基于調頻輻射光源的多傳感器成像溫度場測量方法及裝置與流程

本發明涉及溫度檢測技術領域，尤其涉及一種基于調頻輻射光源的多傳感器成像溫度場測量方法及裝置。

背景技術：

在能源動力、石油化工、航空航天等領域，輻射測溫儀器具有廣泛的應用需求，例如電站爐膛內部溫度測量與控制、內燃機燃燒溫度診斷、燒蝕材料表面溫度測量、熱環境試驗中的結構試驗件溫度分布測量等。傳統的熱電偶接觸式測溫手段，由于測溫范圍、響應速度的局限性，目前正在逐步被性能穩定、非接觸式的光學測溫設備所取代，在高溫測量領域，非接觸輻射光學測溫技術具有獨特的技術優勢，是高溫測量可選擇的先進技術之一。

由于溫度場測量需求，基于圖像光電傳感器的光學測溫技術在溫度場測量方面展現出了極大的優勢，許多研究機構應用圖像光電傳感器開展了高溫輻射溫度場的測量研究工作，其中具有代表性的應用模式之一，發展基于彩色CCD/CMOS圖像傳感器的輻射測溫技術，RGB彩色濾色陣列實現彩色復現，提供了紅、綠、藍三個顏色通道，利用三個顏色通道的波段響應，結合特定的發射率模型，實現了溫度場的測量計算。

此類輻射測溫技術的局限性體現在：(1)溫度測量準確性強烈地依賴于發射率數據或發射率假設模型，光譜發射率與材料成分、表面狀態、溫度、波長等因素復雜相關，發射率的準確測量一直是計量領域的難點問題，發射率的未知性與不確定性就是輻射溫度準確測量的關鍵障礙，這是大多數輻射測溫所無法回避的難點問題。(2)基于彩色圖像傳感器的溫度場測量技術，采用具有固定光譜響應的RGB濾陣，以實現三個光譜通道的輻射測量，但是測量光譜無法自由調整，固定的測量光譜限制了輻射測溫技術的應用，例如：A)無法屏蔽測量干擾光譜；B)短波可見光光譜僅適合于高溫測量。(3)溫度測量范圍通常受限于彩色圖像傳感器的動態范圍，對于具有大溫度梯度的物體表面，無法在一次彩色成像時，實現非失真的場測量。

因此，針對現有方法應用的局限性及上述關鍵難點問題，發展一種不依賴于發射率數值或發射率假設模型、具有可調整光譜、適用于中高溫溫度區間、大溫度梯度物體測量的溫度場動態測量方法，將是非常必要的。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種基于調頻輻射光源的多傳感器成像溫度場測量裝置，用于大溫度梯度物體的溫度場的測量。

為此目的，通過本發明實施例提供了一種基于調頻輻射光源的多傳感器成像溫度場測量裝置，包括：朝向待測物體的輻射測量設備和調頻輻射光源；所述輻射測量設備包括多個不同光譜響應波段的面成像傳感器；

其中，所述不同光譜響應波段的面成像傳感器對應不同的溫度測量范圍；所述輻射測量設備的溫度測量范圍為多個所述面成像傳感器的溫度測量范圍的疊加；

所述輻射測量設備用于在所述調頻輻射光源關閉的狀態下通過不同的面成像傳感器探測得到所述待測物體的預設位置輻射的第一輻射強度以及在所述調頻輻射光源開啟的狀態下通過不同的面成像傳感器探測得到第二輻射強度；其中，所述第二輻射強度為所述調頻輻射光源發出的經待測物體反射的輻射強度和所述待測物體預設位置的輻射強度之和；

所述待測物體的預設位置的輻射溫度為根據所述第一輻射強度、所述第二輻射強度以及所述調頻輻射光源自身的輻射強度確定的。

優選的，不同的所述面成像傳感器的成像像素在空間上一一對應。

優選的，不同的所述面成像傳感器具有相同光學視場。

優選的，該裝置還包括：帶通濾光片，所述帶通濾光片設置在所述面成像傳感器的輻射信號采集入口處。

優選的，所述面成像傳感器的采集頻率是所述調頻輻射光源的調制頻率的偶數倍；

其中，所述調頻輻射光源的調制頻率為所述調頻輻射光源開啟或關閉的頻率。

另一方面，本發明實施例還提供了一種基于調頻輻射光源的多傳感器成像溫度場測量方法，包括：利用朝向待測物體的輻射測量設備和調頻輻射光源；所述輻射測量設備包括多個不同光譜響應波段的面成像傳感器；其中，所述不同光譜響應波段的面成像傳感器對應不同的溫度測量范圍；所述輻射測量設備的溫度測量范圍為多個所述面成像傳感器的溫度測量范圍的疊加；

所述方法包括：

在所述調頻輻射光源關閉的狀態下，通過不同的面成像傳感器探測得到所述待測物體的預設位置輻射的第一輻射強度；

在所述調頻輻射光源開啟的狀態下，通過不同的面成像傳感器探測得到所述待測物體的預設位置輻射的第二輻射強度；其中，所述第二輻射強度為所述調頻輻射光源發出的經待測物體反射的輻射強度和所述待測物體預設位置的輻射強度之和；

根據所述第一輻射強度、所述第二輻射強度以及所述調頻輻射光源自身的輻射強度確定所述待測物體的預設位置的輻射溫度。

優選的，所述根據第一輻射強度、所述第二輻射強度度以及所述調頻輻射光源自身的輻射強度確定所述待測物體的預設位置的輻射溫度，具體采用以下公式進行計算：

其中，T是任一像素所對應的物體表面測量位置區域的溫度；N是面成像傳感器的數量；λ_i、λ_i+Δλ_i是第i個傳感器通道的響應波段起始、終止波長；Δλ_i是通道響應的波段帶寬；η_i是第i個傳感器的增益；V_i,1表示在調頻輻射光源關閉狀態下，第i個傳感器通道測量輸出的有效輻射強度信號，即第一輻射強度；V_i,2表示在調頻輻射光源開啟狀態下，第i個傳感器通道測量輸出的有效輻射強度信號，即第二輻射強度；ε_i表示在第i個傳感器光譜通道的物體表面測量位置區域的發射率；I_b(λ,T)表示在與物體表面測量位置區域具有相同溫度的黑體光譜輻射強度，是溫度T、波長λ的函數；I_e(λ)是調頻輻射光源開啟狀態時自身的光譜輻射強度。

優選的，不同的所述面成像傳感器的成像像素在空間上一一對應。

優選的，不同的所述面成像傳感器具有相同光學視場。

優選的，所述面成像傳感器的輻射信號采集入口處設有帶通濾光片。

本發明實施例提供的基于調頻輻射光源的多傳感器成像溫度場測量裝置和方法，通過多個不同光譜響應波段的面成像傳感器，在調頻輻射光源開啟和關閉兩種狀態下分別探測得到待測物體的輻射強度，進而可以計算出待測物體的測溫區域的溫度，實現了在未知發射率情形下的溫度場非接觸在線測量，克服了現有輻射溫度測試方法對發射率數據的依賴性、發射率假設模型的局限性缺陷，由于不同光譜響應波段的面成像傳感器對應不同的溫度測量范圍，從而擴大了溫度測量范圍，克服了現有輻射溫度測試方法測溫范圍有限性和測溫光譜局限性的缺陷。

附圖說明

通過參考附圖會更加清楚的理解本發明的特征和優點，附圖是示意性的而不應理解為對本發明進行任何限制，在附圖中：

圖1為本發明實施例提供的一種基于調頻輻射光源的多傳感器成像溫度場測量裝置的結構示意圖；

圖2為本發明實施例提供的一種基于調頻輻射光源的多傳感器成像溫度場測量方法的流程示意圖。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明的實施例進行詳細描述。

如圖1所示，本發明實施例提供了一種基于調頻輻射光源的多傳感器成像溫度場測量裝置，該裝置包括：朝向待測物體3的輻射測量設備1和調頻輻射光源2；所述輻射測量設備1包括多個不同光譜響應波段的面成像傳感器；

其中，所述不同光譜響應波段的面成像傳感器對應不同的溫度測量范圍；所述輻射測量設備1的溫度測量范圍為多個所述面成像傳感器的溫度測量范圍的疊加；

所述輻射測量設備1用于在所述調頻輻射光源2關閉的狀態下通過不同的面成像傳感器探測得到所述待測物體3的預設位置輻射的第一輻射強度以及在所述調頻輻射光源2開啟的狀態下通過不同的面成像傳感器探測得到第二輻射強度；其中，所述第二輻射強度為所述調頻輻射光源2發出的經待測物體3反射的輻射強度和所述待測物體3預設位置的輻射強度之和；

所述待測物體3的預設位置的輻射溫度為根據所述第一輻射強度、所述第二輻射強度度以及所述調頻輻射光源2自身的輻射強度確定的。

具體的，為了實現目標物體的多通道成像測量，該輻射測量設備1包括多個不同光譜響應波段的面成像傳感器，多個面成像傳感器的數量可以為2個、3個或4個。面成像傳感器可以具有可見光或近紅外或紅外光譜響應特征。優選的，為了優化光譜的測量，去除干擾光譜，本發明實施例提供的裝置還可以包括：帶通濾光片，所述帶通濾光片設置在所述面成像傳感器的輻射信號采集入口處。需要說明的是，通過面成像傳感器的選擇和帶通濾光片的選擇，可以形成具有不同光譜響應波段的測量通道，解決目前彩色圖像傳感器(例如彩色CCD、CMOS傳感器)的測量光譜局限性問題。

其中，可以通過分光光學設計，使多個面成像傳感器具有相同的光學視場，并且多個面成像傳感器可以進行輻射強度信號的同步采集。該調頻輻射光源2可以集成于輻射測量設備1的前端，可以采用環形光源設計，調頻輻射光源2和輻射測量設備1也具有相同的光學視場區域。其中，調頻輻射光源2可以為碳化硅紅外調頻輻射光源。調頻輻射光源2開啟時自身的輻射強度出廠時即為已知量，或者可以通過標準輻射照度計測量獲得調頻輻射光源2自身的輻射強度。進一步的，調頻輻射光源2的光譜范圍與面成像傳感器的光譜范圍一致。

需要說明的是，在調頻輻射光源2條件下，通過一個面成像傳感器已經可以實現溫度場的測量，但是溫度的測量范圍受限于面成像傳感器的光譜響應動態范圍影響，傳感器一次成像所測量的溫度有效范圍較小，本發明實施例為了擴大溫度測量范圍，采用多個面成像傳感器融合成像測量方案，通過不同的面成像傳感器測量不同的溫度區間，通過溫度場分區測量方法，提高溫度的測量范圍，以解決現有測溫技術的測溫范圍有限性的缺陷。

溫度場分區測量方法的原理如下：對于固定的傳感器動態范圍，一次成像時，光譜通道i的溫度范圍帶寬為ΔT_i，對于每個光譜通道i，可以通過調節傳感器增益η_i以控制輸出信號的強度，實現(T_i,T_i+ΔT_i)溫度子區間溫度的有效測量。當每個光譜通道的溫度子區間不重疊，多傳感器融合成像的測溫范圍的溫度帶寬將擴大至此即為基于多傳感器成像的溫度場分區測量方法的基本原理。

下面以兩個面成像傳感器為例進行說明，為了進行區分，分別稱為第一面成像傳感器11和第二面成像傳感器12，第一面成像傳感器11和第二面成像傳感器12可以測量不同的溫度區間，從而進行溫度場分區測量。第一面成像傳感器11和第二面成像傳感器12形成兩個獨立的光譜通道，在傳感器動態范圍影響下，一次成像時，第一面成像傳感器11光譜測量通道的溫度范圍帶寬為ΔT₁(如500℃)，測量溫度區間可以為200℃-700℃，第二面成像傳感器12的光譜測量通道的溫度范圍帶寬為ΔT₂(如500℃)，測量溫度區間可以為700℃-1200℃。從而，雙通道傳感器融合成像的測溫范圍可以為ΔT₁+ΔT₂(如1000℃)，測量溫度區間可以為200℃-1200℃。需要說明的是，當待測物體3的測溫位置區域的溫度不在面成像傳感器的測溫區間內時，形成的圖像失真。換句話說，當面成像傳感器形成的圖像失真時，表示測溫位置區域的溫度超出該傳感器的測溫區間，從而可以由另一通道的面成像傳感器進行光譜輻射強度的探測，通過另一通道采集的第一輻射強度和第二輻射強度進行待測物體3的測溫位置區域的溫度計算。

需要解釋的是，輻射測量設備1在調頻輻射光源2開啟狀態下(即待測物體受到光照條件下)獲得多通道有效輻射強度，多通道有效輻射強度是分別由多個傳感器測量得到的有效輻射強度。光照條件下，測量得到的有效輻射強度包括物體表面自發輻射強度和物體表面反射的來自于調頻輻射光源2的輻射強度。調頻輻射光源2在調頻過程中，當處于關閉狀態時，物體表面反射的來自于調頻輻射光源2的輻射強度為零；調頻輻射光源2在調頻過程中，處于開啟狀態時，物體表面反射的來自于調頻輻射光源2的輻射強度表現為開啟的調頻輻射光源2在物體表面反射的輻射強度。換句話說，即在調頻輻射光源2開啟狀態下，輻射測量設備1采集的第二輻射強度為調頻輻射光源2發出的經待測物體3反射的輻射強度和待測物體3自身的輻射強度之和；在調頻輻射光源2關閉狀態，輻射測量設備1采集的第一輻射強度為物體自身的輻射強度。

對于多個面成像傳感器測量圖像中的任一像素，光源照射條件下的多通道有效輻射強度測量信號為：

其中，T是任一像素所對應的物體表面測量位置區域的溫度，為所求的未知量；N是面成像傳感器的數量，為已知量；λ_i、λ_i+Δλ_i是第i個傳感器通道(已考慮傳感器與帶通濾光片的綜合光譜響應)的響應波段起始、終止波長，為已知量；Δλ_i是通道響應的波段帶寬；η_i是第i個傳感器的增益，為已知量；V_i,1表示在調頻輻射光源2關閉狀態下，第i個傳感器通道測量輸出的有效輻射強度信號，即第一輻射強度，為測量已知量；V_i,2分別表示在調頻輻射光源2開啟狀態下，第i個傳感器通道測量輸出的有效輻射強度信號，即第二輻射強度，為測量已知量；ε_i表示在第i個傳感器光譜通道的物體表面測量位置區域的發射率，為未知量；I_b(λ,T)表示在與物體表面測量位置區域具有相同溫度的黑體光譜輻射強度，是溫度T、波長λ的函數，為非獨立未知量，可以將其歸結為由溫度T所決定的物理量；I_e(λ)是調頻輻射光源2開啟狀態時自身的光譜輻射強度，為已知量。在一種本發明實施例中，λ₁＝4.75μm，Δλ₁＝100nm，λ₂＝9.95μm，Δλ₂＝100nm。

由上述公式(1)可知，包含兩個方程，包含兩個未知量T和ε_i，從而對于任一光譜通道i，通過在調頻輻射光源2關閉和開啟狀態下分別探測得到的第一輻射強度和第二輻射強度，就可以求解出待測物體3的測量位置區域的溫度T。即表明通過1個成像光譜測量通道，實現了在未知發射率情形下的溫度場非接觸在線測量，克服了現有輻射溫度測試方法對發射率數據的依賴性、發射率假設模型的局限性。

需要說明的是，當第i個傳感器通道的成像圖像失真時，表示超出了第i個傳感器的測溫區間，進而可以選擇其他成像圖像不失真的傳感器通道的輻射強度測量數據(即第一輻射強度和第二輻射強度)和響應波段起始、終止波長，代入上述公式(1)中進行計算，得到待測物體3的測溫位置區域的溫度。

在上述實施例的基礎上，不同的所述面成像傳感器的成像像素在空間上一一對應。以兩個面成像傳感器為例，第一面成像傳感器11的每個像素的位置與第二面成像傳感器12的每個像素的位置一一對應。第一面成像傳感器11可以具有3～5μm的紅外光譜響應，在第一面成像傳感器11前可以配置4.8μm的帶通濾光片，波段帶寬100nm。第二面成像傳感器12可以具有8～12μm長波紅外光譜響應，在第二面成像傳感器12前可以配置108μm的帶通濾光片，波段帶寬100nm。

進一步優選的，所述面成像傳感器的采集頻率是所述調頻輻射光源2的調制頻率的偶數倍；其中，所述調頻輻射光源2的調制頻率為所述調頻輻射光源2開啟或關閉的頻率。

具體的，調頻輻射光源2以一定的頻率調制，調制是指調頻輻射光源2在開啟和關閉兩種狀態下切換。調頻輻射光源2的調制頻率是指調頻輻射光源2開啟或者關閉的頻率，即一個周期內包括開啟和關閉兩種狀態。舉例來說，光源調制頻率可以為20HZ，即表示在一秒內存在20個周期，開啟或者關閉20次，存在20個開啟狀態，20個關閉狀態。從而為了在每次關閉狀態下都能夠探測到第一輻射強度，在每次開啟狀態下都能夠探測到第二輻射強度，輻射測量設備1的采集頻率應當是光源調制頻率的偶數倍，如可以是40HZ，即一秒內探測40次。

本發明實施例提供的基于調頻輻射光源的多傳感器成像溫度場測量裝置，通過多個不同光譜響應波段的面成像傳感器，在調頻輻射光源開啟和關閉兩種狀態下分別探測得到待測物體的輻射強度，進而可以計算出待測物體的測溫區域的溫度，實現了在未知發射率情形下的溫度場非接觸在線測量，克服了現有輻射溫度測試方法對發射率數據的依賴性、發射率假設模型的局限性缺陷，由于不同光譜響應波段的面成像傳感器對應不同的溫度測量范圍，從而擴大了溫度測量范圍，克服了現有輻射溫度測試方法測溫范圍有限性和測溫光譜局限性的缺陷。

另一方面，如圖2所示，本發明實施例還提供一種基于調頻輻射光源的多傳感器成像溫度場測量方法，該方法可以采用上述實施例所述的基于調頻輻射光源的多傳感器成像溫度場測量裝置進行溫度場測量，該方法包括：利用朝向待測物體3的輻射測量設備1和調頻輻射光源2；所述輻射測量設備1包括多個不同光譜響應波段的面成像傳感器；其中，所述不同光譜響應波段的面成像傳感器對應不同的溫度測量范圍；所述輻射測量設備1的溫度測量范圍為多個所述面成像傳感器的溫度測量范圍的疊加；

所述方法包括以下步驟：

S1：在所述調頻輻射光源2關閉的狀態下，通過不同的面成像傳感器探測得到所述待測物體3的預設位置輻射的第一輻射強度；

S2：在所述調頻輻射光源2開啟的狀態下，通過不同的面成像傳感器探測得到所述待測物體3的預設位置輻射的第二輻射強度；其中，所述第二輻射強度為所述調頻輻射光源2發出的經待測物體3反射的輻射強度和所述待測物體3預設位置的輻射強度之和；

S3：根據所述第一輻射強度、所述第二輻射強度度以及所述調頻輻射光源2自身的輻射強度確定所述待測物體3的預設位置的輻射溫度。

優選的，步驟S3根據第一輻射強度、所述第二輻射強度以及所述調頻輻射光源2自身的輻射強度確定所述待測物體3的預設位置的輻射溫度，具體采用以下公式(2)進行計算：

其中，T是任一像素所對應的物體表面測量位置區域的溫度；N是面成像傳感器的數量；λ_i、λ_i+Δλ_i是第i個傳感器通道的響應波段起始、終止波長；Δλ_i是通道響應的波段帶寬；η_i是第i個傳感器的增益；V_i,1表示在調頻輻射光源關閉狀態下，第i個傳感器通道測量輸出的有效輻射強度信號，即第一輻射強度；V_i,2表示在調頻輻射光源開啟狀態下，第i個傳感器通道測量輸出的有效輻射強度信號，即第二輻射強度；ε_i表示在第i個傳感器光譜通道的物體表面測量位置區域的發射率；I_b(λ,T)表示在與物體表面測量位置區域具有相同溫度的黑體光譜輻射強度，是溫度T、波長λ的函數；I_e(λ)是調頻輻射光源開啟狀態時自身的光譜輻射強度。

優選的，不同的所述面成像傳感器的成像像素在空間上一一對應。

優選的，不同的所述面成像傳感器具有相同光學視場。

優選的，所述面成像傳感器的輻射信號采集入口處設有帶通濾光片。

對于與測量裝置實施例對應的上述基于調頻輻射光源的多傳感器成像溫度場測量方法實施例而言，由于其與裝置實施例基本相似，達到的技術效果也與裝置實施例起到的效果相同，所以描述的比較簡單，相關之處參見裝置實施例的部分說明即可。

本發明實施例提供的基于調頻輻射光源的多傳感器成像溫度場測量方法，通過多個不同光譜響應波段的面成像傳感器，在調頻輻射光源開啟和關閉兩種狀態下分別探測得到待測物體的輻射強度，進而可以計算出待測物體的測溫區域的溫度，實現了在未知發射率情形下的溫度場非接觸在線測量，克服了現有輻射溫度測試方法對發射率數據的依賴性、發射率假設模型的局限性缺陷，由于不同光譜響應波段的面成像傳感器對應不同的溫度測量范圍，從而擴大了溫度測量范圍，克服了現有輻射溫度測試方法測溫范圍有限性和測溫光譜局限性的缺陷。

需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關系術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關系或者順序。而且，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。術語“上”、“下”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

本發明的說明書中，說明了大量具體細節。然而能夠理解的是，本發明的實施例可以在沒有這些具體細節的情況下實踐。在一些實例中，并未詳細示出公知的方法、結構和技術，以便不模糊對本說明書的理解。類似地，應當理解，為了精簡本發明公開并幫助理解各個發明方面中的一個或多個，在上面對本發明的示例性實施例的描述中，本發明的各個特征有時被一起分組到單個實施例、圖、或者對其的描述中。然而，并不應將該公開的方法解釋成反映如下意圖：即所要求保護的本發明要求比在每個權利要求中所明確記載的特征更多的特征。更確切地說，如權利要求書所反映的那樣，發明方面在于少于前面公開的單個實施例的所有特征。因此，遵循具體實施方式的權利要求書由此明確地并入該具體實施方式，其中每個權利要求本身都作為本發明的單獨實施例。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。本發明并不局限于任何單一的方面，也不局限于任何單一的實施例，也不局限于這些方面和/或實施例的任意組合和/或置換。而且，可以單獨使用本發明的每個方面和/或實施例或者與一個或更多其他方面和/或其實施例結合使用。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求和說明書的范圍當中。