火焰红外多光谱辐射特性测量及温度场重建研究

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1、国内图书分类号：TK311国际图书分类号：536．5工学博士学位论文Y798690火焰红外多光谱辐射特性测量及温度场重建研究博士研究生：导师：申请学位：学科、专业：所在单位：答辩日期：授予学位单位：金钊戴景民教授工学博士仪器科学与技术自动化测试与控制系2005年10月哈尔滨工业大学摘要火焰光谱辐射特性包含火焰发射率、火焰内部的温度分布、吸收系数分布、组分浓度等众多信息，对于研究各种燃烧流场的特性有重要价值。特别是在航天和军事领域，火箭发动机尾焰辐射是攻击导弹及空间早期预警的主要目标，尾焰辐射特性及温度

2、场的测量研究，对于发展和提高目标探测和识别技术、精确制导技术、隐身和反隐身技术、增强战略防御有着积极意义。火焰辐射特性及温度的测量研究是一项基础性很强的工作，由于火焰目标的多样性、非合作性、背景的复杂性，以及火焰自吸收的特殊性等原因对火焰辐射特性及温度场的诊断一直是一个难题。本文主要研究火焰的红外光谱辐射特性测量和火焰温度场的重建，提出相应的实用数据处理方法，研制了一套不依赖于火焰组分、不干扰燃烧流场的火焰辐射特性测量装置，并成功用于丁烷／空气燃烧火焰的测量实验。总体来说，本文做了如下工作：1．火焰光

3、谱发射率和平均温度的理论研究。针对火焰状态非重复性的特点，提出二次拟合思想以同时获得火焰的多个光谱发射率和温度。该方法首先对火焰发射率与波长的关系迸行分段线性拟合，预判发射率随波长的变化趋势，然后用得到发射率数值计算火焰的光谱辐射强度，并与测量值比较，剔除误差较大的数据点，对其余数据点进行相应的曲线拟合，得到火焰光谱发射率和平均温度。仿真研究表明，二次拟合数据处理方法对于火焰光谱发射率和平均温度的测量是有效的。2．基于多光谱数据融合重建火焰温度场的研究。目前对于火焰温度场的重建都是通过单个光谱下的吸收

4、系数分布来完成的。由于火焰目标的不稳定性和测量环境的复杂性，这样得到的火焰温度场分布的可信度较低。针对该情况，提出了基于发射吸收光谱层析法的多光谱数据融合重建火焰温度场的方法。首先，采用发射吸收光谱层析法，获得火焰多个光谱下的发射率值；其次，采用混沌遗传算法分别重建火焰内部多个光谱的吸收系数分布，根据所得的多个光谱下的吸收系数分布，可以进一步得到该温度场的多组分布结果；最后，通过数据融合理论得到火焰温度场分布的最优估计。仿真研究表明，基于多光谱数据融合的方法降低了火焰目标的不确定性，提高了温度分布重建

5、的可信度。3．火焰红外光谱辐射特性自动测试装置的研制。设计了由卡塞格伦光：．：=：：：一：：!：：：：：』塑耋窒型坚璧三兰量圭耋堡!!i二：：：：：—一：=：学接收系统、光栅单色仪自动扫描系统、热释电探测器、数字锁相放大器、高速同步数据采集系统等组成的火焰红外光谱辐射特性测量装置，设计了采集策略和采集软件。4，火焰光谱辐射特性的实验研究。利用研制的火焰红外光谱辐射特性测量装置测量了丁烷／空气燃烧火焰产生的辐射光谱。通过热像仪获得的火焰图像对重建得到的火焰温度场进行了比对。5．二次拟台方法在固体推进剂羽

6、焰光谱发射率和温度测量中的应用。采用二次拟合方法计算了固体推进剂火焰的光谱发射率和温度。实验结果表明，火焰温度测量值与理论值相一致，说明二次拟合法测量火焰光谱发射率和温度是可行的。关键词火焰；光谱发射率；温度场：遗传算法：多光谱数据融合AbstractSpectralradiationcharacteristicsoftheflamecontainalotofinfoITnationsuchasflameemissivity,temperaturedistribution，absorptioncoef

7、ficientdistributionandspeciesconcentrationsinsidetheflame，whichplayveryimportantrolesintheresearchoneachkindofcombustionflowfield．Especiallyinthefieldsofspaceflightandmilitary,plumeradiationoftherocketengineisthemaintargetoftheattackmissilesandspaceearl

8、ywarningsystem．Thereforetheresearchonmeasurementofplumeradiationcharacteristicsandtemperatureprofileissignificanttodevelopandimprovethetechniquesoftargetdetectionandidentification，precisionguidance，concealment，anti—concealmentand