温度是评估弹药热辐射毁伤的重要参数。 弹药在引爆后会在极短时间内压缩周围空气并向四周猛烈释放出大量能量, 伴随着能量释放弹药介质会急剧升温并形成火焰场, 通过测量、 分析火焰场的真温值, 便可以得到爆炸火焰的空间热辐射毁伤效应。 由于爆炸过程的强破坏性和瞬态性, 爆炸火焰的测量主要是依靠辐射测温法。 在以往研究中, 已有学者针对爆炸火焰测量研制了相应的辐射测温仪器, 但目前所研制的仪器只能测量出爆炸火焰在单波长下的亮温场, 而单波长亮温场无法实现真温值的计算。 针对这一问题, 研制了一套多光谱热成像仪, 该仪器采用多幅分光技术, 可实现爆炸火焰在同时刻、 不同波长下的分光成像, 并利用高速CCD相机进行数据采集, 最后依据多光谱辐射测温理论反演出爆炸火焰真温场。 多幅分光技术是由远距离多孔分光镜头所完成的, 该镜头主要分为两个部分: 主成像镜头和分光镜头。 主成像镜头的功能是对远距离爆炸火焰进行聚焦成像, 其所成图像经由单凸透镜汇聚到正后方的多孔分光镜头上。 多孔分光镜头内置分光光栏, 光栏上可镶嵌不同波长的窄带滤光片, 当入射光透过光栏上的窄带滤光片后, 透射光便为被测目标的单波长辐射能量。 远距离多孔分光镜头可对500 m以内的爆炸火焰进行成像, 并依据实际需求将分光光栏设计为四分光结构, 同时为方便滤光片更换将分光光栏做成了可插拔的形式。 该镜头自重约为0.75 kg, 可通过法兰片直接安装在高速CCD相机上, 完全满足野外测量要求。 为验证仪器的有效性, 对1.660 9 kg的TNT进行了爆炸火焰真温场实验。 实验结果表明: 在爆炸后0.1 ms时出现最高温度值3 251 K, 随着时间推移, 真温场逐渐扩大, 但其最高温度值在逐渐降低; 当时间为0.6 ms时, 最高温度值为2 483 K。

材料的未知发射率是辐射测温的一大障碍, 它导致了无法依靠单组测量数据获得材料的真实温度, 人们只能通过假定材料发射率模型来计算出材料的亮度温度等非真实温度。 基于这样的背景, Gardner J等科学家们提出了多光谱测温法并不断完善其理论, 如今多光谱测温广泛应用于高温和超高温测量、 高温目标的热性能测量、 真实温度动态测量等。 2005年, 孙晓刚提出了二次测量法, 二次测量法属于多光谱真温反演算法的一种, 其通过两组测量数据之间的迭代运算解决了反演真温与反演各波长下材料发射率的难题, 并且通过构建大量发射率模型来确保各波长下反演出的发射率的精度, 但是其在数学运算和软件运行中需要构建数量庞大的发射率模型库、 通过匹配库中所有发射率模型来得到真温最优解, 这不仅需要大量计算时间而且占用大量软件资源。 提出了新的多光谱真温快速反演方法, 理论推导出了的材料辐射能量当量与发射率之间的不等式方程组, 在二次测量法算法中添加了对发射率模型库优化筛选步骤, 这一措施能够筛选掉发射率模型库中不合理的模型以缩小发射率模型库的规模, 从而节省大量计算时间和软件资源。 首先进行了0.400~1.100波段的仿真实验, 实验中分别对六种发射率模型进行了多光谱真温快速反演方法和二次测量法的反演结果对比, 结果表明, 对于同一个被测目标在相同的温度初值和相同的发射率搜索范围下, 真温快速反演方法不仅保证了反演精度, 而且相比于二次测量法减少了29%～64%的发射率模型数和26%~57%的计算时间。 进行了0.574～0.914波段的实测对比实验, 实验结果表明对于相同条件下, 真温快速反演方法在保证精度的前提下, 相比于二次测量法减少了42%～48%的发射率模型数和35%~49%的计算时间。 实验证明真温快速反演方法可行, 对于大规模多光谱真温测量和在线多光谱真温测量有重要价值。

多光谱辐射测温法是一种能够反演出辐射体真实温度(真温)的非接触式的温度测量方法, 这种方法通过采集不同波长下被测目标的亮度温度信息, 利用相关的算法反演被测目标的真温, 多光谱高温计就是利用这种方法反演被测目标真温的最重要的测量工具之一。 经过近半个世纪的不懈努力与探索, 国内外众多学者在此领域取得了长足的进步。 由于光谱发射率都小于1, 因此采用辐射高温计不能直接测量得到被测目标的真温, 只有通过处理多个光谱通道的波长和亮度温度, 利用多光谱辐射测温数据的处理方法才可以获得被测目标的真温。 在真温的反演的过程中, 一般都需要找到光谱发射率与波长或温度等变量之间的函数关系, 用含有波长或温度等变量的表达式代替光谱发射率, 这类方法模型选取缺乏足够的理论支持, 对于非专业人员, 选择合适的光谱发射率模型存在一定的难度。 由于光谱发射率具有瞬时多变性, 假设的光谱发射率模型与实际光谱发射率的变化之间往往存在一定的差异, 有可能导致真温反演产生较大的误差。 另外, 光谱发射率与波长或温度等变量之间的数学模型是需要通过大量的实验和经验才能确定, 这种数学模型通用性较差, 尤其是当待测辐射体发生改变时, 这种数学模型也就失去了意义。 因此, 找到一种无需假定光谱发射率与波长或温度之间数学模型而且又具有一定通用性的多光谱真温反演方法成为一种迫切的需要。 对于多波长高温计的N个光谱通道, 每一个光谱通道的测量数据满足一个数学方程, 对于N个光谱通道可以构成一个欠定方程组。 为了求解这个方程组, 将优化的思想引入多光谱求解过程中, 提出了一种基于参考温度的多目标极小值优化原理的多光谱真温反演方法, 将多光谱真温的求解问题转化为多目标极值优化问题, 实现了无需假设光谱发射率模型的真温和光谱发射率的反演。 与传统的二次测量法相比, 新方法在反演精度上与二次测量法大体相同, 但在反演速度上得到了较大幅度的提高。 借助于以往学者测量的真实数据, 利用基于参考温度的多目标极小值优化原理的多光谱真温反演方法实现了真温和光谱发射率的反演。 新方法在反演速度上得到了较大幅度的提高, 借助于以往的固体火箭发动机羽焰温度真实的测量数据, 利用基于参考温度的多目标极小值优化方法实现了真温的反演。

光谱发射率是辐射体辐射能力的重要参数, 通过光谱发射率可以建立辐射体与黑体的之间的桥梁, 从而黑体辐射的相关理论就可以应用于辐射体。 采用普朗克公式, 光谱高温计的每一个光谱通道可以构成一个方程, 这个方程中包含有真温、 亮度温度和光谱发射率。 对于N个光谱通道可以构成N个方程, 这N个方程中也包含一个真温、 N个亮度温度和N个光谱发射率, 其中亮度温度是已知量, 真温和光谱发射率是未知量。 由于方程组是欠定的, 理论上存在着大量的解。 为了求解这个方程组常需要假设光谱发射率与波长和温度之间的数学模型, 使方程组未知数的个数降为N个, 实现真温的求解。 当光谱发射率与波长或温度之间的规律被正确获得后, 多光谱辐射测温法才能反演出正确的真温。 通过对上述较为常用两种光谱发射率模型的分析可知, 这两种方法的基本思想都是试图找到光谱发射率与波长或温度之间的函数关系, 确立光谱发射率与波长或温度之间数学模型。 用含有波长或温度的表达式代替光谱发射率, 实现方程的求解。 由于光谱发射率具有一定的不确定性, 假设的光谱发射率模型与实际光谱发射率的变化之间存在一定的差异, 有可能导致真温反演产生较大的误差。 光谱发射率与波长或温度之间的数学模型是需要通过大量的实验和经验才能获得的, 而且这种数学模型通用性较差, 尤其是当待测辐射体发生改变时, 这种数学模型也就失去了意义。 为了解决多光谱高温计在实际测量中存在的问题, 找到一种无需假定光谱发射率与波长或温度之间数学模型而且又具有一定通用性的多光谱真温反演方法成为一种迫切的需要。 为此, 将优化的思想引入到了多光谱求解过程中, 将多光谱真温的求解问题转化为多目标普朗克极小值优化(MMP)问题, 从而不再需要建立光谱发射率与波长或温度之间的数学模型, 降低了系统的复杂性与难度。 该方法以普朗克公式和光谱发射率之间的等式约束条件为基础, 构造了六个目标函数, 实现了真温的求解。 新方法在反演精度上得到了较大幅度的提高, 仿真数据的误差都小于1%。 借助于以往的真实测量数据, 利用多目标普朗克极小值优化法实现了真温的反演。

为了求解多波长高温计多光谱通道的欠定方程组,引入了优化的思想,将多光谱真温的求解问题转化为多目标极值优化(MMO)问题,无需假设光谱发射率与其他物理量之间的函数关系模型即可求解真温。所提方法的反演精度与二次测量(SMM)法的大体相同,但反演速度大幅增大。借助火箭尾焰的真实测量数据,利用MMO法实现了火箭尾焰真温和光谱发射率的反演。

在多波长温度测量系统中, 光谱发射率假设为波长或温度模型来实现真温的求解。由于模型假设存在一定的不确定性, 光谱发射率模型与实际光谱发射率的变化规律可能不符, 会造成较大的真温反演误差。另外, 光谱发射率与波长或温度之间的函数关系通用性较差, 尤其是待测辐射体发生改变时, 这种关系自然也就不复存在了。为了获得正确的真温, 首次将优化思想引入到方法中, 建立了单目标极小值优化法(Single Objective Minimization Optimization Method, SMO)完成真温反演。新方法无需建立光谱发射率和波长或温度之间的模型, 降低了真温求解方法的复杂性和技术难度。与原有的光谱发射率与温度之间的模型(也称二次测量法, Second Measurement Method, SMM法)相比, 在相同的初始条件下, 新方法与二次测量法相比, 反演速度提高了95%以上。

现有的多光谱高温计的测量下限均大于1 173 K(900 ℃), 不适用于新型火箭羽焰真温测量范围的要求(900~2 700 K)。 为了解决现有的多光谱高温计无法测量1 173 K以下羽焰真温的问题, 研制了用于固体火箭发动机羽焰真温测量的宽量程多光谱高温计。 该多光谱高温计采用了并联光电探测器阵列相邻像元的方法, 并且创建了基于对数函数的900~1 173 K温区的温度标定方法, 从而拓宽了高温计的温度测量范围。 针对某型号固体火箭发动机羽焰的三个目标点进行了现场测量, 实验结果验证了该高温计的有效性。

对于辐射测温数据的处理过程实质就是要解决光谱发射率与真温之间的关系。 如果假设的光谱发射率模型与实际光谱发射率模型不符, 则会造成较大的测温误差。 因此, 如何减少光谱发射率和真温对测量模型的依赖程度进而使算法具有一定的通用性, 是该领域亟待解决的主要问题之一。 提出的算法无需预先假定的发射率与波长之间的模型关系即可找出求解出光谱发射率和真温。 通过仿真和实验验证结果表明, 使用该算法可以求解出一个相对合理的光谱发射率和满足一定精度要求的真温。 算法简单、 可靠、 具有一定的通用性, 适合光谱发射率和真温的测量。