CN109425434A - 一种消除发射率误差的等离子体三维温度场测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种消除发射率误差的等离子体三维温度场测量装置。该装置包括两个前端采集与分光模块和信号采集与处理模块；前端采集与分光模块通过三角棱镜实现自动校准，使得两个前端采集与分光模块垂直测量目标等离子体，通过其中的分光结构将测量光一部分会聚到传输光纤端面，传输光纤将测量光传递给光谱分析模块，并通过光谱分析仪解析出其中包含的每一种元素的光谱信息，由计算机解算出对应元素的发射率函数；另一部分测量光传入CCD，利用三基色法测得该方向的二维温度场，垂直方向相互叠加，即获得等离子体的三维温度场。本发明实现了对等离子体三维温度场的测量并消除了发射率带来的误差，并且能够在环境恶劣、电磁干扰中进行精准测量。

Description

一种消除发射率误差的等离子体三维温度场测量装置
技术领域
本发明属于光学精密测试技术领域，特别是一种消除发射率误差的等离子体三维温度场测量装置。
背景技术
可以消除发射率误差的三维等离子体温度场测量的需求体现在军事武器研发、航空航天、等离子体特性相关科学研究等领域，三维温度场数据有助于工作人员获取材料性质、设备运行状态以及各种元素在等离子体态下相互作用的关系，对于科学研究具有重要意义。目前对于三维温度场的测量大多采用基于面阵型彩色CCD组的方法，该方法通过拍摄目标在三个波段下的辐射图像，三幅图像中每一个像素都以特定的基色值存储，即RGB值，通过图像处理的方法解析RGB值代表的像素点温度进而构建目标面的温度场。由于该方法在解析辐射温度中取光谱发射率为恒定的经验值，实际上光谱发射率是随目标的波长和温度变化而变化的，因此对于测量三维等离子体温度存在较大偏差。
除了以上所述基于面阵型彩色CCD组方法之外，常见的基于光纤束扫描法的光谱测温法。其原理一种点式多光谱瞬态测温计，该方法解决了计算辐射温度中的光谱发射率的问题，但利用光纤束扫描只能测得测量路径上的温度积分值，用积分值表示被测物的整体温度，无法还原被测物内部真实的温度，从而不能构建被测等离子体的三维温度场。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以消除发射率误差的等离子体三维温度场测量装置，在解决等离子体光谱发射率问题的同时，建立出三维辐射温度场。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种消除发射率误差的等离子体三维温度场测量装置，包括两个前端采集与分光模块和信号采集与处理模块，该两个前端采集与分光模块均包括滤光片、CCD摄像机；
在任意一个前端采集与分光模块A中设置分光板、会聚透镜组，且该前端采集与分光模块A采集到的入射光通过分光板分光，一部分传入本模块的CCD摄像机中，另一部分通过会聚透镜组会聚到光纤端面，传入第一传输光纤；另一个前端采集与分光模块 B直接将采集到的入射光传输给本模块的CCD摄像机；
所述光谱分析模块包括第一离轴抛物面反射镜、第二离轴抛物面反射镜、二元光栅、接收靶面；该模块采用C-T式分光结构，第一传输光纤输出端位于第一离轴抛物面反射镜焦点，接收靶面位于第二离轴抛物面反射镜焦点；光信号从第一传输光纤输出端出射，经由第一离轴抛物面反射镜反射出平行光，平行光通过二元光栅分光后反射到第二离轴抛物面反射镜，不同元素对应不同波长的测量光会被第二离轴抛物面反射镜会聚到接收靶面上的不同位置，并从接收靶面上的出射孔输出到第二传输光纤；
所述信号采集与处理模块包括光谱分析仪、数字图像采集卡、计算机，数字图像采集卡采集并处理两个前端采集与分光模块中CCD摄影机传来的电信号，并传送至计算机；光谱分析仪通过第二传输光纤采集光谱分析模块传来的窄波长光线，将光信号转换为电信号传送至计算机；计算机通过光谱信息解析出目标各单波长的发射率函数，将其应用于三基色法中算出目标等离子体二维温度场，并联立垂直方向上的两个二维温度场拟合出三维等离子体温度场。
进一步地，所述两个前端采集与分光模块中的滤光片，允许通过光波长为工作谱段的±5nm范围内。
进一步地，所述前端采集与分光模块A中设置的分光板，能够对同一方向同时进行拍照和光谱采集。
进一步地，该测量装置利用半导体绿激光器以及三角棱镜进行自动校准：利用半导体绿激光器将绿激光反入射至光谱分析模块的接收靶面，根据光的可逆性，绿激光将一部分呈现在前端采集与分光模块A的CCD画面里，同时若两个前端采集与分光模块垂直，光线经过三角棱镜应呈现在前端采集与分光模块B的CCD画面里，并保证画面位置与大小一致，即可实现自动校准。
进一步地，所述两个前端采集与分光模块中CCD摄像机对2个垂直方向的二维等离子体温度场进行测量。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)实现了同时对光谱发射率的测量以及三维温度场的构建；(2)通过对光谱发射率的真实测量，替代现有的利用彩色面阵 CCD组测量方法中光谱发射率的恒定值，适应了测量多波长范围的多元素等离子体温度的要求，提高了测量精度；(3)具有自动校准功能，在加装额外的三角棱镜后，利用光的可逆原理，观察对比绿激光在两个CCD摄影机呈现的画面，可以简便直接的进行装置装调，避免了测量角度带来的误差；(4)利用垂直方向上测量得来的两个二维温度场，直接进行三维温度场的恢复构建，其空间结构更加真实可信；(5)利用传输光纤连接前端采集模块与后端分光处理模块，可以使工作人员远离测试现场的辐射，同时减免现场恶劣因素的影响；(6)装置结构简单，体积小，便于携带。
附图说明
图1为本发明消除发射率误差的等离子体三维温度场测量装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，本发明消除发射率误差的等离子体三维温度场测量装置，包括两个前端采集与分光模块和信号采集与处理模块，该两个前端采集与分光模块均包括滤光片3、 CCD摄像机4；
在任意一个前端采集与分光模块A中设置分光板1、会聚透镜组2，且该前端采集与分光模块A采集到的入射光通过分光板1分光，一部分传入本模块的CCD摄像机4 中，另一部分通过会聚透镜组2会聚到光纤端面，传入第一传输光纤10；另一个前端采集与分光模块B直接将采集到的入射光传输给本模块的CCD摄像机4；
所述光谱分析模块包括第一离轴抛物面反射镜5、第二离轴抛物面反射镜7、二元光栅6、接收靶面11；该模块采用C-T式分光结构，第一传输光纤10输出端位于第一离轴抛物面反射镜5焦点，接收靶面11位于第二离轴抛物面反射镜7焦点；光信号从第一传输光纤10输出端出射，经由第一离轴抛物面反射镜5反射出平行光，平行光通过二元光栅6分光后反射到第二离轴抛物面反射镜7，不同元素对应不同波长的测量光会被第二离轴抛物面反射镜7会聚到接收靶面11上的不同位置，并从接收靶面11上的出射孔输出到第二传输光纤13；
所述信号采集与处理模块包括光谱分析仪8、数字图像采集卡9、计算机14，数字图像采集卡9采集并处理两个前端采集与分光模块中CCD摄影机4传来的电信号，并传送至计算机14；光谱分析仪8通过第二传输光纤13采集光谱分析模块传来的窄波长光线，将光信号转换为电信号传送至计算机14；计算机14通过光谱信息解析出目标各单波长的发射率函数，将其应用于三基色法中算出目标等离子体二维温度场，并联立垂直方向上的两个二维温度场拟合出三维等离子体温度场。
进一步地，所述两个前端采集与分光模块中的滤光片3，允许通过光波长为工作谱段的±5nm范围内。
进一步地，所述前端采集与分光模块A中设置的分光板1，能够对同一方向同时进行拍照和光谱采集。
进一步地，该测量装置利用半导体绿激光器12以及三角棱镜进行自动校准：利用半导体绿激光器12将绿激光反入射至光谱分析模块的接收靶面11，根据光的可逆性，绿激光将一部分呈现在前端采集与分光模块A的CCD画面里，同时若两个前端采集与分光模块垂直，光线经过三角棱镜应呈现在前端采集与分光模块B的CCD画面里，并保证画面位置与大小一致，即可实现自动校准。
进一步地，所述两个前端采集与分光模块中CCD摄像机4对2个垂直方向的二维等离子体温度场进行测量。
本发明所述的消除发射率误差的等离子体三维温度场测量装置的优点在于：实现了同时对光谱发射率的测量以及三维温度场的构建。通过对光谱发射率的真实测量，替代现有的利用彩色面阵CCD组测量方法中光谱发射率的恒定值，适应了测量多波长范围的多元素等离子体温度的要求，提高了测量精度。具有自动校准功能，在加装额外的三角棱镜后，利用光的可逆原理，观察对比绿激光在两个CCD摄影机呈现的画面，可以简便直接的进行装置装调，避免了测量角度带来的误差。利用垂直方向上测量得来的两个二维温度场，直接进行三维温度场的恢复构建，其空间结构更加真实可信。利用传输光纤连接前端采集模块与后端分光处理模块，可以使工作人员远离测试现场的辐射，同时减免现场恶劣因素的影响。装置结构简单，体积小，便于携带。

Claims (5)

1.一种消除发射率误差的等离子体三维温度场测量装置，其特征在于：包括两个前端采集与分光模块和信号采集与处理模块，该两个前端采集与分光模块均包括滤光片(3)、CCD摄像机(4)；
在任意一个前端采集与分光模块A中设置分光板(1)、会聚透镜组(2)，且该前端采集与分光模块A采集到的入射光通过分光板(1)分光，一部分传入本模块的CCD摄像机(4)中，另一部分通过会聚透镜组(2)会聚到光纤端面，传入第一传输光纤(10)；另一个前端采集与分光模块B直接将采集到的入射光传输给本模块的CCD摄像机(4)；
所述光谱分析模块包括第一离轴抛物面反射镜(5)、第二离轴抛物面反射镜(7)、二元光栅(6)、接收靶面(11)；该模块采用C-T式分光结构，第一传输光纤(10)输出端位于第一离轴抛物面反射镜(5)焦点，接收靶面(11)位于第二离轴抛物面反射镜(7)焦点；光信号从第一传输光纤(10)输出端出射，经由第一离轴抛物面反射镜(5)反射出平行光，平行光通过二元光栅(6)分光后反射到第二离轴抛物面反射镜(7)，不同元素对应不同波长的测量光会被第二离轴抛物面反射镜(7)会聚到接收靶面(11)上的不同位置，并从接收靶面(11)上的出射孔输出到第二传输光纤(13)；
所述信号采集与处理模块包括光谱分析仪(8)、数字图像采集卡(9)、计算机(14)，数字图像采集卡(9)采集并处理两个前端采集与分光模块中CCD摄影机(4)传来的电信号，并传送至计算机(14)；光谱分析仪(8)通过第二传输光纤(13)采集光谱分析模块传来的窄波长光线，将光信号转换为电信号传送至计算机(14)；计算机(14)通过光谱信息解析出目标各单波长的发射率函数，将其应用于三基色法中算出目标等离子体二维温度场，并联立垂直方向上的两个二维温度场拟合出三维等离子体温度场。
2.根据权利要求1所述的消除发射率误差的三维等离子体温度场测量装置，其特征在于：所述两个前端采集与分光模块中的滤光片(3)，允许通过光波长为工作谱段的±5nm范围内。
3.根据权利要求1所述的消除发射率误差的三维等离子体温度场测量装置，其特征在于：所述前端采集与分光模块A中设置的分光板(1)，能够对同一方向同时进行拍照和光谱采集。
4.根据权利要求1所述的消除发射率误差的三维等离子体温度场测量装置，其特征在于：该测量装置利用半导体绿激光器(12)以及三角棱镜进行自动校准：利用半导体绿激光器(12)将绿激光反入射至光谱分析模块的接收靶面(11)，根据光的可逆性，绿激光将一部分呈现在前端采集与分光模块A的CCD画面里，同时若两个前端采集与分光模块垂直，光线经过三角棱镜应呈现在前端采集与分光模块B的CCD画面里，并保证画面位置与大小一致，即可实现自动校准。
5.根据权利要求1所述的消除发射率误差的三维等离子体温度场测量装置，其特征在于：所述两个前端采集与分光模块中CCD摄像机(4)对2个垂直方向的二维等离子体温度场进行测量。
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