現的，通過多組紅外光纖束平面陣列採集待測流場多個方向的雙波長紅外輻射信息，每組紅外光纖束平面陣列由若干根紅外光纖組成，每根紅外光纖又由一個一分二紅外光纖分路器分成兩路，每路光纖通過中心波長不同的近紅外窄帶濾波片與紅外光電傳感器級聯，這樣便可以近似獲取同一方向上兩種不同紅外波長的輻射信息， 每一方向上光纖的數量和分布取決於待測流場所需的測試空間解析度。結合雙波長比色測溫及發射光譜層析算法可重建待測流場各個截面的溫度分布。本發明的優點是通過光纖束採集及紅外光纖分路器可以在相同的投影方向數下，獲得待測流場的雙波長多截面紅外輻射信息，結合雙波長比色測溫及發射光譜層析算法可重建待測流場各個截面的溫度分布，可以有效的消除單波長發射光譜層析需要先對待測流場發射率進行標定才能重建溫度分布的缺點。
圖I為本發明的原理圖。在圖中，I、待測試流場2、空間濾波器3、紅外光纖束4、一分二紅外光纖分路器 5、紅外光電傳感耦合器6、窄帶濾波片7、紅外光電探測器8、放大電路及數據採集卡9、計算機。
具體實施例方式如圖I所示，本發明是這樣實現的，待測試流場I對外空間各方向都存在紅外輻射，空間濾波器2為布滿均勻分布圓孔的平板，圓孔的直徑與紅外光纖的直徑相同，以滿足安裝定位的條件。圓孔間的水平距離Lx於垂直距離Ly由待測試流場I的空間尺寸及測試所需的空間分辨要求決定。空間濾波器2與紅外光纖束3進行安裝聯接，組成紅外光纖束平面陣列。每組紅外光纖束平面陣列包括M乘以N根紅外光纖，其中M是每一層上光纖的數量， N是層數。通過在不同方向上安放多個紅外光纖平面陣列，可收集待測試流場I沿多方向的平行輻射信息。紅外光纖束平面陣列的每根光纖經一分二紅外光纖分路器4分成兩路，兩
路光纖分別經過中心波長為
的窄帶濾波片6與紅外光電探測器7級聯，通過紅外光電傳感耦合器5耦合在一起，這樣便可獲得同一方向上兩種不同波長；U、的輻射數據。紅外光電傳感器傳感信號經過放大
電路及數據採集卡8，轉化為對應波長Jlr Jl2輻射信息的電壓信號，送至計算機9進行分析處理。由紅外光電探測器7的光電特性，可以得到電壓信號與入射光照度的關係 U-aE(I),
a是跟紅外光電探測器7的光電靈敏度等因素有關的係數。由於進入光纖束的是近似平行的輻射信息，所以某經一光纖入射到紅外光電探測器7上的照度可以看作是與之相對應的待測試流場I的微元的輻亮度^沿某條射線的積分
E-jffj(2),
於為由光學系統所決定的比例係數。由式(1)、(2)可得到某根光纖接收到的輻射信息經光電轉換所得的電壓與輻亮度L Cr, j, 的關係
u ^(3).
結合計算機層析算法便可由電壓值U反推得到福亮度L {x, y, z)。通過光纖一分二分路器，我們可以得到同一照度E下的兩種不同波長Jlr Jl2的輻亮度。當
I和I2取值相差不大時根據雙波長比色測溫技術可得溫度計算公式
權利要求
1.一種基於光纖束分路傳感的紅外比色發射光譜層析方法，其特徵是該方法通過多組紅外光纖束平面陣列採集待測流場多個方向的紅外雙波長的輻射信息，其中每組光纖束平面陣列由M乘以N(即M行N列)根紅外光纖組成,每根光纖又由一個一分二紅外光纖分路器分成兩路，每路光纖通過中心波長不同的紅外窄帶濾波片與紅外光電傳感器級聯，該光纖束分路傳感方式可提供雙波長比色發射光譜層析所需的原始數據。
全文摘要
一種基於光纖束分路傳感的紅外比色發射光譜層析方法，該方法通過多組紅外光纖束平面陣列採集待測流場多個方向的紅外雙波長的輻射信息，其中每組光纖束平面陣列由M乘以N(即M行N列)根紅外光纖組成，每根光纖又由一個一分二紅外光纖分路器分成兩路，每路光纖通過中心波長不同的紅外窄帶濾波片與紅外光電傳感器級聯。光纖的數量和分布取決於待測流場所需的測試空間解析度。本發明的優點是通過光纖束採集及紅外光纖分路器可以在相同的投影方向數下，獲得待測流場的雙波長多截面紅外輻射信息，結合雙波長比色測溫及發射光譜層析算法可重建待測流場各個截面的溫度分布,可以有效的消除單波長發射光譜層析需要先對待測流場發射率進行標定才能重建溫度分布的缺點。
文檔編號G01J3/28GK102589696SQ201210053318
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月3日 優先權日2012年3月3日
發明者萬雄, 張志敏, 陳琦 申請人:南昌航空大學