论文摘要：多光谱测温在航空发动机热端表面温度测量中的应用

本论文围绕发动机热端部件表面温度的测量需求，研究了强热辐射背景下多光谱测温相关理论和方法，研制了基于反射镜扫描式多光谱测温系统，解决了涡轮叶片二维温度场的测量问题。该研究成果也可用于航空航天型号研制、科学研究和工业过程中强热辐射背景条件下物体温度的准确测量场合，具有重要的应用价值。本论文在完善多光谱测温波段选取、标定技术和温度求解方法的基础上，根据辐射传热原理建立并优化了发动机涡轮叶片多光谱测温模型，设计了扫描式涡轮叶片多光谱温场测量系统，并对高速旋转的发动机涡轮叶片的多光谱测温信号的动态特性进行了模拟和分析，提出了低通数字滤波方法和基于小样本理论的异常值判别的数据稳健处理方法，最后运用蒙特卡洛方法对本测量系统的不确定度进行了评定，对其技术指标进行了试验验证。具体的研究工作如下：

1、提出了发动机热端部件的多光谱测温模型，形成了热辐射背景条件下多光谱测温建模的通用方法，为多光谱测温方法在强热辐射背景条件下的应用奠定了理论基础。对发动机热端部件特别是涡轮叶片的热辐射环境进行了分析，并根据其辐射传热原理建立了涡轮叶片的多光谱测温方程。分析了导向叶片、火焰筒、涡轮盘、机匣等背景辐射源对测温结果的影响，忽略温度较低、角系数较小的背景辐射影响，简化了多光谱测温方程。开展了基于多光谱测量样品表面温度的材料光谱发射率优化测量方法研究，并对常用的涡轮叶片材料的光谱发射率在不同温度下进行了测量，选择了合适的材料光谱发射率模型。计算分析了不同温度、不同余气系数的高温燃气的红外光谱辐射特性，考虑燃气红外光谱辐射特性、测量目标温度、多光谱测温方程中变量个数等因素，对光谱波段数量、中心波长和带宽进行了优化。

2、提出了等效发射率的概念，利用有效波长解决了宽波段多光谱测温系统的标定和温度求解问题，在此基础上设计了反射镜扫描式宽波段多光谱测温系统，实现了扫描式二维温场的测量。该系统通过转动安装在探头前端的反光镜，可定位扫描涡轮叶片不同的径向位置，结合涡轮叶片的自身旋转，合成涡轮叶片的二维温场。采用较宽波段的多光谱分光方法，利用带有红外增透膜的透镜及优化设计的光学系统，提高各通道的辐射能量和通光效率。根据不同的温度段采用小型继电器进行自动换档，保证各通道探测器输出的电信号处于最佳测量范围，同时具有良好的动态特性。

3、提出了基频低通滤波的动态数据预处理方法和基于小样本理论的异常值判识方法，实现了涡轮叶片的多光谱温场稳健测量，解决了发动机不稳定燃烧、振动、目标快速运动等因素造成的干扰问题，提高了测温系统的工程适用性。经过对多光谱测温系统的动态模拟信号的频谱特征分析，发现其特征频率包括除信号基频和倍频外，存在固定频率的噪声影响，且信号基频能量远大于倍频能量，因此提出基频低通滤波的动态数据预处理方法。考虑到灰色理论剔除异常值的方法对测量次数无严格要求，对判识数据的概率分布也无要求，提出对重建的二维温场沿不同径向位置进行多项式拟合，利用灰色理论对拟合的残差进行异常值判识，可有效判识异常值。

4、对研制的涡轮叶片多光谱测温系统的有效波长和仪器光学常数进行了标定，利用蒙特卡洛方法（MCM）评定了测温结果的不确定度，并对该系统的静态、动态技术指标进行了试验验证。影响测量系统不确定度的因素包括有效波长、参考温度、标定和测量时的信号采集、发射率模型的不完善等因素，经MCM方法评定测量系统引入的相对不确定度约为0.4%，考虑实际测量模型假设引入的影响，测量结果的相对扩展不确定度约为1.7%。在黑体炉和表面炉上进行静态校准，相对误差分别小于0.3%和0.4%。利用高频红外二极管对其动态特性进行测试，满足50kHz的频率响应。在热校准风洞上的模拟验证试验表明，测温系统在高温燃气条件下和高温背景辐射条件下，测温结果的相对误差不大于1.7%，满足设计和使用要求。

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