一种分光型激光诱导磷光成像系统校正方法及校准装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种分光型激光诱导磷光成像系统校正方法及校准装置。标定方法包括：选用匀光板作为标准光源，将匀光板发光表面位于成像系统的对焦面处；设定采集频率、采集总时间及N个不同的曝光时间，采集不同曝光时间下的成像系统获取的N组灰度图像；对采集的N组灰度图像，按像素取平均值得到每组灰度图像的图像灰度矩阵；对N个曝光时间下的灰度矩阵集合使用最小二乘法进行线性拟合获得偏置修正矩阵及增益修正矩阵；根据获得的偏置修正矩阵和增益修正矩阵，对测试状态下获取的原始响应灰度矩阵进行校正处理。度矩阵进行校正处理。度矩阵进行校正处理。

【技术实现步骤摘要】
一种分光型激光诱导磷光成像系统校正方法及校准装置


[0001]本专利技术涉及测量
，具体是一种分光型激光诱导磷光成像系统响应大范围校正方法。

技术介绍

[0002]航空发动机涡轮前高温燃气温度对推重比、发动机效率、单位油耗排放量具有重要影响，有必要对高温燃气温度场进行准确测量，但其复杂的流场严重限制了传统温度测量技术的应用。激光诱导磷光(LIP)温度测量技术具有非侵入、所需光学窗口少，可靠性高等特点，在光学窗口受限、涉及复杂流动与换热过程的温度场测量方面具有较大的应用潜力。
[0003]激光诱导磷光(LIP)温度测量技术是一种基于磷光热淬灭效应的非接触式光学测温技术。目前比较成熟的激光诱导磷光温度测量方法有绝对强度法、寿命衰减法以及强度比法。绝对强度法基于磷光强度随环境温度升高而降低的特性进行温度测量，适用于磷光物质均匀分布的温度测量场景，如在高温固体壁面喷涂均匀厚度的磷光涂层，通过测量磷光涂层的磷光强度间接测量高温固体壁面的温度分布。寿命衰减法基于磷光寿命随环境温度升高而降低的特性实现温度测量，一般使用高速相机连续采集同一被测区域磷光信号，拟合得到磷光寿命分布，依据磷光寿命与环境温度的关系反演得到固体壁面的温度分布，该方法要求测试系统与被测对象相对静止，适合测量静止或旋转的高温固体壁面。强度比法则是利用磷光发射光谱中两个不同波段磷光强度的比值与环境温度的关系测量温度，可用于复杂流动或者磷光粒子分布不均匀的温度测量场景。
[0004]综合比较，激光诱导磷光温度测量方法中强度比法最适用于高温燃气温度场测量。基于此技术，近年来发展起来一种分光型激光诱导磷光成像系统，如图1所示。系统由二向色镜、笼板(固定二向色镜)、滤波片、笼板(固定滤波片)、镜头、CCD相机等组成。
[0005]为了验证激光诱导磷光强度比法测量燃气温度场的可行性，实验室设计并搭建了T≤500℃的高温射流实验台，选择BAM:EU
2+
磷光颗粒作为热成像介质进行温度场测量。BAM:EU
2+
受355nm激光激发后的发射光谱如图2所示。从图中可知，磷光波长主要为400
‑
500nm，其中425
±
15nm磷光强度随温度升高而升高，466
±
18nm磷光强度随温度升高基本不变。用I
425
表示425
±
15nm磷光强度值，I
466
表示466
±
18nm磷光强度值，激光诱导磷光强度比法测温则是基于磷光强度比I
425
/I
466
与温度的关系进行测温，如式(1)所示。磷光颗粒发出的400
‑
500nm磷光经二向色镜被分为400
‑
445nm和445nm
‑
500nm两个波段，其中400
‑
445nm的磷光经二向色镜45
°
镜面反射后，经425
±
15nm滤波片滤波后成像在CCD相机1上；445nm
‑
500nm的磷光穿过二向色镜、经466
±
18nm滤波片滤波后成像在CCD相机2上。基于等式(1)使用强度比法处理CCD相机1与CCD相机2同时获得的两个不同波段磷光粒子图像的灰度值即可反演温度场。
[0006]F＝I
425
/I
466
＝f(T) (1)
[0007]理想情况下，均匀光源照射，分光型激光诱导磷光成像系统的响应应该完全一致，
即图像像素灰度值应完全相等。但受光学系统结构(固定二向色镜的笼板通光孔)、CCD相机光电传感器材料以及制造工艺、滤波片以及二向色镜滤波参数等条件的影响，分光型激光诱导磷光成像系统的响应存在明显的空间不均匀性，即被测对象同一区域的磷光信号成像在CCD相机不同像元上时灰度值存在明显的差异，导致强度比法无法反演出准确的温度场分布。
[0008]目前关于分光型激光诱导磷光成像系统响应空间不均匀性产生的原因以及校正方法的研究较少。在CCD相机制备领域，关于CCD相机光电响应不均匀校正方法的研究较多，如一点校正法、两点校正法等，但这些方法都仅对成像系统中的CCD相机进行了不均匀校正，而在分光型激光诱导磷光成像系统中，系统结构、CCD相机光电响应不均匀(同一像元对不同波长的光的响应不一致，不同像元对同一波长的光的响应不一致)、镜头参数(复制比、光圈值)、滤波片以及二向色镜参数都将影响系统响应均匀性，且不同环节之间存在耦合关系，通过传统的对CCD相机单一环节进行校正难以满足温度准确测量的需求。此外，受磷光粒子浓度以及激光能量密度的影响，被测流场内磷光信号强度范围较大。为了使校正后的成像系统不受磷光信号强度的影响，有必要对成像系统响应进行大范围校正。

技术实现思路

[0009]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种降低温度测量误差的分光型激光诱导磷光成像系统响应大范围校正方法及校准装置。
[0010]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0011]本专利技术首先提供一种分光型激光诱导磷光成像系统响应大范围校正方法，包括：
[0012]选用大小充满CCD相机整个视场的匀光板作为标准光源；将调节好的分光型激光诱导磷光成像系统放置在匀光板前，使匀光板发光表面位于成像系统的对焦面处；
[0013]设定采集频率、采集总时间及N个不同的曝光时间，采集不同曝光时间下的成像系统获取的N组灰度图像；
[0014]对采集的N组灰度图像，按像素取平均值得到每组灰度图像的图像灰度矩阵(Y
1 Y2...Y
N
)；
[0015]对N个曝光时间下的灰度矩阵集合(Y
1 Y2...Y
N
)，使用最小二乘法进行线性拟合获得偏置修正矩阵及增益修正矩阵；
[0016]根据获得的偏置修正矩阵和增益修正矩阵，对测试状态下获取的原始响应灰度矩阵进行校正处理。
[0017]本专利技术一种分光型激光诱导磷光成像系统响应大范围校正方法的具体步骤为：
[0018]选用大小充满CCD相机整个视场的匀光板作为标准光源；将调节好的分光型激光诱导磷光成像系统放置在匀光板前，使匀光板发光表面位于成像系统的对焦面处；
[0019]设定采集频率、采集总时间及N个不同的曝光时间[x1,x2,...x
N
]，采集不同曝光时间下的成像系统获取的N组灰度图像；
[0020]对采集的N组灰度图像，按像素取平均值得到每组灰度图像的图像灰度矩阵(Y
1 Y2...Y
N
)；其中Y
o
(o为整数且1≤o≤N)为：
[0021][0022]步骤使用最小二乘法对图像灰度矩阵(Y
1 Y2...Y
N
)灰度值最大的像素点y
max
进行线性拟合，线性拟合公式为：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分光型激光诱导磷光成像系统校正方法，其特征在于，包括：选用大小充满CCD相机整个视场的匀光板作为标准光源；将调节好的分光型激光诱导磷光成像系统放置在匀光板前，使匀光板发光表面位于成像系统的对焦面处；设定采集频率、采集总时间及N个不同的曝光时间，采集不同曝光时间下的成像系统获取的N组灰度图像；对采集的N组灰度图像，按像素取平均值得到每组灰度图像的图像灰度矩阵集合(Y
1 Y2...Y
N
)；对N个曝光时间下的灰度矩阵集合(Y
1 Y2...Y
N
)，使用最小二乘法进行线性拟合获得偏置修正矩阵及增益修正矩阵；根据获得的偏置修正矩阵和增益修正矩阵，对测试状态下获取的原始响应灰度矩阵进行校正处理。2.根据权利要求1所述的分光型激光诱导磷光成像系统校正方法，其特征在于，对N个曝光时间下的灰度矩阵集合(Y
1 Y2...Y
N
)，使用最小二乘法进行线性拟合获得偏置修正矩阵及增益修正矩阵步骤，包括：使用最小二乘法对图像灰度矩阵集合(Y
1 Y2...Y
N
)灰度值最大的像素点y
max
进行线性拟合；根据拟合结果，确定理想响应曲线的偏置误差和增益系数；根据理想响应曲线的偏置误差和增益系数，确定图像灰度矩阵Y
o
中任意像元y
i,j
响应曲线的偏置误差、增益系数及增益系数的修正因子，其中，i为整数且1≤i≤m，j为整数且1≤j≤n，o为整数且1≤o≤N；根据获得的图像灰度矩阵Y
o
中任意像元y
i,j
响应曲线的偏置误差、增益系数及增益系数的修正因子，得到偏置修正矩阵及增益修正矩阵。3.根据权利要求2所述的分光型激光诱导磷光成像系统校正方法，其特征在于，步骤使用最小二乘法对图像灰度矩阵(Y
1 Y2...Y
N
)灰度值最大的像素点y
max
进行线性拟合，线性拟合公式为：式中，a
max
为响应增益系数，b
max
为响应偏置误差，r
max
为线性拟合度，x为常数光源强度值，其余变量为：
式中，x
N
表示第N组灰度图像的曝光时间，y
maxN
表示第N组灰度矩阵中像素灰度最大值。4.根据权利要求3所述的分光型激光诱导磷光成像系统校正方法，其特征在于，步骤根据拟合结果确定理想响应曲线的偏置误差和增益系数，包括：取y
maxN
表示第N组灰度矩阵中像素灰度最大值并作为定标点；确定理想响应曲线的偏置误差和增益系数，分别为：b
max
＝(y
max1
+y
max2
+...+y
maxN
)/N
‑
a
max
(x1+x2+...+x
N
)/Na
max
＝((y
max1
·
x1+y
max2
·
x2+...+y
maxN
·
x
N
)/N
‑
(y
max1
+y
max2
+...+y
maxN
)
·
(x...

【专利技术属性】
技术研发人员：许传龙，陈满福，张彪，李健，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：