一种光谱发射率的测量方法及系统
阅读说明：本技术 一种光谱发射率的测量方法及系统 (Spectral emissivity measuring method and system ) 是由 吴军 马建光 刘超 李大成 王安静 李扬裕 崔方晓 于 2021-07-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种光谱发射率的测量方法及系统,所述光谱发射率的测量方法包括：采用红外光源照射目标；获取所述目标的光谱辐射亮度和环境光谱辐射亮度；获取所述目标在多个温度下的黑体辐射亮度；通过所述光谱辐射亮度、所述环境光谱辐射亮度、以及多个所述黑体辐射亮度,获取多个温度下,所述目标的光谱发射率曲线；获取每个所述光谱发射率曲线的粗糙度指标,并将所述粗糙度指标最小时的对应的温度作为最佳温度；以及获取所述最佳温度时,所述目标的光谱发射率。本发明提供的光谱发射率的测量方法,能够较的精确获取目标的光谱发射率。(The invention provides a method and a system for measuring spectral emissivity, wherein the method for measuring the spectral emissivity comprises the following steps: irradiating the target by adopting an infrared light source; acquiring spectral radiance of the target and spectral radiance of the environment; obtaining blackbody radiation brightness of the target at a plurality of temperatures; acquiring a spectral emissivity curve of the target at a plurality of temperatures according to the spectral radiance, the environmental spectral radiance and the plurality of black body radiance; acquiring a roughness index of each spectral emissivity curve, and taking the corresponding temperature when the roughness index is minimum as the optimal temperature; and acquiring the spectral emissivity of the target at the optimal temperature. The spectral emissivity measuring method provided by the invention can accurately acquire the spectral emissivity of the target.)
技术领域
本发明属于目标光学特性测量领域，特别是涉及一种光谱发射率的测量方法及系统。
背景技术
红外发射率是目标在红外波段的固有光学性质，是红外辐射测量、目标性质判断的重要参数。传统的红外光谱发射率测量方法，通常在实验室内开展，所需设备多且操作不便。同时，在实际应用中，通常难以直接对目标温度进行接触测量，这进一步限制了光谱发射率的精确求解。一般获取目标温度，通常利用目标反射的环境光谱结构，实现对目标温度的精确判断，但在不具有明显环境结构光谱辐射的室内场景或阴天场景下，该方法均无法使用。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光谱发射率的测量方法及系统，用于解决在没有明显环境辐射光谱结构的条件下，精确获取光谱发射率。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明是通过一下技术方案实现的：
本发明提供一种光谱发射率的测量方法，包括：
采用红外光源照射目标；
获取所述目标的光谱辐射亮度和环境光谱辐射亮度；
获取所述目标在多个温度下的黑体辐射亮度；
通过所述光谱辐射亮度、所述环境光谱辐射亮度、以及多个所述黑体辐射亮度，获取多个温度下，所述目标的光谱发射率曲线；
获取每个所述光谱发射率曲线的粗糙度指标，并将所述粗糙度指标最小时的对应的温度作为最佳温度；以及
获取所述最佳温度时，所述目标的光谱发射率。
在本发明一实施例中，，所述红外光源与所述目标之间设置有结构滤光片，且所述结构滤光片靠近所述红外光源。
在本发明一实施例中，在所述多个温度下获取光谱发射率曲线，所述光谱发射率曲线通过以下公式获取：
其中，∈(λ，T)为光谱发射率曲线；L(λ)为目标光谱辐射亮度；L↓(λ)为环境光谱辐射亮度；B(T,λ)为黑体辐射亮度，T为设定的温度；λ为光辐射的波长。
在本发明一实施例中，所述光谱发射率的测量方法还包括：通过所述光谱发射率曲线，获取多点平滑曲线，所述多点平滑曲线通过以下公式获取：
其中，∈’(λ，T)为光谱发射率曲线∈(λ，T)经过n邻域平滑后的多点平滑曲线；d为光谱采样步长；i＝[-n,n]为曲线平滑所采用的n邻域；λ为光辐射的波长。
在本发明一实施例中，所述光谱发射率曲线的粗糙度指标，通过以下公式获取：：
R(T)＝∑[∈(λ，T)-∈’(λ，T)]2
其中，R(T)为光谱发射率曲线的粗糙度指标；∈(λ，T)为光谱发射率曲线；∈’(λ，T)多点平滑曲线。
在本发明一实施例中，所述最佳温度通过以下公式获取：
其中，Tn为设定的第n个温度；Tn+1为第n+1个温度；为T＝Tn时的粗糙度指标梯度；const为常量参数；
将上述公式进行多次迭代，使设定的第n个温度下的粗糙度指标R(Tn)逐渐减小至收敛，所述最佳温度为所述粗糙度指标R(Tn)收敛时的温度T’。
在本发明一实施例中，所述最佳温度为最接近所述目标的真实温度。
在本发明一实施例中，所述设定的温度范围为295K～305K。
在本发明一实施例中，所述结构滤光片为聚苯乙烯薄膜。
本发明还提供一种光谱发射率的测量系统，所述光谱发射率的测量系统用于执行以上所述光谱发射率的测量方法，所述光谱发射率的测量系统包括：
光源设备，提供所述红外光源；
结构滤光片，设置在所述目标与所述红外光源之间，且所述结构滤光片靠近所述红外光源；
观测设备，设置在所述光源设备的一侧，获取所述目标的光谱辐射亮度；
数据处理模块，用于获取所述目标的光谱发射率。
如上所述，本发明提供一种光谱发射率的测量方法及系统，通过人工构造红外光源，使所述人工构造红外光源具有环境辐射光谱结构；通过非接触测量目标的方式，精确获得目标发射率值。通过本发明提供的光谱发射率的测量方法及系统，拓展了光谱发射率的测量场景且不依赖于环境中的光谱辐射结构。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1显示为一种光谱发射率的测量方法流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
光谱发射率是材料的重要热物性参数之一，表征了材料表面的光谱辐射能力，是辐射测温与辐射热传递分析的重要基础性数据。例如，在航空航天、石油化工、冶金、钢铁、水泥、玻璃能源动力等工业领域，辐射测温是解决生产环节中的温度诊断的有效手段，然而光谱发射率的未知性是辐射温度准确测量的主要障碍。光谱发射率的精确度与温度、波长以及目标所处的环境等诸多因素复杂相关，因此本发明提供一种外场发射率的测量方法，通过本发明能够适用于室内、阴天等不具有显著环境辐射光谱结构的场景，精确获取目标发射率值。
请参阅图1所示，本发明提供一种光谱发射率的测量方法步骤包括：
S10:采用红外光源照射目标。
S11:获取目标的光谱辐射亮度和环境光谱辐射亮度。
S12:获取目标在多个温度下的黑体辐射亮度。
S13:通过光谱辐射亮度、环境光谱辐射亮度、以及多个黑体辐射亮度，获取多个温度下，目标的光谱发射率曲线。
S14:获取每个光谱发射率曲线的粗糙度指标，并将粗糙度指标最小时的对应的温度作为最佳温度。
S15:获取最佳温度时，目标的光谱发射率。
请参阅图1所示，在本发明的一个实施例中，步骤S10中，在目标前设置红外光源，红外光源对目标进行红外光源照射。且在红外光源与目标之间，且靠近红外光源处，通过设置结构滤光片，使照射在目标上的红外光源具显著环境辐射光谱结构，从而通过这种人工构造的红外光源，在精确获取目标的光谱发射率时，可以不受用应用环境限制。
请参阅图1所示，在本发明的一个实施例中，在步骤S11中，通过观测设备，获取目标的光谱辐射亮度，观测设备例如可以是红外光谱仪。通过气象数据，代入辐射传输软件，获取已知光谱结构和幅值的环境光谱辐射亮度。气象数据例如可以包括大气温度廓线、相对湿度廓线，辐射传输软件例如可以是MODTRAN，且不限于此。在本实施例中，光谱结构为人工构造的红外光源，幅值表示为人工构造的红外光源的辐射能力，在人工构造的红外光源中的某个波长强一点，其幅值就高。
请参阅图1所示，在本发明的另一个实施例中，在步骤S11中，还可以在目标附近设置高反射参考靶板，通过观测设备测量所述高反射参考靶板，从而获取目标的环境光谱辐射亮度。
请参阅图1所示，在本发明的一个实施例中，在步骤S12中，可对目标设定多个温度，并通过以下公式获取目标的黑体辐射亮度：
其中，B(T,λ)为目标的黑体辐射亮度；T为设定的温度；λ为光辐射的波长；h为普朗克常数；k为玻尔兹曼常数；c为光速。
请参阅图1所示，在本发明的一个实施例中，在步骤S13中，根据已经获取目标的光谱辐射亮度L(λ)、环境光谱辐射亮度L↓(λ)以及黑体辐射亮度B(T,λ)，获取多个温度下，通过下述公式，获取光谱发射率曲线：
其中，∈(λ，T)为光谱发射率曲线；L(λ)为目标的光谱辐射亮度；L↓(λ)为环境光谱辐射亮度；B(T,λ)黑体辐射亮度，T为设定的温度；λ为光辐射的波长。
请参阅图1所示，在本发明的一个实施例中，在步骤S14中，在获取光谱发射率曲线∈(λ，T)的粗糙度指标之前，首先要获取光谱发射率曲线∈(λ，T)经过n邻域多点平滑曲线，所述多点平滑曲线通过下述公式获取：
其中，∈∈(λ，T)为光谱发射率曲线∈(λ，T)经过n邻域平滑后的多点平滑曲线；d为光谱采样步长；i＝[-n,n]为曲线平滑所采用的n邻域；λ为光辐射的波长。
光谱发射率曲线的粗糙度指标R(T)为光谱发射率曲线∈(λ，T)与多点平滑曲线∈∈(λ，T)的差异平方和，即：
R(T)＝∑[∈(λ，T)-∈’(λ，T)]2；
其中，R(T)为光谱发射率曲线的粗糙度指标，∈(λ，T)为光谱发射率曲线；∈∈(λ，T)多点平滑曲线。
通过梯度下降法，获取光谱发射率曲线在粗糙度指标R(T)最小时的温度，作为最佳温度值T’，最佳温度T’值为最接近目标的真实温度，所述最佳温度通过下述公式获取：
其中，Tn为设定的第n个温度；Tn+1为第n+1个温度；为T＝Tn时的粗糙度指标梯度；const为常量参数；通过确定任意给定的第n个温度Tn的更新量，得到新的温度Tn+1。将上述公式进行多次迭代，使设定的第n个温度下的粗糙度指标R(Tn)逐渐减小至收敛，所述最佳温度为所述粗糙度指标R(Tn)收敛时的温度T’。
请参阅图1所示，在本发明的一个实施例中，在步骤S15中，将获取的最佳温度T’，通过以下公式，获取目标的光谱发射率。
其中，∈(λ)为光谱发射率；L(λ)为目标的光谱辐射亮度；L↓(λ)为环境光谱辐射亮度；B(T’,λ)在最佳温度T’下的黑体辐射。
请参阅图1所示，在本发明的一个实施例中，光谱发射率的测量系统包括光源设备、结构滤光片、观测设备和数据处理模块。
请参阅图1所示，在本发明的一个实施例中，光源设备提供红外光源，目标设置在红外光源的照射方向，观测设备设置在红外光源的一侧，结构滤光片设置在红外光源与目标之间，且靠近红外光源处。红外光源主要产生红外辐射，是一种特殊的光源，当目标在可视光范围内很难检查时，红外光源可以提供高对比度影像检查。
请参阅图1所示，在本发明的一个实施例中，通过在红外光源的照射方向设置结构滤光片，使照射在目标的光源，具有环境辐射中的光谱辐射结构，通过这种人工构造的红外光源，在精确获取目标的光谱发射率时，可以不受用应用环境限制。结构滤光片例如可以是聚苯乙烯薄膜，且不限于此，所述聚苯乙烯薄膜其在不同波长位置具有特征峰，可以透过所有波长的可见光，透过率高，具有优良的光学性能。
请参阅图1所示，在本发明的一个实施例中，通过将人工构造的红外光源照射在目标上，使观测设备获取目标的光谱辐射亮度L(λ)，光谱辐射亮度曲线具有明显的尖峰特征，说明透光率高，红外吸收强。观测设备例如可以是红外光谱仪。
请参阅图1所示，在本发明的一个实施例中，数据处理模块包括黑体辐射亮度获取单元、光谱发射率曲线获取单元、平滑曲线获取单元、粗糙度指标获取单元、最佳温度获取单元、目标光谱发射率获取单元。黑体辐射亮度获取单元用于执行步骤S12，光谱发射率曲线获取单元用于执行步骤S13，平滑曲线获取单元、粗糙度指标获取单元和最佳温度获取单元用于执行步骤S14，目标光谱发射率获取单元用于执行步骤S15。数据处理模块例如设置在观测设备内，或者计算机终端内。
请参阅图1所示，在本发明的一个实施例中，通过气象数据，获取目标的环境光谱辐射亮度L↓(λ)以及在多个温度下，获取其在每一个温度下的每一个黑体辐射亮度B(T,λ)，通过以及获取的光谱辐射亮度L(λ)、环境光谱辐射亮度L↓(λ)以及多个黑体辐射亮度B(T,λ)，获取光谱发射率曲线∈(λ，T)。通过光谱发射率曲线∈(λ，T)，获得其粗糙度指标R(T)，通过梯度下降法，通过不断更新的温度值，进行多次迭代，获取粗糙指标R(T)最小时的温度T，作为最佳温度T’，此时的最佳温度T’为最接近目标的真实温度，通过对最佳温度T’，获取其光谱的发射率∈(λ)。
请参阅图1所示，在本发明的一个实施例中，设定的温度例如为295K～305K，从温度例如从295K开始，以一定的规律递增温度T，通过上述获取发射率曲线∈(λ，T)的步骤，获取光谱发射率曲线∈(λ，T)。当设定的温度T与真实温度差距比较大时，光谱发射曲线∈(λ，T)反演结构会包含明显的尖峰，例如在温度为295K和305K时，在波长例如为12～13μm 之间，温度为295K对应的光谱发射率曲线和温度为305K对应的光谱发射率曲线，具有明显的尖峰特征，在尖峰处，其对应的粗糙度因子R较大。但随着设定的温度T逐渐接近真实温度时，其粗糙度度因子R会逐渐减少，具体的例如减少到0.5或者0.2算是收敛，直至其不在减小，此时的温度T为目标的真实温度，例如当温度是300K时获得目标光谱发射率曲线，在波长是8～13μm之间，光谱发射率曲线202整体平滑。通过把温度为300K最为目标的温度时，可获取精确的光谱发射率。
综上所述，本发明通过在红外光源的照射前方，设置结构滤光片，通过这种人工构造红外光源，观测设备获取目标的光谱辐射亮度L(λ)和环境光谱辐射亮度L↓(λ)，通过对目标进行多个温度设定，在多个温度下，获取其在每一个温度下的每一个黑体辐射亮度B(T,λ)，通过以及获取的光谱辐射亮度L(λ)、环境光谱辐射亮度L↓(λ)以及多个黑体辐射亮度B(T,λ)，获取光谱发射率曲线∈(λ，T)。通过光谱发射率曲线∈(λ，T)，获得其粗糙度指标R(T)，通过梯度下降法，通过不断更新的温度值，进行多次迭代，获取粗糙指标R(T)最小时的温度T，作为最佳温度T’，此时的最佳温度T’为最接近目标的真实温度，通过对最佳温度T’反推，获取其光谱的发射率∈(λ)。本发明可以应用到室内和阴天等不具有显著环境辐射光谱结构的场景，非接触测量目标的温度，进而精确获取目标发射率值，为目标红外光谱辐射特性测量，提供了新的方法，拓展了适用方法。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。