基于条纹紫外光激发磷光的固体表面三维温度场重建方法

技术领域

本发明涉及非接触式温度测量技术，特别涉及一种基于条纹紫外光激发磷光的固体表面三维温度场的重建方法。

背景技术

固体曲面三维温度场数据对各类部件的安全设计与性能考核至关重要。固体表面温度的测量方法可分为接触式测温法和非接触式测温法。以热电偶为代表的接触式测温法必须与待测目标接触进行测量，因此会破坏目标的热平衡状态，且动态性能差，响应速度低，不利于温度场的精确实时测量。而非接触测温法不需要与目标物体进行接触，因此不会对被测体的温度场产生干扰，且响应速度快，适合用于高温复杂环境下的物体表面温度测量。常用的非接触测温法主要包括辐射测温法、激光诱导磷光法((Laser InducedPhosphorescence,LIP)等光学测温法。

辐射测温法在典型发动机热端部件的高温考核试验等工程中应用广泛，但由于物体表面发射率未知且存在背景热辐射干扰，导致其难以实现复杂热环境下的高精度温度测量。

近年来，激光技术的快速发展使得基于激光光谱的温度场测量技术逐渐起步。激光诱导磷光测温法是基于目标表面磷光涂层受激产生的温敏磷光信号实现温度测量的非接触式光学测温技术。通过在待测目标表面喷涂磷光物质，并以紫外光激发磷光物质使其电子自基态跃迁至高能态，当其从高能态返回基态时，向外辐射的光子即为磷光。磷光的发光寿命或特征光谱强度比值具有温度敏感特性，因此通过标定获得磷光特征光谱强度比值或寿命与温度的数学关系，即可基于此开展固体表面温度场测量。由于磷光信号与待测目标表面的材料特性无关且存在多个特征发射波长，因此激光诱导磷光测温法可避开目标未知发射率与背景热辐射的干扰，具有测量精度高、响应快、温域宽等优势。

但是，在目前的辐射测温法或激光诱导磷光测温法中，普遍使用经调制后的面光源的激光照射方式，经过测量与重建只能得到二维温度场数据。因此，目前的检测对象通常都限于二维平面产品。对于三维立体产品(特别是形状变化不规则的产品)，以目前的辐射测温法或激光诱导磷光测温法无法实现目标表面的三维温度场重建。如强行以二维的温度场数据去进行模拟计算，由于计算偏差较大，会导致温度场数据与物体表面实际温度差异较大，无法满足应用需求。

因此，有必要提出新的解决方案，以便实现针对三维固体表面的温度场进行测量与重建。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术难以实现目标三维温度场重建的问题，提供了一种基于条纹紫外光激发磷光的固体表面三维温度场重建方法。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

提供一种基于条纹紫外光激发磷光的固体表面三维温度场重建方法，利用光学元件将紫外激光扩展为明暗相间的条纹光，投射于具有空间立体形状的被测固体表面；利用条纹紫外光激发涂覆在被测固体表面的磷光涂层，诱导其产生条纹磷光信号；利用数字图像采集装置采集不同特征波长下的磷光信号图像，并基于磷光信号的温度敏感性和条纹相位分布中所包含的立体几何信息，进行固体表面三维温度场的测量与重建。

作为本发明的优选方案，针对静止状态的固体，其表面三维温度场重建方法具体包括以下步骤：

(1)将表面具有磷光涂层的标定板置于黑体炉的内腔中，炉壁上设光学窗口；

(2)利用时序同步控制器控制紫外连续激光器发射紫外激光，激光的波长与磷光涂层中所含磷光材料的激发特性相匹配；激光依次通过光束扩束器、光栅、平凸球面透镜、空间滤波器和光阑所组成的光路，因干涉生成明暗相间的正弦条纹紫外光；然后将正弦条纹紫外光照射在标定板的磷光涂层上，激发磷光材料产生条纹状的磷光信号；

(3)利用分别加装了窄带滤波片的两台数字图像采集装置，通过二向色镜同时采集不同特征波长的磷光信号图像，且使两幅图像上的坐标保持对应；

(4)以设定的温度间隔在一定温度范围内调整黑体炉的温度，以数字图像采集装置记录磷光信号图像并传输至计算机处理：对每一温度T下同时获得的两幅不同特征波长下的条纹磷光图像G

(5)将步骤(1)所述标定板更换为棋盘格标定板，对两台数字图像采集装置的内参数和外参数进行标定；在此基础上，采用逆向相机标定法或伪相机标定法对所用紫外连续激光器进行内外参数标定；

(6)参照步骤(1)所述标定板，在被测固体表面制备形成磷光涂层；以被测固体原位替换步骤(5)中的棋盘格标定板，将被测固体置于实际热环境中；利用紫外连续激光器和光学元件将正弦条纹紫外光照射在被测固体表面；保持紫外光的条纹频率f

(7)选取任一窄带滤波片对应的波长，采用标准的N步相移算法分别对各条纹频率下的磷光信号图案进行条纹分析，获得3组不同频率下被测固体表面的截断相位分布数据；采用三频外差法进行相位展开，将获取的截断相位恢复为连续相位分布；

(8)根据步骤(5)所标定的数字图像采集装置和紫外连续激光器的内外参数，以及步骤(7)所获被测固体表面的连续相位分布，结合三角测量原理构建被测固体相位分布与三维坐标关系模型，计算被测固体三维空间坐标；

(9)分别对步骤(6)所获取的三组条纹频率不同的磷光信号在两个波长下的图像逐点进行比值计算，获得三组条纹磷光信号强度比值，并根据温度标定曲线f(R,T)计算得到条纹温度场信息；对三组条纹间隔温度场信息进行拼接与插值，获取被测固体表面的连续二维温度场分布；

(10)根据空间对应关系将被测固体的三维坐标与表面连续二维温度场分布进行逐点匹配，经重建获得静置状态下的被测固体的三维温度场。

作为本发明的优选方案，将磷光材料Y

作为本发明的优选方案，针对运动状态的固体，其表面三维温度场重建方法具体包括以下步骤：

(1)将表面具有磷光涂层的标定板置于黑体炉的内腔中，炉壁上设光学窗口；

(2)利用时序同步控制器控制紫外脉冲激光器发射紫外激光，激光的波长与磷光涂层中所含磷光材料的激发特性相匹配；激光依次通过光束扩束器、光栅、平凸球面透镜、空间滤波器和光阑所组成的光路，因干涉生成明暗相间的正弦条纹紫外光；然后将正弦条纹紫外光照射在标定板的磷光涂层上，激发磷光材料产生条纹状的磷光信号；

(3)在数字图像采集装置前端装配立体镜头，并在立体镜头前加装两个不同波长的窄带滤波片；同时采集不同特征波长的磷光信号图像，且使两幅图像上的坐标保持对应；

(4)以设定的温度间隔在一定温度范围内调整黑体炉的温度，以数字图像采集装置记录磷光信号图像并传输至计算机处理：对每一温度T下同时获得的两幅不同特征波长下的条纹磷光图像G

(5)将步骤(1)所述标定板更换为棋盘格标定板，对数字图像采集装置的内参数和外参数进行标定；在此基础上，采用逆向相机标定法或伪相机标定法对所用紫外脉冲激光器进行内外参数标定；

(6)参照步骤(1)所述标定板，在被测固体表面制备形成磷光涂层；以被测固体原位替换步骤(5)中的棋盘格标定板，将被测固体置于实际热环境中；利用紫外脉冲激光器和光学元件将正弦条纹紫外光照射在被测固体表面；保持紫外光的条纹频率固定且无相移，采用数字图像采集装置同时采集两种波长下被测固体表面激发产生的磷光信号图像；

(7)选取任一窄带滤波片对应的波长，采用傅里叶变换轮廓法对单张磷光信号图像进行条纹分析，获得动态被测固体的截断相位分布数据；采用空间相位展开算法进行相位展开，将获取的截断相位恢复为连续相位分布；

(8)根据步骤(5)所标定的数字图像采集装置和紫外脉冲激光器的内外参数，以及步骤(7)所获被测固体表面的连续相位分布，结合三角测量原理构建被测固体的相位分布与三维坐标关系模型，计算被测动态立体构件空间三维坐标；

(9)分别对步骤(6)所获取磷光信号在两个波长下的图像逐点进行比值计算，获得磷光信号强度比值，并根据温度标定曲线f(R,T)计算得到条纹间隔的温度场信息；对条纹间隔的温度场信息进行插值处理，获取被测固体表面的连续二维温度场分布；

(10)根据空间对应关系将被测固体的三维空间坐标与表面连续二维温度场进行逐点匹配，重建获得动态条件下的被测固体表的面三维温度场。

作为本发明的优选方案，将磷光材料BaMgAl

作为本发明的优选方案，所述步骤(4)中，黑体炉的温度调整范围为400～1400℃，温度调整间隔为10℃。

作为本发明的优选方案，所述步骤(5)中，所述内参数是指数字图像采集装置的焦距、主点和畸变；所述外参数是指数字图像采集装置相对于物体的姿态特征，包括旋转向量和平移向量。

本发明进一步提供了一种基于条纹紫外光激发磷光的固体表面三维温度场的测量系统，在光路上依次布置紫外激光器、光学元件和黑体炉，在光路的侧面布置数字图像采集装置；紫外激光器和数字图像采集装置分别通过信号线连接至时序同步控制器，计算机通过信号线连接数字图像采集装置；所述黑体炉内部中空，炉壁上设有光学窗口；炉内腔体中放置带磷光涂层的标定板、棋盘格标定板或带磷光涂层的被测固体；所述光学元件包括依次布置的光束扩束器、光栅、平凸球面透镜、空间滤波器和光阑所组成的光路，能够基于干涉生成明暗相间的正弦条纹紫外光，并通过光学窗口投射在炉内腔体中的物体表面；根据静态测量和动态测量时的场景，分别采用不同数量的数字图像采集装置：针对静止状态的固体进行测量时，采用两台数字图像采集装置用于图像采集，且在其镜头前分别加装了不同中心波长的窄带滤波片，在数字图像采集装置与光学窗口之间设有二向色镜；针对运动状态的固体进行测量时采用一台数字图像采集装置用于图像采集，且在其镜头前端装配立体镜头，并在立体镜头前加装了两个不同中心波长的窄带滤波片；该测量系统还包括带磷光涂层的标定板、棋盘格标定板和带磷光涂层的被测固体，用于根据测量步骤分别置于黑体炉的腔体中。

作为本发明的优选方案，所述紫外激光器为脉冲激光器或连续激光器，且激光能量可调。

作为本发明的优选方案，所述数字图像采集装置是CCD相机、增强型CCD相机(ICCD相机)、CMOS相机或增强型CMOS相机。

本发明中，正弦条纹紫外光的生成过程：首先采用光束扩束器将紫外激光扩束为所需光束直径的平行光束，其次采用光栅对平行光束进行分光，接着通过平凸球面透镜与空间滤波器筛选得到两束相干光；最终干涉生成明暗相间的紫外正弦条纹光，并借助光阑过滤杂散光。

在针对动态测量时由于曝光时间更短，通常会采用增强型CCD相机(ICCD相机)或增强型CMOS相机。但是，如果正弦条纹紫外光的信号强度足够高的话，即使在动态测量时也可以用普通型的CCD相机或CMOS相机，具体可以根据实际情况进行选配。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

与现有的辐射测温或激光诱导磷光测温等光学测温技术相比，由于本发明利用明暗相间的正弦条纹紫外光激发固体表面的磷光涂层产生条纹状的磷光信号，因此能够基于磷光信号的温度敏感性和条纹相位分布中所包含的立体几何信息，仅采用单个光源与数字图像采集装置即可完成固体表面三维温度场的测量与重建，系统简易且重建方便，能够很好地反映三维固体表面真实温度情况。

附图说明

图1为本发明实施例1所述静态固体曲面三维温度场测量与重建的装置示意图；

图2为本发明实施例2所述动态固体曲面三维温度场测量与重建的装置示意图。

图中附图标记：1标定板；2黑体炉(标定时为黑体炉，测量重建时为实际热环境)；3紫外连续激光器；4时序同步控制器；5光束扩束器；6光栅；7平凸球面透镜；8空间滤波器；9光阑；10CCD相机一；11CCD相机二；12二向色镜；13计算机；14棋盘格标定板；15待测立体构件；16紫外脉冲激光器；17ICCD相机；18立体镜头；19待测动态立体构件。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。以下实例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，所描述的实施例仅为本发明实施例的一部分，而非全部的实施例。对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，都应当属于本发明的保护范围。

实施例1

本发明实施例1提供一种基于条纹磷光的静态固体曲面三维温度场测量与重建的方法及装置，其中测量重建的具体装置如附图1所示，具体方法如下：

(1)将磷光材料Y

(2)紫外连续激光器3在时序同步控制器4的作用下发射波长355nm的紫外激光，在光路中依次布置由凹透镜结合凸透镜所组成的光束扩束器5、光栅6、平凸球面透镜7、空间滤波器8及光阑9，通过干涉生成明暗相间的紫外正弦条纹光，照射在标定板的磷光涂层上用于激发产生条纹磷光信号；

(3)将CCD相机一10、CCD相机二11、二向色镜12按附图1所示方式布置，并分别在两台相机镜头前加装中心波长457nm与490nm的窄带滤波片，实现两个特征波长磷光信号图像的同时采集，且两幅图像上坐标一一对应；

(4)以10℃为间隔，在400-1400℃内改变黑体炉2的温度，由两台CCD相机记录每个温度下的条纹磷光信号图像并传输到计算机13上进行处理，对每一温度T下同时获得的两幅不同特征波长下的条纹磷光图像G

(5)将步骤(1)所述标定板更换为棋盘格标定板14，对步骤(3)所用两台CCD相机内参数(焦距、主点和畸变等)及外参数(相机相对于物体的姿态特征，包括旋转和平移向量)进行标定；在此基础上采用逆向相机标定法或伪相机标定法对步骤(2)所用紫外连续激光器3进行内外参数标定；

(6)将步骤(1)制备的磷光材料喷剂喷涂在待测立体构件15的表面上形成磷光涂层，然后以其原位替换棋盘格标定板并置于实际热环境中；采用步骤(2)所述紫外连续激光器3及所搭配光学元件照射3幅紫外条纹光图案至待测立体构件表面，各幅图案中条纹频率f

(7)选取任一窄带滤波片对应的波长，采用标准的N步相移算法分别对各条纹频率下的条纹磷光图像进行条纹分析，获得3组不同频率下被测固体的截断相位分布数据；采用三频外差法进行相位展开，将获取的截断相位恢复为连续相位分布；

(8)根据步骤(5)所标定的CCD相机一10、CCD相机二11及紫外连续激光器3内外参数与步骤(7)所测得的被测固体表面连续相位分布，结合三角测量原理构建被测固体相位分布与三维坐标关系模型，计算被测固体三维空间坐标；

(9)分别对步骤(6)所获取的三组条纹频率不同的条纹磷光信号在两个波长下的图像逐点进行比值计算，获得三组条纹磷光信号强度比值，并根据温度标定曲线f(R,T)计算得到条纹温度场信息；对三组条纹间隔温度场信息进行拼接与插值，获取被测固体表面的连续二维温度场分布；

(10)根据空间对应关系将立体构件三维坐标与表面二维温度场进行逐点匹配，重建获得立体构件三维温度场。

实施例2

本发明实施例2提供一种基于条纹磷光的动态固体曲面三维温度场测量与重建的方法及装置，其中测量重建的具体装置如附图2所示，具体方法如下：

(1)将磷光材料BaMgAl

(2)紫外脉冲激光器16在时序同步控制器4的作用下发射波长355nm的紫外激光，在光路中依次布置由凹透镜结合凸透镜所组成的光束扩束器5、光栅6、平凸球面透镜7、空间滤波器8及光阑9，通过干涉生成明暗相间的紫外正弦条纹光，照射在标定板的磷光涂层上用于激发产生条纹磷光信号；

(3)在ICCD相机17前端装配立体镜头18，并在镜头前加装中心波长400nm与456nm的窄带滤波片，实现两个特征波长磷光信号图像的同时采集，且两幅图像上坐标一一对应；

(4)以10℃为间隔，在400-1400℃内改变黑体炉2的温度，由ICCD相机17记录每个温度下的条纹磷光信号图像并传输到计算机13上进行处理，对每一温度T下同时获得的两幅不同特征波长下的条纹磷光图像G

(5)将步骤(1)所述标定板更换为棋盘格标定板14，对步骤(3)所用ICCD相机17内参数(焦距、主点和畸变等)及外参数(相机相对于物体的姿态特征，包括旋转和平移向量)进行标定；在此基础上采用逆向相机标定法或伪相机标定法对步骤(2)所用紫外脉冲激光器16进行内外参数标定；

(6)将步骤(1)制备的磷光材料喷剂喷涂在待测动态立体构件19的表面上形成磷光涂层，然后以其原位替换棋盘格标定板并置于实际热环境中；采用步骤(2)所述紫外脉冲激光器16及所搭配光学元件照射条纹频率固定且无相移的紫外条纹光图案至待测动态立体构件19表面，采用ICCD相机17同时采集400nm与456nm两种波长下待测动态立体构件19表面激发产生的条纹磷光信号图像；

(7)选取任一波长，采用傅里叶变换轮廓法对单张条纹磷光图像进行条纹分析，获得被测固体的截断相位分布数据；采用空间相位展开算法进行相位展开，将获取的截断相位恢复为连续相位分布；

(8)根据步骤(5)所标定的ICCD相机17及紫外脉冲激光器16内外参数与步骤(7)所测得的被测固体表面连续相位分布，结合三角测量原理构建被测固体相位分布与三维坐标关系模型，计算被测固体空间三维坐标；

(9)分别对步骤(6)所获取的条纹磷光信号在两个波长下的图像逐点进行比值计算，获得条纹磷光信号强度比值，并根据温度标定曲线f(R,T)计算得到条纹间隔的温度场信息；对条纹间隔的温度场信息进行插值处理，获取被测固体表面的连续二维温度场分布；

(10)根据空间对应关系将动态立体构件三维空间坐标与表面二维温度场进行逐点匹配，重建获得动态立体构件三维温度场。

本发明的实现过程中，会涉及到很多现有公知技术的运用。例如，利用磷光材料和高温胶按适当比例混合制成磷光材料喷剂、紫外激光器的调制、光路构建、温度曲线标定、数字图像采集装置和紫外激光器的内外参数标定、N步相移算法、三频外差法、结合三角测量原理构建相位分布与三维坐标关系模型、傅里叶变换轮廓法、空间相位展开算法，等等。凡本发明未尽事宜为公知技术，不做特别要求。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。