一种THz回波高温温度测量方法

技术领域

本发明主要涉及测温技术领域，特指一种THz(TeraHertz太赫兹)回波高温温度测量方法。

背景技术

太赫兹(又称THz波、T射线)通常是指频率在0.1-10THz范围内的电磁辐射，在电磁波谱上位于微波和红外线之间。THz频段是一个非常有科学价值但尚未被完全认识和利用的最后一个电磁辐射区域。许多年来，由于缺乏切实可行的THz波产生方法和检测手段，人们对THz波段的特性知之甚少，以致于该波段被称为电磁波谱中的“THz空隙”，太赫兹波的频率范围处于电子学与光子学的交叉蔓域。在长波方向，它与毫米波有重叠；在短波方向，它与红外线有重叠。在频域上，太赫兹处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区。这就导致太赫兹波即具有类似微波的强穿透性又具有红外线可测温的特性。而THz波这一奇特的特性，使基于THz波的测温技术是实现强干扰环境下、特别是强粉尘的工业环境中，非接触测量高温物体温度的绝佳测温技术。尤其是近年来随着THz量子级联激光器技术(QuantumCascade Lasers,QCL)和基于GaAs/(Al,Ga)As量子阱子带跃迁效应的THz量子阱探测器(Quantum Well Photodetectors，QWP)技术的高速发展和成熟，使得利用THz波的相关特性，来设计具有实用价值的高端前沿工业传感器成为可能。

在高温对象非接触式测温领域，基于近红外、红外的测温方法和技术，由于其传感器件和理论方法均比较成熟，一直是该领域的首选技术方案。但该技术缺陷也十分明显，近红外线和红外线的波长均较短，光子频率高能量高，穿透能力差，极易被环境中杂物阻挡，且由于任意物体均向外辐射红外线，这导致当高温对象处于强粉尘、强干扰等复杂恶劣环境中时，其测量测温精度低、波动大实用性差。尤其是在环境极端恶劣，而对测温技术又极端依赖的工业领域，红外测温技术的缺陷更为明显，因此，研发基于THz波的不受环境影响的非接触式测温技术和方法极为迫切。

专利公布号CN107941357发明专利是一种高温金属熔液温度测量方法及其装置。其通过将热电偶包裹在耐温体中，在测量时将内含热电偶的耐火体浸渍到待测金属熔液中，通过给热电偶套上保护层，隔绝热电偶与避高温金属熔液直接接触，短时起到保护热电偶作用，同时高温金属熔液的热量经由耐火体的传导至热电偶，实现对高温金属熔液进行接触测温。该方法是当前工业界测量高温金属熔液最常采用的方案，但该测温技术路线的缺陷不足也十分明显。首先，对高温金属熔液进行接触测量，必极易损坏耐火体和热电偶，因此这类测温传感器通常是一次性的，俗称“快偶”测温，即每测量一次均需更换，使用成本高；其次，使用快偶测温需要人工操作，而在高温金属熔液旁边进行测温操作是比较危险的工作，极易出现人员安全事故；最后，由于是人工进行测温操作，因此无法实时连续的获取高温金属熔液的温度，难以全面反应高温金属熔液的变化趋势。

专利公布号CN101545808A发明专利是一种高温铁水的红外辐射测温系统。该专利采用了一种隶属于红外测温的比色红外辐射测温技术，其主要工作原理是通过测量被测物红外辐射中相邻波段的能量大小来确定被测物的温度，因此其在烟雾、水汽等环境中测量精度仍有保证。但红外测温的致命问题仍然存在，即当空间布满粉尘时，两个对比红外光线被阻挡，而造成接受的红外能量降低，导致测量温度极低，完全偏离了被测对象真实温度。因此，该装置不适用于测量粉尘浓度大的出铁口处铁水温度，在实际使用中，常将其安装在粉尘量小的铁沟槽的位置，用于测量铁水进溜槽时的温度，其实际使用受到了严重制约。

专利公布号CN103033282A发明专利是当前少有的利用THz波测温高温对象的温度的专利，该专利的测量对象是磁约束聚变装置偏滤器石墨瓦瞬态温度，该专利利用太赫兹波射入石墨反射回的太赫兹谱的相位和频谱会随着温度的变化而发生变化和频移这一特性，通过理论计算不同温度与标定温度(如常温300K)特征谱线位置的频移距离，从而确定出温度随频移量的变化函数关系，作为测温曲线,集成为计算机数据库，将石墨瓦工作温度与标定温度太赫兹频域谱的频移距离和数据库相对比，以此可计算出石墨瓦所处环境的温度，从而实现对石墨瓦的温度进行实时测量。该专利的思路较为新颖，其技术路线从表面上看与本发明专利有些许类似，但两者却属于完全不同技术思路和途经，不可相互借鉴。具体而言：①从THz波的理论研究可知，要使THz波的特征频率出现可检测的偏移，需要极高的温度(通常几万℃以上)，在核聚变装置中存在这样的高温，但通常的民用及工业领域几乎不存在如此高温，换句话说在通常情况下，无法采用该原理进行测温；②从目前的THz源产生技术和检测技术而言，难以产生THz波的功率通常在(pw～mw)级别，因此，检测的THz波信号时域谱完全取淹没在环境噪声中，信噪比极低，而要在如此低信噪比的信号中，提取THz波信号的特征频率极为困难；③即使提取了THz波信号的特征频率，但由于大量噪声的存在与THz波信号时域谱中，当对其进行快速傅立叶变化后，其频域谱还存在大量重叠峰的问题，也难于分离和区分THz特征谱的特征峰所在位置，测量精度也较低。因此该专利所提的基于THz波的高温测量技术，短期还难应用于真正工业实际。

发明内容

本发明提供的THz回波高温温度测量方法，解决了现有非接触式测温装置在复杂恶劣环境下对高温物体温度检测精度低的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提出的THz回波高温温度测量方法包括：

生成指定THz频率的THz源信号与THz参考信号，其中THz源信号用于通过THz波采集光学镜头传输并聚焦到被测高温对象上；

检测THz源信号经待测高温对象反射的THz回波；

测量被测高温对象与THz回波高温温度测量装置之间的距离；

根据THz参考信号、THz回波以及距离获得被测高温对象的温度值。

进一步地，根据THz参考信号、THz回波以及距离获得被测高温对象的温度值包括：

根据THz参考信号获得THz参考信号时域谱，根据THz回波获得THz回波信号时域谱；

对THz参考信号时域谱和THz回波信号时域谱进行线性快速傅立叶变换，获得THz参考信号频域谱和THz回波信号频域谱；

根据THz参考信号频域谱、THz回波信号频域谱及距离获得被测高温对象的温度值。

进一步地，对THz回波信号时域谱进行线性快速傅立叶变换，获得THz回波信号频域谱包括：

利用传统快速傅立叶变换算法，对THz回波信号时域谱进行变换；

对采用传统快速傅立叶变换后的THz回波信号时域谱，进行线性快速傅立叶变换，获得THz回波信号频域谱，其中线性快速傅立叶变换的计算公式为：

其中，

进一步地，根据THz参考信号频域谱、THz回波信号频域谱及距离获得被测高温对象的温度值包括：

根据THz参考信号频域谱，获得THz参考信号频域幅值；

根据THz回波信号频域谱，获得THz回波信号频域幅值；

计算指定工作THz频率下THz参考信号频域幅值和THz回波信号频域幅值之间的偏差，获得THz参考信号与THz回波之间的幅值偏差量；

根据不同的温度对应的幅值偏差量和距离不同，拟合构建THz回波测温模型；

基于THz回波测温模型，获得被测高温对象的温度值。

进一步地，根据不同的温度对应的幅值偏差量和距离不同，拟合构建THz回波测温模型包括：

实时获得THz回波高温温度测量装置与黑体之间的标定距离，黑体用于产生所需的可控高温；

采集黑体在标定工作温度下的THz标定参考信号时域谱以及THz标定回波信号时域谱，同步记录下黑体上显示的标定温度；

对THz标定参考信号时域谱和THz标定回波信号时域谱进行线性快速傅立叶变换，获得THz标定参考信号频域谱和THz标定回波信号频域谱；

根据THz标定参考信号频域谱，获得THz标定参考信号频域幅值；

根据THz标定回波信号频域谱，获得THz标定回波信号频域幅值；

计算THz标定参考信号频域幅值和THz标定回波信号频域幅值之间的偏差，获得THz标定参考信号与THz标定回波之间的标定幅值偏差量；

根据标定温度与标定幅值偏差量和标定距离之间的关系，拟合构建THz回波测温模型。

进一步地，根据THz回波获得THz回波信号时域谱包括：

采用前置源放大器和锁相放大器提取THz回波的THz回波信号时域谱。

进一步地，生成指定THz频率的THz源信号与THz参考信号之前包括：

确定THz波测温频谱段，THz波测温频谱段为1.3THz。

进一步地，生成指定THz频率的THz源信号与THz参考信号具体为通过THz量子级联激光器生成。

进一步地，检测THz源信号经待测高温对象反射的THz回波具体为通过THz量子阱探测器检测。

进一步地，测量被测高温对象与THz回波高温温度测量装置之间的距离具体为通过测距激光雷达测量。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提供的THz回波高温温度测量方法，通过生成指定THz频率的THz源信号与THz参考信号，其中THz源信号用于通过THz波采集光学镜头传输并聚焦到被测高温对象上，检测THz源信号经待测高温对象反射的THz回波，测量被测高温对象与THz回波高温温度测量装置之间的距离以及根据THz参考信号、THz回波以及距离获得被测高温对象的温度值，解决了现有非接触式测温装置在复杂恶劣环境下对高温物体温度检测精度低的技术问题，巧妙利用太赫兹波穿透性强的特点，在保证复杂环境中还能接受到太赫兹信号，从而对被测高温源进行精确测温，同时具有非接触的特点，这对于高温物体复杂环境内的测温具有重要意义。

此外，本发明通过先主动发射功率可控可调的待测高温对象测温敏感的THz频段波，照射到高温对象上，由于高温对象本身也会辐射该频段的THz波，且该频段THz波的辐射强度随温度正相关变化，导致从高温对象上反射回来的THz回波能量叠加了高温对象在该频段自身辐射THz波的能量，使THz回波能量达到了足够的能量裕度，能被QWP探测器探测到。同时为了提高THz回波信号反应被测对象温度信息的信噪比，在探测到指定工作THz频率T

本发明的目的在于提出了一种全新的基于THz量子级联激光器技术(QCL)和THz量子阱探测器(QWP)技术的THz工作频率下的回波信号幅值偏移量提取技术，用于稳定、高效高精度提取回波信号幅值偏移量。

本发明的目的在于构建了基于测温距离及幅值偏差量的THz回波测温模型，实现对高温对象的温度进行实时测量。

本发明的目的在于为高温对象测温提供了一种基于THz回波的一种全新的主动式非接触式测温方法，利用THz波的强穿透性，实现了高粉尘、强干扰等恶劣环境下实时高精度测温，解决了恶劣环境中非接触式测温精度不高、波动大、实用性差的难题。

附图说明

图1为本发明实施例二的THz回波高温温度测量方法的流程图；

图2为本发明实施例二的THz参考信号时域谱和THz回波信号时域谱的示意图；

图3为本发明实施例二的THz参考与回波信号在指定频率下的幅值偏差量示意图；

图4为本发明实施例二的指定测温距离及工作频率下幅值偏差量－温度函数关系模型示意图。

附图标记：

U0：被测高温对象；U11：THz参考信号时域谱功能模块；U12：THz回波信号时域谱功能模块；U13：测距激光雷达测距信息功能模块；U21：线性快速傅立叶变换功能模块；U31：参考信号频域幅值谱功能模块；U32：THz回波信号频域幅值谱功能模块；U33：被测高温对象与测温设备间距离功能模块；U41：指定工作THz频率下幅值偏差量ΔE功能模块；U51：温度可控高温黑体；U52：依照标定步长设定黑体温度作为标定温度功能模块；U53：黑体达到某一标定温度并稳定后作为实验工作温度功能模块；U61：测温距离功能模块；U62：标定温度功能模块；U63：标定温度参考THz信号时域谱功能模块；U64：标定温度THZ回波信号时域谱功能模块；U65：快速傅立叶变换并计算工作频率下频域谱幅值偏差ΔE功能模块；U71：基于测温距离及幅值偏差量构建THZ回波测温模型功能模块；U81：实现对高温对象温度的实时测量功能模块。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例一

本发明实施例一提供的THz回波高温温度测量方法包括：

步骤S101，生成指定THz频率的THz源信号与THz参考信号，其中THz源信号用于通过THz波采集光学镜头传输并聚焦到被测高温对象上；

步骤S102，检测THz源信号经待测高温对象反射的THz回波；

步骤S103，测量被测高温对象与THz回波高温温度测量装置之间的距离；

步骤S104，根据THz参考信号、THz回波以及距离获得被测高温对象的温度值。

本发明提供的THz回波高温温度测量方法，包括生成指定THz频率的THz源信号与THz参考信号，其中THz源信号用于通过THz波采集光学镜头传输并聚焦到被测高温对象上，检测THz源信号经待测高温对象反射的THz回波，测量被测高温对象与THz回波高温温度测量装置之间的距离以及根据THz参考信号、THz回波以及距离获得被测高温对象的温度值，解决了现有非接触式测温装置在复杂恶劣环境下对高温物体温度检测精度低的技术问题，巧妙利用太赫兹波穿透性强的特点，在保证复杂环境中还能接受到太赫兹信号，从而对被测高温源进行精确测温，同时具有非接触的特点，这对于高温物体复杂环境内的测温具有重要意义。

实施例二

如图1所示，本发明实施例二提供的THz回波高温温度测量方法包括：

S0：THz波测温频谱段确定。即依据被测高温对象所处的环境，确定待测高温对象U0测温敏感的THz波频谱段T

S1：THz参考信号时域谱、THz回波信号时域谱以及被测高温对象与THz回波高温温度测量装置之间的距离信息采集。该功能需三个功能模块参与，分别为THz量子级联激光器(QCL)产生的THz参考信号时域谱功能模块U11、THz量子阱探测器(QWP)探测到的THz回波信号时域谱功能模块U12和激光测距仪测量到被测高温对象与测温设备间距离的测距激光雷达测距信息功能模块U13。其中量子级联激光器(QCL)是一种采用GaAs/AlGaAs材料体系，基于多量子阱子带间跃迁的单极性半导体激光器，是最有效的电泵浦THz辐射源，具有结构紧凑、易集成、输出功率高和转换效率高等优点。而THz量子阱探测器(QWP)是一种基于GaAs/(Al，Ga)As材料体系工作于太赫兹频段的光子型探测器，其由上电极层、多量子阱层和下电极层构成，利用束缚电子吸收太赫兹辐射发生子带跃迁，来实现对太赫兹辐射的探测和响应的。而为了实现THz波时域谱及测量距离信息的采集的目的，上述三个功能模块的工作流程为：首先，由THz量子级联激光器(QCL)源产生频率段为T

S2：THz参考信号频域谱和THz回波信号频域谱的获取。对获取的THz参考信号及回波信号的时域谱，如图2中所示，观察图2可知，THz参考及回波信号的时域谱均存在大量的干扰和噪声。因此为了能高精度的提取THz波频域谱，本实施例针对THz时域谱信号高噪声的特点，将传统快速傅立叶变换对变换信号简单离散采样，修改成基于线性插值原理的数据采样方法，从而提高快速傅立叶的精度，修改后的线性快速傅立叶变换(LFFT)公式如下式(1)所示：

对于u

其中，

S3：THz波信号频域幅值谱提取。本实施例通过参考信号频域幅值谱功能模块U31和THz回波信号频域幅值谱功能模块U32，对获取到的THz参考信号频域谱及回波信号频域谱，取出高温对象敏感的THz波频谱段T

S4：获得指定工作THz频率T

S5：实验室选定黑体标定温度，并利用黑体产生所需的实验工作温度。该功能，首先需要一个温度可控高温黑体U51，用于产生所需的可控高温。其次，还需根据被测高温对象实际温度所处范围，确定标定步长，并依据标定步长，设定标定温度，完成依照标定步长设定黑体温度作为标定温度功能模块U52的功能。再次，通过控制让黑体达到某一标定温度并稳定后，即可作为实验工作温度，实现黑体达到某一标定温度并稳定后作为实验工作温度功能模块U53的功能。

S6：获取构建THz回波测温模型所需的实验室数据。具体包括：首先，在实验室通过测温距离功能模块U61利用激光测距雷达实时获得测温设备与黑体之间的距离信息；其次，通过标定温度参考THz信号时域谱功能模块U63和标定温度THZ回波信号时域谱功能模块U64，利用步骤S1中所提的基于THz量子级联激光器(QCL)和THz量子阱探测器(QWP)构建的THz波时域信号采集器，采集黑体在标定工作温度下的标定温度参考THz信号时域谱以及THz回波信号时域谱，同步在标定温度功能模块U62中记录下黑体上显示的标定温度；最后，利用步骤S2中所述的线性快速傅立叶变换(LFFT)算法，实现快速傅立叶变换并计算工作频率下频率谱幅值偏差量ΔE，完成快速傅立叶变换并计算工作频率下频域谱幅值偏差ΔE功能模块U65的功能。经过该步骤为建立基于测温距离及幅值偏差量构建THz回波测温模型，奠定了扎实的实验数据支撑。

S7：将步骤S6中获取的测温距离数据、黑体标定温度数据和工作频率下频率谱幅值偏差量数据，按照时间精准匹配后，构建模型拟合所需的标准训练数据样本集(T

其中p,q表示拟合多项式的次数，通常人为给定，而对于系数a

S8：实现对高温对象温度的实时测量。通过实现对高温对象温度的实时测量功能模块U81，将步骤S4获取的被测高温对象与THz回波高温温度测量装置之间的距离信息d和指定工作THz频率下幅值偏差量ΔE，输入步骤S7中构建的基于测温距离和幅值偏差量的THz回波测温模型T＝F(ΔE,d)中，即可通过模型计算获得被测高温对象的温度。在图4中，指定测温距离及工作频率下幅值偏差量－温度函数关系模型示意图展示出了步骤S8的这一个过程，当被测高温对象与测温设备间距离信息d确定后，被测对象的温度与幅值偏差量ΔE间的函数关系图即如图4中曲线所示，只需将幅值偏差量ΔE代入到图示的函数关系曲线中，即可获得当前高温被测对象的工作温度T，实现实时测温。

本发明提供的THz回波高温温度测量方法，通过生成指定THz频率的THz源信号与THz参考信号，其中THz源信号用于通过THz波采集光学镜头传输并聚焦到被测高温对象上，检测THz源信号经待测高温对象反射的THz回波，测量被测高温对象与THz回波高温温度测量装置之间的距离以及根据THz参考信号、THz回波以及距离获得被测高温对象的温度值，解决了现有非接触式测温装置在复杂恶劣环境下对高温物体温度检测精度低的技术问题，巧妙利用太赫兹波穿透性强的特点，在保证复杂环境中还能接受到太赫兹信号，从而对被测高温源进行精确测温，同时具有非接触的特点，这对于高温物体复杂环境内的测温具有重要意义。

此外，本实施例通过采集的被测高温源发射的太赫兹实现对被测高温源的温度检测，能借助太赫兹的穿透特性减少环境中遮挡物对测温结果造成的误差，进一步提高被测高温源的温度检测精度。且本实施例通过先主动发射功率可控可调的待测高温对象测温敏感的THz频段波，照射到高温对象上，由于高温对象本身也会辐射该频段的THz波，且该频段THz波的辐射强度随温度正相关变化，导致从高温对象上反射回来的THz回波能量叠加了高温对象在该频段自身辐射THz波的能量，使THz回波能量达到了足够的能量裕度，能被QWP探测器探测到。同时为了提高THz回波信号反应被测对象温度信息的信噪比，在探测到指定工作THz频率T

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。