[发明专利]火箭发动机羽流红外辐射温度动态测量方法

摘要

本发明公开了一种火箭发动机羽流红外辐射温度动态测量方法，解决了红外热像仪测温时由于火箭发动机羽流场的发射率不能实时获得而导致测量结果准确度较差的问题。以火箭发动机羽流场作为红外辐射源，在一定位置上布设红外热像仪和比色计对辐射温度进行测量，利用比色温度对被测目标发射率不依赖的特性，计算获得了发动机羽流场发射率与时间的关系，对红外热像仪所测得的温度分布进行实时修正，测量结果的准确度大幅度提高。本发明适用于火箭发动机在静止和模拟飞行条件下羽流场发射率的实时判定和红外辐射温度分布的准确测量，对于低特征信号武器装备的研制和应用具有重要的意义。本发明也适用于一般工业设施表面发射率的判定和红外辐射温度分布的准确测量。

主权项

1.一种火箭发动机羽流红外辐射温度动态测量方法，其特征在于步骤如下：步骤一、测量前的准备测量要求和现场布设：环境温度10℃～35℃，相对湿度30％～75％；对于静置发动机状态，测量点位于发动机羽流场中心处；对于模拟飞行状态，火箭橇轨道长度3km～9km，在发动机喷口水平中轴线上选取测量点，被试发动机经过测量点时，测量点能够处于羽流场的水平中轴线上；红外热像仪和高温比色计垂直布设于距发动机轴线5m～30m处，各探测器视场对准相应的测量点；比色温度分段线性标定：将定值过的高温黑体设置某一温度，通电预热，待温度稳定后，将高温比色计探测器视场对准黑体腔体，利用数据采集系统获得系列电压值，每一个电压值对应一个黑体温度即标准值，以比色数采电压为横坐标，黑体温度为纵坐标，得到标定曲线，可对某个实测电压所对应的温度进行分段线性标定；热像仪图像比例尺的确定：将测量点在红外热像仪上进行位置标注并记录像素，测量1m钢尺所占像素数N1m，按式(1)计算图像比例尺：式中：K―比例尺；N1m―1m长度在标定图像中所占像数；测量参数设置：各测量仪器经预热正常工作后，设置红外热像仪发射率、画面每秒传输帧数、图像分辨率、探测距离、环境温度湿度、高温比色计响应时间及采样率；被试发动机和助推发动机布设：对于静止发动机状态，将装配好的1枚被试发动机水平安装在火箭橇平台钢结构支架上，整体固定于轨道上，接好点火线；对于模拟飞行状态，被试发动机通过转接筒与加长舱段联结，加长舱段与橇体前部水滴形钢梁焊接联结；被试发动机、转接筒和加长舱段均保持水平状态；将装配好的1枚被试发动机安装在火箭橇平台上，接好点火线；将2枚～9枚助推发动机分别固定在火箭橇台架上，接好点火线；步骤二、测量对于静止发动机状态，0s下达发射口令被试发动机点火，工作至自然熄火；0s时同步触发红外热像仪测控系统和高温比色计测控系统，采集结束，保存数据；对于模拟飞行状态，0s下达发射口令，助推发动机点火，助推发动机工作结束后，被试发动机经加电网触发点火，以预定速度经过测量点，工作至自然熄火；0s时同步触发红外热像仪测控系统和高温比色计测控系统，采集结束，保存数据；步骤三、测量数据处理发射率计算：对于发动机羽流场中的测量点，利用高温比色计获得的经分段线性标定过的比色温度随时间变化曲线，利用红外热像仪测得的辐射温度随时间变化曲线；以比色温度曲线偏离基线时的时刻为基准，对辐射温度数据对应的时刻进行修正；以热像仪采样时间间隔对比色温度数据进行有效提取，使比色温度曲线和辐射温度曲线上的每一对温度点所对应的时刻保持一致；依据式(2)，计算得到i时刻羽流场中测量点的发射率，从而得到测量点的发射率随时间变化的曲线；式中：εi―i时刻测量点的发射率；Ti'―i时刻热像仪测得的测量点的辐射温度，K；Ti―i时刻高温比色计测得的测量点的比色温度，K；羽流红外辐射温度分布的最高温度数据处理：依据式(3)，计算羽流图像序列中i时刻图像的红外辐射温度分布的最高温度，进而得到羽流红外辐射温度分布的最高温度随时间变化曲线，即修正前的最高温度曲线；T'maxi＝Max(Tj)    (3)式中：T'maxi―i时刻羽流红外辐射温度分布的最高温度，K；Tj―i时刻图像中第j个像素点的温度，K；以i时刻羽流场中测量点的发射率εi视为该时刻羽流场轴向平面的发射率；依据式(4)，对由式(3)得到的i时刻图像的红外辐射温度分布的最高温度进行修正，进而得到羽流红外辐射温度分布的最高温度随时间变化曲线，即修正后的最高温度曲线；式中：Tmaxi―i时刻修正后的辐射温度分布的最高温度，K；按式(5)计算羽流红外辐射温度分布最高温度的最大值：Tmax＝Max(Tmaxi)    (5)式中：Tmax―发动机稳定工作时间段内羽流红外辐射温度分布最高温度的最大值，K；羽流红外辐射温度分布的平均温度数据处理：依据式(6)计算图像序列中i时刻图像的羽流红外辐射温度分布的平均温度，得到羽流红外辐射场的平均温度随时间变化曲线，即修正前的平均温度曲线；式中：―i时刻图像中羽流红外辐射温度分布的平均温度，K；T_j―i时刻图像中第j个像素点的温度，K；N―i时刻图像中像素点总数；以i时刻羽流场中A点的发射率εi视为该时刻羽流场轴向平面的发射率；依据式(7)，对由式(6)得到的i时刻图像的羽流红外辐射温度分布的平均温度进行修正，进而得到羽流红外辐射温度分布的平均温度随时间变化曲线，即修正后的平均温度曲线；式中：Tavg i―i时刻修正后的辐射温度分布的平均温度，K；T′avg i―i时刻热像仪测得的辐射温度分布的平均温度，K；羽流红外辐射温度分布的长度：在发动机稳定工作时间段内，选取羽流红外辐射温度序列中最高温度对应的图像，对图像中红外辐射温度区作最小外接矩形；若矩形的长边所占像素数为NL，则对应的羽流红外辐射温度分布的长度按公式(8)计算：L＝NLK   (8)式中：L―羽流红外辐射温度分布的长度，m；NL―外接矩形的长边在图像中所占像素数；羽流红外辐射温度分布的宽度：在发动机稳定工作时间段内，选取羽流红外辐射温度序列中最高温度对应的图像，对图像中红外辐射温度区作最小外接矩形；若矩形的宽边所占像素数为NW，则对应的羽流红外辐射温度分布的宽度按式(9)计算：W＝NWK    (9)式中：W―羽流红外辐射温度分布的宽度，m；NW―外接矩形的宽边在图像中所占像素数；步骤四、测量结果表述分别用发动机稳定工作时间段内羽流红外辐射温度分布最高温度曲线的最大值Tmax以及与其对应时刻的平均温度Tave i来表征发动机羽流场的红外辐射温度的最大值和平均值；分别用长度L和宽度W来表征发动机羽流红外辐射温度分布的长度和宽度。