CN111351578A - 基于像素化双波段窄带滤光片阵列的温度测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于像素化双波段窄带滤光片阵列的温度测量系统及方法，涉及红外光侧力学技术领域，温度测量系统包括双波段阵列图像采集装置和计算装置；在标定阶段，双波段阵列图像采集装置用于获取高温标定装置标定区的双波段辐射光的灰度阵列图像，计算装置用于获取矫正参数矩阵和系统响应参数矩阵；在测量阶段，双波段阵列图像采集装置用于获取待测物的双波段辐射光的灰度阵列图像，计算装置用于对待测物灰度阵列图像进行修正和数据提取，以及计算待测物的温度场。本发明首次在温度测量系统和温度测量方法中消除了各个滤波单元的质量差异、镜头畸变、色差、滤波单元与像元的集成误差等带来的共同影响，提高了测温系统及方法的精度。
Description
技术领域
本发明涉及红外光侧力学技术领域，更具体地，涉及一种基于像素化双波段窄带滤光片阵列的温度测量系统及方法。
背景技术
测量材料表面温度场在航空航天、机械制造、核能等领域具有重要的意义，因此，具备先进的温度测量方法是促进航空航天、机械制造、核能领域发展的重要条件，也是探究材料的高温力学性能的重要保证。
目前，由于特殊的高温工况，传统接触式测温不仅响应速度慢、无法全场测温，而且还可能对温度场造成破坏。较之于传统的测温方法，以辐射测温为代表的非接触测温具有响应时间短、可实时动态测量的优点。其中，辐射测温方法之一的比色测温装置在近年来应用较多，比如，在公开号为CN108279071A的中国专利中，公开了一种基于比色测温法的全视场熔池温度场检测系统，用于实时监测全场熔池温度场的变化，该专利在装置中加入了同步触发功能，在数据处理中加入了黑体炉标定；然而该专利设计的双相机测量光路，需要两台相机和同步系统进行控制，一方面成本较高，整个装置体积较大，控制与调试较为复杂，另一方面采用双相机进行温度场测量，很难保证双相机同时触发，两个相机采集的同一时刻的图像的位置匹配困难，这对于航空航天、汽车、轮船等工程中发动机内高速旋转的涡轮叶片、增材制造工业中快速变换的金属熔池等需要高速和超高速测量的领域，将会产生较大的测量误差。在公开号为CN108871585A的中国专利中，公开了一种基于单相机的温度场测量系统及方法，该专利采用高速相机测温，满足了特殊工况下高速测温的要求，另外该专利设计了分光系统从而实现了单相机测温，但是该专利所设计的测温方法光路复杂、测量视场小、结构庞大不便于集成。在公开号为CN208866390U的中国专利中，公开了一种激光选区熔化加工过程熔池比色测温装置，该专利使用彩色高速相机得到检测对象的三色信息，取其中的两个单色值计算出实时温度，更为简洁，所需装置更少，但该专利选用RGB三原色彩色相机测温，可见光的使用，容易受到待测物体本身颜色和环境光的影响，即相机采集到的图像亮度不完全是物体的辐射亮度，从而给计算结果带来误差；同时，因为彩色相机采用光谱响应值固定的红、绿、蓝三色可见光波段滤光片，但根据温度辐射曲线，在熔池演化的超高温范围内，辐射光的峰值波段位于近红外波段范围，再加上彩色相机的混频现象，所以彩色相机的测温结果精度不高。另外，红外热像仪是辐射测温发展比较成熟的技术之一，但通常的测温范围在1500℃以下，无法测量超高温温度场，并且一般红外热像仪的空间分辨率和空间分辨率都较低，对于一些高精度、高分辨、高速度测量需求，普通红外热像仪往往难以满足。
因此，发展一种成本低，光路简单，测量精度高，适用于不同测量速度，并且具有测温便捷的测温系统及方法，是温度测量技术领域亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于像素化双波段窄带滤光片阵列的温度测量系统及方法，其中，温度测量装置的设置，能够根据待测物的温度范围选取合适的波段，从而提高温度测量的准确性和测温系统的灵活性。
本发明提供的一种基于像素化双波段窄带滤光片阵列的温度测量系统，温度测量系统包括双波段阵列图像采集装置和计算装置，双波段阵列图像采集装置与计算装置电连接；
在标定阶段，双波段阵列图像采集装置用于获取高温标定装置标定区包含第一波段和第二波段辐射光的灰度阵列图像，计算装置用于获取矫正参数矩阵和系统响应参数矩阵；
在测量阶段，双波段阵列图像采集装置用于获取待测物包含第一波段和第二波段辐射光的灰度阵列图像，计算装置用于根据矫正参数矩阵对待测物的包含第一波段和第二波段辐射光的灰度阵列图像进行修正和数据提取，以及利用系统响应参数矩阵计算待测物的温度场。
可选地，双波段阵列图像采集装置包括位于待测物一侧间隔设置的相机镜头和位于相机镜头远离待测物一侧间隔设置的双波段窄带滤光片阵列，以及位于双波段窄带滤光片阵列远离相机镜头一侧的图像传感器，双波段窄带滤光片阵列位于相机内部，并集成于相机的图像传感器进光一侧，图像传感器与计算装置电连接；
双波段窄带滤光片阵列包括基底、设置在基底上的多个像素级双波段滤光单元和抗混频层，抗混频层设置于相邻的像素级双波段滤光单元之间，且呈网格状布置。
可选地，像素级双波段滤光单元包括交替设置的第一波段滤光单元和第二波段滤光单元，多个第一波段滤光单元形成第一波段滤光片阵列，多个第二波段滤光单元形成第二波段滤光片阵列，第一波段滤光单元和第二波段滤光单元的中心波长均选择待测物辐射光峰值±300nm范围内的波段，图像传感器包括图像传感器像元阵列，图像传感器像元阵列包括多个图像传感器像元；
在未加入抗混频层时，每个像素级双波段滤光单元的大小为1х1～nхn个像元大小，当1个像素级双波段滤光单元与1个图像传感器像元大小一致时，每个像素级双波段滤光单元中心与每个图像传感器像元的中心位置一一对应布置；当1个像素级双波段滤光单元与相邻的nхn个图像传感器像元区域大小一致时，每个像素级双波段滤光单元中心与nхn个图像传感器的像元区域中心位置对应布置。
可选地，多个像素级双波段滤光单元设置于同一基底上，其中，多个像素级双波段滤光单元设置在同一基底的同一表面，或者，多个像素级双波段滤光单元设置在同一基底的两个对立面上；
又或者，多个像素级双波段滤光单元设置于不同基底上。
可选地，计算装置包括图像接收模块、参数修订模块、双波段图像提取模块、双波段图像重建模块和温度计算模块；
图像接收模块，用于接收由第一波段滤光片阵列透过的第一波段光在图像传感器上形成的第一波段光强分布的灰度阵列信号，以及用于接收由第二波段滤光片阵列透过第二波段光在图像传感器上形成的第二波段光强分布的灰度阵列信号，显示及存储为包含第一波段和第二波段辐射光的整体数据图像；
参数修订模块，用于标定矫正参数矩阵和系统响应参数矩阵，矫正参数矩阵包括镜头畸变参数、色差标定参数和所有第一波段滤光单元对应的有效像元位置，以及所有第二波段滤光单元对应的有效像元位置，系统响应参数矩阵包括每一个滤光单元所包含的中心波长、带宽、光谱透过率、滤光单元实际面积等因素影响的温度测量比例系数矩阵；
双波段图像提取模块，用于将图像接收模块中获取的数据图像对应第一波段滤光单元对应的有效像元位置，提取第一波段像元有效区域的灰度阵列图；并用于将图像接收模块中获取的数据图像对应第二波段滤光单元对应的有效像元位置，提取第二波段像元有效区域的灰度阵列图；
双波段图像重建模块，用于将第一波段像元有效区域的灰度阵列图中的缺失像元区域和第二波段像元有效区域的灰度阵列图中的缺失像元通过插值算法，获取完整的第一波段灰度阵列图像和完整的第二波段灰度阵列图像；
温度计算模块，用于计算待测件的温度，对利用所述矫正参数矩阵修正后完整的第一波段灰度阵列图像和修正后完整的第二波段灰度阵列图像上相对应的每一个像元进行温度计算，其中温度计算公式为
其中，C2为第二辐射常数，λ1为第一波段滤光单元的中心波长，λ2为第二波段滤光单元的中心波长，η1为图像传感器在第一波段滤光单元的中心波长下的光谱响应值，η2为图像传感器在第二波段滤光单元的中心波长下的光谱响应值，N1为完整的第一波段灰度阵列图像上对应的像元的灰度值，N2为完整的第二波段灰度阵列图像上对应的像元的灰度值，k为所述像元的响应参数。
本发明提供的一种基于像素化双波段窄带滤光片阵列的温度测量方法，该方法包括基于像素化双波段窄带滤光片阵列的温度测量系统执行的标定阶段和测量阶段，其中，将温度测量系统进行标定后再用于温度测量；
标定阶段包括：
将双波段阵列图像采集装置正对高温标定装置的标定区，利用双波段阵列图像采集装置和图像接收模块，获取高温标定装置标定区的单波段灰度阵列图像和双波段灰度阵列图像；
通过参数修订模块，利用标定方法获取镜头畸变参数，基于高温标定装置标定区的单波段灰度阵列图像，记录第一波段滤光单元对应的有效像元位置和第二波段滤光单元对应的有效像元位置，同时进行色差的标定，获取色差标定参数；基于镜头畸变参数以及色差标定参数对第一波段滤光单元对应的有效像元位置和第二波段滤光单元对应的有效像元位置进行修正，获得修正后的第一波段滤光单元对应的有效像元位置和修正后的第二波段滤光单元对应的有效像元位置，并构建矫正参数矩阵；
通过双波段图像提取模块和双波段图像重建模块，以及温度计算公式，利用矫正参数矩阵修正后的高温标定装置标定区双波段灰度阵列图像，拟合计算每一个像元上的响应参数，并构建系统响应参数矩阵。
可选地，将双波段阵列图像采集装置正对高温标定装置的标定区，利用双波段阵列图像采集装置和图像接收模块，获取高温标定装置标定区的单波段灰度图像和双波段灰度阵列图像的具体方法为：
将高温标定装置的标定区正对双波段阵列图像采集装置，将高温标定装置的标定区温度升高至阈值温度且将温度固定不变，使高温标定区形成稳定的辐射光场；
获取单波段灰度阵列图像：利用特征识别，在高温标定装置标定区与相机镜头之间依次设置第一窄带滤光片和第二窄带滤光片对标定区辐射光进行单波段筛选透过，其中，第一窄带滤光片与第一波段滤光单元的响应波段相对应，第二窄带滤光片与第二波段滤光单元的响应波段相对应；利用双波段图像采集装置和图像接收模块获取高温标定装置标定区第一波段单波段灰度阵列图像和第二波段单波段灰度阵列图像，用于标定矫正参数矩阵；
获取双波段灰度图像：利用双波段图像采集装置对准高温标定装置标定区，通过改变高温标定装置的温度并记录温度，利用图像接收模块获取不同温度下的高温标定装置标定区对应的双波段灰度阵列图像，用于获取系统响应参数矩阵。
可选地，通过双波段图像提取模块和双波段图像重建模块，以及温度计算公式，利用矫正参数矩阵修正后的高温标定装置标定区双波段灰度阵列图像，拟合计算每一个像元上的响应参数，并构建系统响应参数矩阵的具体方法为：
将高温标定装置的标定区温度加热到预设温度值并记录预设温度值；
通过双波段阵列图像采集装置和图像接收模块获取高温标定装置标定区的灰度阵列图像，并基于镜头畸变参数和色差标定参数对高温标定装置标定区的灰度阵列图像进行修正；
基于修正的高温标定装置标定区的灰度阵列图像，利用双波段图像提取模块和双波段图像重建模块，得到完整的高温标定装置标定区的第一波段灰度阵列图像和完整的高温标定装置标定区的第二波段灰度阵列图像，并获取完整的高温标定装置标定区的第一波段灰度阵列图像上对应的像元灰度值和完整的高温标定装置标定区的第二波段灰度阵列图像上对应的像元的灰度值；
将预设温度对应下的完整的高温标定装置标定区的第一波段灰度阵列图像上对应的像元灰度值和完整的高温标定装置标定区的第二波段灰度阵列图像上对应的像元的灰度值，以及预设温度值带入温度计算公式中，计算预设温度值下的每个像元的响应参数预计值；
改变高温标定装置的标定区的预设温度值，获取各预设温度值对应下的每个像元的响应参数预计值，基于各预设温度值和对应的每个像元的响应参数预计值制作每个像元的温度与响应参数的拟合曲线，基于拟合曲线获取所测温度范围内每个像元的响应参数，所有像元响应参数构成温度测量系统响应参数矩阵。
可选地，测量阶段包括：
待测物辐射光灰度阵列图像的获取与修正：将双波段阵列图像采集装置，对准待测物，利用图像接收模块获取待测物灰度阵列图像，基于标定阶段获取的镜头畸变参数和色差标定参数对待测物灰度阵列图像进行修正；
双波段阵列图像提取：通过双波段图像提取模块，基于修正的待测物灰度阵列图像，并基于标定阶段获取的第一波段滤光单元对应的有效像元位置和第二波段滤光单元对应的有效像元位置，获取第一波段光强分布的灰度阵列图像，以及获取第二波段光强分布的灰度阵列图像；
完整双波段阵列图像重建：基于双波段图像重建模块，将第一波段光强分布的灰度阵列图像中的缺失像元区域和第二波段光强分布的灰度阵列图像中的缺失像元通过插值算法，获取完整的第一波段灰度阵列图像和完整的第二波段灰度阵列图像；获取完整的第一波段灰度阵列图像上的每一个像元的灰度值和完整的第二波段灰度阵列图像上的每一个像元的灰度值；
温度场计算：基于温度计算模块，利用色差标定参数矫正后的每一个像元上相应的第一波段对应的灰度值和第二波段对应的灰度值，以及标定阶段获取的系统响应参数矩阵计算每一个像元的温度值，得到待测物的温度场。
与现有技术相比，本发明提供的一种基于像素化双波段窄带滤光片阵列的温度测量系统及方法，至少实现了如下的有益效果：
本发明所提供的一种基于像素化双波段窄带滤光片阵列的温度测量系统，包括双波段阵列图像采集装置和计算装置，双波段阵列图像采集装置与计算装置电连接，本发明选取物体辐射峰值附近波段进行温度测量，获取待测物的温度，避免了待测物本身颜色和环境光的影响，同时，还可以根据待测物的温度范围选取合适的波段，从而提高温度测量的准确性和测温系统的灵活性；本发明提出的基于像素化双波段窄带滤光片阵列的温度测量方法，包括标定阶段和测量阶段，采用了完整的矫正参数矩阵和系统响应参数矩阵，首次在测温系统和温度测量方法中消除了各个滤波单元的质量差异、镜头畸变、色差、滤波单元与像元的集成误差等带来的共同影响，显著提高了测温系统和温度测量方法的精度；本发明中双波段阵列图像采集装置的相机中图像传感器可自由选取高分辨相机以及高速和超高速相机，极大地提高了温度场测量的空间分辨率和测量速率，且结构紧凑，具有较广阔的应用领域和前景。
当然，实施本发明的任一产品必不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1示出了本发明实施例所提供的基于像素化双波段窄带滤光片阵列的温度测量系统的结构示意图；
图2示出了本发明实施例所提供的双波段窄带滤光片阵列的结构示意图；
图3示出了本发明实施例所提供的像素级双波段窄带滤光单元设置于不同基底的结构示意图；
图4示出了本发明实施例所提供的像素级双波段窄带滤光单元设置于不同基底的侧视图；
图5示出了本发明实施例所提供的计算装置的结构示意图；
图6示出了本发明实施例所提供的基于像素化双波段窄带滤光片阵列的标定阶段的流程图；
图7示出了本发明实施例所提供的基于像素化双波段窄带滤光片阵列的测量阶段的流程图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
以下将结合附图和具体实施例进行详细说明。
实施例一
图1为本实施例中基于像素化双波段窄带滤光片阵列的温度测量系统的结构示意图，如图1所示，本实施例提供了一种基于像素化双波段窄带滤光片阵列的温度测量系统，温度测量系统包括双波段阵列图像采集装置2和计算装置3，双波段阵列图像采集装置2与计算装置3电连接；
在标定阶段，双波段阵列图像采集装置2用于获取高温标定装置标定区包含第一波段和第二波段辐射光的灰度阵列图像，计算装置3用于获取并记录矫正参数矩阵和系统响应参数矩阵；
在测量阶段，双波段阵列图像采集装置2用于获取待测物1包含第一波段和第二波段辐射光的灰度阵列图像，计算装置3用于根据矫正参数矩阵对待测物1的包含第一波段和第二波段辐射光的灰度阵列图像进行修正和数据提取，以及利用系统响应参数矩阵计算获取待测物1的温度场。
该步骤中，将双波段阵列图像采集装置2和计算装置3搭建好，用于获取待测物1的图像，当进行高温标定实验时，将待测物1换成高温标定装置，以获取高温标定装置标定区的灰度阵列图像，当搭建好双波段阵列图像采集装置2和计算装置3后，先进行标定阶段，再进行测量阶段。
本发明所提供的一种基于像素化双波段窄带滤光片阵列的温度测量系统，包括双波段阵列图像采集装置2和计算装置3，双波段阵列图像采集装置2与计算装置3电连接，本发明选取物体辐射峰值附近波段进行温度测量，获取待测物1的温度，避免了待测物1本身颜色和环境光的影响，同时，还可以根据待测物的温度范围选取合适的波段，从而提高温度测量的准确性和测温系统的灵活性。
可选地，请继续参见图1，双波段阵列图像采集装置2包括位于待测物1一侧间隔设置的相机镜头4和位于相机镜头4远离待测物1一侧间隔设置的双波段窄带滤光片阵列5，以及位于双波段窄带滤光片阵列5远离相机镜头4的一侧的图像传感器6，双波段窄带滤光片阵列5位于相机内部，并集成于相机的图像传感器6进光一侧，图像传感器6与计算装置3电连接。
图2为本实施例中双波段窄带滤光片阵列的结构示意图，如图2所示，双波段窄带滤光片阵列5包括基底501、设置在基底501上的多个像素级双波段滤光单元502和503和抗混频层504，抗混频层504设置于相邻的像素级双波段滤光单元之间，且呈网格状布置。
该步骤中，将待测物1的表面辐射光通过相机镜头4，再经过双波段窄带滤光片阵列5滤波后，由图像传感器6接收后传输到计算装置3，由计算装置3进行待测物温度场的计算，其中，根据实际测量需求，相机镜头4可以更换。
具体地，相机镜头4包括但不限于广角镜头、标准镜头、显微镜头中的一种，可根据实际测量需求选取相机镜头4，相机包括但不限于高速相机、中速相机中的一种，其中，图像传感器6是相机中核心的部件，用于接收经双波段窄带滤光片阵列5选择透过的光线，并将光强以灰度的形式记录，图像传感器6设置在双波段窄带滤光片阵列5远离相机镜头4的一侧，图像传感器6将获取的图像传输到计算装置3，其中，双波段窄带滤光片阵列5用于过滤和接收待测物1本身的辐射光经过相机镜头4投射出的第一波段和第二波段的光线。像素级双波段滤光单元阵列上的多个像素级双波段滤光单元包括多个第一波段滤光单元502和多个第二波段滤光单元503，其中，基底501的形状为矩形的板状结构，基底501的材料包括但不仅限于光学玻璃、石英、柔性有机材料中的一种。抗混频层504的材料为黑色吸光材料或阻光材料，用于减少双波段信息在像素级双波段滤光单元边缘重叠和相互串扰的影响，其中，抗混频层504呈网格状布置是基于像素级双波段滤光单元的形状而定。
需要说明的是，相机可采用高分辨相机，极大地提高了温度场的空间分辨率，满足了温度场高分辨测量需求，弥补了现有红外热像仪分辨率较低的不足；相机中图像传感器可自由选取高分辨相机以及高速和超高速相机，极大地提高了温度场测量的空间分辨率和测量速率，且结构紧凑，具有较广阔的应用领域和前景。此外，本发明通过双波段窄带滤光片阵列5将单一的入射光波解调成用于计算的双波段信息，且被图像传感器6接收，使得本发明仅需一个图像传感器6即可拍摄到全场范围内双波段的图像，避免了双相机测量的时间同步问题，以及降低了双相机图像位置匹配带来的误差，提高了测量精度，同时降低了成本，此外，本发明与单相机分光设计相比，无需专门设计光路，没有额外庞大的分光系统，结构更加紧凑，便于与其他的高温待测领域的设备集成，如方便与增材制造设备集成，实现熔池高温演化的在线测量。
可选地，请继续参见图2，像素级双波段滤光单元包括交替设置的第一波段滤光单元502和第二波段滤光单元503，多个第一波段滤光单元形成第一波段滤光片阵列，多个第二波段滤光单元形成第二波段滤光片阵列，第一波段滤光单元502和第二波段滤光单元503的中心波长均选择待测物辐射光峰值±300nm范围内的波段，图像传感器6包括图像传感器像元阵列，图像传感器像元阵列包括多个图像传感器像元；
在未加入抗混频层时，每个像素级双波段滤光单元的大小为1х1～nхn个像元大小，当1个像素级双波段滤光单元与1个图像传感器像元大小一致时，每个像素级双波段滤光单元中心与每个图像传感器像元的中心位置一一对应布置，当1个像素级双波段滤光单元与相邻的nхn个图像传感器像元区域大小一致时，每个像素级双波段滤光单元中心与nхn个图像传感器的像元区域中心位置对应布置。
具体地，在加入抗混频层时，需要为抗混频层预留制作空间，像素级双波段滤光单元的大小会相应的减小，此外，像素级双波段滤光单元的大小根据实际制作需求而定。
该步骤中，多个第一波段滤光单元502按照一定规律排列形成第一波段滤光单元阵列，多个第二波段滤光单元503按照一定规律排列形成第二波段滤光单元阵列，第一波段滤光单元阵列和第二波段滤光单元阵列镀成像素级双波段滤光单元阵列，请具体参见图2，图中黑色的方块为第一波段滤光单元502，白色的方块为第二波段滤光单元503，图2中所有的黑色方块组成第一波段滤光单元阵列，图2中所有的白块组成第二波段滤光单元阵列。第一波段滤光单元502与第一波段滤光单元503的大小相等，第一波段滤光单元502和第二波段滤光单元503的形状均为正方形、长方形或圆形的多层介质膜状结构，第一波段的滤光单元与第二波段的滤光单元交替互补分布，即相邻单元为不同波段的滤光单元，每一个第一波段滤光单元502的四周均是第二波段滤光单元503，像素级双波段滤光单元所覆盖的区域为整个像元区域，其中，集成方式包括但不限于倒装焊、紫外胶合、粘结中的一种。
需要说明的是，像素级双波段滤光单元的第一波段滤光单元502的中心波长和第二波段滤光单元503的中心波长均由待测物1的温度范围而定，第一波段滤光单元502和第二波段滤光单元503的中心波长均选择待测物辐射光峰值附近波段，即，待测物辐射光峰值±300nm范围内的波段，例如，对于超过1000℃的高温测量，选用近红外波段。
可选地，请继续参见图2，多个像素级双波段滤光单元设置于同一基底501上，其中，多个像素级双波段滤光单元设置在同一基底的同一表面，或者，多个像素级双波段滤光单元设置在同一基底的两个对立面上；
又或者，多个像素级双波段滤光单元设置于不同基底上。
具体地，图3为本实施例中双波段窄带滤光单元设置于不同基底的结构示意图，图4为本实施例中双波段窄带滤光单元设置于不同基底的侧视图，如图3-4所示，在本发明的一些其他实施例中，多个像素级双波段滤光单元还可分别设置在两个基底上，如图3所示，像素级双波段滤光单元设置于基底5011和基底5012上，且将基底5011和基底5012制作滤光单元的侧面对准粘合在一起，同样能够实现本发明的方案。
可选地，图5为本实施例中计算装置的结构示意图，如图5所示，请继续参见图2，计算装置3包括图像接收模块101、参数修订模块102、双波段图像提取模块103、双波段图像重建模块104和温度计算模块105；
图像接收模块101，用于接收由第一波段滤光片阵列透过的第一波段光在图像传感器6上形成的第一波段光强分布的灰度阵列信号，以及用于接收由第二波段滤光片阵列透过第二波段光在图像传感器6上形成的第二波段光强分布的灰度阵列信号，显示及存储为包含第一波段和第二波段辐射光的整体数据图像；
参数修订模块102，用于标定矫正参数矩阵和系统响应参数矩阵，矫正参数矩阵包括镜头畸变参数、色差标定参数和所有的第一波段滤光单元502对应的有效像元位置，以及所有的第二波段滤光单元503对应的有效像元位置；系统响应参数矩阵包括每一个滤光单元所包含的中心波长、带宽、光谱透过率、滤光单元实际面积等因素影响的温度测量比例系数矩阵；
双波段图像提取模块103，用于将图像接收模块101中获取的数据图像对应第一波段滤光单元502对应的有效像元位置，提取第一波段像元有效区域的灰度阵列图；并用于图像接收模块101中获取的数据图像对应第二波段滤光单元503对应的有效像元位置，提取第二波段像元有效区域的灰度阵列图；
双波段图像重建模块104，用于将第一波段像元有效区域的灰度阵列图中的缺失像元区域和第二波段像元有效区域的灰度阵列图中的缺失像元通过插值算法，获取完整的第一波段灰度阵列图像和完整的第二波段灰度阵列图像；
温度计算模块，用于计算待测件的温度，对利用所述矫正参数矩阵修正后完整的第一波段灰度阵列图像和修正后完整的第二波段灰度阵列图像上相对应的每一个像元进行温度计算，其中温度计算公式为
其中，C2为第二辐射常数，λ1为第一波段滤光单元的中心波长，λ2为第二波段滤光单元的中心波长，η1为图像传感器在第一波段滤光单元的中心波长下的光谱响应值，η2为图像传感器在第二波段滤光单元的中心波长下的光谱响应值，N1为完整的第一波段灰度阵列图像上对应的像元的灰度值，N2为完整的第二波段灰度阵列图像上对应的像元的灰度值，k为所述像元的响应参数。
具体地，系统响应参数矩阵是指包含中心波长、带宽、光谱透过率、滤光单元实际面积等因素影响的实际测量温度时的比例系数矩阵；矫正参数中的相机镜头4畸变参数的标定可基于相机云纹标定，张正友标定或投影不变性标定等方法中的一种，利用拍摄标准图像，例如光栅或标定板的图像，根据得到的云纹或规整周期结构图像的变形场，选择畸变模型确定镜头畸变参数；插值算法包括但不限于双线性插值，高阶函数插值，基于梯度的插值算法的一种或改进算法。
需要说明的是，上述测温系统和已有的单相机温度场测量系统相比，由于单幅图像没有进行分区隔离，扩大了成像的视场，提高了测量范围，同时，上述采用的温度测量方法为比色测温法，测量范围覆盖到高温和超高温领域，克服了现有红外热像仪无法测量超高温温度场的缺陷。
实施例二
本实施例提供一种基于像素化双波段窄带滤光片阵列的温度测量方法，该方法包括基于像素化双波段窄带滤光片阵列的温度测量系统执行的标定阶段和测量阶段，将温度测量系统进行标定后再用于温度测量。
图6所示为本实施例中基于像素化双波段窄带滤光片阵列的标定阶段的流程图，如图6所示，并结合图1-5，标定阶段包括：
步骤2011、将双波段阵列图像采集装置2正对高温标定装置的标定区，利用双波段阵列图像采集装置2和图像接收模块101，获取高温标定装置标定区的单波段灰度阵列图像和双波段灰度阵列图像；
步骤2012、通过参数修订模块101，利用标定方法获取镜头畸变参数和色差标定参数，基于高温标定装置标定区单波段灰度阵列图像，记录第一波段滤光单元502对应的有效像元位置和第二波段滤光单元503对应的有效像元位置，同时进行色差的标定，获取色差标定参数；基于镜头畸变参数以及色差标定结果对第一波段滤光单元502对应的有效像元位置和第二波段滤光单元503对应的有效像元位置进行修正，获得修正后的第一波段滤光单元502对应的有效像元位置和修正后的第二波段滤光单元503对应的有效像元位置，并构建矫正参数矩阵；
步骤2013、通过双波段图像提取模块103和双波段图像重建模块104，以及温度计算公式，利用矫正参数矩阵修正后的高温标定装置标定区双波段灰度阵列图像，拟合计算每一个像元上的响应参数，并构建系统响应参数矩阵。
具体地，测量阶段是基于标定阶段完成后进行的，各参数的修订在标定阶段已完成，在实际温度测量过程中直接引入各参数完成对待测物1温度的测量。
需要说明的是，本发明在利用比色测温公式计算待测物1温度之前，通过标定阶段，标定镜头畸变参数和色差参数，以及标定获得系统响应参数矩阵，修正消除了双波段阵列图像采集装置2引起的图像误差，从而提高了获取数据的准确性，此外，通过修正消除了由于像素级双波段滤光单元波长带宽、透光不均匀、制作工艺等综合因素引起每个像元图像灰度值的误差，从而提高了每个单元的计算精度。
本发明提出的基于像素化双波段窄带滤光片阵列的温度测量方法，包括标定阶段和测量阶段，采用了完整的矫正参数矩阵和系统响应参数矩阵，首次在测温系统和温度测量方法中消除了各个滤波单元的质量差异、镜头畸变、色差、滤波单元与像元的集成误差等带来的共同影响，显著提高了测温系统和温度测量方法的精度。
可选地，将双波段阵列图像采集装置2正对高温标定装置的标定区，利用双波段阵列图像采集装置2和图像接收模块101，获取高温标定装置标定区的单波段灰度图像和双波段灰度阵列图像的具体方法为：
将高温标定装置的标定区正对双波段阵列图像采集装置2，将高温标定装置的标定区温度升高至阈值温度且将温度固定不变，使高温标定区形成稳定的辐射光场；
获取单波段灰度阵列图像：利用特征识别，在高温标定装置标定区与相机镜头4之间依次设置第一窄带滤光片和第二窄带滤光片对标定区辐射光进行单波段筛选透过，其中，第一窄带滤光片与第一波段滤光单元的响应波段相对应，第二窄带滤光片与第二波段滤光单元的响应波段相对应；利用双波段图像采集装置2和图像接收模块101获取高温标定装置标定区第一波段单波段灰度阵列图像和第二波段单波段灰度阵列图像，用于标定矫正参数矩阵；
获取双波段灰度图像：利用双波段图像采集装置2对准高温标定装置标定区，通过改变高温标定装置的温度并记录温度，利用图像接收模块101获取不同温度下的高温标定装置标定区对应的双波段灰度阵列图像，用于获取系统响应参数矩阵。
可选地，通过双波段图像提取模块103和双波段图像重建模块104，以及温度计算公式，利用矫正参数矩阵修正后的高温标定装置标定区双波段灰度阵列图像，拟合计算每一个像元上的响应参数，并构建系统响应参数矩阵的具体方法为：
将高温标定装置的标定区温度加热到预设温度值并记录预设温度值；
通过双波段阵列图像采集装置2和图像接收模块101获取高温标定装置标定区的灰度阵列图像，并基于镜头畸变参数和色差标定参数对高温标定装置标定区的灰度阵列图像进行修正；
基于修正的高温标定装置标定区的灰度阵列图像，利用双波段图像提取模块103和双波段图像重建模块104，得到完整的高温标定装置标定区的第一波段灰度阵列图像和完整的高温标定装置标定区的第二波段灰度阵列图像，并获取完整的高温标定装置标定区的第一波段灰度阵列图像上对应的像元灰度值和完整的高温标定装置标定区的第二波段灰度阵列图像上对应的像元的灰度值；
将预设温度对应下的完整的高温标定装置标定区的第一波段灰度阵列图像上对应的像元灰度值和完整的高温标定装置标定区的第二波段灰度阵列图像上对应的像元的灰度值，以及预设温度值带入温度计算公式中，计算预设温度值下的每个像元的响应参数预计值；
改变高温标定装置的标定区的预设温度值，获取各预设温度值对应下的每个像元的响应参数预计值，基于各预设温度值和对应的每个像元的响应参数预计值制作每个像元的温度与响应参数的拟合曲线，基于拟合曲线获取所测温度范围内每个像元的响应参数，所有像元响应参数构成温度测量系统响应参数矩阵。
需要说明的是，制作同一像元不同温度的响应参数曲线的目的是辅助标定每个像元的响应参数。
可选地，图7所示为本实施例中基于像素化双波段窄带滤光片阵列的测量阶段的流程图，如图7所示，测量阶段包括：
步骤2021、待测物辐射光灰度阵列图像的获取与修正：将双波段阵列图像采集装置2，对准待测物1，利用图像接收模块101获取待测物1灰度阵列图像，基于标定阶段获取的镜头畸变参数和色差标定参数对待测物灰度阵列图像进行修正；
步骤2022、双波段阵列图像提取：通过双波段图像提取模块103，基于修正的待测物灰度阵列图像，并基于标定阶段获取的第一波段滤光单元502对应的有效像元位置和第二波段滤光单元对应的有效像元位置，获取第一波段光强分布的灰度阵列图像，以及获取第二波段光强分布的灰度阵列图像；
步骤2023、完整双波段阵列图像重建：基于双波段图像重建模块104，将第一波段光强分布的灰度阵列图像中的缺失像元区域和第二波段光强分布的灰度阵列图像中的缺失像元通过插值算法，获取完整的第一波段灰度阵列图像和完整的第二波段灰度阵列图像；获取完整的第一波段灰度阵列图像上的每一个像元的灰度值和完整的第二波段灰度阵列图像上的每一个像元的灰度值；
步骤2024、温度场计算：基于温度计算模块105，利用色差标定参数矫正后的每一个像元上相应的第一波段对应的灰度值和第二波段对应的灰度值，以及标定阶段获取的系统响应参数矩阵计算每一个像元的温度值，得到待测物的温度场。
综上，本发明提供的一种基于像素化双波段窄带滤光片阵列的温度测量系统及方法，至少实现了如下的有益效果：本发明所提供的一种基于像素化双波段窄带滤光片阵列的温度测量系统及方法，包括双波段阵列图像采集装置和计算装置，双波段阵列图像采集装置与计算装置电连接，本发明选取物体辐射峰值附近波段进行温度测量，获取待测物的温度，避免了待测物本身颜色和环境光的影响，同时，还可以根据待测物的温度范围选取合适的波段，从而提高温度测量的准确性和测温系统的灵活性；本发明提出的基于像素化双波段窄带滤光片阵列的温度测量方法，包括标定阶段和测量阶段，采用了完整的矫正参数矩阵和系统响应参数矩阵，首次在测温系统和温度测量方法中消除了各个滤波单元的质量差异、镜头畸变、色差、滤波单元与像元的集成误差等带来的共同影响，显著提高了测温系统和温度测量方法的精度。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (9)
1.一种基于像素化双波段窄带滤光片阵列的温度测量系统，其特征在于，所述温度测量系统包括双波段阵列图像采集装置和计算装置，所述双波段阵列图像采集装置与所述计算装置电连接；
在标定阶段，所述双波段阵列图像采集装置用于获取高温标定装置标定区包含第一波段和第二波段辐射光的灰度阵列图像，所述计算装置用于获取矫正参数矩阵和系统响应参数矩阵；
在测量阶段，所述双波段阵列图像采集装置用于获取待测物包含第一波段和第二波段辐射光的灰度阵列图像，所述计算装置用于根据所述矫正参数矩阵对待测物的包含第一波段和第二波段辐射光的灰度阵列图像进行修正和数据提取，以及利用系统响应参数矩阵计算待测物的温度场。
2.根据权利要求1所述的基于像素化双波段窄带滤光片阵列的温度测量系统，其特征在于，
所述双波段阵列图像采集装置包括位于所述待测物一侧间隔设置的相机镜头和位于所述相机镜头远离所述待测物一侧间隔设置的双波段窄带滤光片阵列，以及位于所述双波段窄带滤光片阵列远离相机镜头一侧的图像传感器，所述双波段窄带滤光片阵列位于相机内部，并集成于相机的图像传感器进光一侧，所述图像传感器与计算装置电连接；
所述双波段窄带滤光片阵列包括基底、设置在基底上的多个像素级双波段滤光单元和抗混频层，所述抗混频层设置于相邻的所述像素级双波段滤光单元之间，且呈网格状布置。
3.根据权利要求2所述的基于像素化双波段窄带滤光片阵列的温度测量系统，其特征在于，所述像素级双波段滤光单元包括交替设置的第一波段滤光单元和第二波段滤光单元，多个所述第一波段滤光单元形成第一波段滤光片阵列，多个所述第二波段滤光单元形成第二波段滤光片阵列，第一波段滤光单元和第二波段滤光单元的中心波长均选择待测物辐射光峰值±300nm范围内的波段，所述图像传感器包括图像传感器像元阵列，所述图像传感器像元阵列包括多个所述图像传感器像元；
在未加入抗混频层时，每个所述像素级双波段滤光单元的大小为1х1～nхn个像元大小，当1个所述像素级双波段滤光单元与1个所述图像传感器像元大小一致时，每个所述像素级双波段滤光单元中心与每个所述图像传感器像元的中心位置一一对应布置；当1个所述像素级双波段滤光单元与相邻的nхn个图像传感器像元区域大小一致时，每个所述像素级双波段滤光单元中心与nхn个所述图像传感器的像元区域中心位置对应布置。
4.根据权利要求2所述的基于像素化双波段窄带滤光片阵列的温度测量系统，其特征在于，
多个所述像素级双波段滤光单元设置于同一基底上，其中，多个像素级双波段滤光单元设置在同一基底的同一表面，或者，多个像素级双波段滤光单元设置在同一基底的两个对立面上；
又或者，多个所述像素级双波段滤光单元设置于不同基底上。
5.根据权利要求3所述的基于像素化双波段窄带滤光片阵列的温度测量系统，其特征在于，所述计算装置包括图像接收模块、参数修订模块、双波段图像提取模块、双波段图像重建模块和温度计算模块；
所述图像接收模块，用于接收由所述第一波段滤光片阵列透过的第一波段光在图像传感器上形成的第一波段光强分布的灰度阵列信号，以及用于接收由所述第二波段滤光片阵列透过第二波段光在图像传感器上形成的第二波段光强分布的灰度阵列信号，显示及存储为包含第一波段和第二波段辐射光的整体数据图像；
所述参数修订模块，用于标定矫正参数矩阵和系统响应参数矩阵，所述矫正参数矩阵包括镜头畸变参数、色差标定参数和所有第一波段滤光单元对应的有效像元位置，以及所有第二波段滤光单元对应的有效像元位置，所述系统响应参数矩阵包括每一个滤光单元所包含的中心波长、带宽、光谱透过率、滤光单元实际面积因素影响的温度测量比例系数矩阵；
所述双波段图像提取模块，用于将所述图像接收模块中获取的数据图像对应所述第一波段滤光单元对应的有效像元位置，提取第一波段像元有效区域的灰度阵列图；并用于将所述图像接收模块中获取的数据图像对应所述第二波段滤光单元对应的有效像元位置，提取第二波段像元有效区域的灰度阵列图；
双波段图像重建模块，用于将第一波段像元有效区域的灰度阵列图中的缺失像元区域和第二波段像元有效区域的灰度阵列图中的缺失像元通过插值算法，获取完整的第一波段灰度阵列图像和完整的第二波段灰度阵列图像；
温度计算模块，用于计算待测件的温度，对利用所述矫正参数矩阵修正后完整的第一波段灰度阵列图像和修正后完整的第二波段灰度阵列图像上相对应的每一个像元进行温度计算，其中温度计算公式为
其中，C2为第二辐射常数，λ1为第一波段滤光单元的中心波长，λ2为第二波段滤光单元的中心波长，η1为图像传感器在第一波段滤光单元的中心波长下的光谱响应值，η2为图像传感器在第二波段滤光单元的中心波长下的光谱响应值，N1为完整的第一波段灰度阵列图像上对应的像元的灰度值，N2为完整的第二波段灰度阵列图像上对应的像元的灰度值，k为所述像元的响应参数。
6.一种基于像素化双波段窄带滤光片阵列的温度测量方法，其特征在于，该方法包括利用如权利要求1-5中任一所述的基于像素化双波段窄带滤光片阵列的温度测量系统执行的标定阶段和测量阶段，其中，将所述温度测量系统进行标定后再用于温度测量；
所述标定阶段包括：
将所述双波段阵列图像采集装置正对高温标定装置的标定区，利用所述双波段阵列图像采集装置和图像接收模块，获取高温标定装置标定区的单波段灰度阵列图像和双波段灰度阵列图像；
通过所述参数修订模块，利用标定方法获取镜头畸变参数，基于高温标定装置标定区的单波段灰度阵列图像，记录第一波段滤光单元对应的有效像元位置和第二波段滤光单元对应的有效像元位置，同时进行色差的标定，获取色差标定参数；基于镜头畸变参数以及色差标定参数对所述第一波段滤光单元对应的有效像元位置和所述第二波段滤光单元对应的有效像元位置进行修正，获得修正后的第一波段滤光单元对应的有效像元位置和修正后的第二波段滤光单元对应的有效像元位置，并构建矫正参数矩阵；
通过双波段图像提取模块和双波段图像重建模块，以及温度计算公式，利用所述矫正参数矩阵修正后的高温标定装置标定区双波段灰度阵列图像，拟合计算每一个像元上的响应参数，并构建系统响应参数矩阵。
7.根据权利要求6所述的基于像素化双波段窄带滤光片阵列的温度测量方法，其特征在于，所述将所述双波段阵列图像采集装置正对高温标定装置的标定区，利用所述双波段阵列图像采集装置和图像接收模块，获取高温标定装置标定区的单波段灰度图像和双波段灰度阵列图像的具体方法为：
将高温标定装置的标定区正对所述双波段阵列图像采集装置，将高温标定装置的标定区温度升高至阈值温度且将温度固定不变，使高温标定区形成稳定的辐射光场；
获取单波段灰度阵列图像：利用特征识别，在高温标定装置标定区与相机镜头之间依次设置第一窄带滤光片和第二窄带滤光片对标定区辐射光进行单波段筛选透过，其中，所述第一窄带滤光片与第一波段滤光单元的响应波段相对应，所述第二窄带滤光片与第二波段滤光单元的响应波段相对应；利用双波段图像采集装置和图像接收模块获取高温标定装置标定区第一波段单波段灰度阵列图像和第二波段单波段灰度阵列图像，用于标定矫正参数矩阵；
获取双波段灰度图像：利用所述双波段图像采集装置对准高温标定装置标定区，通过改变高温标定装置的温度并记录温度，利用图像接收模块获取不同温度下的高温标定装置标定区对应的双波段灰度阵列图像，用于获取系统响应参数矩阵。
8.根据权利要求6所述的基于像素化双波段窄带滤光片阵列的温度测量方法，其特征在于，所述通过双波段图像提取模块和双波段图像重建模块，以及温度计算公式，利用所述矫正参数矩阵修正后的高温标定装置标定区双波段灰度阵列图像，拟合计算每一个像元上的响应参数，并构建系统响应参数矩阵的具体方法为：
将高温标定装置的标定区温度加热到预设温度值并记录预设温度值；
通过双波段阵列图像采集装置和图像接收模块获取高温标定装置标定区的灰度阵列图像，并基于镜头畸变参数和色差标定参数对高温标定装置标定区的灰度阵列图像进行修正；
基于修正的高温标定装置标定区的灰度阵列图像，利用双波段图像提取模块和双波段图像重建模块，得到完整的高温标定装置标定区的第一波段灰度阵列图像和完整的高温标定装置标定区的第二波段灰度阵列图像，并获取完整的高温标定装置标定区的第一波段灰度阵列图像上对应的像元灰度值和完整的高温标定装置标定区的第二波段灰度阵列图像上对应的像元的灰度值；
将预设温度对应下的完整的高温标定装置标定区的第一波段灰度阵列图像上对应的像元灰度值和完整的高温标定装置标定区的第二波段灰度阵列图像上对应的像元的灰度值，以及预设温度值带入所述温度计算公式中，计算所述预设温度值下的每个像元的响应参数预计值；
改变高温标定装置的标定区的预设温度值，获取各预设温度值对应下的每个像元的响应参数预计值，基于各预设温度值和对应的每个像元的响应参数预计值制作每个像元的温度与响应参数的拟合曲线，基于所述拟合曲线获取所测温度范围内每个像元的响应参数，所有像元响应参数构成温度测量系统响应参数矩阵。
9.根据权利要求6所述的基于像素化双波段窄带滤光片阵列的温度测量方法，其特征在于，所述测量阶段包括：
待测物辐射光灰度阵列图像的获取与修正：将所述双波段阵列图像采集装置对准待测物，利用图像接收模块获取待测物灰度阵列图像，基于标定阶段获取的镜头畸变参数和色差标定参数对待测物灰度阵列图像进行修正；
双波段阵列图像提取：通过所述双波段图像提取模块，基于修正的待测物灰度阵列图像，并基于标定阶段获取的第一波段滤光单元对应的有效像元位置和第二波段滤光单元对应的有效像元位置，获取第一波段光强分布的灰度阵列图像，以及获取第二波段光强分布的灰度阵列图像；
完整双波段阵列图像重建：基于双波段图像重建模块，将第一波段光强分布的灰度阵列图像中的缺失像元区域和第二波段光强分布的灰度阵列图像中的缺失像元通过插值算法，获取完整的第一波段灰度阵列图像和完整的第二波段灰度阵列图像；获取完整的第一波段灰度阵列图像上的每一个像元的灰度值和完整的第二波段灰度阵列图像上的每一个像元的灰度值；
温度场计算：基于温度计算模块，利用色差标定参数矫正后的每一个像元上相应的第一波段对应的灰度值和第二波段对应的灰度值，以及在标定阶段获取的系统响应参数矩阵计算每一个像元的温度值，得到待测物的温度场。
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