一种单点测温约束的熔池温度场超高时空分辨测量方法

本发明涉及熔池温度场监测，尤其涉及一种单点测温约束的熔池温度场超高时空分辨测量方法。

背景技术：

1、金属3d打印是当前先进制造领域的核心发展方向，其增材制造过程伴随极高温度梯度与微秒级相变的复杂热物理过程，熔池作为承载能量输入、材料熔化与凝固的核心物理单元，其动态演化行为直接决定最终构件的致密度、力学性能与成形精度。目前行业内已可通过同步辐射x射线成像技术实现熔池内部匙孔演变、气泡运动等特征的十万帧级的高速观测，但熔池表面温度场的监测能力长期滞后，无法与内部观测形成时空匹配的协同分析，存在两类通用技术瓶颈：

2、一是硬件直接监测方案受物理极限与成本制约：现有硬件升级路径要么依赖多台高速成像设备同步采集多波段辐射信号，不仅设备成本高昂，多设备间的时空同步误差也难以完全消除，易引入测温偏差；要么通过分光光路将多波段信号压缩至单台相机采集，虽降低了成本，但受限于图像传感器的物理读出速度、曝光时间与信噪比的矛盾，有效帧率最高仅能维持在104 fps级别，与同步辐射的观测频率存在数量级差距，存在无法覆盖的微秒级演化盲区。

3、二是纯算法重构方案缺乏物理真实性保障：现有基于计算机视觉的插帧、超分辨算法普遍存在“重图像特征、轻物理规律”的问题，传统插帧算法仅基于像素运动补偿生成中间帧，未引入温度演化的热力学约束，易出现违背热传导逻辑的伪影，无实际量测价值；事件相机等新型传感方案虽能捕捉微秒级亮度变化，但仅能获取相对变化率，无法直接映射为绝对实测温度；多数深度学习超分辨方案仅优化单帧空间分辨率，未对帧间连续热演化过程做深度重构，时间分辨率仍被硬件采样频率锁死；少数引入物理约束的算法强依赖于空间位置严格对应的高频二维实测温度，而微观瞬态熔池场景下，获取此类真值本身就是尚未突破的行业瓶颈，方案无法落地。

4、综上，当前行业亟须一种不依赖单一硬件升级、同时保障超高时空分辨率与温度物理真实性的熔池表面监测方案。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种单点测温约束的熔池温度场超高时空分辨测量方法，用于实现不依赖单一硬件升级、同时保障超高时空分辨率与温度物理真实性的熔池表面监测的目的。所述技术方案如下：

2、第一方面，本发明实施例提供了一种单点测温约束的熔池温度场超高时空分辨测量方法，其特征在于，包括：

3、基于测温相机获取熔池在两个预设波段下的辐射图像并输出熔池的低速低分辨二维温度场图像，以及基于单点测温计获取熔池的高速温度流；其中，测温相机和单点测温计分别布置于基于分光镜分离的熔池辐射光的成像光路和测温光路上；

4、基于统一系统时间轴，对所述低速低分辨二维温度场图像与所述高速温度流进行时序校准，生成时间对齐后的配对数据集；所述配对数据集包括相邻时刻的低速低分辨二维温度场图像以及对应时刻区间内的单点实测温度；

5、将所述相邻时刻的低速低分辨二维温度场图像输入至预训练的时间插帧网络，以所述单点实测温度为物理约束生成高帧率低分辨率温度场流；

6、将高帧率低分辨率温度场流输入预训练的超分辨率网络，输出高帧率高分辨率的温度场图像流。

7、在本发明的一些实施例中，所述对所述低速低分辨二维温度场图像与所述高速温度流进行时序校准，生成时间对齐后的配对数据集，包括：

8、在初始状态时，计算所述低速低分辨二维温度场图像信号序列的第一基准均值和第一标准差，以及计算所述高速温度流信号序列的第二基准均值和第二标准差；

9、根据所述第一基准均值和第一标准差建立低速低分辨二维温度场图像的第一噪声基准，以及根据所述第二基准均值和第二标准差建立高速温度流的第二噪声基准；

10、对低速低分辨二维温度场图像和高速温度流数据分别进行递归运算，确定低速低分辨二维温度场图像的第一统计量，以及确定高速温度流数据的第二统计量；其中，所述第一统计量为低速低分辨二维温度场图像偏离第一噪声基准的程度，所述第二统计量为高速温度流数据偏离第二噪声基准的程度；

11、当所述第一统计量大于统计阈值时，确定当前第一统计时刻，并基于所述当前第一时刻回溯确定所述第一统计量为0的时刻为低速低分辨二维温度场图像起始时刻；当所述第二统计量大于统计阈值时，确定当前第二统计时刻，并基于所述当前第二时刻回溯确定所述第二统计量为0的时刻为温度流数据起始时刻；

12、将所述低速低分辨二维温度场图像起始时刻和所述高速温度流数据起始时刻映射为统一系统时间轴零点。

13、在本发明的一些实施例中，所述将所述相邻时刻的低速低分辨二维温度场图像输入至预训练的时间插帧网络，以所述单点实测温度为物理约束生成高帧率低分辨率温度场流，包括：

14、将相邻时刻的低速低分辨二维温度场图像输入至预训练的时间插帧网络，生成至少一帧预测温度场图像；所述预测温度场图像介于所述相邻时刻的低速低分辨二维温度场图像之间；其中，所述时间插帧网络的物理约束机制为以所述单点实测温度作为监督信号，通过最小化物理约束损失函数优化网络参数；

15、将所述预测温度场图像输入至预训练的时间插帧网络，输出高帧率低分辨率温度场流。

16、在本发明的一些实施例中，所述时间插帧网络的训练过程包括：

17、将相邻时刻的低速低分辨二维温度场图像输入至预训练的时间插帧网络，生成中间帧预测图像，并从所述中间帧预测图像中提取全图平均温度和全图峰值温度；

18、将所述全图平均温度和全图峰值温度转换为与所述单点实测温度度量一致且对标的预测有效温度；

19、根据所述预测有效温度与所述单点实测温度在同一时刻的偏差作为损失，更新所述时间插帧网络的参数。

20、在本发明的一些实施例中，所述时间插帧网络损失函数通过如下公式表示：

21、

22、

23、其中，表示物理约束损失值， 代表偏差度量算子，表示单点实测温度，表示预测有效温度，表示反映预测有效温度与平均温度、峰值温度之间映射关系的函数算子，表示熔池的平均温度，表示熔池的峰值温度。

24、在本发明的一些实施例中，所述将高帧率低分辨率温度场流输入预训练的超分辨率网络，输出高帧率高分辨率的温度场图像流，包括：

25、采用卷积算子对输入的高帧率低分辨率温度场流进行卷积处理，得到浅层特征；

26、将所述浅层特征输入至多个连续混合注意力组，得到深层特征；

27、将所述浅层特征和所述深层特征进行残差连接，得到融合特征；

28、采用亚像素卷积算子对所述融合特征进行空间维度扩张，生成高帧率高分辨率的温度场图像流。

29、在本发明的一些实施例中，所述测温相机和所述单点测温计用于测量熔池的目标中心区域。

30、第二方面，本发明还提供一种单点测温约束的熔池温度场超高时空分辨测量装置，包括：

31、获取模块，用于基于测温相机获取熔池在两个预设波段下的辐射图像并输出熔池的低速低分辨二维温度场图像，以及基于单点测温计获取熔池的高速温度流；其中，测温相机和单点测温计分别布置于基于分光镜分离的熔池辐射光的成像光路和测温光路上；

32、配对模块，用于基于统一系统时间轴，对所述低速低分辨二维温度场图像与所述高速温度流进行时序校准，生成时间对齐后的配对数据集；所述配对数据集包括相邻时刻的低速低分辨二维温度场图像以及对应时刻区间内的单点实测温度；

33、预测模块，用于将所述相邻时刻的低速低分辨二维温度场图像输入至预训练的时间插帧网络，以所述单点实测温度为物理约束生成高帧率低分辨率温度场流；

34、输出模块，用于将高帧率低分辨率温度场流输入预训练的超分辨率网络，输出高帧率高分辨率的温度场图像流。

35、第三方面，本发明还提供了一种电子设备，包括：处理器和存储器；

36、所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；

37、所述处理器执行所述计算机可读程序时实现如上所述的单点测温约束的熔池温度场超高时空分辨测量方法中的步骤。

38、第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上所述的单点测温约束的熔池温度场超高时空分辨测量方法中的步骤。

39、本发明一些实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：首先基于测温相机获取熔池在两个预设波段下的辐射图像并输出熔池的低速低分辨二维温度场图像，以及基于单点测温计获取熔池的高速温度流；从而替换昂贵的高分辨率超高速面阵热像仪，随后基于统一系统时间轴，对所述低速低分辨二维温度场图像与所述高速温度流进行时序校准，生成时间对齐后的配对数据集；所述配对数据集包括相邻时刻的低速低分辨二维温度场图像以及对应时刻区间内的单点实测温度，消除了硬件响应差异导致的时间轴错位；随后将所述相邻时刻的低速低分辨二维温度场图像输入至预训练的时间插帧网络，以所述单点实测温度为物理约束生成高帧率低分辨率温度场流，在不增加硬件成本的前提下突破了相机的物理采样极限；最后将高帧率低分辨率温度场流输入预训练的超分辨率网络，输出高帧率高分辨率的温度场图像流，实现了时空分辨率的协同提升，从而完成了与同步辐射观测频率匹配的熔池表面温度场超高分辨监测。