一种不均匀温度场的红外辐射能测试平台及测试方法技术

本发明专利技术公开了一种不均匀温度场的红外辐射能测试平台及测试方法，其中测试平台包括温度控制单元和目标模拟单元，温度控制单元包括单片机、A/D转换器、信号调理器和并行扩展接口，目标模拟单元包括铝板，以及铝板上的若干温度场，在每个所述的温度场内均设有加热片、热敏电阻传感器和场效应管，测试方法首先是对目标红外强度谱样本校正；然后进行红外强度谱建模，建模时采用K‑均值聚类均匀地确定RBF网络隐层神经元初始聚类中心及其数量，采用正交最小二乘方法进一步调整RBF网络聚类中心、数量，并计算输出层权值；最后对模型进行验证。

【技术实现步骤摘要】
一种不均匀温度场的红外辐射能测试平台及测试方法
本专利技术涉及一种能量测试平台及测试方法，尤其是一种不均匀温度场的红外辐射能测试平台及测试方法。
技术介绍
任何物体的温度高于热力学温度0K或-273℃时，会不断向周围进行红外辐射，其波长在0.75μm～1000μm之间，对应的频率范围大致在4×1014Hz～3×1011Hz。目标红外辐射特性测量已经成为获取目标特征、对目标进行识别的重要手段，包括目标辐射温度、辐射亮度和辐射强度等关键性参数的测量。20世纪90年代以来，傅里叶红外(FTIR)光谱辐射计迅速发展，其工作原理是光源发出的光经迈克尔逊干涉仪调制后变成干涉光，再把照射样品后的各种频率光信号经干涉作用调制为干涉图函数，由计算机进行傅里叶变换，一次性得到宽波长范围内的光谱信息。目标辐射光谱信息的获取为目标红外辐射特性的测量和计算提供了新的思路，对应的试验装置和试验手段的设计开发也成为研究热点。目前常用的方法是采用将测量样品辐射的红外光谱能量与同温度下黑体或者已知辐射特性参考样本的能量进行比较的方式。参考黑体都带有温度控制系统，方便试验者将温度控制到与目标相同的温度。事实上，在航天航空、军事国防和工农业应用领域，很多情况下，目标表面表现出一种不均匀的温度场。例如，飞机蒙皮外部和内部都存在复杂的多模式传热，蒙皮热特性受到多物理场的多层次耦合机制控制，在不同部位表现出不同的表面温度特性。典型热工过程如锌精馏炉炉膛，因为空间空气和煤气流量不均衡造成炉膛内温度上高下低，也会形成表面不均匀温度场。另一方面，因为红外测量为非接触测量，所有物体发出的辐射都要经过大气传输才能到达光谱辐射计，大气传输特性不同会引起辐射计测量干涉图变化，导致测量误差，主要体现在两个方面：①大气气体分子的吸收。吸收红外辐射的气体有CO2(2.65～2.8μm，4.15～4.45μm，13～17μm三个吸收波段)，H2O(2.55～2.84μm，5.6～7.6μm，12～30μm三个吸收波段)等。因此大气吸收根据不同波段由很多条吸收线组成，将吸收带中的每一条吸收线的吸收求出，就可得到吸收带的吸收率，计算复杂。②大气中分子、气溶胶、微粒的散射，改变红外辐射在大气中的传输方向，从而导致某一特定方向上的辐射能减弱。如由比光波波长小的气体分子质点引起的Rayleigh散射；气流运动造成的不均匀部分中存在气体分子、气溶胶粒子等引起的无选择性散射等等。这些因素会导致光谱辐射计测量的红外特性曲线在特定波段产生不规则振荡，或者出现不连续吸收断点，这些因素都限制了常规线性拟合和数据处理方法的应用。由上讨论，光谱辐射计测量过程受到目标和环境不确定因素影响，计算结果容易造成较大误差，需要根据当前大气环境、实测数据中潜藏的变化规律，研究红外光谱信息的自学习方法，进而完成红外特性参数的精确估计。建立不均匀温度场固体目标模拟平台，并基于傅里叶红外光谱辐射计进行红外强度谱测试，研究智能学习算法从测试样本中得到目标红外强度谱特性估计模型，从而为下一步红外测温、测能提供充分的数据支持。
技术实现思路
本专利技术的技术任务是针对以上现有技术的不足，而提供一种不均匀温度场的红外辐射能测试平台及测试方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种不均匀温度场的红外辐射能测试平台，其中包括温度控制单元和目标模拟单元，所述温度控制单元包括单片机、A/D转换器、信号调理器和并行扩展接口，所述目标模拟单元包括铝板，以及铝板上的若干温度场，在每个所述的温度场内均设有加热片、热敏电阻传感器和场效应管，同一温度场上的热敏电阻传感器通过场效应管与所述并行扩展接口的输出端连接，所述热敏电阻传感器的输出端与所述信号调理器的输入端连接。进一步改进：所述单片机的输入端与A/D转换器连接，所述A/D转换器的输入端与信号调理器的输出端连接，所述单片机的输出端与所述并行扩展接口的输入端连接。进一步改进：在所述铝板上设有三个温度场，每个温度场上的加热片位于铝板与热敏电阻传感器之间。进一步改进：在所述铝板上设有保温棉，所述加热片、热敏电阻传感器和场效应管位于铝板与保温棉之间。进一步改进：所述加热片为陶瓷加热片。一种不均匀温度场的红外辐射能测试平台的测试方法，其特征在于：包括以下步骤；步骤一，目标红外强度谱样本校正：通过温度控制单元调整目标模拟单元中陶瓷加热片的通电时间，改变加热状态使得热敏电阻传感器检测的温度与单片机设定的加热温度一致，此时令热敏电阻传感器检测的温度为目标温度T，设光谱辐射计在目标温度T下，对应波长λ，测量的目标亮度谱为LmT(λ)，若目标真实亮度谱为LT(λ)，采用线性校正获得LT(λ)的估计值其中，R0λ为辐射计光谱响应函数，L0λ为环境背景辐射亮度，二者可通过基于标准黑体的双温校准法计算获取，进而计算视线方向单位立体角内辐射亮度在目标面元上的积分得到校正后的目标红外强度谱IT(λ)；其中步骤二，目标红外强度谱智能建模：在大气窗口内确定训练样本集，采用K-均值聚类均匀地确定RBF网络隐层神经元初始聚类中心分布及其数量；然后采用正交最小二乘方法调整RBF网络聚类中心、数量，并计算输出层权值；步骤三，目标红外强度谱模型验证：选取新的样本对步骤二中所建立的模型进行验证。本专利技术的优点：本专利技术主要针对目标红外辐射在测量过程中受到的大气吸收、散射，环境杂散辐射，探测仪器自身辐射等的影响，通过比较标准黑体测量能谱对数据进行校正，进而在大气窗口波段选择合适的红外能谱数据作为最终样本；然后采用RBF网络智能建模方法自适应学习样本中隐含的红外特性，建立红外能谱模型；验证通过后最终得到测量波段内完整的红外能谱数据，为下一步红外测温、目标识别等提供数据基础。附图说明图1是本专利技术温度场的结构示意图。图2是本专利技术测试平台的结构示意图。图3是本专利技术不均匀温度场控制系统电路示意图。图4是本专利技术红外强度谱RBF网络模型。图5是本专利技术标准黑体强度谱RBF网络模型输出与测量值比较图。图6是本专利技术铝板目标强度谱RBF网络模型输出与测量值比较图。1铝板、2加热片、3热敏电阻传感器、4保温棉、5信号调理器、6、A/D转换器、7单片机、8并行扩展接口、9场效应管。具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术做以下详细说明。其工作原理是：首先并行扩展接口8将单片机7的指令分散到每一个对应的加热片2上，加热片2加热后，热敏电阻传感器3将检测的温度传回单片机7，在此过程中，通过场效应管9来实现单片机7的输出温度与热敏电阻传感器3检测的温度一致。在建模时：首先，辐射强度是反映目标红外辐射能的主要物理量，是描述点辐射源特性的辐射量，即点源向某方向单位立体角发射的辐射功率，常用I表示。设一个点源在围绕某指定方向的小立体角元ΔΩ内发射的辐射功率为ΔP，则辐射强度I为单位是W/sr。辐射亮度是描述扩展源辐射特性的量，即扩展源在某方向上单位投影面积和单位立体角内发射的辐射功率，用L表示其中ΔAθ是指扩展面源ΔA在与其法线方向成θ夹角的方向上的投影面积。辐射亮度的单位是W/(m2.sr)。FTIR红外光谱辐射计是建立在双光束度量基础上，并应用数学上傅里叶变换原理而实现的光谱测量仪器。光源发出的光经迈克尔逊干涉仪调制后变成干涉光，再把照射样品后的各种频率光信号经本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种不均匀温度场的红外辐射能测试平台，其特征在于：包括温度控制单元和目标模拟单元，所述温度控制单元包括单片机、A/D转换器、信号调理器和并行扩展接口，所述目标模拟单元包括铝板，以及铝板上的若干温度场，在每个所述的温度场内均设有加热片、热敏电阻传感器和场效应管，同一温度场上的热敏电阻传感器通过场效应管与所述并行扩展接口的输出端连接，所述热敏电阻传感器的输出端与所述信号调理器的输入端连接。

【技术特征摘要】
1.一种不均匀温度场的红外辐射能测试平台，其特征在于：包括温度控制单元和目标模拟单元，所述温度控制单元包括单片机、A/D转换器、信号调理器和并行扩展接口，所述目标模拟单元包括铝板，以及铝板上的若干温度场，在每个所述的温度场内均设有加热片、热敏电阻传感器和场效应管，同一温度场上的热敏电阻传感器通过场效应管与所述并行扩展接口的输出端连接，所述热敏电阻传感器的输出端与所述信号调理器的输入端连接。2.根据权利要求1所述的一种不均匀温度场的红外辐射能测试平台，其特征在于：所述单片机的输入端与A/D转换器连接，所述A/D转换器的输入端与信号调理器的输出端连接，所述单片机的输出端与所述并行扩展接口的输入端连接。3.根据权利要求1所述的一种不均匀温度场的红外辐射能测试平台，其特征在于：在所述铝板上设有三个温度场，每个温度场上的加热片位于铝板与热敏电阻传感器之间。4.根据权利要求1-3其中任意一项所述的一种不均匀温度场的红外辐射能测试平台，其特征在于：在所述铝板上设有保温棉，所述加热片、热敏电阻传感器和场效应管位于铝板与保温棉之间。5.根据权利要求4所述的一种不均匀温度场的红外辐射能测试平台，其特征在于：所述加热片为陶瓷加...

【专利技术属性】
技术研发人员：席剑辉，傅莉，王琦，胡为，陈新禹，关威，任艳，傅金鑫，
申请(专利权)人：沈阳航空航天大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21