红外双色诱饵剂性能测试研究

为了对抗目前广泛应用的红外双色(1～3和3～5 μm)制导系统,设计制备了一种能够模拟真实目标红外双波段辐射特性的新型红外双色诱饵剂,采用Imager IR8325中波红外热像仪测试其燃烧过程中的温度变化情况以及特定时刻的火焰温度分布;采用SR5000光谱辐射计、Tensor37遥感红外光谱仪测试红外双色诱饵剂静态光谱辐射特性,获得了其频域和时域特性,分析了双色诱饵剂辐射强度和红外中近颜色比的影响因素;同时为了研究高速飞行状态下双色诱饵剂的辐射强度和颜色比变化规律,采用直路式等速负压气溶胶风洞进行了诱饵剂动态辐射强度测试,解释了红外双色诱饵剂辐射特性在高速气流影响下与传统诱饵剂不同的衰减机理。实验结果表明,该双色诱饵剂火焰温度在850~1 100 ℃之间,与真实目标具有较为接近的温度特征,该诱饵剂的红外中近比为1<I_{3～5 μm}∶I_{1～3 μm}<3,3~5 μm红外辐射强度为(1.1±0.1) kW·sr-1,与真实目标具有较为接近的红外光谱辐射特征,是一种性能优良的双色诱饵剂。     

低碳化学品火焰红外光谱辐射特性研究

低碳化学品火灾事故风险高、危害极大,探究低碳化学品火焰光谱特性对探测识别该类火灾危害污染意义重大,但目前国内外对大型低碳化学品火灾事故产生有毒、有害的硫化物（SO_X）和氮化物（NO_X）气体等相关研究较少。通过搭建1.2～12 μm红外波段火焰光谱测试实验平台,对二硫化碳、92#汽油和酒精进行5,14和20 cm三种不同燃烧尺度火焰光谱测试,探究火焰燃烧尺度对高温火焰分子辐射光谱的影响。随着燃烧尺度的增大,火焰辐射强度增强和特征波段出现增宽现象。分析5 cm 燃烧尺度下四种典型化学品中液化天然气（LNG）、丙烯腈、乙腈和95#汽油不同的火焰光谱特征。通过用傅里叶变换红外光谱仪测量高温黑体炉的不同温度,对火焰光谱信号进行辐射定标,得出准确的辐射定标系数,从而得到高温火焰分子发射的辐射亮度值。并且与HITRAN数据库模拟大气压1 atm、温度1 300 K单一的SO₂,H₂O,CO₂和NO₂分子辐射光谱进行对比分析。其中高温火焰分子光谱主要有7.3～7.6,8.7和4.0 μm SO₂波段、1.8～2.1和6.4 μm H₂O波段和4.2～4.6 μm CO₂波段,以及2.5～2.9 μm H₂O和CO₂共同波段。高温NO₂气体未达到红外光谱仪的检测限,通过HITRAN数据库模拟可知6.0～6.4,3.4和2.4 μm NO₂波段。为了进一步区分各种化学品火焰光谱,对定标后的火焰光谱信号进行归一化处理,用db2小波基函数进行6层分解得到高频部分近似系数和低频部分的细节系数,通过对比不同化学品高温火焰光谱的近似和细节系数的差异。结果表明,二硫化碳火焰光谱特征和小波分析的化学品火焰光谱特征,可作为区分低碳化学品与油料重要依据,并为后续遥感探测低碳化学品特征污染物、组分浓度反演以及识别评估其污染危害奠定重要基础。     

煤粉燃烧火焰辐射光谱实验研究

针对煤粉燃烧辐射光谱问题,利用光纤光谱仪对煤粉平面火焰炉实验装置煤粉燃烧火焰辐射光谱进行了测量,详细分析了煤粉辐射光谱特征,并基于普朗克辐射传热定律,通过对光谱仪波长响应特性的标定,得到火焰绝对辐射强度随波长的分布情况,进而利用最小二乘法获得火焰温度与辐射率参数,由此提出基于煤粉燃烧火焰辐射光谱测量的火焰参数测量方法。利用该方法对不同燃烧条件下煤粉燃烧参数进行测量,开展了不同燃烧参数下煤粉火焰辐射光谱实验研究,研究结果表明：煤粉燃烧火焰辐射在200～1 100 nm波段具有较强且连续的光谱特征,基于普朗克辐射定律与最小二乘法可实现煤粉燃烧火焰温度与辐射率的测量;煤粉燃烧火焰辐射光谱在590,766,769和779 nm附近可见明显的Na和K等碱金属痕量元素原子光谱发射谱线,并且这些原子谱线的出现与火焰温度有关;随着煤粉浓度的提高,虽然燃烧温度变化不大,但由于火焰辐射率的增加,造成辐射光谱强度的大幅提升。这对锅炉煤粉燃烧优化具有重要参考价值。     

复燃对液体火箭尾焰红外辐射特性的影响

为了定量研究复燃对液体火箭尾焰红外辐射特性的影响,建立了一个可以计算液体火箭尾焰复燃流场和红外辐射特性的模型.首先,使用FLUENT软件计算液体火箭尾焰复燃流场,其中尾焰中的复燃反应使用有限速率化学反应模型计算;然后,使用基于HITEMP数据库的窄带模型计算尾焰内气体的辐射参量;最后,使用有限体积法求解尾焰中的辐射传输方程.通过比较该模型计算的Titan ⅢB尾焰光谱辐射强度与(美国)国家航空航天局公布结果的一致性,证明了该模型的正确性.最后,利用该模型计算了复燃对某液体火箭尾焰光谱和波段红外辐射强度的影响,结果表明,复燃反应可以显著增加尾焰红外光谱辐射强度,在2.5～3.0 μm和4.2～4.7 μm两个主要辐射波段平均辐射强度的增加比例分别达到了30.8％和28.3％,所以,在计算液体火箭尾焰准确的红外辐射特性时,需要考虑复燃的影响.     

基于辐射光谱法的高温颗粒辐射传热参数在线测量方法研究

针对在高温燃烧环境中的颗粒辐射传热问题,基于普朗克辐射定律,提出了用于高温颗粒辐射传热参数在线测量的辐射光谱法,根据高温颗粒可见波段辐射光谱随波长变化情况,通过参数拟合方法直接获得颗粒温度及辐射强度等辐射传热参数。为验证该方法测量准确性,搭建了高温黑体炉辐射测量系统,实验测量结果显示：温度测量值与设定温度相对偏差小于3%;辐射强度测量值与理论计算值相对偏差小于5%。以此为基础,设计了应用于高温燃烧环境下的颗粒辐射传热参数测量的水冷结构探针,并利用该探针开展了高温燃烧环境气固两相流200～1 100 nm波段辐射光谱测量,基于上述方法,直接获得了高温颗粒温度、辐射强度等辐射传热参数沿截面分布情况,有效剥离了高温气体对流传热的影响,为高温颗粒辐射传热研究提供数据支撑。     

复燃对液体火箭尾焰红外辐射特性的影响

为了定量研究复燃对液体火箭尾焰红外辐射特性的影响,建立了一个可以计算液体火箭尾焰复燃流场和红外辐射特性的模型.首先,使用FLUENT软件计算液体火箭尾焰复燃流场,其中尾焰中的复燃反应使用有限速率化学反应模型计算;然后,使用基于HITEMP数据库的窄带模型计算尾焰内气体的辐射参量;最后,使用有限体积法求解尾焰中的辐射传输方程.通过比较该模型计算的Titan IIIB尾焰光谱辐射强度与(美国)国家航空航天局公布结果的一致性,证明了该模型的正确性.最后,利用该模型计算了复燃对某液体火箭尾焰光谱和波段红外辐射强度的影响,结果表明,复燃反应可以显著增加尾焰红外光谱辐射强度,在2.5~3.0 μm和4.2~4.7 μm两个主要辐射波段平均辐射强度的增加比例分别达到了30.8%和28.3%,所以,在计算液体火箭尾焰准确的红外辐射特性时,需要考虑复燃的影响.     

基于辐射光谱法的高温颗粒辐射传热参数在线测量方法研究（英文）

针对在高温燃烧环境中的颗粒辐射传热问题,基于普朗克辐射定律,提出了用于高温颗粒辐射传热参数在线测量的辐射光谱法,根据高温颗粒可见波段辐射光谱随波长变化情况,通过参数拟合方法直接获得颗粒温度及辐射强度等辐射传热参数。为验证该方法测量准确性,搭建了高温黑体炉辐射测量系统,实验测量结果显示:温度测量值与设定温度相对偏差小于3%;辐射强度测量值与理论计算值相对偏差小于5%。以此为基础,设计了应用于高温燃烧环境下的颗粒辐射传热参数测量的水冷结构探针,并利用该探针开展了高温燃烧环境气固两相流200～1 100nm波段辐射光谱测量,基于上述方法,直接获得了高温颗粒温度、辐射强度等辐射传热参数沿截面分布情况,有效剥离了高温气体对流传热的影响,为高温颗粒辐射传热研究提供数据支撑。     

压力作用下石英砂岩的热红外光谱变化与敏感响应波段

在实验室对石英砂岩进行单轴压缩加载,利用红外光谱辐射计(观测波段8～14μm)对加载过程中试样的红外光谱辐射变化特征进行观测,研究岩石红外辐射对应力响应的敏感波段。实验结果显示,当岩石被加载时,红外光谱随之发生变化,但不同波段变化特征不同,在8.0～11.5μm范围(尤其在8.6～9.1μm)石英砂岩的红外光谱辐射强度随载荷增加而增加,二者间近似呈两次曲线关系,且光谱辐射强度的"信噪比"较高;在其它波段光谱辐射强度与载荷的相关性差且"信噪比"较低。由此表明,8.0～11.5μm是石英砂岩红外辐射对应力响应的敏感波段,也是岩石应力与灾变红外遥感监测的优势波段,而最佳监测波段是8.6～9.1μm。     

碳氢扩散火焰实验研究：燃烧气氛对火焰光谱与温度的影响

辐射是各种燃烧过程中热传递的主要方式。在不同的火焰中,辐射光谱分布十分复杂。在这项工作中,利用光谱仪测量了可见光(200～900 nm),近红外(900～1 700 nm)和中红外(2 500～5 000 nm)波段火焰的光谱强度,分析了空气和富氧气氛下扩散火焰的光谱特征。并基于光谱分析,定量得到了火焰中碳烟以及气体发射的辐射力,计算了火焰的温度分布。结果表明,空气燃烧中的火焰温度低于富氧燃烧中的火焰温度。在空气气氛下,火焰中的碳烟和气体均对中的热辐射起着重要作用。而在富氧气氛下,气体对于火焰热辐射更为重要。在可见光和近红外波段,由于在空气气氛下火焰中碳烟的大量形成,光谱曲线显示出了良好连续性。而富氧气氛下火焰的辐射光谱降低。在中红外波段,空气气氛下火焰的气体辐射明显弱于富氧气氛下火焰的气体辐射。     

红外光谱的二硫化碳火焰光谱辐射特性研究

近年来,化工领域对二硫化碳需求日益增多,而二硫化碳具有易燃易爆等特点。在生产过程中易发生火灾事故,危害性极大,易造成经济损失和人员伤亡。在火灾事故危害研究中,火焰光谱研究极有必要。因为火焰光谱中含有大量信息,包括火焰温度、燃烧组分、各个波段的热辐射强度等信息。以二硫化碳燃料为研究对象,搭建了火焰光谱测试平台,主要由VSR红外光谱仪、伸缩装置、燃烧器组成,测试了5 cm燃烧尺度下二硫化碳、苯乙烯、乙腈、乙酸乙酯燃料在1～14μm红外波段上燃烧火焰光谱,以及二硫化碳分别与苯乙烯、乙腈、乙酸乙酯三种不同燃料按照1∶1混合的火焰光谱,获取了二硫化碳火焰光谱特征波段,构建了二硫化碳火焰光谱特征库。在燃料单独燃烧火焰光谱研究中,二硫化碳燃料燃烧时火焰呈蓝色不发烟,其火焰光谱辐射主要来自于高温下SO_2, CO_2和H_2O三种分子辐射,其中SO_2特征峰为4.05, 7.4和8.51μm, CO_2特征峰为2.7和4.3μm, H_2O特征峰为2.5, 2.7和5.5～7μm,乙腈、乙酸乙酯燃料燃烧火焰光谱特征基本一致,火焰光谱辐射主要来自于高温下CO_2, H_2O分子辐射,苯乙烯火焰光谱辐射除了高温气体辐射外还有较强的炭黑辐射,炭黑辐射中心波长在7μm,温度大约在414 K。除此之外,苯乙烯燃料与其他三种化学品相比,在3.6μm波段处存在独有的C—H健伸缩振动峰。二硫化碳火焰燃烧产物与苯乙烯、乙腈、乙酸乙酯三种燃料相比具有独有的SO_2分子,其在4.05, 7.4和8.51μm处存在特有的特征峰,这些特征峰可作为航天探测识别其火灾依据之一;在燃料混合燃烧火焰光谱研究中,二硫化碳与苯乙烯、乙腈、乙酸乙酯三种燃料混合燃烧时,燃烧火焰光谱特征基本相似,火焰光谱辐射主要来自高温下CO_2, H_2O和SO_2分子辐射,实验表明,在混合燃烧时,二硫化碳的火焰光谱特征峰未被其他燃料的组分干扰,特征峰仍然明显。这一研究结果可为后续利用航天遥感探测技术探测识别二硫化碳火灾研究奠定基础。     

反射式TDICCD光学遥感器波段选择

光谱波段是光学遥感器设计中需要考虑的一个重要指标。首先对探测海洋目标的反射式TDICCD光学遥感器需要选择的光谱波段进行分析,应用LOWTRAN 7软件对0.4μm～1.0μm波段的大气透过率进行了计算,同时对典型的海洋目标（如船体）、海水的光谱反射率及其对比度进行分析,最后对遥感器的入瞳辐射亮度和信噪比进行了估算。计算结果表明：遥感器光谱波段选择0.5μm～0.9μm波段,在入瞳辐射亮度和信噪比等方面优于选择0.5μm～0.8μm波段。这一结论为实用系统的波段选择提供了依据。     

CS2燃烧火焰光谱辐射模型的构建与特征污染产物浓度反演研究

CS₂在当今化工等领域占据了重要地位,而CS₂火灾污染事故危害性极大。通过研究CS₂燃烧火焰光谱辐射以探究其火灾污染特性极为必要。搭建了CS₂燃烧火焰光谱测试平台,采用黑体辐射源对VSR仪器进行了标定,通过多用途傅里叶变换(VSR)红外光谱辐射仪测试了5,10和20 cm三种燃烧尺度下CS₂燃烧的火焰光谱,并通过热电偶测试了整个燃烧时间段内不同燃烧时刻下的火焰温度,以及在火焰上方安装了烟气分析仪对火焰中的燃烧产物浓度进行监测。测量了CS₂整个燃烧时间段内火焰温度,以及不同燃烧时间、不同燃烧尺度下的火焰光谱、燃烧产物组分信息。测试结果表明,CS₂火焰中主要含有高温SO₂,CO₂,CO气体和空气中卷入的H₂O分子,并获取了特征污染产物SO₂的浓度。由于现有光谱仪测量分辨率有限,室内实验测量的火焰尺度有限,为了能实现火灾在线监测需要建立一个火焰光谱辐射模型来反演CS₂火灾时的污染物浓度相关信息。基于HITRAN数据库可知在2.7 μm附近为高温水蒸气的发射峰,4.2 μm附近特征峰为高温CO₂气体的发射峰,4.7 μm附近有CO微弱的发射峰,在7.4 μm附近特征峰为高温SO₂气体的发射峰,并获得了CS₂燃烧时产生的SO₂,CO₂,CO和H₂O气体在火焰燃烧相同温度下的吸收系数,通过计算得到了CS₂燃烧时产生的SO₂,CO₂,CO和H₂O混合气体的透过率与发射率,并结合气体辐射传输方程、气体吸收系数等方程,创建了CS₂燃烧的火焰光谱辐射模型。利用该光谱辐射模型反演了不同燃烧时间下特征污染产物SO₂的浓度,并与实验测得的数据进行了对比分析。结果表明,该模型精度高,可用于燃烧产物浓度的定量化反演,SO₂分子含量在燃烧时间20,40,60和80 s时的反演精度分别是89.5%,82.5%,85.6%和86.5%。为遥感反演CS₂型大尺度火灾中燃烧产物的浓度奠定基础。     

辐射背景对岩石受力热红外光谱变化影响的实验研究

研究表明,岩石在加载过程中表面的红外辐射随应力发展而变化,而辐射信息的有效提取与辐射背景存在密切关系。通过理论分析不同实验环境对岩石受力热红外光谱变化影响,开展了花岗岩在室内外环境下的受力热红外光谱观测实验,分析了不同辐射背景下岩石红外辐射与应力的相关性以及由应力引发的辐射变化信息的强弱差异,并对两种环境下岩石应力热红外探测的优势波段进行了对比分析。结果表明,辐射背景对岩石受力热红外光谱探测结果有重要影响,室外环境因背景辐射较弱,相同应力作用下的红外辐射变化更加显著,与应力之间的相关程度更高,优势波段区间更宽,更加有利于岩石应力的热红外探测。8.0~11.8 μm波段是利用热红外遥感监测地表花岗岩应力变化的优势波段。     

高温相变材料对红外诱饵剂性能的影响

研究了相变材料对常规红外诱饵药剂燃烧性能及红外辐射特性的影响。选择的八种高温相变材料中有三种材料在3～5 μm或8～14 μm波段内能不降低红外诱饵的红外辐射特性,而延长了红外诱饵的持续燃烧时间,降低了药柱的燃速,从而延长红外诱饵有效干扰时间。结果表明高温相变材料可作为一种有效的功能添加剂加入红外诱饵。     

光谱响应对辐射光谱测温法的影响研究

针对光谱响应系数对辐射光谱测温法的影响问题,利用200～1 100和900～1 700 nm两种波段光纤光谱仪测量了不同温度下黑体炉辐射光谱,分析了不同波段高温黑体辐射光谱特征,确定了不同波段光谱分析适宜采用的有效响应波段,获得了不同温度下该波段光谱响应系数变化情况,详细分析了温度对光谱响应系数的影响,总结了辐射光谱法温度拟合时的波长范围以及响应系数选择原则,并分析了波长范围以及响应系数选择对测温的影响,这为提高辐射光谱测温法的测量精度具有重要价值。     

兴城地区岩石光谱特征与物性参数、金属元素间响应关系研究

岩石物性参数、元素含量和光谱特征三者之间的相互关系并非独立存在, 研究三者之间的相互关系,对于探索通过遥感信息进行岩石矿物成分、物性参数的定量反演方法奠定基础。采集了兴城地区590块岩样本,分析其物性参数（密度、介电常数、电阻率、磁化率）、金属成分含量（Fe, Ti, V, Mn, Zr, Co, Zn, Nb, Bi, Pb）以及岩石光谱之间的关系。将各物化参数与原始光谱、光谱吸收深度、光谱小波包分解后的高低频做相关性分析,找出各物化参数影响光谱吸收和反射的特征波段,探究关系密切的参数。该研究为岩石岩性分类、某种金属元素和物理特性的反演以及用某种参数来预测关系密切的参数奠定了基础,取得如下结论：（1）获得了火成岩中Fe,Ti,Mn,V,Zn,Bi和Pb等元素的特征谱带,其中Fe元素含量更高,与光谱的相关性更显著。在0.4和0.54 μm波段附近存在Fe的特征反射波段,1.0~1.5 μm波段范围内存在Fe元素的特征吸收波段;在0.4~0.55和0.6~0.65 μm波段范围内,Ti元素与光谱的相关性更显著,在2.28 μm波段附近存在Ti的特征吸收波段;在0.41 μm波段附近存在Mn的特征反射波段;火成岩、沉积岩V元素与光谱相关性差异性较大,在0.76,0.81,0.89,0.95 μm波段附近可能存在火成岩的特征吸收波段和沉积岩的特征反射波段;沉积岩的Zn元素含量与光谱的相关性比火成岩要显著,在0.41,1.36,1.59 μm波段附近可能存在火成岩Zn的特征反射波段,在2.34 μm波段附近可能存在沉积岩Zn的特征波段;2.14 μm波段附近,Bi元素对沉积岩光谱的吸收有一定的作用;Pb的特征谱带可能存在于0.45,0.54,2.29 μm附近;（2）在岩石各物理特性和光谱的关系研究中,在0.57~0.85 μm波段范围内,密度对光谱有很好的吸收反射特征,在0.53 μm波段附近,磁化率使光谱有较强的反射,在1.08 μm波段附近,磁化率使光谱产生较强的吸收;电阻率和光谱的相关关系与密度和光谱的相关关系极为相似;（3）在岩石各物性参数间的关系中发现,密度和电阻率呈显著正相关的关系;（4）在岩石各物性参数与金属元素的关系中研究发现,密度与各金属元素相关性较弱;磁化率与Fe和Ti元素呈显著的正相关关系;电阻率与各金属元素间的相关关系较弱;介电常数与各金属元素含量呈正相关关系,其中与V,Zn,Bi元素的相关关系最显著;（5）在金属元素间,Fe与Ti有较显著的正相关关系,Ti与Fe,V元素间有较强的正相关关系,Zn和Pb存在较强的正相关。     

FTIR遥测固体推进剂燃烧温度

应用遥感FTIR对固体推进剂燃烧火焰的温度进行了研究。遥感FTIR光谱仪在光谱分辨率为4cm^-1时,连续收集燃烧火焰的发射光谱。分别利用分子基带转振光谱测温法,以及分子发射光谱最大强度谱线测温法,对燃烧温度进行了遥感实时测定。文中列出了两种方法测得的各时刻的火焰温度。结果表明。两种方法在测量快速、剧烈燃烧的火焰温度时,都是很可靠的方法,当火焰的燃烧比较稳定时,分子发射光谱最大强度谱线测温法更为简便、快速。     

Particle temperature and potassium release during combustion of single pulverized biomass char particles

This work investigated the combustion characteristics of single pulverized biomass-derived char particles. The char particles, in the size range 224–250 µm, were prepared in a drop tube furnace at pyrolysis temperatures of 1273 or 1473 K from four types of biomass particles – wheat straw, grape pomace, kiwi branches and rice husk. Subsequently, the char particles were injected upward into a confined region of hot combustion products produced by flat flames stabilized on a McKenna burner, with mean temperatures of 1460, 1580 and 1670 K and mean O₂ concentrations of 4.5, 6.5 and 8.5 vol%. The data reported include particle temperature, obtained using a two-color pyrometry technique, and potassium release rate, measured using a laser-induced photofragmentation fluorescence imaging technique. In addition, particle ignition delay time and burning time, obtained from the temporal evolution of the thermal radiation intensity of the burning char particles, are also reported. The results indicated that ignition of the char particles occurs simultaneously with the starting of the potassium release, then the particle burning intensity increases rapidly until it reaches a maximum, after which both the particle temperature and the potassium release rate remain approximately constant until the end of the char oxidation process. The char ignition process is temperature controlled, and the char oxidation process is oxygen diffusion controlled, with the total potassium release being independent of the oxygen concentration and the temperature of the combustion products. The combustion behavior of the chars studied is more affected by the char type than by the conditions used to prepare them.