Многоспектральные методы коррекции излучательных характеристик поверхностей

Термическое дистанционное зондирование поверхностей для исследования тепловых полей объектов является одним из перспективных направлений науки, техники и других сфер деятельности человека.

Дистанционные неконтактные методы ИК-радиометрии имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными контактными методами, такие, как:

— возможность оперативного сбора информации с обширной территории за небольшой промежуток времени;

— отсутствие непосредственного контакта измеряемой поверхности с датчиком, благодаря чему датчик не оказывает влияния на тепловое поле объекта- -высокая чувствительность;

— небольшая инерционность используемых приемников излучения .

Однако, достигнутая в настоящее время абсолютная точность восстановления кинетических температур поверхностей составляет около 0.7 К, что накладывает некоторые ограничения на более широкое использование приборов и методов ИК-радиометрии.

Точность решения задач термического зондирования зависит от точности, с которой известны излучательные характеристики исследуемых объектов, а также от влияния промежуточного слоя атмосферы (для приборов, устанавливаемых на авиационных носителях).

Особенностью излучательных характеристик является их многофункциональная зависимость от длины волны и поляризации излучения, от кинетической температуры и состояния поверхности (шероховатости, однородности, влажности, чистоты, наличия оксидной пленки и др.). Следовательно, излучательные характеристики необходимо определять или корректировать непосредственно во время термического зондирования в спектральном диапазоне конкретного измерительного прибора. Это требует, в свою очередь, усовершенствования известных и разработки новых методов учета и коррекции излучательных характеристик поверхностей.

Целью диссертационной работы является разработка методики и аппаратуры многоспектральной коррекции излучатель ных характеристик поверхностей. Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

— провести сравнительный анализ известных методов учета и внесения поправок на излучательную способность поверхности;

— исследовать влияние неопределенности коэффициента излучения на погрешность восстановления кинетической температуры исследуемой поверхности;

— рассмотреть обобщенную методику использования ИК-радиометров для измерения кинетических температур естественных поверхностей с учетом фонового отражения;

— разработать бьютродейотвуюший алгоритм расчета энергии ИК-излучения в спектральном канале радиометра и выполнить расчет погрешности полиномиальной аппроксимации;

— разработать двух-к трехспектральный методы коррекции излучательных характеристик поверхностей при известном отношении коэффициентов излучения в спектральных каналах.

— рассчитать погрешности восстановления кинетической температуры и коэффициентов излучения поверхности в опектральных каналах в зависимости от величины погрешности исходных данных;

— с учетом предлагаемой методики коррекции разработать экспериментальные приборы для определения кинетических температур поверхностей по измерениям суммарного и нисходящего (фонового) ИК-излучения в 2 и 3 спектральных диапазонах;

— провести эксперименты по дистанционному определению кинетических температур и коэффициентов излучения поверхностей различных объектов в спектральных диапазонах экспериментальных приборов.

— исследовать возможность восстановления кинетических температур поверхностей, когда спектрзльная излучательная способность допускает линейную и квадратичную аппроксимации.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Произведено теоретическое обоснование методики коррекции излучательных характеристик поверхностей по измерениям в 2 и 3 спектральных диапазонах. Выполнен расчет погрешностей методов в зависимости от величины неопределенностей отношения коэффициентов излучения и фоновой облученности.

2. Разработаны теоретические основы многоспектральной коррекции излучательных характеристик поверхностей при линейной и квадратичной зависимостях спектральной излучатель-ной способности.

3. Выполнен расчет погрешности восстановления кинетической температуры поверхности при радиометрических измерениях с учетом неопределенности коэффициентов излучения и при различных облученностях поверхности фоном.

4. Исследована возможность полиномиальной аппроксимации энергии ИК-излучения в спектральных каналах, позволяющая обрабатывать результаты измерений в реальном масштабе времени. Произведена оценка погрешности и относительной скорости расчета кинетической температуры поверхности в зависимости от степени интерполяционного полинома.

Практическая ценность работы.

1. Разработана экспериментальная 2 и 3 канальная методика дистанционного и независимого определения кинетических температур и излучательных характеристик исследуемых поверхностей при известных отношениях коэффициентов излучения в спектральных каналах.

2. Созданы экспериментальные 2 и 3 канальные ЙК-радиометры для решения указанных задач.

3. Предложена экспериментальная методика определения кинетических температур и коэффициентов излучения поверхностей при линейной и квадратичной аппроксимации спектральной излучательной способности.

4. Разработана обобщенная методика использования Ж-радиометров в лабораторных и полевых условиях, а также универсальный алгоритм расчета на микро-ЭВМ кинетической температуры поверхности по результатам измерений радиационных температур поверхности и фона.

5. Предложен быстродействующий алгоритм расчета энергии ЙК-излучения в спектральных каналах и составлены программы для микро-ЭВМ, позволяющие обрабатывать результаты измерений в реальном масштабе времени и производить оптимальный выбор спектральных каналов для достижения минимальной методической погрешности.

6. Результаты проведенных исследований использовались при разработке опытной серии из 120 ЙК-радиометров, преднаэначенных для измерений кинетических температур асфальтобетонных смесей, а также ведущих валов машин при производстве бумаги.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Независимое друг от друга определение кинетических температур и коэффициентов излучения поверхностей может быть выполнено путем измерения суммарного и отраженного фонового излучения в нескольких спектральных диапазонах.

2. При усложнении алгоритма обработки сигнала ИК-радиометра возможно дистанционное определение кинетической температуры и коэффициента излучения поверхности без прямой информации о спектральной зависимости излучательных характеристик.

3. Выходные параметры многоканальных Ж-радиометров, изготовленных в соответствии с разработанными методами коррекции излучательных характеристик, обеспечивают создание на их основе дистанционных измерительных систем для оперативного и точного исследования тепловых полей поверхностей естественных объектов.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав* и заключения.

— 151 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Многофункциональ ная зависимость излучательных характеристик поверхностей измеряемых объектов от условий измерения температурных полей и параметров измерительной аппаратуры привела к необходимости усовершенствования известных и разработке новых методов учета и коррекции излучательной способности.

В соответствии с целью диссертации нами были решены следующие задачи:

1. Проведен сравнительный анализ известных методов учета и внесения поправок на излучатель ную способность поверхностей, к числу которых относятся:

— метод спектрального отношения;

— методы, основанные на возведении в определенную степень, электрических сигналов, пропорциональных потокам излучения;

— методы, основанные на формировании сигнала об излучатель ной способности.

2. Исследовано влияние неопределенности предполагаемой величины коэффициента излучения на погрешность восстановления кинетической температуры измеряемой поверхности в диапазоне электромагнитного спектра 2−15 мкм. Показано, что ошибка измерения кинетических температур естественных поверхностей может достигать дТ-0.9 К при величине коэффициента излучения? -0.8 и ее неопределенности д£-0.01. Погрешность возрастает с увеличением температуры поверхности, уменьшением коэффициента излучения и зависит от интенсивности фонового излучения и энергетики спектрального канала.

3. Теоретически обоснована методика использования ИК-радиометров для измерения кинетических температур естественных поверхностей с учетом фонового отражения. Получено соотношение, позволяющее рассчитать поправки на нечерноту поверхности, учитывающее излучательные характеристики граду-ировочного устройства, измеряемой поверхности и радиационную температуру фона при градуировке прибора.

4. Разработаны двух — и трехспектральные методы коррекции излучательной способности поверхности при известном отношении коэффициентов излучения в рабочих спектральных каналах, находящихся в Ж-диапазоне 2−15 мкм. Методы основаны на одновременном измерении суммарного теплового излучения исследуемой поверхности и нисходящего излучения фона.

5. Рассчитаны погрешности восстановления кинетической температуры и коэффициентов излучения в зависимости от неопределенности исходных данных по двух — и трехспектральным методам. Так, общая погрешность методов при использовании ИК-радиометров с чувствительностью 0.1−0.2 К составляет 0.2−0.8 К. Это дает возможность определять коэффициенты излучения с точностью до 0.01−0.04 при разности температур поверхности и фона # 25 К.

6. Исследована возможность определения кинетических температур поверхностей, когда спектральная излучатель ная способность допускает линейную (трехспектральный метод) и квадратичную (четырехспектральный метод) аппроксимации. Относительная погрешность линейной аппроксимации излучатель-ной способности для типовых естественных поверхностей (вода, глина, грунт, галька, трава, песок, листья) не превышает 3−8%,.

— 153 что приводит к погрешности восстановления кинетической температуры 0.4−0.5 К.

7. Предложен алгоритм расчета энергии излучения в рабочих спектральных каналах, основанный на полиномиальной аппроксимации и позволяющий производить вычисления в реальном масштабе времени. При ширине канала 3−4 мкм и точности 0.01 К скорость вычислений повышается в 20−40 раз.

8. Разработаны и изготовлены экспериментальные двухи трехканальные ИК-радиометры для работы в диапазоне 2−15 мкм с чувствительностью 0.1−0.2 К и постоянной времени 0.2−0.3 с.

9. Обоснована методика градуировки ИК-радиометров с учетом влияний фонового излучения. Получена формула, учитывающая излучательную способность градуировочного устройства, радиационную температуру окружающего фона и позволяющая привести градуировку прибора по эталону к градуировке по АЧТ.

10. Проведены эксперименты по дистанционному определению кинетических температур и коэффициентов излучения поверхностей различных объектов в диапазоне 2−15 мкм.

11. Предложена методика обработки результатов измерений, производящая цензурирование выборок и исключение промахов, обусловленных противоположными по знаку ошибками измерений радиационных температур в спектральных каналах приборов. Расчетные погрешности средних выборочных значений коэффициентов излучения и температур не превышают 0.012 и 0.23 К соответственно.

12. Результаты экспериментального определения коэффициентов излучения исследованных поверхностей соответствуют данным, полученным другими авторами, что подтверждает правильность теоретических предпосылок, положенных в основу работы.