《Sensors》：Development of Robust Ratio Linear Fitting Method of Temperature and Emissivity Separation for High-Temperature Data
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从热红外辐射中准确分离温度与发射率是高温实验室条件下表征材料的关键。现有温度与发射率分离方法多面向多光谱遥感应用，长大气路径需大量大气补偿；本研究考虑短光程高光谱实验室测量，大气效应较小但部分光谱测量不确定度仍较高。所用ABB MR304 FTIR光谱仪在约2
从热红外辐射中准确分离温度与发射率是高温实验室条件下表征材料的关键。现有温度与发射率分离方法多面向多光谱遥感应用，长大气路径需大量大气补偿；本研究考虑短光程高光谱实验室测量，大气效应较小但部分光谱测量不确定度仍较高。所用ABB MR304 FTIR光谱仪在约2.5 μm以下光学透射降低，含大量温度信息的光谱区不确定度增大。为此研究人员提出改进灰体发射率(Gray Body Emissivity, GBE)法的稳健比值线性拟合(Robust Ratio Linear Fitting, RRF)法，结合稳健线性回归、光谱掩膜与迭代温度细化。算法以高温计测量验证检索温度，以SOC-100半球方向反射计高精光谱发射率库验证检索光谱发射率。将算法用于等离子体炬加热碳酚醛样品、MR304 FTIR测量的辐射数据，检索温度平均绝对百分比误差3.05%，光谱发射率相对SOC-100参考测量平均绝对百分比误差3.13%。该方法在低温下（普朗克辐射峰值落入剔除光谱区）失效，但在所述实验条件的高温室温实验室FTIR测量中可提供准确温发射率检索。
研究背景与动机
在高超声速气动加热、等离子体炬加热等极端热环境中，材料表面温度可达2500 K以上，直接测量光谱发射率不再可行，且发射率随温度变化。从热红外辐射中分离温度与光谱发射率是获取材料本征辐射特性的首要步骤。过去四十年发展的温度与发射率分离算法（如Channel 6、Split-Window、归一化发射率法NEM、线性光谱发射率约束法LSEC）主要面向星载/机载多光谱遥感，针对长光程大气补偿设计；而实验室高光谱FTIR（如ABB MR304）光程短、大气影响小，却在短波侧（<2.5 μm）因光学透射下降导致信噪比低，而该波段恰含高温目标大部分温度信息。直接套用LSEC等方法会出现温度收敛至搜索上限、发射率整体偏低的问题。因此需发展适配“短光程+短波不确定度高+残存大气吸收带”这一特定实验条件的分离算法。
研究目标与总体设计
研究人员在空军理工学院(AFIT)用SOC-100半球方向反射计建立碳酚醛样品低温（≤800 K）光谱发射率参考库（1.5–25 μm，分辨率16 cm?1，天顶角10°–80°）；在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校Plasmatron X设施用等离子体炬将同一样品加热至>2500 K，通过观测窗以MR304 FTIR（≈2–15 μm）采谱，并以Fluke与Heitronics双高温计同步测温作参考。在此基础上提出RRF法，并在同数据集上与LSEC对比。
主要关键技术方法
研究人员采用三黑体（500、1000、1250 °C）三点线性外推完成MR304辐射定标；以SOC-100低温光谱发射率库经线性插值至FTIR波栅作基准；RRF法核心为：对候选温度用普朗克定律算黑体辐射，将测量辐射作为因变量、普朗克辐射作为自变量，调用MATLAB robustfit做迭代重加权最小二乘（bisquare权），光谱掩膜剔除2.54–2.82 μm、4.19–4.37 μm、5.51–6.93 μm大气带；温度搜索250–3000 K，逐级细化步长100/10/1/0.1/0.01 K，以回归残差中位数绝对偏差(MAD)最小选优，并要求灰体发射率0<ε<1。样本队列为单一碳酚醛圆盘（5.378 g，6.52 mm厚），等离子体加热段约33>
研究结果
4.1 SOC-100测量
SOC-100显示碳酚醛平均光谱发射率在2–14 μm较平坦，天顶角<50°时角向依赖弱，>50°近掠入射略降；FTIR实测几何为约82°掠角，研究人员将70°–80°趋势外推至82°作参考，承认引入额外不确定度但支撑后续比较。
4.2 温度与发射率分离结果
4.2.1 LSEC法结果
LSEC在高温段频繁把温度推到搜索上限（接近3000 K），与高温计偏差大；因短波(<2.5 μm)不确定度被普朗克函数放大，温度过估直接导致由ε=L/(εgrayB(T))反算的发射率全谱偏低，图12示例全谱低于SOC-100参考0.1–0.2。
4.2.2 RRF法结果
RRF在全高温段温度曲线与双高温计吻合（图14），352帧检索温度对高温计MAPE 3.05%；反算光谱发射率与SOC-100外推82°参考谱形一致，全谱MAPE 3.13%。低温段（<1000 K）普朗克峰值落入5.51–6.93 μm被掩膜区，灰体拟合失约束，例图15关约束后得ε≈5.39，证明该法仅适用于峰值在可用谱段内的高温状态。
结论部分翻译
本研究提出稳健比值线性拟合(RRF)法，一种面向高温实验室高光谱FTIR测量的温度与发射率分离算法。不同于面向多光谱遥感需大气补偿的既有方法，RRF专为短光程但短波不确定度高的实验室条件设计。以等离子体炬加热近2500 K碳酚醛样品评价，温度检索对高温计MAPE 3.05%，光谱发射率对SOC-100参考MAPE 3.13%。相较LSEC，RRF借稳健回归抑制短波异常权值，在高温段温度稳定、发射率准确。局限在于<约1000>
