CN111707381B - 一种基于分通道感光的温度变形同步测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种基于分通道感光的温度变形同步测量系统及方法，其中，该系统包括：单点温度测量装置，用于测量被测物体表面的参考点温度；图像获取装置，用于获取被测物体表面图像；光学窗口集成装置，包括多个不同的光学窗口；同步控制装置，用于控制光学窗口集成装置切换光学窗口，并控制图像获取装置通过切换到的光学窗口获取被测物体表面图像；处理装置，用于在被测物体表面图像中提取不同光学通道的灰度值，并根据灰度值及参考点温度，得到被测物体表面的变形场及温度场。通过本公开，对高温环境下被测物体表面光学信息进行分通道感光、成像，避免了辐射光成像、反射光成像相互干扰，实现高温环境下温度场、变形场的高精度同步测量。
Description
技术领域
本公开涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种基于分通道感光的温度变形同步测量系统及方法。
背景技术
目前，在高温环境下对物体表面物理参数的非接触式光学测量时，针对物体表面的变形场、温度场的同步测量具有重要意义。然而，相关技术中，因辐射光成像、反射光成像存在相互干扰，影响了温度变形同步测量的精度。
发明内容
有鉴于此，本公开提出了一种基于分通道感光的温度变形同步测量系统、方法、装置及存储介质。
根据本公开的一方面，提供了一种基于分通道感光的温度变形同步测量系统，包括：
单点温度测量装置，用于测量被测物体表面的参考点温度；
图像获取装置，用于获取被测物体表面图像；
光学窗口集成装置，包括多个不同的光学窗口；
同步控制装置，用于控制所述光学窗口集成装置切换光学窗口，并控制所述图像获取装置通过切换到的所述光学窗口获取所述被测物体表面图像；
处理装置，用于在所述被测物体表面图像中提取不同光学通道的灰度值，并根据所述灰度值及所述参考点温度，得到所述被测物体表面的变形场及温度场。
在一种可能的实现方式中，所述光学窗口设置有光学滤波片和/或光学衰减片。
在一种可能的实现方式中，所述光学窗口包括：红光窗口、绿光窗口、蓝光窗口；
所述红光窗口设置有光学衰减片，以及红光带通滤波片或截止波长在红光波段与绿光波段之间的短波截止滤波片；
所述绿光窗口设置有绿光带通滤波片以及与所述红光窗口相同衰减率的光学衰减片；
所述蓝光窗口设置有蓝光带通滤波片、截止波长在蓝光波段与绿光波段之间的长波截止滤波片、光学衰减片、全光谱光学玻璃中的至少一种。
在一种可能的实现方式中，所述红光窗口与所述绿光窗口的光学衰减片，均包括：固定衰减率的光学衰减片和/或电致衰减率变化的光学衰减片。
在一种可能的实现方式中，所述蓝光窗口设置有两个蓝光带通滤波片，用于在加热过程中最高温度大于第一阈值且温度变化范围大于第二阈值的情况下所述图像获取装置通过该蓝光窗口获取所述被测物体表面图像；
或者，所述蓝光窗口设置有蓝光带通滤波片和光学衰减片，用于在加热过程中最高温度大于第三阈值且温度变化范围小于第四阈值的情况下所述图像获取装置通过该蓝光窗口获取所述被测物体表面图像；
或者，所述蓝光窗口设置有蓝光带通滤波片和全光谱光学玻璃，用于在加热过程中最高温度小于第五阈值的情况下所述图像获取装置通过该蓝光窗口获取所述被测物体表面图像。
在一种可能的实现方式中，所述系统还包括：
驱动装置，用于在所述同步控制装置的控制下，驱动所述光学窗口集成装置旋转，以切换所述光学窗口集成装置的光学窗口；
其中，所述光学窗口集成装置的转速与所述图像获取装置采集帧率满足预设比例关系；所述图像获取装置采集帧率与所述单点温度测量装置的采集频率相同。
在一种可能的实现方式中，所述控制所述光学窗口集成装置切换光学窗口，并控制所述图像获取装置通过切换到的所述光学通道获取所述被测物体表面图像，包括：
在蓝光补光光源对准所述被测物体表面照射的情况下，控制所述光学窗口集成装置切换到蓝光窗口，并控制所述图像获取装置通过该蓝光窗口获取所述被测物体表面的初始图像；
在加热过程中，控制所述光学窗口集成装置顺次切换到红光窗口、绿光窗口、蓝光窗口，并控制所述图像获取装置分别通过该红光窗口、绿光窗口、蓝光窗口获取对应的红光窗口图像、绿光窗口图像、蓝光窗口图像。
在一种可能的实现方式中，所述在所述被测物体表面图像中提取不同光学通道的灰度值，并根据所述灰度值及所述参考点温度，得到所述被测物体表面的变形场及温度场，包括：
根据所述红光窗口图像中红光通道的灰度值、所述绿光窗口图像中绿光通道的灰度值及所述参考点温度，得到所述被测物体表面的温度场；
根据所述蓝光窗口图像中蓝光通道的灰度值及所述初始图像中蓝光通道的灰度值，得到所述被测物体表面的变形场。
根据本公开的另一方面，提供了一种基于分通道感光的温度变形同步测量方法，包括：
控制单点温度测量装置测量被测物体表面的参考点温度；
控制光学窗口集成装置切换光学窗口，并控制图像获取装置通过切换到的所述光学窗口获取所述被测物体表面图像；其中，所述光学窗口集成装置，包括多个不同的光学窗口；
在所述被测物体表面图像中提取不同光学通道的灰度值，并根据所述灰度值及所述参考点温度，得到所述被测物体表面的变形场及温度场。
在一种可能的实现方式中，所述光学窗口包括：红光窗口、绿光窗口、蓝光窗口；
所述控制光学窗口集成装置切换光学窗口，并控制图像获取装置通过切换到的所述光学窗口获取所述被测物体表面图像，包括：
在蓝光补光光源对准所述被测物体表面照射的情况下，控制所述光学窗口集成装置切换到蓝光窗口，并控制所述图像获取装置通过该蓝光窗口获取所述被测物体表面的初始图像；
在加热过程中，控制所述光学窗口集成装置顺次切换到红光窗口、绿光窗口、蓝光窗口，并控制所述图像获取装置分别通过该红光窗口、绿光窗口、蓝光窗口获取对应的红光窗口图像、绿光窗口图像、蓝光窗口图像。
根据本公开的另一方面，提供了一种基于分通道感光的温度变形同步测量装置，包括：处理器；用于存储处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为执行上述方法。
根据本公开的另一方面，提供了一种非易失性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，其中，所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述方法。
在本公开实施例中，通过光学窗口集成装置的多个不同的光学窗口，分别获取被测物体表面图像，对高温环境下被测物体表面光学信息进行分通道感光、成像，避免了辐射光成像、反射光成像相互干扰，从而实现高温环境下温度场、变形场的高精度同步测量。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。
图1a示出根据本公开一实施例的一种基于分通道感光的温度变形同步测量系统的结构图；
图1b示出根据本公开一实施例的光学窗口集成装置的结构图；
图2示出根据本公开一实施例的一种基于分通道感光的温度变形同步测量方法的流程图；
图3示出根据本公开一实施例的一种用于基于分通道感光的温度变形同步测量的装置的框图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
当前，在高温环境下实现对物体表面物理参数的非接触式、高精度测量是学界和业界研究的重点，也面临着诸多挑战。一方面，强光辐射将湮没表面信息，导致光学成像出现过曝光现象；另一方面，高温气流扰动、散斑退化等问题，对高精度测量产生了较大影响。而目前在进行高温非接触式光学测量时，针对物体表面的变形场、温度场的测量具有重要意义。其中，变形场、温度场也是与材料和结构性能密切相关的两个物理量；同时，二者是相互耦合的，但对于力学、材料等方面的研究来讲，往往需要将二者解耦；因此，需要对物体表面温度场、变形场同步测量。
实现对物体表面温度场、变形场的同步测量，需要克服如下挑战：由于高温环境下辐射在可见光波段已有足够的强度，且辐射光谱更接近于红光波段，因此一般采用三通道彩色相机的红光通道、绿光通道，基于比色测温原理进行温度场测量；利用蓝光通道基于数字图像处理方法进行变形测量，同时在相机镜头上加装蓝光带通滤波片、外加蓝光光源进行补光。但是，在实际应用中，一方面，滤波片截止深度在红光和绿光波段并不一样(即红光和绿光通过带通滤波片后的衰减率并不一样)，导致在利用比色法进行温度场计算时，两通道的比值并非真实辐射光在相应波段的强度的比值；另一方面，在较高温度下(如3000K以上)，由于辐射强度太强，仍旧会导致相机蓝光通道的过曝光现象。此外，由于相机的宽光谱响应特性以及较强的辐射，在本来用于测量变形的蓝光通道中，也会掺杂大量的辐射光，影响图像匹配，造成变形测量不准。虽然可以采用较小的光圈和超窄带滤波片来减弱上述因素的影响，但降低了温度测量的范围(如在3000K以下测温会不准确)。同时，超窄带滤波片技术难度较高，价格往往较为昂贵，一定程度上影响了工程应用。
因此，为了解决上述相关技术中存在的问题，本公开提出了一种基于分通道感光的高温环境下温度变形同步测量技术方案。通过分通道成像，实现了被测物体表面光学信息的分割，消除了辐射光、反射光相互干扰对温度变形同步测量的影响，实现了高温环境下温度场、变形场的高精度同步测量。
图1a示出根据本公开一实施例的一种基于分通道感光的温度变形同步测量系统的结构图。如图1a所示，该系统可以包括：
单点温度测量装置3，用于测量被测物体1表面的参考点温度。该单点温度测量装置对准被测物体表面，可以通过对被测物体自身辐射的红外能量的测量，准确地测定它的表面温度。在对被测物体进行加热之前，标记被测物体表面的一个点位置，并将该点作为参考点，在对被测物体进行加热的过程中，可以通过单点温度测量装置测量该点的温度作为参考点温度；示例性地，单点温度测量装置可以为红外单点测温仪、红外热像仪等。
图像获取装置13，用于获取被测物体表面图像。图像获取装置可以包括彩色电荷耦合元件相机(Charge coupled Device，CCD)或互补金属氧化物半导体相机(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)，相机上安装有镜头12，该镜头通过光学窗口集成装置中的各光学窗口对准被测物体的表面，从而拍摄被测物体表面的图像。
光学窗口集成装置10，如图1b所示，包括多个不同的光学窗口17。其中，当切换至其中一个光学窗口时，该光学窗口位于图像获取装置与被测物体之间，该光学窗口的中轴线与图像获取装置的光轴重合，且被测物体在图像获取装置成像视野中大小、位置合适；不同的光学窗口具有不同的滤光作用。
光学窗口可以是内部为空腔的桶状结构，空腔中可以安装光学器件(例如光学衰减片、光学滤波片等)，形成光学通路，光可经由光学窗口传播，光传播的过程中通过空腔中的光学器件发生光学性质的改变。
参见图1a和图1b，光学窗口集成装置10可集成有多个光学窗口(图1a与图1b中示出了三个大小相同的光学窗口)。在一个示例中，可在一圆柱形不透光载体上形成通孔，以各通孔作为光学窗口17，在图1b所示的光学窗口集成装置10的横截面中，各通孔可均匀分布在圆周上。
光学窗口的数量可以根据所需要采集的图像的光学通道数量来确定，例如，需要采集红光通道、绿光通道和蓝光通道的图像，则光学窗口的数量可以是3个，或3的倍数。
同步控制装置14，用于控制所述光学窗口集成装置切换光学窗口，并控制所述图像获取装置通过切换到的所述光学窗口获取所述被测物体表面图像。该同步控制装置与单点温度测量装置、图像获取装置、光学窗口集成装置相连，可以控制单点温度测量装置、图像获取装置、光学窗口集成装置保持同步工作；同时该同步控制装置连接至处理装置；示例性地，该同步控制装置可以为可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)等。
处理装置15，用于在所述被测物体表面图像中提取不同光学通道的灰度值，并根据所述灰度值及所述参考点温度，得到所述被测物体表面的变形场及温度场。该处理装置可以具有图像处理、图像存储、变形场计算、温度场计算、系统控制等功能，同步控制装置可将从图像获取装置13和单点温度测量装置3获取的被测物体表面图像及参考点温度等数据提供给处理装置，处理装置可利用该数据计算得到该被测物体表面的变形场及温度场。
本公开实施例中，同步控制装置控制单点温度测量装置、图像获取装置、光学窗口集成装置保持同步工作，图像获取装置通过光学窗口集成装置的多个不同的光学窗口，分别获取被测物体表面图像，实现对高温环境下被测物体表面光学信息进行分通道感光、成像，通过单点温度测量装置获取参考点温度，处理装置根据被测物体表面图像及参考点温度求取测物体表面的变形场及温度场，避免了辐射光成像、反射光成像相互干扰，从而实现高温环境下温度场、变形场的高精度同步测量。
本公开实施例通过多通道成像来降低干扰，从而不再依赖于超窄带滤波片的使用，其克服了超窄带滤波片的使用缺点，降低了实现成本和难度。
在一种可能的实现方式中，如图1a所示，所述系统还可以包括：驱动装置11，该驱动装置可以为步进电机或伺服电机，用于在所述同步控制装置的控制下，驱动所述光学窗口集成装置旋转，以切换所述光学窗口集成装置的光学窗口；其中，所述光学窗口集成装置的转速与所述图像获取装置采集帧率满足预设比例关系；所述图像获取装置采集帧率与所述单点温度测量装置的采集频率相同。
本公开实施例中，光学窗口集成装置通过该驱动装置驱动，单点温度测量装置、图像获取装置、驱动装置与同步控制装置相连，在同步控制装置的控制下保持同步工作。在一个示例中，图1b所示的圆柱状光学窗口集成装置可在驱动装置的驱动下旋转，使得各个光学窗口依次切换至图像获取装置和被测物体之间。其中，预设比例设定的依据可以为：调整驱动装置转速，使得在图像获取装置每次曝光时间内，图像获取装置可以顺次通过各个光学窗口实现对被测物体表面图像的采集；优选的，图像获取装置采集帧率f为光学窗口数量的整数倍；这样，通过将图像获取装置的采集帧率与光学窗口集成装置切换光学窗口的频率(可通过驱动装置转速控制)相匹配，达到对高温环境下被测物体表面光学信息的分通道感光、成像，进而对采集到的图像进行处理，实现高温环境下高精度温度变形同步测量。
需要说明的是，在满足上述条件的情况下，可以将图像获取装置的采集帧率f设定为尽量大，从而进一步提高测量的温度场、变形场的同步性；单点温度测量装置的采集频率c可以与f相同，从而同步记录被测物体表面参考点的温度。
在一种可能的实现方式中，所述光学窗口设置有光学滤波片和/或光学衰减片。其中，光学滤波片可以用于滤除特定波段的光，使得该特定波段的光大部分衰减，而使其他波段的光全部通过；光学衰减片可以用于衰减所通过的光的强度。示例性地，可以采用光学滤波片滤除红光波段和绿光波段的光，使红光和绿光大部分衰减，从而使蓝光波段的光全部通过，这样，能够减少红光、绿光造成的反射光对被测物体的形变数据的影响，从而提高求取的被测物体变形场的精度。
在一种可能的实现方式中，所述光学窗口可以包括：红光窗口、绿光窗口、蓝光窗口，分别用于使红光、绿光、蓝光通过；所述红光窗口设置有光学衰减片，以及红光带通滤波片或截止波长在红光波段与绿光波段之间的短波截止滤波片(即，使得截止波长以上波长的光能够通过的滤波片)；所述绿光窗口设置有绿光带通滤波片以及与所述红光窗口相同衰减率的光学衰减片；所述蓝光窗口设置有蓝光带通滤波片、截止波长在蓝光波段与绿光波段之间的长波截止滤波片(即，使得截止波长以下波长的光能够通过的滤波片)、光学衰减片、全光谱光学玻璃中的至少一种。
本公开实施例中，光学窗口集成装置中光学窗口的数量可以为3个，即红光窗口、绿光窗口、蓝光窗口各一个；光学窗口的数量还可以大于3个，且其中至少包括红光窗口、绿光窗口、蓝光窗口各一个，光学窗口的具体数量可以根据实际需要进行选定，本公开实施例对此不作限定。红光窗口、绿光窗口、蓝光窗口所设置的光学器件的种类可以根据实际需要进行选取，将红光带通/截止滤波片、绿光带通滤波片、蓝光带通/截止滤波片及具有相同衰减率的衰减片、全光谱光学玻璃进行组合，组成光学窗口集成装置，提高了该装置的适用范围及分割光学信息的准确度，从而提高温度变形同步测量的精度。其中，红光窗口设置的光学衰减片与绿光窗口设置的光学衰减片具有相同衰减率，消除了相关技术中红、绿辐射光衰减不一致对温度场测量产生的影响。示例性地，所述红光窗口的光学衰减片与所述绿光窗口的光学衰减片，均可以包括：固定衰减率的光学衰减片和/或电致衰减率变化的光学衰减片等。
示例性地，红光窗口、绿光窗口、蓝光窗口均包含2个光学滤波器件，其中，在红光窗口内靠近被测物体一侧设置有红光带通滤波片或截止波长在红光波段与绿光波段之间的短波截止滤波片，在红光窗口内靠近图像获取装置的一侧设置有一定衰减率的光学衰减片；在绿光窗口内靠近被测物体一侧设置有绿光带通滤波片，在绿光窗口内靠近图像获取装置的一侧设置有与红光窗口相同衰减率的光学衰减片；在蓝光窗口内靠近被测物体的一侧设置有蓝光带通滤波片或截止波长在蓝光波段与绿光波段之间的长波截止滤波片，在蓝光窗口内靠近图像获取装置的一侧设置有与被测物体一侧的滤波片具有部分重合通带的蓝光带通滤波片或具有一定衰减率的衰减片或全光谱光学玻璃。举例来说，如图1a所示，红光窗口设置有红光通道红光滤波片6、红光通道衰减片7；绿光窗口设置有绿光通道绿光滤波片8、绿光通道衰减片9；蓝光窗口设置有蓝光通道蓝光滤波片4、蓝光通道全光谱光学玻璃5。
在一种可能的实现方式中，所述蓝光窗口设置有两个蓝光带通滤波片，用于在加热过程中温度大于第一阈值且温度变化范围大于第二阈值的情况下所述图像获取装置通过该蓝光窗口获取所述被测物体表面图像；或者，所述蓝光窗口设置有蓝光带通滤波片和光学衰减片，用于在加热过程中温度大于第三阈值且温度变化范围小于第四阈值的情况下所述图像获取装置通过该蓝光窗口获取所述被测物体表面图像；或者，所述蓝光窗口设置有蓝光带通滤波片和全光谱光学玻璃，用于在加热过程中温度小于第五阈值的情况下所述图像获取装置通过该蓝光窗口获取所述被测物体表面图像。
本公开实施例中，可以根据实际测试温度选取蓝光窗口中不同光学滤波元件的组合，从而在减少红光、绿光造成的反射光对被测物体的形变数据的影响同时，保障蓝光波段的有效强度，从而提高求取的被测物体变形场的精度。其中，第一阈值、第二阈值、第三阈值、第四阈值、第五阈值的具体数值可以根据实际测试环境及要求进行设定，其中，第一、第二、第三阈值取值可相同，第二、第四阈值取值可相同。第二、第三阈值也可以小于第一阈值，第四阈值也可以小于第二阈值。
示例性地，第一阈值、第三阈值、第五阈值取3000K，第二阈值、第四阈值取2000K。举例来说，当加热过程中最高温度较高(如超过3000K)且加热过程中温度变化范围较大(如超过2000K)，例如，加热过程中温度区间在(1200K-3500K)时，可采用蓝光带通滤波片(靠近被测物体一侧)与蓝光带通滤波片(靠近图像获取装置一侧)的组合，形成超窄带滤波效果，以减少在较高温度下(如3000K以上)，由于辐射强度太强，而导致的相机蓝光通道的过曝光现象。；当最高温度较高(如超过3000K)但温度变化范围不大(如低于2000K)，例如，加热过程中温度区间在(2500K-3500K)时，可采用蓝光带通滤波片(靠近被测物体一侧)与光学衰减片(靠近图像获取装置一侧)的组合；当最高温度较低(如低于3000K)，例如，温度区间在(2000K-2500K)，可采用蓝光带通滤波片(靠近被测物体一侧)与全光谱光学玻璃(靠近图像获取装置一侧)的组合。在温度较高且温度变化范围较大时，红光和绿光的强度较大，可设置两个蓝光带通滤波片以更好地滤除红光和绿光，随着温度降低或温度变化范围的减小，红光和绿光强度降低或强度变化较小，可以将其中一个蓝光滤波片替换为光学衰减片，或者进一步替换为全光谱光学玻璃，以适应不同的需要。
在一种可能的实现方式中，如图1a所示，该系统还可以包括：蓝光补光光源2，用于照射被测物体的表面。该外部蓝光补光光源可以是蓝光LED光源、激光器等。示例性地，在较高温度(如超过3000K)下，该外部蓝光补光光源的功率可以足够大，从而避免高光辐射湮没反射光信息。加热装置16，用于对被测物体进行加热，可以从背面对被测物体进行加热，从而降低对拍摄被测物体表面图像的干扰。示例性地，该加热装置可以采用氧丙烷火焰加热，火焰喷嘴内径为2mm，喷枪距离试件表面为3～4cm，氧气和丙烷的气压分别为0.5MPa和0.1MPa，流量分别为5L/min和2L/min，氧丙烷火焰最高温度可达到1500K以上。
在一种可能的实现方式中，所述控制所述光学窗口集成装置切换光学窗口，并控制所述图像获取装置通过切换到的所述光学通道获取所述被测物体表面图像，包括：在蓝光补光光源对准所述被测物体表面照射的情况下，控制所述光学窗口集成装置切换到蓝光窗口，并控制所述图像获取装置通过该蓝光窗口获取所述被测物体表面的初始图像；在加热过程中，控制所述光学窗口集成装置顺次切换到红光窗口、绿光窗口、蓝光窗口，并控制所述图像获取装置分别通过该红光窗口、绿光窗口、蓝光窗口获取对应的红光窗口图像、绿光窗口图像、蓝光窗口图像。
本公开实施例中，在未加热被测物体时，关闭环境光，开启蓝光补光光源并对准被测物体表面照射，同步控制装置通过控制驱动装置，以使光学窗口集成装置切换到蓝光窗口，同时控制图像获取装置通过该蓝光窗口拍摄被测物体表面第一张图像，作为初始图像。在加热装置对被测物体表面进行加热的过程中，同步控制装置触发图像获取装置、单点温度测量装置及驱动装置同步工作，具体地，同步控制装置通过驱动装置控制光学窗口集成装置顺次切换到红光窗口、绿光窗口、蓝光窗口，同时，同步控制装置控制图像获取装置通过红光窗口拍摄被测物体表面图像作为红光窗口图像，通过绿光窗口拍摄被测物体表面图像作为绿光窗口图像，通过该蓝光窗口拍摄被测物体表面图像作为蓝光窗口图像；与此同时，同步控制装置控制单点温度测量装置在拍摄每张图像的同时采集被测物体表面参考点的温度。示例性地，设定光学窗口集成装置的光学窗口数量为3，依次为红光窗口、绿光窗口和蓝光窗口，图像获取装置的采集帧率f＝6帧/秒(6fps)，驱动装置可驱动光学窗口集成装置每秒旋转2圈，使得在每秒内可分别通过光学窗口集成装置的红光窗口、绿光窗口、蓝光窗口顺序曝光2个循环，形成6张图像(即2个图像序列)，分别记为：第一红光窗口图像、第一绿光窗口图像、第一蓝光窗口图像、第二红光窗口图像、第二绿光窗口图像、第二蓝光窗口图像。
在一种可能的实现方式中，所述在所述被测物体表面图像中提取不同光学通道的灰度值，并根据所述灰度值及所述参考点温度，得到所述被测物体表面的变形场及温度场，包括：根据所述红光窗口图像中红光通道的灰度值、所述绿光窗口图像中绿光通道的灰度值及所述参考点温度，得到所述被测物体表面的温度场；根据所述蓝光窗口图像中蓝光通道的灰度值及所述初始图像中蓝光通道的灰度值，得到所述被测物体表面的变形场。
本公开实施例中，辐射光反应物体的温度，用于计算被测物体的温度场，反射光反映被测物体表面的形貌，用于计算物体的变形场，考虑到目前地面考核的温度多在3500K以下，根据普朗克黑体辐射定律，红光辐射强度最强，绿光次之，蓝光最弱；因此，采用红光窗口图像的红光通道和绿光窗口图像的绿光通道进行比色测温，信噪比最高；采用蓝光窗口图像的蓝光通道与初始图像的蓝光通道，基于数字图像处理的方法，计算相较于初始时刻的变形场；从而实现了对光学信息的分割，提高了温度变形同步测量的精度。需要说明的是，在上述获取的图像序列中包含多张红光窗口图像、绿光窗口图像、蓝光窗口图像时，可以选择相邻的三张不同光学窗口的图像，从而提高温度变形测量的同步性。示例性地，可以提取上述第一红光窗口图像的红光通道、第一绿光窗口图像的绿光通道，结合测量的参考点温度，利用“比色法”获取被测物体表面实际的温度场(即利用被测物体表面一点已知温度以及该点与物体表面的其他点辐射出的两个相邻狭窄波段光辐射强度的比值来获得该物体表面的温度场)；提取第一蓝光窗口图像的蓝光通道以及初始图像的蓝光通道，通过数字图像相关方法计算得到被测物体表面的变形场。
举例来说，在实际工作时，可以参照图1a，安装光学窗口集成装置，使得各光学窗口在切换至图像获取装置和被测物体之间时，中轴线与高分辨率图像获取装置的光轴重合，且被测物体在高分辨率图像获取装置成像视野中大小、位置合适；其中，被测物体的材料及尺寸可以根据实际工作需要进行选取，示例性地，材料可以为碳化硅复合材料，以表面纹理作为散斑，尺寸可以为40mm×40mm×5mm。将该被测物体固定，保证在实验过程中，被测物体不再移动；然后，将高分辨率图像获取装置、驱动装置连接至同步控制装置，将同步控制装置连接至处理装置；开启单点温度测量装置定位激光，确定单点温度测量装置测温位置点(参考点)并记录；此后，关闭单点温度测量装置定位激光，关闭环境光源，开启蓝色补光光源，通过光学窗口集成装置的蓝光窗口，高分辨率图像获取装置拍摄被测物体表面图像，即为初始图像I0；设置高分辨率图像获取装置的采集帧率为f＝6fps；调整驱动装置转速，使得在相机每次曝光时间内可顺次通过各个光学窗口实现对被测物体表面图像的采集；设定单点温度测量装置采集频率c＝6Hz(即每秒采集6次)，同步记录被测物体表面一点的温度；通过加热装置对被测物体表面进行加热，采用同步控制装置触发高分辨率图像获取装置、单点温度测量装置及驱动装置，开始对被测碳化硅物体表面图像和表面一点(参考点)温度的采集，每秒内可形成6张图像(即2个图像序列)，分别记为第一红光窗口图像R1、第一绿光窗口图像G1、第一蓝光窗口图像B1、第二红光窗口图像R2、第二绿光窗口图像G2、第二蓝光窗口图像B2；每秒内可形成6个温度数据点，分别记为TR1，TG1，TB1，TR2，TG2，TB2；同步控制装置将该图像及温度数据发送到处理装置。最后，处理装置提取R1图像的红光通道，G1图像的绿光通道，B1图像的蓝光通道，同时提取I0图像的蓝光通道，以I0图像的蓝光通道作为初始图像，B1图像的蓝光通道作为当前图像，基于数字图像处理的方法，计算相较于初始时刻的变形场；采用R1图像的红光通道和G1图像的绿光通道，以及单点温度测量装置所记录的参考点温度，基于如下公式计算温度场：
其中，BRG为R1图像的红光通道和G1图像的绿光通道的各像素点灰度的比值；BRG0为R1图像的红光通道和G1图像的绿光通道的参考点的灰度的比值；TR1为R1图像拍摄时刻对应的单点温度测量装置所记录的参考点温度，T为R1图像拍摄时刻对应的各像素点的温度；C2为普朗克常数，λR,λG分别为高分辨率图像获取装置光谱响应曲线中红光曲线和绿光曲线的中心波长。
需要说明的是，尽管以上述实施例作为示例介绍了基于分通道感光的温度变形同步测量系统如上，但本领域技术人员能够理解，本公开应不限于此。事实上，用户完全可根据个人喜好和/或实际应用场景灵活设定各实施方式，只要符合本公开的技术方案即可。
这样，本公开实施例中，通过光学窗口集成装置的多个不同的光学窗口，获取多张被测物体表面图像，对高温环境下被测物体表面光学信息进行分通道感光、成像，避免了辐射光成像、反射光成像相互干扰，从而实现高温环境下温度场、变形场的高精度同步测量，为目前飞行器相关部件等的地面考核提供了有力的技术支撑。
图2示出根据本公开一实施例的一种基于分通道感光的温度变形同步测量方法的流程图。该方法可以应用于图1a中的同步控制装置及处理装置，如图2所示，该方法可以包括：
步骤301、控制单点温度测量装置测量被测物体表面的参考点温度；
步骤302、控制光学窗口集成装置切换光学窗口，并控制图像获取装置通过切换到的所述光学窗口获取所述被测物体表面图像；其中，所述光学窗口集成装置，包括多个不同的光学窗口；
步骤303、在所述被测物体表面图像中提取不同光学通道的灰度值，并根据所述灰度值及所述参考点温度，得到所述被测物体表面的变形场及温度场。
在一种可能的实现方式中，所述光学窗口包括：红光窗口、绿光窗口、蓝光窗口；在步骤302中，所述控制光学窗口集成装置切换光学窗口，并控制图像获取装置通过切换到的所述光学窗口获取所述被测物体表面图像，包括：在蓝光补光光源对准所述被测物体表面照射的情况下，控制所述光学窗口集成装置切换到蓝光窗口，并控制所述图像获取装置通过该蓝光窗口获取所述被测物体表面的初始图像；在加热过程中，控制所述光学窗口集成装置顺次切换到红光窗口、绿光窗口、蓝光窗口，并控制所述图像获取装置分别通过该红光窗口、绿光窗口、蓝光窗口获取对应的红光窗口图像、绿光窗口图像、蓝光窗口图像。
在一种可能的实现方式中，所述光学窗口设置有光学滤波片和/或光学衰减片。
在一种可能的实现方式中，所述光学窗口包括：红光窗口、绿光窗口、蓝光窗口；所述红光窗口设置有光学衰减片，以及红光带通滤波片或截止波长在红光波段与绿光波段之间的短波截止滤波片；所述绿光窗口设置有绿光带通滤波片以及与所述红光窗口相同衰减率的光学衰减片；所述蓝光窗口设置有蓝光带通滤波片、截止波长在蓝光波段与绿光波段之间的长波截止滤波片、光学衰减片、全光谱光学玻璃中的至少一种。
在一种可能的实现方式中，所述红光窗口与所述绿光窗口的光学衰减片，均包括：固定衰减率的光学衰减片和/或电致衰减率变化的光学衰减片。
在一种可能的实现方式中，所述蓝光窗口设置有两个蓝光带通滤波片，用于在加热过程中最高温度大于第一阈值且温度变化范围大于第二阈值的情况下，控制所述图像获取装置通过该蓝光窗口获取所述被测物体表面图像；或者，所述蓝光窗口设置有蓝光带通滤波片和光学衰减片，用于在加热过程中最高温度大于第三阈值且温度变化范围小于第四阈值的情况下，控制所述图像获取装置通过该蓝光窗口获取所述被测物体表面图像；或者，所述蓝光窗口设置有蓝光带通滤波片和全光谱光学玻璃，用于在加热过程中最高温度小于第五阈值的情况下，控制所述图像获取装置通过该蓝光窗口获取所述被测物体表面图像。
在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：控制驱动装置，驱动所述光学窗口集成装置旋转，以切换所述光学窗口集成装置的光学窗口；其中，所述光学窗口集成装置的转速与所述图像获取装置采集帧率满足预设比例关系；所述图像获取装置采集帧率与所述单点温度测量装置的采集频率相同。
在一种可能的实现方式中，在步骤303中，所述在所述被测物体表面图像中提取不同光学通道的灰度值，并根据所述灰度值及所述参考点温度，得到所述被测物体表面的变形场及温度场，包括：根据所述红光窗口图像中红光通道的灰度值、所述绿光窗口图像中绿光通道的灰度值及所述参考点温度，得到所述被测物体表面的温度场；根据所述蓝光窗口图像中蓝光通道的灰度值及所述初始图像中蓝光通道的灰度值，得到所述被测物体表面的变形场。
需要说明的是，尽管以上述实施例作为示例介绍了基于分通道感光的温度变形同步测量方法如上，但本领域技术人员能够理解，本公开应不限于此。事实上，用户完全可根据个人喜好和/或实际应用场景灵活设定各实施方式，只要符合本公开的技术方案即可。
这样，本公开实施例中，通过光学窗口集成装置的多个不同的光学窗口，获取多张被测物体表面图像，对高温环境下被测物体表面光学信息进行分通道感光、成像，避免了辐射光成像、反射光成像相互干扰，从而实现高温环境下温度场、变形场的高精度同步测量，为目前飞行器相关部件等的地面考核提供了有力的技术支撑。
本实施例还提供了一种基于分通道感光的温度变形同步测量装置，包括：处理器；用于存储处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为执行上述方法。
本实施例还提供了一种非易失性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，其中，所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述方法。
图3示出根据本公开一实施例的一种用于基于分通道感光的温度变形同步测量的装置1900的框图。例如，装置1900可以被提供为一服务器或终端设备，可以为图1a中同步控制装置和/或处理装置。参照图3，装置1900包括处理组件1922，其进一步包括一个或多个处理器，以及由存储器1932所代表的存储器资源，用于存储可由处理组件1922的执行的指令，例如应用程序。存储器1932中存储的应用程序可以包括一个或一个以上的每一个对应于一组指令的模块。此外，处理组件1922被配置为执行指令，以执行上述方法。
装置1900还可以包括一个电源组件1926被配置为执行装置1900的电源管理，一个有线或无线网络接口1950被配置为将装置1900连接到网络，和一个输入输出(I/O)接口1958。装置1900可以操作基于存储在存储器1932的操作系统，例如Windows ServerTM，MacOS XTM，UnixTM,LinuxTM，FreeBSDTM或类似。
在示例性实施例中，还提供了一种非易失性计算机可读存储介质，例如包括计算机程序指令的存储器1932，上述计算机程序指令可由装置1900的处理组件1922执行以完成上述方法。
本公开可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本公开的各个方面的计算机可读程序指令。
计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。
这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。
用于执行本公开操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本公开的各个方面。
这里参照根据本公开实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本公开的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。
这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有指令的计算机可读介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。
也可以把计算机可读程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。
附图中的流程图和框图显示了根据本公开的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (7)
1.一种基于分通道感光的温度变形同步测量系统，其特征在于，包括：
单点温度测量装置，用于测量被测物体表面的参考点温度；
图像获取装置，用于获取被测物体表面图像；
光学窗口集成装置，包括多个不同的光学窗口；
同步控制装置，用于控制所述光学窗口集成装置切换光学窗口，并控制所述图像获取装置通过切换到的所述光学窗口获取所述被测物体表面图像；
处理装置，用于在所述被测物体表面图像中提取不同光学通道的灰度值，并根据所述灰度值及所述参考点温度，得到所述被测物体表面的变形场及温度场；
所述光学窗口包括：红光窗口、绿光窗口、蓝光窗口；
所述控制所述光学窗口集成装置切换光学窗口，并控制所述图像获取装置通过切换到的所述光学通道获取所述被测物体表面图像，包括：
在蓝光补光光源对准所述被测物体表面照射的情况下，控制所述光学窗口集成装置切换到蓝光窗口，并控制所述图像获取装置通过该蓝光窗口获取所述被测物体表面的初始图像；
在加热过程中，控制所述光学窗口集成装置顺次切换到红光窗口、绿光窗口、蓝光窗口，并控制所述图像获取装置分别通过该红光窗口、绿光窗口、蓝光窗口获取对应的红光窗口图像、绿光窗口图像、蓝光窗口图像；
所述系统还包括：
驱动装置，用于在所述同步控制装置的控制下，驱动所述光学窗口集成装置旋转，以切换所述光学窗口集成装置的光学窗口；
其中，所述光学窗口集成装置的转速与所述图像获取装置采集帧率满足预设比例关系；所述图像获取装置采集帧率与所述单点温度测量装置的采集频率相同。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光学窗口设置有光学滤波片和/或光学衰减片。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述红光窗口设置有光学衰减片，以及红光带通滤波片或截止波长在红光波段与绿光波段之间的短波截止滤波片；
所述绿光窗口设置有绿光带通滤波片以及与所述红光窗口相同衰减率的光学衰减片；
所述蓝光窗口设置有蓝光带通滤波片、截止波长在蓝光波段与绿光波段之间的长波截止滤波片、光学衰减片、全光谱光学玻璃中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述红光窗口与所述绿光窗口的光学衰减片，均包括：固定衰减率的光学衰减片和/或电致衰减率变化的光学衰减片。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述蓝光窗口设置有两个蓝光带通滤波片，用于在加热过程中最高温度大于第一阈值且温度变化范围大于第二阈值的情况下所述图像获取装置通过该蓝光窗口获取所述被测物体表面图像；
或者，所述蓝光窗口设置有蓝光带通滤波片和光学衰减片，用于在加热过程中最高温度大于第三阈值且温度变化范围小于第四阈值的情况下所述图像获取装置通过该蓝光窗口获取所述被测物体表面图像；
或者，所述蓝光窗口设置有蓝光带通滤波片和全光谱光学玻璃，用于在加热过程中最高温度小于第五阈值的情况下所述图像获取装置通过该蓝光窗口获取所述被测物体表面图像。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述在所述被测物体表面图像中提取不同光学通道的灰度值，并根据所述灰度值及所述参考点温度，得到所述被测物体表面的变形场及温度场，包括：
根据所述红光窗口图像中红光通道的灰度值、所述绿光窗口图像中绿光通道的灰度值及所述参考点温度，得到所述被测物体表面的温度场；
根据所述蓝光窗口图像中蓝光通道的灰度值及所述初始图像中蓝光通道的灰度值，得到所述被测物体表面的变形场。
7.一种基于分通道感光的温度变形同步测量方法，其特征在于，包括：
控制单点温度测量装置测量被测物体表面的参考点温度；
控制光学窗口集成装置旋转，以切换光学窗口，并控制图像获取装置通过切换到的所述光学窗口获取所述被测物体表面图像；其中，所述光学窗口集成装置，包括多个不同的光学窗口；其中，所述光学窗口集成装置的转速与所述图像获取装置采集帧率满足预设比例关系；所述图像获取装置采集帧率与所述单点温度测量装置的采集频率相同；
在所述被测物体表面图像中提取不同光学通道的灰度值，并根据所述灰度值及所述参考点温度，得到所述被测物体表面的变形场及温度场；
所述光学窗口包括：红光窗口、绿光窗口、蓝光窗口；
所述控制光学窗口集成装置切换光学窗口，并控制图像获取装置通过切换到的所述光学窗口获取所述被测物体表面图像，包括：
在蓝光补光光源对准所述被测物体表面照射的情况下，控制所述光学窗口集成装置切换到蓝光窗口，并控制所述图像获取装置通过该蓝光窗口获取所述被测物体表面的初始图像；
在加热过程中，控制所述光学窗口集成装置顺次切换到红光窗口、绿光窗口、蓝光窗口，并控制所述图像获取装置分别通过该红光窗口、绿光窗口、蓝光窗口获取对应的红光窗口图像、绿光窗口图像、蓝光窗口图像。
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|---|---|---|---|
| CN202010582330.1A CN111707381B (zh) | 2020-06-23 | 2020-06-23 | 一种基于分通道感光的温度变形同步测量系统及方法 |
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