具有同步数据采集系统的多点多波长高温计的研制

引言

多波长技术[1～3]是辐射测温领域的重要研究内容,它不需要辅助手段就可能获得目标的发射率和真温,具有其他发射率补偿技术无可比拟的优点.将多波长技术用于固体火箭发动机羽焰这类对象的温度测量时,除了真温外,还需要了解沿发动机轴向和径向的温度.而现有的辐射测温仪表都只能对目标进行单点测量;如果借助于一定的扫描装置或同时使用多台仪器,虽然可以达到多点测量的目标,但是对于象火焰这样的特殊目标,用上述方法无法确定其测点之间的空间关系,且固体火箭羽焰温度变化剧烈,很难实现目标温度分布和多波长算法所必需的高精度、高时间分辨率的同步测量.

为解决固体火箭发动机羽焰温度分布测量上的困难,我们研制一种能同时测量一定空间分布的6个点,每个点具有8个工作波段的多点多波长高温计.这是哈工大与罗马大学合作研制的多波长高温计[4]的最新技术,和其原型一样,仪器使用组合棱镜展开目标热辐射0.5～1.0μm间的光谱,同时仪器首次尝试在主光路中使用离轴设计,实现同一台仪器的空间分布的6点测量,并应用同步数据采集技术以满足多光谱测温技术对所有波段热辐射通量对应同一时刻真温的要求.

1　光学设计

多点多波长高温计的基本光学设计如图1.为了应用上述光学系统测量目标平面均匀分布6点的一定空间立体角的热辐射,需要使用离轴光路系统,而不是原来使用的近轴光路设计.光阑透镜(FSL)位于准直透镜(L2)的焦平面上,光阑透镜上的6个小孔分别对应着空间均匀分布的6个目标点,设计保证在6m的标准测量距离下,6个4mm×4mm目标点的热辐射光谱精确成像在探测器的有效感光面上.计算的探测器感光面的空间位置关系见表1.标准距离下目标点的空间位置关系见图2.

从图1和表1可以看出,目标点光谱像的位置,即探测器有效感光面最佳位置不是很好的平面,而具有一定的弯曲.我们使用S13336-18BK型硅光电二极管(日本,HAMAMASHU)而不是光电二极管阵列,这样虽然在相同尺寸展开光谱宽度上可安放探测器的数目(即波长数)减少了,但却可以调节单个探测器的位置以获得最佳像质.

瞄准系统的分划板位于光阑透镜共轭位置,如图1中A-A方向,分划板刻线的交点和光阑透镜小孔的空间位置尺寸相同,光阑透镜小孔开口尺寸为标准目标(4×11mm2)尺寸的1/10.反射镜(M1)在测量和瞄准时有不同的位置:转动反射镜(M1)至45°位置,调节物镜,当目标点的像与瞄准系统分划板刻线交点重合时,目标点的一定空间立体角内的热辐射将通过光阑小孔达到探测器的感光面;精确瞄准后,将反射镜(M1)转动至水平位置即可进行测量.