趙 耀，駱清國，邱綿浩，張玉飛，魯 俊

(1.陸軍裝甲兵學(xué)院 車輛工程系， 北京 100072； 2.中國人民解放軍61150部隊(duì), 陜西 榆林 719000)

裝甲車輛排氣系統(tǒng)排出的高溫排煙具有明顯的紅外輻射信號(hào)，隨著紅外制導(dǎo)反裝甲車輛武器的發(fā)展，裝甲車輛排煙的紅外輻射特性將直接影響裝甲車輛的防護(hù)性能和隱身性能。裝甲車輛排煙的紅外輻射主要來源于燃燒產(chǎn)生的輻射氣體分子，相關(guān)學(xué)者對(duì)輻射氣體分子的紅外輻射特性進(jìn)行了大量的研究：未軍光等[1]考慮飛機(jī)尾流中CO2和H2O分子的吸收和發(fā)射，利用數(shù)值仿真的方法對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)在中紅外波段的紅外輻射強(qiáng)度進(jìn)行了模擬；張術(shù)坤等[2]在考慮大氣衰減的基礎(chǔ)上，利用反向蒙特卡洛法對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰在中紅外波段的光譜輻射特性進(jìn)行了研究；李賀等[3]利用建立了基于CFD的一體化發(fā)動(dòng)機(jī)流場(chǎng)數(shù)值分析模型，利用RTE積分法模擬了飛行器排氣系統(tǒng)的紅外特征分布；馬千里等[4]首先利用窄譜帶模型計(jì)算除了飛行器尾焰的紅外特性參數(shù)，在此基礎(chǔ)上提出了基于C-G近似法的尾焰紅外輻射快速計(jì)算方法；祝念等[5]將高速飛行目標(biāo)尾焰視為非均勻熱氣，在考慮壓力增寬效應(yīng)和多普勒增寬效應(yīng)的基礎(chǔ)上，計(jì)算了有大氣傳輸衰減的尾焰紅外輻射分布。上述文獻(xiàn)在研究煙氣紅外輻射特性時(shí)主要以數(shù)值仿真為主，極少開展裝甲車輛發(fā)動(dòng)機(jī)排煙的紅外輻射實(shí)驗(yàn)研究。

在對(duì)紅外輻射量進(jìn)行測(cè)量時(shí)，了解輻射測(cè)量系統(tǒng)的性能是進(jìn)行正確測(cè)試的基本保證，否則會(huì)在實(shí)際測(cè)量中忽略一些對(duì)測(cè)量有影響的因素，或者在用同一個(gè)系統(tǒng)在不同的測(cè)量條件下測(cè)量同一個(gè)量時(shí)得到不同甚至差異甚大的結(jié)果，卻不能判斷造成差異的原因，也難以分析測(cè)量結(jié)果的可用性，從而導(dǎo)致測(cè)量的失敗。因此紅外輻射計(jì)的標(biāo)定工作是一項(xiàng)困難和復(fù)雜的任務(wù)。為了減小測(cè)量誤差、提高測(cè)量精度，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者做了大量的研究工作。Kroutil等[6]通過改變測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)源擬合不同環(huán)境下的測(cè)量規(guī)律的方法來減小標(biāo)定帶來的誤差。黃燁等[7]為了減小紅外光譜輻射計(jì)的標(biāo)定誤差，利用測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)黑體多點(diǎn)溫度的方法研究了環(huán)境溫度對(duì)定標(biāo)結(jié)果的影響。張?zhí)焓娴萚8]分析了傅立葉紅外光譜輻射計(jì)產(chǎn)生相位偏移的原因，并且建立了相位偏移和光譜的數(shù)學(xué)模型，最后提出了校正輻射量偏移的標(biāo)定方法。馮明春等[9]針對(duì)傅立葉變換光譜技術(shù)提出了多種定標(biāo)方法，隨后利用這些定標(biāo)方法對(duì)黑體源進(jìn)行了測(cè)量，然后利用特定溫度下的輻射譜進(jìn)行評(píng)價(jià)各種標(biāo)定方法的優(yōu)劣。孫美等[10]針對(duì)FTIR式光譜儀分別利用多種標(biāo)定方法對(duì)高溫校準(zhǔn)源和超高溫校準(zhǔn)源的溫度和光譜輻射亮度進(jìn)行了測(cè)量，最終提出了最優(yōu)的標(biāo)定方法。何文馨等[11]設(shè)計(jì)了一種近紅外光譜儀，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究了標(biāo)定方法和優(yōu)化設(shè)計(jì)。王譚等[12]基于傅立葉光譜儀的標(biāo)定設(shè)計(jì)了靶板，該靶標(biāo)精度較高，符合簡便式高精度靶標(biāo)的要求。鄭坤鵬等[13]利用傅立葉光譜輻射計(jì)對(duì)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的光譜進(jìn)行了研究，在獲取數(shù)據(jù)時(shí)提出了針對(duì)不同對(duì)象和環(huán)境的標(biāo)定方法。Achmadi等[14]通過非線性擬合和改進(jìn)的三溫度法相結(jié)合的方式校準(zhǔn)了用于太陽輻射觀測(cè)的傅立葉變換光譜儀。Phillips等[15]為了對(duì)用于檢測(cè)高速尾焰化學(xué)物質(zhì)的光譜儀進(jìn)行標(biāo)定提出了多元物質(zhì)檢測(cè)擬合的方法。但目前紅外光譜儀的探測(cè)器對(duì)紅外源各個(gè)波段處的輻射量響應(yīng)不規(guī)律，響應(yīng)函數(shù)也不相同，這就使得測(cè)量復(fù)雜輻射源的輻射量較為困難。

本文針對(duì)某型裝甲車輛排煙系統(tǒng)，首先研究了紅外輻射試驗(yàn)測(cè)量原理和紅外輻射測(cè)試儀標(biāo)定原理，建立了主要輻射波段的測(cè)試儀標(biāo)定方法的數(shù)學(xué)模型；在此基礎(chǔ)上搭建了基于傅里葉變換光譜輻射儀的標(biāo)定試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，并對(duì)試驗(yàn)誤差進(jìn)行了分析；利用采集的試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)建立了基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光譜輻射亮度校正模型，并利用測(cè)試數(shù)據(jù)集和黑體的比輻射率對(duì)計(jì)算模型的精度進(jìn)行了驗(yàn)證；最后通過搭建的裝甲車輛排煙測(cè)試系統(tǒng)和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光譜輻射亮度校正模型計(jì)算得到了排煙的紅外輻射特征。

1 試驗(yàn)測(cè)量原理

根據(jù)普朗克公式，黑體的光譜輻射出射度Mbλ的計(jì)算式為

(1)

式中：

c1=2πhc2

(2)

為第一輻射常數(shù)，其中h為普朗克常數(shù)，c為光速；

c2=hc/k

(3)

為第二輻射常數(shù)，其中k為玻爾茲曼常數(shù)；λ為波長；T為溫度。

在實(shí)際的測(cè)量中，由于儀器視場(chǎng)角的限制，僅能測(cè)得目標(biāo)的光譜輻射亮度L(T)。材料的方向比輻射率ελ(T)是指物體在指定溫度T時(shí)的光譜輻射亮度與相同溫度黑體的光譜輻射亮度的比值，計(jì)算式為

(4)

式中：Lλ(T)為物體的實(shí)際光譜輻射亮度；Lλb(T)為黑體的光譜輻射亮度。

由式(4)可以看出，只須測(cè)得物體的實(shí)際光譜輻射亮度和同等溫度下黑體的光譜輻射亮度，即可算得材料的方向比輻射率。在實(shí)際測(cè)試過程中，環(huán)境背景的紅外輻射將會(huì)被輻射儀吸收，從而影響測(cè)量精度，導(dǎo)致測(cè)量值與真實(shí)值之間有誤差。因此，利用紅外光譜測(cè)試儀對(duì)裝甲車輛排煙的光譜輻射亮度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，必須考慮除去環(huán)境背景對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

對(duì)于紅外光譜測(cè)試儀來說，其測(cè)得光譜輻射亮度L(T)為

L(T)=R(λ)[Lλ(T)+LB(T)]+La(T)

(5)

式中：R(λ)為儀器的線性響應(yīng)特性函數(shù)；LB(T)為儀器自身的光譜輻射亮度；La(T)為環(huán)境背景的光譜輻射亮度。

在進(jìn)行標(biāo)定時(shí),將標(biāo)定黑體輻射源盡可能地靠近紅外光譜儀的準(zhǔn)直儀的孔徑并使黑體輻射源的輻射面充分地充滿視場(chǎng),這樣可以忽略環(huán)境背景的光譜輻射亮度,即La(T)。對(duì)式(5)進(jìn)行推導(dǎo)，就可以得到Lλ(T)的計(jì)算式為

(6)

從式(6)中可以看出，要想得到精確的排煙光譜輻射亮度，需要知道儀器的線性響應(yīng)特性函數(shù)R(λ)和儀器自身的光譜輻射亮度LB(T)。

2 紅外光譜測(cè)試儀標(biāo)定原理

紅外光譜測(cè)試儀在用于實(shí)際物體輻射參數(shù)的測(cè)試之前需要對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)的性能進(jìn)行標(biāo)定，這樣能夠盡可能減小其他影響因素帶來的誤差，通常情況下是選用一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)黑體作為校準(zhǔn)源，采集紅外光譜測(cè)試儀測(cè)量校準(zhǔn)源的基本輻射參數(shù)。為了減少環(huán)境誤差的影響，根據(jù)探測(cè)器上的輻射探測(cè)功率與每個(gè)光譜通道的相元測(cè)量信號(hào)是否成正比關(guān)系，在標(biāo)定時(shí)分別進(jìn)行線性和非線性標(biāo)定。

為了使紅外光譜測(cè)試儀的儀器響應(yīng)特性函數(shù)能夠適應(yīng)更多的溫度，可以對(duì)校準(zhǔn)源的3個(gè)溫度點(diǎn)的輻射進(jìn)行測(cè)量，將校準(zhǔn)源盡可能地靠近紅外光譜測(cè)試儀的準(zhǔn)直儀的孔徑，使校準(zhǔn)源的輻射面盡可能充分地充滿視場(chǎng)，對(duì)校準(zhǔn)源多個(gè)溫度點(diǎn)的輻射進(jìn)行測(cè)量。三點(diǎn)標(biāo)定的計(jì)算式為

(7)

式中：L1(T)、L1λ(T)為第一個(gè)點(diǎn)的測(cè)量光譜輻射亮度，真實(shí)光譜輻射亮度；L2(T)、L2λ(T)為第二個(gè)點(diǎn)的測(cè)量光譜輻射亮度，真實(shí)光譜輻射亮度；L3(T)、L3λ(T)為第三個(gè)點(diǎn)的測(cè)量光譜輻射亮度，真實(shí)光譜輻射亮度。然后通過最小二乘法求得R(λ)和LB(T)，再代入式(6)即可得到目標(biāo)的輻射亮度。

進(jìn)行非線性標(biāo)定時(shí)，將3個(gè)溫度不同的校準(zhǔn)源近距離直接對(duì)著紅外光譜測(cè)試儀進(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)調(diào)整光譜測(cè)試儀準(zhǔn)直儀的孔徑盡可能讓校準(zhǔn)源充滿整個(gè)視場(chǎng)，非線性標(biāo)定計(jì)算式為

(8)

式中：Q(λ)為儀器的非線性增益響應(yīng)函數(shù)。

求解上式可以得到Q(λ)、R(λ)和LB(T)，然后可以得到標(biāo)定后的輻射源光譜輻射亮度為

(9)

3 試驗(yàn)平臺(tái)的搭建與試驗(yàn)結(jié)果分析

為了對(duì)標(biāo)定方法進(jìn)行測(cè)試，減少客觀環(huán)境的變化引起的標(biāo)定誤差，本文搭建了基于傅里葉變換光譜輻射儀的標(biāo)定試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，在標(biāo)定過程中考慮到空氣的吸收，本文將黑體近距、視場(chǎng)充滿的情況下放置在探測(cè)器前方，紅外光譜測(cè)試儀標(biāo)定試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)示意圖如圖1。試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)主要包括數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、傅里葉變換光譜輻射儀和黑體爐，其中光譜輻射儀標(biāo)定的波段是2 000～3 500 cm-1，分辨率優(yōu)于0.5 cm-1，黑體爐的溫度連續(xù)可調(diào)。

圖1 標(biāo)定試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)示意圖

試驗(yàn)對(duì)2個(gè)不同溫度的黑體樣品進(jìn)行測(cè)試，對(duì)不同的標(biāo)定方法進(jìn)行對(duì)比研究。裝甲車輛在某一典型工況穩(wěn)定后[13]，經(jīng)過測(cè)量，排煙管的平均溫度為197 ℃，排煙的平均溫度為600 ℃，為了更方便地進(jìn)行光譜輻射亮度測(cè)量，本文選擇一個(gè)溫度為197 ℃的黑體和溫度為600 ℃的黑體進(jìn)行標(biāo)定測(cè)試。采用相對(duì)誤差Er來表示標(biāo)定方法的優(yōu)劣，計(jì)算式為

(10)

式中：x為測(cè)定光譜值；μ0為理論光譜值。

3.1 測(cè)量197 ℃黑體樣品的標(biāo)定對(duì)比分析

對(duì)197 ℃的黑體樣品測(cè)試量時(shí)，采用了線性和非線性標(biāo)定兩種標(biāo)定方法，每種標(biāo)定方法采用了兩種標(biāo)定策略：①標(biāo)定溫度為20 ℃、220 ℃、400 ℃；②標(biāo)定溫度為20 ℃、180 ℃、400 ℃。測(cè)試完畢后得到的4組測(cè)試結(jié)果相對(duì)誤差曲線分別如圖2(a)～(d)所示。圖2(a)、(b)分別為第①種和第②種標(biāo)定策略時(shí)線性標(biāo)定的測(cè)試結(jié)果，圖2(c)、(d)分別為第①種和第②種標(biāo)定策略時(shí)非線性標(biāo)定的測(cè)試結(jié)果。

由圖2中可以計(jì)算出圖2(a)中相對(duì)誤差的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和均方根值分別為1.776%、0.823%和2.911%，圖2(b)中相對(duì)誤差的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和均方根值分別為3.641%、1.281%和3.736%?？梢钥闯龅冖俜N策略標(biāo)定策略的指標(biāo)均優(yōu)于第②種策略，若測(cè)量排煙管紅外輻射值采用線性標(biāo)定，在選用標(biāo)定溫度點(diǎn)時(shí)，應(yīng)盡量使測(cè)量目標(biāo)處在兩個(gè)較低的標(biāo)定溫度點(diǎn)之間。

在采用非線性標(biāo)定方法時(shí)，可以計(jì)算出圖2(c)中相對(duì)誤差的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和均方根值分別為2.552%、1.312%和2.869%。圖2(d) 中相對(duì)誤差的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和均方根值分別為1.852%、0.987%和2.098%?？梢钥闯龅冖诜N標(biāo)定策略優(yōu)于第①種標(biāo)定策略，若測(cè)量排煙管紅外輻射值采用非線性標(biāo)定，在選定標(biāo)定溫度點(diǎn)時(shí)，應(yīng)使測(cè)量目標(biāo)位于兩個(gè)相對(duì)較高的標(biāo)定溫度點(diǎn)之間。

同時(shí)對(duì)比兩種標(biāo)定方法可以看出：測(cè)量197 ℃黑體樣品采用非線性標(biāo)定法計(jì)算的輻射值相對(duì)誤差的統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)均比線性標(biāo)定法的結(jié)果較小，測(cè)量更精確和可靠。

圖2 197 ℃黑體樣品測(cè)試結(jié)果相對(duì)誤差曲線

3.2 測(cè)量600 ℃黑體樣品的標(biāo)定對(duì)比分析

對(duì)600 ℃的黑體樣品測(cè)試量時(shí)，采用了線性和非線性標(biāo)定兩種標(biāo)定方法，每種標(biāo)定方法采用了兩個(gè)標(biāo)定策略：① 標(biāo)定溫度為100 ℃、700 ℃、800 ℃；② 標(biāo)定溫度為100 ℃、500 ℃、800 ℃。測(cè)試完畢后得到的4組測(cè)試結(jié)果相對(duì)誤差曲線分別如圖3(a)～(b)所示。圖3(a)、(b)分別為第①種和第②種標(biāo)定策略時(shí)線性標(biāo)定的測(cè)試結(jié)果，圖3(c)、(d)分別為第①種和第②種標(biāo)定策略時(shí)非線性標(biāo)定的測(cè)試結(jié)果。

從圖3可以計(jì)算出圖3(a)中相對(duì)誤差的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和均方根值分別為4.171%、1.247%和4.354%，圖3 (b)中相對(duì)誤差的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和均方根值分別為4.815%、1.158%和4.952%。可以看出，除第①種策略的標(biāo)準(zhǔn)差略高外，其他兩項(xiàng)指標(biāo)均較第②種標(biāo)定策略低，說明第①種策略優(yōu)于第②種策略，若測(cè)量高溫排煙紅外輻射值采用線性標(biāo)定，選定標(biāo)定溫度點(diǎn)時(shí)，應(yīng)使測(cè)量目標(biāo)位于兩個(gè)相對(duì)較低的標(biāo)定溫度點(diǎn)之間。

在采用非線性標(biāo)定方法時(shí)，可以計(jì)算出圖3 (c)中相對(duì)誤差的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和均方根值分別為2.524%、0.93%和2.690%。圖3 (d)中相對(duì)誤差的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和均方根值分別為2.837%、1.22%和3.088%?？梢钥闯?，第①種策略優(yōu)于第②種策略，若測(cè)量高溫排煙紅外輻射值采用非線性標(biāo)定方法，在選用標(biāo)定溫度點(diǎn)時(shí)，應(yīng)盡量使測(cè)量目標(biāo)處在兩個(gè)較低的標(biāo)定溫度點(diǎn)之間。

同時(shí)對(duì)比兩種標(biāo)定方法可以看出：測(cè)量600 ℃黑體樣品采用非線性標(biāo)定法計(jì)算的輻射值相對(duì)誤差的統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)均比線性標(biāo)定法的結(jié)果較小，測(cè)量的結(jié)果更精確和可靠。

圖3 測(cè)試結(jié)果相對(duì)誤差曲線

4 基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的紅外輻射計(jì)算

4.1 基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光譜輻射亮度校正模型的建立

從上文可以看出針對(duì)不同溫度的目標(biāo)，不同的標(biāo)定方法和標(biāo)定策略對(duì)紅外輻射測(cè)量的影響均比較大，相對(duì)誤差存在明顯的波動(dòng)，這是由于測(cè)試過程中大氣雜散輻射影響會(huì)引起干涉圖發(fā)生變化。此外紅外輻射在大氣傳輸過程中會(huì)被吸收，這也導(dǎo)致一些波段的光譜輻射亮度曲線中出現(xiàn)斷點(diǎn)，因此用常規(guī)的數(shù)值擬合來得到精度較高的響應(yīng)函數(shù)是比較困難的。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠基于已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過調(diào)整神經(jīng)元數(shù)目和激活函數(shù)而逼近非線性函數(shù)，其中RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的隱層只有一層，因此具有訓(xùn)練簡潔、收斂速度快等特點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于模式識(shí)別和圖像處理等領(lǐng)域[14]。

本文為了進(jìn)一步提高紅外輻射測(cè)量精度，減少大氣吸收等因素引起的誤差，首先利用紅外測(cè)溫儀測(cè)得裝甲車輛排煙核心區(qū)的溫度，然后選擇合適的標(biāo)定方法和標(biāo)定策略獲得輻射量樣本數(shù)據(jù)，最后基于樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，最后建立基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光譜輻射亮度校正模型。

建立的RBF網(wǎng)絡(luò)原理如圖4所示。設(shè)獲取的有效樣本數(shù)目為N，建模過程是采用最小二乘法訓(xùn)練RBF網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)有三層，隱層激活函數(shù)是高斯函數(shù)，第一層和隱層計(jì)算的是輸入量和樣本量歐式距離的徑向基函數(shù)值，第三層是則是函數(shù)值的線性組合[15]。

圖4 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理示意圖

依據(jù)鏈?zhǔn)狡⒎址▌t，可得網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心Δci、寬度Δσi和權(quán)值Δωi的調(diào)整量分別為

(11)

(12)

(13)

式中：G表示高斯函數(shù)；x為輸入變量；i為隱節(jié)點(diǎn)數(shù)量；j為樣本數(shù)量的下標(biāo)；c、σ和ω分別表示某一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)中心、寬度以及權(quán)值，η1、η2、η3分別表示網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心、寬度以及權(quán)值的學(xué)習(xí)速度；e表示網(wǎng)絡(luò)輸出值與樣本值之間的殘差。

本文令輸入變量為某溫度下的波數(shù)k，輸出為該波數(shù)對(duì)應(yīng)的光譜輻射亮度Lλ(T)。其中隱層第m個(gè)網(wǎng)絡(luò)的輸出為

(14)

從式(14)中可以看出當(dāng)波數(shù)k離網(wǎng)格數(shù)據(jù)中心cm越近時(shí)，隱層輸出就越大；反之就越小。

最后輸出的光譜輻射亮度為

Lλ(T)=∑ωmφ(k)

(15)

為了保證模型擬合的精度，需要對(duì)權(quán)值Δωi進(jìn)行不斷調(diào)整，直到殘差穩(wěn)定。因此在擬合過程中需要有足夠多的有效數(shù)據(jù)。

為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，提高建模的效率和精度，本文引入了閾值t來判斷異常值從而剔除波動(dòng)較大的數(shù)據(jù)。設(shè)第n個(gè)波數(shù)的亮度變動(dòng)均值Dkn的計(jì)算式為

(16)

式中：r為鄰域半徑。

當(dāng)計(jì)算的Dkn大于所設(shè)定的t時(shí)，就認(rèn)定該波數(shù)對(duì)應(yīng)的光譜輻射亮度值為異常值并剔除出訓(xùn)練學(xué)習(xí)樣本，t的大小一般取為

(17)

4.2 紅外輻射校正及精度檢驗(yàn)

運(yùn)用傅里葉變換光譜輻射儀對(duì)600 ℃的黑體在波數(shù)范圍為2 000～3 500 cm-1進(jìn)行光譜輻射亮度測(cè)量，得到的數(shù)據(jù)如圖5所示。從圖中可以看出，在波數(shù)為2 750～3 250 cm-1范圍內(nèi)光譜輻射亮度值出現(xiàn)了衰減，這是由于這個(gè)波數(shù)區(qū)間對(duì)應(yīng)的是4.3 μm波段，而這一波段為CO2的主要吸收帶，因此會(huì)造成該測(cè)試結(jié)果的振蕩。在波數(shù)為2 753 cm-1處，數(shù)據(jù)有明顯的振蕩，這應(yīng)該是測(cè)試設(shè)備本身問題導(dǎo)致的異常情況。

建立了基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光譜輻射亮度校正模型以后，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練從而進(jìn)一步提高模擬精度，如果樣本點(diǎn)太少，會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的逼近精度不夠準(zhǔn)確，結(jié)合式(16)和傅里葉光譜輻射儀測(cè)試結(jié)果，隨機(jī)選取了240組樣本數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)分布如圖5所示。

圖5 光譜輻射亮度測(cè)量數(shù)據(jù)曲線

利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)，一般要將樣本數(shù)據(jù)分為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集、驗(yàn)證數(shù)據(jù)集和測(cè)試數(shù)據(jù)集，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)三者占樣本數(shù)據(jù)的比例一般取為80%、5%和15%，訓(xùn)練數(shù)據(jù)集一般用來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，本文取192組用于訓(xùn)練RBF網(wǎng)絡(luò)，驗(yàn)證數(shù)據(jù)集一般用來動(dòng)態(tài)調(diào)整模型參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，測(cè)試數(shù)據(jù)集用來驗(yàn)證所建立的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化能力。在訓(xùn)練結(jié)束后，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模結(jié)果擬合及誤差曲線如圖6。從圖中可以看出，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的擬合效果很好地逼近了測(cè)量值，計(jì)算出訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的均方誤差為1.581×10-8，驗(yàn)證數(shù)據(jù)集的均方誤差為1.355×10-8，測(cè)試數(shù)據(jù)集的均方誤差為7.940×10-9，測(cè)試數(shù)據(jù)集的決定系數(shù)曲線如圖7所示。決定系數(shù)為0.9975，從均方誤差和決定系數(shù)兩項(xiàng)指標(biāo)均可以看出RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的符合程度均非常高，網(wǎng)絡(luò)的泛化能力很強(qiáng)。

圖6 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模擬合及誤差曲線

圖7 決定系數(shù)曲線

為了進(jìn)一步對(duì)RBF模型計(jì)算結(jié)果的精度進(jìn)行校驗(yàn)，選擇黑體的比輻射率再次進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)合式(6)，則比輻射率的計(jì)算式變?yōu)?/p>

(19)

文中所測(cè)黑體的比輻射率不隨波長變化，出廠時(shí)的有效值為0.99。利用RBF計(jì)算模型得到的光譜輻射亮度采用(19)式結(jié)合所選用的標(biāo)定方法和策略計(jì)算得到的光譜比輻射率值如圖8所示。從圖中可以計(jì)算出在黑體溫度為300 K時(shí)，在大氣吸收影響弱的波段，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了很好的逼近，比輻射率計(jì)算的最大誤差約為2.25%這也證明了基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光譜輻射亮度校正模型的正確性。

圖8 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出比輻射率曲線

5 裝甲車輛排煙光譜輻射亮度的計(jì)算

5.1 測(cè)試系統(tǒng)的建立

對(duì)某型裝甲車輛搭建的測(cè)試系統(tǒng)如圖9所示，在測(cè)試裝甲車輛排煙的輻射性能時(shí)將儀器的掃描速度設(shè)定為23.5 cm/s，分辨率設(shè)定為8 cm-1，，光譜儀的視場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)排煙管出口0.5 m處，光譜儀與排煙煙羽的距離為3 m，為了盡量避免環(huán)境紅外輻射的影響，布置了背景屏蔽裝置，本文選用的材料是被啞光漆刷黑的木板。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)排煙系統(tǒng)紅外光譜輻射亮度的準(zhǔn)確測(cè)量，實(shí)驗(yàn)前先將紅外光譜儀瞄準(zhǔn)排煙區(qū)域的軸線位置，調(diào)整儀器角度，使煙氣能夠充滿儀器的視場(chǎng)并能清晰成像。

圖9 裝甲車輛排煙測(cè)試系統(tǒng)示意圖

5.2 排煙輻射亮度測(cè)試結(jié)果

裝甲車輛起動(dòng)后，經(jīng)測(cè)量排煙管的溫度為197 ℃，排煙的核心溫度為600 ℃，在使用經(jīng)過標(biāo)定后的光譜儀同步記錄羽流的單光束光譜，然后利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型校正后，得到了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后一段時(shí)間內(nèi)排煙光譜輻射亮度分布如圖10所示。

圖10 排煙光譜輻射亮度分布圖

6 結(jié)論

1) 針對(duì)不同溫度的測(cè)量目標(biāo)，不同的標(biāo)定方法和標(biāo)定策略對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響均較大，主要是大氣雜散輻射引起輻射儀的干涉圖發(fā)生擾動(dòng)。

2) 利用紅外光譜測(cè)試儀對(duì)裝甲車輛排煙進(jìn)行測(cè)試時(shí)應(yīng)該選用非線性標(biāo)定方法，根據(jù)排煙管和排煙溫度的不同選用不同的標(biāo)定策略，能夠有效降低輻射儀標(biāo)定的測(cè)試誤差。

3) CO2的吸收作用能夠大幅度降低目標(biāo)在波數(shù)為 2 750～3 250 cm-1的光譜輻射亮度。

4) 采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的光譜輻射亮度校正模型能夠有效地計(jì)算光譜輻射亮度，訓(xùn)練好的模型決定系數(shù)為0.997 5，比輻射率計(jì)算的最大誤差約為2.25%，具有較高的精度，能夠降低大氣吸收引起的測(cè)量誤差。