基于双目磷光成像的三维温度场内窥测量系统

本发明涉及工业内窥检测与精密光学测温技术，具体涉及基于双目磷光成像的三维温度场内窥测量系统。

背景技术：

1、在能源、航空航天、先进制造及化工过程等关键工业领域中，对封闭、复杂或运动部件内部进行精准的温度监测是保障设备安全、评估运行效率、预测寿命和优化设计的关键。例如，燃气轮机燃烧室、航空发动机涡轮叶片、核反应堆内部构件以及微电子芯片封装体内部的真实温度分布，直接决定了系统的性能极限与可靠性。因此，发展一种能够深入狭窄空间，对具有复杂三维形貌的热端表面进行全场、非接触、高精度温度测量的技术，具有迫切的工业需求。

2、当前，实现设备内部测温的传统方法主要依赖于热电偶、热电阻等接触式传感器。这类方法存在固有的局限性：

3、侵入性与破坏性：需要在被测工件上开孔、布线和固定传感器，可能破坏其结构完整性、密封性或电磁屏蔽性能；

4、信息局限性：通常仅能获取离散点的温度数据，难以捕捉连续的温度场分布与梯度，尤其无法适应复杂曲面；

5、动态响应与安装限制：难以应用于高速旋转、剧烈振动的部件，或空间极度受限、无法布线的场景。

6、非接触式的红外热成像技术虽能实现二维温度分布测量，但在内窥探测应用中面临严峻挑战：其测量精度高度依赖于被测表面的发射率，而工业设备内腔表面往往材质多样、氧化状态不一且几何形状复杂，导致发射率难以标定且空间变化剧烈。此外，内窥视角受限引起的观测角度倾斜会进一步引入显著的测量误差，使其在封闭空间内的定量测温可靠性不足。

7、基于磷光衰减寿命的光学测温技术，因其寿命信号是材料的内在物理属性，与激发光强、探测距离及视角变化无关，展现出优异的抗干扰能力和测量精度，被认为是极具潜力的解决方案。然而，现有的实验室级磷光寿命三维测温系统通常依赖空间分离的多相机同步观测，通过立体视觉重建形貌后再关联温度信息。这种方案体积庞大、结构复杂，完全无法适配工业内窥镜所要求的细长插入管（通常直径为φ6mm-φ10mm）及毫米级紧凑头部的严苛空间约束，导致该高性能技术长期无法应用于管道、腔体等封闭狭窄环境。

8、现有具备立体视觉功能的工业内窥镜，其主要用途仍局限于宏观形貌检查与尺寸测量，其光学系统与成像逻辑并未针对非接触式、高精度的温度场感知进行设计，完全不具备同步获取三维形貌与温度分布的能力。

9、因此，现有技术缺乏一种能够在有限空间内，将实现三维温度映射所必需的多视角成像光路、时间分辨信号采集与磷光寿命激发探测功能高度集成的系统。如何攻克这一技术瓶颈，实现封闭设备内部复杂曲面全场温度与三维形貌的同步、精确测量，是本领域长期悬而未决的技术难题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于双目磷光成像的三维温度场内窥测量系统，以解决现有技术中无法在工业封闭设备的狭窄空间内，对复杂曲面实现非接触、高精度、全场三维温度场同步测量的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于双目磷光成像的三维温度场内窥测量系统，所述内窥测量系统配置为对涂覆有磷光涂层的被测目标进行非接触式三维温度场测量的集成光学探测系统，该集成光学探测系统包括：

3、内窥镜主体，为工业级硬性或半硬性结构，包括插入管与光学头部，用于深入设备内部狭窄空间以对复杂曲面目标进行三维温度场测量；

4、脉冲激发光源模块，配置于内窥镜主体外部或近端，用于产生与磷光涂层激发光谱匹配的脉冲光，并通过内置于插入管中的导光机构将脉冲光引导至被测目标表面以激发磷光；

5、光学成像模块，集成于内窥镜主体的头部，包括沿光路依次设置的分光棱镜、凸透镜组和窄带滤光片，其中分光棱镜具有两个呈2°至15°夹角的入射面，用于从一个共用的物理孔径接收来自被测目标表面且具有固定视差的两路磷光信号，以形成内置的立体视觉基线；凸透镜组用于将所述两路磷光信号同时中继成像至同一像面，窄带滤光片用于滤除非磷光特征波长的杂散光；

6、信号采集模块，包括cmos图像传感器，用于接收经光学成像模块处理后的光信号，并输出包含两路磷光信号的混合图像序列，其中由分光棱镜两个入射面所获取的左视角光信号与右视角光信号，经凸透镜组合并后，在cmos图像传感器的感光面上分别形成左右并置、由一条物理暗带清晰分隔的两个独立成像区域；

7、数据处理模块，与信号采集模块通信连接，用于对混合图像序列进行处理，同步重建被测目标的三维形貌并解算其表面温度分布，融合生成三维温度场。

8、进一步地，光学头部腔体内设有一45°角二分镜，其配置为对脉冲激发光的波段高反，并对磷光的发射波段高透，脉冲激发光经二分镜反射后，被导向光学头部前端的环状导光腔，并形成环绕分光棱镜视场的激发光环。

9、进一步地，信号采集模块还包括精密同步控制器，其同步逻辑配置为：首先触发脉冲激发光源模块发射一个脉冲，并在脉冲发射后，延迟一定时间以避开强反射干扰，再触发cmos图像传感器开始一次高速连续帧采集序列，以完整捕捉磷光强度的衰减过程。

10、进一步地，数据处理模块包括并行运行的三维形貌重建单元和温度获取与融合单元，其中三维形貌重建单元用于从混合图像序列中提取单帧高信噪比图像，根据物理暗带边界分割得到左、右视角图像对，经立体校正、匹配和三角测量计算得到被测目标的高精度三维点云及像素－空间坐标映射关系。

11、进一步地，温度获取与融合单元用于处理混合图像序列的全部时间帧，针对被测表面同一物理点，分别从左、右视角图像时间序列中提取衰减曲线，拟合得到左、右寿命值和，通过算术平均融合得到最终寿命值，再依据预标定的磷光材料寿命－温度关系转换为绝对温度值。

12、进一步地，温度获取与融合单元中，衰减曲线拟合采用单指数模型或双指数模型进行非线性最小二乘拟合。

13、进一步地，内窥镜主体为硬性结构，其插入管外径为φ6mm至φ10mm，光学头部直径仅比插入管外径大1至2mm，头部长度控制在15mm至30mm以内，整体尺寸满足工业管道及检测孔的狭窄空间约束。

14、进一步地，磷光涂层的工作温度范围包括-200℃至600℃、500℃至1000℃及1000℃以上三个区间，其分别对应的材料体系包括mg4fgeo6:mn4+或la2o2s:eu3+、ysz:eu，y2o3:eu或ysz:dy，以及yag:dy或ysz:er。

15、与现有技术相比，本发明提供的基于双目磷光成像的三维温度场内窥测量系统，通过高度集成的单孔径双视角光路设计、脉冲激发与高速采集的精密同步控制，以及三维形貌与双视角磷光寿命的并行处理与融合算法，实现了在单一传感器上同步获取立体视觉信息与磷光衰减动力学过程，并最终融合生成带有精确温度信息的三维空间点云，其有效解决了传统接触式测温技术破坏性强、单点测量局限，以及现有非接触式方法（如红外热成像）在封闭复杂空间内因发射率依赖、视角限制而无法实现全场、高精度三维温度场重构的长期技术难题。具体技术效果包括：

16、1、将完整的三维温度测量功能（包括立体成像、磷光激发与探测）集成于工业级内窥镜的毫米级直径探头内，实现了技术从实验室平台向封闭、狭窄工业场景（如发动机内部、管道深处）的直接应用，解决了现有磷光三维测温系统体积庞大、无法进入的痛点。

17、2、综合利用了磷光寿命测温的抗干扰性（与光强、视角无关）与立体视觉的精确三维定位能力。通过双视角寿命值融合，进一步提升了在复杂工业环境（如涂层不均、轻微遮挡）下的测量鲁棒性和温度解算精度。

18、3、系统通过单次测量，同步输出融合三维几何坐标与精确温度值的结构化数据，直接构建真实的三维温度场。其突破了传统接触式测温（仅限离散点）与二维红外热成像（缺乏深度信息）的局限，所获数据可直接支撑曲面热流计算、温度梯度分析及热应力仿真等高级分析，为设备热管理设计与寿命评估提供了全新的精确数据源。