CN113418613B - 一种基于多光谱比色的高温瞬态测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多光谱比色的高温瞬态测量系统和方法，属于非接触测温领域。本发明的测量系统包括光谱摄取单元、光电转换单元和主控处理单元；谱摄取单元包括望远系统、孔径光阑、准直系统、色散系统、聚焦系统，光电转换单元包括光敏探测器阵列和放大电路，主控处理单元包括主控芯片和A/D电路。该测量方法包括光谱摄取单元设计、光电转换单元设计、光学系统参数标定，标定光敏探测器阵列像元上的波长分布、测量系统的温度曲线标定和待测物体的多光谱温度测量。本发明具有电路结构简单，响应速度快，动态测试范围能力高，系统成本低的特点，采用多光谱测温技术，利用多个通道在不同温度段之间的比值反演温度，具有更高的测温精度。

Description

一种基于多光谱比色的高温瞬态测量系统和方法

技术领域

本发明属于光谱温度测量和非接触测温领域，具体涉及一种基于多光谱比色的高温瞬态测量系统和方法。

背景技术

瞬态温度测量在工程中具有广泛的需求，例如在火箭发动机燃烧、航空发动机燃烧、弹药燃爆、煤粉及粉尘燃烧、激光加工等，通过瞬态温度变化的测量，分析燃烧规律和燃爆能量变化过程。在测温领域中，按照测温的手段可以分为接触式测温和非接触式测温。常规的接触式测温方法由于受温度传感器热惯性的影响，难以满足瞬态测温的需求，特别是在高温、爆炸等极端条件下，更难以通过接触式测温的方式获取瞬态燃爆过程中的温度变化全过程信息。与接触式测温方法相比，非接触式测温方法更能有效解决温度快速变化的测温问题，特别适合于高温、甚高温瞬变温度的测量。

目前常用的非接触测温方法有红外热成像测温、激光测温和多光谱测温等方法。红外热成像测温能测量温度分布，但由于受成像器件的响应时间限制，不能实现瞬态温度的测量；激光光谱测温对于常规物体是一种较好的测温手段，然而在辐射光强很强的环境下，激光信号会被掩盖，难以通过观察穿透物体的光束变化来推测物质的组成成分，因此其应用具有一定的局限性；相比于其他非接触式测温，多光谱测温依据普朗克辐射定律，通过辐射光强、多组波长即能推测出温度值，是一种简单、较好的测温手段。这种基于比色测温的思想发展起来的测温方式，与比色测温相比，多光谱测温具有更广泛的应用而不局限于灰体辐射物体的温度测量。但多光谱测温技术需要解决光谱分离及其信息处理等问题。可由于复杂的测温条件，目前还没有一种方法能够满足在所有场景的高速动态温度精确测量。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何提供一种基于多光谱比色的高温瞬态测量系统和方法，以通过光路和电路结构设计采集更丰富的光谱信息，并提高温度测量的准确性。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于多光谱比色的高温瞬态测量系统，该测量系统包括光谱摄取单元、光电转换单元和主控处理单元；

所述光谱摄取单元包括望远系统、孔径光阑、准直系统、色散系统、聚焦系统，各个组成部件顺次摆放，用于实现对光谱信息的分离；其中，望远系统摄取物体光线；孔径光阑控制视场角；准直系统将光线变成同心光束；色散系统用于将同心光束分解成多光谱；聚焦系统用于将色散系统分解后的光谱的不同波长的光线聚焦在不同的像面上；

所述光电转换单元包括光敏探测器阵列和放大电路，用于对辐射物体的离散化后的光谱进行光电转换；其中，光敏探测器阵列放置在像面上，用于对不同像面上的光谱强度进行光电流转换，输出的电流输入到放大电路中，由放大电路实现电流电压转换，以及信号放大；

所述主控处理单元包括主控芯片和A/D电路，A/D电路用于将电压信号进行模数转换，主控芯片用于根据电压实现温度的标定和测量。

进一步地，所述色散系统包括棱镜或光栅或两者的组合。

进一步地，所述放大电路为多级放大电路组成的高动态范围放大电路。

进一步地，所述光敏探测器阵列包括多个像元，每一个光敏探测器阵列像元上的光电二极管代表一个通道，需要匹配一个放大电路。

一种基于测量系统的基于多光谱比色的高温瞬态测量方法，该方法包括如下步骤：

S1、光谱摄取单元设计：通过设计光谱摄取单元中各个组成部件的位置，摄取工作范围的光谱并使之离散分布在不同的像面位置，实现高光谱分辨率；

S2、光电转换单元设计：将光敏探测器阵列放置在像面，使用光敏探测器阵列将光谱信息转换成电流信号，通过放大电路进行电流电压转换以及信号放大；

S3、光学系统参数标定，标定光敏探测器阵列像元上的波长分布：不同波长的光谱会打到不同的成像面上，记录光敏探测器阵列像元上不同波长的对应位置，以标定光敏探测器阵列像元上的波长分布；

S4、测量系统的温度曲线标定：以黑体炉为标准辐射源入射测量系统，不同温度段的光谱强度的变化体现在系统电压变化，在固定一个波长的情况下，选择一个参考温度和对应的参考电压，拟合出该波长下温度与电压比值之间的曲线关系；进而得到不同波长下温度与电压比值之间的曲线关系；

S5、待测物体的多光谱温度测量：以待测物体的光线入射测量系统，获得待测物体光线的波长以及测量系统的输出电压，进而得到输出电压与参考电压的比值，根据该波长下温度与电压比值之间的曲线关系，得到待测物体的温度值。

进一步地，所述步骤S3光学系统参数标定时，固定好光学器件，以单色仪输出的光线入射测量系统，通过调节单色仪的输出波长，以单个波长进行移动，记录标定每个像元上的波长。

进一步地，以光谱范围为420-2400nm的增强型超连续谱激光器作为光源，利用工作波长范围为400-1450nm的可调谐声光调制器型的单色仪将光谱分散开并输出单色光，入射到所述测量系统，通过软件调节单色仪的输出波长，以单个波长进行移动，不同波长的光谱投射到光敏探测器阵列的多个像元的不同像元上，像元对不同波长处的光谱进行光电转换，记录多个像元上的波长，标定像元上的光谱波长分布。

进一步地，所述测量系统的温度曲线标定是指以黑体炉作为标准辐射源入射测量系统，调节黑体炉温度，辐射光经过色散系统产生光谱，光谱经过聚焦系统聚焦到不同的像面上，像面上的光敏探测器阵列对光谱进行光电转换，将光谱辐射强度转换为电流，电流经放大电路转换为电压并放大后，通过A/D电路和主控芯片获得电压值；在固定一个波长的情况下，待测温度T可表示为：

其中，C₂＝1.43879×10⁴μm⁴·K，λ_i表示光敏探测器阵列第i个通道的波长，

和

分别代表在波长λ_i下，参考温度

和待测温度T对应的的实际电压值；

选择一个参考温度和对应的参考电压，记录不同温度段的电压值，可拟合出该波长λ_i下温度与电压比值之间的曲线关系。

进一步地，所述黑体炉是各波段光谱发射率接近于1的理想参考热源。

进一步地，所述温度与电压比值之间的曲线关系被保存在主控芯片中。

(三)有益效果

本发明提出一种基于多光谱比色的高温瞬态测量系统和方法，本发明具有如下优点：

本发明采用巧妙的电路设计，具有电路结构简单，响应速度快，动态测试范围能力高，系统成本低的特点，同时能够获取更多通道光敏探测器阵列的输出信号；

本发明采用多光谱测温技术，利用多个通道在不同温度段之间的比值反演温度，具有更高的测温精度。

附图说明

图1为本发明高温瞬态测量系统的系统结构框图；

图2为实际温度与电压比值的关系曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明提供了一种基于多光谱比色的高温瞬态测量系统，目的是通过采用简单的电路结构采集更丰富的光谱信息，并提高温度测量的准确性。

本发明采用的技术方案如图1所示为：提供一种基于多光谱比色的高温瞬态测量系统，具体分为光谱摄取单元、光电转换单元和主控处理单元。

所述光谱摄取单元包括望远系统、孔径光阑、准直系统、色散系统、聚焦系统，各个组成部件顺次摆放，用于实现对光谱信息的采集和光谱的分离。其中，望远系统摄取物体光线；孔径光阑控制视场角；准直系统将光线变成同心光束；色散系统包括棱镜或光栅或两者的组合，将同心光束分解成多光谱；聚焦系统即为图1中的成像系统，用于将不同波长的光线聚焦在不同的像面上。其中，棱镜为三棱镜。如图1所示，物体光线经过望远系统、孔径光阑、准直系统、色散系统后变为均匀分布的多光谱，并通过聚焦系统聚焦到不同的像面上。

所述光电转换单元包括光敏探测器阵列和放大电路，用于对辐射物体的离散化后的光谱进行光电流转换；其中，放大电路为高动态范围放大电路。其中，光敏探测器阵列放置在像面上，用于对不同像面上的光谱进行光电转换，输出的电流输入到放大电路中，由放大电路实现电流电压转换，以及信号放大。通常，光敏探测器阵列的每一个通道对应一个放大电路。

所述主控处理单元包括主控芯片和A/D电路，A/D电路用于将电压信号进行模数转换，主控芯片用于根据电压实现温度的标定和测量。

本发明的一种基于多光谱比色的高温瞬态测量方法，基于上述高温瞬态测量系统，包括以下步骤：

S1、光谱摄取单元设计：通过设计光谱摄取单元中各个组成部件的位置，摄取工作范围的光谱并使之离散分布在不同的像面位置，实现高光谱分辨率；

S2、光电转换单元设计：将光敏探测器阵列放置在像面，使用光敏探测器阵列将光谱信息转换成电流信号，通过放大电路进行电流电压转换以及信号放大；

S3、光学系统参数标定，标定光敏探测器阵列像元上的波长分布：不同波长的光谱会打到不同的成像面上，记录光敏探测器阵列像元上不同波长的对应位置，以标定光敏探测器阵列像元上的波长分布；

S4、测量系统的温度曲线标定：以黑体炉为标准辐射源入射测量系统，不同温度段的光谱强度的变化体现在系统电压变化，在固定一个波长的情况下，选择一个参考温度和对应的参考电压，拟合出该波长下温度与电压比值之间的曲线关系；进而得到不同波长下温度与电压比值之间的曲线关系；

S5、待测物体的多光谱温度测量：以待测物体的光线入射测量系统，获得待测物体光线的波长以及测量系统的输出电压，进而得到输出电压与参考电压的比值，根据该波长下温度与电压比值之间的曲线关系，得到待测物体的温度值。

其中，

光学系统参数标定时，固定好光学器件，以单色仪输出的光线入射测量系统，通过调节单色仪的输出波长，以单个波长进行移动，记录标定每个像元上的波长；

所述测量系统的温度曲线标定是指以黑体炉作为标准辐射源入射测量系统，调节黑体炉温度，辐射光经过色散系统产生光谱，光谱经过聚焦系统聚焦到不同的像面上，像面上的光敏探测器阵列对光谱进行光电转换，将光谱辐射强度转换为电流，电流经放大电路转换为电压并放大后，通过A/D电路和主控芯片获得电压值。在固定一个波长的情况下，待测温度T可表示为：

其中，C₂＝1.43879×10⁴μm⁴·K，λ_i表示光敏探测器阵列第i个通道的波长，

和

分别代表在波长λ_i下，参考温度T’和待测温度T对应的的实际电压值。

选择一个参考温度和对应的参考电压，记录不同温度段的电压值，可拟合出该波长λ_i下温度与电压比值之间的曲线关系。如图2所示。

所述多光谱温度测量是指将同一波长在不同温度段之间的数据进行比色处理，以待测物体的光线入射测量系统，获得待测物体光线的波长以及测量系统的输出电压，进而得到输出电压与参考电压的比值，根据该波长下温度与电压比值之间的曲线关系，得到待测物体的温度值。

图1为高温瞬态测量系统的系统结构框图，其中包括光谱摄取单元、光电转换单元和主控处理单元：其中光谱摄取单元实现对光谱信息的采集和光谱的分离；光电转换单元通过光敏探测器阵列和高动态范围放大电路的匹配实现对辐射物体的光谱进行光电转换；主控处理单元利用所包含的主控芯片对A/D采集的信息进行处理，实现温度的反演。

本实施例中，系统参数标定是指光学系统光谱透过率和像元上光谱分布的标定。以光谱范围为420-2400nm的增强型超连续谱激光器作为光源，利用工作波长范围为400-1450nm的可调谐声光调制器型的单色仪将光谱分散开并输出单色光，入射到图1所示的光学系统中，通过软件调节单色仪的输出波长，以单个波长进行移动，不同波长的光谱投射到光敏探测器阵列的多个像元的不同像元上，像元对不同波长处的光谱进行光电转换，记录多个像元上的波长，标定像元上的光谱波长分布。像元的数量典型值为16个。

本实施例中，高温瞬态测量系统的温度曲线标定是指以黑体炉为标准辐射源并对其经过色散系统分离的光谱进行测量，记录不同温度段的光谱数据。具体是指平行光束通过三棱镜的色散作用分离成不同波长的单色光，聚焦系统将不同波长的光线聚焦在像面上，多通道的光敏探测器阵列接收不同波长的单色光。根据普朗克辐射定律，由绝对温度为T的物体辐射亮度，即入射光的辐射亮度L(λ,T)、波长λ和物体的光谱发射率ε(λ,T)可以得到如下公式：

式中，C₁＝3.7415×10⁸W·μm⁴·m^-2；C₂＝1.43879×10⁴μm⁴·K。

光电转换单元采用多个像元的光敏探测器阵列来对辐射物体的光谱进行光电转换，每一个光敏探测器阵列像元上的光电二极管代表一个通道，需要匹配一个电流-电压放大电路，并通过多级放大电路进行高动态信号范围放大，通过主控芯片获取A/D采样的数据。第i个通道的电压信号V_i可以表示为：

V_i＝τ(λ_i)S(λ_i)L(λ_i,T)  (2)

式中，τ(λ_i)和S(λ_i)分别表示只与波长有关而与温度无关的光学系统的透过率和光电二极管灵敏度的检定常数。

本实施例中，多光谱温度反演是指将同一通道在不同温度段之间的数据进行比值处理，利用物体辐射亮度与物体温度之间的关系，反演物体温度。多光谱温度反演多光谱测温技术采用同一通道在不同温度段之间的比值处理，黑体炉是各波段光谱发射率接近于1的理想参考热源，根据公式(1)、(2)，消除光谱发射率ε(λ,T)、τ(λ_i)和S(λ_i)，以T’为基准，对多处温度点进行比值处理，忽略分母中的1，可以由下式表示温度和电压比值的关系：

式中，

和

分别代表在波长λ_i下，参考温度T^’和理论计算温度T的实际电压值。则根据公式(3)，温度T可表示为：

选择一个参考温度和对应的参考电压，根据不同通道或波长在不同温度段得到的温度值，使用最小二乘法对数据进行拟合，得到一个波长下温度和电压比值的关系曲线，进而得到不同波长下温度和电压比值的关系曲线，并保存该被测物体温度的光线曲线到主控芯片，如图2所示。根据计算，系统实际测量值与理论计算值较好的拟合，两者最大相对误差为1.623％，而多个波长测量的实际值与拟合曲线的最大误差为0.11％。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于多光谱比色的高温瞬态测量方法，其特征在于，该方法基于多光谱比色的高温瞬态测量系统，

该测量系统包括光谱摄取单元、光电转换单元和主控处理单元；

所述光谱摄取单元包括望远系统、孔径光阑、准直系统、色散系统、聚焦系统，各个组成部件顺次摆放，用于实现对光谱信息的分离；其中，望远系统摄取物体光线；孔径光阑控制视场角；准直系统将光线变成同心光束；色散系统用于将同心光束分解成多光谱；聚焦系统用于将色散系统分解后的光谱的不同波长的光线聚焦在不同的像面上；

所述光电转换单元包括光敏探测器阵列和放大电路，用于对辐射物体的离散化后的光谱进行光电转换；其中，光敏探测器阵列放置在像面上，用于对不同像面上的光谱强度进行光电流转换，输出的电流输入到放大电路中，由放大电路实现电流电压转换，以及信号放大；

所述主控处理单元包括主控芯片和A/D电路，A/D电路用于将电压信号进行模数转换，主控芯片用于根据电压实现温度的标定和测量；

该方法包括如下步骤：

S1、光谱摄取单元设计：通过设计光谱摄取单元中各个组成部件的位置，摄取工作范围的光谱并使之离散分布在不同的像面位置，实现高光谱分辨率；

S2、光电转换单元设计：将光敏探测器阵列放置在像面，使用光敏探测器阵列将光谱信息转换成电流信号，通过放大电路进行电流电压转换以及信号放大；

S3、光学系统参数标定，标定光敏探测器阵列像元上的波长分布：不同波长的光谱会打到不同的成像面上，记录光敏探测器阵列像元上不同波长的对应位置，以标定光敏探测器阵列像元上的波长分布；

S4、测量系统的温度曲线标定：以黑体炉为标准辐射源入射测量系统，不同温度段的光谱强度的变化体现在系统电压变化，在固定一个波长的情况下，选择一个参考温度和对应的参考电压，拟合出该波长下温度与电压的比值之间的曲线关系；进而得到不同波长下温度与电压的比值之间的曲线关系；

S5、待测物体的多光谱温度测量：以待测物体的光线入射测量系统，获得待测物体光线的波长以及测量系统的输出电压，进而得到输出电压与参考电压的比值，根据该波长下温度与电压的比值之间的曲线关系，得到待测物体的温度值

其中，电压的比值为理论计算温度对应的实际电压与参考温度对应的参考电压之间的比值。

2.如权利要求1所述的基于多光谱比色的高温瞬态测量方法，其特征在于，所述步骤S3光学系统参数标定时，固定好光学器件，以单色仪输出的光线入射测量系统，通过调节单色仪的输出波长，以单个波长进行移动，记录标定每个像元上的波长。

3.如权利要求2所述的基于多光谱比色的高温瞬态测量方法，其特征在于，以光谱范围为420-2400nm的增强型超连续谱激光器作为光源，利用工作波长范围为400-1450nm的可调谐声光调制器型的单色仪将光谱分散开并输出单色光，入射到所述测量系统，通过软件调节单色仪的输出波长，以单个波长进行移动，不同波长的光谱投射到光敏探测器阵列的多个像元的不同像元上，像元对不同波长处的光谱进行光电转换，记录多个像元上的波长，标定像元上的光谱波长分布。

4.如权利要求1所述的基于多光谱比色的高温瞬态测量方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述测量系统的温度曲线标定是指以黑体炉作为标准辐射源入射测量系统，调节黑体炉温度，辐射光经过色散系统产生光谱，光谱经过聚焦系统聚焦到不同的像面上，像面上的光敏探测器阵列对光谱进行光电转换，将光谱辐射强度转换为电流，电流经放大电路转换为电压并放大后，通过A/D电路和主控芯片获得电压值；在固定一个波长的情况下，待测温度T可表示为：

其中，C₂＝1.43879×10⁴μm⁴·K，λ_i表示光敏探测器阵列第i个通道的波长，

和

分别代表在波长λ_i下，参考温度T'和待测温度T对应的实际电压值；

选择一个参考温度和对应的参考电压，记录不同温度段的电压值，可拟合出该波长λ_i下温度与电压的比值之间的曲线关系。

5.如权利要求4所述的基于多光谱比色的高温瞬态测量方法，其特征在于，所述黑体炉是各波段光谱发射率接近于1的理想参考热源。

6.如权利要求4所述的基于多光谱比色的高温瞬态测量方法，其特征在于，所述温度与电压的比值之间的曲线关系被保存在主控芯片中。

7.如权利要求1所述的基于多光谱比色的高温瞬态测量方法，其特征在于，所述色散系统包括棱镜或光栅或两者的组合。

8.如权利要求1所述的基于多光谱比色的高温瞬态测量方法，其特征在于，所述放大电路为多级放大电路组成的高动态范围放大电路。

9.如权利要求1所述的基于多光谱比色的高温瞬态测量方法，其特征在于，所述光敏探测器阵列包括多个像元，每一个光敏探测器阵列像元上的光电二极管代表一个通道，需要匹配一个放大电路。

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