本文關(guān)鍵詞：基于光譜識別的多光譜測溫技術(shù)研究

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【摘要】：溫度是熱力學(xué)、物理、材料、冶金等學(xué)科中重要的技術(shù)參數(shù)。隨著航空和航天等尖端技術(shù)的不斷發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)過程檢測與控制水平的不斷提高,對溫度的測量手段和測量精度提出了更高、更迫切的要求。多光譜測溫方法通過測量目標(biāo)在某一時刻多個光譜的輻射亮度求解目標(biāo)真溫,具有快速、非接觸和測溫上限高的優(yōu)點,對推動航空、航天、國防和工業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的經(jīng)濟和社會意義。現(xiàn)有多光譜測溫方法波長數(shù)量少,對目標(biāo)的發(fā)射率特性描述不夠全面,不識別發(fā)射率模型,導(dǎo)致對未訓(xùn)練樣本的溫度計算誤差較大,通用性受到限制。研究一種識別發(fā)射率模型的測溫方法,提高溫度測量精度,擴展多光譜測溫方法應(yīng)用范圍是亟需解決的重要科學(xué)問題。現(xiàn)有多光譜測溫方法缺乏對具有復(fù)雜發(fā)射率特性的特殊目標(biāo)的溫度測量,是一個亟需解決的重要科學(xué)問題。針對現(xiàn)有多光譜測溫裝置存在測溫下限高、波長數(shù)量較少、通用性受限的問題,研制中紅外波段、波長數(shù)量多和適用于多種目標(biāo)的多光譜測溫系統(tǒng)是另一個亟待解決的技術(shù)問題。課題“基于光譜識別的多光譜測溫技術(shù)研究”針對多光譜測溫技術(shù)中發(fā)射率模型建立與識別、特殊目標(biāo)的溫度測量和多光譜測溫裝置等關(guān)鍵問題開展研究工作,主要研究內(nèi)容如下:(1)提出基于光譜識別的多光譜測溫方法。針對基于學(xué)習(xí)的多光譜測溫方法不識別發(fā)射率模型、對未訓(xùn)練樣本的溫度計算誤差較大的問題,實際測試多種目標(biāo)在寬光譜、多波長下的光譜輻射特性,將基于五類發(fā)射率模型的光譜輻射亮度作為研究對象。利用主成分分析方法提取光譜幅度特征和形狀特征,構(gòu)建訓(xùn)練樣本,采用基于最小二乘支持向量機的識別方法實現(xiàn)目標(biāo)發(fā)射率模型的識別。建立基于波長優(yōu)化的多光譜測溫模型,采用自適應(yīng)模擬退火算法求解目標(biāo)真溫。實驗表明,該方法的溫度計算誤差為0.69%,提高了多光譜測溫方法的通用性。(2)提出基于光譜識別的特殊目標(biāo)測溫方法。針對現(xiàn)有多光譜測溫方法缺乏對具有復(fù)雜發(fā)射率特性的特殊目標(biāo)測溫方法研究的問題,在分析特殊目標(biāo)光譜輻射特性的基礎(chǔ)上建立了分段函數(shù)發(fā)射率模型。采用小波分析方法檢測并剔除光譜中的吸收帶和脈沖干擾,檢測光譜奇異點,對目標(biāo)光譜進(jìn)行預(yù)分類和分段,對每段光譜采用基于最小二乘支持向量機的識別方法,識別分段光譜的發(fā)射率模型。建立分段函數(shù)多光譜測溫模型,采用自適應(yīng)模擬退火算法求解目標(biāo)真溫。實驗表明,基于光譜識別的特殊目標(biāo)測溫方法的溫度計算誤差為0.68%,解決了特殊目標(biāo)的溫度測量問題。(3)研制中紅外多光譜測溫系統(tǒng)。針對現(xiàn)有多光譜測溫裝置波長數(shù)量較少、測溫下限較高和實用性受限的問題,采用光柵分光結(jié)構(gòu),將波長數(shù)量擴展至256個。采用在中紅外波段響應(yīng)率較高、無需制冷的硒化鉛探測器,將光譜范圍從近紅外波段擴展到2.5-5μm的中紅外波段,測溫下限達(dá)到500℃,在不需液氮制冷的情況下降低了測溫下限,提高系統(tǒng)的實用性。采用上位機和下位機相結(jié)合的方式,提高系統(tǒng)的便攜性。研究探測器零點校正方法。研制溫度范圍為500-1300℃的試樣加熱裝置。提出基于連續(xù)光譜光源的單色儀標(biāo)定方法。測量了實際目標(biāo)的溫度,估計了溫度測量結(jié)果的擴展不確定度為2.64%。
【關(guān)鍵詞】：多光譜測溫 發(fā)射率模型 光譜識別 最小二乘支持向量機 多光譜測溫系統(tǒng)
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH811
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第1章 緒論14-30
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義14-15
• 1.2 溫度測量方法綜述15-19
• 1.2.1 測溫方法分類15-16
• 1.2.2 輻射測溫方法16-19
• 1.3 多光譜測溫方法綜述19-23
• 1.4 多光譜測溫裝置綜述23-27
• 1.5 本領(lǐng)域存在的主要問題27-28
• 1.6 本文的主要研究內(nèi)容28-30
• 第2章 基于光譜識別的多光譜測溫方法研究30-65
• 2.1 引言30
• 2.2 多光譜測溫理論基礎(chǔ)30-33
• 2.2.1 黑體輻射理論30-32
• 2.2.2 發(fā)射率理論32-33
• 2.3 目標(biāo)光譜輻射特性研究33-44
• 2.3.1 光譜發(fā)射率測量裝置33-35
• 2.3.2 目標(biāo)發(fā)射率測試與分析35-44
• 2.3.3 目標(biāo)發(fā)射率模型建立44
• 2.4 基于光譜識別的多光譜測溫方法44-56
• 2.4.1 光譜獲取及預(yù)處理47-48
• 2.4.2 基于主成分分析的光譜幅度和形狀特征提取方法48-51
• 2.4.3 基于最小二乘支持向量機的光譜識別方法51-53
• 2.4.4 基于波長優(yōu)化的多光譜測溫模型與求解方法53-55
• 2.4.5 基于光譜識別的多光譜測溫方法流程55-56
• 2.5 仿真實驗56-64
• 2.5.1 目標(biāo)光譜識別實驗56-58
• 2.5.2 基于光譜識別的多光譜測溫實驗58-61
• 2.5.3 與其它多光譜測溫方法對比實驗61-64
• 2.6 本章小結(jié)64-65
• 第3章 特殊目標(biāo)測溫方法研究65-84
• 3.1 引言65
• 3.2 特殊目標(biāo)光譜輻射特性研究65-69
• 3.2.1 特殊目標(biāo)光譜輻射特性分析65-67
• 3.2.2 分段函數(shù)發(fā)射率模型建立67-69
• 3.3 基于光譜識別的特殊目標(biāo)測溫方法69-72
• 3.3.1 基于SPD-LSSVM的特殊目標(biāo)識別方法69-71
• 3.3.2 分段函數(shù)多光譜測溫模型71-72
• 3.4 仿真實驗72-83
• 3.4.1 特殊目標(biāo)光譜獲取72-74
• 3.4.2 特殊目標(biāo)光譜識別實驗74-82
• 3.4.3 特殊目標(biāo)測溫實驗82-83
• 3.5 本章小結(jié)83-84
• 第4章 中紅外多光譜測溫系統(tǒng)研制84-98
• 4.1 引言84
• 4.2 系統(tǒng)總體設(shè)計84-86
• 4.2.1 技術(shù)指標(biāo)84
• 4.2.2 系統(tǒng)原理84-85
• 4.2.3 總體設(shè)計85-86
• 4.3 測溫系統(tǒng)研制86-94
• 4.3.1 分光系統(tǒng)設(shè)計86-89
• 4.3.2 探測器設(shè)計89
• 4.3.3 上位機和下位機設(shè)計89-90
• 4.3.4 系統(tǒng)零點校正方法90-92
• 4.3.5 系統(tǒng)控制設(shè)計92-94
• 4.4 試樣加熱裝置設(shè)計94-96
• 4.4.1 加熱爐設(shè)計94-95
• 4.4.2 溫控系統(tǒng)設(shè)計95-96
• 4.5 本章小結(jié)96-98
• 第5章 實驗及不確定度分析98-114
• 5.1 引言98
• 5.2 基于連續(xù)光譜光源的單色儀標(biāo)定方法98-101
• 5.2.1 單色儀標(biāo)定方法98-99
• 5.2.2 單色儀標(biāo)定實驗99-101
• 5.3 測溫系統(tǒng)標(biāo)定實驗101-105
• 5.3.1 波長標(biāo)定101-103
• 5.3.2 響應(yīng)函數(shù)標(biāo)定103-105
• 5.4 多光譜測溫實驗105-111
• 5.4.1 實際目標(biāo)測溫實驗105-110
• 5.4.2 系統(tǒng)重復(fù)性實驗110
• 5.4.3 與標(biāo)準(zhǔn)高溫計對比實驗110-111
• 5.5 不確定度分析111-113
• 5.5.1 試樣表面溫度的不確定度111-112
• 5.5.2 光譜測量的不確定度112-113
• 5.5.3 波長標(biāo)定的不確定度113
• 5.5.4 合成不確定度及擴展不確定度113
• 5.6 本章小結(jié)113-114
• 結(jié)論114-116
• 參考文獻(xiàn)116-126
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與其他成果126-128
• 致謝128-129
• 個人簡歷129

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本文編號：962370