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专利名称：基于光纤束分路传感的红外比色发射光谱层析方法
技术领域：
本发明涉及一种三维温度场测试方法，尤其涉及一种基于光纤束分路传感的红外比色发射光谱层析方法。
背景技术：
结合辐射温度测量及光学层析形成的发射光谱层析方法属于光学层析的一个分支，采用该方法能够对具有对外辐射的待测目标三维物理量分布进行无损检测。由普朗克黑体辐射定律可知，根据黑体在某一波长下的辐射出射度可以得出黑体的温度，但是实际物体的温度还跟物体的发射率有关系，由于物体的发射率没有通用的数学模型，一般不易在线测量，因此基于单波长发射光谱层析的温度场重建会因为发射率问题引入较大的测量误差。双波长比色测温通过双波长下辐射出射度的比值(比色)可以一定程度地减少发射率对温度测量的影响，因此基于双波长发射光谱层析的温度场重建可避免单波长发射光谱层析方法的缺点。现有的双波长发射光谱层析方法采用成像透镜、比例分光镜、窄带滤色片、面阵探测器件进行原始数据采集，存在着两个明显的缺点其一由于辐射线为锥形束成像方法，因此在层析反演计算时存在比平行束层析大得多的重建误差；其二由于采用比例分光镜进行辐射信息的分路，分光镜的固定、分光后两路成像光轴的角度匹配、面阵探测器的角度及位置匹配要求非常高，极易受现场测试环境干扰(例如振动冲击等)的影响，从而导致较大的重建误差。针对以上问题，本发明提出一种基于光纤束分路传感的红外比色发射光谱层析方法，可以获得多方向两种不同红外波长的平行束发射光谱原始辐射数据，结合比色层析重建算法，可对温度场进行重建。

发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光纤束分路传感的红外比色发射光谱层析方法， 以解决现有单波长及双波长发射光谱层析重建方法中存在的问题，可进行较高精度及较高可靠度的待测流场的三维温度分布测试。本发明是这样来实现的，通过多组红外光纤束平面阵列采集待测流场多个方向的双波长红外辐射信息，每组红外光纤束平面阵列由若干根红外光纤组成，每根红外光纤又由一个一分二红外光纤分路器分成两路，每路光纤通过中心波长不同的近红外窄带滤波片与红外光电传感器级联，这样便可以近似获取同一方向上两种不同红外波长的辐射信息， 每一方向上光纤的数量和分布取决于待测流场所需的测试空间分辨率。结合双波长比色测温及发射光谱层析算法可重建待测流场各个截面的温度分布。本发明的优点是通过光纤束采集及红外光纤分路器可以在相同的投影方向数下，获得待测流场的双波长多截面红外辐射信息，结合双波长比色测温及发射光谱层析算法可重建待测流场各个截面的温度分布，可以有效的消除单波长发射光谱层析需要先对待测流场发射率进行标定才能重建温度分布的缺点。


图I为本发明的原理图。在图中，I、待测试流场2、空间滤波器3、红外光纤束4、一分二红外光纤分路器 5、红外光电传感耦合器6、窄带滤波片7、红外光电探测器8、放大电路及数据采集卡9、计算机。
具体实施例方式如图I所示，本发明是这样实现的，待测试流场I对外空间各方向都存在红外辐射，空间滤波器2为布满均匀分布圆孔的平板，圆孔的直径与红外光纤的直径相同，以满足安装定位的条件。圆孔间的水平距离Lx于垂直距离Ly由待测试流场I的空间尺寸及测试所需的空间分辨要求决定。空间滤波器2与红外光纤束3进行安装联接，组成红外光纤束平面阵列。每组红外光纤束平面阵列包括M乘以N根红外光纤，其中M是每一层上光纤的数量， N是层数。通过在不同方向上安放多个红外光纤平面阵列，可收集待测试流场I沿多方向的平行辐射信息。红外光纤束平面阵列的每根光纤经一分二红外光纤分路器4分成两路，两
路光纤分别经过中心波长为
的窄带滤波片6与红外光电探测器7级联，通过红外光电传感耦合器5耦合在一起，这样便可获得同一方向上两种不同波长；U、的辐射数据。红外光电传感器传感信号经过放大
电路及数据采集卡8，转化为对应波长Jlr Jl2辐射信息的电压信号，送至计算机9进行分析处理。由红外光电探测器7的光电特性，可以得到电压信号与入射光照度的关系 U-aE(I),
a是跟红外光电探测器7的光电灵敏度等因素有关的系数。由于进入光纤束的是近似平行的辐射信息，所以某经一光纤入射到红外光电探测器7上的照度可以看作是与之相对应的待测试流场I的微元的辐亮度^沿某条射线的积分
E-jffj(2),
於为由光学系统所决定的比例系数。由式(1)、(2)可得到某根光纤接收到的辐射信息经光电转换所得的电压与辐亮度L Cr, j, 的关系
u ^(3).
结合计算机层析算法便可由电压值U反推得到福亮度L {x, y, z)。通过光纤一分二分路器，我们可以得到同一照度E下的两种不同波长Jlr Jl2的辐亮度。当
I和I2取值相差不大时根据双波长比色测温技术可得温度计算公式
权利要求
1.一种基于光纤束分路传感的红外比色发射光谱层析方法，其特征是该方法通过多组红外光纤束平面阵列采集待测流场多个方向的红外双波长的辐射信息，其中每组光纤束平面阵列由M乘以N(即M行N列)根红外光纤组成,每根光纤又由一个一分二红外光纤分路器分成两路，每路光纤通过中心波长不同的红外窄带滤波片与红外光电传感器级联，该光纤束分路传感方式可提供双波长比色发射光谱层析所需的原始数据。
全文摘要
一种基于光纤束分路传感的红外比色发射光谱层析方法，该方法通过多组红外光纤束平面阵列采集待测流场多个方向的红外双波长的辐射信息，其中每组光纤束平面阵列由M乘以N(即M行N列)根红外光纤组成，每根光纤又由一个一分二红外光纤分路器分成两路，每路光纤通过中心波长不同的红外窄带滤波片与红外光电传感器级联。光纤的数量和分布取决于待测流场所需的测试空间分辨率。本发明的优点是通过光纤束采集及红外光纤分路器可以在相同的投影方向数下，获得待测流场的双波长多截面红外辐射信息，结合双波长比色测温及发射光谱层析算法可重建待测流场各个截面的温度分布,可以有效的消除单波长发射光谱层析需要先对待测流场发射率进行标定才能重建温度分布的缺点。
文档编号G01J3/28GK102589696SQ201210053318
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月3日 优先权日2012年3月3日
发明者万雄, 张志敏, 陈琦 申请人:南昌航空大学