基于凝视型快照式光谱成像的温度场时空分布测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于温度场时空分布测量装置技术领域，具体涉及一种基于凝视型快照式光谱成像的温度场时空分布测量装置，包括光成像收集单元、光谱成像单元、信号采样单元和电脑PC端，所述光成像收集单元的光路方向上设置有光谱成像单元，所述光谱成像单元电性连接有信号采样单元，所述信号采样单元电性连接有电脑PC端。本发明专利技术采用光谱成像技术实现，光谱成像能够同时获取待测目标的图像信息和光谱信息，图像信息能够实现温度场空间分布测量，光谱信息能够实现每个像元对应目标的温度准确测量。实现每个像元对应目标的温度准确测量。实现每个像元对应目标的温度准确测量。

【技术实现步骤摘要】
基于凝视型快照式光谱成像的温度场时空分布测量装置


[0001]本专利技术属于温度场时空分布测量装置
，具体涉及一种基于凝视型快照式光谱成像的温度场时空分布测量装置。

技术介绍

[0002]温度场测量不仅能够获得燃料燃烧、爆炸信息及效能评估，也可以获得航空、航天发动机健康状态和隐身性能评估，在民生安全、国防装备领域具有非常重要的作用。然而，温度测量，特别是温度场的时间分布、空间分布测量一直是没有解决好的技术难题。目前，温度的测量方式大致可以分为两大类：接触式和非接触式。接触式测温利用热电偶等传感器与被测对象良好接触，利用温度引起温敏材料性质的变化来实现温度测量，传感器的加入几乎不改变对象的温度，但要求被测温度不超过传感器能承受的上限温度，热电偶测温上限一般不超过2000℃，此外，接触测温通常限制了腐蚀、冲击等恶劣环境的温度测量。非接触式有红外测温、比色测温和多光谱辐射测温。红外测温采用热像仪成像方式实现温度测量，能够实现温度场的分布测量，以美国FLIRE公司的产品为代表，测温上限不超过3500℃，成像时间在ms量级，限制了该技术在超高速、超高温场的测量应用，并且红外测温要求知道被测对象光谱发射率，而被测对象光谱发射率不仅与被测对象的材质有关，而且还与温度有关，因此在实际应用中红外测温精度有限。比色测温测量两个波长的光谱辐射来实现温度测量，利用被测物体相邻波长发射率近似相等的关系，通过相邻波长辐射能量比值消除了发射率的影响，在一定温度范围内实现了较高精度的温度测量，但该技术不适用于大动态范围温度测量。
[0003]多光谱测温同时实现多个光谱辐射测量，根据测量光谱信息结合普朗克辐射定律实现待测目标温度和光谱发射率的同时测量，具有测温准确，测温动态范围宽等优势，是目前非接触测温方式中极具竞争力的测温方法。但目前多光谱测量技术多采用光栅光谱仪，傅里叶变换光谱仪，不仅测量速度有限，而且无法实现成像测量。因此，多光谱测温在温度场分布测量应用受到限制。

技术实现思路

[0004]针对上述的技术问题，本专利技术提供了一种测量准确、适用范围广、安全性高的基于凝视型快照式光谱成像的温度场时空分布测量装置。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]基于凝视型快照式光谱成像的温度场时空分布测量装置，包括光成像收集单元、光谱成像单元、信号采样单元和电脑PC端，所述光成像收集单元的光路方向上设置有光谱成像单元，所述光谱成像单元电性连接有信号采样单元，所述信号采样单元电性连接有电脑PC端。
[0007]所述光谱成像单元包括光谱成像编码模块和探测器阵列，所述探测器阵列设置在光谱成像编码模块的光路方向上。
[0008]所述光成像收集单元采用反射式望远镜结构、卡塞格林望远镜或者牛顿望远镜。
[0009]所述光谱成像编码模块采用硅基平板光子晶体，所述硅基平板光子晶体通过十字孔、圆孔或三角孔平板光子晶体空气孔隙来进行目标辐射光谱伪随机透过率编码调制。
[0010]所述探测器阵列采用CMOS探测器阵列，所述探测器阵列的波长范围为400
‑
900nm，所述探测器阵列的像元尺寸为5.6μm，所述探测器阵列的像素不小于2048
×
1024，所述探测器阵列的帧频不低于100fps。
[0011]所述光谱成像单元光谱分辨率大于5nm，所述光谱成像单元的光谱通道数为N≥100，所述光谱成像单元实际压缩测量次数M≤25，所述光谱成像单元的压缩比为N:M≥4:1，所述光谱成像单元的每个光谱测量像元采用5
×
5的硅基平板光子晶体制备。
[0012]一种基于凝视型快照式光谱成像的温度场时空分布测量装置的测量方法，包括下列步骤：
[0013]S1、待测目标辐射光经光成像收集单元汇聚成像在光谱成像单元上；
[0014]S2、光谱成像单元将光信号转变为电信号，探测器阵列对经光谱成像编码模块伪随机透过率编码的成像光信号进行伪随机成像探测；
[0015]S3、电信号经信号采样单元完成采集传输至电脑PC端；
[0016]S4、在电脑PC端中完成光谱数据和图像数据处理，然后进一步反演获得温度场的空间分布和时间分布信息。
[0017]所述光谱成像单元获得的压缩测量信号在电脑PC端复原获得待测目标光谱信号，依据每个光谱测量像元上获得的光谱信号，结合普朗克辐射定律，依次获得不少于100个与光谱发射率和温度关联方程，利用线性最小二乘法对测量数据进行线性拟合计算获得待测目标光谱发射率和温度。
[0018]每个所述光谱测量像元获得的温度，按光谱测量像元位置进行二维排列获得温度场空间分布测量，将每个时刻获得的温度场在时间维度进行复原便掌握待测目标温度变化规律，获得温度场的时间分布测量。
[0019]所述依次获得不少于100个与光谱发射率和温度关联方程的方法为：待测目标光强V
(λ)
在被探测器阵列探测到时，由光谱成像编码模块的透过率调控矩阵Q
i(λ)
进行了调控，第i次的调控光谱信号被探测器阵列探测到，构成压缩测量信号s
i
为
[0020]s
i
＝∫V
(λ)
Q
i(λ)
η
(λ)
dλ i＝1,2,
…
,M
[0021]所述η
(λ)
表示探测器的光谱响应转换系数，所述η
(λ)
由探测器阵列量子效率和探测器阵列外围电路积分系数决定，通过对探测器阵列进行波长辐射定标得到；
[0022]所述光谱成像单元实现的压缩测量信号s
i
被信号采样单元采样为离散数字量S
i
，将待测目标光强信号离散为N维向量表示，对应光谱通道数设为N，且满足多次压缩测量信号S
i
满足S
i
∈R
M
×1，所述所述代表透过率调控压缩测量矩阵；
[0023]光谱信号稀疏表示为I＝Ψα，所述α为光谱信号稀疏后的K
‑
稀疏向量，所述K
‑
稀疏向量包含K个非零元素，所述K<<N；所述Ψ是稀疏矩阵；根据压缩感知的理论框架，将改写为S＝QV＝QΨα＝Aα，所述A＝QΨ代表传感矩阵，是由压缩测量矩阵Q和稀疏矩阵Ψ共同决定的；然后对S＝QV＝QΨα＝Aα的逆问题进行求解：
[0024][0025]通过寻找最优光谱稀疏信号然后将待测光谱信号从稀疏信号中正确地恢复出来依据每个光谱测量像元上获得的光谱信号基于普朗克辐射定律进行温度反演，根据普朗克辐射定律，绝对温度T的光谱辐射温度的公式为：
[0026][0027]所述L(λ,T)为物体的辐射亮度，所述λ为波长，所述T为绝对温度；所述ε(λ,T)为物体的光谱发射率；所述C1＝3.7415
×
108W
·
μm4·
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于凝视型快照式光谱成像的温度场时空分布测量装置，其特征在于：包括光成像收集单元(1)、光谱成像单元(2)、信号采样单元(3)和电脑PC端(4)，所述光成像收集单元(1)的光路方向上设置有光谱成像单元(2)，所述光谱成像单元(2)电性连接有信号采样单元(3)，所述信号采样单元(3)电性连接有电脑PC端(4)。2.根据权利要求1所述的一种基于凝视型快照式光谱成像的温度场时空分布测量装置，其特征在于：所述光谱成像单元(2)包括光谱成像编码模块(2
‑
1)和探测器阵列(2
‑
2)，所述探测器阵列(2
‑
2)设置在光谱成像编码模块(2
‑
1)的光路方向上。3.根据权利要求1所述的一种基于凝视型快照式光谱成像的温度场时空分布测量装置，其特征在于：所述光成像收集单元(1)采用反射式望远镜结构、卡塞格林望远镜或者牛顿望远镜。4.根据权利要求2所述的一种基于凝视型快照式光谱成像的温度场时空分布测量装置，其特征在于：所述光谱成像编码模块(2
‑
1)采用硅基平板光子晶体，所述硅基平板光子晶体通过十字孔、圆孔或三角孔平板光子晶体空气孔隙来进行目标辐射光谱伪随机透过率编码调制。5.根据权利要求2所述的一种基于凝视型快照式光谱成像的温度场时空分布测量装置，其特征在于：所述探测器阵列(2
‑
2)采用CMOS探测器阵列，所述探测器阵列(2
‑
2)的波长范围为400
‑
900nm，所述探测器阵列(2
‑
2)的像元尺寸为5.6μm，所述探测器阵列(2
‑
2)的像素不小于2048
×
1024，所述探测器阵列(2
‑
2)的帧频不低于100fps。6.根据权利要求1所述的一种基于凝视型快照式光谱成像的温度场时空分布测量装置，其特征在于：所述光谱成像单元(2)光谱分辨率大于5nm，所述光谱成像单元(2)的光谱通道数为N≥100，所述光谱成像单元(2)实际压缩测量次数M≤25，所述光谱成像单元(2)的压缩比为N:M≥4:1，所述光谱成像单元(2)的每个光谱测量像元采用5
×
5的硅基平板光子晶体制备。7.根据权利要求1
‑
6任一项所述的一种基于凝视型快照式光谱成像的温度场时空分布测量装置的测量方法，其特征在于：包括下列步骤：S1、待测目标辐射光经光成像收集单元(1)汇聚成像在光谱成像单元(2)上；S2、光谱成像单元(2)将光信号转变为电信号，探测器阵列(2
‑
2)对经光谱成像编码模块(2
‑
1)伪随机透过率编码的成像光信号进行伪随机成像探测；S3、电信号经信号采样单元(3)完成采集传输至电脑PC端(4)；S4、在电脑PC端(4)中完成光谱数据和图像数据处理，然后进一步反演获得温度场的空间分布和时间分布信息。8.根据权利要求7所述的一种基于凝视型快照式光谱成像的温度场时空分布测量装置的测量方法，其特征在于：所述光谱成像单元(2)获得的压缩测量信号在电脑PC端(4)复原获得待测目标光谱信号，依据每个光谱测量像元上获得的光谱信号，结合普朗克辐射定律，依次获得不少于100个与光谱发射率和温度关联方程，利用线性最小二乘法对测量数据进行线性拟合计算获得待测目标光谱发射率和温度。9.根据权利要求8所述的一种基于凝视型快照式光谱成像的温度场时空分布测量装置的测量方法，其特征在于：每个所述光谱测量像元获得的温度，按光谱测量像元位置进行二维排列获得温度场空间分布测量，将每个时刻获得的温度场在时间维度进行复原便掌握待
测目标温度变化规律，获得温度场的时间分布测量。10.根据权利要求9所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王爽，李克武，王志斌，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：