Введение к работе
Актуальность темы. Термическое дистанционное вондировшии поверхностей для исследования тепловых полей объектов является одним на перспективных направлений науки, тэхпгаш и других of ер деятельности человека.
По сравнении с традицшнныш контактными методами дистанционные неконтактные методы ИК-радиометрии гаеют ряд преимуществ, таких как:
-возможность оперативного сбора информации о 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 составляем около 0.7 К, что накладывает некоторые ограничения на более широкое использование приборов и методов КК-радиометрии.
Точность решения задач термического зондирования зависит ст точности, с ісоторой известны излучательные характеристики иссле-дуемых объектов, а также от влияния промежуточного слоя атмосферы (для приборов, устанавливаемых на авиационных носителях).
Особенностью излучательных характеристик яеляєтся 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, излучательвне характеристики необходимо определять иди корректировать непосредственно во время термического зондирования в спектральном диапазоне конкретного измерительного прибора. Это требует, в свою очередь, усовершенствования известішх и разработки новых методов учета и коррекции излучательных характеристик поверхностей.
Целью диссертационной работы является разработка методики и аппаратуры многоспектральной коррекции излучательных характеристик поверхностей. .Для достижения указанной цели были поставлены оледующие задачи:
-провести сравнительный анализ известных методов учета и
- g -
внесения поправок на излучательную способность поверхностей;
-исследовать влияние неопределенности коэффициента излучения на погрешность восстановления кинетической температуры исследуемой поверхности;
-рассмотреть обобщенную методику использования ИК-рздиомет-ров для измерения кинетических температур естественных поверхностей с учетом фонового отражения;
-разработать быстродействующий алгоритм расчета энергии ЮС-излучения в спектральном канале радиометра и выполнить расчет шгрескости полиномиальной аппроксимации;
-разработать двух-и трехспектральный методы коррекции излу-чательиых характеристик поверхностей при известном отношении ко-Еффициеитоз излучения в спектрзльных каналах.
-рассчитать погрешности восстановления кинетической температуры и коэффициентов излучения поверхности в спектральных 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) ЯК-излучения в 2 и 3 спектральных диапазонах;
-провести эксперименты по дистанционному определению кинетических температур И коэффициентов излучении поверхностей различных объектов в спектральных диапазонах экспериментальных приборов.
-исследовать возможность еосстановления кинетических температур поверхностей, когда спектральная излучателькая способность допускает линейную и квадратичную аппроксимации.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнялись с использованием методов математического моделирования оп-.тико-электронных систем, математического и регрессионного анализа, численных методов расчета с применением ЭВМ и пакета прикладных программ, в том числе, MATHCAD.
Экспериментальные исследования выполнялись при помощи мна-гоканалъньж ЙК-рздиометров в спектральном. диапазоне 2-15 мкм. Градуировка приборов учитывала коэффициент излучения градуиро-вочного устройства и радиационную температуру фона. Статистическая обработка результатов измерений производилась на основе методов теории вероятностей, математической статистики и включала цензурирование выборок и исключение промахов в соответствии с
- з -критерием Романовского.
Научная новизна работы состоит в следуемы.
-
Произведено теоретическое обоснование методики коррекции излучательных характеристик поверхностей по измерениям в 2 а 3 спектральных диапазонах. Выполнен расчет погрешностей методов в зависимости от величины неопределенностей отношения коэффициентов излучения и фоновой облученности.
-
Разработаны теоретические основы многоспектральной коррекции излучатедьных характеристик поверхностей при линейной и квадратичной зависимостях спектральной излучателькой способности.
-
Выполнен расчет погреиности восстановления кинетической температуры поверхности при радиометрических измерениях с учетом неопределенности коэффициентов излучения и при различных оЗлу-чеиностях поверхности фоном.
-
Исследована возможность полиномиальной аппроксимации энергии Ж-излучения в спектральных каналах, позволяющая обраба-тывать результаты иамерениіі в реальном маесхабе времени. Произведена оценка погрешности и относительной скорости расчета кинетической температуры поверхности в зависимости ст степени интерполяционного полинома.
Практическая ценность работы.
-
Разработана экспериментальная 2 и 3 канальная методика дистанционного и независимого определения «синетических температур и излучательньи характеристик исследуемых поверхностей при известных отношениях коэффициентов излучения б спектральных каналах.
-
Созданы экспериментальные 2 и 3 канальные ИК-радиометры' для решения указанных задач.
-
Предложена экспериментальная и&тоднка определения кинетических температур и коэффициентов излучения поверхностей при линейной и квадратичной аппроксимации спектральной излучзтельной способности.
-
Разработана обобщенная методика использования ИК-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.
-
Предложен быстродействулдай алгоритм расчета энергии
- 4 -КК-излучения в спектральных каналах и составлены программы для микро-ЭВМ, позволяющие обрабатывать результаты измерений в ре-с:Л1-ном масштабе времени и производить .оптимальный выбор спектральных каналов для достижения минимальной методической погрешности.
6. Результаты проведенных исследований использовались при разработке опытной серии иа 120 ИК-радиометров, предназначенных для измерений кинетических температур асфальтобетонных смесей, а Т..КАЄ ведущих валов маши при производстве бумаги.
Научные положения, выносимые на защиту.
-
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.
-
При усложнении алгоритма обработки сигнала ИК-радиометра возможно дистанционное определение кинетической температуры и гаэффициентэ излучения поверхности без прямой информации о спектральной еависимости излучательных характеристик.
-
Выходные параметры многоканальных ИК-радиометров, изготовленных в соответствии с разработанными методами коррекции иа-лучател-ьных характеристик, обеспечивают возможность создания нз их основе дистанционных измерительных систем для оперативного И точного исследования тепловых полей поверхностей естественных объектов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях профессорско - преподавательского состава СПбГЭТУ имени В.И.Ульяновз(Ленинз) (1991-1993 г.г.,СПб),на научных семинарах НИИ РЭО ПЧС-"Прогноз"(1993-1995 г.г.,СПб),а'также на научных конферэнциях"Критерии экологической безопасности"(1994г,СПб) «"Приборостроение в экологии и безопасности человека"(IEHS'96).-- СПб.,1996 Г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них тезисы 4 докладов и а статей.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глаз с выводами, закличения, списка литературы, включающего SO наименований. Основная часть работы изложена на 123 листах машинописного текста. Работа содержит 49 рисунков и 13 таблиц.
