專利名稱：基于光纖束分路傳感的紅外比色發(fā)射光譜層析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三維溫度場測試方法，尤其涉及一種基于光纖束分路傳感的紅外比色發(fā)射光譜層析方法。
背景技術(shù)：
結(jié)合輻射溫度測量及光學(xué)層析形成的發(fā)射光譜層析方法屬于光學(xué)層析的一個(gè)分支，采用該方法能夠?qū)哂袑ν廨椛涞拇郎y目標(biāo)三維物理量分布進(jìn)行無損檢測。由普朗克黑體輻射定律可知，根據(jù)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(shí)際物體的溫度還跟物體的發(fā)射率有關(guān)系，由于物體的發(fā)射率沒有通用的數(shù)學(xué)模型，一般不易在線測量，因此基于單波長發(fā)射光譜層析的溫度場重建會(huì)因?yàn)榘l(fā)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(fā)射率對溫度測量的影響，因此基于雙波長發(fā)射光譜層析的溫度場重建可避免單波長發(fā)射光譜層析方法的缺點(diǎn)。現(xiàn)有的雙波長發(fā)射光譜層析方法采用成像透鏡、比例分光鏡、窄帶濾色片、面陣探測器件進(jìn)行原始數(shù)據(jù)采集，存在著兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)其一由于輻射線為錐形束成像方法，因此在層析反演計(jì)算時(shí)存在比平行束層析大得多的重建誤差；其二由于采用比例分光鏡進(jìn)行輻射信息的分路，分光鏡的固定、分光后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(xiàn)場測試環(huán)境干擾(例如振動(dòng)沖擊等)的影響，從而導(dǎo)致較大的重建誤差。針對以上問題，本發(fā)明提出一種基于光纖束分路傳感的紅外比色發(fā)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發(fā)射光譜原始輻射數(shù)據(jù)，結(jié)合比色層析重建算法，可對溫度場進(jìn)行重建。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于光纖束分路傳感的紅外比色發(fā)射光譜層析方法， 以解決現(xiàn)有單波長及雙波長發(fā)射光譜層析重建方法中存在的問題，可進(jìn)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(fā)明是這樣來實(shí)現(xiàn)的，通過多組紅外光纖束平面陣列采集待測流場多個(gè)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(gè)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(lián)，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(shù)量和分布取決于待測流場所需的測試空間分辨率。結(jié)合雙波長比色測溫及發(fā)射光譜層析算法可重建待測流場各個(gè)截面的溫度分布。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是通過光纖束采集及紅外光纖分路器可以在相同的投影方向數(shù)下，獲得待測流場的雙波長多截面紅外輻射信息，結(jié)合雙波長比色測溫及發(fā)射光譜層析算法可重建待測流場各個(gè)截面的溫度分布，可以有效的消除單波長發(fā)射光譜層析需要先對待測流場發(fā)射率進(jìn)行標(biāo)定才能重建溫度分布的缺點(diǎn)。


圖I為本發(fā)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(shù)據(jù)采集卡9、計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)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于垂直距離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?？臻g濾波器2與紅外光纖束3進(jìn)行安裝聯(lián)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(shù)量， N是層數(shù)。通過在不同方向上安放多個(gè)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(jīng)一分二紅外光纖分路器4分成兩路，兩
路光纖分別經(jīng)過中心波長為
的窄帶濾波片6與紅外光電探測器7級聯(lián)，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(shù)據(jù)。紅外光電傳感器傳感信號經(jīng)過放大
電路及數(shù)據(jù)采集卡8，轉(zhuǎn)化為對應(yīng)波長Jlr Jl2輻射信息的電壓信號，送至計(jì)算機(jī)9進(jìn)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(guān)系 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(guān)的系數(shù)。由于進(jìn)入光纖束的是近似平行的輻射信息，所以某經(jīng)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(yīng)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(xué)系統(tǒng)所決定的比例系數(shù)。由式(1)、(2)可得到某根光纖接收到的輻射信息經(jīng)光電轉(zhuǎn)換所得的電壓與輻亮度L Cr, j, 的關(guān)系
u ^(3).
結(jié)合計(jì)算機(jī)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(dāng)
I和I2取值相差不大時(shí)根據(jù)雙波長比色測溫技術(shù)可得溫度計(jì)算公式
權(quán)利要求
1.一種基于光纖束分路傳感的紅外比色發(fā)射光譜層析方法，其特征是該方法通過多組紅外光纖束平面陣列采集待測流場多個(gè)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(gè)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(lián)，該光纖束分路傳感方式可提供雙波長比色發(fā)射光譜層析所需的原始數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種基于光纖束分路傳感的紅外比色發(fā)射光譜層析方法，該方法通過多組紅外光纖束平面陣列采集待測流場多個(gè)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(gè)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(lián)。光纖的數(shù)量和分布取決于待測流場所需的測試空間分辨率。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是通過光纖束采集及紅外光纖分路器可以在相同的投影方向數(shù)下，獲得待測流場的雙波長多截面紅外輻射信息，結(jié)合雙波長比色測溫及發(fā)射光譜層析算法可重建待測流場各個(gè)截面的溫度分布,可以有效的消除單波長發(fā)射光譜層析需要先對待測流場發(fā)射率進(jìn)行標(biāo)定才能重建溫度分布的缺點(diǎn)。
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(yōu)先權(quán)日2012年3月3日
發(fā)明者萬雄, 張志敏, 陳琦 申請人:南昌航空大學(xué)