基于编码变换的双波长温度场成像设备、系统及方法技术方案

本申请提供了一种基于编码变换的双波长温度场成像设备，包括光辐射调制装置，配置为接收待测对象的光辐射，且加载根据预设矩阵Φ变换生成的多个掩膜，将接收到的光辐射调制为多束第一光辐射和多束第二光辐射，并使多束所述第一光辐射沿第一路径射出、多束所述第二光辐射沿不同于第一路径的第二路径射出；布置在所述第一路径上的第一滤光元件和第一探测装置；布置在所述第二路径上的第二滤光元件和第二探测装置；温度确定装置以及图像生成装置。本申请还提供了基于该设备的系统和方法。本发明专利技术将双波长测温技术、调制技术和编码技术相结合，重建出待测对象的二维红外热图像，其能够广泛地应用在深空探测、遥感、材料检测、夜视观测等相关科技领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及双波长温度场成像领域，特别涉及一种基于编码变换的双波长温度场成像设备、系统及方法。
技术介绍
在航空航天、冶金及汽车制造业等领域，常常需要对待测对象以及各种在线工件进行快速、实时监控，以最大限度地减少事故隐患、提高产品的安全性能及其质量。沿用传统的接触式测温仪进行测量，虽然精度高，但必须使探测器接触待测对象。可是在某些特殊的场合下(如对发动机燃烧室及高温炉中的火焰进行测温时)无法使用接触式测温仪，由此产生了非接触式测温方法。红外测温方法就属于一种非接触式测温方法，该方法通过检测物体表面发射的能量来测量温度，具有测温范围广、响应速度快和不明显破坏测温度场等特点，被广泛应用于工业各个方面。红外测温方法主要基于黑体辐射理论，黑体是个理想化的物理模型，而自然界中实际存在的物体(测温对象)，其吸收能力及辐射能力都比黑体小，称为灰体。根据普朗克辐射定律，一个绝对温度为T的黑体，单位表面积在波长λ1、λ2(λ1的附近单位波长)的间隔内向整个半球空间发射的辐射功率(简称光谱辐射度)为E0(λ，T)，而灰体的光谱辐射能量的计算公式为：E(λ，T)＝ε(λ，T)E0(λ，T)，其中ε(λ，T)为该灰体的辐射率。现有技术中红外测温主要经历了三个阶段的发展。第一阶段：传统的红外测温设备，一律按黑体的热辐射定律来设计。该设计方式假设红外测温仪实际接收到的热辐射是与被测物的光谱辐射能量E(λ，T)是成比例，故在使用红外测温仪时，必须求出待测对象的辐射率ε(λ，T)数值，即进行辐射率修正。遗憾的是，该辐射率ε(λ，T)与待测对象的材料、表面状态、波长，温度以及辐射条件、环境因素等均有复杂的关系，因而很难准确测定ε(λ，T)，同时由于在某些情况下待测对象的辐射率随温度变化太大，因而传统红外测温仪还存在着较大的误差。第二阶段：科学家们为解决传统的红外测温设备存在的问题，研究出了基于单波长窄带滤波红外测温技术。可是由于存在诸如水蒸气等的周围环境对红外线的吸收，在很大幅度上影响了单波长红外测温的准确性。第三阶段：利用双波长滤波红外测温技术来进行红外测温。双波长滤波红外测温技术的原理为：利用黑体辐射曲线中相邻两个波长对应的能量等比吸收的原理，在保证红外测温高精度测量的基础上，克服了环境对物体发射红外线吸收造成的测量误差。根据普朗克辐射定律，一个绝对温度为T的黑体，单位表面积在波长λ1、λ2(λ1的附近单位波长)的间隔内向整个半球空间发射的辐射功率(简称光谱辐射度)E0(λ，T)，满足下式的变化关系：E0(λ,T)=2πhν3c21ehν/kT-1=2πhc2λ51ehc/λkT-1=C1λ-5(eC2/λT-1)-1]]>其中，c为真空光速c＝2.99792458×108m/s；h为普朗克常数，h＝6.62607004×10-34J·s；k为玻尔兹曼常数，k＝1.3806488×10-23J/K；C1为第一辐射常数，C1＝2πhc2＝3.741771790075259×10-16W·m2；C2为第二辐射常数，C2＝hc/k＝1.4387770620391×10-2m·K。而灰体的光谱辐射能量公式：E(λ,T)=ϵ(λ,T)E0(λ,T)=ϵ(λ,T)C1λ-5(eC2/λT-1)-1]]>其中，E0(λ，T)为黑体发射的光谱辐射通量密度，λ为光谱辐射时的波长，T为黑体的绝对温度，单位为K，ε(λ，T)为待测对象温度为T，辐射波长为λ时的辐射率，0＜ε(λ，T)≤1。在经典近似情况下，在红外测温仪的测温范围内满足此条件，则E0(λ，T)可近似简化为Wien公式：若波长为定值，则上式只与温度有关，可改写为：E0(T)＝A0exp(B0/T)其中，A0＝C1λ-5，B0＝-C2/λ，且仍然只适用于黑体。若将A0和B0视为可变参量A和B，则可推广到灰体的情况，则灰体的光谱辐射能量为：E(T)＝Aexp(B/T)。不同于公式的是，前者只需简单改变A和B参量的值就可实现从黑体到灰体的修正，而无需确定复杂的辐射率函数ε(λ，T)。利用相邻两波长等比吸收的原理。取2个波长的吸收能量比作为温度的函数，即可避免由于水蒸气等环境对红外线吸收的因素而造成的测量误差。现在分别取λ1和λ2，则有：E1(T)＝A1(λ1)exp(B1(λ1)/T)，E2(T)＝A2(λ2)exp(B2(λ2)/T)。上述两式作比值得：X=E1(T)E2(T)=A′exp(B′/T),]]>其中，因此，只要利用实验数据拟合确定A′和B′两个参数，即可获得被测物体的温度T与该比值X之间的关系。即，根据上述拟合系数A′和B′，可以得到此种环境下的该辐射体的温度。图1(a)示出了现有技术中一种双波长滤波红外测温设备的示意图。图1(b)示出了图1(a)中调制盘的结构示意图。参考图1(a)和图1(b)，该双波长滤波红外测温设备的工作方法是：待测对象发出的一束光辐射沿水平方向通过透镜9射向反射镜8，由反射镜8将光辐射反射至分光镜1(或二向色镜)。分光镜1将这束光辐射进行反射和透射，形成水平方向上的反射的第一光辐射和垂直方向上的透射的第二光辐射。水平方向上的第一光辐射经过窄带滤光片7滤为波长为第一波长的光(例如波长为λ1的光)。波长为λ1的光通过反射镜6反射为垂直方向后并射向带有电机的调制盘5。垂直方向上的第二光辐射经过反射镜2反射后形成水平方向上的第二光辐射，经过窄带滤光片3滤为波长为第二波长的光(例如波长为λ2的光)。波长为λ2的光射向带有电机的调制盘5。电机带动调制盘进行转动，波长为λ2的光可以通过调制盘5上的通孔(参见图1(b))射向光敏传感器4，波长为λ1的光可以通过调制盘5上的镜面反射后射向光敏传感器4。光敏传感器4获取波长为λ1和λ2的光的能量，再经过放大电路、计算电路进行数据处理生成待测对象的温度，该温度在显示的设备上进行显示。本申请的专利技术人做了大量的实验，发现利用该双波长滤波红外测温设备测得的温度的精度尽管相对于单波长红外测温设备有了明显的提高，但仍然存在一定的误差。本发明人还发现：一方面，双波长光辐射测温的精度与光辐射分成的双波的平均度成正比。即：当入射的光辐射分成的两束光束的光子数或者能量越平均，其测温的精度越高。另一方面，该双波本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于编码变换的双波长温度场成像设备，其特征在于，包括：光辐射调制装置，配置为接收待测对象的光辐射，且加载预设的多个掩膜，将接收到的光辐射调制为多束第一光辐射和多束第二光辐射，并使多束所述第一光辐射沿第一路径射出、多束所述第二光辐射沿不同于第一路径的第二路径射出，所述多个掩膜由矩阵Φ变换生成；布置在所述第一路径上的第一滤光元件，配置为接收多束所述第一光辐射，并将接收到的所述第一光辐射过滤为波长为第一波长λ1的多束光；布置在所述第二路径上的第二滤光元件，配置为接收多束所述第二光辐射，并将接收到的所述第二光辐射过滤为波长为第二波长λ2的多束光；布置在第一路径上的第一探测装置，配置为接收所述波长为第一波长λ1的多束光并将其转换为相应的多个第一光电信号参量；布置在第二路径上的第二探测装置，配置为接收所述波长为第二波长λ2的多束光并将其转换为相应的多个第二光电信号参量；温度确定装置，配置为接收来自所述第一探测装置和所述第二探测装置的多个所述第一和第二光电信号参量，并根据多个所述第一和第二光电信号参量与温度的预定关系确定出所述待测对象每一个像素点的温度值；图像生成装置，配置为根据所述待测对象每一个像素点的温度值以及所述待测对象的二维图像反演出所述待测对象的二维红外热图像。...

【技术特征摘要】
1.一种基于编码变换的双波长温度场成像设备，其特征在于，包括：
光辐射调制装置，配置为接收待测对象的光辐射，且加载预设的多个掩膜，将接收到的
光辐射调制为多束第一光辐射和多束第二光辐射，并使多束所述第一光辐射沿第一路径射
出、多束所述第二光辐射沿不同于第一路径的第二路径射出，所述多个掩膜由矩阵Φ变换
生成；
布置在所述第一路径上的第一滤光元件，配置为接收多束所述第一光辐射，并将接收
到的所述第一光辐射过滤为波长为第一波长λ1的多束光；
布置在所述第二路径上的第二滤光元件，配置为接收多束所述第二光辐射，并将接收
到的所述第二光辐射过滤为波长为第二波长λ2的多束光；
布置在第一路径上的第一探测装置，配置为接收所述波长为第一波长λ1的多束光并将
其转换为相应的多个第一光电信号参量；
布置在第二路径上的第二探测装置，配置为接收所述波长为第二波长λ2的多束光并将
其转换为相应的多个第二光电信号参量；
温度确定装置，配置为接收来自所述第一探测装置和所述第二探测装置的多个所述第
一和第二光电信号参量，并根据多个所述第一和第二光电信号参量与温度的预定关系确定
出所述待测对象每一个像素点的温度值；
图像生成装置，配置为根据所述待测对象每一个像素点的温度值以及所述待测对象的
二维图像反演出所述待测对象的二维红外热图像。
2.根据权利要求1所述的基于编码变换的双波长温度场成像设备，其特征在于，所述光
辐射调制装置加载预设的多个掩膜，所述第一探测装置接收所述波长为第一波长λ1的多束
光并将其转换为相应的多个第一光电信号参量，所述第二探测装置接收所述波长为第二波
长λ2的多束光并将其转换为相应的多个第二光电信号参量包括：
当所述预设矩阵Φ矩阵服从±1二值分布时：
将预设矩阵Φ拆分为两个互补的0-1矩阵H+和H-；
所述光辐射调制装置加载由H+矩阵的第i行或第i列H+i拉伸变换而得的掩膜，并且所述
光辐射调制装置将接收到的光辐射调制为第一光辐射和第二光辐射，所述第一探测装置将
所述第一光辐射转换为相应的第一光电信号参量E1(T)2i-1，所述第二探测装置将所述第二
光辐射转换为相应的第二光电信号参量E2(T)2i-1；
所述光辐射调制装置加载由H-矩阵的第i行或第i列H-i拉伸变换而得的掩膜，并且所述
光辐射调制装置将接收到的光辐射分为第一光辐射和第二光辐射，所述第一探测装置将所
述第一光辐射转换为相应的第一光电信号参量E1(T)2i，所述第二探测装置将所述第二光辐
射转换为相应的第二光电信号参量E2(T)2i；
当所述预设矩阵Φ服从±1、0三值分布时：
将所述预设矩阵Φ拆分为两个相互独立的0-1矩阵H+和H-；
所述光辐射调制装置加载由H+矩阵的第i行或第i列H+i拉伸变换而得的掩膜，并且所述
光辐射调制装置将接收到的光辐射分为第一光辐射和第二光辐射，所述第一探测装置将所
述第一光辐射转换为相应的第一光电信号参量E1(T)2i-1，所述第二探测装置将所述第二光
辐射转换为相应的第二光电信号参量E2(T)2i-1；
所述光辐射调制装置加载由H-矩阵的第i行或第i列H-i拉伸变换而得的掩膜，并且所述
光辐射调制装置将接收到的光辐射分为第一光辐射和第二光辐射，所述第一探测装置将所
述第一光辐射转换为相应的第一光电信号参量E1(T)2i，所述第二探测装置将所述第二光辐
射转换为相应的第二光电信号参量E2(T)2i；
当所述预设矩阵Φ服从0-1分布时：
所述光辐射调制装置顺序加载由预设矩阵Φ的每一行(或列)直接拉伸变换而得的掩
膜，并且所述光辐射调制装置将接收到的光辐射分为第一光辐射和第二光辐射，所述第一
探测装置将所述第一光辐射转换为相应的第一光电信号参量E1(T)i，所述第二探测装置将
所述第二光辐射转换为相应的第二光电信号参量E2(T)i；
其中，i＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞文凯，赵清，葛墨林，翟光杰，刘雪峰，姚旭日，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11