亚像元温度分布的高速红外光学诊断方法研究

Temperature measurements of hot components are very necessary in the fields of energy power and aeronautics and astronautics. To realize the non-contact measurements of non-isothermal object at elevated temperatures, the project is to establish a new optical pyrometry, multispectral diagnostics method of sub-pixel temperature distribution which can provide the important and advanced high-speed measurement techniques of temperature distributions for the turbine blades, thermal structure and combustion chamber. In this project, the mathematical-physical model for sub-pixel temperature diagnostics is established based on the spectral intensity measurements of the spot region. The inverse method of sub-pixel temperature is investigated with the optimization analyses relating to the spectrum range, the spectrum number, the temperature range, and the emissivity characteristics, etc., to improve the solution accuracy. The calibration traceability methods of multispectral pyrometers are developed. The calibration method of spectral stray light of multispectral pyrometer is put forward using the line-spectrum response analysis to realize the on-line calibrations. The experiments of high-temperature measurements are carried out to verify the method applicability. This research project will provide significant and valuable references for high-temperature measurements in application fields of energy power and aeronautics and astronautics.

本项目以能源动力、航空航天领域所涉及的热端部件高温测量为研究背景，针对于非均匀高温目标非接触辐射测量的应用需求，建立一种新型的辐射高温遥感测量方法—亚像元温度分布的红外光学诊断方法与测试技术，研究成果应用将解决涡轮叶片、热结构试验件、燃烧室壁面等非均匀温度分布目标的高速非接触测量的共性关键技术基础问题。研究内容包括：建立点区域光谱辐射信息反演亚像元温度分布的物理及数学模型；开展亚像元温度分布解耦方法及优化分析研究，研究多光谱测量区间范围选择、独立测量光谱数量与间隔、点区域温度范围及分布、目标区域发射率特征等测量条件下的反演算法求解的精确度与适应性；开展光谱辐射测温系统标定校准与溯源方法研究，发展基于线光谱响应的光谱杂散光校准矩阵及在线校准算法；开展光谱辐射测温系统实验测量与验证研究。项目研究将对非接触辐射测温理论和技术在能源动力、航空航天等高新技术领域中的高温测试应用具有重要科学意义。

本项目以能源动力、航空航天领域所涉及的热端部件高温测量为研究背景，针对高瞬态、非均匀高温目标非接触辐射温度测量需求与现状，开展了多光谱辐射信息反演亚像元温度分布的模型、亚像元温度分布解耦算法、辐射测温技术等相关研究工作，建立了亚像元温度分布的高速红外光学诊断方法与测试技术，提出了基于辅助光源法的高温表面温度场和发射率分布同时测量方法、基于有效辐射的涡轮叶片表面辐射测温优化方法，研究了飞秒激光诱导周期微结构表面高温热辐射特性、金属微结构表面高温氧化动力学与热辐射特性分布规律，实现了高瞬态、非均匀目标所形成的温度梯度区域目标温度场分布诊断。项目研究将为高温旋转涡轮叶片、大梯度热测试结构等温度测试提供非常有意义的方法基础支撑，为辐射测温技术在能源动力、航空航天领域的高温测量方面的推广应用提供科学指导。研究成果已在我国航空航天领域机构以及国家科技工程中应用，已取得显著的社会效益。