极端高温环境下的光感测温方法与流程

本发明涉及一种极端高温环境下的光感测温方法，属于能源供应监控。

背景技术：

1、在航空航天热防护材料考核、高能激光辐照效应评估以及核聚变装置面对壁监测等场景中，通常需要测量被测目标在高能粒子流或强激光载荷作用下的热响应，现有技术常采用主动调制辐射测温方法，并结合锁相放大技术进行信号处理，其基本思路是利用外部辐射源使目标表面产生周期性温度波动，由于热惯性的存在，本征热辐射分量相对于调制信号会产生时间延迟，而反射辐射分量则具有即时响应特性，因此，现有技术通过分析两类信号的相位差，将存在相位滞后的本征热辐射分量与同相的反射辐射分量分开，从而提取用于表征被测目标温度的本征热辐射信号。

2、现有方法虽然建立在锁相放大测量基础上，但在工程应用中通常仍以静态或准静态热平衡为前提，对极端非稳态热流冲击的适应能力有限，例如，公开号为cn105784333a的中国发明专利申请公开了一种红外窗口高温光谱发射率测量方法及装置，该方法通过调制式红外辐射源和积分球系统提高信号检测的信噪比，但需要利用透射加热炉和反射加热炉将待测样品稳定在预设温度点，再根据热平衡状态下的能量守恒关系反演计算发射率，此类方法主要适用于离线或稳态测量，并要求被测目标的物理化学性质在测量期间保持不变，当材料在极短时间内发生剧烈氧化、相变或烧蚀时，其辐射特性会快速变化，现有方法难以及时反映这种变化，也无法在毫秒级快速时变的热防护材料试验中实时分离动态干扰，在极端高温非稳态条件下，被测目标表面可能持续发生氧化、相变或烧蚀后退，其热扩散率、比热容和光谱发射率会随温度和时间发生剧烈的非线性变化，此时，本征热辐射分量相对于调制信号的相位滞后不再保持恒定，而会随着材料瞬时热物性参数的变化而改变，预先设定的相位参考基准也难以与实际热响应状态保持对应。

3、因此，在不依赖材料先验热物性参数的情况下，如何在目标表面物理状态剧烈变化的过程中实时确定反射基准，并准确扣除反射干扰，仍是极端高温辐射测温中需要解决的问题。

技术实现思路

1、为解决背景技术中提出的问题，本发明的技术方案如下：一种极端高温环境下的光感测温方法，包括以下步骤：

2、步骤100，对投射至被测目标的外部辐射源的输出功率施加周期性调制，将周期性调制的频率设定为大于被测目标的热响应截止频率，以建立一个使被测目标表面的温度波动幅度低于光电探测系统检测灵敏度阈值的热响应截止状态；

3、步骤200，利用光电探测系统接收来自被测目标表面的复合辐射信号，复合辐射信号在时域上包含表征被测目标温度的本征热辐射分量，以及随周期性调制频率同步波动的反射辐射分量；

4、步骤300，对复合辐射信号执行基于周期性调制频率的同步解调处理，提取复合辐射信号在周期性调制频率处的交流幅值，并将该交流幅值界定为仅由表面反射特性决定的表面反射干扰信号；

5、步骤400，依据表面反射干扰信号及预先标定的频间响应转换系数，计算主测温频段内的反射分量估值，并从复合辐射信号的直流基带分量或主测温频点分量中减去反射分量估值，获得本征热辐射信号并计算被测目标的温度值。

6、优选的，步骤100中设定周期性调制的频率的过程包括：获取被测目标材料的热扩散率参数及受热光斑的特征尺寸参数；基于非稳态热传导模型，计算被测目标在受热光斑区域内的热弛豫时间常数；将周期性调制的频率设定为数值上大于热弛豫时间常数倒数的10倍，使在周期性调制的单个周期内，被测目标受热区域的热积聚量不引起光电探测系统可分辨的温度变化。

7、优选的，步骤200中接收复合辐射信号的过程还包括执行线性度维持步骤：实时检测光电探测系统输出信号中的直流电平值；当直流电平值超过预设的线性区阈值时，生成反向偏置电流注入光电探测系统的前置放大电路，或者降低光电探测系统的光电增益；通过线性度维持步骤，将光电探测系统的响应工作点钳位在光电转换特性的线性区间内。

8、优选的，步骤400中获得本征热辐射信号的过程是基于以下数学关系式执行运算：，其中，为计算得到的本征热辐射信号；为在主测温频率处解调获得的包含热辐射与反射辐射的混合信号；为在周期性调制频率处解调获得的表面反射干扰信号；k为预先标定的光电探测系统在与两个频率下的光谱响应率比值系数。

9、优选的，方法还包括对被测目标表面发射率的修正步骤：利用步骤300中提取的表面反射干扰信号，计算被测目标在当前时刻的光学反射系数；基于不透明物体的辐射守恒关系，利用光学反射系数计算对应的光谱发射率；将光谱发射率作为变量代入步骤400的温度计算过程，对因被测目标表面氧化、烧蚀或相变引起的辐射特性漂移进行补偿。

10、优选的，外部辐射源为激光加热器，步骤100具体包括：在激光加热器的驱动电流信号上叠加高频正弦波信号或高频方波信号，使激光加热器发出的激光束光强按周期性调制频率波动，利用激光束同时作为加热能源和探测反射特性的探针信号源。

11、优选的，步骤300具体包括：采用双通道锁相放大技术处理复合辐射信号；利用第一锁相通道锁定周期性调制频率，提取表面反射干扰信号的幅值和相位；利用第二锁相通道锁定直流电平或独立于周期性调制频率的低频斩波频率，提取包含本征热辐射分量的混合信号。

12、优选的，光谱响应率比值系数k的获取步骤包括：在环境温度恒定且无外部热源加热的条件下，将一标准高反射率参考体置于被测目标的位置；启动周期性调制，分别测量在周期性调制频率和主测温频率下的探测器响应信号幅值；计算两个频率下响应信号幅值的比值，并将该比值存储为光谱响应率比值系数k。

13、优选的，方法还包括基于相位延迟的有效性判定步骤：获取步骤300中解调得到的表面反射干扰信号相对于周期性调制的相位延迟值；将相位延迟值与预设的光路飞行时间延迟基准进行比较；若相位延迟值与光路飞行时间延迟基准的偏差绝对值小于预设的相位容差阈值，则判定当前满足热响应截止状态，允许执行步骤400；若相位延迟值与光路飞行时间延迟基准的偏差绝对值大于相位容差阈值，则判定被测目标表面产生了跟随温度波动，并调高步骤100中的周期性调制的频率。

14、优选的，方法还包括数据置信度加权步骤：计算步骤400中获得的本征热辐射信号的信噪比；计算表面反射干扰信号在复合辐射信号总能量中的占比；当信噪比低于预设信噪比阈值，或占比高于预设干扰阈值时，降低当前计算出的温度值的输出权重，并结合相邻时间步长的温度测量值或多波长比色测温结果进行加权平滑处理。

15、相比于现有技术，本发明的有益效果是：

16、1、本发明通过使周期性调制频率高于被测目标的热响应截止频率，可使该频率处的温度波动低于光电探测系统检测灵敏度阈值，因此，在周期性调制频率处提取的交流信号可作为表面反射干扰信号，为计算反射分量估值提供实时依据，该方式无需阻断测量光路，也无需增加分光设备，即可随光路透过率和被测目标表面反射特性的变化更新反射基准，减少反射辐射分量与本征热辐射分量相互混入造成的测温偏差，提高强辐射背景下反射干扰扣除的准确性。

17、2、本发明当被测目标发生氧化、烧蚀或相变，导致光谱发射率、热扩散率等参数发生变化时，表面反射干扰信号能够随表面反射特性的变化同步更新，利用预先标定的频间响应转换关系，将该信号换算为主测温频段内的反射分量估值，并用于修正光谱发射率，可减小固定热物性参数失效对温度计算的影响，使温度计算更多依据实时获得的本征热辐射信号，由此，可在被测目标表面状态快速变化的过程中持续跟踪温度变化，避免因预设参数与实际状态不符而导致温度计算结果失稳。

18、3、本发明通过线性度维持步骤，根据光电探测系统输出信号的直流电平值注入反向偏置电流或者降低光电增益，可将光电探测系统的响应工作点保持在光电转换特性的线性区间内，当背景辐射强度变化并引起直流电平漂移时，该方式能够降低光电探测器及前置放大电路发生饱和的风险，避免交流信号被截断或产生非线性失真，使叠加在强背景辐射中的微弱调制信号仍能被完整接收和解调，从而提高光电探测系统在较大辐射强度变化范围内的测量稳定性。