基于凝视型快照式光谱成像的温度场时空分布测量装置

1.本发明属于温度场时空分布测量装置技术领域，具体涉及一种基于凝视型快照式光谱成像的温度场时空分布测量装置。


背景技术：

2.温度场测量不仅能够获得燃料燃烧、爆炸信息及效能评估，也可以获得航空、航天发动机健康状态和隐身性能评估，在民生安全、国防装备领域具有非常重要的作用。然而，温度测量，特别是温度场的时间分布、空间分布测量一直是没有解决好的技术难题。目前，温度的测量方式大致可以分为两大类：接触式和非接触式。接触式测温利用热电偶等传感器与被测对象良好接触，利用温度引起温敏材料性质的变化来实现温度测量，传感器的加入几乎不改变对象的温度，但要求被测温度不超过传感器能承受的上限温度，热电偶测温上限一般不超过2000℃，此外，接触测温通常限制了腐蚀、冲击等恶劣环境的温度测量。非接触式有红外测温、比色测温和多光谱辐射测温。红外测温采用热像仪成像方式实现温度测量，能够实现温度场的分布测量，以美国flire公司的产品为代表，测温上限不超过3500℃，成像时间在ms量级，限制了该技术在超高速、超高温场的测量应用，并且红外测温要求知道被测对象光谱发射率，而被测对象光谱发射率不仅与被测对象的材质有关，而且还与温度有关，因此在实际应用中红外测温精度有限。比色测温测量两个波长的光谱辐射来实现温度测量，利用被测物体相邻波长发射率近似相等的关系，通过相邻波长辐射能量比值消除了发射率的影响，在一定温度范围内实现了较高精度的温度测量，但该技术不适用于大动态范围温度测量。
3.多光谱测温同时实现多个光谱辐射测量，根据测量光谱信息结合普朗克辐射定律实现待测目标温度和光谱发射率的同时测量，具有测温准确，测温动态范围宽等优势，是目前非接触测温方式中极具竞争力的测温方法。但目前多光谱测量技术多采用光栅光谱仪，傅里叶变换光谱仪，不仅测量速度有限，而且无法实现成像测量。因此，多光谱测温在温度场分布测量应用受到限制。


技术实现要素：

4.针对上述的技术问题，本发明提供了一种测量准确、适用范围广、安全性高的基于凝视型快照式光谱成像的温度场时空分布测量装置。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
6.基于凝视型快照式光谱成像的温度场时空分布测量装置，包括光成像收集单元、光谱成像单元、信号采样单元和电脑pc端，所述光成像收集单元的光路方向上设置有光谱成像单元，所述光谱成像单元电性连接有信号采样单元，所述信号采样单元电性连接有电脑pc端。
7.所述光谱成像单元包括光谱成像编码模块和探测器阵列，所述探测器阵列设置在光谱成像编码模块的光路方向上。
8.所述光成像收集单元采用反射式望远镜结构、卡塞格林望远镜或者牛顿望远镜。
9.所述光谱成像编码模块采用硅基平板光子晶体，所述硅基平板光子晶体通过十字孔、圆孔或三角孔平板光子晶体空气孔隙来进行目标辐射光谱伪随机透过率编码调制。
10.所述探测器阵列采用cmos探测器阵列，所述探测器阵列的波长范围为400-900nm，所述探测器阵列的像元尺寸为5.6μm，所述探测器阵列的像素不小于2048
×
1024，所述探测器阵列的帧频不低于100fps。
11.所述光谱成像单元光谱分辨率大于5nm，所述光谱成像单元的光谱通道数为n≥100，所述光谱成像单元实际压缩测量次数m≤25，所述光谱成像单元的压缩比为n:m≥4:1，所述光谱成像单元的每个光谱测量像元采用5
×
5的硅基平板光子晶体制备。
12.一种基于凝视型快照式光谱成像的温度场时空分布测量装置的测量方法，包括下列步骤：
13.s1、待测目标辐射光经光成像收集单元汇聚成像在光谱成像单元上；
14.s2、光谱成像单元将光信号转变为电信号，探测器阵列对经光谱成像编码模块伪随机透过率编码的成像光信号进行伪随机成像探测；
15.s3、电信号经信号采样单元完成采集传输至电脑pc端；
16.s4、在电脑pc端中完成光谱数据和图像数据处理，然后进一步反演获得温度场的空间分布和时间分布信息。
17.所述光谱成像单元获得的压缩测量信号在电脑pc端复原获得待测目标光谱信号，依据每个光谱测量像元上获得的光谱信号，结合普朗克辐射定律，依次获得不少于100个与光谱发射率和温度关联方程，利用线性最小二乘法对测量数据进行线性拟合计算获得待测目标光谱发射率和温度。
18.每个所述光谱测量像元获得的温度，按光谱测量像元位置进行二维排列获得温度场空间分布测量，将每个时刻获得的温度场在时间维度进行复原便掌握待测目标温度变化规律，获得温度场的时间分布测量。
19.所述依次获得不少于100个与光谱发射率和温度关联方程的方法为：待测目标光强v
(λ)
在被探测器阵列探测到时，由光谱成像编码模块的透过率调控矩阵q
i(λ)
进行了调控，第i次的调控光谱信号被探测器阵列探测到，构成压缩测量信号si为
20.si＝∫v
(λ)qi(λ)
η
(λ)
dλ i＝1,2,
…
,m
21.所述η
(λ)
表示探测器的光谱响应转换系数，所述η
(λ)
由探测器阵列量子效率和探测器阵列外围电路积分系数决定，通过对探测器阵列进行波长辐射定标得到；
22.所述光谱成像单元实现的压缩测量信号si被信号采样单元采样为离散数字量si，将待测目标光强信号离散为n维向量表示，对应光谱通道数设为n，且满足多次压缩测量信号si满足si∈rm×1，所述所述代表透过率调控压缩测量矩阵；
23.光谱信号稀疏表示为i＝ψα，所述α为光谱信号稀疏后的k-稀疏向量，所述k-稀疏向量包含k个非零元素，所述k《《n；所述ψ是稀疏矩阵；根据压缩感知的理论框架，将改写为s＝qv＝qψα＝aα，所述a＝qψ代表传感矩阵，是由压缩测量矩阵q和稀疏矩阵ψ共同决定的；然后对s＝qv＝qψα＝aα的逆问题进行求解：
[0024][0025]
通过寻找最优光谱稀疏信号然后将待测光谱信号从稀疏信号中正确地恢复出来依据每个光谱测量像元上获得的光谱信号基于普朗克辐射定律进行温度反演，根据普朗克辐射定律，绝对温度t的光谱辐射温度的公式为：
[0026][0027]
所述l(λ,t)为物体的辐射亮度，所述λ为波长，所述t为绝对温度；所述ε(λ,t)为物体的光谱发射率；所述c1＝3.7415
×
108w
·
μm4·
m-2
；所述c2＝1.43879
×
104μm4·
k；
[0028]
在短波段时c2/λt》》1，此时用维恩公式来近似代替普朗克公式：
[0029][0030]
探测器阵列第i个通道的光谱辐射强度输出信号为：
[0031]vi
＝τ(λi)s(λi)l(λi,t)，所述τ(λi)为光谱透过率，s(λi)为探测器灵敏度；
[0032]
则第i个通道的输出信号表示为：
[0033][0034]
在短波段第i个通道的输出信号表示为：
[0035][0036]
而目标真温的求解需要构建辐亮度温度ti与目标绝对温度t之间的关系，由公式表示为：
[0037]
建立100波长光谱发射率模型，表示为：ε(λ，t)＝exp(α0 α1λ α2λ2
…
αmλm)，所述α0,α1,α2,
…
,αm为常数，此时一共获得100个方程式，利用线性最小二乘法对测量数据进行线性拟合计算，获得待测目标光谱发射率和温度。
[0038]
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
[0039]
1、本发明采用光谱成像技术实现，光谱成像能够同时获取待测目标的图像信息和光谱信息，图像信息能够实现温度场空间分布测量，光谱信息能够实现每个像元对应目标的温度准确测量。
[0040]
2、本发明采用多光谱辐射测温方式实现温度测量，能够同时实现待测目标光谱发射率和温度测量，不需要实现知道光谱发射率，温度测量准确，较宽范围的光谱信息获取能够实现较大动态范围温度测量。
[0041]
3、本发明采用凝视型快照式光谱成像方式，光谱图像信息获取速度快，可以实现待测目标实时连续的温度测量，在温度场空间分布测量基础上获得每个温度场随时间变化规律。
[0042]
4、本发明采用凝视型快照式光谱成像来实现温度时空分布测量，为非接触光谱成像测量方法，本发明采用望远成像镜头将温度场成像在光谱成像采集模块上，为非接触遥
测方法，能够规避爆炸、燃烧场冲击、腐蚀、振动等恶劣环境影响。
附图说明
[0043]
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
[0044]
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
[0045]
图1为本发明的结构示意图；
[0046]
图2为本发明光谱成像单元示意图。
[0047]
其中：1为光成像收集单元，2为光谱成像单元，3为信号采样单元，4为电脑pc端，2-1为光谱成像编码模块，2-2为探测器阵列。
具体实施方式
[0048]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制；基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0049]
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0050]
在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0051]
如图1所示，待测目标辐射光经光成像收集单元1汇聚成像在光谱成像单元2上，光谱成像单元2将光信号转变为电信号，电信号经信号采样单元3完成采集传输至电脑pc端4，在电脑中完成数据处理。
[0052]
在本实施例中，光成像收集单元1工作在可见/近红外波段，采用反射式望远镜结构实现非接触遥测，光成像收集单元1选用卡塞格林望远镜或者牛顿望远镜。将待测目标辐射光收集聚焦成像到光谱成像单元2上。
[0053]
如图2所示光谱成像单元示意图，成像单元包括光谱成像编码模块2-1和探测器阵列2-2。光谱编码模块2-1，采用硅基平板光子晶体设计，采用十字孔、圆孔、三角孔等平板光子晶体空气孔隙来进行目标辐射光谱伪随机透过率编码调制；探测器阵列2-2选用cmos探测器阵列，对经光谱编码模块2-1伪随机透过率编码的成像光信号进行伪随机成像探测。
[0054]
如图2所示光谱成像是光谱成像单元2将待测目标具有二维空间信息(x,y)和一维光谱信息。目标每个成像单元入射光在整个光谱范围内通过光谱成像单元2的光谱编码模块2-1入射到探测器阵列2-2。待测目标光强v
(λ)
在被探测器探测到时，由编码板的透过率调控矩阵q
i(λ)
进行了调控，第i次的调控光谱信号被探测器探测到，构成压缩测量信号si可描述为
[0055]
si＝∫v
(λ)qi(λ)
η
(λ)
dλ i＝1,2,
…
,m
[0056]
其中，η
(λ)
表示探测器的光谱响应转换系数，主要由探测器量子效率和探测器外围电路积分系数决定，通常通过对探测器进行波长辐射定标得到。
[0057]
光谱成像单元2实现的压缩测量信号，被信号采样单元3采样为离散数字量si。将待测目标光强信号离散为n维向量表示，对应光谱通道数设为n，且满足多次压缩测量光谱信号si满足si∈rm×1。运用这些矩阵，测量过程可以描述为：
[0058][0059]
代表透过率调控压缩测量矩阵。本实施实例中，探测器阵列2-2选用cmos探测器阵列有效工作波长选择工作在400-900nm，像元尺寸为5.6μm，像素不小于2048
×
1024，帧频不低于100fps。整个光谱成像单元2光谱分辨率优于5nm，光谱通道数n设置为n≥100，压缩比n:m≥4:1，其中光谱编码模块2-1每个光谱测量像元采用5
×
5的硅基平板光子晶体制备。光谱信号稀疏表示为i＝ψα，其中α为光谱信号稀疏后的k-稀疏向量(包含k个非零元素，其中k《《n)，ψ是稀疏矩阵。根据压缩感知的理论框架，上式可以改写为
[0060]
s＝qv＝qψα＝aα
[0061]
上式中a＝qψ代表传感矩阵，是由压缩测量矩阵q和稀疏矩阵ψ共同决定的。然后对上式的逆问题进行求解。
[0062][0063]
通过寻找最优光谱稀疏信号然后将待测光谱信号从稀疏信号中正确地恢复出来
[0064]
依据每个光谱测量像元上获得的光谱信号基于普朗克辐射定律进行温度反演。普朗克定律描述了物体在不同温度下的辐射亮度随波长变化的分布规律。
[0065]
根据普朗克辐射定律，绝对温度t的光谱辐射温度可以由公式表示：
[0066][0067]
式中l(λ,t)为物体的辐射亮度(w
·
m-2
·
μm-1
sr-1
),λ为波长(μm)，t为绝对温度(k)；ε(λ,t)为物体的光谱发射率；c1＝3.7415
×
108w
·
μm4·
m-2
；c2＝1.43879
×
104μm4·
k。
[0068]
在短波段时c2/λt》》1，此时可以用维恩公式来近似代替普朗克公式
[0069][0070]
本实施实例中，探测器阵列2-2选用cmos探测器阵列有效工作波长选择工作在400-900nm，整个光谱成像单元2光谱分辨率优于5nm，光谱通道数n设置为n≥100。其中第i
个通道的光谱辐射强度输出信号为：
[0071]vi
＝τ(λi)s(λi)l(λi,t)
[0072]
式中τ(λi)为光谱透过率，s(λi)为探测器灵敏度
[0073]
则第i个通道的输出信号表示为：
[0074][0075]
在短波段表示为：
[0076][0077]
而目标真温的求解需要构建亮度温度ti与目标绝对温度t之间的关系，
[0078]
由公式表示为：
[0079][0080]
建立100波长光谱发射率模型，表示为：ε(λ，t)＝exp(α0 α1λ α2λ2
…
αmλm)，式中α0,α1,α2,
…
,αm为常数
[0081]
此时一共可以获得100个方程式，利用线性最小二乘法对测量数据进行线性拟合计算，即可获得待测目标光谱发射率和温度。将每个光谱像元获得的温度按成像像元位置进行二维排列，便可完成温度场空间分布测量，将每个时刻获得的温度场在时间维度进行复原便可掌握待测目标温度变化规律，获得温度场的时间分布测量。
[0082]
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。