基于光谱识别的多光谱测温技术研究

发布时间：2017-10-03 01:22

  本文关键词：基于光谱识别的多光谱测温技术研究

  更多相关文章： 多光谱测温 发射率模型 光谱识别 最小二乘支持向量机 多光谱测温系统

【摘要】：温度是热力学、物理、材料、冶金等学科中重要的技术参数。随着航空和航天等尖端技术的不断发展和工业生产过程检测与控制水平的不断提高,对温度的测量手段和测量精度提出了更高、更迫切的要求。多光谱测温方法通过测量目标在某一时刻多个光谱的辐射亮度求解目标真温,具有快速、非接触和测温上限高的优点,对推动航空、航天、国防和工业等领域的发展具有重要的经济和社会意义。现有多光谱测温方法波长数量少,对目标的发射率特性描述不够全面,不识别发射率模型,导致对未训练样本的温度计算误差较大,通用性受到限制。研究一种识别发射率模型的测温方法,提高温度测量精度,扩展多光谱测温方法应用范围是亟需解决的重要科学问题。现有多光谱测温方法缺乏对具有复杂发射率特性的特殊目标的温度测量,是一个亟需解决的重要科学问题。针对现有多光谱测温装置存在测温下限高、波长数量较少、通用性受限的问题,研制中红外波段、波长数量多和适用于多种目标的多光谱测温系统是另一个亟待解决的技术问题。课题“基于光谱识别的多光谱测温技术研究”针对多光谱测温技术中发射率模型建立与识别、特殊目标的温度测量和多光谱测温装置等关键问题开展研究工作,主要研究内容如下:(1)提出基于光谱识别的多光谱测温方法。针对基于学习的多光谱测温方法不识别发射率模型、对未训练样本的温度计算误差较大的问题,实际测试多种目标在宽光谱、多波长下的光谱辐射特性,将基于五类发射率模型的光谱辐射亮度作为研究对象。利用主成分分析方法提取光谱幅度特征和形状特征,构建训练样本,采用基于最小二乘支持向量机的识别方法实现目标发射率模型的识别。建立基于波长优化的多光谱测温模型,采用自适应模拟退火算法求解目标真温。实验表明,该方法的温度计算误差为0.69%,提高了多光谱测温方法的通用性。(2)提出基于光谱识别的特殊目标测温方法。针对现有多光谱测温方法缺乏对具有复杂发射率特性的特殊目标测温方法研究的问题,在分析特殊目标光谱辐射特性的基础上建立了分段函数发射率模型。采用小波分析方法检测并剔除光谱中的吸收带和脉冲干扰,检测光谱奇异点,对目标光谱进行预分类和分段,对每段光谱采用基于最小二乘支持向量机的识别方法,识别分段光谱的发射率模型。建立分段函数多光谱测温模型,采用自适应模拟退火算法求解目标真温。实验表明,基于光谱识别的特殊目标测温方法的温度计算误差为0.68%,解决了特殊目标的温度测量问题。(3)研制中红外多光谱测温系统。针对现有多光谱测温装置波长数量较少、测温下限较高和实用性受限的问题,采用光栅分光结构,将波长数量扩展至256个。采用在中红外波段响应率较高、无需制冷的硒化铅探测器,将光谱范围从近红外波段扩展到2.5-5μm的中红外波段,测温下限达到500℃,在不需液氮制冷的情况下降低了测温下限,提高系统的实用性。采用上位机和下位机相结合的方式,提高系统的便携性。研究探测器零点校正方法。研制温度范围为500-1300℃的试样加热装置。提出基于连续光谱光源的单色仪标定方法。测量了实际目标的温度,估计了温度测量结果的扩展不确定度为2.64%。
【关键词】：多光谱测温 发射率模型 光谱识别 最小二乘支持向量机 多光谱测温系统
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH811
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第1章 绪论14-30
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义14-15
• 1.2 温度测量方法综述15-19
• 1.2.1 测温方法分类15-16
• 1.2.2 辐射测温方法16-19
• 1.3 多光谱测温方法综述19-23
• 1.4 多光谱测温装置综述23-27
• 1.5 本领域存在的主要问题27-28
• 1.6 本文的主要研究内容28-30
• 第2章 基于光谱识别的多光谱测温方法研究30-65
• 2.1 引言30
• 2.2 多光谱测温理论基础30-33
• 2.2.1 黑体辐射理论30-32
• 2.2.2 发射率理论32-33
• 2.3 目标光谱辐射特性研究33-44
• 2.3.1 光谱发射率测量装置33-35
• 2.3.2 目标发射率测试与分析35-44
• 2.3.3 目标发射率模型建立44
• 2.4 基于光谱识别的多光谱测温方法44-56
• 2.4.1 光谱获取及预处理47-48
• 2.4.2 基于主成分分析的光谱幅度和形状特征提取方法48-51
• 2.4.3 基于最小二乘支持向量机的光谱识别方法51-53
• 2.4.4 基于波长优化的多光谱测温模型与求解方法53-55
• 2.4.5 基于光谱识别的多光谱测温方法流程55-56
• 2.5 仿真实验56-64
• 2.5.1 目标光谱识别实验56-58
• 2.5.2 基于光谱识别的多光谱测温实验58-61
• 2.5.3 与其它多光谱测温方法对比实验61-64
• 2.6 本章小结64-65
• 第3章 特殊目标测温方法研究65-84
• 3.1 引言65
• 3.2 特殊目标光谱辐射特性研究65-69
• 3.2.1 特殊目标光谱辐射特性分析65-67
• 3.2.2 分段函数发射率模型建立67-69
• 3.3 基于光谱识别的特殊目标测温方法69-72
• 3.3.1 基于SPD-LSSVM的特殊目标识别方法69-71
• 3.3.2 分段函数多光谱测温模型71-72
• 3.4 仿真实验72-83
• 3.4.1 特殊目标光谱获取72-74
• 3.4.2 特殊目标光谱识别实验74-82
• 3.4.3 特殊目标测温实验82-83
• 3.5 本章小结83-84
• 第4章 中红外多光谱测温系统研制84-98
• 4.1 引言84
• 4.2 系统总体设计84-86
• 4.2.1 技术指标84
• 4.2.2 系统原理84-85
• 4.2.3 总体设计85-86
• 4.3 测温系统研制86-94
• 4.3.1 分光系统设计86-89
• 4.3.2 探测器设计89
• 4.3.3 上位机和下位机设计89-90
• 4.3.4 系统零点校正方法90-92
• 4.3.5 系统控制设计92-94
• 4.4 试样加热装置设计94-96
• 4.4.1 加热炉设计94-95
• 4.4.2 温控系统设计95-96
• 4.5 本章小结96-98
• 第5章 实验及不确定度分析98-114
• 5.1 引言98
• 5.2 基于连续光谱光源的单色仪标定方法98-101
• 5.2.1 单色仪标定方法98-99
• 5.2.2 单色仪标定实验99-101
• 5.3 测温系统标定实验101-105
• 5.3.1 波长标定101-103
• 5.3.2 响应函数标定103-105
• 5.4 多光谱测温实验105-111
• 5.4.1 实际目标测温实验105-110
• 5.4.2 系统重复性实验110
• 5.4.3 与标准高温计对比实验110-111
• 5.5 不确定度分析111-113
• 5.5.1 试样表面温度的不确定度111-112
• 5.5.2 光谱测量的不确定度112-113
• 5.5.3 波长标定的不确定度113
• 5.5.4 合成不确定度及扩展不确定度113
• 5.6 本章小结113-114
• 结论114-116
• 参考文献116-126
• 攻读学位期间发表的学术论文与其他成果126-128
• 致谢128-129
• 个人简历129

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本文编号：962370