（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

温度作为表征物体冷热的物理量，对于在国防军事中应用的燃烧弹是其重要的热力参数，特种弹药燃烧火焰温度多数可达3273K以上，弹药的杀伤力需要对其进行真温的准确测量予以判定。测温方法可分为接触式测温与非接触式测温，非接触式测温中的多光谱测温技术是辐射测温技术的一个重要分支［1］，也是实现高温火焰测量的最佳途径。考虑到弹药构成复杂难以确定其发射率，同时弹药燃烧中会混有离子谱与特征谱，需要通过接收大量波段辐射并筛选多个可用波段来测得目标真温［2］，因此，基于多光谱热辐射测温法，研制了燃烧弹火焰测温系统——通过可见与近红外全波段通道采集辐射信息，经数据处理得到真实温度。由于该系统内包含自制的小视场辐射接收光学系统，其未知的VNIR波段传递函数与分光耦合带来的衰减情况，以及系统内光谱仪自身的光谱响应特性［3］，辐射信息经过系统后将会发生改变，以此解算出来的结果亦毫无意义，因而需要对系统整体进行标定，校正采集的辐射信息为可用于反演目标温度的有效数据。本文侧重介绍此系统的标定。

1 测温系统的组成及工作原理

1.1 系统组成

根据辐射光谱的特点，火焰分为发光火焰与透明火焰，发光火焰在可见波段均有辐射，透明火焰的辐射多在红外波段［4］，多光谱测温算法需要同时记录各个波段的辐射能量；若目标未能充满视场，测量将受到背景辐射的影响［5］，合理减小视场可以实现更精确的测量，微小的测温区域需要直观的视觉辅助对准，测量时热辐射谱和燃烧状态图像应在时间和空间维度上相互对应。

该测温系统主要由成像物镜、分光耦合装置、辅助观瞄CCD相机、可见光与红外传输光纤、可见光与红外光谱仪组成。成像物镜为焦距3m的反远距定焦镜头，可接收波段范围在400nm～1700nm，镜筒内部结构如图1所示，辐射源经过1、2镜，在3镜前通过加设的可调光阑消除杂光，达到了衰减辐射强度的效果。

图1 镜头内部结构图

分光耦合装置位于箱体内部，装置主体在箱体前端与接收镜组的镜筒通过螺纹连接，主体设计含有与水平面成45度的两平行面，用于固定分光镜，如图2所示，辐射经过物镜后首先到达分光镜1，红外波段光透射导入红外光纤，可见光反射至分光镜2，30%透射至CCD相机，剩余部分反射导入可见光纤，两光纤端面位置为各自通道所对应的像面，光纤末端各自接入对应光谱仪。以上设计构成了成像与接收热辐射双功能的光学系统，满足光纤和CCD相机的光路耦合［6］。

图2 测温系统原理简图

1.2 工作原理

普朗克定律是多光谱测温技术的理论基础，物体辐射的出射谱遵循普朗克黑体辐射定律，相应的辐射曲线线形只与温度相关。德国物理学家普朗克论述了任何物体在一定温度条件下都会以电磁波形式辐射能量，并给出黑体辐射普朗克公式：

式中，Mb(λ,T)代表温度T时波长为λ的理论辐射度，ε0代表目标的材料发射率，C1、C2为第一、第二辐射常数。在确定的目标温度下，各波段有着与之对应的辐射度M0(λ,T)。

温度反演是将表征温度的遥测初始数据经过修正处理与计算，获得真实温度信息的演算过程。上述的辐射度M0(λ,T)即是表征温度的数据，但是因系统中不能完全传递辐射源的初始辐射度，即对M0(λ,T)进行调制，该调制主要涉及系统中的光学元件带来的影响，需要对系统进行标定。此外，因测温中接收到的光谱不仅包含热辐射谱，还包含拉曼光谱、离子谱和自发辐射铺多重信息，在反演前还需对采集结果进行去背景辐射与谱分离操作。

2 标定实验

2.1 标定方法及装置

标定即是为系统引入修正函数［5］，对经过调制的辐射信息再度修正，在以多光谱测温法实际测取火焰温度时，测得的结果经过与测温系统相对应的修正函数计算后方能准确反演温度，修正函数可使实际采集的谱线与理论值相拟合，理论值由黑体辐射普朗克公式获得，根据普朗克定律，修正函数如下：

式中，实测光谱辐射强度k1(λ)，黑体理论光谱辐射度Mb(λ,T)，测温系统对应每个波段的响应函数v1(λ)。

修正函数的求取依靠高温黑体辐射源作为参考，本次实验采用Therm Gauge高温黑体炉，在1173～2273K取整百度记录数据，室内控制恒温21.5℃、湿度58.5%～59.5%rh。测温箱体固定于精密升降位移台，外部辐射接收端正对炉内腔体且距离3m，使辅助观瞄CCD成清晰像，即像面已位于光纤探头，再经逆向检测，从接收装置内部反向传输激光，出射后正好位于腔体中心。图3为标定实验现场图。

图3 标定实验现场

2.2 标定过程

标定起点始于1173K，黑体炉每次升至规定温度且稳定后，完全遮蔽辐射出射口并关闭室内照明灯采集环境温度谱线，测温流程如图4所示。为避免光谱仪在测量值域内出现饱和，调整光阑并选择设置积分时间为10ms，并保证之后的测温过程中积分时间不变［6］。测温系统每组温度测量10次取平均值为最终结果，如图5所示，以1673K的实测曲线为例，横坐标为波长，纵坐标为辐射强度，随着温度上升辐射增强而显示的波形不变。表1记录了辐射曲线部分波段相应的辐射强度值。

图4 标定实验流程图

图5 1673-2073K采集辐射曲线

2.3 系统特性曲线

因测温系统在不同温度下的光谱响应函数基本相同，在这里只选取单一温度点（1673K）对应的实测谱线与普朗克曲线对比，经归一化处理，将数据代入公式（2）中，得到测温系统在300nm～1000nm的修正函数，如图6所示，大约波长在1080nm左右修正函数出现极大值，而其余波段的数据与之相比甚微。

图6 测温系统校正曲线

应用得出的修正曲线，逐一校正各个温度点的实测辐射曲线，而实际上不同温度下的修正函数还存在细微差别，根据各自校正后的结果参考相应理论曲线以验证次修正函数的精度，验证结果如图7所示。

表1 1673-2073K部分波段的辐射强度值

图7 经校正后的1773K-2473K测温结果

3 修正效果验证

校正处理后得到光谱数据与理论曲线有效拟合，由表2可知，此测温方法在无其它干扰因素时效果稳定，实验重复性良好。结果表明数据经过以上处理，实测光谱与理论光谱间的误差在2%以内，达到系统指标，为后续温度反演结果的可靠性提供保障。

表2 1773K-2473K目标测温结果与误差

4 结论

多光谱测温法是测取火焰温度的有效途径，标定技术的水平决定着测温系统的可靠性，标定的校正系数是多光谱测温系统各参数测试的基础，本文介绍了一种成像式多光谱测温系统，并对样机进行了高温标定。标定实验在室温与湿度稳定的环境下采集了黑体炉辐射的光谱曲线，进而得出设备的响应函数。经多个温度点测试结果表明该响应函数对数据的校正效果趋近理论曲线，能够使该测温系统反演温度的结果更加准确，具有实际意义。