ZEMAX基于光纤阵列的等离子体多光谱测温系统设计(2)
1．2 国内外研究状况
1．3 本文的主要工作以及达到的效果
本文要达到的效果：
针对上面各方法的优劣，本文提出了设计一个能够适应多种常用元素一般光谱范围接收的光纤阵列多光谱测温系统，能够用于多种场合温度的瞬时测量，本系统的设计选用了H的2条特征谱线、He的3条特征谱线、Ni的3条特征谱线、Cu的4条特征谱线以及Al的2条特征谱线作为最终仿真的ZEMAX系统设计。其中各元素的应用范围为：
Cu：火炮炮管中含有，可用于火炮炮管温度测试，更好的评定炮管使用寿命
Al：火炮弹丸中含有，可用于弹丸出膛时的温度测试
Ni：可作为发射导轨材料或者钢铁冶炼时候作为不锈钢材料的添加元素
H和He：多数气体爆炸时会产生含H和He的等离子体，可用于气体爆炸时的温度测试
本文的主要工作是：
1 遴选出跃迁几率大、光谱线强度比较一致的各元素特征波长。
2 研究了在光斑不重合条件下光栅常数、偏转角和汇聚球面镜焦距之间的关系。
3 选择合适的初始光栅常数及偏转角，和球面镜焦距，用ZEMAX仿真出点列图,调整各个参数，使点列图成较好的光斑并且尽可能分离。
4 由于光栅分辨率及球面镜像差的影响，相隔较近的光斑还是无法分离，根据点列图，对1中的波长作重新舍取以达到2中所述的条件。
5 按照所设计的光路图，通过几何光学原理计算出各波长在光纤阵列上的相对位置，并通过直线拟合验证波长与光斑距离的线性性。
6 根据ZEMAX的仿真结果，在点列图中读出各光斑中心相对位置，并通过直线拟合验证波长与光斑距离的线性性。
7 信号采集系统中探测器的选择。
8 激发温度数据处理方法。
9 辐射温度数据处理方法。
10 根据特征光谱成像的光斑大小来决定光纤阵列的宽度，光栅光谱分辨率来决定这个光纤阵列需要多长（覆盖所有波长），从而确定光纤阵列接收器参数。
本套测温系统大致框图如下系统结构框图2 光谱测温测量原理
2.1激发温度测量数学模型
根据原子光谱发射理论，处于激发态的电子总有跃迁到较低能态的趋势。当两个能级间角动量J的差满足 时，这种跃迁是允许的，但从 到 的跃迁是禁止的。在两个不同的能级 和 产生跃迁时，会发射出特定波长 的光谱线。
（2.1）
其中， 为普朗克常数， 。应该注意，电子的去激发过程既可通过辐射来实现，也可通过碰撞来实现。
按规定，把光电子未受激发时所处能级的能量定为零，即 ，称为基态。我们把跃迁发生在最低激发态和基态之间时，产生的原子谱线叫共振线。若能量以 表示，则可根据 ，直接计算出谱线的波长。等离子体光源激发的光谱主要是离子线。在光谱学中，常在谱线波长前加上罗马字I，II，III…分别表示原子谱线、一级离子谱线、二级离子谱线。
如果电子跃迁由激发态向低激发态或基态，此时激发态原子数必定与所产生的发射线强度有关。一般来说，在同一激发源中，同一物质的大量原子、其电子在原于不同能级上的分布是有一定规律的。
如果把原子的两种激发态能量分别记为 和 ，则对应的总角动量为 和 ，把某一能级的统计权重定义为 ， 表示某一能级对总能级的能量贡献。
玻尔兹曼(Boltzmann)运用统计方法得出了两个能级之间的平衡关系式：
(2.2)