大米是我国最重要的谷类作物。 如何准确的实现地理标志性大米的品种鉴别和外观品质评价, 不仅关乎消费者切身利益, 而且关乎零售商和生产商信誉, 是一项广泛关注的问题。 首先, 为实现集成化的精米品种识别和外观品质检测应用, 建立一种精米品种分类与外观品质多参数检测系统。 该系统采用近红外光谱仪搭配漫反射附件采集米粉光谱信息, 可以实现基于近红外光谱法的精米品种分类; 采用互补金属氧化物半导体(CMOS)显微相机配合机电控制系统采集米粒图像, 基于图像法实现精米外观品质多参数检测, 检测对象包括裂纹、 长宽、 垩白、 碎粒和黄粒。 以上述系统为基础, 为提高精米品种分类精度, 提出一种基于光谱-图像特征模型融合的精米品种分类方法。 以近红外光谱特征与多图像特征作为输入参数, 以精米品种编号作为输出参数, 基于偏最小二乘方法(PLS)建立品种分类融合模型。 在不同融合方案的建模过程中, 每种融合方案都采用变量投影重要性分析方法(VIP)实现融合模型输入参数的最优筛选, 然后通过不同融合方案分类精度对比确定最优融合模型。 最后, 开展精米外观品质多参数检测和不同精米品种分类方法性能对比实验。 结果表明, 建立的精米品种分类与外观品质多参数检测系统可以实现包括裂纹米率、 粒型、 垩白米率、 碎米率和黄粒米率的精米外观品质多参数检测, 检测精度范围为89.2%～97.0%; 提出的基于光谱-图像特征模型融合的精米品种分类方法相比于传统方法可以提高精米品种分类精度, 相比于传统方法中效果较好的近红外光谱法, 面向五常、 响水、 银水、 越光四种大米的分类精度可提高2.5%～7.5%。

温度是评估弹药热辐射毁伤的重要参数。 弹药在引爆后会在极短时间内压缩周围空气并向四周猛烈释放出大量能量, 伴随着能量释放弹药介质会急剧升温并形成火焰场, 通过测量、 分析火焰场的真温值, 便可以得到爆炸火焰的空间热辐射毁伤效应。 由于爆炸过程的强破坏性和瞬态性, 爆炸火焰的测量主要是依靠辐射测温法。 在以往研究中, 已有学者针对爆炸火焰测量研制了相应的辐射测温仪器, 但目前所研制的仪器只能测量出爆炸火焰在单波长下的亮温场, 而单波长亮温场无法实现真温值的计算。 针对这一问题, 研制了一套多光谱热成像仪, 该仪器采用多幅分光技术, 可实现爆炸火焰在同时刻、 不同波长下的分光成像, 并利用高速CCD相机进行数据采集, 最后依据多光谱辐射测温理论反演出爆炸火焰真温场。 多幅分光技术是由远距离多孔分光镜头所完成的, 该镜头主要分为两个部分: 主成像镜头和分光镜头。 主成像镜头的功能是对远距离爆炸火焰进行聚焦成像, 其所成图像经由单凸透镜汇聚到正后方的多孔分光镜头上。 多孔分光镜头内置分光光栏, 光栏上可镶嵌不同波长的窄带滤光片, 当入射光透过光栏上的窄带滤光片后, 透射光便为被测目标的单波长辐射能量。 远距离多孔分光镜头可对500 m以内的爆炸火焰进行成像, 并依据实际需求将分光光栏设计为四分光结构, 同时为方便滤光片更换将分光光栏做成了可插拔的形式。 该镜头自重约为0.75 kg, 可通过法兰片直接安装在高速CCD相机上, 完全满足野外测量要求。 为验证仪器的有效性, 对1.660 9 kg的TNT进行了爆炸火焰真温场实验。 实验结果表明: 在爆炸后0.1 ms时出现最高温度值3 251 K, 随着时间推移, 真温场逐渐扩大, 但其最高温度值在逐渐降低; 当时间为0.6 ms时, 最高温度值为2 483 K。

随着红外测温技术的快速发展, 红外测温仪在**及民用领域得到广泛应用, 对测量准确度的要求提升到了新的高度。 面源黑体辐射源作为非接触测温设备校准的核心装置, 近年来受到广泛的关注。 发射率是描述辐射源性能的重要指标, 目前缺少黑体表面形貌对发射率影响的研究。 面源黑体发射率主要由表面凸锥结构和涂覆涂层决定。 为设计出高发射率面源黑体, 以具有凸锥结构的面源黑体为基础模型, 引入间距及涂层结构, 建立具有不同表面结构参数、 单元间距及涂层厚度的面源黑体模型, 设置基底材料为石墨, 涂层材料为氮化硅, 通过有限元软件得到仿真模型的反射率, 利用反射率反演得到其发射率, 绘制3~14 μm范围内的光谱发射率曲线; 研究面源黑体表面的电场分布情况。 分析结构单元的宽高比、 涂层厚度和结构单元间距等参数对发射率的影响。 结构单元高度与发射率成正比、 较窄的宽度对发射率有优化作用, 发射率随宽高比的减小而增大。 涂层结构改变了光谱发射率的下降趋势, 在11 μm后发射率上升, 发射率随厚度增加而增大; 单元间距变化与发射率成正比。 设置初始面源黑体单元结构高度为10 μm、 宽度为1 μm, 在该模型上依次添加2 μm涂层及2 μm间距结构, 进行仿真计算。 优化后黑体辐射源在长波段具有优势, 在3~14 μm波段内光谱发射率稳定, 最低值为0.966; 电场分布图表明了三种结构因素对面源黑体表面能量的影响, 优化得到的模型参数可用于面源黑体的实际制造。 仿真结果表明较小宽高比、 较厚涂层、 较大间距具有提高发射率的能力, 为制造高辐射性能面源黑体辐射源提供了理论参考。

材料的未知发射率是辐射测温的一大障碍, 它导致了无法依靠单组测量数据获得材料的真实温度, 人们只能通过假定材料发射率模型来计算出材料的亮度温度等非真实温度。 基于这样的背景, Gardner J等科学家们提出了多光谱测温法并不断完善其理论, 如今多光谱测温广泛应用于高温和超高温测量、 高温目标的热性能测量、 真实温度动态测量等。 2005年, 孙晓刚提出了二次测量法, 二次测量法属于多光谱真温反演算法的一种, 其通过两组测量数据之间的迭代运算解决了反演真温与反演各波长下材料发射率的难题, 并且通过构建大量发射率模型来确保各波长下反演出的发射率的精度, 但是其在数学运算和软件运行中需要构建数量庞大的发射率模型库、 通过匹配库中所有发射率模型来得到真温最优解, 这不仅需要大量计算时间而且占用大量软件资源。 提出了新的多光谱真温快速反演方法, 理论推导出了的材料辐射能量当量与发射率之间的不等式方程组, 在二次测量法算法中添加了对发射率模型库优化筛选步骤, 这一措施能够筛选掉发射率模型库中不合理的模型以缩小发射率模型库的规模, 从而节省大量计算时间和软件资源。 首先进行了0.400~1.100波段的仿真实验, 实验中分别对六种发射率模型进行了多光谱真温快速反演方法和二次测量法的反演结果对比, 结果表明, 对于同一个被测目标在相同的温度初值和相同的发射率搜索范围下, 真温快速反演方法不仅保证了反演精度, 而且相比于二次测量法减少了29%～64%的发射率模型数和26%~57%的计算时间。 进行了0.574～0.914波段的实测对比实验, 实验结果表明对于相同条件下, 真温快速反演方法在保证精度的前提下, 相比于二次测量法减少了42%～48%的发射率模型数和35%~49%的计算时间。 实验证明真温快速反演方法可行, 对于大规模多光谱真温测量和在线多光谱真温测量有重要价值。

为提高红外微测辐射热计的光谱吸收率, 设计一种基于表面等离激元的金属光栅促吸收结构, 研究光栅结构参数对光谱吸收率的影响规律。 以金作为光栅材料, 利用等离激元的谐振结构, 克服金属材料的高反射特性, 增强红外微测辐射热计的红外吸收能力。 通过改变光栅的结构参数, 对等离子共振波长进行调节, 提高红外微测辐射计工作波段内的光谱吸收效率。 利用有限差分法, 分析光栅参数对光谱吸收率的影响机理, 研究金属光栅的周期、 占空比和高度对光谱吸收率的调控规律。 随着光栅周期由2 μm逐渐增加到5 μm, 吸收峰的峰值波长发生明显的红移现象, 吸收峰高度呈现出较明显的下降趋势。 随着光栅占空比从0.2逐渐增加到0.5, 红外吸收峰的峰值波长向短波长移动, 吸收峰高度也逐渐增高, 但吸收峰宽度逐渐变窄。 光栅厚度对吸收峰的峰值影响不大, 当厚度达到一定程度后, 峰值基本保持不变。 峰值波长随厚度增加出现不同程度的减小, 当厚度不足100 nm时, 峰值波长减小的程度较大, 随着厚度的继续增加, 下降趋势逐渐变缓, 基本维持在10.6 μm附近。 通过分析光栅结构参数对光谱吸收率的影响机理, 对光栅结构参数的进一步优化, 大幅提高氧化钒红外微测辐射热计的红外光谱吸收率, 8～14 μm的平均吸收率达61.6%, 峰值吸收率在99%以上。 金属光栅的光谱吸收率促吸收结构研究, 对高性能红外微测辐射热计的设计具有重要的指导意义。

太阳能热发电是高效利用太阳能资源的有效途径之一, 对缓解能源危机和环境污染具有重要的推动作用和深远的社会意义。 选择性吸收涂层是太阳能真空集热管的重要组成部分, 是决定太阳能与热能转换效率的关键因素。 针对高温状态下太阳能选择性吸收涂层光学性能的表征问题, 提出一种适用于高温金属-陶瓷选择性吸收涂层太阳光谱吸收率的测量方法。 基于双探测器的傅里叶光谱仪和具有涂层加热功能的积分球, 研制了能够防止高温氧化并模拟涂层工作温度的高真空测量装置, 实现0.3～2.5 μm、 室温-700 ℃太阳光谱吸收率的测量。 选取磁控溅射制备的Mo-SiO2选择性吸收涂层作为测量样品, 该样品具有双吸收层的多层膜结构。 对涂层样品不同温度下的太阳光谱吸收率进行了测量实验, 室温测量值与理论计算值进行了对比分析, 结果表明具有较好的一致性, 最大偏差仅为2.9%, 验证了涂层太阳光谱吸收率测量方法的可行性。 高温光谱吸收率测量对涂层参数设计的优化及吸收性能的提高具有重要的指导意义及推动作用。

针对探测器光谱响应度温漂现象对红外光谱发射率测量系统重复性的影响, 分析探测器温度与输出电压之间的变化规律, 提出了基于多项式拟合的光谱响应度温漂修正方法。 研究探测器自身温度与其光谱响应度的函数关系, 对探测器光谱响应度随温度变化的曲线进行数据拟合, 得到探测器温度-光谱响应度的拟合方程, 计算光谱响应度的温漂修正系数, 修正探测器的输出电压, 消除光谱响应度温漂现象对探测器输出电压造成的影响。 研制光谱响应度温漂修正装置, 测得探测器光谱响度的温漂曲线, 对比指数拟合曲线和多项式拟合曲线与测量曲线的吻合度, 结果表明6阶多项式拟合曲线的一致性较好, 提高了基于积分球反射计的光谱发射率测量系统的重复性。

引入线性发射率模型, 基于辐射测温方程组推导了三波段辐射测温方法的等温面方程, 该方程是测量信号矢量与测量信号系数矢量的点积。 根据测量信号系数矢量是温度的单值函数这一特征, 结合二分法求解非线性方程的优点, 提出了三通道辐射测温方法的存储二分法求解原理, 并进行了C++程序实现。 基于C++程序研究了特定测量信号矢量条件下的等温面方程曲线, 结果表明在较大的温度求解区间内该曲线具有单调特征, 随着V3的增加该曲线尾部逐渐上翘由负变正。 误差及时间复杂性分析结果表明二分数为Num时最大误差为(Tmax-Tmin)/2num+1, 求解过程包括3Num+1次乘法和2Num+1次加法, 没有除法和指数对数运算, 极大地提高了温度求解速度。