CN115790854A - 温度场测温装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度场测温装置及方法，该装置包括：激光模块，用于发出激光；分光模块，用于将激光反射至探测目标上以在探测目标上激发出辐射荧光信号，并透射辐射荧光信号；成像模块，包括：第一通道，用于根据第一波长范围的热辐射信号进行成像，得到第一热辐射图像；第二通道，用于根据第二波长范围的辐射荧光信号进行成像，得到第一荧光图像，并根据第二波长范围的热辐射信号进行成像，得到第二热辐射图像；第三通道，用于根据第三波长范围的辐射荧光信号进行成像，得到第二荧光图像；计算及显示模块，用于根据第一荧光图像、第二荧光图像、第一热辐射图像和第二热辐射图像计算并显示探测目标不同位置的温度。

Description

温度场测温装置及方法

技术领域

本发明涉及温度测量技术领域，更具体地，涉及一种温度场测温装置及方法。

背景技术

温度测量技术主要包括接触式、非接触式两类。热电偶等接触式测温技术的不足之处体现在抗干扰能力弱、接触式测量、空间和时间分辨率较低、测量端老化以及信号引线困难等，无法准确获得热端部件温度变化情况。

相比于接触式测温技术，非接触式的热辐射测温技术通过对目标辐射的热辐射信号进行测量，确定目标的温度。热辐射测温技术具有非接触、温度场测量、信号传输便捷的特点，可以克服传统接触式测温的缺点。但采用单一响应波段(可见光，或近红外，或红外)的热辐射测温技术的测温范围有限，仅适用于中高温测量，难以实现中低温测量。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种温度场测温装置及方法，以期至少部分地解决提及的技术问题中的至少之一。

本发明的一个方面提供了一种温度场测温装置，包括：

激光模块，适用于发出激光；

分光模块，适用于将上述激光反射至探测目标上以在上述探测目标上激发出辐射荧光信号，并透射上述辐射荧光信号；

成像模块，包括：

第一通道，适用于根据上述探测目标发出的第一波长范围的热辐射信号进行成像，得到第一热辐射图像；

第二通道，适用于根据经上述分光模块透射后的第二波长范围的辐射荧光信号进行成像，得到第一荧光图像，并根据上述探测目标发出的第二波长范围的热辐射信号进行成像，得到第二热辐射图像；以及

第三通道，适用于根据经上述分光模块透射后的第三波长范围的辐射荧光信号进行成像，得到第二荧光图像；以及

计算及显示模块，适用于根据上述第一荧光图像、上述第二荧光图像、上述第一热辐射图像和上述第二热辐射图像计算并显示上述探测目标不同位置的温度；

其中，上述第一波长范围、上述第二波长范围和上述第三波长范围各不相同。

根据本发明的实施例，上述计算及显示模块包括：

计算单元，适用于根据上述第一荧光图像和上述第二荧光图像计算上述探测目标的一部分区域不同位置的温度，并根据上述第一热辐射图像和上述第二热辐射图像计算得到上述探测目标另一部分区域不同位置的温度；以及

显示单元，适用于显示计算得到的上述探测目标不同位置的温度。

根据本发明的实施例，根据上述第一荧光图像和上述第二荧光图像计算上述探测目标的一部分区域不同位置的温度包括：

获取第一目标成像位置在上述第一荧光图像的第一发光强度；

获取第一目标成像位置在上述第二荧光图像的第二发光强度；以及

根据上述第一发光强度和上述第二发光强度，确定与上述第一目标成像位置对应的上述探测目标部分区域的位置的温度，进而确定上述探测目标部分区域不同位置的温度。

根据本发明的实施例，上述第一发光强度、上述第二发光强度与上述第一目标成像位置(i,j)对应的上述探测目标部分区域的位置的温度之间满足如下关系：

其中，(i,j)是第一目标成像位置，A和B是系数；k是玻尔兹曼常数；ΔE为上述第二通道中的热耦合能级和上述第三通道中的热耦合能级间的能级差，

为上述第一发光强度、

为上述第二发光强度，Q^i,j为荧光发光强度比，T^i,j为与上述第一目标成像位置(i,j)对应的上述探测目标部分区域的位置的温度。

根据本发明的实施例，根据上述第一热辐射图像和上述第二热辐射图像计算得到上述探测目标另一部分区域目标位置的温度包括：

获取第二目标成像位置在上述第一热辐射图像的第三发光强度；

获取第二目标成像位置在上述第二热辐射图像的第四发光强度；以及

根据上述第三发光强度和上述第四发光强度，确定与上述第二目标成像位置对应的上述探测目标另一部分区域的位置的温度，进而确定上述探测目标另一部分区域不同位置的温度。

根据本发明的实施例，上述第三发光强度和上述第四发光强度与上述第二目标成像位置(m,n)对应的上述探测目标另一部分区域的位置的温度之间满足如下关系：

其中，(m,n)是第二目标成像位置，

是第三发光强度，

是第四发光强度，ε是探测目标的热辐射光谱发射率；T^m,n为与上述第二目标成像位置(m,n)对应的上述探测目标另一部分区域的位置的温度；λ_R是第一通道的光谱等效波长、λ_G是第二通道的光谱等效波长；I_b(λ_R,T^m,n)表示在温度T^m,n、波长为λ_R时的黑体光谱辐射强度分布函数，I_b(λ_G,T^m,n)表示在温度T^m,n、波长为λ_G时的黑体光谱辐射强度分布函数。

根据本发明的实施例，在上述分光模块与上述激光模块之间还包括扩束模块，上述扩束模块适用于对上述激光模块发出的激光进行扩束。

根据本发明的实施例，在上述分光模块与上述成像模块之间还包括聚焦模块，上述聚焦模块适用于对上述分光模块透射出的上述辐射荧光信号进行聚焦，进而输入至上述成像模块。

根据本发明的实施例，还包括时序控制模块，适用于对上述激光模块、上述计算及显示模块以及上述成像模块进行控制。

根据本发明的实施例，上述成像模块的采集频率为上述激光的开关调制频率的2倍。

根据本发明的实施例，上述第一通道为R通道，上述第一波长范围为600-700nm，上述第二通道为G通道，上述第二波长范围为500-600nm，上述第三通道为B通道，上述第三波长范围为400-500nm。

根据本发明的实施例，上述激光的开关调制频率为1-30Hz。

根据本发明的实施例，上述激光的波长范围为300-400nm。

本发明的另一个方面提供了一种测温方法，利用上述的温度场测温装置，上述测温方法包括：

利用分光模块将激光模块发出的激光反射至探测目标上，以在探测目标上激发出辐射荧光信号，以及利用分光模块透射辐射荧光信号；

利用第二通道对分光模块透射后的第二波长范围的辐射荧光信号进行成像，得到第一荧光图像；

利用第三通道对分光模块透射后的第三波长范围的辐射荧光信号进行成像，得到第二荧光图像；

利用第一通道根据探测目标发出的第一波长范围的热辐射信号进行成像，得到第一热辐射图像；

利用第二通道根据探测目标发出的第二波长范围的热辐射信号进行成像，得到第二热辐射图像；

利用计算及显示模块，根据第一荧光图像、第二荧光图像、第一热辐射图像和第二热辐射图像计算并显示探测目标不同位置的温度。

根据本发明的是实施例，在利用激光模块发出激光之前，测温方法还包括；

开启激光模块以及成像模块的第二通道和成像模块的第三通道；

在利用第一通道根据探测目标发出的第一波长范围的热辐射信号进行成像，得到第一热辐射图像之前，测温方法还包括：

关闭激光模块以及开启成像模块的第一通道和第二通道。

根据本发明的实施例，根据第一荧光图像、第二荧光图像、第一热辐射图像和第二热辐射图像计算并显示探测目标不同位置的温度包括：

利用计算及显示模块根据第一荧光图像、第二荧光图像计算并显示探测目标的一部分区域不同位置的温度；

利用计算及显示模块根据第一热辐射图像和第二热辐射图像计算并显示探测目标另一部分区域不同位置的温度；

根据探测目标部分区域不同位置的温度和探测目标另一部分区域不同位置的温度得到探测目标不同位置的温度。

根据本发明的实施例，利用计算及显示模块根据上述第一荧光图像和上述第二荧光图像计算上述探测目标的一部分区域不同位置的温度包括：

获取第一目标成像位置在上述第一荧光图像的第一发光强度；

获取第一目标成像位置在上述第二荧光图像的第二发光强度；以及

根据上述第一发光强度和上述第二发光强度，确定与上述第一目标成像位置对应的上述探测目标部分区域的位置的温度，进而确定上述探测目标部分区域不同位置的温度。

根据本发明的实施例，，上述第一发光强度、上述第二发光强度与上述第一目标成像位置对应的上述探测目标部分区域的位置的温度之间满足如下关系：

其中，(i,j)是第一目标成像位置，A和B是系数，k是玻尔兹曼常数；ΔE为上述第二通道中的热耦合能级和上述第三通道中的热耦合能级间的能级差，

为上述第一发光强度、

为上述第二发光强度，Q^i,j为荧光发光强度比，T^i,j为与上述目标成像位置(i,j)对应的上述探测目标部分区域的位置的温度。

根据本发明的实施例，利用上述计算及显示模块根据上述第一热辐射图像和上述第二热辐射图像计算得到上述探测目标另一部分区域目标位置的温度包括：

获取第二目标成像位置在上述第一热辐射图像的第三发光强度；

获取第二目标成像位置在上述第二热辐射图像的第四发光强度；以及

根据上述第三发光强度和上述第四发光强度，确定与上述第二目标成像位置对应的上述探测目标另一部分区域的位置的温度，进而确定上述探测目标另一部分区域不同位置的温度。

根据本发明的实施例，上述第三发光强度和上述第四发光强度与上述第二目标成像位置(m,n)对应的上述探测目标另一部分区域的位置的温度之间满足如下关系：

其中，(m,n)是第二目标成像位置，

是第三发光强度，

是第四发光强度，ε是探测目标的热辐射光谱发射率；T^m,n为与上述第二目标成像位置(m,n)对应的上述探测目标另一部分区域的位置的温度；λ_R是R通道的光谱等效波长、λ_G是G通道的光谱等效波长；I_b(λ_R,T^m,n)表示在温度T^m,n、波长为λ_R时的黑体光谱辐射强度分布函数，I_b(λ_G,T^m,n)表示在温度T^m,n、波长为λ_G时的黑体光谱辐射强度分布函数。

根据本发明的实施例的温度场测温装置，利用激光模块，发出激光，分光模块将激光反射至探测目标上以在探测目标上激发出辐射荧光信号，并透射辐射荧光信号，然后利用成像模块的第一通道根据探测目标发出的第一波长范围的热辐射信号进行成像，得到第一热辐射图像，第二通道根据经分光模块透射后的第二波长范围的辐射荧光信号进行成像，得到第一荧光图像，并根据探测目标发出的第二波长范围的热辐射信号进行成像，得到第二热辐射图像，以及第三通道根据经分光模块透射后的第三波长范围的辐射荧光信号进行成像，得到第二荧光图像，计算及显示模块根据第一荧光图像、第二荧光图像、第一热辐射图像和第二热辐射图像计算并显示探测目标不同位置的温度，实现了在非接触的情况下，利用成像模块的三个通道分别对与探测目标的温度相关的三个波长范围的热辐射信号、辐射荧光信号进行测量，得到荧光信号图像及热辐射图像，进而实现了基于热辐射图像对探测目标的中高温温度进行测量，基于荧光信号图像对探测目标的中低温温度进行测量，测温范围广，测量精度高。

根据本发明的实施例，分光模块将激光反射至探测目标上以在探测目标上激发出辐射荧光信号，并透射辐射荧光信号，实现利用同一个模块实现反射激光的同时还能透射辐射荧光信号，简化了测温装置，减小了测温装置的体积。

根据本发明的实施例，成像模块的第一通道为R通道，第一波长范围为600-700nm，第二通道为G通道，第二波长范围为500-600nm，第三通道为B通道，第三波长范围为400-500nm，因此成像模块能够对与探测目标的温度相关的波长范围为400-700nm的热辐射信号、辐射荧光信号进行测量，从而提高基于该成像模块的温度场测温装置的测温区的范围。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示意性示出了根据本发明实施例的温度场测温装置的结构框图；

图2示意性示出了根据本发明另一实施例的温度场测温装置的结构框图；

图3示意性示出了图2中的温度场测量装置的一种简易示意图；

图4示意性示出了图2中的温度场测量装置的另一种简易示意图；

图5示意性示出了多光谱滤片的透射光谱；

图6示意性示出了根据本发明实施例的测温方法的流程图。

附图标记：

1-激光模块

2-分光模块

3-成像模块

31-第一通道

32-第二通道

33-第三通道

4-计算及显示模块

5-扩束模块

6-聚焦模块

7-时序控制模块

8-多光谱滤片

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

以下将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

在涉及非接触式的热辐射测温技术中，一般采用单一响应波段(例如可见光，或近红外，或红外)的热辐射测温技术，但该技术测温范围有限，仅适用于中高温测量，难以实现中低温测量。基于此，本发明的实施例提供了一种温度场测温装置及方法。

图1示意性示出了根据本发明实施例的温度场测温装置的结构框图。

根据本发明的实施例，如图1所示，温度场测温装置包括：激光模块1、分光模块2、成像模块3与计算及显示模块4。

激光模块1，适用于发出激光。

分光模块2，适用于将激光反射至探测目标上以在探测目标上激发出辐射荧光信号，并透射辐射荧光信号。

成像模块3，包括：第一通道31、第二通道32和第三通道33。

第一通道31，适用于根据探测目标发出的第一波长范围的热辐射信号进行成像，得到第一热辐射图像；

第二通道32，适用于根据经分光模块2透射后的第二波长范围的辐射荧光信号进行成像，得到第一荧光图像，并根据探测目标发出的第二波长范围的热辐射信号进行成像，得到第二热辐射图像；

第三通道33，适用于根据经分光模块2透射后的第三波长范围的辐射荧光信号进行成像，得到第二荧光图像。

计算及显示模块4，适用于根据第一荧光图像、第二荧光图像、第一热辐射图像和第二热辐射图像计算并显示探测目标不同位置的温度。

其中，第一波长范围、第二波长范围和第三波长范围各不相同。

根据本发明的实施例，探测目标的温度包括中低温温度与中高温温度。中低温温度的范围可以为室温～1200℃，中低温温度例如可以为20℃、500℃、1000℃等。中高温温度的范围可以为800～1600℃，中高温温度例如可以为1000℃、1200℃及1500℃等。

根据本发明的实施例，第一波长范围及第二波长范围与中高温温度相对应，第二波长范围及第三波长范围与中低温温度相对应。

根据本发明的实施例，探测目标可以为空气动力学、热学、机械学、材料学等多学科交叉的复杂热力机械，例如可以为航空发动机。

根据本发明的实施例，成像模块3可以为彩色电荷耦合器件(Charge CoupledDevice，CCD)成像传感器或互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS)成像传感器。例如，将彩色CCD成像传感器作为成像模块，彩色CCD成像传感器的R通道可以作为第一通道、G通道可以作为第二通道及B通道可以作为第三通道，此时，彩色CCD成像传感器的R通道和G通道可以用于对探测目标的热辐射进行成像测量，得到第一热辐射图像及第二热辐射图像，G通道和B通道可以用于对探测目标的荧光辐射成像测量，得到第一荧光图像及第二荧光图像。

根据本发明的实施例，探测目标的表面喷涂有荧光膜层。在激光照射在喷涂有荧光膜层的探测目标的表面的情况下，探测目标的温度会对荧光膜层的发光强度或发光寿命产生影响。因此，通过第二通道32根据经分光模块透射后的第二波长范围的辐射荧光信号进行成像，得到第一荧光图像，第三通道33根据经分光模块2透射后的第三波长范围的辐射荧光信号进行成像，得到第二荧光图像，后续基于第一荧光图像及第二荧光图像可以得到探测目标的中低温温度，这种测温方式可以克服热环境及探测目标发射率对测温的影响，提高对探测目标进行中低温温度测量的精度，更适用于对发射率未知或表面复杂变化的热端部件进行非接触高精度测量。

根据本发明的实施例，通过第一通道根据探测目标发出的第一波长范围的热辐射信号进行成像，得到第一热辐射图像，第二通道根据探测目标发出的第二波长范围的热辐射信号进行成像，得到第二热辐射图像，后续基于第一热辐射图像及第二热辐射图像可以得到探测目标的中高温温度，提高对探测目标进行中高温温度测量的精度。

根据本发明的实施例提供的温度场测温装置，实现了在非接触的情况下，利用成像模块3的三个通道分别对与探测目标的温度相关的三个波长范围的热辐射信号、辐射荧光信号进行测量，得到荧光信号图像及热辐射图像，进而实现了基于热辐射图像对探测目标的中高温温度进行测量，基于荧光信号图像对探测目标的中低温温度进行测量，测温范围广，测量精度高。

根据本发明的实施例，分光模块2可以为分光棱镜，还可以为分光片，本发明的实施例不对分光模块的具体形式做限定，可以根据实际情况进行选择。

根据本发明的实施例，分光模块2将激光反射至探测目标上以在探测目标上激发出辐射荧光信号，形成反射光路，分光模块2还透射辐射荧光信号，形成透射光路。其中，两个光路之间的角度为90°，针对反射光路，分光模块的分光光谱可以为300nm～400nm，可以将激光反射至探测目标上以在探测目标上激发出辐射荧光信号，针对透射光路，分光模块的分光光谱可以为400nm～700nm，可以透射辐射荧光信号。

根据本发明的实施例，分光模块2将激光反射至探测目标上以在探测目标上激发出辐射荧光信号，并透射辐射荧光信号，实现利用同一个模块实现反射激光的同时还能透射辐射荧光信号，简化了测温装置，减小了测温装置的体积。

根据本发明的实施例，计算及显示模块4包括：计算单元和显示单元。

计算单元，适用于根据第一荧光图像和第二荧光图像计算探测目标的一部分区域不同位置的温度，并根据第一热辐射图像和第二热辐射图像计算得到探测目标另一部分区域不同位置的温度。

显示单元，适用于显示计算得到的探测目标不同位置的温度。

根据本发明的实施例，探测目标的一部分区域可以为探测目标的中低温位置的区域，探测目标的另一部分区域可以为探测目标的中高温位置的区域。

根据本发明的实施例，在探测目标作为一个整体，探测目标的温度变化不大的情况下，探测目标的一部分区域及另一部分区域可以为同一个区域。

根据本发明的实施例，可以根据第一荧光图像和第二荧光图像计算探测目标的整个区域的每个位置的温度，同时，根据第一热辐射图像和第二热辐射图像计算探测目标的整个区域的每个位置的温度。然后，根据中低温及中高温的界限，将探测目标的整个区域划分为两个区域。

根据本发明的实施例，中低温及中高温的界限例如可以为1000℃。此时，将小于1000℃的区域划分为一部分区域，将小于1000℃的区域的不同位置的温度，用根据第一荧光图像和第二荧光图像计算出的温度进行表示，将大于1000℃的区域划分为另一部分区域，将大于1000℃的区域的不同位置的温度，用根据第一热辐射图像和第二热辐射图像计算出的温度进行表示。

根据本发明的实施例，计算单元可以根据第一荧光图像和第二荧光图像计算探测目标的一部分区域不同位置的温度，并根据第一热辐射图像和第二热辐射图像计算得到探测目标另一部分区域不同位置的温度，可以实现利用荧光图像及热辐射图像得到探测目标的不同区域的不同位置的且不同温度量程的温度，更适用于对探测目标的不同区域的不同位置的温度变化进行实时监测。

根据本发明的实施例，根据第一荧光图像和第二荧光图像计算探测目标的一部分区域不同位置的温度包括：

获取第一目标成像位置(i,j)在第一荧光图像的第一发光强度；

获取第一目标成像位置(i,j)在第二荧光图像的第二发光强度；以及

根据第一发光强度和第二发光强度，确定与第一目标成像位置(i,j)对应的探测目标部分区域的位置的温度，进而确定探测目标部分区域不同位置的温度。

根据本发明的实施例，通过获取第一目标成像位置(i,j)在第一荧光图像的第一发光强度，再获取第一目标成像位置(i,j)在第二荧光图像的第二发光强度，然后根据第一发光强度和第二发光强度，确定与第一目标成像位置(i,j)对应的探测目标部分区域的位置的温度，进而可以确定探测目标部分区域不同位置的温度，提高计算探测目标部分区域不同位置的温度的精度与速度。

根据本发明的实施例，第一发光强度、第二发光强度与目标成像位置(i,j)对应的探测目标部分区域的位置的温度之间满足公式(一)中的关系。

其中，A和B是系数；k是玻尔兹曼常数；ΔE为第二通道中的热耦合能级和第三通道中的热耦合能级间的能级差，

为第一发光强度、

为第二发光强度，Q^i,j为荧光发光强度比，T^i,j为与目标成像位置(i,j)对应的探测目标部分区域的位置的温度。

根据本发明的实施例，根据第一热辐射图像和第二热辐射图像计算得到探测目标另一部分区域目标位置的温度包括：

获取第二目标成像位置(m,n)在第一热辐射图像的第三发光强度；

获取第二目标成像位置(m,n)在第二热辐射图像的第四发光强度；以及

根据第三发光强度和第四发光强度，确定与第二目标成像位置(m,n)对应的探测目标另一部分区域的位置的温度，进而确定探测目标另一部分区域不同位置的温度。

根据本发明的实施例，通过获取第二目标成像位置(m,n)在第一热辐射图像的第三发光强度，再获取第二目标成像位置(m,n)在第二热辐射图像的第四发光强度，然后根据第三发光强度和第四发光强度，确定与第二目标成像位置(m,n)对应的探测目标另一部分区域的位置的温度，进而可以确定探测目标另一部分区域不同位置的温度，提高计算探测目标另一部分区域不同位置的温度的精度与速度。

根据本发明的实施例，第三发光强度和第四发光强度与第二目标成像位置(m,n)对应的探测目标另一部分区域的位置的温度之间满足公式(二)及公式(三)中的关系。

其中，

是第三发光强度，

是第四发光强度，ε是探测目标的热辐射光谱发射率；T^m,n为与第二目标成像位置(m,n)对应的探测目标另一部分区域的位置的温度；λ_R是第一通道的光谱等效波长、λ_G是第二通道的光谱等效波长；I_b(λ_R,T^m,n)表示在温度T^m,n、波长为λ_R时的黑体光谱辐射强度分布函数，I_b(λ_G,T^m,n)表示在温度T^m,n、波长为λ_G时的黑体光谱辐射强度分布函数。

图2示意性示出了根据本发明另一实施例的温度场测温装置的结构框图。

根据本发明的实施例，图2与图1中具有相同的附图标记的结构的功能保持一致。

根据本发明的实施例，如图2所示，温度场测温装置在分光模块2与激光模块1之间还包括扩束模块5，扩束模块5适用于对激光模块1发出的激光进行扩束。

根据本发明的实施例，扩束模块5可以为单透镜，还可以为多个透镜组成的透镜组，本发明的实施例不对扩束模块5的具体结构做限定，可以根据实际情况进行选择。

根据本发明的实施例，如图2所示，温度场测温装置在分光模块2与成像模块3之间还包括聚焦模块6，聚焦模块6适用于对分光模块透射出的辐射荧光信号进行聚焦，进而输入至成像模块3。

根据本发明的实施例，聚焦模块6可以为单透镜，还可以为多个透镜组成的透镜组，本发明的实施例不对聚焦模块的具体结构做限定，可以根据实际情况进行选择。

根据本发明的实施例，如图2所示，温度场测温装置还包括时序控制模块7，适用于对激光模块1、计算及显示模块4以及成像模块3进行控制。

图3示意性示出了图2中的温度场测量装置的一种简易示意图。图4示意性示出了图2中的温度场测量装置的另一种简易示意图。

如图3-4所示，图1或者图2中的聚焦模块6和成像模块3有两种实现方式，一种是彩色CCD相机实现，另一种是利用具有不同通道的三个相机实现。具体而言，如图3所示，聚焦模块6可以为镜头，成像模块3可以为RGB相机，该镜头和RGB相机组成彩色CCD相机。或者，如图4所示聚焦模块6和成像模块3也可以利用3个非彩色相机实现。

此外，如图3-4所示，图1-2中的扩束模块可以包括沿光路依次设置的反射镜、凹透镜和凸透镜。在分光模块2和聚焦模块6之间还可以设置多光谱滤片8，用于对进入到成像模块的辐射荧光信号和热辐射信号进行一次分光。以聚焦模块6和成像模块3组成彩色CCD相机的情况为例，RGB相机三个通道分别为600-700nm，500-600nm，400-500nm。相机固有的G、B通道的光谱宽度为100nm，而辐射荧光信号通常具有较窄的光谱分布，二者之间失配会导致荧光信号测量误差增大，因此，我们提出在聚焦模块6前加入多光谱滤片8进行滤光，实现对彩色CCD相机的RGB通道光谱宽度的调制。此外，引入多光谱滤片8的优势在于，对于不同类型的荧光信号，在不改变系统其它配置的条件下，仅通过更换多光谱滤片8就可以实现对不同类型辐射荧光信号的有效测量，大大提升了系统的灵活性。对于聚焦模块6和成像模块3为3个非彩色CCD相机的情况，多光谱滤片仍适用。多光谱滤片8的透射光谱如图5所示，可以看出，多光谱滤波片8在400-500nm以及500-600nm具有更窄的光谱透过率。

根据本发明的实施例，时序控制模块控制可以控制激光模块发射激光，此时，温度场测温装置处于荧光辐射成像测量模式。

根据本发明的实施例，在荧光辐射成像测量模式下，时序控制模块7控制控制激光模块发射激光，然后向成像模块3发送信号，控制成像模块3采集第一荧光图像及第二荧光图像。

根据本发明的实施例，在采成像模块3采集完第一荧光图像及第二荧光图像的情况下，时序控制模块7控制可以控制激光模块关闭激光，此时，温度场测温装置处于热辐射成像测量模式。

根据本发明的实施例，在热辐射成像测量模式下，时序控制模块7控制控制激光模块关闭激光，然后向成像模块3发送信号，控制成像模块3采集第一热辐射图像及第二热辐射图像。

根据本发明的实施例，在成像模块3采集完第一热辐射图像及第二热辐射图像的情况下，时序控制模块7向计算及显示模块4发送信号，控制计算及显示模块4根据第一荧光图像、第二荧光图像、第一热辐射图像和第二热辐射图像计算并显示探测目标不同位置的温度。

根据本发明的实施例，在计算及显示模块4计算并显示探测目标不同位置的温度的情况下，时序控制模块7可以控制激光模块1、成像模块3及计算及显示模块4对探测目标进行下一轮的温度检测，从而实现对探测目标的温度进行实时检测。

根据本发明的实施例，成像模块3的采集频率为激光的开关调制频率的2倍。

根据本发明的实施例，成像模块3的采集频率为激光的开关调制频率的2倍，可以保证在激光开启的情况下，成像模块3采集第一荧光图像及第二荧光图像，在激光关闭的情况下，成像模块3采集第一热辐射图像及第二热辐射图像，进而保证后续可以实现利用第一荧光图像、第二荧光图像、第一热辐射图像及第二热辐射图像计算探测目标的温度。

根据本发明的实施例，第一通道为R通道，第一波长范围为600-700nm，第二通道为G通道，第二波长范围为500-600nm，第三通道为B通道，第三波长范围为400-500nm。

根据本发明的实施例，由于成像模块3的第一通道为R通道，第一波长范围为600-700nm，第二通道为G通道，第二波长范围为500-600nm，第三通道为B通道，第三波长范围为400-500nm，因此成像模块3能够对与探测目标的温度相关的波长范围为400-700nm的热辐射信号、辐射荧光信号进行测量，从而提高基于该成像模块3的温度场测温装置的测温区的范围。

根据本发明的实施例，激光的开关调制频率为1-30Hz。

根据本发明的实施例，激光的开关调制频率需要与成像模块3的采集频率相匹配，以使得成像模块3可以在激光开启与关闭的情况下各采集两幅图像。

根据本发明的实施例，激光的波长范围为300-400nm。

根据本发明的实施例，激光的波长范围为300-400nm，可以保证探测目标上的荧光膜层在此波长范围的激光的激发下，发射的荧光强度能在成像模块成清晰的第一荧光图像及第二荧光图像，进而保证基于第一荧光图像及第二荧光图像计算得到的探测目标的温度的的精度。

根据本发明的实施例，激光的波长例如可以为320nm、350nm及380nm。例如可以选择355nm紫外大功率激光器发射355nm的激光。

图6示意性示出了根据本发明实施例的测温方法的流程图。

如图6所示，该方法包括操作S501～S506。

在操作601，利用分光模块2将激光模块1发出的激光反射至探测目标上，以在探测目标上激发出辐射荧光信号，以及利用分光模块2透射辐射荧光信号。

在操作602，利用第二通道对分光模块2透射后的第二波长范围的辐射荧光信号进行成像，得到第一荧光图像。

在操作603，利用第三通道对分光模块2透射后的第三波长范围的辐射荧光信号进行成像，得到第二荧光图像。

在操作604，利用第一通道根据探测目标发出的第一波长范围的热辐射信号进行成像，得到第一热辐射图像。

在操作605，利用第二通道根据探测目标发出的第二波长范围的热辐射信号进行成像，得到第二热辐射图像。

在操作606，利用计算及显示模块，根据第一荧光图像、第二荧光图像、第一热辐射图像和第二热辐射图像计算并显示探测目标不同位置的温度。

根据本发明的实施例，探测目标的温度包括中低温温度与中高温温度。中低温温度的范围可以为室温～1200℃，中低温温度例如可以为20℃、500℃、1000℃等。中高温温度的范围可以为800～1600℃，中高温温度例如可以为1000℃、1200℃及1500℃等。

根据本发明的实施例，第一波长范围及第二波长范围与中高温温度相对应，第二波长范围及第三波长范围与中低温温度相对应。

根据本发明的实施例，探测目标可以为空气动力学、热学、机械学、材料学等多学科交叉的复杂热力机械，例如可以为航空发动机。

根据本发明的实施例，探测目标的表面喷涂有荧光膜层。在激光照射在喷涂有荧光膜层的探测目标的表面的情况下，探测目标的温度会对荧光膜层的发光强度或发光寿命产生影响。因此，通过利用第二通道32对分光模块2透射后的第二波长范围的辐射荧光信号进行成像，得到第一荧光图像，利用第三通道33对分光模块2透射后的第三波长范围的辐射荧光信号进行成像，得到第二荧光图像，后续基于第一荧光图像及第二荧光图像可以得到探测目标的中低温温度，这种测温方式可以克服热环境及探测目标发射率对测温的影响，提高对探测目标进行中低温温度测量的精度。

根据本发明的实施例，通过利用第一通道31根据探测目标发出的第一波长范围的热辐射信号进行成像，得到第一热辐射图像，利用第二通道32根据探测目标发出的第二波长范围的热辐射信号进行成像，得到第二热辐射图像，后续基于第一热辐射图像及第二热辐射图像可以得到探测目标的中高温温度，提高对探测目标进行中高温温度测量的精度。

根据本发明的实施例提供的测温方法，实现了在非接触的情况下，利用三个通道分别对与探测目标的温度相关的三个波长范围的热辐射信号、辐射荧光信号进行测量，得到荧光信号图像及热辐射图像，进而实现了基于热辐射图像对探测目标的中高温温度进行测量，基于荧光信号图像对探测目标的中低温温度进行测量，测温范围广，测量精度高。

根据本发明的实施例，在操作S601之前，测温方法还包括；

开启激光模块1以及成像模块3的第二通道和成像模块3的第三通道；

在操作S604之前，测温方法还包括：

关闭激光模块1以及开启成像模块3的第一通道31和第二通道32。

根据本发明的实施例，操作S606具体包括：

利用计算及显示模块4根据第一荧光图像、第二荧光图像计算并显示探测目标的一部分区域不同位置的温度；

利用计算及显示模块4根据第一热辐射图像和第二热辐射图像计算并显示探测目标另一部分区域不同位置的温度；

根据探测目标部分区域不同位置的温度和探测目标另一部分区域不同位置的温度得到探测目标不同位置的温度。

根据本发明的实施例，利用计算及显示模块4根据第一荧光图像和第二荧光图像计算探测目标的一部分区域不同位置的温度，可以包括如下操作：

获取第一目标成像位置(i,j)在第一荧光图像的第一发光强度；

获取第一目标成像位置(i,j)在第二荧光图像的第二发光强度；以及

根据第一发光强度和第二发光强度，确定与第一目标成像位置(i,j)对应的探测目标部分区域的位置的温度，进而确定探测目标部分区域不同位置的温度。

根据本发明的实施例，通过获取第一目标成像位置(i,j)在第一荧光图像的第一发光强度，再获取第一目标成像位置(i,j)在第二荧光图像的第二发光强度，然后根据第一发光强度和第二发光强度，确定与第一目标成像位置(i,j)对应的探测目标部分区域的位置的温度，进而可以确定探测目标部分区域不同位置的温度，提高计算探测目标部分区域不同位置的温度的精度与速度。

根据本发明的实施例，第一发光强度、第二发光强度与目标成像位置(i,j)对应的探测目标部分区域的位置的温度之间满足公式(四)中的关系。

其中，A和B是系数；k是玻尔兹曼常数；ΔE为第二通道中的热耦合能级和第三通道中的热耦合能级间的能级差，

为第一发光强度、

为第二发光强度，Q^i,j为荧光发光强度比，T^i,j为与目标成像位置(i,j)对应的探测目标部分区域的位置的温度。

根据本发明的实施例，其中公式(四)与公式(一)为相同的公式。

根据本发明的实施例，利用计算及显示模块根据第一热辐射图像和第二热辐射图像计算得到探测目标另一部分区域目标位置的温度包括：

获取第二目标成像位置(m,n)在第一热辐射图像的第三发光强度；

获取第二目标成像位置(m,n)在第二热辐射图像的第四发光强度；以及

根据第三发光强度和第四发光强度，确定与第二目标成像位置(m,n)对应的探测目标另一部分区域的位置的温度，进而确定探测目标另一部分区域不同位置的温度。

根据本发明的实施例，通过获取第二目标成像位置(m,n)在第一热辐射图像的第三发光强度，再获取第二目标成像位置(m,n)在第二热辐射图像的第四发光强度，然后根据第三发光强度和第四发光强度，确定与第二目标成像位置(m,n)对应的探测目标另一部分区域的位置的温度，进而可以确定探测目标另一部分区域不同位置的温度，提高计算探测目标另一部分区域不同位置的温度的精度与速度。

根据本发明的实施例，第三发光强度和第四发光强度与第二目标成像位置(m,n)对应的探测目标另一部分区域的位置的温度之间满足公式(五)及公式(六)中的关系。

其中，

是第三发光强度，

是第四发光强度，ε是探测目标的热辐射光谱发射率；T^m,n为与第二目标成像位置(m,n)对应的探测目标另一部分区域的位置的温度；λ_R是R通道的光谱等效波长、λ_G是G通道的光谱等效波长；I_b(λ_R,T^m,n)表示在温度T^m,n、波长为λ_R时的黑体光谱辐射强度分布函数，I_b(λ_G,T^m,n)表示在温度T^m,n、波长为λ_G时的黑体光谱辐射强度分布函数。

根据本发明的实施例，其中公式(二)与公式(五)为相同的公式，公式(三)与公式(六)为相同的公式。

需要说明的是，本发明实施例中的流程图所示的操作除非明确说明不同操作之间存在执行的先后顺序，或者不同操作在技术实现上存在执行的先后顺序，否则，多个操作之间的执行顺序可以不分先后，多个操作也可以同时执行。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种温度场测温装置，包括：

激光模块，适用于发出激光；

分光模块，适用于将所述激光反射至探测目标上以在所述探测目标上激发出辐射荧光信号，并透射所述辐射荧光信号；

成像模块，包括：

第一通道，适用于根据所述探测目标发出的第一波长范围的热辐射信号进行成像，得到第一热辐射图像；

第二通道，适用于根据经所述分光模块透射后的第二波长范围的辐射荧光信号进行成像，得到第一荧光图像，并根据所述探测目标发出的第二波长范围的热辐射信号进行成像，得到第二热辐射图像；以及

第三通道，适用于根据经所述分光模块透射后的第三波长范围的辐射荧光信号进行成像，得到第二荧光图像；以及

计算及显示模块，适用于根据所述第一荧光图像、所述第二荧光图像、所述第一热辐射图像和所述第二热辐射图像计算并显示所述探测目标不同位置的温度；

其中，所述第一波长范围、所述第二波长范围和所述第三波长范围各不相同。

2.根据权利要求1所述的温度场测温装置，其特征在于，所述计算及显示模块包括：

计算单元，适用于根据所述第一荧光图像和所述第二荧光图像计算所述探测目标的一部分区域不同位置的温度，并根据所述第一热辐射图像和所述第二热辐射图像计算所述探测目标另一部分区域不同位置的温度；以及

显示单元，适用于显示计算得到的所述探测目标不同位置的温度。

3.根据权利要求2所述的温度场测温装置，其特征在于，根据所述第一荧光图像和所述第二荧光图像计算所述探测目标的一部分区域不同位置的温度包括：

获取第一目标成像位置在所述第一荧光图像的第一发光强度；

获取第一目标成像位置在所述第二荧光图像的第二发光强度；以及

根据所述第一发光强度和所述第二发光强度，确定与所述第一目标成像位置对应的所述探测目标部分区域的位置的温度，进而确定所述探测目标部分区域不同位置的温度。

4.根据权利要求3所述的温度场测温装置，其特征在于，所述第一发光强度、所述第二发光强度与所述第一目标成像位置(i,j)对应的所述探测目标部分区域的位置的温度之间满足如下关系：

其中，(i,j)是所述第一目标成像位置，A和B是系数，k是玻尔兹曼常数，ΔE为所述第二通道中的热耦合能级和所述第三通道中的热耦合能级间的能级差，

为所述第一发光强度、

为所述第二发光强度，Q^i,j为荧光发光强度比，T^i,j为与所述第一目标成像位置(i,j)对应的所述探测目标部分区域的位置的温度。

5.根据权利要求2所述的温度场测温装置，其特征在于，根据所述第一热辐射图像和所述第二热辐射图像计算得到所述探测目标另一部分区域目标位置的温度包括：

获取第二目标成像位置在所述第一热辐射图像的第三发光强度；

获取第二目标成像位置在所述第二热辐射图像的第四发光强度；以及

根据所述第三发光强度和所述第四发光强度，确定与所述第二目标成像位置对应的所述探测目标另一部分区域的位置的温度，进而确定所述探测目标另一部分区域不同位置的温度。

6.根据权利要求5所述的温度场测温装置，其特征在于，所述第三发光强度和所述第四发光强度与所述第二目标成像位置(m,n)对应的所述探测目标另一部分区域的位置的温度之间满足如下关系：

其中，(m,n)是所述第二目标成像位置，

是所述第三发光强度，

是所述第四发光强度，ε是所述探测目标的热辐射光谱发射率；T^m,n为与所述第二目标成像位置(m,n)对应的所述探测目标另一部分区域的位置的温度；λ_R是第一通道的光谱等效波长、λ_G是第二通道的光谱等效波长；I_b(λ_R,T^m,n)表示在温度T^m,n、波长为λ_R时的黑体光谱辐射强度分布函数，I_b(λ_G,T^m,n)表示在温度T^m,n、波长为λ_G时的黑体光谱辐射强度分布函数。

7.根据权利要求1所述的温度场测温装置，其特征在于，在所述分光模块与所述激光模块之间还包括扩束模块，所述扩束模块适用于对所述激光模块发出的激光进行扩束。

8.根据权利要求1所述的温度场测温装置，其特征在于，在所述分光模块与所述成像模块之间还包括聚焦模块，所述聚焦模块适用于对所述分光模块透射出的所述辐射荧光信号进行聚焦，进而输入至所述成像模块。

9.根据权利要求1所述的温度场测温装置，其特征在于，还包括时序控制模块，适用于对所述激光模块、所述计算及显示模块以及所述成像模块进行控制。

10.根据权利要求1所述的温度场测温装置，其特征在于，所述成像模块的采集频率为所述激光的开关调制频率的2倍。

11.根据权利要求1所述的温度场测温装置，其特征在于，所述第一通道为R通道，所述第一波长范围为600-700nm，所述第二通道为G通道，所述第二波长范围为500-600nm，所述第三通道为B通道，所述第三波长范围为400-500nm。

12.根据权利要求1所述的温度场测温装置，其特征在于，所述激光的开关调制频率为1-30Hz。

13.根据权利要求1所述的温度场测温装置，其特征在于，所述激光的波长范围为300-400nm。

14.一种测温方法，利用权利要求1-13任一项所述的温度场测温装置，所述测温方法包括：

利用分光模块将激光模块发出的激光反射至探测目标上，以在所述探测目标上激发出辐射荧光信号，以及利用所述分光模块透射所述辐射荧光信号；

利用第二通道对所述分光模块透射后的第二波长范围的辐射荧光信号进行成像，得到第一荧光图像；

利用第三通道对所述分光模块透射后的第三波长范围的辐射荧光信号进行成像，得到第二荧光图像；

利用第一通道对所述探测目标发出的第一波长范围的热辐射信号进行成像，得到第一热辐射图像；

利用所述第二通道对所述探测目标发出的所述第二波长范围的热辐射信号进行成像，得到第二热辐射图像；

利用计算及显示模块，根据所述第一荧光图像、所述第二荧光图像、所述第一热辐射图像和所述第二热辐射图像计算并显示所述探测目标不同位置的温度。

15.根据权利要求14所述的测温方法，其特征在于，在利用所述激光模块发出激光之前，所述测温方法还包括；

开启所述激光模块以及成像模块的第二通道和所述成像模块的第三通道；

在利用所述第一通道根据所述探测目标发出的第一波长范围的热辐射信号进行成像，得到第一热辐射图像之前，所述测温方法还包括：

关闭所述激光模块以及开启所述成像模块的第一通道和第二通道。

16.根据权利要求14所述的测温方法，其特征在于，根据所述第一荧光图像、所述第二荧光图像、所述第一热辐射图像和所述第二热辐射图像计算并显示所述探测目标不同位置的温度包括：

利用计算及显示模块根据所述第一荧光图像、所述第二荧光图像计算并显示所述探测目标的一部分区域不同位置的温度；

利用所述计算及显示模块根据所述第一热辐射图像和所述第二热辐射图像计算并显示所述探测目标的另一部分区域不同位置的温度；

根据所述探测目标部分区域不同位置的温度和所述探测目标另一部分区域不同位置的温度得到所述探测目标不同位置的温度。

17.根据权利要求16所述的测温方法，其特征在于，利用计算及显示模块根据所述第一荧光图像和所述第二荧光图像计算所述探测目标的一部分区域不同位置的温度包括：

获取第一目标成像位置在所述第一荧光图像的第一发光强度；

获取第一目标成像位置在所述第二荧光图像的第二发光强度；以及

根据所述第一发光强度和所述第二发光强度，确定与所述第一目标成像位置对应的所述探测目标部分区域的位置的温度，进而确定所述探测目标部分区域不同位置的温度。

18.根据权利要求17所述的测温方法，其特征在于，所述第一发光强度、所述第二发光强度与所述目标成像位置(i,j)对应的所述探测目标部分区域的位置的温度之间满足如下关系：

其中，(i,j)是所述第一目标成像位置；A和B是系数；k是玻尔兹曼常数；ΔE为所述第二通道中的热耦合能级和所述第三通道中的热耦合能级间的能级差，

为所述第一发光强度、

为所述第二发光强度，Q^i,j为荧光发光强度比，T^i,j为与所述第一目标成像位置(i,j)对应的所述探测目标部分区域的位置的温度。

19.根据权利要求16所述的测温方法，其特征在于，利用所述计算及显示模块根据所述第一热辐射图像和所述第二热辐射图像计算得到所述探测目标另一部分区域目标位置的温度包括：

获取第二目标成像位置在所述第一热辐射图像的第三发光强度；

获取第二目标成像位置在所述第二热辐射图像的第四发光强度；以及

根据所述第三发光强度和所述第四发光强度，确定与所述第二目标成像位置对应的所述探测目标另一部分区域的位置的温度，进而确定所述探测目标另一部分区域的不同位置的温度。

20.根据权利要求19所述的温度场测温装置，其特征在于，所述第三发光强度和所述第四发光强度与所述第二目标成像位置(m,n)对应的所述探测目标另一部分区域的位置的温度之间满足如下关系：

其中，(m,n)是第二目标成像位置，

是第三发光强度，

是第四发光强度，ε是探测目标的热辐射光谱发射率；T^m,n为与所述第二目标成像位置(m,n)对应的所述探测目标另一部分区域的位置的温度；λ_R是R通道的光谱等效波长、λ_G是G通道的光谱等效波长；I_b(λ_R,T^{m ,n})表示在温度T^m,n、波长为λ_R时的黑体光谱辐射强度分布函数，I_b(λ_G,T^m,n)表示在温度T^m,n、波长为λ_G时的黑体光谱辐射强度分布函数。

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