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多目标普朗克极小值优化法的多光谱真温反演研究

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光谱学与光谱分析 2019年第6期39卷 1834-1839页

作者：张福才孙博君孙晓刚梁美哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院黑龙江哈尔滨150001 黑龙江科技大学电器与控制工程学院黑龙江哈尔滨150022

光谱发射率是辐射体辐射能力的重要参数,通过光谱发射率可以建立辐射体与黑体的之间的桥梁,从而黑体辐射的相关理论就可以应用于辐射体。采用普朗克公式,光谱高温计的每一个光谱通道可以构成一个方程,这个方程中包含有真温、亮度温度和... 详细信息

光谱发射率是辐射体辐射能力的重要参数,通过光谱发射率可以建立辐射体与黑体的之间的桥梁,从而黑体辐射的相关理论就可以应用于辐射体。采用普朗克公式,光谱高温计的每一个光谱通道可以构成一个方程,这个方程中包含有真温、亮度温度和光谱发射率。对于N个光谱通道可以构成N个方程,这N个方程中也包含一个真温、N个亮度温度和N个光谱发射率,其中亮度温度是已知量,真温和光谱发射率是未知量。由于方程组是欠定的,理论上存在着大量的解。为了求解这个方程组常需要假设光谱发射率与波长和温度之间的数学模型,使方程组未知数的个数降为N个,实现真温的求解。当光谱发射率与波长或温度之间的规律被正确获得后,多光谱辐射测温法才能反演出正确的真温。通过对上述较为常用两种光谱发射率模型的分析可知,这两种方法的基本思想都是试图找到光谱发射率与波长或温度之间的函数关系,确立光谱发射率与波长或温度之间数学模型。用含有波长或温度的表达式代替光谱发射率,实现方程的求解。由于光谱发射率具有一定的不确定性,假设的光谱发射率模型与实际光谱发射率的变化之间存在一定的差异,有可能导致真温反演产生较大的误差。光谱发射率与波长或温度之间的数学模型是需要通过大量的实验和经验才能获得的,而且这种数学模型通用性较差,尤其是当待测辐射体发生改变时,这种数学模型也就失去了意义。为了解决多光谱高温计在实际测量中存在的问题,找到一种无需假定光谱发射率与波长或温度之间数学模型而且又具有一定通用性的多光谱真温反演方法成为一种迫切的需要。为此,将优化的思想引入到了多光谱求解过程中,将多光谱真温的求解问题转化为多目标普朗克极小值优化(MMP)问题,从而不再需要建立光谱发射率与波长或温度之间的数学模型,降低了系统的复杂性与难度。该方法以普朗克公式和光谱发射率之间的等式约束条件为基础,构造了六个目标函数,实现了真温的求解。新方法在反演精度上得到了较大幅度的提高,仿真数据的误差都小于1%。借助于以往的真实测量数据,利用多目标普朗克极小值优化法实现了真温的反演。

关键词：发射率多光谱真温优化

用于固体火箭羽焰真温测量的宽量程多光谱高温计

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光谱学与光谱分析 2018年第9期38卷 2860-2865页

作者：王昌辉梁美梁磊孙晓刚烟台大学机电汽车工程学院山东烟台264005 凉山矿业股份有限公司四川会理615141 哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院黑龙江哈尔滨150001

现有的多光谱高温计的测量下限均大于1 173K(900℃),不适用于新型火箭羽焰真温测量范围的要求(900~2 700K)。为了解决现有的多光谱高温计无法测量1 173K以下羽焰真温的问题,研制了用于固体火箭发动机羽焰真温测量的宽量程多光谱高温计... 详细信息

现有的多光谱高温计的测量下限均大于1 173K(900℃),不适用于新型火箭羽焰真温测量范围的要求(900~2 700K)。为了解决现有的多光谱高温计无法测量1 173K以下羽焰真温的问题,研制了用于固体火箭发动机羽焰真温测量的宽量程多光谱高温计。该多光谱高温计采用了并联光电探测器阵列相邻像元的方法,并且创建了基于对数函数的900~1 173K温区的温度标定方法,从而拓宽了高温计的温度测量范围。针对某型号固体火箭发动机羽焰的三个目标点进行了现场测量,实验结果验证了该高温计的有效性。

关键词：真温多光谱高温计羽焰宽量程温度标定

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基于发射率模型约束的多光谱辐射真温反演法

光谱学与光谱分析 2015年第10期35卷 2675-2679页

作者：梁美孙晓刚栾美生哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院黑龙江哈尔滨150001

温度测量是工业生产或科学实验中保证产品质量、降低生产成本和确保实验安全的重要因素之一。目前非接触的测温方法以辐射测温法为主,二次测量法是多光谱辐射测温中一种常用的方法。但是,二次测量法不适用于实时数据处理。针对此问题,... 详细信息

温度测量是工业生产或科学实验中保证产品质量、降低生产成本和确保实验安全的重要因素之一。目前非接触的测温方法以辐射测温法为主,二次测量法是多光谱辐射测温中一种常用的方法。但是,二次测量法不适用于实时数据处理。针对此问题,基于多光谱亮度温度数学模型引入了发射率模型约束条件,提出了一种多光谱辐射真温快速反演法。对于非黑体,根据不同波长下的亮度温度的关系,得出当亮度温度在一个区间内是增函数或者常数函数时,发射率在该区间内是增函数;当亮度温度在一个区间内是减函数时,则发射率在该区间内满足一个关于发射率和波长的不等式。该发射率模型约束条件根据亮度温度的信息,将发射率假设值的构建由多类减少到一类,避免了不必要的发射率的构建。实验分别采用实际发射率随波长单调下降、单调上升、先下降再上升、先上升再下降和随机变化的具有代表性的五个被测目标,针对两个被测温度点进行了仿真对比分析。结果表明,与二次测量法相比,对于同一个被测目标,在相同的温度初值和相同的发射率搜索范围下,新算法在保证精度的情况下,不仅所得结果相同,而且处理速度提升了19.16%~43.45%。

关键词：真温发射率模型约束亮度温度多光谱辐射测温

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测量爆炸火焰真温的多光谱温度计的研制

光谱学与光谱分析 2011年第3期31卷 849-852页

作者：孙崐孙晓刚戴景民哈尔滨工业大学仪器科学与技术专业黑龙江哈尔滨150001

研制了一种可用于大型爆炸现场的、测量爆炸火焰真温的多目标多光谱温度计。此温度计在爆炸的瞬间,同时对棱镜分光后的多个光谱带下的爆炸火焰辐射能量进行采集,利用二次测量法得出爆炸火焰的真温及发射率。在光路中采用了光纤远传技术... 详细信息

研制了一种可用于大型爆炸现场的、测量爆炸火焰真温的多目标多光谱温度计。此温度计在爆炸的瞬间,同时对棱镜分光后的多个光谱带下的爆炸火焰辐射能量进行采集,利用二次测量法得出爆炸火焰的真温及发射率。在光路中采用了光纤远传技术和光纤耦合技术,极大程度上解决了仪器核心部分的防震、防爆、防电磁干扰的问题。采用高速采集和多级放大解决了爆炸时间短、温度变化剧烈、信号难于采集的问题,同时采用无线远传的结构保证了工作人员的安全。

关键词：多光谱爆炸火焰高温高速测量真温

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基于多目标极值优化法的多光谱真温反演

光学学报 2019年第2期39卷 208-213页

作者：张福才孙博君孙晓刚哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院黑龙江哈尔滨150001 黑龙江科技大学电气与控制工程学院黑龙江哈尔滨150022

为了求解多波长高温计多光谱通道的欠定方程组,引入了优化的思想,将多光谱真温的求解问题转化为多目标极值优化(MMO)问题,无需假设光谱发射率与其他物理量之间的函数关系模型即可求解真温。所提方法的反演精度与二次测量(SMM)法的大体相... 详细信息

为了求解多波长高温计多光谱通道的欠定方程组,引入了优化的思想,将多光谱真温的求解问题转化为多目标极值优化(MMO)问题,无需假设光谱发射率与其他物理量之间的函数关系模型即可求解真温。所提方法的反演精度与二次测量(SMM)法的大体相同,但反演速度大幅增大。借助火箭尾焰的真实测量数据,利用MMO法实现了火箭尾焰真温和光谱发射率的反演。

关键词：测量发射率多光谱真温优化

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单目标极小值优化法的多波长真温反演研究

红外与激光工程 2019年第2期48卷 276-281页

作者：张福才孙博君孙晓刚哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院黑龙江哈尔滨150001 黑龙江科技大学电气与控制工程学院黑龙江哈尔滨150022

在多波长温度测量系统中,光谱发射率假设为波长或温度模型来实现真温的求解。由于模型假设存在一定的不确定性,光谱发射率模型与实际光谱发射率的变化规律可能不符,会造成较大的真温反演误差。另外,光谱发射率与波长或温度之间的函数关... 详细信息

在多波长温度测量系统中,光谱发射率假设为波长或温度模型来实现真温的求解。由于模型假设存在一定的不确定性,光谱发射率模型与实际光谱发射率的变化规律可能不符,会造成较大的真温反演误差。另外,光谱发射率与波长或温度之间的函数关系通用性较差,尤其是待测辐射体发生改变时,这种关系自然也就不复存在了。为了获得正确的真温,首次将优化思想引入到方法中,建立了单目标极小值优化法(Single Objective Minimization Optimization Method, SMO)完成真温反演。新方法无需建立光谱发射率和波长或温度之间的模型,降低了真温求解方法的复杂性和技术难度。与原有的光谱发射率与温度之间的模型(也称二次测量法,Second Measurement Method, SMM法)相比,在相同的初始条件下,新方法与二次测量法相比,反演速度提高了95%以上。

关键词：多波长真温发射率反演

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基于发射率偏差约束的多光谱真温反演算法

光谱学与光谱分析 2017年第8期37卷 2500-2504页

作者：顾伟宏马召邢键李明宋文龙东北林业大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150040

基于二次测量的多光谱辐射测温反演算法由于无需事先假设发射率模型而受到广泛关注,但需要较长的迭代时间,并且需要设定合适初始温度和发射率范围。为此提出了基于发射率偏差约束的多光谱真温反演算法。将二次测量法中发射率连续迭代转... 详细信息

基于二次测量的多光谱辐射测温反演算法由于无需事先假设发射率模型而受到广泛关注,但需要较长的迭代时间,并且需要设定合适初始温度和发射率范围。为此提出了基于发射率偏差约束的多光谱真温反演算法。将二次测量法中发射率连续迭代转变为发射率偏差约束后迭代,拟合了光谱发射率偏差和温度偏差之间的函数关系,依据此函数关系确定每次迭代所产生的发射率偏差,从而迅速减小发射率搜索范围,提高计算效率。针对四种光谱发射率模型的仿真结果表明,与二次测量法相比,新算法无需设定温度初值范围,在保证反演精度的前提下,运算效率提高60%以上。

关键词：真温光谱发射率二次测量法多光谱辐射测温