基于編碼變換的雙波長溫度場成像設備、系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及雙波長溫度場成像領域，特別涉及一種基于編碼變換的雙波長溫度場 成像設備、系統及方法。
【背景技術】
[0002] 在航空航天、冶金及汽車制造業等領域，常常需要對待測對象以及各種在線工件 進行快速、實時監控，以最大限度地減少事故隱患、提高產品的安全性能及其質量。沿用傳 統的接觸式測溫儀進行測量，雖然精度高，但必須使探測器接觸待測對象。可是在某些特殊 的場合下（如對發動機燃燒室及高溫爐中的火焰進行測溫時)無法使用接觸式測溫儀，由此 產生了非接觸式測溫方法。紅外測溫方法就屬于一種非接觸式測溫方法，該方法通過檢測 物體表面發射的能量來測量溫度，具有測溫范圍廣、響應速度快和不明顯破壞測溫度場等 特點，被廣泛應用于工業各個方面。
[0003] 紅外測溫方法主要基于黑體輻射理論，黑體是個理想化的物理模型，而自然界中 實際存在的物體(測溫對象），其吸收能力及輻射能力都比黑體小，稱為灰體。根據普朗克輻 射定律，一個絕對溫度為T的黑體，單位表面積在波長h、λ 2 (&的附近單位波長)的間隔內向 整個半球空間發射的輻射功率(簡稱光譜輻射度)為Ε〇(λ，Τ)，而灰體的光譜輻射能量的計 算公式為:E(λ，T) = ε(λ，T)E()(λ，T)，其中ε(λ，T)為該灰體的輻射率。
[0004] 現有技術中紅外測溫主要經歷了三個階段的發展。
[0005] 第一階段:傳統的紅外測溫設備，一律按黑體的熱輻射定律來設計。該設計方式假 設紅外測溫儀實際接收到的熱輻射是與被測物的光譜輻射能量Ε(λ，Τ)是成比例，故在使用 紅外測溫儀時，必須求出待測對象的輻射率ε(λ，Τ)數值，即進行輻射率修正。遺憾的是，該 輻射率 ε(λ，Τ)與待測對象的材料、表面狀態、波長，溫度以及輻射條件、環境因素等均有復 雜的關系，因而很難準確測定ε (λ，Τ)，同時由于在某些情況下待測對象的輻射率隨溫度變 化太大，因而傳統紅外測溫儀還存在著較大的誤差。
[0006] 第二階段:科學家們為解決傳統的紅外測溫設備存在的問題，研究出了基于單波 長窄帶濾波紅外測溫技術。可是由于存在諸如水蒸氣等的周圍環境對紅外線的吸收，在很 大幅度上影響了單波長紅外測溫的準確性。
[0007] 第三階段:利用雙波長濾波紅外測溫技術來進行紅外測溫。雙波長濾波紅外測溫 技術的原理為:利用黑體輻射曲線中相鄰兩個波長對應的能量等比吸收的原理，在保證紅 外測溫高精度測量的基礎上，克服了環境對物體發射紅外線吸收造成的測量誤差。根據普 朗克輻射定律，一個絕對溫度為Τ的黑體，單位表面積在波長&、\ 2(&的附近單位波長)的間 隔內向整個半球空間發射的輻射功率(簡稱光譜輻射度)Ε〇(λ，Τ)，滿足下式的變化關系：
[0009]其中，c為真空光速c = 2 · 99792458 X 108m/s;
[0010] h為普朗克常數，h = 6.62607004X10-34J · S;
[0011] k 為玻爾茲曼常數，k = 1 · 3806488 X 10-23J/K;
[0012] &為第一輻射常數，(：1 = 2地(32 = 3.7459\10-16￥·!!!2;
[0013] C2為第二輻射常數，C2 = hc/k=1.4387770620391X 10-2m · K。
[0014] 而灰體的光譜輻射能量公式：
[0015] /! ~1)'4
[0016] 其中，Εο(λ，Τ)為黑體發射的光譜輻射通量密度，λ為光譜輻射時的波長，T為黑體 的絕對溫度，單位為Κ，ε (λ，Τ)為待測對象溫度為Τ，輻射波長為λ時的輻射率，〇< ε (λ，ΤΗ 1〇
[0017] 在經典近似情況下，，τ?〗，在紅外測溫儀的測溫范圍內滿足此條件，則Εο(λ， Τ)可近似簡化為Wien公式：￡；,α/Γ) W W3 〇
[0018] 若波長為定值，則上式只與溫度有關，可改寫為：
[0019] Eo(T)=Ao exp(Bo/T)
[0020] 其中，Ao = CW5, Bo = -c2/x，且仍然只適用于黑體。若將Ao和Bo視為可變參量A和B， 則可推廣到灰體的情況，則灰體的光譜輻射能量為：
[0021] E(T)=Aexp(B/T)〇
[0022] 不同于公式￡(2,Γ)二-1疒的是，前者只需簡單改變A和B參量 的值就可實現從黑體到灰體的修正，而無需確定復雜的輻射率函數ε(λ，Τ)。
[0023] 利用相鄰兩波長等比吸收的原理。取2個波長的吸收能量比作為溫度的函數，即可 避免由于水蒸氣等環境對紅外線吸收的因素而造成的測量誤差。
[0024] 現在分別取心和\2,則有：
[0025] Ει(Τ)=Αι(λ1)θχρ(Βι(λ1)/Τ),
[0026] Ε2(Τ) =Α2(λ2)θχρ(Β2(λ2)/Τ)。
[0027] 上述兩式作比值得：
[0029]
。因此，只要利用實驗數據擬合確定Υ和V兩 個參數，即可獲得被測物體的溫度Τ與該比值X之間的關系。即，根據上述擬合系數Υ和V， 可以得到此種環境下的該輻射體的溫度。
[0030] 圖1(a)示出了現有技術中一種雙波長濾波紅外測溫設備的示意圖。圖1(b)示出了 圖1(a)中調制盤的結構示意圖。參考圖1(a)和圖1(b)，該雙波長濾波紅外測溫設備的工作 方法是：
[0031] 待測對象發出的一束光輻射沿水平方向通過透鏡9射向反射鏡8,由反射鏡8將光 福射反射至分光鏡1(或二向色鏡）。分光鏡1將這束光福射進行反射和透射，形成水平方向 上的反射的第一光輻射和垂直方向上的透射的第二光輻射。水平方向上的第一光輻射經過 窄帶濾光片7濾為波長為第一波長的光(例如波長為λ:的光）。波長為\:的光通過反射鏡6反 射為垂直方向后并射向帶有電機的調制盤5。垂直方向上的第二光輻射經過反射鏡2反射后 形成水平方向上的第二光輻射，經過窄帶濾光片3濾為波長為第二波長的光(例如波長為λ 2 的光）。波長為λ2的光射向帶有電機的調制盤5。電機帶動調制盤進行轉動，波長為12的光可 以通過調制盤5上的通孔(參見圖1(b))射向光敏傳感器4,波長為h的光可以通過調制盤5 上的鏡面反射后射向光敏傳感器4。光敏傳感器4獲取波長為λ#Ρλ2的光的能量，再經過放大 電路、計算電路進行數據處理生成待測對象的溫度，該溫度在顯示的設備上進行顯示。
[0032] 本申請的發明人做了大量的實驗，發現利用該雙波長濾波紅外測溫設備測得的溫 度的精度盡管相對于單波長紅外測溫設備有了明顯的提高，但仍然存在一定的誤差。本發 明人還發現:一方面，雙波長光輻射測溫的精度與光輻射分成的雙波的平均度成正比。即： 當入射的光輻射分成的兩束光束的光子數或者能量越平均，其測溫的精度越高。另一方面， 該雙波長濾波紅外測溫設備測得的溫度的精度還受能量損失制約，如果光輻射在測量過程 中能量損失越大，測得的溫度的精度越低。本發明人根據上述發現的理論，再對照現有技術 中雙波長濾波紅外測溫設備發現：
[0033] 分光鏡(或者二向色鏡）的反射或透射效率都不高，存在較大的能量損失，所以造 成后期測溫精度下降；
[0034] 分光鏡透射和反射的第一光輻射和第二光輻射的光子數或者能量分配比例的區 間大約為[50%下20%:50%土20%~50%不10%:50%± 10%]?該比例離理想中的1:1的絕對等 分的差距很大，所以造成后期測溫精度下降。此外，雙波長濾波紅外測溫設備中的二向色鏡 依賴在光學平片的正反面鍍上不同的膜以實現濾光，如果需要選擇其它的波長，則需要更 換整塊二向色鏡。所以雙波長濾波紅外測溫設備測得的溫度的精度不高，且使用不太方便， 其適應性不廣。
[0035] 盡管近年來科學家也提出了多波長測溫方案，用于提高測溫精度，但其結構復雜， 太多的波段也會導致發射率方程組的病態程度加深，不適合實際應用。
[0036] 此外，紅外熱成像技術通常是運用光電技術檢測物體輻射的特定波段的紅外線光 輻射，并在檢測到的紅外線光輻射能量與物體的表面溫度之間建立相應關系，進而獲得物 體的紅外熱像圖。這種紅外熱像圖與物體表面的熱分布場相對應，熱圖像上的不同顏色代 表被測物體的不同區域具有不同的溫度。
[0037] 傳統的紅外熱成像技術通常需要面陣探測器，其成像靈敏度受限于面陣探測器對 于單位像素的探測靈敏度，且面陣探測帶來了測量維度和測量數上的冗余，限制了其在暗 場環境下的應用。

【發明內容】

[0038] 本發明目的在于克服現有技術中的測溫應用場合窄、單波長測溫輻射率難以修 正、誤差大、多波長測溫結構復雜、傳統雙波長測溫靈敏度低、測量維度高、擴展性差等缺 陷。
[0039] 根據本發明的一個方面，提供了一種基于編碼變換的雙波長溫度場成像設備，包 括：
[0040] 光輻射調制裝置，配置為接收待測對象的光輻射，且加載預設的多個掩膜，將接收 到的光福射調制為多束第一光福射和多束第二光福射，并使多束所述第一光福射沿第一路 徑射出、多束所述第二光輻射沿不同于第一路徑的第二路徑射出，所述多個掩膜由矩陣Φ 變換生成；
[0041]布置在所述第一路徑上的第一濾光元件，配置為接收多束所述第一光輻射，并將 接收到的所述第一光輻射過濾為波長為第一波長λι的多束光；
[0042]布置在所述第二路徑上的第二濾光元件，配置為接收多束所述第二光輻射，并將 接收到的所述第二光輻射過濾為波長為第二波長λ2的多束光；
[0043]布置在第一路徑上的第一探測裝置，配置為接收所述波長為第一波長心的多束光 并將其轉換為相應的多個第一光電信號參量；
[0044]布置在第二路徑上的第二探測裝置，配置為接收所述波長為第二波長"的多束光 并將其轉換為相應的多個第二光電信號參量；
[0045]溫度確定裝置，配置為接收來自所述第一探測裝置和所述第二探測裝置的多個所 述第一和第二光電信號參量，并根據多個所述第一和第二光電信號參量與溫度的預定關系 確定出所述待測對象每一個像素點的溫度值；
[0046] 圖像生成裝置，配置為根據所述待測對象每一個像素點的溫度值以及所述待測對 象的二維圖像反演出所述待測對象的二維紅外熱圖像。
[0047] 本實施方式采用的光輻射調制裝置能夠加載根據預設矩陣Φ變換生成的多個掩 膜，并且能夠以加載每一個掩膜時測得的第一光電信號參量和第二光電信號參量為基礎， 獲得待測物體的二維紅外熱圖像。
[0048]在本發明的一些實施方式中，所述光輻射調制裝置加載預設的多個掩膜，所述第 一探測裝置接收所述波長為第一波長\:的多束光并將其轉換為相應的多個第一光電信號 參量，所述第二探測裝置接收所述波長為第二波長1 2的多束光并將其轉換為相應的多個第 二光電信號參量包括：
[0049] 當所述預設矩陣φ矩陣服從± 1二值分布時：
[0050] 將預設矩陣φ拆分為兩個互補的0-1矩陣Η+和Η一；
[0051] 所述光輻射調制裝置加載由Η+矩陣的第i行或第i列H+1拉伸變換而得的掩膜，并且 所述光輻射調制裝置將接收到的光輻射調制為第一光輻射和第二光輻射，所述第一探測裝 置將所述第一光輻射轉換為相應的第一光電信號參量，所述第二探測裝置將所述 第二光福射轉換為相應的第二光電信號參量E2(T)2i-i;
[0052] 所述光輻射調制裝置加載由Η-矩陣的第i行或第i列Hi拉伸變換而得的掩膜，并且 所述光輻射調制裝置將接收到的光輻射分為第一光輻射和第二光輻射，所述第一探測裝置 將所述第一光輻射轉換為相應的第一光電信號參量E 1(T)2l，所述第二探測裝置將所述第二 光福射轉換為相應的第二光電信號參量E2(T)2i;
[0053] 當所述預設矩陣Φ服從± 1、0三值分布時：
[0054]將所述預設矩陣Φ拆分為兩個相互獨立的0-1矩陣H+和Η一；
[0055]所述光輻射調制裝置加載由Η+矩陣的第i行或第i列H+1拉伸變換而得的掩膜，并且 所述光輻射調制裝置將接收到的光輻射分為第一光輻射和第二光輻射，所述第一探測裝置 將所述第一光輻射轉換為相應的第一光電信號參量E 1(T)2l-1，所述第二探測裝置將所述第 二光福射轉換為相應的第二光電信號參量E2(T)2i-l;
[0056]所述光輻射調制裝置加載由Η-矩陣的第i行或第i列Hi拉伸變換而得的掩膜，并且 所述光輻射調制裝置將接收到的光輻射分為第一光輻射和第二光輻射，所述第一探測裝置 將所述第一光輻射轉換為相應的第一光電信號參量E 1(T)2l，所述第二探測裝置將所述第二 光福射轉換為相應的第二光電信號參量E2(T)2i;
[0057] 當所述預設矩陣Φ服從0-1分布時：
[0058] 所述光輻射調制裝置順序加載由預設矩陣Φ的每一行（或列)直接拉伸變換而得 的掩膜，并且所述光輻射調制裝置將接收到的光輻射分為第一光輻射和第二光輻射，所述 第一探測裝置將所述第一光輻射轉換為相應的第一光電信號參量E 1(T)1，所述第二探測裝 置將所述第二光輻射轉換為相應的第二光電信號參量E2(T) 1;
[0059] 其中，i = l，2,3,4......N，N為所述待測對象的總像素數，所述預設矩陣Φ的階2k >N〇
[0060] 在本發明的一些實施方式中，所述溫度確定裝置根據如下的所述預定關系確定所 述待測對象每一個像素點的溫度值：
[0061] 當所述預設矩陣φ服從± 1二值分布時：
[0062] 所述溫度確定裝置根據Υ^Ε,ΓΠμ-Ε^Τ:),,、結合數學模型s并利用矩陣 求逆方法計算出待測物體在波長h下的二維圖像S 1;
[0063] 所述溫度確定裝置根據E2(T)2i、結合數學模型Υ^Φ32，并利用矩陣 求逆方法計算出待測物體在波長λ 2下的二維圖像&;
[0064] 所述溫度確定裝置根據待測對象在波長h和波長λ2下的二維圖像SjPS^XiiSi./ &以及所述1' 1 = 8'/111(&/^'）確定出待測對象每個像素點的溫度值T1;
[0065] 當所述預設矩陣Φ服從± 1、0三值分布時：
[0066] 所述溫度確定裝置根據YpE/Tkr 、結合數學模型Y^〇>Si ,并利用矩陣 求逆方法計算出待測物體在波長h下的二維圖像S1;
[0067] 所述溫度確定裝置根據Υ】=Ε2(Τ)^- Ε2(Τ)2ι、結合數學模型$=〇5_. 并利用矩陣 求逆方法計算出待測物體在波長λ2下的二維圖像&;
[0068] 所述溫度確定裝置根據待測對象在波長h和波長λ2下的二維圖像SjPS^XiiSi./ &以及所述1'1 = 8'/111(&/^'）確定出待測對象每個像素點的溫度值T1;
[0069] 當所述預設矩陣Φ服從0-1分布時：
[0070] 所述溫度確定裝置根據YkEKTh/EXTh、結合數學模型YkOSi，并利用矩陣求 逆方法計算出待測物體的二維圖像S;
[0071] 所述溫度確定裝置根據待測對象的二維圖像S以及所述1'1 = 8'/111(父1/^'）確定出 待測對象每個像素點的溫度值Ti;
[0072] 其中，A'、B'為預設系數。
[0073] 在本發明的一些實施方式中，所述光輻射調制裝置包括:空間光調制器，配置為根 據預設矩陣Φ變換生成的多個掩膜，以將接收到的待測對象的光輻射調制為所述第一光輻 射和第二光輻射，并使第一光輻射沿第一路徑射出、第二光輻射沿不同于第一路徑的第二 路徑射出；控制元件，配置為控制所述空間光調制器依次加載由所述預設矩陣Φ變換生成 的多個掩膜。
[0074] 在本發明的一些實施方式中，所述空間光調制器為選自數字微鏡器件、光強數字 調制器或液晶光閥。
[0075] 在本發明的一些實施方式中，所述第一探測裝置為第一點探測器，所述第二探測 裝置為第二點探測器，并且
[0076] 所述基于編碼變換的雙波長溫度場成像設備還包括布置在所述第一路徑上、位于 所述第一點探測器與所述空間光調制器之間的第一會聚元件，和布置在所述第二路徑上、 位于所述第二點探測器與空間光調制器之間的第二會聚元件，
[0077] 所述第一點探測器位于所述第一會聚元件的光焦點處；
[0078] 所述第二點探測器位于所述第二會聚元件的光焦點處。
[0079] 本實施方式采用兩個點探測器便完成了原本需要兩個面陣測溫器件才能完成的 工作，極大地降低了測量維度，大幅增加光通量，避免了紅外光通量在維度上的分配，而將 噪聲壓制在單像素水平，信噪比大幅提高。
[0080] 在本發明的一些實施方式中，所述的基于編碼變換的雙波長溫度場成像設備還包 括：
[0081] 布置在所述第一路徑上、位于所述第一點探測器與所述空間光調制器之間的第一 光強衰減元件，和
[0082] 布置在所述第二路徑上、位于所述第二點探測器與空間光調制器之間的第二光強 衰減元件。
[0083] 在本發明的一些實施方式中，所述第一濾光元件和所述第二濾光元件為中心波長 相差至少l〇nm的第一窄帶濾光片和第二窄帶濾光片，所述第一窄帶濾光片和第二窄帶濾光 片的半高寬參數至少為10nm〇
[0084] 在本發明的一些實施方式中，所述光電信號參量包括光子數、電流值、電壓值、電 阻值中任意一種。
[0085] 在本發明的一些實施方式中，所述光輻射為紅外波段的光輻射。