一種多光譜溫度場(chǎng)測(cè)量裝置的制作方法

本發(fā)明涉及光學(xué)測(cè)溫技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多光譜溫度場(chǎng)測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

多光譜輻射溫度測(cè)量方法是一種非接觸的輻射測(cè)溫方法，主要用于測(cè)量高溫，如火箭尾噴火焰溫度場(chǎng)、船舶用大型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒場(chǎng)溫度測(cè)量等領(lǐng)域，通過(guò)待測(cè)場(chǎng)發(fā)出的熱輻射進(jìn)行測(cè)溫，具有無(wú)測(cè)量上限、響應(yīng)速度快及不影響被測(cè)溫度場(chǎng)等優(yōu)點(diǎn)。該方法是在一個(gè)儀器中制成多個(gè)光譜通道，利用多個(gè)光譜的物體輻射亮度信息，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，得到物體的真實(shí)溫度和材料的光譜發(fā)射率。但是目前，多光譜高溫計(jì)由于受光路的限制只能測(cè)量單點(diǎn)的溫度，而實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中往往需要獲得待測(cè)溫度場(chǎng)的分布，為此，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種待測(cè)溫度場(chǎng)各點(diǎn)的多光譜信息的同時(shí)獲取，通過(guò)多個(gè)面陣CCD(電荷耦合元件)獲得各點(diǎn)光譜強(qiáng)度信息，進(jìn)而通過(guò)數(shù)據(jù)處理獲得待測(cè)輻射表面各點(diǎn)溫度值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)待測(cè)的某一表面發(fā)出的熱輻射，經(jīng)過(guò)本發(fā)明設(shè)計(jì)的光路后，可實(shí)現(xiàn)二維表面各點(diǎn)多光譜信息的同時(shí)采集，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換后，經(jīng)反演計(jì)算獲得各個(gè)點(diǎn)的溫度值，從而實(shí)現(xiàn)多光譜二維表面溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量，進(jìn)而提出了一種多光譜溫度場(chǎng)測(cè)量裝置。

上述的目的通過(guò)以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種多光譜溫度場(chǎng)測(cè)量裝置，包括：被測(cè)溫度場(chǎng)、物鏡組、平行光管、多面分光棱錐、平面反射鏡、窄帶濾光片、成像透鏡和面陣CCD傳感器，

所述物鏡組將被測(cè)溫度場(chǎng)的輻射通過(guò)平行光管聚焦在多面分光棱錐的入射面上；

所述多面分光棱錐將投射的輻射等分至少八束不同方向的波段輻射到平面反射鏡的入射面上；

所述平面反射鏡將輻射反射到窄帶濾光片上，輻射通過(guò)窄帶濾光片被成像透鏡并將輻射聚焦在面陣CCD傳感器上。

對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步限定，所述物鏡組包括：按照輻射方向分別第一物鏡和第二物鏡。

對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步限定，所述采用窄帶濾光片，可以獲得更精細(xì)的光譜信息，直接帶入

式中T為待測(cè)溫度，T_i為標(biāo)定溫度，C₂為第二輻射常數(shù)，λ_i為光譜波長(zhǎng)值，ε_i(λ_i，T)為光譜發(fā)射率。

對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步限定，所述光譜發(fā)射率函數(shù)求解方程為

轉(zhuǎn)換為式中，T_ri為每個(gè)通道的溫度計(jì)算值，為每個(gè)通道計(jì)算溫度的平均值，

即尋找一組合適發(fā)射率帶入上述方程，使得由上述方程式構(gòu)成的方程組中每一個(gè)方程得到的溫度T_ri都相等，實(shí)際情況是在約束條件即發(fā)射率ε∈[0,1]條件下，如果即讓小于某個(gè)較小的數(shù)(迭代截止條件)，說(shuō)明此時(shí)找到了合適一組發(fā)射率，溫度此時(shí)也為真溫。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明分光光譜通道數(shù)至少8個(gè)光譜通道，光譜通道越多，獲得的待測(cè)場(chǎng)信息越多，利于檢測(cè)。

2、本發(fā)明提高了溫度求解速度，可應(yīng)用實(shí)時(shí)在線溫度計(jì)算。

3、本發(fā)明操作簡(jiǎn)單，且性能穩(wěn)定。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的光路圖；

圖2是本發(fā)明的八光譜通道光路成像端模擬圖；

圖3是本法的物鏡組結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的說(shuō)明：

一種多光譜溫度場(chǎng)測(cè)量裝置，包括：被測(cè)溫度場(chǎng)1、物鏡組12、平行光管6、多面分光棱錐7、平面反射鏡8、窄帶濾光片9、成像透鏡10和面陣CCD傳感器11，

所述物鏡組12將被測(cè)溫度場(chǎng)1的輻射通過(guò)平行光管6聚焦在多面分光棱錐7的入射面上；

所述多面分光棱錐7將投射的輻射等分至少八束不同方向的波段輻射到平面反射鏡8的入射面上；

所述平面反射鏡8將輻射反射到窄帶濾光片9上，輻射通過(guò)窄帶濾光片9被成像透鏡10并將輻射聚焦在面陣CCD傳感器11上。

所述物鏡組12包括：按照輻射方向分別第一物鏡3和第二物鏡4。

所述采用窄帶濾光片9，可以獲得更精細(xì)的光譜信息，直接帶入

式中T為待測(cè)溫度，T_i為標(biāo)定溫度，C₂為第二輻射常數(shù)，λ_i為光譜波長(zhǎng)值，ε_i(λ_i，T)為光譜發(fā)射率。

所述光譜發(fā)射率函數(shù)求解方程為

轉(zhuǎn)換為式中，T_ri為每個(gè)通道的溫度計(jì)算值，為每個(gè)通道計(jì)算溫度的平均值，

即尋找一組合適發(fā)射率帶入上述方程，使得由上述方程式構(gòu)成的方程組中每一個(gè)方程得到的溫度T_ri都相等，實(shí)際情況是在約束條件即發(fā)射率ε∈[0,1]條件下，如果即讓小于某個(gè)較小的數(shù)(迭代截止條件)，說(shuō)明此時(shí)找到了合適一組發(fā)射率，溫度此時(shí)也為真溫。

用坐標(biāo)輪換法可以求解此類約束多維函數(shù)的極值問(wèn)題。即

第一步，給定初始點(diǎn)x⁽⁰⁾，初始步長(zhǎng)縮放因子u>1及精度ε₁>0,ε₂>0，置k＝0；

第二步，令y＝x^k；

第三步，從y出發(fā)，按步長(zhǎng)沿坐標(biāo)軸e¹的正方向搜索，y⁽¹⁾＝y(tǒng)+te¹，如果y⁽¹⁾在可行域內(nèi)，即滿足g(y⁽¹⁾)≥0，且有∫(y⁽¹⁾)<∫(y)，則取t＝2t，加速向前搜索直到不滿足可行性條件或函數(shù)值的條件，轉(zhuǎn)第五步；

第四步，如果沿坐標(biāo)軸e¹的正方向和負(fù)方向都找不到同時(shí)滿足可行性條件和函數(shù)值下降的點(diǎn)，則將搜索步長(zhǎng)減小，令δ⁰＝δ⁰/u，轉(zhuǎn)第五步；

第五步，依次沿其他坐標(biāo)軸進(jìn)行同樣的搜索，最終求得此輪搜索的最優(yōu)點(diǎn)y¹；

第六步，如果||y¹-x^k||≤ε₂，轉(zhuǎn)第七步，否則令x^k+1＝y(tǒng)¹,k＝k+1，則轉(zhuǎn)第二步；

第七步，如果步長(zhǎng)max(ε⁰)≤ε₁，則x^k為最優(yōu)點(diǎn)，否則令δ⁰＝δ⁰/u，轉(zhuǎn)第二步。

待測(cè)溫度場(chǎng)1表面的熱輻射光譜(混和在一起)通過(guò)組合物鏡12后通過(guò)平行光管6出射平行光，進(jìn)入多面分光棱錐7，通過(guò)多面分光棱錐7的多個(gè)側(cè)面反射實(shí)現(xiàn)分光，每個(gè)方向的光通過(guò)平面反射鏡8進(jìn)入窄帶濾光片9，實(shí)現(xiàn)光譜提取，經(jīng)成像透鏡10進(jìn)入面陣CCD，每個(gè)CCD對(duì)應(yīng)一個(gè)光譜通道，CCD上的每個(gè)像素對(duì)應(yīng)待測(cè)點(diǎn)的位置信息和光譜信息，這樣就獲得了待測(cè)溫度場(chǎng)各點(diǎn)的多光譜信息，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換得到電壓值后，根據(jù)坐標(biāo)輪換算法同時(shí)計(jì)算真溫和發(fā)射率。