一种基于关联成像的物体表面温度分布测量方法与系统

技术领域

本发明涉及一种基于关联成像的物体表面温度分布测量方法与系统，属于被动关联成像测温技术领域。

背景技术

但是随着工业化的逐步推进，工业的转型升级成为必然，但意味着利用更少的能源，生产出更高质量的工业产品，并同时降低对环境的污染。为了更好地控制工业过程，需要实时监测能反映其进行情况的参数，其中，最重要就是反应过程的温度信息。

以热电偶测温为代表的传统测温方法对待测物体表面有损伤性，并且在高温高压、强腐蚀性等恶劣环境下测量精度急剧降低。2021年Webster E等人发表在《计量学》(METROLOGIA)第58卷第2页的论文《常用的热电偶参考函数综述》(A critical review ofthe common thermocouple reference functions)回顾了热电偶合金的发展，并将其与现代热电偶合金和新的测试方法进行了对比，总结了热电偶的主要劣势，除了高温下材料的钝化情况外，其成分的微小变化也可能会影响可逆的晶体学排序效应，在恶劣情况下会导致测温结果的截然不同。2018年Khatri等人在《传感器和执行器A：物理》(Sensors andActuators A: Physical)第280卷第188页的论文《基于薄膜热电偶和热堆元件的批量生产兼容的多功能热敏传感器》(A batch fabrication-compatible multifunctionalthermal sensor based on thin film thermocouple and thermopile elements)提出了一种以耐火材料钨和钼作为薄膜热电偶组分，氧化镁作为保护涂层的能用于固体表面温度测量的高温多功能热传感器，该传感器能够使用行业标准的微细加工技术批量生产。薄膜热电偶和热电堆功能设计用于同时提供表面温度和表面热流数据。薄膜热电偶具有结构尺寸薄、响应速度快等优点，但存在引线连接困难，热电特性一致性较差的问题。1999年BhattHD等人在《固体薄膜》(THIN SOLID FILMS) 第342卷第1-2期第214-220页发表的论文《薄膜TiC/TaC热电偶》(Thin film TiC/TaC thermocouples)设计了并制造了一种沉积了TiC/TaC的热电偶薄膜，发现了该类型薄膜热电偶的各方面性能和沉积工艺中的参数有关，并通过优化沉积工艺增强了薄膜热电偶的整体性能，利用该薄膜热电偶在真空条件下进行了表面温度的测量，发现其最高可准确测温的上限达到1350K，这种热电偶在稳定的温度范围内能够产生可重复的输出，并在真空或惰性气氛下的高温薄膜温度传感器应用中具有极好的潜力。2013年Ian M.Tougas等人在《电气与电子工程师学会期刊》(Institute ofElectrical and Electronics Engineers)发表的论文《金属和陶瓷薄膜热电偶燃气涡轮发动机应用》(Metallic and ceramic thin film thermocouples for gas turbineengine application)中为了研究高温下燃气涡轮发动机中的各个部件的表面温度，研究了一些基于铂、钯、氮氧化铟、氮氧化铟锡及其氧化物对应物的薄膜热电偶，并证明它们比在这些高温氧化环境中运行的传统S型和K型薄膜热电偶更稳定，并且该型薄膜热电偶表现出显著的稳定性，具有与在相同温度范围内工作的线性热电偶相似的漂移率。2021年 Xu等人在《航空发动机》(Aeroengine)第47卷第91页发表的论文《航空发动机涡轮叶片涂层热电偶测温技术》(Coating Thermocouple Measurement Technique of Aeroengine TurbineBlade Temperature)设计了一种与涡轮叶片一体化集成的涂层热电偶传感器，并利用热喷涂技术进行了传感器试制，并用其进行了涡轮叶片的表面温度测量。发现该薄膜材料的喷涂厚度以及均匀程度等因素会影响到最终测量的精度，该方法是一种新型的热电偶测表面温度手段，虽然能够用于传统热电偶是其技术发展的并不成熟，其使用环境非常有限。

类似于热电偶的表面温度测量手段还有示温漆和晶体测温等，但是由于这些方法是一次性的，并且只能测到过程中的最高温度，往往只能应用于航空航天等有特殊需求的方向，局限性较大。2016年Xu等人在《现代涂料与涂装》(Modern Paint and Finishing)第19卷第 26页发表的论文《示温涂料的研究现状和发展趋势》(Status and developmenttrend of temperature indicating coating)对示温漆测温方法进行了原理上的介绍，并对现在的研究现状进行了综述，示温漆测温的特性是会根据峰值工作温度呈现不可逆的颜色变化，因此可以将示温漆涂在待测对象的表面，等待测对象完全冷却后即可通过示温漆的颜色来判断待测对象各个部分温度变化过程中经历的峰值温度。已有的接触式表面温度测量方法，尽管仍在不断涌现新的测量方式，但是其都无法避免地要对待测对象产生或多或少的影响，虽然能够用于燃气轮机和航空发动机涡轮等大型设备的部件温度检测并且取得不错的结果，但是其测量过程是复杂且不完全可靠的，使其应用领域受到很大限制。

常用的非接触式温度测量方法有声学测温法、辐射测温法、相干反斯托克斯拉曼散射光谱法、激光吸收光谱法、激光诱导荧光法以及利用光学频率梳的温度测量方法等。但是能够用于固体表面温度测量的手段十分有限，常用的非接触式表面温度测量方式通常都是基于辐射测温相关原理，主要包括全辐射测温法、红外测温法、比色测温法、亮度测温法。

全辐射测温法是通过测量全波段的辐射能量，再根据斯蒂芬－玻尔兹曼定律计算得到温度，但是这种方法受背景辐射、测试距离内的介质吸收等外界因素的影响，其测量精度十分有限，实际使用中比较少见。2006年，吉林大学的陈宏起在《全辐射反射式红外测温技术研究》中优化了一种利用全辐射测温方式的非接触式测温仪，使其适用于变电站高压开关柜接线头温度的在线监测，优化了反射镜的结构以及上面的镀膜材料，使其能够最大程度上反射能量给探测器。在实际测量过程中的待测对象，均会自表面向外发出电磁辐射，且该辐射与物体的固有温度成比例。红外波段聚集了辐射中的多数能量，可以筛选出红外波段的辐射能量单独计算温度，由于窄化了波长范围，减少了背景辐射对于温度测量的影响，红外测温方法比全辐射测温方法有着更高的精度。2014年Usamentiaga R等人在《传感器》(SENSORS) 第14卷第7页第12305-12348页上发表的综述论文《用于温度测量和无损检测的红外热像仪》(Infrared Thermography for Temperature Measurement and Non-Destructive Testing)整理了红外热成像的两个主要应用方向，温度测量和无损检测，系统性的介绍了红外温度测量的原理，并分析了红外热成像的主要优点，可以被概括为实时性、无电离辐射、非接触、能够探测表面的二维温度分布等。2013年Wen X等人在《第三届国际纺织工程与材料会议》 (ADVANCES IN TEXTILE ENGINEERING AND MATERIALS III)第821-822卷第149页发表的会议论文《熔融纺丝过程中光纤温度的在线测量》(On-lineMeasurement of Fiber Temperature in the Melt-Spinning Processes)中介绍了一种利用单色红外测温手段对熔融纺丝过程中光纤温度进行测量的方法，针对光纤这种直径非常小的材料，单色红外测温方法无法直接测量其温度，测量结果往往是光纤和背景温度间的平均值；同时提出了一种校准方法，最后将该校准结果与红外热成像仪对光纤的测温结果进行比较，验证该校准方法的可行性。但是以上单色红外测温方式存在一个共同的问题，待测对象的温度变化会导致辐射常数同时发生改变，因此在实时监测变温对象表面温度时会引入较大误差。2012年Jiang XY 等人在《第三届国际机械与电子工程会议》(MECHANICALAND ELECTRONICS ENGINEERING III)第130-134卷第4139页第1-5子辑的会议论文《阵列式红外辐射温度计的研究》(Research on the Array Type Infrared RadiationThermometer)提出了一种阵列式红外辐射测温仪，可以同时准确地测量目标表面的多点，对红外探测器进行阵列处理，同时测量物体的多点温度，以被测物体为基准来校准红外辐射测温仪，解决了温度变化带来的辐射率变化影响的问题，提高了辐射测温的精度。但是由于其系统构成复杂，成本较高，很难有广泛的应用。

尽管有阵列式红外辐射测温仪这种摆脱了辐射常数变化导致温度测量不准确的新型的单色红外辐射测温法，其他的基于单色红外辐射温度测量手段依然很难摆脱温度变化导致的辐射率波动所带来的影响，为了解决该问题，研究人员基于红外测温法提出了比色测温法，通过测量相邻两个波段之间的红外辐射比值来决定温度的大小。2020年，华中科技大学的倪韬在《双波段红外在线测温技术研究》中针对涡轮盘表面温度测量问题，结合黑体辐射相关理论以及发射率等概念，推导了双波长测温方法，同时设计了面向发射率比值模型的修正算法，建立了引入角系数的红外辐射接收模型，通过模型分析了角系数对双色法测温的影响，并利用研制出的双波段红外辐射测温系统进行了相关的实验，其结果表明，平均绝对百分比误差低于2％，均方根误差低于10℃。2012年Jia DP等人在2012年信息与电子工程国际研讨会(2012International Workshop On Information And ElectronicsEngineering)上发表的会议论文《焦炉碳化室壁在线测温系统》(On-line TemperatureMeasurement System for Carbonization Chamber Wall of Coke Oven)中设计并制造了一种应用于焦炉碳化室温度测量的比色光纤测温系统，该系统需要在焦炉炭化室内工作，利用双层硅胶纤维的隔热作用解决了该系统工作环境温度过高的问题，同时比色测温系统可以在长时间工作在强电磁干扰和恶劣环境下，具有精度高、稳定性好等优点，并且响应速度快，满足焦炉炭化室温度测量的要求，证明了比色法表面温度测量手段在高温测量领域的可靠性。2012年，Yan JH等人在第 31届中国控制会议(31st Chinese ControlConference)上发表的会议论文《基于CCD的比色测温误差修正研究》(Error CorrectionResearch of Colorimetric Temperature-measurement Based on CCD)中针对在用CCD的比色法温度测量方法分析了其误差来源，主要是物体的发射速率会随着辐射波长的变化而变化且CCD光谱的响应特性是不理想的等因素导致，通过分析比色温度测量原理和CCD成像理论给出了发射速率和CCD响应带宽的校正系数，并且通过实验的证明该算法可以减少由理想的CCD频谱响应特性和发射速率变化引起的测量误差，尤其在测量低发射率的低温物体时能够获得更高的精度。2015年Lv Y等人在IAEDS15：应用工程与管理国际会议(IAEDS15:International Conference In Applied Engineering And Management)上发表的会议论文《消除大气和环境辐射对比色测温影响的方法》(Method to Remove theEffect of Atmosphere and Ambient Radiation on Colorimetric TemperatureMeasurement)中指出了在利用比色测温法近距离测量高温物体时能够获得较高的测量精度，但是如果待测对象距离较远温度较低，其测量精度将会大打折扣，该文章中针对传统方法的局限性，提出了一种兼顾大气参数和环境辐射影响的红外比色温度测量方法，并对其进行了验证，考虑大气参数和环境辐射的方法测温的绝对误差和相对误差分别小于4℃和6.7％；灰体的辐射测量误差小于10％，表明了该方法在中低温下测量远距离目标的有效性，该方法能够应用于很多比色测温的实际应用并在一定程度上提高其精度。相关研究表明，温度变化对物体的发射率影响要远大于对不同波长发射率的比值的影响，比色测温法相对于其他辐射式表面温度测量方法有更高的精度，并且对于低发射率的物体也能有很好的温度测量结果，适用范围较为广泛。但是在利用比色法进行表面温度测量时，同时实现成像和测温的功能非常依赖高性能的CCD相机，导致系统的成本较高，整体结构较为复杂。

基于以上背景，本发明提出了一种基于关联成像的物体表面温度分布测量方法和系统，设计了分光滤波光路，利用关联成像原理和比色法测温原理实现了成像和测温的功能，并将上述图像重建、温度测量过程集成在现场可编程门阵列FPGA上。相比于传统的测温方法，本发明通过将FPGA与关联成像以及比色法测温的手段相结合，提出了一种结构简单、造价较低的成像测温系统，为工业生产中的温度测量提供了全新手段。该系统将会在很多需要对材料温度和形状进行实时监测的工艺流程中起到重要作用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种基于关联成像的物体表面温度分布测量方法与系统，并将该系统的功能集成在现场可编程门阵列FPGA上，以实现对待测对象的实时温度测量。

(二)技术方案

一种基于关联成像的物体表面温度分布测量方法与系统，主要包括待测对象、光学成像透镜组、数字微镜阵列DMD及其控制模块、第一和第二光学滤波片、光学会聚透镜、第一和第二光电探测器、FPGA和上位机构成。被测对象产生的光辐射经过光学成像透镜组调制后平行照射到DMD上并被反射到两个不同的方向，这两束反射光分别经过滤波和聚焦后分别被两个光电探测器收集，再用双通道信号采集模块采集光电探测器输出的电信号并将其传递给FPGA进行下一步成像和测温的计算，FPGA将计算结果通过网口发送给上位机。具体实现过程包括以下步骤：

步骤一：首先搭建实验平台，将待测对象置于光学成像透镜组的左焦点上，使待测对象产生的光辐射能够平行照射到数字微镜阵列DMD上，DMD的两个反射光方向分别位于初始入射光路两侧±α，在初始光路角度为+α的一侧光路中插入第一光学滤波片和光学会聚透镜，并用第一光电探测器对光强信号进行采集，在角度为-α的一侧光路中插入第二光学滤波片和光学会聚透镜，并用第二光电探测器对光强信号进行采集，随后将两光电探测器的输出端接到双通道信号采集模块的数据采集端口；将DMD控制模块的一个帧同步输出信号接口FSO(Frame synchronization output)和三个可编程同步输出信号DGSO(Dynamicgate synchronization output)接在FPGA的外部信号输入接口上，FSO和DGSO的组合通过控制 FPGA进而对双通道信号采集模块进行控制，其中，FSO用于控制双通道信号采集模块采集两个光电探测器的信号，三个DGSO信号的逻辑与用于启动FPGA对采集到的信号进行解算，以此达到各模块之间的同步在完成了待测对象的温度分布计算之后，FPGA会将计算结果通过网口上传至上位机。

步骤二：采用N×N大小的数字微镜阵列DMD，DMD的调制模式按照Hadamard矩阵的排列方式确定，Hadamard矩阵是由+1和-1组成的二元正交矩阵，其中任意两列/行是正交的，阿达玛列/行构成一个完全的正交基，采用该基作为DMD的调制模式，则可以用临界采样的方法重建原始图像，由于实际探测过程中没法表示负光强，故在一次测量时数字微镜阵列DMD要翻转完全相反的两次，第一次记为+1而另一次记为-1，在该测量周期内得到的两个不同波长条件下的光强记为b

可编程动态同步时钟DGSO的信号要根据所重建图样的像素数来决定，DGSO的高电平维持时间与FSO相同，其高电平产生的周期可以被编程为FSO周期的整数倍T

步骤三：基于比色法测温原理和步骤二中的光强分布结果进行温度分布的解算，其实现过程如下。已知普朗克黑体辐射定律：

其中，M是光辐射的能量，λ是光的波长，T是吸收体的温度，C

可以从上式中推导出比率温度T

通过比色法测温原理，在实际测量过程中对应着相反方向的DMD翻转情况的两路光会经过不同中心波长的滤光片，在一对翻转状态下会有两次完全相反的翻转，该实验能够得到不同波长条件下的相同翻转状态的光强信号，因此可以利用比色法测温原理进行温度的计算，最后将计算结果上传至上位机。

(三)有益效果

本发明的有益效果在于提出了一种基于关联成像的物体表面温度分布测量方法与系统，基于关联成像原理和比色法测温原理，使用DMD数字微镜阵列对待测对象的光光辐射进行分光，再通过滤波片和光电探测器提取不同波长的光强信号，将关联成像以及测温的过程结合现场可编程门阵列(FPGA)以实现其功能。本发明最主要特点是利用DMD两个方向同时探测获取待测对象两个波长的辐射光谱，再用FPGA基于辐射定律实时计算温度分布。该发明整体结构简单，结果准确可靠，成本造价低廉，为工业生产中的温度测量提供了新的手段，扩展了关联成像技术在该领域的应用。

附图说明

附图1：一种基于关联成像的物体表面温度分布测量方法与系统

图中描述了该系统各个模块之间的排列顺序及连接方式，主要由以下部分构成：

101：待测对象，102：光学成像透镜组，103：DMD分光模块，104：双通道信号采集模块，105：FPGA数据处理模块，106：上位机，107：DMD控制模块，201：第一光学滤波片，202：光学会聚透镜，203：第一光电探测器，204：第二光学滤波片，205：光学会聚透镜，206：第二光电探测器

其中，上位机106和DMD控制模块107通过USB连接；第一第二光电探测器203、 204和双通道信号采集模块104通过BNC/SMA线连接；FPGA数据处理模块105和上位机106通过以太网口连接。

附图2：FPGA内部逻辑图

图中描述了FPGA从接收到双路信号采集模块采集到光电信号后再进行温度分布的计算和数据发送的过程。

附图3：搭建的系统结构图

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明确，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步详细说明。

步骤一：将待测对象置于光学成像透镜组的左焦点上，使待测对象产生的光辐射能够平行照射到数字微镜阵列DMD上，DMD的两个反射光方向分别位于初始入射光路两侧±12°，在初始光路角度为+12°的一侧光路中插入中心波长为600nm的第一光学滤波片和光学会聚透镜，并用第一光电探测器对光强信号进行采集，在角度为-12°的一侧光路中插入中心波长为800nm的第二光学滤波片和光学会聚透镜，并用第二光电探测器对光强信号进行采集，随后将两光电探测器的输出端通过BNC转SMA接口接到双通道信号采集模块的数据采集端口；将DMD控制模块的一个同步输出信号接口FSO和三个可编程同步输出信号DGSO接在FPGA的外部的信号输入接口上，这些信号通过控制FPGA进而对双通道信号采集模块进行控制，其中FSO用于控制双通道信号采集模块采集光电信号，三个 DGSO信号的逻辑与信号用于给FPGA判断何时对采集到的信号进行解算，以此达到各个硬件模块之间的同步，在完成了待测对象的温度分布计算之后，FPGA会将计算结果通过网口上传至上位机，其真实连接情况可以参照附图3。

步骤二：采用32×32大小的数字微镜阵列DMD，DMD的调制模式按照Hadamard矩阵的排列方式确定，Hadamard矩阵是由+1和-1组成的二元正交矩阵，其中任意两列/行是正交的，阿达玛列/行构成一个完全的正交基，采用该基作为DMD的调制模式，则可以用临界采样的方法重建原始图像，由于实际探测过程中没法表示负光强，故在一次测量时数字微镜阵列DMD要翻转完全相反的两次，第一次记为+1而另一次记为-1，在该测量周期内得到的两个不同波长条件下的光强记为b

可编程动态同步时钟DGSO的信号要根据所重建图样的像素数来决定，DGSO的高电平维持时间与FSO相同，其高电平产生的周期可以被编程为FSO周期的整数倍T

步骤三：基于比色法测温原理和步骤二中的光强分布结果进行温度分布的解算，其实现过程如下。已知普朗克黑体辐射定律：

其中，M是光辐射的能量，λ是光的波长，T是吸收体的温度，C

以从上式中推导出比率温度T

最后将计算结果上传至上位机。

以上对本发明及其实施方式的描述，并不局限于此，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，任何熟悉本技术领域的人员在本发明公开的技术范围内不经创造地设计出与该技术方案类似的结构或实施例，均属本发明保护范围。