CN116818111A - 一种用于测量弹药爆炸火焰真温场的多光谱热成像仪器 - Google Patents

Abstract

本发明属于弹药爆炸火焰多光谱成像、辐射测温领域，具体涉及一种用于测量弹药爆炸火焰真温场的多光谱热成像仪器。所述多光谱热成像仪器包括多光谱成像单元、数据采集单元及真温场计算单元，所述多光谱成像单元与数据采集单元相连接，所述数据采集单元与真温场计算单元相连接，所述多光谱成像单元包括主成像单元与多幅分光单元，所述主成像单元与多幅分光单元相连接，所述多幅分光单元与数据采集单元相连接。用于解决目前所研制的测温仪器无法进行真温场测量的问题。

Description

一种用于测量弹药爆炸火焰真温场的多光谱热成像仪器

技术领域

本发明属于弹药爆炸火焰多光谱成像、辐射测温领域，具体涉及一种用于测量弹药爆炸火焰真温场的多光谱热成像仪器。

背景技术

近年来，随着战争方式、规模的逐渐改变及作战武器多元化，武器弹药的种类和形式也不断改进和发展，而武器威力的评估是评价武器性能、反馈指导武器设计中非常重要的一个环节。对武器威力的评估又称为目标毁伤评估，目标毁伤评估包括冲击毁伤评估、热辐射毁伤评估、破片毁伤评估、窒息毁伤评估等。本发明是针对热辐射毁伤评估所展开的多光谱热成像仪器研制。

目前应用于弹药爆炸火焰测温方面的仪器主要分为两类：点测温仪器、场测温仪器。点测温仪器主要以接触式热电偶、光纤式高温计为主，该类型测温仪器可以测量出弹药爆炸火焰随时间变化的温度曲线，但缺少空间温场数据，因此并不适用于弹药的热辐射毁伤评估；相比之下，场测温仪器中的红外热像仪可以获取到弹药爆炸火焰的空间分布、火焰尺寸、燃料抛洒和云团分布等信息，但其动态响应范围较窄且帧频速率较低，无法满足弹药爆炸火焰的高温、高速的测量需求，而采用高速CCD相机则可以弥补该方面的缺陷。国内外已有一些学者将高速CCD相机应用于弹药爆炸火焰的温场测量，如：一种高速成像高温计，该仪器由两台单色高速CCD相机组成，一个镜头组件为两台相机收集光线，两台相机对应的滤光片中心波长为700nm、900nm，利用该高温计实现了TNT炸药爆炸时的温度测量；如通过大口径卡塞格林光学系统收集爆炸火焰的光谱辐射信息，并采用分束镜将爆炸火焰燃烧时所发射出的光信号分为两部分，其中一部分与集束光纤耦合，成像在集束光纤的入口处，另一部分被成像在高分辨率面阵CCD接收面上，光纤部分为多波长测温，CCD部分则为单波长测温；如为揭示粒径分布对聚甲基丙烯酸甲酯粉尘云火焰温度的影响，采用了高速相机对火焰形态和火焰温度分布进行了记录。实验结果表明，因而在粉尘粒子粒径为20μm时，火焰最大温度和高温火焰区面积达到最大值；如建立了基于高速CCD相机的温度场三维重建系统，该系统共采用了三台CCD相机，以爆炸源中心两两间隔120度安装。根据各相机在不同角度的温度场图像数据，采用加权多准则迭代重建算法重建出相应的高温火球三维温度场；如采用彩色CCD相机对375g、750g及1500g温压弹爆炸场温度进行测量，并用三色法进行了温度计算，其结果与双色红外测温仪进行了对比，最高温度的测量偏差分别为：0.68％、3.31％和3.19％。通过以往的研究可以看出，高速CCD相机在弹药爆炸测温领域中可以实现二维温场测量以及三维温场重建，但值得注意的是，目前所研制的仪器只能测量出爆炸火焰在单波长下的亮温场，而单波长亮温场无法实现真温值的计算。

发明内容

本发明提供一种用于测量弹药爆炸火焰真温场的多光谱热成像仪器，用于解决目前所研制的测温仪器无法进行真温场测量的问题。本发明进行了多光谱热成像仪器的研制，该仪器采用多幅分光技术，可实现爆炸火焰的同时刻、不同波长的分光成像，并利用高速CCD相机进行数据采集，最后依据多光谱辐射测温理论反演出爆炸火焰的真温场。

本发明通过以下技术方案实现：

一种用于测量弹药爆炸火焰真温场的多光谱热成像仪器，所述多光谱热成像仪器包括多光谱成像单元、数据采集单元及真温场计算单元，所述多光谱成像单元与数据采集单元相连接，所述数据采集单元与真温场计算单元相连接，所述多光谱成像单元包括主成像单元与多幅分光单元，所述主成像单元与多幅分光单元相连接，所述多幅分光单元与数据采集单元相连接。

一种用于测量弹药爆炸火焰真温场的多光谱热成像仪器，所述主成像单元包括远焦镜头1和单凸透镜2，所述远焦镜头1安装在可调节镜筒3的前端，所述可调节镜筒3内设置单凸透镜2，所述远焦镜头1与单凸透镜2成平行放置；

所述多幅分光单元包括窄带滤光片4、凸透镜组5和分光光栏6；

所述分光光栏6及凸透镜组5依次安装在可调节镜筒3内，所述分光光栏6内安装窄带滤光片4；

图像依次通过远焦镜头1、单凸透镜2、分光光栏6上的窄带滤光片4及凸透镜组5传输至数据采集单元。

一种用于测量弹药爆炸火焰真温场的多光谱热成像仪器，所述分光光栏6安装在主成像部分的正后方，光栏上含有等间距排列的通孔，通孔上可安装不同波长的窄带滤光片，以此实现弹药爆炸火焰的多波长分光，在分光光栏的正后方安装凸透镜组，通过调节镜筒可使图像清晰的呈现在高速CCD相机的焦平面上。

一种用于测量弹药爆炸火焰真温场的多光谱热成像仪器，所述主成像部分是对远距离大目标进行聚焦成像，成像距离范围在500m以内；多孔分光部分是对所成图像进行多幅分光，分光数目可依据被测目标的实际需求而定，分光数目大于3个。

一种用于测量弹药爆炸火焰真温场的多光谱热成像仪器，所述数据采集单元包括高速CCD相机，所述高速CCD相机采集由凸透镜组5聚焦的图像，并通过以太网传输至真温场计算单元；

所述真温场计算单元包括控制计算机，所述控制计算机内安装的软件系统可进行多光谱真温场计算。

一种用于测量弹药爆炸火焰真温场的多光谱热成像仪器，所述高速CCD相机的图像分辨率在800*800及以上；所述高速CCD相机的拍摄速率在10000帧/s及以上，所述高速CCD相机的测量光谱范围为可见光。

一种用于测量弹药爆炸火焰真温场的多光谱热成像仪器，所述软件系统在Windows系统下使用；所述软件系统依据爆炸火焰真温场的测量需求依次包括：图像显示单元、菜单栏单元、动态选择单元和真温计算单元；

所述图像显示单元，用于显示爆炸火焰的真温场图像；

所述菜单栏单元，用于连接高速CCD相机、打开本地数据、温度通道选择、显示伪彩色图像、调节图像位深以及通道位置校正；

所述动态选择单元，用于对真温场图像进行帧频选取，通过设置开始帧与结束帧以实现对有效真温场图像的选择，同时可进行图像回放，以保证有效数据的截取；

所述真温计算单元，用于计算各通道亮温场以及真温场，通过点选图像显示单元上的像素点，显示对应通道的亮温值及真温值。

一种用于测量弹药爆炸火焰真温场的多光谱热成像系统，所述多光谱热成像仪器包括多光谱成像模块、数据采集模块及真温场计算模块；

所述多光谱成像模块是远距离多孔成像镜头，远距离多孔成像镜头是对野外爆炸火焰进行远距离分光成像，所成图像为多幅同时刻下、不同波长的单色热图像。

所述数据采集模块的高速CCD相机，通过远距离多孔成像镜头呈现的热图像显示在高速CCD相机焦平面上，由高速CCD相机形成数字图像序列，实现对爆炸火焰的多波长采集；

所述温度场计算模块的软件系统：软件系统安装在控制计算机中，用于控制高速CCD相机以及爆炸火焰真温场的计算和分析功能。

本发明的有益效果是：

本发明进行了多光谱热成像仪器的研制，该仪器采用多幅分光技术，可实现爆炸火焰在同时刻、不同波长的分光成像，并利用高速CCD相机进行数据采集，最后依据多光谱辐射测温理论反演出爆炸火焰的真温场；

本发明精确测量需求，实现依据多光谱辐射测温理论反演出爆炸火焰真温场。

附图说明

图1是本发明的流程框图。

图2是本发明的结构示意图。

图3是本发明的成像光路图。

图4是本发明的软件系统界面。

图5是本发明的多光谱成像的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种用于测量弹药爆炸火焰真温场的多光谱热成像仪器，所述多光谱热成像仪器包括多光谱成像单元、数据采集单元及真温场计算单元，所述多光谱成像单元与数据采集单元相连接，所述数据采集单元与真温场计算单元相连接，所述多光谱成像单元包括主成像单元与多幅分光单元，所述主成像单元与多幅分光单元相连接，所述多幅分光单元与数据采集单元相连接。

一种用于测量弹药爆炸火焰真温场的多光谱热成像仪器，所述主成像单元包括远焦镜头1和单凸透镜2，所述远焦镜头1安装在可调节镜筒3的前端，所述可调节镜筒3内设置单凸透镜2，所述远焦镜头1与单凸透镜2成平行放置；

所述多幅分光单元包括窄带滤光片4、凸透镜组5和分光光栏6；

所述分光光栏6及凸透镜组5依次安装在可调节镜筒3内，所述分光光栏6内安装窄带滤光片4；

图像依次通过远焦镜头1、单凸透镜2、分光光栏6上的窄带滤光片4及凸透镜组5传输至数据采集单元。

一种用于测量弹药爆炸火焰真温场的多光谱热成像仪器，所述分光光栏6安装在主成像部分的正后方，光栏上含有等间距排列的通孔，通孔上可安装不同波长的窄带滤光片，以此实现爆炸火焰的多波长分光，在光栏的正后方安装凸透镜组，通过调节镜筒可使图像清晰的呈现在高速CCD相机的焦平面上。

一种用于测量弹药爆炸火焰真温场的多光谱热成像仪器，所述主成像部分是对远距离大目标进行聚焦成像，成像距离范围在500m以内；多孔分光部分是对所成图像进行多幅分光，分光数目可依据被测目标的实际需求而定，分光数目大于3个。

一种用于测量弹药爆炸火焰真温场的多光谱热成像仪器，所述数据采集单元包括高速CCD相机，所述高速CCD相机采集由凸透镜组5聚焦的图像，并通过以太网传输至真温场计算单元；

所述真温场计算单元包括控制计算机，所述控制计算机的软件系统进行多光谱真温场的计算。

一种用于测量弹药爆炸火焰真温场的多光谱热成像仪器，所述高速CCD相机的图像分辨率在800*800及以上；所述高速CCD相机的拍摄速率在10000帧/s及以上，所述高速CCD相机的测量光谱范围为可见光。

利用高速CCD相机进行温度场测量是辐射测温领域中常用方法，但本发明考虑到弹药爆炸火焰的特殊性，因此在高速CCD相机选型上，需要同时从空间分辨率、时间分辨率和光谱响应范围进行考虑。在空间分辨率上，由于本发明所设计的远距离多孔成像镜头是在牺牲部分空间分辨率前提下完成的同时刻多波长成像，因此高速CCD相机的图像分辨率至少在800*800以上时才可以拍摄到完整的四分幅热图像；在时间分辨率上，由于爆炸火焰属于微秒级别的瞬态测量目标，因此为保证采集到完成的爆炸过程，则需要保证高速CCD相机的拍摄速率在10000帧/s以上；光谱响应范围是保证高速CCD相机能否采集到有效辐射能量的关键，本发明针对被测弹药的种类进行了光谱选择，并以可见光作为测量的光谱范围。综上所述，本发明选择了视觉研究公司的幻影v2012系列可见光型高速CCD相机，该相机可在1280*800分辨率下实现22600帧/s的拍摄速率，满足测量需求。

一种用于测量弹药爆炸火焰真温场的多光谱热成像仪器，所述软件系统在Windows系统下使用；所述软件系统依据爆炸火焰真温场的测量需求，测量需求包括图像显示单元、菜单栏单元、动态选择单元和真温计算单元；

所述图像显示单元是软件界面的主体部分，用于显示爆炸火焰的真温场图像；为了对比不同波长下的热像图成像情况，显示界面也可以显示出同一时刻下四个通道的亮温场图像；

所述菜单栏单元是主体操作单元，用于连接高速CCD相机、打开本地数据、温度通道选择、显示伪彩色图像、调节图像位深以及通道位置校正；

所述动态选择单元，用于对真温场图像进行帧频选取，通过设置开始帧与结束帧以实现对有效真温场图像的选择，同时可进行图像回放，以保证有效数据的截取；

所述真温计算单元是对高速CCD相机所摄录的图像进行真温场计算，用于计算各通道亮温场以及真温场，通过点选图像显示单元上的像素点，显示对应通道的亮温值及真温值。

软件系统安装在控制计算机中；软件系统是基于Labview编制的，软件平台可以在Windows系统下使用。

一种用于测量弹药爆炸火焰真温场的多光谱热成像系统，所述软件系统在Windows系统下使用；所述软件系统依据爆炸火焰真温场的测量需求，测量需求包括图像显示模块、菜单栏模块、动态选择模块和真温计算模块；

所述图像显示模块是软件界面的主体部分，用于显示爆炸火焰的真温场图像；为了对比不同波长下的热像图成像情况，显示界面也可以同时显示出同一时刻下四个通道的亮温场图像；

所述菜单栏模块是主体操作模块，用于连接高速CCD相机、打开本地数据、温度通道选择、显示伪彩色图像、调节图像位深以及通道位置校正；

所述动态选择模块，用于对真温场图像进行帧频选取，通过设置开始帧与结束帧以实现对有效真温场图像的选择，同时可进行图像回放，以保证有效数据的截取；

所述真温计算模块是对高速CCD相机所摄录的图像进行真温场计算，用于计算各通道亮温场以及真温场，通过点选图像显示模块上的像素点，显示对应通道的亮温值及真温值。

在软件系统开始工作之前，首先需要调节控制计算机中的IP端口，并关闭Windows防火墙以确保高速CCD相机可以正常连接；然后打开高速CCD相机的电源，并通过菜单栏模块中的连接高速CCD相机功能使其成功连接；完成高速CCD相机的连接后，需要通过菜单栏模块中的通道位置校正功能进行图像矫正，以保证各通道的图像对齐；在完成上述工作后，便可以对被测目标进行真温场测量；当完成测量后，可通过动态选择模块选取有效数据并保存。

结合图1说明实施方式，多光谱热成像仪器主要由三个部分组成：多光谱成像、数据采集、真温场计算。多光谱成像由远距离多孔分光镜头完成，所成图像由高速CCD相机进行采集并经由以太网传输至控制计算机，控制计算机中安装有软件系统，操作人员可直接通过软件系统操作多光谱热成像仪器。

结合图2说明实施方式，远距离多孔成像镜头通过法兰片与高速CCD相机连接，高速CCD相机与控制计算机通过以太网连接，软件系统可通过以太网向高速CCD相机发出指令。

结合图3说明实施方式，通过调节远焦镜头的焦距以及镜筒长度，可对1m～500m内爆炸火焰进行聚焦，聚焦光线由后方的凸透镜转换为平行光线，平行光线透过镶嵌有滤光片的分光光栏后可转换为不同波长的单色热图像，通过调节分光光栏正后方的单凸透镜组可将单色热图像显示在CCD相机焦平面上。

结合图4说明实施方式，软件系统是基于Labview编制的，软件平台可以在Windows系统下使用。软件的具体功能是依据爆炸火焰真温场测量所编制的，主要分为图像显示模块、菜单栏模块、动态选择模块和真温计算模块。

Claims (8)

1.一种用于测量弹药爆炸火焰真温场的多光谱热成像仪器，其特征在于，所述多光谱热成像仪器包括多光谱成像单元、数据采集单元及真温场计算单元，所述多光谱成像单元与数据采集单元相连接，所述数据采集单元与真温场计算单元相连接，所述多光谱成像单元包括主成像单元与多幅分光单元，所述主成像单元与多幅分光单元相连接，所述多幅分光单元与数据采集单元相连接。

2.根据权利要求1所述多光谱热成像仪器，其特征在于，所述主成像单元包括远焦镜头(1)和单凸透镜(2)，所述远焦镜头(1)安装在可调节镜筒(3)的前端，所述可调节镜筒(3)内设置单凸透镜(2)，所述远焦镜头(1)与单凸透镜(2)成平行放置；

所述多幅分光单元包括窄带滤光片(4)、凸透镜组(5)和分光光栏(6)；

所述分光光栏(6)及凸透镜组(5)依次安装在可调节镜筒(3)内，所述分光光栏(6)内安装窄带滤光片(4)；

图像依次通过远焦镜头(1)、单凸透镜(2)、分光光栏(6)上的窄带滤光片(4)及凸透镜组(5)传输至数据采集单元。

3.根据权利要求2所述多光谱热成像仪器，其特征在于，所述分光光栏(6)安装在主成像部分的正后方，光栏上含有等间距排列的通孔，通孔上可安装不同波长的窄带滤光片，以此实现弹药爆炸火焰的多波长分光，在光栏的正后方安装凸透镜组，通过调节镜筒可使图像清晰的呈现在高速CCD相机的焦平面上。

4.根据权利要求2所述多光谱热成像仪器，其特征在于，所述主成像部分是对远距离大目标进行聚焦成像，成像距离范围在500m以内；多孔分光部分是对所成图像进行多幅分光，分光数目可依据被测目标的实际需求而定，分光数目大于3个。

5.根据权利要求1所述多光谱热成像仪器，其特征在于，所述数据采集单元包括高速CCD相机，所述高速CCD相机采集由凸透镜组(5)聚焦的图像，并通过以太网传输至真温场计算单元；

所述真温场计算单元包括控制计算机，所述控制计算机的软件系统进行多光谱真温场的计算。

6.根据权利要求5所述多光谱热成像仪器，其特征在于，所述高速CCD相机的分辨率在800*800及以上；所述高速CCD相机的拍摄速率在10000帧/s及以上，所述高速CCD相机的测量光谱范围为可见光。

7.根据权利要求5所述多光谱热成像仪器，其特征在于，所述软件系统在Windows系统下使用；所述软件系统依据爆炸火焰真温场的测量需求，测量需求包括图像显示单元、菜单栏单元、动态选择单元和真温计算单元；

所述图像显示单元，用于显示爆炸火焰的真温场图像；

所述菜单栏单元，用于连接高速CCD相机、打开本地数据、温度通道选择、显示伪彩色图像、调节图像位深以及通道位置校正；

所述动态选择单元，用于对真温场图像进行帧频选取，通过设置开始帧与结束帧以实现对有效真温场图像的选择，同时可进行图像回放，以保证有效数据的截取；

所述真温计算单元，用于计算各通道亮温场以及真温场，通过点选图像显示单元上的像素点，显示对应通道的亮温值及真温值。

8.一种用于测量弹药爆炸火焰真温场的多光谱热成像系统，其特征在于，所述多光谱热成像仪器包括多光谱成像模块、数据采集模块及真温场计算模块；

所述多光谱成像模块是远距离多孔成像镜头，远距离多孔成像镜头是对野外爆炸火焰进行远距离分光成像，所成图像为多幅同时刻下、不同波长的单色热图像。

所述数据采集模块的高速CCD相机，通过远距离多孔成像镜头呈现的热图像显示在高速CCD相机焦平面上，由高速CCD相机形成数字图像序列，实现对爆炸火焰的多波长采集；

所述温度场计算模块的软件系统：软件系统安装在控制计算机中，用于控制高速CCD相机以及爆炸火焰真温场的计算和分析功能。