高温红外窗口的辐射测温方法与技术

论文摘要

对于具有半透明辐射特性的红外窗口应用而言，开展热载荷模拟实验环境下的高温红外窗口材料的光学性能与力学性能测试是必要的实验环节，实验中红外窗口内部温度分布是重要的物理控制参量，因此对实验环境下红外窗口材料温度进行在线测量与控制是必要的。本文以此为技术需求背景，以多光谱硫化锌为代表的红外窗口材料为研究对象，开展高温下红外窗口的辐射测温方法与技术研究工作，包括：高温半透明介质表观辐射特性分析，基于辐射-导热耦合换热数值模拟的半透明介质温度计算分析，以及半透明介质非接触辐射测温的反问题研究等。文中首先开展多光谱硫化锌（ZnS）介质的表观光谱辐射特性研究工作，建立了不同辐射边界条件下的半透明介质热辐射传递方程。采用数值模拟技术，对多光谱硫化锌红外窗口的高温表观辐射特性进行分析，包括在等温、线性温度分布和幂指数温度分布条件下，介质表面有效辐射强度和表观发射率随温度与光谱的变化规律。针对于红外热像仪应用于红外窗口测温的情形，开展基于热像仪测量的光谱优化选择分析，并进一步分析在该优化测量光谱通道内的红外窗口表观辐射特性。红外窗口表观辐射特性研究，将为红外窗口材料的辐射换热分析和非接触温度测量诊断提供重要的基础数据。其次，本文对红外窗口辐射-导热耦合换热问题进行了分析，在给定辐射和对流换热的边界条件下，采用蒙特卡洛法进行了高温半透明红外窗口温度场的数值模拟分析，该理论分析为多光谱硫化锌内部温度场的反演提供数据参考。最后，本文开展了红外窗口温度场的辐射测量反问题研究，属于非线性反问题研究范畴，该研究工作是半透明介质非接触测温技术实现的理论方法基础。文中建立了一维发射吸收非散射介质辐射测温的多光谱反演模型，采用Levenberg-Marquardt方法实现温度场的反演重建；同时分析了实际测量误差对温度反演精度的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 半透明介质测温方法与技术研究现状
• 1.2.1 基于辐射-导热耦合换热数值模拟的半透明介质温度计算分析
• 1.2.2 接触式测温技术
• 1.2.3 半透明介质的非接触式测温方法及技术
• 1.3 本文的研究内容
• 第2章 红外窗口的表观辐射特性研究
• 2.1 红外窗口的热辐射传递方程
• 2.2 多光谱硫化锌的辐射特性
• 2.3 多光谱硫化锌红外窗口的表观辐射特性分析
• 2.3.1 等温条件下的红外窗口表观辐射特性
• 2.3.2 具有线性温度分布的红外窗口表观辐射特性
• 2.3.3 具有幂指数温度分布的红外窗口表观辐射特性
• 2.4 红外热像仪通道内的多光谱 ZnS 表观辐射特性分析
• 2.4.1 红外热像仪测温原理
• 2.4.2 基于热像仪测量的光谱优化选择分析
• 2.4.3 基于热像仪优化光谱通道的红外窗口表观辐射特性
• 2.5 小结
• 第3章 红外窗口温度场的理论分析研究
• 3.1 红外窗口的辐射-导热耦合方程
• 3.2 基于蒙特卡洛的红外窗口温度场模拟计算
• 3.3 小结
• 第4章 红外窗口温度场的辐射测量反问题研究
• 4.1 基于多光谱的红外窗口温度反演模型
• 4.1.1 正问题
• 4.1.2 反问题
• 4.2 非线性反问题反演算法介绍
• 4.3 红外窗口温度分布求解的反问题计算
• 4.3.1 基于线性温度分布情形的温度反演计算
• 4.3.2 基于幂指数温度分布情形的温度反演计算
• 4.4 小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果