一种多波长移动窄带窗口寻优光谱测温方法

技术领域

本发明属于热辐射温度检测领域，是一种多波长移动窄带窗口寻优光谱测温方法。

背景技术

作为非接触式测温方式的一种，光谱测温因为设备结构的紧凑性和原位在线测量的优势在高温检测领域得到了广泛应用。光谱测温通常可分为单波长、双波长和多波长等。单波长光谱测温需要在一个特定的波长下计算热辐射对象的温度，计算过程需要已知热辐射对象在该波长下的光谱发射率。双波长和多波长光谱测温无需已知光谱发射率，但需要热辐射对象的光谱发射率分布特性。文献中通常在双波长光谱测温时采用灰性假设，在多波长光谱测温时采用多项式函数发射率模型或其他经验发射率模型，能够在光谱发射率未知的情况下检测出热辐射对象的温度。

在多波长光谱测温过程中，对热辐射对象的光谱发射率分布特性估计的偏差将影响到测温的准确性。热辐射对象的发射率分布特性会随着材料种类、表面粗糙度、理化结构、厚度、相态、温度的变化而变化，单一的函数模型无法准确描述热辐射对象在不同状态下的发射率分布特性。因此，亟需开发一种不依赖发射率分布特性估计的光谱测温方法，以提高光谱测温在针对不同热辐射对象时的通用性、准确性和抗噪性。

发明内容

本发明要解决的问题是：克服现有技术的缺点，提出一种多波长移动窄带窗口寻优光谱测温方法，其通过光谱仪采集热辐射对象的连续光谱，通过对热辐射对象的光谱进行降噪、窗口化和标准化，在适当的窄带窗口内遍历整个检测波长范围，通过与对应黑体辐射光谱的对比，在不依赖发射率模型估计的情况下以较高的准确性计算出热辐射对象的温度和发射率分布，并具有较高的通用性和抗噪性。

一种多波长移动窄带窗口寻优光谱测温方法，包括以下步骤：

(1)光谱仪采集热辐射对象的连续光谱信号；

(2)采用黑体炉作为标准辐射源，对光谱仪进行辐射标定，采集待测热辐射对象每个波长下的相对光谱辐射强度，计算出对应的原始光谱辐射强度；

(3)对光谱辐射强度进行降噪、窗口化和标准化处理；

(4)计算热辐射对象的温度和发射率。

所述步骤(1)中，采集到的相对光谱辐射强度I

式中，ADC为光谱仪采集到的电信号，τ为采集时设定的曝光时间，λ

黑体炉发射率取为1，光谱仪采集黑体炉在不同温度下的相对光谱辐射强度I

式中，T

黑体炉在设定温度T

所述步骤(2)中，计算出对应的原始光谱辐射强度的方法是，将光谱辐射强度I和相对光谱辐射强度I

式中，p为多项式阶数；对于同一信号通道，将不同温度下的黑体炉光谱辐射强度I

所述步骤(3)中，所述降噪的方法是，采用加权线性最小二乘和一次多项式模型进行局部回归的方式降噪，经过降噪跨度为s的降噪处理后的光谱辐射强度I

R

降噪跨度s的取值参考残差R

ΔR

降噪跨度s的取值应满足ΔR

I(i)＝[I(λ

所述窗口化的方法是，在测量其他热辐射对象时，以第i个信号通道为起点，包含w+1个信号通道的窄带窗口的带宽W

式中，Δλ

在第i个窄带窗口内，光谱仪采集到的光谱辐射强度可以用矩阵形式表示为：

I

在测量其他热辐射对象时，以第i个信号通道为起点，包含w+1个信号通道的窄带窗口的带宽W

式中，Δλ

在第i个窄带窗口内，光谱仪采集到的光谱辐射强度可以用矩阵形式表示为：

I

所述的标准化的方法是

经过标准化处理的热辐射对象的光谱辐射强度矩阵为：

I′

所述步骤(4)具体为，对黑体炉在每个温度下的光谱辐射强度进行窗口化和标准化，得：

定义指标R(j)为温度为T

当残差R(j)最小时对应的黑体炉温度T

式中λ

所述步骤(1)中采集过程中曝光时间τ的取值保证光谱仪各个信号通道采集到的电信号ADC具有高的信噪比且不过曝。

有益效果：

(1)本发明中对热辐射对象的光谱的降噪方法可以兼顾平滑性与信号质量；

(2)本发明通过对热辐射对象的光谱进行降噪、窗口化和标准化处理，在与对应光谱窗口中不同温度下的经过窗口化和标准化的黑体辐射光谱对比后，在不依赖发射率模型估计的情况下以较高的准确性计算出热辐射对象的温度和发射率分布，并具有较高的通用性和抗噪性；

(3)本发明基于热辐射对象的自辐射光谱进行温度测量，可以实现原位实时测量，属于非接触式测温方式，不会对被测对象造成干扰，发射率计算结果可以进一步用于煤粉浓度的计算和图像测温的辐射修修正。

附图说明

图1是3个温度下的黑体辐射光谱。

图2是6种不同的光谱发射率分布。

图3是构造的目标光谱。

图4是构造的目标光谱的温度计算结果。

图5是某锅炉330MW负荷下炉膛燃烧区煤粉火焰光谱。

图6是某锅炉330MW负荷下炉膛燃烧区煤粉火焰温度检测结果。

图7是某锅炉330MW负荷下炉膛燃烧区煤粉火焰光谱发射率分布。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步解释。

1.光谱仪采集热辐射对象的光谱信号

光谱仪采集热辐射对象的连续光谱，采集到的相对光谱辐射强度I

式中，ADC为光谱仪采集到的电信号，τ为采集时设定的曝光时间，λ

2.对光谱仪进行辐射标定

测温计算需要用标准辐射源对光谱仪进行辐射标定，本发明采用黑体炉作为标准辐射源，黑体炉发射率取为1。光谱仪采集黑体炉在不同温度下的相对光谱辐射强度I

式中，T

根据普朗克定律，黑体炉在设定温度T

光谱辐射强度I和相对光谱辐射强度I

式中，p为多项式阶数；对于同一信号通道，将不同温度下的黑体炉光谱辐射强度I

3.对光谱辐射强度进行降噪、窗口化和标准化处理

1)采用加权线性最小二乘和一次多项式模型进行局部回归的方式降噪，经过降噪跨度为s的降噪处理后的光谱辐射强度I

R

降噪跨度s的取值参考残差R

ΔR

降噪跨度s的取值应满足ΔR

I(i)＝[I(λ

2)为了消除发射率的影响，在进行光谱测温时需要对热辐射对象的光谱辐射强度在窄带窗口内进行窗口化和标准化处理。

在测量其他热辐射对象时，以第i个信号通道为起点，包含w+1个信号通道的窄带窗口的带宽W

式中，Δλ

在第i个窄带窗口内，光谱仪采集到的光谱辐射强度可以用矩阵形式表示为：

I

3)对热辐射对象的光谱辐射强度在窄带窗口内进行标准化处理：

经过标准化处理的热辐射对象的光谱辐射强度矩阵为：

I′

4.计算热辐射对象的温度和发射率

对黑体炉在每个温度下的光谱辐射强度也进行窗口化和标准化，可得：

定义指标R(j)为温度为T

当残差R(j)最小时对应的黑体炉温度T

5.不确定性分析

本实施例中，首先通过对构造光谱的温度检测，检验本发明中提出的多波长移动窄带窗口寻优光谱测温方法的通用性、准确性以及抗噪性。具体步骤如下：

1)利用式(3)普朗克定律构造了某型光谱仪(光谱分辨率约为0.584nm)在0.5-0.7μm波长下1300、1500、1700K对应的黑体光谱辐射强度，如图1所示。

2)假设了对应波长范围内6种不同的光谱发射率，如图2所示。

3)将6种不同的光谱发射率与图1中3个温度下的黑体辐射光谱分别相乘后得到3个温度下共18条目标光谱。为了验证算法的抗噪性，进一步分100次对目标光谱添加30dB的随机噪声，得到带有噪声的目标光谱如图3所示。采用本发明中的降噪方法，对图3中的目标光谱进行降噪后得到经过降噪的目标光谱如图3所示。

4)利用本发明中提出的多波长移动窄带窗口寻优光谱测温算法计算出目标光谱的温度计算结果均值和误差棒，如图4所示，计算过程中窄带窗口带宽约为16.936nm。从图4中可以看出，本发明提出的多波长移动窄带窗口寻优光谱测温算法能够处理具有不同发射率分布特性的光谱，通用性良好。在构造光谱的发射率分布变化梯度较大、信噪比较低的情况下，最大检测误差不超过5％，准确性和抗噪性俱佳。

6.实际炉膛燃烧器区域煤粉火焰燃烧温度测量

利用不确定性分析中相同型号的光谱仪采集的某锅炉330MW负荷下炉膛燃烧区30s内的煤粉火焰光谱如图5所示。利用本发明提出的移动窄带窗口寻优测温算法，首先对煤粉火焰的光谱进行降噪，得到降噪后的煤粉火焰光谱如图5所示，随后对降噪后的煤粉火焰光谱进行窗口化和标准化处理，在与对应光谱窗口中不同温度下的经过窗口化和标准化的黑体辐射光谱对比后，得到30s内的煤粉火焰燃烧温度如图6所示，均值为1717K，即1444℃。炉膛燃烧区的煤粉火焰温度通常在1500℃左右，本实施例中的温度检测结果符合常理。得到煤粉火焰温度后，根据式14可以计算出对应的不同时刻下的光谱发射率分布，如图7所示，可以看出，燃烧区的煤粉火焰光谱发射率在0.5-0.7μm波长下随着波长增加先降低后升高，均值在0.15左右。