CN105378539B - 适合于在涡轮发动机中使用的用于基于光纤的图像获取的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了适合于在涡轮发动机中使用的用于图像获取的系统和方法。从物体平面(PO)中的视场接收的光(I)通过光学调制设备(102)被投影到图像平面(Pi)上，并且通过图像导管(104)被传送到传感器阵列(106)。传感器阵列基于从图像导管接收的光生成感测基中的采样图像信号集合。最终，采样图像信号从感测基被变换为表示基，并且从其生成估算的图像信号的集合。估算的图像信号被用于重建涡轮发动机内的兴趣区域的图像和/或运动视频。

Description

适合于在涡轮发动机中使用的用于基于光纤的图像获取的系 统和方法
本文中描述的本发明是至少部分地在先进涡轮开发项目过程中开发的，该先进涡轮开发项目是在西门子能源公司和美国能源部之间的第DE-FC26-05NT42644号合同下执行的。因此，美国政府可以对本发明具有一定的权利。
技术领域
本发明总体上涉及成像系统。具体而言，本发明涉及适合于在涡轮发动机中使用的用于基于光纤的图像获取的系统和方法。
背景技术
如本领域熟知的，光纤技术已经使得能够实现广泛用于各种工业应用中的称为工业内窥镜(或者管道镜)的成像系统。这种成像系统提供用于检视这种被包围在例如工业机器内的内部结构的手段，否则该内部结构难以接近，并且在不首先竭力将工业机器拆卸的情况下，不能以直接视线成像方式进行检视。
这种成像系统基本上基于使用光纤束作为图像导管。在图像导管的近端，光学布置将从兴趣区域收集的光聚焦到光纤束的平面上。光纤束将光以单独像素的形式从近端传输到远端，包括在光纤束中的每光纤一个像素。在图像导管的远端，另一光学布置将光聚焦到图像平面上。诸如电荷耦合器件(CCD)阵列、互补金属氧化物半导体(CMOS)阵列、照相胶片等之类的光感测元件集合被沿着图像平面布置以感测在图像平面处接收的光，使得图像被相应地生成。在典型的使用情形下，图像导管的近端被插入穿过小的开口以到达机器或其部件内部的否则难以接近的区域。这种成像系统在现有技术中一般是已知的，诸如在颁发给Morito等人的美国专利5,986,752、颁发给Franklin等人的美国专利4,849,626、颁发给Lord等人的美国专利4,281,929等中公开的那些。
虽然这种成像系统一般广泛普及并且令人满意地处理了若干期望的应用，但是它们在某些应用中的使用造成了特定的挑战。一种这种应用是涡轮发动机中的在线状态监视。
在典型的涡轮发动机(还称为燃气涡轮或者燃烧式涡轮)中，上游转动压缩机耦合到下游涡轮，并且燃烧腔室位于两者之间。气流从压缩机端部进入涡轮发动机，并且在上游压缩机中高度增压；被压缩的气流接着以高速度进入燃烧腔室，燃料被添加到燃烧腔室并且点燃以将附加能量传递给气流；被供能的气流接着驱动下游涡轮。
这种涡轮发动机在非常高的温度下操作，该温度可以超过1200摄氏度。此外，气流以极高的速度传播穿过涡轮发动机，并且涡轮发动机在操作期间还经历强的机械振动，从而导致高的机械应力。因此，期望用于燃气涡轮中的在线状态监视的成像系统必须被设计为耐受其中遭遇的这种高应力环境。
近些年，进行了密集的研究和开发工作以设计适合于涡轮发动机和其它这种严酷环境中的在线状态监视的成像系统；并且提出了用于这一目的的各种系统和方法。
从颁发给Diatzikis并且转让给西门子能源公司的美国专利7,486,864得知一个这种系统和方法。上述专利公开了成像系统，该成像系统包括：至少一个光子晶体光纤，具有成像端和处理端；成像相机，可操作地连接到至少一个光子晶体光纤的处理端；以及成像处理器，可操作地连接到成像相机。光子晶体光纤可以包括蓝宝石包层，并且限定中空芯。至少一个光子晶体光纤的成像端可以捕获兴趣区域中的光，并且将光引导到成像相机。处理器可以基于光生成图像。
从颁发给Zombo等人并且转让给西门子能源公司的美国专利8,184,151得知另一个这种系统。上述专利公开了用于对燃气涡轮发动机内的内部部件进行成像的成像系统。成像系统包括柔性成像束，该柔性成像束包括：成像端，用于对发动机的热气通路中的部件进行成像；和查看端，在从热气路径位移的位置处提供部件的图像。成像端包括限定用于接收部件图像的成像平面的多个受体位点。柔性成像束限定由多个高温光学元件限定的多个分立光通路，每个光通路对应于受体位点。查看端包括多个发射位点，每个发射位点对应于受体位点，其中形成查看端的发射位点的位置和数目与形成成像端的成像位点的位置和数目具有一一对应关系，以实现相干图像从成像端向查看端穿过柔性成像束的传输。
虽有显著的进步，但是各种现有技术工业内窥镜在涡轮发动机中的状态监视方面遭受了若干劣势。
在当前的成像系统中，单独光纤相互光学隔离；每个光纤传输对应于所获取的图像中的单独像素的光。因此，为了获得具有令人满意的分辨率水平的图像，必须使用具有相对非常大数目的光纤的光纤束。这转而导致了在这种成像系统中使用的图像导管的不期望的总厚度。因此，涡轮发动机内的若干期望的兴趣区域(诸如位于轮叶内的区域)仍保持难以接近。
不合适的外形规格的问题在被设计用于涡轮发动机中的在线状态监视的成像系统的情形下进一步加剧，因为需要附加措施以耐受高温和其它严酷的周围条件。特别地，为了稳健性，光纤束在单独光纤上形成有特殊涂层，这不期望地阻止了光纤的高密度堆积。如果期望保持光纤束的厚度足够小(例如，小于8mm)以便适合穿过诸如轮叶嵌件内部之类的狭窄区域，则可以被包括在光纤束中的光纤的数目被限制于几百根。将光纤总数目限制于几百根将任何类型的成像应用局限于非常低的分辨率。
鉴于以上内容，需要适合于在涡轮发动机中使用的用于图像获取的改进的系统和方法。改进的系统和方法应该保证系统(并且特别地，其中的图像导管)的紧凑且薄的外形规格，使得对涡轮发动机内的各种狭窄区域的可接近性得以改进。同时，改进的系统和方法应该便于以令人满意的高分辨率水平的图像获取。
发明内容
本发明的目的是提供适合于在涡轮发动机中使用的用于图像获取以进行在线状态监视的系统和方法。
本发明的另一目的是提供适合于在涡轮发动机中使用的用于图像获取以使得对位于涡轮发动机内部的各种兴趣区域的可接近性得以改进的系统和方法。
本发明的又一目的是提供适合于在涡轮发动机中使用的用于图像获取以使得图像和/或运动视频的分辨率得以增加的系统和方法。
本发明的上述目的通过分别根据权利要求1和权利要求11的适合于在涡轮发动机中使用的用于图像获取的系统和方法实现。本发明的其它实施例在从属权利要求中论述。
本发明的底层构思是提供图像导管，该图像导管使用被制造为耐受高温条件的有限数目的成像光纤而形成，并且该图像导管被形成为实施稀疏信号重建技术以生成涡轮发动机内的兴趣区域的高分辨率图像和/或运动视频，从而实现高效率的在线状态监视。
在本发明的第一方面中，提供了适合于在涡轮发动机中使用的用于图像获取的系统。系统包括光学调制设备、图像导管、传感器阵列、以及信号处理设备。光学调制设备被配置用于将从物体平面中的视场接收的光投影到图像平面上。光学调制设备的特征在于第一传送函数。图像导管包括被布置为形成图像获取端和图像处理端的成像光纤集合。图像获取端被布置为基本上与图像平面一致，使得每个成像光纤获取投影到图像平面内的对应区域上的光。通过图像获取端获取的光被传送到图像处理端。图像导管的特征在于第二传送函数。传感器阵列包括光感测元件集合，光感测元件被布置为在图像处理端处接收来自单独成像光纤的光，并且生成感测基中的对应采样图像信号。信号处理设备被配置用于将采样图像信号从感测基变换为表示基，并且基于所述第一和第二传送函数从表示基生成估算的图像信号集合，其中表示基提供相对于感测基的采样图像信号的更稀疏表示，并且进一步地其中估算的图像信号的数目大于采样图像信号的数目。
在本发明的第二方面中，提供了适合于在涡轮发动机中使用的用于图像获取的方法。在第一步骤处，从物体平面中的视场接收的光通过光学调制设备被投影到图像平面上。光学调制设备的特征在于第一传送函数。之后，光通过图像导管被传送。图像导管包括被布置为形成图像获取端和图像处理端的成像光纤集合。图像获取端被布置为基本上与图像平面一致，使得投影到图像平面内的对应于单独成像光纤的单独区域上的光被传送到图像处理端。图像导管的特征在于第二传送函数。接着，基于在图像处理端处从单独成像光纤接收的光，生成感测基中的采样图像信号集合。最后，将采样图像信号从感测基变换为表示基，并且基于所述第一和第二传送函数从表示基生成估算的图像信号集合，其中表示基提供相对于感测基的采样图像信号的更稀疏表示，并且进一步地其中估算的图像信号的数目大于采样图像信号的数目。
因此，本发明提供了适合于在涡轮发动机中使用的用于图像获取的改进的系统和方法。根据本发明的技术，实现了基于具有紧凑外形规格的图像导管的系统，从而改进了对涡轮发动机内的各种兴趣区域的可接近性。同时，根据本发明的技术产生的图像和/或运动视频的分辨率至少等于或者大于使用各种现有技术解决方案实现的分辨率，在各种现有技术解决方案中，所包括的成像光纤的数目是本发明中所包括的成像光纤的数目的若干个数量级大。
附图说明
下文中参照附图所示的图示实施例进一步描述本发明，其中：
图1图示了根据本发明的实施例的适合于在涡轮发动机中使用的用于图像获取的系统的示意性表示，
图2图示了根据本发明的实施例的编码孔径掩模的三种不同配置的示意性表示，
图3图示了根据本发明的实施例的与编码孔径掩模的三种不同配置对应的三个不同视场的示意性表示，
图4图示了根据本发明的实施例的图像导管的截面，
图5图示了根据本发明的备选实施例的适合于在涡轮发动机中使用的用于图像获取的系统的示意性表示，
图6图示了根据本发明的第一实施例的滤光器组件的示意性表示，
图7图示了根据本发明的第二实施例的滤光器组件的示意性表示，
图8图示了根据本发明的第一实施例的适合于在涡轮发动机中使用的用于图像获取的方法的流程图，并且
图9图示了根据本发明的第二实施例的适合于在涡轮发动机中使用的用于图像获取的方法的流程图。
具体实施方式
参照附图描述了各种实施例，其中相同的附图标记始终被用于指代相同的元件。在以下描述中，为了解释性目的，阐述了大量具体细节以便提供对一个或者多个实施例的透彻理解。可以明显的是，可以实践这样的实施例而无需这些具体细节。
涡轮发动机中的状态监视是必要的，这是为了预先识别潜在问题并且执行预防性维护，并且从而保证涡轮发动机的安全操作。这种状态监视通常需要对各种内部部件的视觉检视以验证其完整性。这种视觉检视使用用于图像获取的系统和方法执行。
虽然离线检视可以作为日常维护活动的一部分进行，期望在涡轮发动机的日常操作期间在涡轮发动机中执行在线状态监视。虽然各种结构和材料可以在涡轮发动机的停机时间期间被用于内部部件的检视，涡轮发动机的操作期间的视觉状态监视如之前的描述所解释的那样对成像系统施加了若干限制。
本发明提供了适合于在涡轮发动机中使用的用于图像获取的系统和方法，其中通过利用涉及根据压缩感测理论的稀疏信号恢复的技术来克服这种限制。
由E.Candes、J.Romberg和T.Tao在他们题目为“Robust uncertaintyprinciples:Exact signal reconstruction from highly incomplete frequencyinformation”,IEEE Transactions on Information Theory,2004的出版物中阐述的压缩感测(其是信号获取的新理论)利用了数据信号中的稀疏性以优化信号获取和处理系统。根据这一理论，具有至少一个基中的稀疏表示的信号可以从另一基中的非自适应线性测量的有限集合重建，只要两个基互相非相干。
根据压缩感测技术，必要的是，使用线性泛函进行的采样可以用矩阵乘法表示。该技术进一步规定这种矩阵应该是随机矩阵以便保证使用合适的算法高效率地重建信号。因此，根据压缩感测理论，信号被随机采样。在采样之后，使用随机样本重建信号。为了这一目的，已经提出了包括迭代优化过程在内的各种重建算法。
通常，图像信号具有诸如哈尔小波(Haar Wavelet)变换、离散余弦变换(DCT)等之类的备选基中的稀疏表示。因此，压缩感测理论被利用于实现如以下描述中所阐述那样的高效率的图像获取。
现在参照图1，根据本发明的实施例提供了适合于在涡轮发动机(未示出)中使用的用于图像获取的系统100的示意性表示。
应该注意的是，虽然在涡轮发动机的上下文中讨论了本发明，但是本发明的各种技术可以容易地应用于任何其它成像应用。
系统100包括光学调制设备102、图像导管104、传感器阵列106、以及信号处理设备108。此外，图1还描绘了物体平面PO和图像平面Pi。穿过系统100的光通路通过标记为‘1’的点线来指示。
光学调制设备102接收来自物体平面PO中的视场的光，并且将该光投影到图像平面Pi上。图像导管104包括被布置为形成图像获取端104a和图像处理端104b的成像光纤的集合。图像导管104将在图像获取端104a处接收的光传送到图像处理端104b。这样传送的光从图像处理端104b发出，并且被投影到传感器阵列106上。传感器阵列106包括光感测元件的集合，每个光感测元件将从单独成像光纤接收的光转换为感测基中的对应采样图像信号。接着，传感器阵列106将采样图像信号提供到信号处理设备108。信号处理设备108将采样图像信号从感测基变换为表示基，并且从其生成估算的图像信号集合。表示基提供相对于感测基的对采样图像信号的更稀疏的表示。这样生成的估算的图像信号的数目大于采样图像信号的数目。
光学调制设备102能够使用一系列图案(诸如可以单独配置的透射、反射、和/或不透明区域的阵列)调制入射在其上的光。光学调制设备102在附图中使用虚线描绘，以指示这一设备选择性透射从物体平面PO接收的光。光学调制设备的特征在于第一传送函数，如将在下面结合具体实施例解释的。
在本发明的一个实施例中，光学调制设备102是编码孔径掩模202。编码孔径掩模有利地使用高温材料制造，以便耐受涡轮发动机中的严酷环境。实际上，编码孔径掩模便于替换基于光学透镜的布置，以从物体平面PO获取光并且聚焦在图像平面Pi上。
编码孔径掩模在本领域内通常已知用于捕获如下波长范围内的辐射，即一般不适合于基于成像系统使用常规透镜组件进行成像的波长范围。
编码孔径掩模包括孔径阵列。每个孔径将物体平面PO中的对应视场的单独图像生成到图像平面Pi上。因此，投影到图像平面Pi上的光对应于通过单独孔径形成的重叠的图像系列。然而，可能使用重建处理重建实际视场的图像，该重建处理考虑了涉及编码孔径掩模上的单独孔径的空间布置的信息。在这个意义上，编码孔径掩模调制了从物体平面PO接收的光并且将图像产生到图像平面Pi上。
就数学而言，图像平面Pi上的光的强度图案通过第一传送函数A1与物体平面PO中的光的强度图案相关，在数学上表示为：
y＝A1x…(1)
其中x是物体平面PO中的实际的光强度，并且y是图像平面Pi中的得到的光强度。
如之前指出的那样，压缩感测要求使用线性泛函进行的采样可以用矩阵乘法表示，其中矩阵应该是随机矩阵，以便保证使用合适的算法高效率地重建信号。根据本发明的技术，第一传送函数A1通过信号获取提供必需的随机矩阵。
根据本发明的各种实施例，编码孔径掩模可以具有固定的掩模图案或者可重新配置的掩模图案或者其组合。
现在将参照图2和图3解释其中编码孔径掩模电可重新配置的实施例。
参照图2，根据本发明的实施例示出了编码孔径掩模202的三种不同配置(A、B、C)的示意性表示。图3图示了根据本发明的实施例的对应于编码孔径掩模202的三种不同配置(A、B、C)的三个不同视场F的示意性表示。
在这一实施例中，编码孔径掩模202在其中的至少部分区域中可重新配置。可重新配置的区域被分割为多个子区域；每个这种子区域可以单独配置，以关于指定波长范围内的辐射更改透射性质。如附图所示，白格子表示编码孔径掩模202内的透射子区域而黑格子表示不透明子区域。因此，与编码孔径掩模202关联的第一传送函数A1是可配置的。
在一个示例中，编码孔径掩模202是液晶设备，其可以在可见和红外带内操作。然而，在各种备选示例中，依赖于兴趣辐射的频带，现有技术中已知的任何合适的电光调制器可以被用于实现编码孔径掩模202。此外，合适的布置被提供用于根据本领域中已知的任何合适的技术来调节编码孔径掩模202的配置。
可以调节编码孔径掩模202上的单独孔径的有效孔径尺寸和间距，以控制编码孔径掩模202的有效分辨率。
重新配置编码孔径掩模202上的孔径的图案的能力还允许对使用编码孔径掩模202捕获的视场进行控制。因此，使用编码孔径掩模202可以实现不同的视场F，如图3中针对编码孔径掩模202的三种不同配置(A、B、C)所描绘的。
应该注意的是，本发明设想使用被配置用于包括在红外、可见、和紫外波长范围内的在各种波长范围内成像的编码孔径掩模202，以用于不同的应用。此外，编码孔径掩模202可以被配置用于可见光光谱范围内的选择性波长范围。
应该注意的是，虽然在当前实施例中，光学调制设备102被设置在物体平面PO和图像获取端104a中间，但是在本发明的各种备选实施例中，光学调制设备102可以被设置在图像处理端104b之后，而不更改系统100的任何其它部分。此外，本文中仅作为光学调制设备102的非限制性实施例来解释编码孔径掩模202。例如，在本发明的备选实施例中，光学调制设备102可以使用数字微镜设备来实现，数字微镜设备被设置在图像处理端104b之后并且被配置为将从图像处理端104b发出的光选择性反射到传感器阵列106。
返回参照图1，图像导管104被布置为使得图像获取端104a被布置为基本上与图像平面Pi一致。由于这一布置，每个成像光纤获取投影到图像平面Pi内的对应区域上的光。通过图像获取端104a获取的光被传送到图像处理端104b。图像导管104的特征在于第二传送函数A2，在数学上表示为：
y＝A2x…(2)
其中x是入射在图像获取端104a上的实际的光强度，并且y是图像处理端104b上的得到的光强度。
现在参照图4，根据本发明的实施例示出了图像导管104的截面。
图像导管104包括成像光纤402的集合，并且可选地包括照明光纤404的集合集合。成像光纤402与结合之前图所提及的相同。照明光纤404被配置用于接收来自邻近图像处理端104b布置的光源(未示出)的照明光，并且将所述照明光传送到图像获取端104a，以便照射所述物体平面PO。
此外，光纤402、404使用适合于高温度应用的这种技术来制造。在一个示例中，向光纤402、404提供金的金属涂层以改进改进针对涡轮发动机内遭遇的严酷环境的稳健性。
应该注意的是，附图中所示的光纤402、404的具体几何形状和相对布置在本质上仅是示例性的。在现有技术中，成像光纤402和照明光纤404的若干不同相对布置通常是熟知的，并且可以选取任何合适的布置。同样地，光纤402、404和图像导管104可以具有任何期望的截面，并且不需要必定是圆形截面。
涡轮发动机内的各种兴趣区域未被良好地照明，并且因此成像通常是困难。当使用照明光纤404时，改进了涡轮发动机内的光条件，并且因此还改进了最终生成的图像和/或运动视频的质量。然而，这是可选的技术特征，并且如果例如成像仅在红外波长范围内执行，可能不是要求的。
返回参照图1，通过图像导管104传送的光从图像处理端104b发出并且被投影到传感器阵列106上。
传感器阵列106包括光感测元件集合。每个光感测元件在图像处理端104b处接收来自单独成像光纤402的光，并且将这样接收的光转换为感测基中的对应采样图像信号。接着，传感器阵列106将采样图像信号提供到信号处理设备108。
术语‘感测基’指代其中对物理信号采样的域。在本发明的上下文中，感测基是二维或者三维空间域，该空间域对应于旨在使用本发明的系统和方法成像的兴趣区域。假如集体考虑在连续的时间区间期间获取的采样图像信号，则感测基是时空域。
被包括在传感器阵列106中的光感测元件基于兴趣光谱范围进行选取。在本发明的各种示例性实施例中，对于近红外和可见范围而言，可以使用电荷耦合器件(CCD)阵列、互补金属氧化物半导体(CMOS)阵列等。相似地，对于远红外范围而言，可以使用根据现有技术的任何合适的感测方式。
本发明设想使用传感器阵列106，其中一起使用了用于不同的光谱范围的光感测元件。在一个实施例中，对应于不同的光谱范围的光感测元件被随机布置为形成二维阵列。在备选实施例中，对应于不同的光谱范围的光感测元件被布置在单独的二维阵列中，单独的二维阵列可以邻接以形成集成的传感器阵列，其中不同的区域对应于不同的光谱范围。稍后将结合图5至图7更详细地解释本发明的这些方面。
仍然参照图1，传感器阵列106将采样图像信号提供到信号处理设备108。
信号处理设备108被配置用于处理采样图像信号以重建涡轮发动机内的兴趣区域的期望的图像和/或运动视频。在本发明的一个实施例中，从传感器阵列106接收的采样图像信号是模拟信号。信号处理设备108首先使用一个或者多个模数转换器将采样图像信号从模拟格式转换为数字格式。
为了这一目的，信号处理设备108实施压缩感测重建技术。采样图像信号基于变换算子T从感测基(空间域或者时空域)被变换为表示基。
在本发明的各种实施例中，表示基可以是提供相对于感测基的采样图像信号的更稀疏表示的任何合适的备选域。在选取表示域时，重要的考虑是，感测基和表示基应该提供非相干基对。换句话说，感测基中的信号表示和表示基中的信号表示应该具有最小的相关性。这种表示基的示例包括但是不限于哈尔小波变换、离散余弦变换等。
在变换为表示基之后，基于所述第一和第二传送函数A1和A2，从采样图像信号集合生成估算的图像信号集合。这样生成的估算的图像信号的数目大于采样图像信号的数目。因此，对于给定数目的被包括在图像导管104中的成像光纤402而言，本发明的技术有利地便于生成分辨率高得多的图像。
如之前提到的，光学调制设备102的特征在于第一传送函数A1，并且图像导管104的特征在于第二传送函数A2。为了生成估算的图像信号，考虑这些传送函数中的每个传送函数(并且相似地，被设置在从物体平面PO到传感器阵列106的光通路中的任何其它光学元件的光学传送函数)。被设置在物体平面PO和传感器阵列106之间的光学元件的组合传送函数可以使用AC表示，在数学上表示为：
y＝ACx…(2)
其中x是物体平面PO中的实际光强度，并且y是在传感器阵列106上接收的得到的光强度。
根据本发明的示例性实施例，信号处理设备108被配置为找到[y–AC(x)]的L2范数和T’(x)的L1范数的组合最小化问题的解，其中T’表示逆变换算子。然而，以上方法在本质上仅是示例性的。信号处理设备108可以基于包括但是不限于L0最小化；L1最小化；贪婪算法；凸优化(convex-optimisation)算法；以及维特比(Viterbi)算法的任何已知估算算法来生成估算的图像信号。
根据本发明的实施例，信号处理设备108被配置用于评估针对单个物体平面PO的第一和第二传送函数A1、A2。这样基于第一和第二传送函数A1、A2生成的估算的图像信号便于重建视场内的兴趣区域的二维图像。
根据本发明的另一实施例，信号处理设备108被配置用于评估针对定位在相对于图像平面Pi的变化深度处的多个物体平面PO的第一和第二传送函数A1、A2中的每一个的多个集合。这样基于第一和第二传送函数A1、A2的多个集合生成的估算的图像信号便于重建视场内的兴趣区域的三维图像。
根据本发明的另一实施例，信号处理设备108被配置用于对在连续的时间实例(time instance)期间生成的采样图像信号的积分处理(integrated processing)。采样图像信号因此驻留于三维时空域中。以积分方式针对连续的时间实例生成估算的图像信号，以用于以优化方式重建运动视频。
关于运动视频重建，应该注意的是，如果使得兴趣区域遵从预定义的周期性运动(诸如在兴趣区域是转子叶片的情况下)，重建处理可以使用图像相关技术合适地适配，以利用对兴趣区域的通路的这种了解来便于甚至更快的重建。
现在参照图5，根据本发明的备选实施例示出了适合于在涡轮发动机中使用的用于图像获取的系统500的示意性表示。
在系统500中，各种系统元件502至508与如结合图1所解释的对应系统元件102至108相同。
在这一实施例中，滤光器组件510被设置在图像处理端504b和传感器阵列506中间。滤光器组件510包括滤光器元件的多个集合，并且特别地至少包括第一滤光器元件集合和第二滤光器元件集合。滤光器元件的每个集合透射特定波长范围内的光。滤光器组件510相对于传感器阵列506布置，以便保持滤光器元件和光感测元件之间的一一对应关系。因此，传感器阵列106生成对应于至少两个不同光谱区域的采样图像信号。
虽然具有图像导管504、滤光器组件510、以及传感器阵列506之间的不同对应关系的若干布置是可能的，现在将结合图6和图7提出两个示例性布置。
现在参照图6，根据本发明的第一实施例示出了滤光器组件510的示意性表示。
在这一实施例中，滤光器组件510包括滤光器元件的阵列602。在附图中示出的滤光器元件的阵列602中，第一滤光器元件集合(用‘o’标记)和第二滤光器元件集合(标记为‘x’)被随机布置以形成集成二维阵列。此外，在这一实施例中，滤光器组件510被布置为以便提供与单独的成像光纤402一一对应的关系，使得在图像处理端504b处从单独的成像光纤402发出的光被提供到第一和第二滤光器集合中的仅一个。
现在参照图7，根据本发明的第二实施例示出了滤光器组件510的示意性表示。
在这一实施例中，滤光器组件510包括滤光器元件的阵列702和分束布置704。
在附图中示出的滤光器元件的阵列702中，第一滤光器元件集合(用‘o’标记)和第二滤光器元件集合(标记为‘x’)被布置在单独的二维阵列中。如图所示，两个单独的二维阵列以邻接方式布置。分束布置704使得从图像处理端504b发出的光B被分成多个光束B1、B2。每个单独的光束B1、B2被提供到第一和第二滤光器元件集合的阵列之一。
附图描绘了用于实现分束布置704的半镜(half-mirror)布置。在本发明的各种示例性实施例中，可以使用本领域已知的诸如分束立方体等之类的任何合适的分束布置。
应该注意的是，为了示例性目的仅讨论了第一和第二滤光器元件集合。实际上，可以使用任何数目的这种滤光器元件集合，这依赖于期望使用从物体平面接收的光成像的不同光谱范围的数目。因此，本发明设想滤光器元件阵列602、702，其具有对应于红外范围、可见光谱内的红色波长范围、蓝色波长范围、绿色波长范围等的滤光器元件的单独集合。
返回参照图5，信号处理设备508被配置用于对应于不同的光谱区域的采样图像信号的积分处理。信号处理设备508根据前面讨论中描述的本发明的技术从采样图像信号生成估算的图像信号。这样生成的估算的图像信号实现了物体平面PO中的视场的多光谱图像的重建。
现在参照图8，根据本发明的第一实施例示出了适合于在涡轮发动机中使用的用于图像获取的方法的流程图。
在步骤802处，从物体平面中的视场接收的光通过光学调制设备被投影到图像平面上。光学调制设备的特征在于第一传送函数。
在步骤804处，光通过图像导管传送。图像导管包括被布置为形成图像获取端和图像处理端的成像光纤集合。图像获取端被布置为基本上与图像平面一致，使得投影到图像平面内的对应于单独成像光纤的单独区域上的光被传送到图像处理端。图像导管的特征在于第二传送函数。
在步骤806处，基于在图像处理端处从单独的成像光纤接收的光，生成感测基中的采样图像信号集合。
在步骤808处，采样图像信号从感测基被变换为表示基，并且基于所述第一和第二传送函数从表示基生成估算的图像信号集合，其中表示基提供相对于感测基的采样图像信号的更稀疏表示，并且进一步地其中估算的图像信号的数目大于采样图像信号的数目。
此外，在这一步骤处，重建了图像和/或运动视频。
在一个实施例中，针对单个物体平面评估第一和第二传送函数。这样基于第一和第二传送函数生成的估算的图像信号便于重建视场内的兴趣区域的二维图像。
在另一实施例中，评估了第一和第二传送函数中的每一个的多个集合，传送函数的多个集合对应于定位在相对于图像平面的变化深度处的多个物体平面。这样基于第一和第二传送函数的多个集合生成的估算的图像信号便于重建视场内的兴趣区域的三维图像。
在又一实施例中，在连续的时间实例期间生成采样图像信号。采样图像信号因此驻留于三维时空域中。基于采样图像信号的积分处理针对连续的时间实例生成了估算的图像信号，以用于以优化方式重建运动视频。
如之前所解释的，关于运动视频重建，应该注意的是，如果使得兴趣区域遵从预定义的周期性运动(诸如在兴趣区域是转子叶片的情况下)，重建处理可以使用图像相关技术合适地适配，以利用对兴趣区域的通路这种了解来便于甚至更快的重建。
现在参照图9，根据本发明的第二实施例示出了适合于在涡轮发动机中使用的用于图像获取的方法的流程图。
步骤902和步骤904与结合图8解释的步骤802和步骤804相同。
在步骤906处，至少提供了第一滤光器元件集合和第二滤光器元件集合。第一和第二滤光器元件集合分别透射第一和第二波长范围内的光。在步骤908处从其生成采样图像信号之前，使用第一和第二滤光器元件中的至少一个独立地对在图像处理端处从单独的成像光纤发出的光进行滤波，使得采样图像信号对应于至少两个不同的光谱区域。步骤908与结合图8解释的步骤806相同。
在步骤910处，基于估算的图像信号重建多光谱图像，其中估算的图像信号基于对应于不同光谱区域的采样图像信号的积分处理而生成。
因此，本发明提供适合于在涡轮发动机中使用的用于图像获取以进行在线状态监视的系统和方法。
本发明有利地提供基于具有紧凑的外形规格(由于需要相对较小数目的光纤)的图像导管的用于图像获取的系统和方法，从而改进对涡轮发动机内的各种兴趣区域的可接近性。同时，改进了得到的图像和/或运动视频的分辨率。
虽然参照某些实施例详细描述了本发明，但是应该领会的是，本发明不限于那些实施例。鉴于本公开，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，很多修改和变化将呈现于本领域技术人员面前。因此，由所附权利要求而不是前述描述来指示本发明的范围。在权利要求的等效物的含义和范围内的所有改变、修改、以及变化要被认为在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种适合于在涡轮发动机中使用的用于图像获取的系统，所述系统包括：
-编码孔径掩模，所述编码孔径掩模具有孔径阵列，所述孔径阵列被配置用于将从物体平面中的视场接收的光投影到图像平面上，其中所述编码孔径掩模的特征在于第一传送函数，
-图像导管，所述图像导管包括被布置为形成图像获取端和图像处理端的成像光纤集合，所述图像获取端被布置为基本上与所述图像平面一致，使得每个成像光纤获取投影到所述图像平面内的对应区域上的光，并且将所述光传送到所述图像处理端，其中所述图像导管的特征在于第二传送函数，
-传感器阵列，所述传感器阵列包括光感测元件集合，所述光感测元件被布置为在所述图像处理端处接收来自单独成像光纤的光，并且生成感测基中的对应采样图像信号，以及
-信号处理设备，所述信号处理设备被配置用于将所述采样图像信号从所述感测基变换为表示基，并且基于所述第一传送函数和所述第二传送函数从所述表示基生成估算的图像信号集合，其中所述表示基提供相对于所述感测基的所述采样图像信号的更稀疏表示，并且进一步地其中估算的图像信号的数目大于采样图像信号的数目，以便针对所述图像导管中的给定数目的成像光纤而增加图像分辨率，并且减少成像光纤的数目以提供具有降低的外形规格的图像导管，以使得能够接近所述涡轮发动机内的兴趣区域，
其中所述图像导管被使得能够接近厚度小于8mm的区域，
其中所述图像平面上的光的强度图案通过所述第一传送函数与所述物体平面中的所述光的强度图案相关，以及
其中所述图像处理端上的光强度通过所述第二传送函数与所述获取端上的光强度相关。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述图像导管进一步包括照明光纤集合，所述照明光纤被配置用于接收来自邻近所述图像处理端布置的光源的照明光并且将所述照明光传送到所述物体平面。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述编码孔径掩模能够以电的方式重新配置以变化所述物体平面中的所述视场。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述信号处理设备被配置用于对针对单个物体平面的所述第一传送函数和所述第二传送函数进行评估，并且基于所述第一传送函数和所述第二传送函数生成所述估算的图像信号，以重建二维图像。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述信号处理设备被配置用于对针对定位在相对于所述图像平面的变化深度处的物体平面集合的所述第一传送函数和所述第二传送函数进行评估，并且基于所述第一传送函数和所述第二传送函数生成所述估算的图像信号，以重建三维图像。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述信号处理设备被配置用于在连续的时间实例期间生成的所述采样图像信号的积分处理，并且生成针对连续的时间实例的估算的图像信号，以重建运动视频。
7.根据权利要求1所述的系统，进一步包括设置在所述图像处理端和所述传感器阵列中间的滤光器组件，所述滤光器组件至少包括第一滤光器元件集合和第二滤光器元件集合，所述第一滤光器元件集合和所述第二滤光器元件集合分别透射第一波长范围内的光和第二波长范围内的光，其中所述滤光器组件被布置为保持所述滤光器元件和所述光感测元件之间的一一对应关系，使得所述传感器阵列生成对应于至少两个不同的光谱区域的采样图像信号。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述第一滤光器元件集合和所述第二滤光器元件集合以与单独成像光纤一一对应的关系被随机布置在集成二维阵列中，使得在所述图像处理端处从单独成像光纤发出的光被提供到所述第一滤光器元件集合和所述第二滤光器元件集合之一。
9.根据权利要求7所述的系统，其中所述第一滤光器元件集合和所述第二滤光器元件集合被布置在单独的二维阵列中，并且其中所述滤光器组件进一步包括分束布置，使得从所述图像处理端发出的光被分成多个光束，每个单独的光束被提供到所述第一滤光器元件集合和所述第二滤光器元件集合的所述二维阵列之一。
10.根据权利要求7所述的系统，其中所述信号处理设备被配置用于对应于所述不同的光谱区域的所述采样图像信号的积分处理，并且生成估算的图像信号，以重建多光谱图像。
11.一种适合于在涡轮发动机中使用的用于图像获取的方法，所述方法包括：
-将从物体平面中的视场接收的光通过编码孔径掩模投影到图像平面上，其中所述编码孔径掩模的特征在于第一传送函数，
-通过图像导管传送光，所述图像导管包括被布置为形成图像获取端和图像处理端的成像光纤集合，所述图像获取端被布置为基本与所述图像平面一致，使得投影到所述图像平面内的对应于单独成像光纤的单独区域上的光被传送到所述图像处理端，其中所述图像导管的特征在于第二传送函数，
-基于在所述图像处理端处从单独成像光纤接收的光生成感测基中的采样图像信号集合，并且
-将所述采样图像信号从所述感测基变换为表示基，并且基于所述第一传送函数和所述第二传送函数从所述表示基生成估算的图像信号集合，其中所述表示基提供相对于所述感测基的所述采样图像信号的更稀疏表示，并且进一步地其中估算的图像信号的数目大于采样图像信号的数目，以便针对所述图像导管中的给定数目的成像光纤而增加图像分辨率，并且减少成像光纤的数目以提供具有降低的外形规格的图像导管，以使得能够接近所述涡轮发动机内的兴趣区域，
其中所述图像导管被使得能够接近厚度小于8mm的区域，
其中所述图像平面上的光的强度图案通过所述第一传送函数与所述物体平面中的所述光的强度图案相关，以及
其中所述图像处理端上的光强度通过所述第二传送函数与所述获取端上的光强度相关。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述图像导管进一步包括照明光纤集合，所述照明光纤被配置用于接收来自邻近所述图像处理端布置的光源的照明光并且将所述照明光传送到所述物体平面。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述编码孔径掩模能够以电的方式重新配置以变化所述物体平面中的所述视场。
14.根据权利要求11所述的方法，进一步包括基于所述估算的图像信号重建二维图像，其中所述估算的图像信号基于对应于单个物体平面的所述第一传送函数和所述第二传送函数而生成。
15.根据权利要求11所述的方法，进一步包括基于所述估算的图像信号重建三维图像，其中所述估算的图像信号基于所述第一传送函数和所述第二传送函数生成，所述第一传送函数和所述第二传送函数对应于定位在相对于所述图像平面的变化深度处的物体平面集合。
16.根据权利要求11所述的方法，进一步包括基于所述估算的图像信号重建运动视频，其中所述估算的图像信号基于在连续的时间实例期间生成的所述采样图像信号的积分处理针对连续的时间实例而生成。
17.根据权利要求11所述的方法，进一步包括至少提供第一滤光器元件集合和第二滤光器元件集合，所述第一滤光器元件集合和所述第二滤光器元件集合分别透射第一波长范围内的光和第二波长范围内的光，并且在从在所述图像处理端处从单独成像光纤发出的光生成所述采样图像信号之前，使用所述第一滤光器元件和所述第二滤光器元件中的至少一个独立地将在所述图像处理端处从单独成像光纤发出的光进行滤波，使得所述采样图像信号对应于至少两个不同的光谱区域。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括将所述第一滤光器元件集合和所述第二滤光器元件集合以与单独成像光纤一一对应的关系随机布置在集成二维阵列中，使得在所述图像处理端处从单独成像光纤发出的光被提供到所述第一滤光器元件集合和所述第二滤光器元件集合之一。
19.根据权利要求17所述的方法，进一步包括将所述第一滤光器元件集合和所述第二滤光器元件集合布置在单独的二维阵列中，将从所述图像处理端发出的光分成多个光束，并且将每个单独光束提供到所述第一滤光器元件集合和所述第二滤光器元件集合的所述二维阵列之一。
20.根据权利要求17所述的方法，进一步包括基于估算的图像信号重建多光谱图像，其中所述估算的图像信号基于对应于所述不同的光谱区域的所述采样图像信号的积分处理而生成。
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