一种多波长移动窄带窗口寻优光谱测温方法技术

本发明专利技术提出一种多波长移动窄带窗口寻优光谱测温方法，属于热辐射温度检测领域，其通过光谱仪采集热辐射对象的连续光谱，通过对热辐射对象的光谱进行降噪、窗口化和标准化，在适当的窄带窗口内遍历整个检测波长范围，通过与对应光谱窗口中不同温度下的经过窗口化和标准化的黑体辐射光谱对比，在不依赖发射率模型估计的情况下以较高的准确性计算出热辐射对象的温度和发射率分布，并具有较高的通用性和抗噪性。和抗噪性。和抗噪性。

【技术实现步骤摘要】
一种多波长移动窄带窗口寻优光谱测温方法


[0001]本专利技术属于热辐射温度检测领域，是一种多波长移动窄带窗口寻优光谱测温方法。

技术介绍

[0002]作为非接触式测温方式的一种，光谱测温因为设备结构的紧凑性和原位在线测量的优势在高温检测领域得到了广泛应用。光谱测温通常可分为单波长、双波长和多波长等。单波长光谱测温需要在一个特定的波长下计算热辐射对象的温度，计算过程需要已知热辐射对象在该波长下的光谱发射率。双波长和多波长光谱测温无需已知光谱发射率，但需要热辐射对象的光谱发射率分布特性。文献中通常在双波长光谱测温时采用灰性假设，在多波长光谱测温时采用多项式函数发射率模型或其他经验发射率模型，能够在光谱发射率未知的情况下检测出热辐射对象的温度。
[0003]在多波长光谱测温过程中，对热辐射对象的光谱发射率分布特性估计的偏差将影响到测温的准确性。热辐射对象的发射率分布特性会随着材料种类、表面粗糙度、理化结构、厚度、相态、温度的变化而变化，单一的函数模型无法准确描述热辐射对象在不同状态下的发射率分布特性。因此，亟需开发一种不依赖发射率分布特性估计的光谱测温方法，以提高光谱测温在针对不同热辐射对象时的通用性、准确性和抗噪性。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的问题是：克服现有技术的缺点，提出一种多波长移动窄带窗口寻优光谱测温方法，其通过光谱仪采集热辐射对象的连续光谱，通过对热辐射对象的光谱进行降噪、窗口化和标准化，在适当的窄带窗口内遍历整个检测波长范围，通过与对应黑体辐射光谱的对比，在不依赖发射率模型估计的情况下以较高的准确性计算出热辐射对象的温度和发射率分布，并具有较高的通用性和抗噪性。
[0005]一种多波长移动窄带窗口寻优光谱测温方法，包括以下步骤：
[0006](1)光谱仪采集热辐射对象的连续光谱信号；
[0007](2)采用黑体炉作为标准辐射源，对光谱仪进行辐射标定，采集待测热辐射对象每个波长下的相对光谱辐射强度，计算出对应的原始光谱辐射强度；
[0008](3)对光谱辐射强度进行降噪、窗口化和标准化处理；
[0009](4)计算热辐射对象的温度和发射率。
[0010]所述步骤(1)中，采集到的相对光谱辐射强度I
rel
表示为：
[0011][0012]式中，ADC为光谱仪采集到的电信号，τ为采集时设定的曝光时间，λ
i
为光谱仪每个信号通道能接收到的光谱信号的中心波长，m为信号通道的个数。
[0013]黑体炉发射率取为1，光谱仪采集黑体炉在不同温度下的相对光谱辐射强度I
b，rel
，
表示为：
[0014][0015]式中，T
b，j
为黑体炉温度的设定值，n表示温度设定的个数；
[0016]黑体炉在设定温度T
b，j
下的光谱辐射强度I
b
通过下式计算：
[0017][0018]所述步骤(2)中，计算出对应的原始光谱辐射强度的方法是，将光谱辐射强度I和相对光谱辐射强度I
rel
之间的关系用下式表示：
[0019][0020]式中，p为多项式阶数；对于同一信号通道，将不同温度下的黑体炉光谱辐射强度I
b
和相对光谱辐射强度I
b，rel
带入式(4)，通过最小二乘法拟合求出该信号通道对应的待定系数a；将采集到的待测热辐射对象每个波长下的相对光谱辐射强度I
rel
(λ
i
)带入式4即可计算出对应的原始光谱辐射强度I
raw
(λ
i
)。
[0021]所述步骤(3)中，所述降噪的方法是，采用加权线性最小二乘和一次多项式模型进行局部回归的方式降噪，经过降噪跨度为s的降噪处理后的光谱辐射强度I
sm
(s)＝[I
sm
(λ1，s)，I
sm
(λ2，s)，I
sm
(λ3，s)
…
，I
sm
(λ
m
，s)]与原光谱辐射强度I
raw
＝[I
raw
(λ1)，I
raw
(λ2)，I
raw
(λ3)，
…
，I
raw
(λ
m
)]之间的残差可以表示为：
[0022]R
sm
(s)＝||I
raw
‑
I
sm
(s)||2，s＝5，7，9
…ꢀꢀꢀ
(5)
[0023]降噪跨度s的取值参考残差R
sm
(s)的增量ΔR
sm
(s)：
[0024]ΔR
sm
(s)＝R
sm
(s)
‑
R
sm
(s
‑
2)
ꢀꢀꢀ
(6)
[0025]降噪跨度s的取值应满足ΔR
sm
(s)最小，此时，经过降噪处理后的光谱辐射强度可以用矩阵形式表示为：
[0026]I(i)＝[I(λ1，T)，I(λ2，T)，I(λ3，T)，...，I(λ
m
，T)]ꢀꢀꢀ
(7)
[0027]所述窗口化的方法是，在测量其他热辐射对象时，以第i个信号通道为起点，包含w+1个信号通道的窄带窗口的带宽W
i
表示为：
[0028][0029]式中，Δλ
i
为第i个信号通道与其下一个相邻信号通道之间的波长间隔；w为波长间隔数，在保证算法有足够抗噪声能力的前提下取最小值；
[0030]在第i个窄带窗口内，光谱仪采集到的光谱辐射强度可以用矩阵形式表示为：
[0031]I
w
(i)＝[I(λ
i
，T)，I(λ
i+1
，T)，I(λ
i+2
，T)，...，I(λ
i+w
，T)]，i＝1，2，3，
…
，m
‑
w
ꢀꢀꢀ
(9)
[0032]在测量其他热辐射对象时，以第i个信号通道为起点，包含w+1个信号通道的窄带窗口的带宽W
i
表示为：
[0033][0034]式中，Δλ
i
为第i个信号通道与其下一个相邻信号通道之间的波长间隔；w为波长间隔数，在保证算法有足够抗噪声能力的前提下取最小值；
[0035]在第i个窄带窗口内，光谱仪采集到的光谱辐射强度可以用矩阵形式表示为：
[0036]I
w
(i)＝[I(λ
i
，T)，I(λ
i+1
，T)，I(λ
i+2
，T)，...，I(λ
i+w...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多波长移动窄带窗口寻优光谱测温方法,其特征在于，包括以下步骤：(1)光谱仪采集热辐射对象的连续光谱信号；(2)采用黑体炉作为标准辐射源，对光谱仪进行辐射标定，采集待测热辐射对象每个波长下的相对光谱辐射强度，计算出对应的原始光谱辐射强度；(3)对光谱辐射强度进行降噪、窗口化和标准化处理；(4)计算热辐射对象的温度和发射率。2.根据权利要求1所述多波长移动窄带窗口寻优光谱测温方法,其特征在于，所述步骤(1)中，采集到的相对光谱辐射强度I
rel
表示为：式中，ADC为光谱仪采集到的电信号，τ为采集时设定的曝光时间，λ
i
为光谱仪每个信号通道能接收到的光谱信号的中心波长，m为信号通道的个数。3.根据权利要求2所述多波长移动窄带窗口寻优光谱测温方法,其特征在于，所述步骤(2)中，黑体炉发射率取为1，光谱仪采集黑体炉在不同温度下的相对光谱辐射强度I
b，rel
，表示为：式中，T
b，j
为黑体炉温度的设定值，n表示温度设定的个数；黑体炉在设定温度T
b，j
下的光谱辐射强度I
b
通过下式计算：4.根据权利要求3所述多波长移动窄带窗口寻优光谱测温方法,其特征在于，所述步骤(2)中，计算出对应的原始光谱辐射强度的方法是，将光谱辐射强度I和相对光谱辐射强度I
rel
之间的关系用下式表示：式中，p为多项式阶数；对于同一信号通道，将不同温度下的黑体炉光谱辐射强度I
b
和相对光谱辐射强度I
b，rel
带入式(4)，通过最小二乘法拟合求出该信号通道对应的待定系数a；将采集到的待测热辐射对象每个波长下的相对光谱辐射强度I
rel
(λ
i
)带入式4即可计算出对应的原始光谱辐射强度I
raw
(λ
i
)。5.根据权利要求1所述多波长移动窄带窗口寻优光谱测温方法,其特征在于，所述步骤(3)中，所述降噪的方法是，采用加权线性最小二乘和一次多项式模型进行局部回归的方式降噪，经过降噪跨度为s的降噪处理后的光谱辐射强度I
sm
(s)＝[I
sm
(λ1，s)，I
sm
(λ2，s)，I
sm
(λ3，s)，
…
，I
sm
(λ
m
，s)]与原光谱辐射强度I
raw
＝[I
raw
(λ1)，I
raw
(λ2)，I
raw
(λ3)，
…
，I
raw
(λ
m
)]之
间的残差可以表示为：R
sm
(s)＝||I
raw
‑
I
sm
(s)||2,s＝5,7,9...
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)降噪跨度s的取值参考残差R
sm
(s)的增量ΔR
sm
(s)：ΔR
sm
(s)＝R
sm
(s)
‑
R
sm
(s
‑
2)
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【专利技术属性】
技术研发人员：李框宇，郭晗，周怀春，余波，彭献永，靖卓然，杨焜，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：