基于宽辐射谱的皮秒时间分辨冲击温度测量系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于宽辐射谱的皮秒时间分辨冲击温度测量系统及方法，所述系统包括相互垂直的可见光探测通道和近红外探测通道，所述可见光探测通道、近红外探测通道均由多个分离的探测通道组成，其中，各可见光探测通道分别由依次排布的二向色镜、透镜和可见光探测器构成，透镜和可见光探测器之间设有多模光纤；各近红外探测通道分别由依次排布的反射镜、透镜和近红外探测器构成，透镜和可见光探测器之间设有多模光纤；各可见光探测通道、各近红外探测通道的辐射谱宽度均超过百纳米。所述测量方法包括步骤：(1)标定测量系统；(2)求解实际待测对象的真实冲击温度。本发明专利技术将探测系统的温度测量下限降低至3000K以下。温度测量下限降低至3000K以下。温度测量下限降低至3000K以下。

【技术实现步骤摘要】
基于宽辐射谱的皮秒时间分辨冲击温度测量系统及方法


[0001]本专利技术涉及温度测量
，具体涉及一种基于宽辐射谱的皮秒时间分辨冲击温度测量系统及方法。

技术介绍

[0002]冲击温度的准确测量是实验研究中一项极具挑战性的工作，是冲击波物理和状态方程实验研究中至今尚未很好解决的问题之一。
[0003]按照测量方式划分，冲击波温度测量方法可分为接触式测量和非接触式测量，接触式温度测量方式响应较慢，在冲击温度测量应用过程中局限性较大。在非接触测量方法中，虽然最近二十年兴起的中子与X射线的吸收和发射技术能够对冲击压缩样品的内部温度进行测量，但相关实验的进行依赖于规模非常庞大的反应堆、加速器或超高功率激光器，实验成本很高，且相关实验结果的准确性和可靠性尚未完全得到验证。相较而言，尽管基于辐射光谱的非接触冲击温度测量方法仅能获取冲击样品表面的温度，但由于该方法响应快、灵敏度高、测量范围宽、精度较好，基于辐射光谱的冲击温度测量仍然是冲击波物理实验研究中使用最广泛、最可靠的瞬态温度测量方法。采用辐射法测温时，需要采用黑体炉等标准光源对探测系统进行标定。由于标定光源温度范围的限制，目前探测系统的最高温度只能标定到～3400K，对于标定范围以外的温度点，一般采用线性外推法计算每个通道的光谱辐亮度，基于这一思路，要求每个通道的探测辐射谱的波长范围不能超过20～30nm，即窄辐射谱冲击温度测量方法。
[0004]随着冲击加载方式的多样化，冲击温度测量对时间响应特性的要求越来越高，以激光加载为例，信号的持续时间为数十纳秒，这就要求冲击温度测量的时间分辨率能够达到亚纳秒甚至皮秒量级。采用辐射法测温时，系统核心组成部件
‑
光电探测器的光谱灵敏度与时间响应特性往往互相矛盾，高带宽的光电探测器灵敏度较低。在窄辐射谱温度测量系统中，所采用的光电探测器上升时间一般为数个纳秒，对于商用的皮秒量级上升时间光电探测器，其灵敏度比前者低1
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2个量级。在皮秒时间分辨冲击温度测量系统中，若采用传统窄辐射谱的设计思路，则在采用标准光源进行标定时，探测系统往往无法响应，这导致皮秒时间分辨的冲击波温度测量难以实现。因此，相较于传统的窄辐射谱冲击温度测量系统，需要建立新的温度测量系统、标定方法和温度求解模型。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术创造提出了一种基于宽辐射谱的皮秒时间分辨冲击温度测量系统及方法。具体方案如下：
[0006]一种基于宽辐射谱的皮秒时间分辨冲击温度测量系统，所述系统包括相互垂直的可见光探测通道和近红外探测通道，所述可见光探测通道、近红外探测通道均由多个分离的探测通道组成，其中，各可见光探测通道分别由依次排布的二向色镜、透镜和可见光探测器构成，透镜和可见光探测器之间设有多模光纤；各近红外探测通道分别由依次排布的反
射镜、透镜和近红外探测器构成，透镜和可见光探测器之间设有多模光纤；各可见光探测通道、各近红外探测通道的辐射谱宽度均超过百纳米，由此形成宽辐射谱测量系统结构；外部辐射信号经过入口处的二向色镜后形成相互垂直的可见光支路R和近红外支路T；
[0007]对于每个探测通道，外部辐射信号经二向色镜或反射镜反射后，由透镜聚焦至多模光纤各端面，再由多模光纤传输至可见光探测器或近红外探测器。
[0008]优选地，所述可见光支路R具有3个可见光探测通道，各可见光探测通道对应波长范围分别为400nm～650nm、650nm～800nm、800nm～900nm。
[0009]优选地，所述近红外支路T具有4个近红外探测通道，各近红外探测通道对应波长范围分别为900nm～1150nm、1150nm～1400nm、1400nm～1530nm、1530nm～1700nm。
[0010]优选地，所述近红外探测器或可见光探测器的上升时间均小于100皮秒，且最低带宽为直流。
[0011]本专利技术还提供一种基于前述基于宽辐射谱的皮秒时间分辨冲击温度测量系统的冲击温度测量方法，所述测量方法包括：
[0012]步骤(1)标定皮秒时间分辨冲击温度测量系统；
[0013]步骤(2)求解实际待测对象的真实冲击温度。
[0014]优选地，步骤(1)具体包括：
[0015]步骤(1.1)获取温度测量系统测量黑体炉在温度为T0时输出的电压值S；
[0016]步骤(1.2)建立各探测通道的信号强度
‑
温度(S
‑
T)的关系曲线。
[0017]优选地，步骤(1.2)具体包括：
[0018]步骤(1.2.1)测量每个探测通道的光谱传输函数τ
i
(λ)，光谱传输函数τ
i
(λ)具体为：
[0019]τ
i
(λ)＝α
i
(λ)β(λ)；
[0020]其中β(λ)表示可见光探测器或近红外探测器的光谱响应效率，其在探测器出厂时由厂家进行标定提供，α
i
(λ)代表第i个可见光探测通道R
i
或第i个近红外探测通道T
i
的传输效率，
[0021]步骤(1.2.2)测量每个探测通道的标定系数C
i，cal
，其中标定系数C
i，cal
与波长、温度无关。标定系数C
i，cal
具体为：
[0022][0023]其中，S
i
(T0)表示黑体炉温度为T0时第i个可见光探测通道R
i
或第i个近红外探测通道T
i
输出的信号强度，L(λ，T0)表示波长为λ、温度为T0的辐亮度；
[0024]步骤(1.2.3)对于任意温度T而言，各探测通道输出信号强度为
[0025][0026]将步骤(1.2.1)中的光谱传输函数和步骤(1.2.2)中的标定系数代入上式中求得每个通道的信号强度
‑
温度(S
‑
T)的关系曲线为
[0027][0028]即完成测温系统的标定。
[0029]优选地，步骤(2)求解待测冲击温度具体包括：
[0030]步骤(2.1)基于最小二乘法构建残差函数χ2：
[0031][0032]其中，M、N分别表示可见光和近红外的通道数，S
i，PL
(T)表示步骤(1)中通过标定获取的信号强度
‑
温度的关系，S
i，exp
表示测量实际待测对象的冲击温度过程中不同探测通道输出的信号强度，σ
i
表示测量实际待测对象的冲击温度过程中的标准差。
[0033]步骤(2.2)求解残差函数χ2，即在冲击温度预估范围内计算不同冲击温度下的残差χ2，当残差最小时，所对应的温度即为实际待测对象的真实冲击温度。
[0034]本专利技术通过拓宽皮秒探测系统每个通道的探测辐射谱宽度，以提升温度测量系统的灵敏度，将探测系统的温度测量下限降低至30本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于宽辐射谱的皮秒时间分辨冲击温度测量系统，其特征在于，所述系统包括相互垂直的可见光探测通道和近红外探测通道，所述可见光探测通道、近红外探测通道均由多个分离的探测通道组成，其中，各可见光探测通道分别由依次排布的二向色镜(1)、透镜(3)和可见光探测器(7)构成，透镜(3)和可见光探测器(7)之间设有多模光纤(4)；各近红外探测通道分别由依次排布的反射镜(2)、透镜(3)和近红外探测器(5)构成，透镜(3)和可见光探测器(7)之间设有多模光纤(4)；各可见光探测通道、各近红外探测通道的辐射谱宽度均超过百纳米，由此形成宽辐射谱测量系统结构；外部辐射信号(6)经过入口处的二向色镜后形成相互垂直的可见光支路R和近红外支路T；对于每个探测通道，外部辐射信号经二向色镜或反射镜反射后，由透镜聚焦至多模光纤(4)各端面，再由多模光纤(4)传输至可见光探测器(7)或近红外探测器(5)。2.根据权利要求1所述的皮秒时间分辨冲击温度测量系统，其特征在于，所述可见光支路R具有3个可见光探测通道，各可见光探测通道对应波长范围分别为400nm～650nm、650nm～800nm、800nm～900nm。3.根据权利要求1所述的皮秒时间分辨冲击温度测量系统，其特征在于，所述近红外支路T具有4个近红外探测通道，各近红外探测通道对应波长范围分别为900nm～1150nm、1150nm～1400nm、1400nm～1530nm、1530nm～1700nm。4.根据权利要求1所述的皮秒时间分辨冲击温度测量系统，其特征在于，所述近红外探测器(5)或可见光探测器(7)的上升时间均小于100皮秒，且最低带宽为直流。5.一种基于权利要求1
‑
4任意一项所述基于宽辐射谱的皮秒时间分辨冲击温度测量系统的冲击温度测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：步骤(1)标定皮秒时间分辨冲击温度测量系统；步骤(2)求解实际待测对象的真实冲击温度。6.根据权利要求5所述的冲击温度测量方法，其特征在于，步骤(1)具体包括：步骤(1.1)获取温度测量系统测量黑体炉在温度为T0时输出的电压值S；步骤(1.2)建立各探测通道的信号强度
‑
温度(S

【专利技术属性】
技术研发人员：吴建，李加波，李俊，周显明，翁继东，王翔，刘盛刚，陶天炯，马鹤立，李成军，贾兴，陈龙，唐隆煌，何润之，叶素华，戴诚达，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院流体物理研究所，
类型：发明
国别省市：