CN205642634U - 基于压缩感知的双波长温度场成像设备及系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于压缩感知的双波长温度场成像设备，包括光辐射调制装置，配置为接收待测对象的光辐射，且加载预设的多个掩膜，将接收到的光辐射调制为多束第一光辐射和多束第二光辐射，并使多束所述第一光辐射沿第一路径射出、多束所述第二光辐射沿不同于第一路径的第二路径射出，所述多个掩膜根据符合压缩感知理论的RIP条件的测量矩阵Φ变换生成；布置在所述第一路径上的第一滤光元件和第一探测装置；布置在所述第二路径上的第二滤光元件和第二探测装置；温度确定装置以及图像生成装置。本申请还提供了基于该设备的系统。其将压缩感知理论、双波长测温技术、互补调制技术和探测技术相结合，重建出待测对象的二维红外热图像。

Description

基于压缩感知的双波长温度场成像设备及系统

技术领域

本实用新型涉及双波长温度场成像领域，特别涉及一种基于压缩感知的双波长温度场成像设备及系统。

背景技术

在航空航天、冶金及汽车制造业等领域，常常需要对待测对象以及各种在线工件进行快速、实时监控，以最大限度地减少事故隐患、提高产品的安全性能及其质量。沿用传统的接触式测温仪进行测量，虽然精度高，但必须使探测器接触待测对象。可是在某些特殊的场合下(如对发动机燃烧室及高温炉中的火焰进行测温时)无法使用接触式测温仪，由此产生了非接触式测温方法。红外测温方法就属于一种非接触式测温方法，该方法通过检测物体表面发射的能量来测量温度，具有测温范围广、响应速度快和不明显破坏测温度场等特点，被广泛应用于工业各个方面。

红外测温方法主要基于黑体辐射理论，黑体是个理想化的物理模型，而自然界中实际存在的物体(测温对象)，其吸收能力及辐射能力都比黑体小，称为灰体。根据普朗克辐射定律，一个绝对温度为T的黑体，单位表面积在波长λ₁、λ₂(λ₁的附近单位波长)的间隔内向整个半球空间发射的辐射功率(简称光谱辐射度)为E₀(λ，T)，而灰体的光谱辐射能量的计算公式为：E(λ，T)＝ε(λ，T)E₀(λ，T)，其中ε(λ，T)为该灰体的辐射率。

现有技术中红外测温主要经历了三个阶段的发展。

第一阶段：传统的红外测温设备，一律按黑体的热辐射定律来设计。该设计方式假设红外测温仪实际接收到的热辐射是与被测物的光谱辐射能量E(λ，T)是成比例，故在使用红外测温仪时，必须求出待测对象的辐射率ε(λ，T)数值，即进行辐射率修正。遗憾的是，该辐射率ε(λ，T)与待测对象的材料、表面状态、波长，温度以及辐射条件、环境因素等均有复杂的关系，因而很难准确测定ε(λ，T)，同时由于在某些情况下待测对象的辐射率随温度变化太大，因而传统红外测温仪还存在着较大的误差。

第二阶段：科学家们为解决传统的红外测温设备存在的问题，研究出了基于单波长窄带滤波红外测温技术。可是由于存在诸如水蒸气等的周围环境对红外线的吸收，在很大幅度上影响了单波长红外测温的准确性。

第三阶段：利用双波长滤波红外测温技术来进行红外测温。双波长滤波红外测温技术的原理为：利用黑体辐射曲线中相邻两个波长对应的能量等比吸收的原理，在保证红外测温高精度测量的基础上，克服了环境对物体发射红外线吸收造成的测量误差。根据普朗克辐射定律，一个绝对温度为T的黑体，单位表面积在波长λ₁、λ₂(λ₁的附近单位波长)的间隔内向整个半球空间发射的辐射功率(简称光谱辐射度)E₀(λ，T)，满足下式的变化关系：

$E_0(\mathrm{\λ},T)=\frac{2{\mathrm{\πhv}}^3}{c^2}\frac{1}{e^{hv/kT}-1}=\frac{2{\mathrm{\πhc}}^2}{{\mathrm{\λ}}^5}\frac{1}{e^{hc/\mathrm{\λ}kT}-1}=C_1{\mathrm{\λ}}^{-5}{(e^{C_2/\mathrm{\λ}T}-1)}^{-1}$

其中，c为真空光速c＝2.99792458×10⁸m/s；

h为普朗克常数，h＝6.62607004×10^-34J·s；

k为玻尔兹曼常数，k＝1.3806488×10^-23J/K；

C₁为第一辐射常数，C₁＝2πhc²＝3.741771790075259×10^-16W·m²；

C₂为第二辐射常数，C₂＝hc/k＝1.4387770620391×10^-2m·K。

而灰体的光谱辐射能量公式：

$E(\mathrm{\λ},T)=\mathrm{\ϵ}(\mathrm{\λ},T)E_0(\mathrm{\λ},T)=\mathrm{\ϵ}(\mathrm{\λ},T)C_1{\mathrm{\λ}}^{-5}{(e^{C_2/\mathrm{\λ}T}-1)}^{-1}$

其中，E₀(λ，T)为黑体发射的光谱辐射通量密度，λ为光谱辐射时的波长，T为黑体的绝对温度，单位为K，ε(λ，T)为待测对象温度为T，辐射波长为λ时的辐射率，0＜ε(λ，T)≤1。

在经典近似情况下，在红外测温仪的测温范围内满足此条件，则E₀(λ，T)可近似简化为Wien公式：

若波长为定值，则上式只与温度有关，可改写为：

E₀(T)＝A₀exp(B₀/T)

其中，A₀＝C₁λ^-5，B₀＝-C₂/λ，且仍然只适用于黑体。若将A₀和B₀视为可变参量A和B，则可推广到灰体的情况，则灰体的光谱辐射能量为：

E(T)＝Aexp(B/T)。

不同于公式的是，前者只需简单改变A和B参量的值就可实现从黑体到灰体的修正，而无需确定复杂的辐射率函数ε(λ，T)。

利用相邻两波长等比吸收的原理。取2个波长的吸收能量比作为温度的函数，即可避免由于水蒸气等环境对红外线吸收的因素而造成的测量误差。

现在分别取λ₁和λ₂，则有：

E₁(T)＝A₁(λ₁)exp(B₁(λ₁)/T)，

E₂(T)＝A₂(λ₂)exp(B₂(λ₂)/T)。

上述两式作比值得：

$X=\frac{E_1\left(T\right)}{E_2\left(T\right)}=A^{\′}\exp (B^{\′}/T),$

其中，B′＝B₁(λ₁)-B₂(λ₂)。因此，只要利用实验数据拟合确定A′和B′两个参数，即可获得被测物体的温度T与该比值X之间的关系。即，根据上述拟合系数A′和B′，可以得到此种环境下的该辐射体的温度。

图1(a)示出了现有技术中一种双波长滤波红外测温设备的示意图。图1(b)示出了图1(a)中调制盘的结构示意图。参考图1(a)和图1(b)，该双波长滤波红外测温设备的工作方法是：

待测对象发出的一束光辐射沿水平方向通过透镜9射向反射镜8，由反射镜8将光辐射反射至分光镜1(或二向色镜)。分光镜1将这束光辐射进行反射和透射，形成水平方向上的反射的第一光辐射和垂直方向上的透射的第二光辐射。水平方向上的第一光辐射经过窄带滤光片7滤为波长为第一波长的光(例如波长为λ₁的光)。波长为λ₁的光通过反射镜6反射为垂直方向后并射向带有电机的调制盘5。垂直方向上的第二光辐射经过反射镜2反射后形成水平方向上的第二光辐射，经过窄带滤光片3滤为波长为第二波长的光(例如波长为λ₂的光)。波长为λ₂的光射向带有电机的调制盘5。电机带动调制盘进行转动，波长为λ₂的光可以通过调制盘5上的通孔(参见图1(b))射向光敏传感器4，波长为λ₁的光可以通过调制盘5上的镜面反射后射向光敏传感器4。光敏传感器4获取波长为λ₁和λ₂的光的能量，再经过放大电路、计算电路进行数据处理生成待测对象的温度，该温度在显示的设备上进行显示。

本申请的发明人做了大量的实验，发现利用该双波长滤波红外测温设备测得的温度的精度尽管相对于单波长红外测温设备有了明显的提高，但仍然存在一定的误差。本发明人还发现：一方面，双波长光辐射测温的精度与光辐射分成的双波的平均度成正比。即：当入射的光辐射分成的两束光束的光子数或者能量越平均，其测温的精度越高。另一方面，该双波长滤波红外测温设备测得的温度的精度还受能量损失制约，如果光辐射在测量过程中能量损失越大，测得的温度的精度越低。本发明人根据上述发现的理论，再对照现有技术中双波长滤波红外测温设备发现：

分光镜(或者二向色镜)的反射或透射效率都不高，存在较大的能量损失，所以造成后期测温精度下降；

分光镜透射和反射的第一光辐射和第二光辐射的光子数或者能量分配比例的区间大约为该比例离理想中的1∶1的绝对等分的差距很大，所以造成后期测温精度下降。此外，双波长滤波红外测温设备中的二向色镜依赖在光学平片的正反面镀上不同的膜以实现滤光，如果需要选择其它的波长，则需要更换整块二向色镜。所以双波长滤波红外测温设备测得的温度的精度不高，且使用不太方便，其适应性不广。

尽管近年来科学家也提出了多波长测温方案，用于提高测温精度，但其结构复杂，太多的波段也会导致发射率方程组的病态程度加深，不适合实际应用。

此外，红外热成像技术通常是运用光电技术检测物体辐射的特定波段的红外线光辐射，并在检测到的红外线光辐射能量与物体的表面温度之间建立相应关系，进而获得物体的红外热像图。这种红外热像图与物体表面的热分布场相对应，热图像上的不同颜色代表被测物体的不同区域具有不同的温度。

传统的红外热成像技术通常需要面阵探测器，其成像灵敏度受限于面阵探测器对于单位像素的探测灵敏度，且面阵探测带来了测量维度和测量数上的冗余，限制了其在暗场环境下的应用。

实用新型内容

鉴于现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种基于压缩感知的双波长温度场成像设备、系统以及方法，其主要将压缩感知理论、双波长测温技术、互补调制技术和探测技术相结合。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种基于压缩感知的双波长温度场成像设备。该设备包括：

光辐射调制装置，配置为接收待测对象的光辐射，且加载预设的多个掩膜，将接收到的光辐射调制为多束第一光辐射和多束第二光辐射，并使多束所述第一光辐射沿第一路径射出、多束所述第二光辐射沿不同于第一路径的第二路径射出，所述多个掩膜根据符合压缩感知理论的RIP条件的测量矩阵Φ变换生成；

布置在所述第一路径上的第一滤光元件，配置为接收多束所述第一光辐射，并将接收到的第一光辐射过滤为波长为第一波长λ₁的多束光；

布置在所述第二路径上的第二滤光元件，配置为接收多束所述第二光辐射，并将接收到的第二光辐射过滤为波长为第二波长λ₂的多束光；

布置在第一路径上的第一探测装置，配置为接收波长为第一波长λ₁的多束光并将其转换为相应的多个第一光电信号参量；

布置在第二路径上的第二探测装置，配置为接收波长为第二波长λ₂的多束光并将其转换为相应的多个第二光电信号参量；

温度确定装置，配置为接收来自所述第一探测装置和第二探测装置的多个所述第一和第二光电信号参量，并根据多个所述第一和第二光电信号参量与温度的预定关系确定出所述待测对象每一个像素点的温度值；

图像生成装置，配置为根据所述待测对象每一个像素点的温度值以及待测对象的二维图像反演出待测对象的二维红外热图像。

在本实用新型的一些实施方式中，所述光辐射调制装置加载所述多个掩膜，所述第一探测装置和所述第一探测装置根据所述掩膜探测多个所述第一光电信号参量和所述多个所述第二光电信号参量包括：

提供2^k阶的H_k矩阵，其中2^k-1＞N，N为所述待测对象的总像素数；

删除矩阵H_k的第一行和第一列后得到(2^k-1)×(2^k-1)阶的剩余矩阵H_Ω；

将矩阵H_Ω中所有元素中的-1变为0，所有1保持不变，获得0-1分布的矩阵

以两个2^k-1阶的扩充排列矩阵P和Q打乱2^k-1阶0-1矩阵得到矩阵H₊；

提取上述矩阵H₊中M行作为随机测量矩阵Φ；

加载由H₊矩阵的第i行H_+i拉伸变换而得的掩膜，并且将接收到的光辐射调制为第一光辐射和第二光辐射，将所述第一光辐射转换为相应的第一光电信号参量E₁(T)_2i-1，将所述第二光辐射转换为相应的第二光电信号参量E₂(T)_2i-1；

加载由H₊矩阵的第i行的补集H_-i拉伸变换而得的掩膜，并且将接收到的光辐射调制为第一光辐射和第二光辐射，将所述第一光辐射转换为相应的第一光电信号参量E₁(T)_2i-1，将所述第二光辐射转换为相应的第二光电信号参量E₂(T)_2i-1；

其中，i＝1，2，3，4......M；M/N×100％＝5％～30％。

在本实用新型的一些实施方式中，所述温度确定装置根据如下的所述预定关系确定所述待测对象每一个像素点的温度值：

根据结合数学模型计算出待测对象在波长λ₁下的二维图像S₁中的部分信号值X_i(λ₁)’；

利用压缩感知原理Y＝ΦΨx’+e，在已知测量值向量Y、测量矩阵Φ和稀疏基Ψ的情况下，反演出全部待测对象在波长λ₁下的二维图像S₁中的全部信号值X_i(λ₁)，重构待测对象在波长λ₁下的二维图像S₁；

根据结合数学模型计算出待测对象在波长λ₂下的二维图像S₂中的部分信号值X_i(λ₂)’；

利用压缩感知原理Y＝ΦΨx’+e，在已知测量值向量Y、测量矩阵Φ和稀疏基Ψ的情况下，反演出全部待测对象在波长λ₂下的二维图像S₂中的全部信号值X_i(λ₂)，重构待测对象在波长λ₂下的二维图像S₂；

根据待测对象在波长λ₁和波长λ₂下的二维图像S₁和S₂、X_i＝S₁./S₂以及所述T_i＝B’/ln(X_i/A’)确定出待测对象每个像素点的温度值T_i；

其中，A’、B’为预设系数。

在本实用新型的一些实施方式中，所述稀疏基Ψ采用梯度基、离散余弦变换基、小波基、傅里叶变换基、Gabor变换基中的任意一种实现。

在本实用新型的一些实施方式中，所述待测物体在波长λ₁和波长λ₂下的二维图像S₁和S₂的重构可以采用MP、OMP、StOMP、ReOMP、SPARCO、LARS、BCS、FBMP、SL0、PPPA、KF-CS、BPDQ、k-t FOCUSS、l₁-Magic、IST、TwIST、FISTA、SOCP、RecPF、FPC、GPSR、SpaRSA、ALM、FALM、TVAL3、CoSaMP、LBI、SP、11_1s、SMP、TFOCS、NESTA、SALSA、SPGL1、YALL1、l₀重建算法、l₁重建算法、l₂重建算法、BPDN算法、BPDN的LAG松弛算法、LASSO算法、TV算法中的任意一种实现。

在本实用新型的一些实施方式中，所述光辐射调制装置包括：

空间光调制器，配置为根据预设矩阵Φ变换生成的多个掩膜，以将接收到的待测对象的光辐射调制为所述第一光辐射和第二光辐射，并使第一光辐射沿第一路径射出、第二光辐射沿不同于第一路径的第二路径射出；

控制元件，配置为控制所述空间光调制器依次加载由所述预设矩阵Φ变换生成的多个掩膜。

在本实用新型的一些实施方式中，所述空间光调制器为选自数字微镜器件、光强数字调制器或液晶光阀。

在本实用新型的一些实施方式中，所述第一探测装置为第一点探测器，所述第二探测装置为第二点探测器，并且

所述基于压缩感知的双波长温度场成像设备还包括布置在所述第一路径上、位于所述第一点探测器与所述空间光调制器之间的第一会聚元件，和布置在所述第二路径上、位于所述第二点探测器与空间光调制器之间的第二会聚元件，

所述第一点探测器位于所述第一会聚元件的光焦点处；

所述第二点探测器位于所述第二会聚元件的光焦点处。

在本实用新型的一些实施方式中，所述的基于压缩感知的双波长温度场成像设备还包括：

布置在所述第一路径上、位于所述第一点探测器与所述空间光调制器之间的第一光强衰减元件，和

布置在所述第二路径上、位于所述第二点探测器与空间光调制器之间的第二光强衰减元件。

在本实用新型的一些实施方式中，所述第一滤光元件和所述第二滤光元件为中心波长相差至少10nm的第一窄带滤光片和第二窄带滤光片，所述第一窄带滤光片和第二窄带滤光片的半高宽参数至少为10nm。

本实施方式通过设置光线会聚收集元件可以会聚、收集光线，以方便供后续的探测元件探测。即，通过高通量测量获得超过所采用的探测装置本身的灵敏度的极限。因此，可以采用两个点探测器便完成了原本需要两个面阵测温器件才能完成的工作，极大地降低了测量维度，大幅增加光通量，避免了红外光通量在维度上的分配，而将噪声压制在单像素水平，信噪比大幅提高。此外，利用不同滤光元件(例如窄带滤光片)进行滤波得到单波长光，再将该单波长光会聚收集成以供点探测器检测，降低了无关光的干扰，提高了数据采集精度。再者，设置光强衰减元件(例如中性密度滤光片)可以衰减光线的光电信号，以防止强光对后续点探测器的损伤而降低采集的光线的精度，进而提高了后续的测温精度，同时延长了产品的使用寿命。

在本实用新型的一些实施方式中，所述光电信号参量包括光子数、电流值、电压值、电阻值中任意一种。

在本实用新型的一些实施方式中，所述光辐射为红外波段的光辐射。

在本实用新型的一些实施方式中，所述第一和第二点探测器选自近红外、中远红外、远红外波段的外光电效应探测器组、内光电效应探测器组、强光探测器组和弱光探测器组中的任意一种，其中，

所述外光电效应探测器组包括：雪崩二极管、真空光电管、充气光电管、光电倍增管、变像管、像增强器、摄像管；

所述内光电效应探测器组包括：本征型光电导探测器、掺杂型光电导探测器、光磁电效应探测器、光生伏特探测器；

所述强光探测器组包括：内置或者外置有模数转换器的强光探测器；

所述弱光探测器组包括：内置或者外置有计数器的弱光探测器。

本实施方式提供的点探测器可以自由选择各种类型以满足各种需求，增强了产品的通用性能，也便于后期的维护保养。本实施方式的成像设备适用于强热辐射和弱热辐射条件，且在弱热辐射条件下可达到单光子水平，其将传统光学成像推广到温度场成像的范畴，充分利用了高通量测量来获得超过所采用的探测器件本身的灵敏度极限的系统成像灵敏度(即超灵敏)，并继承了测量维度减少的优势。

本实用新型还提供了一种基于压缩感知的双波长温度场成像系统，包括：

如上所述的述基于压缩感知的双波长温度场成像设备以及定标装置，

所述定标装置包括温度可调节的基准光源，所述基准光源配置为在一个定标阶段中，将调节成的不同温度的光辐射射向所述光辐射调制装置，由所述光辐射调制装置将接收到的光辐射等分为第一光辐射和第二光辐射，使第一光辐射沿第一路径射出、第二光辐射沿不同于第一路径的第二路径射出，以获取多个第一和第二光电信号参量，并根据所述不同温度与所述第一和第二光电信号参量的计量值，确定出所述第一和第二光电信号参量与温度的预定关系。

本实用新型的实施方式中，在实际测量被测物体之前，可以先通过定标装置以及红外辐射温度曲线公式，拟合得出此种环境下的辐射体的相应系数，然后通过计算机程序设定此系数下的计算公式，即可测量或者监测任何情况下的辐射温度；有效地克服了红外测温中各种物体的“辐射率修正”难题，克服了测量条件复杂、现场测量条件波动或者水蒸气等因素的环境吸收造成的测量误差，实现了高精度温度测量。

在本实用新型的一些实施方式中，所述确定调节的不同温度和获取的多个第一和第二光电信号参量的预定关系为：

E_d1(T)_i/E_d2(T)_i＝A’exp(B’/T_di)，

其中，i为1至n的自然数；A’、B’为预设系数，T_di为所述基准光源发出的第i个温度，E_d1(T)_i为第i次定标时测得的波长为第一波长的光的光电信号参量，E_d2(T)_i为第i次定标时测得的波长为第二波长的光的光电信号参量。

在本实用新型的一些实施方式中，所述定标装置还包括将基准光源的光辐射转化为平行光辐射的扩束准直透镜。

在本实用新型的一些实施方式中，所述定标装置还包括将所述扩束准直透镜转化的平行光辐射射向所述光辐射调制装置的分束器。

本实用新型将压缩感知理论、双波长测温技术、互补调制技术和探测技术相结合，提供了一种基于压缩感知的双波长温度场成像设备、系统以及方法。利用本实用新型能够重建被测对象的二维红外热图像。该图像与物体表面的热分布场相对应，即反映被测对象的红外辐射能量分布，二维红外热图像上显示的不同颜色代表被测对象的不同温度，可以观察到被测物体的整体温度分布状况，研究被测物体的发热情况。

本实用新型利用压缩感知原理实现亚采样和低维度测量(采样率5％～30％)，具有很好的去噪能力。并且将传统压缩光学成像推广到温度场成像的范畴。此外，本实用新型充分利用了高通量测量来获得超过所采用的探测器件本身的灵敏度极限的灵敏度(即超灵敏)，并继承了测量维度和测量数均减少的优势。

本实用新型还以Hadamard矩阵、排列矩阵、DMD互补调制相结合的方案实现了正负光强调制，使得测量矩阵满足受限等距性质(Restricted Isometry Property，RIP)条件，适合于CS的重建计算，使图像质量获得1～2个数量级的提高，其将成为测温领域的一个重要发展方向。该项技术可以广泛应用在深空探测、遥感、材料检测、夜视观测等相关科技领域。

附图说明

图1(a)为现有技术中一种双波长测温设备的结构示意图；

图1(b)为图1(a)中调制盘的结构示意图；

图2为本实用新型一些实施方式的基于光辐射的测温设备的结构示意图；

图3(a)为本实用新型一些实施方式的DMD中多个微镜结构示意图；

图3(b)为图3(a)中两片微镜结构示意图；

图4为本实用新型另一些实施方式的基于光辐射的测温设备的结构示意图；

图5为本实用新型一些实施方式的基于光辐射的测温系统的结构示意图；

图6为本实用新型一些实施方式的基于光辐射的测温方法的流程示意图；

图7为本实用新型一些实施方式的基于光辐射的测温方法的定标步骤的流程示意图；

图8为本实用新型一些实施方式的基于压缩感知的双波长温度场成像设备的结构示意图；

图9为8×8的Hadamard矩阵；

图10为本实用新型另一些实施方式的基于压缩感知的双波长温度场成像设备的结构示意图；

图11为本实用新型一些实施方式的基于压缩感知的双波长温度场成像系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对实用新型作进一步详细的说明。虽然附图中显示了本公开示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻的理解本实用新型，并且能够将本实用新型的范围完整的传达给本领域的技术人员。

为了使实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对实用新型作进一步详细的说明。虽然附图中显示了本公开示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻的理解本实用新型，并且能够将本实用新型的范围完整的传达给本领域的技术人员。

参照图2，本实用新型的一些实施方式提供了一种基于光辐射的测温设备的结构。该测温设备包括：光辐射等分装置2、第一滤光元件3-1、第二滤光元件4-1、第一探测装置3-4、第二探测装置4-4，以及分别与第一探测装置3-4、第二探测装置4-4连接的温度确定装置5。该测温设备的各个部件的连接关系和处理光辐射的过程可以描述如下：

待测对象(例如人体或者电灯，图中未进行标示)向光辐射等分装置2发出光辐射(例如红外辐射、紫外辐射或者可见光)。光辐射等分装置2接收待测对象的光辐射，将接收到的光辐射等分为第一光辐射和第二光辐射，并使第一光辐射沿第一路径(如测温设备的左臂方向的路径)射出、第二光辐射沿第二路径(如测温设备的右臂方向的路径)射出。布置在第一路径上的第一滤光元件3-1接收所述第一光辐射，并将接收到的第一光辐射过滤为波长为第一波长的光(例如波长为λ₁的单波光)。布置在第二路径上的第二滤光元件4-1接收第二光辐射，并将接收到的第二光辐射过滤为波长为第二波长的光(例如波长为λ₂的单波光，其中λ₁与λ₂不等，当λ₁与λ₂为相邻波段的波长时，效果最佳，因为当λ₁与λ₂无限接近时，ε₁(λ₁，T)≈ε₂(λ₂，T)，则：

A′＝A₁(λ₁)/A₂(λ₂)＝(ε₁(λ₁，T)C₁λ₁ ^-5)/(ε₂(λ₂，T)C₁λ₂ ^-5)≈(λ₁/λ₂)^-5，

B′＝B₁(λ₁)-B₂(λ₂)＝-C₂/λ₁+-C₂/λ₂，

但是，λ₁与λ₂越接近，对探测器的灵敏度和准确性的要求越高，另外考虑到环境噪声和探测器本征噪声(如暗计数等)对系统的测温准确性造成的较大影响，λ₁与λ₂在实际测量中不可能无限接近，因而两个辐射波长下的辐射率ε₁(λ₁，T)和ε₂(λ₂，T)不可简单相消，而需要通过定标确定出预定关系。布置在第一路径上的第一探测装置3-4接收波长为第一波长的光并将其转换为相应的第一光电信号参量。布置在第二路径上的第二探测装置4-4接收波长为第二波长的光并将其转换为相应的第二光电信号参量。温度确定装置5接收来自第一探测装置3-4和第二探测装置4-4的第一和第二光电信号参量，并根据所述第一和第二光电信号参量与所述待测对象的温度的预定关系确定出待测对象的温度。

在本实施例中，光辐射等分的含义是：将接收到的光辐射的光子数或者能量按的比例区间进行分配。在本实施方式中，可以达到1∶1的平均分配的比例，此时，测温的效果最佳。由此可知，本实施例的等分的比例远远比现有技术中二向色镜中光辐射分配的比例的平均度要高很多。由于测温的精度随着平均度的提高而提高，所以，本实施例测温精度比现有技术的精度要高很多。

继续参见图2，温度确定装置5包括除法器5-1和计算元件5-2。其中，除法器5-1分别与第一探测装置3-4和第二探测装置4-4连接。计算元件5-2与除法器5-1连接。除法器5-1用于计算波长为第一波长的光的光电信号参量E₁(T)和波长为第二波长的光的光电信号参量E₂(T)之间的比值X。计算元件5-2用于根据第一和第二光电信号参量E₁(T)和E₂(T)与所述待测对象的温度的预定关系确定出待测对象的温度。

由此，本设备为运算频率较高、运算重要程度高的比值运算单独提供除法器，使得比值运算与其它逻辑运算区别开来，优化了测温设备的结构，减少了运算错误、缩短了运算的时间，提高了运算精度。此外，这种硬件结构也可以以软件模块的方式来实现。

在本实施例中，温度确定装置根据如下的预定关系确定待测对象的温度：

T＝B’/ln(X/A’)

其中，X＝E₁(T)/E₂(T)，A’、B’为预设系数，T为待测对象的温度，E₁(T)为第一光电信号参量，E₂(T)为第二光电信号参量。

再次参见图2，光辐射等分装置包括：空间光调制器2-1和控制元件2-2。其中，空间光调制器2-1根据预定控制将接收到的待测对象的光辐射等分为所述第一光辐射和第二光辐射，并使第一光辐射沿第一路径射出、第二光辐射沿不同于第一路径的第二路径射出。控制元件2-2对所述空间光调制器进行预定控制(例如通过加载掩膜(数字图像处理中，掩模为二维矩阵数组)为0-1矩阵中0和1的数量来控制，该部分内容下文还会继续介绍)。

在本实施例中，空间光调制器可以选用数字微镜器件(Digital MicromirrorDevice，DMD)、光强数字调制器或液晶光阀中的任意一种。因为DMD)、光强数字调制器或液晶光阀均是现有的产品，因此，下面仅对DMD等量分配光辐射进行详细说明，其余产品不再赘述。

图3(a)示出了本实用新型一种实施方式的DMD中多个微镜结构示意图。图3(b)示出了图3(a)中两片微镜结构示意图。

参考如图3(a)和图3(b)，DMD包括多个微镜和与所述多个微镜对应的多个转动铰链，各个转动铰链可以根据预定控制将各个微镜向预设方向(例如与垂直方向成+12度和-12度)翻转，使得所述多个微镜中的一半微镜将接收到的待测对象的一半的光辐射沿第一路径射出，所述多个微镜中的另一半微镜将接收到的待测对象的另一半的光辐射沿不同于第一路径的第二路径射出。

在本实施例中，DMD可以选用市场上能够获得的TI(美国德州仪器)公司生产的型号为0.7XGA2XLVDS DMD的器件。控制元件可以选用FPGA(可编程门阵列芯片)，FPGA型号为：Xilinx Virtex5application FPGA。

FPGA控制DMD进行光辐射按预设比例的分配的原理如下：

DMD加电后，利用静电吸附原理，DMD中多个微镜可以呈现+12度和-12度(也有的是+10度和-10度)方向的偏转。假设DMD有1000片的微镜，当500片微镜翻转为+12度，500片微镜翻转为-12度时，此时射向DMD的一束光辐射就会反射为夹角为48度(12度×2+12度×2)的等分的两束光辐射。具体FPGA控制DMD中多少个的微镜分别向+12度和-12度的偏转，可以通过加载掩膜(数字图像处理中，掩模为二维矩阵数组)为0-1矩阵中0和1的数量来控制。例如加载0时，微镜翻转为+12度，加载1时，微镜翻转为-12度。所以想要控制两束光辐射的具体比例(可以时任何比例，例如等分的50％：50％，或者20％：80％)，只需控制矩阵中0和1的比例即可。因此，通过FPGA控制DMD可以实现将光辐射的光子数(或者光强)进行1∶1等分。由于DMD是现有产品，所以其更具体结构在此不再赘述。

图4示出了本实用新型另一些实施方式的基于光辐射的测温设备的结构示意图。该图示出了几种变形的实施方式。图4所示的实施例是在上述图2所示的实施例的基础之进行变形得出的。在此着重描述二者不同之处，二者相同或者相似之处不再赘述。

图4所示的基于光辐射的测温设备的第二种实施例为：

该实施例是在图2所示的第一实施例的基础上增加第一会聚元件3-3和第二会聚元件4-3。该实施例的测温设备的各部件之间的连接关系可以为：

第一探测装置3-4为第一点探测器，第二探测装置4-4为第二点探测器。第一会聚元件3-3布置在所述第一路径上、位于所述第一点探测器与所述第一滤光元件之间。第二会聚元件4-3布置在所述第二路径上、位于所述第二点探测器与所述第二滤光元件之间。第一点探测器3-4位于所述第一会聚元件的光焦点处。第二点探测器4-4位于第二会聚元件的光焦点处。

本实施例通过将点探测器布置在反射光线聚焦形成的焦点处，而不是布置在传统的焦平面后方的像平面(成像平面)处，不仅可以方便利用点探测器检测光电信号参量，而且可以增加点探测器检测到的光子数，极大地增大了信号的强度，而将散粒噪声降低到单个像素的水平，大幅度提高了测量信噪比，提高了采集数据的精确程度，进而大幅度提高了测量温度的灵敏度和精确度。本设备结构简单且可以用于不同要求测温场合，适用范围广。

图4所示的基于光辐射的测温设备的第三种实施例为：

该实施例是在上述第二实施例的基础上增加了布置在第一路径上、第一滤光元件3-1和第一会聚元件3-3之间的第一光强衰减元件3-2，和布置在第二路径上、第二滤光元件4-1和第二会聚元件4-3之间的第二光强衰减元件4-2。

由此，本装置通过设置光强衰减元件(例如中性密度滤光片)可以衰减光线的光电信号参量，以防止强光对后续点探测器的损伤，提高了测温精度，延长了产品的使用寿命。

图4所示的基于光辐射的测温设备的第四种实施例为：

在上述各实施例的基础上增加透镜1，使得待测对象的光辐射进入主光路，可以射向光辐射等分装置2。

其中，第二实施例相对于第三实施例省去了第一光强衰减元件3-2和第二光强衰减元件4-2，由此，光强衰减的作用也相应消失，但相对于现有技术，第二实施例仍然可以解决技术问题，达到相应的技术效果。第一实施例相对于第二实施例省去了第一会聚收件3-3和第二会聚元件4-3。由此，会聚的作用也相应消失，但相对于现有技术，第一实施例仍然可以解决技术问题，达到相应的技术效果。本领域的技术人员可以理解，可以根据实际测量精度或者特殊需要对上述各元件进行选择配置，或者进行多种组合配置。例如，在光强特别大的情况下，可以设置多块光强衰减元件。

参照图4，下面介绍一优选实施方式的测温装置的测温的工作方式，其具体可以是：

待测对象(例如人体或者电灯，图中未进行标示)的光辐射可以经过透镜1射向光辐射等分装置2。光辐射等分装置2将接收的光辐射平均等分(将光子数和光辐射的能量平均分配)反射为双臂方向上的两束光辐射。在双臂中的左臂方向上分别布置有第一滤光元件3-1、第一光强衰减元件3-2、第一会聚元件3-3和第一探测装置3-4。第一束光辐射经过第一滤光元件3-1过滤为波长为第一波长的光，波长为第一波长的光经过第一光强衰减元件3-2进行光强衰减，再经过第一会聚元件3-3进行会聚，第一探测装置3-4在会聚的波长为第一波长的光焦点所在的焦平面处接收波长为第一波长的光来探测波长为第一波长的光的光电信号参量。

本设备左右对称设置。同样，在双臂中的右臂方向上分别布置有第二滤光元件4-1、第二光强衰减元件4-2、第二会聚元件4-3和第二探测装置4-4。第二束光辐射经过第二滤光元件4-1过滤为波长为第二波长的光，波长为第一波长的光经过第二光强衰减元件4-2进行光强衰减，再经过第二会聚元件4-3进行会聚，第二探测装置4-4在会聚的波长为第一波长的光焦点所在的焦平面处接收波长为第二波长的光来探测波长为第二波长的光的光电信号参量。

温度确定装置5分别接收第一探测装置3-4和第二探测装置4-4探测的波长为第一波长的光的光电信号参量和波长为第二波长的光的光电信号参量，并对所述待测对象进行测温。

在一些实施例中，为了使过滤后的单波的波长不同，第一滤光元件和所述第二滤光元件为中心波长相差10nm以上的第一窄带滤光片和第二窄带滤光片，所述第一窄带滤光片和第二窄带滤光片的半高宽参数为10nm以上。

因为根据窄带带宽理论，窄带滤光片越窄效果越好；中心波长越接近越好。但是，带宽越窄，与窄带滤光片配合使用的光电信号参量探测元件能探测到的热辐射越少，外加之中心波长接近，对探测器的灵敏度和准确性提出过高的要求，而且此时环境噪声和探测器本征噪声(如暗计数等)也将对系统的测温准确性造成较大影响。所以，在衡量上述优缺点的基础上，经过大量的试验，选用的窄带滤光片的半高宽FWHM一般应在10nm以上，中心波长CWL一般相差10nm以上效果最佳。另外，本设备可以利用不同滤光元件(例如窄带滤光片)进行滤波得到单波光，再将该单波光会聚收集成以供探测器检测，降低了无关光的干扰，提高了采集温度的精度。

在一些实施例中，所述光辐射为红外线光辐射。

在一些实施例中，所述第一和第二点探测器选自近红外、中远红外、远红外波段的外光电效应探测器组、内光电效应探测器组、强光探测器组和弱光探测器组中的任意一种，其中：

所述外光电效应探测器组包括：雪崩二极管、真空光电管、充气光电管、光电倍增管、变像管、像增强器、摄像管；

所述内光电效应探测器组包括：本征型光电导探测器、掺杂型光电导探测器、光磁电效应探测器、光生伏特探测器；

所述强光探测器组包括：内置或者外置有模数转换器的强光探测器；

所述弱光探测器组包括：内置或者外置有计数器的弱光探测器。

在一些实施例中，所述光电信号参量包括光子数、电流值、电压值、电阻值中任意一种。

由此，点探测器可以自由选择各种类型以满足各种需求，增强了产品的通用性能，也便于后期的维护保养。

图5示出了本实用新型一些实施方式的基于光辐射的测温系统的结构示意图。该图可以有几种变形的实施方式。在此着重描述这些变形方式的不同之处，它们相同或者相似之处不再赘述。

图5所示的基于光辐射的测温系统的第一种实施例为：

参照图5，该测温系统包括：上述测温设备和定标装置6。

定标装置6可以包括温度可调节的基准光源6-1(例如，可以提供不同功率的灯泡)、扩束准直透镜6-2和分束器6-3。分束器6-3设置在待测对象7和透镜1之间。基准光源6-1、扩束准直透镜6-2和分束器6-3水平共线设置，扩束准直透镜6-2设置在基准光源6-1和分束器6-3之间。其中，基准光源6-1用于在定标阶段将调节的不同温度的光辐射射向光辐射等分装置2，并由光辐射等分装置2将接收到的光辐射等分为第一光辐射和第二光辐射，使第一光辐射沿第一路径射出(如左臂方向路径)、第二光辐射沿第二路径(如右臂方向路径)射出，以获取多个第一和第二光电信号参量，并确定调节的不同温度和获取的多个第一和第二光电信号参量的预定关系。扩束准直透镜6-2用于将基准光源的光辐射转化为平行光辐射。分束器6-3用于将扩束准直透镜转化的平行光辐射射向所述光辐射等分装置。

图5所示的基于光辐射的测温系统的第二种实施例为：

在第一实施方式的基础上减少了分束器6-3，该分束器的功能随之减少。但此实施方式仍能解决技术问题，实现相应的技术效果。

图5所示的基于光辐射的测温系统的第三种实施例为：

在第二实施方式的基础上减少了扩束准直透镜6-2，该扩束准直透镜的功能随之减少。但此实施方式仍能解决技术问题，实现相应的技术效果。

在上述实施方式中，所述确定调节的不同温度和获取的多个第一和第二光电信号参量的预定关系为：

E_d1(T)_i/E_d2(T)_i＝A’exp(B’/T_di)，

其中，所述多个为n个，i为1至n的自然数；

A’、B’为预设系数，T_di为第i个基准光源的温度，E_d1(T)_i为第i次定标的波长为第一波长的光的光电信号参量，E_d2(T)_i为第i次定标的波长为第二波长的光的光电信号参量。

由此，本系统可以采用不同功率的标准光源进行试验测温，通过测得多组数据来确定试验中的拟合系数。其中，拟合算法利用已知试验或者真实数据，然后寻找一个模型对其规律进行模拟的过程中，求取模型中未知参数的一个过程。以确保在后期的实际测温过程中根据该拟合系数获取测得的温度。本实施方式通过多次试验测进行试验测温，提高了实际测温的精度。此外，本实施方式利用扩束准直透镜6-2将标准光源的光线变换成平行光，减少了光线因为会聚或者散射引起的误差。利用分束器6-3可以最大程度的将标准光源的光线全部传递至透镜，提高了光线的传递效率。

本领域的技术人员可以理解，可以根据实际测量精度或者特殊需要对上述各元件进行选择配置，或者进行多种组合配置。

由此，本系统通过提供定标装置，可以在正式测温之前，进行试验测温，从而制定标准，使得后面的正式测温可以参考试验测温的数据进行运算，调整测得的温度数据，进一度调高了温度的精度。

本实施例的测温系统的测温的工作方式可以参照上述的测温设备的描述。需要说明的是，在定标的试验之前，将分束器6-3、扩束准直透镜6-2和标准光源2-1移入系统中，保证分束器6-3的反射方向在透镜1和DMD2-1主轴光路上，保证标准光源的光辐射进入系统的主轴光路，且标准光源与待测对象7所在位置共轭，待定标结束后再将分束器6-3、扩束准直透镜6-2和标准光源6-1移出系统。

图6为本实用新型一些实施方式的基于光辐射的测温方法的流程示意图。如图6所示，该方法包括以下步骤：

S601：利用光辐射等分装置(可以利用图2和图4实施方式中的光辐射等分装置)接收待测对象(例如人体或者电灯)的光辐射(例如红外辐射、紫外辐射或者可见光)并直接将接收到的光辐射等分(此处等分的概念可以参考上述测温设备中等分的概念)为第一光辐射和第二光辐射，并使第一光辐射沿第一路径(如测温设备的左臂方向的路径)射出、第二光辐射沿第二路径(如测温设备的右臂方向的路径)射出；

S602：在上述的左臂方向的路径上接收第一光辐射，并将其过滤为波长为第一波长的光(例如波长为λ₁的单波光)；

S603：在上述的右臂方向的路径上接收第二光辐射，并将其过滤为波长为第二波长的光(例如波长为λ₂的单波光)；

S604：在上述的左臂方向的路径上接收波长为λ₁的单波光并将其转换为相应的第一光电信号参量E₁(T)；

S605：在上述的右臂方向的路径上接收波长为λ₂的单波光并将其转换为相应的第二光电信号参量E₂(T)；

S606：根据所述第一和第二光电信号参量E₁(T)和E₂(T)与温度的预定关系确定出待测对象(例如人体或者电灯)的温度。

在本实施例中，所述温度确定装置根据如下的预定关系确定待测对象的温度：

T＝B’/ln(X/A’)

其中，X＝E₁(T)/E₂(T)，A’、B’为预设系数，T为待测对象的温度，E₁(T)为第一光电信号参量，E₂(T)为第二光电信号参量。

在本实施例中，光辐射等分装置包括：空间光调制器和控制元件。其中，空间光调制器用于根据预定控制将接收到的待测对象的光辐射等分为所述第一光辐射和第二光辐射，并使第一光辐射沿第一路径射出、第二光辐射沿不同于第一路径的第二路径射出。控制元件用于对所述空间光调制器进行预定控制。

在本实施例中，所述空间光调制器选DMD、光强数字调制器或液晶光阀。

在本实施例中，DMD包括多个微镜和与所述多个微镜对应的多个转动铰链，各个转动铰链根据所述预定控制将各个微镜向预设方向翻转，使得所述多个微镜中的一半微镜将接收到的待测对象的一半的光辐射沿第一路径射出，所述多个微镜中的另一半微镜将接收到的待测对象的另一半的光辐射沿不同于第一路径的第二路径射出。

在本实用新型的一些实施例中，该方法还包括：

将所述波长为第一波长的光会聚于第一焦点，并在所述第一焦点处设置第一点探测装置用以接收所述波长为第一波长的光并将其转换为相应的第一光电信号参量；

将所述波长为第二波长的光会聚于第二焦点，并在所述第二焦点处设置第二点探测装置用以接收所述波长为第二波长的光并将其转换为相应的第二光电信号参量。

在本实用新型的一些实施例中，该方法还包括：

对所述波长为第一波长的光的强度进行衰减；及对所述波长为第二波长的光的强度进行衰减。

在本实用新型的一些实施例中，所述光辐射为红外线光辐射。

在本实用新型的一些实施例中，所述第一波长与所述第二波长相差至少10nm。

在本实用新型的一些实施例中，所述光电信号参量包括光子数、电流值、电压值、电阻值中任意一种。

在本实用新型的一些实施例中，所述第一和第二点探测器选自近红外、中远红外、远红外波段的外光电效应探测器组、内光电效应探测器组、强光探测器组和弱光探测器组中的任意一种，其中，

所述外光电效应探测器组包括：雪崩二极管、真空光电管、充气光电管、光电倍增管、变像管、像增强器、摄像管；

所述内光电效应探测器组包括：本征型光电导探测器、掺杂型光电导探测器、光磁电效应探测器、光生伏特探测器；

所述强光探测器组包括：内置或者外置有模数转换器的强光探测器；

所述弱光探测器组包括：内置或者外置有计数器的弱光探测器。

在测温方法上述实施例中的技术效果与测温装置实施例中的技术效果相对应，在此不再赘述。

图7为本实用新型一些实施方式的定标的步骤的流程示意图。在本实施方式中，在所述利用光辐射等分装置接收待测对象的光辐射，将接收到的光辐射等分为第一光辐射和第二光辐射，并使所述第一光辐射沿第一路径射出、所述第二光辐射沿不同于第一路径的第二路径射出的步骤之前还包括定标步骤。如图7所示，所述定标步骤包括：

S701：利用光辐射等分装置(可以利用图2和图4实施方式中的光辐射等分装置)接收基准光源(例如温度可调节的灯泡，具体可以调节电流、电压等方式来调节)的光辐射，将接收到的光辐射等分(此处等分的概念可以参考上述测温设备中等分的概念)为第一光辐射和第二光辐射，并使所述第一光辐射沿第一路径(如测温设备的左臂方向的路径)射出、所述第二光辐射沿不同于第一路径的第二路径(如测温设备的右臂方向的路径)射出。

S702：在所述第一路径上接收所述第一光辐射，并将接收到的第一光辐射过滤为波长为第一波长的光(例如波长为λ₁的单波光)。

S703：在所述第二路径上接收所述第二光辐射，并将接收到的第二光辐射过滤为波长为第二波长的光(例如波长为λ₂的单波光)。

S704：在所述第一路径上接收所述波长为λ₁的单波光并将其转换为相应的第一光电信号参量E₁(T)。

S705：在所述第二路径上接收所述波长为λ₂的单波光并将其转换为相应的第二光电信号参量E₂(T)。

S706：调节灯泡的电流或电压，使得灯泡发出光辐射的温度变为T_d2，并获取对应的光电信号参量E_d1(T)₂和E_d2(T)₂。按此种方法可以获取灯泡发出多个不同温度T_di的光辐射，并获取对应的多个第一和第二光电信号参量E_d1(T)_i和E_d2(T)_i。

S707：根据上述不同温度与第一和第二光电信号参量的计量值，确定出所述第一和第二光电信号参量与温度的预定关系。

在本实施方式中，所述确定多个第一和第二光电信号参量与调节的多个不同温度的预定关系为：

E_d1(T)_i/E_d2(T)_i＝A’exp(B’/T_di)，

其中，所述多个为n个，i为1至n的自然数；

A’、B’为预设系数，T_di为第i个基准光源的温度，E_d1(T)_i为第i次定标的波长为第一波长的光的光电信号参量，E_d2(T)_i为第i次定标的波长为第二波长的光的光电信号参量。

具体实现方式可以是：

在定标时，标准光源以第一电流、电压、电阻的光线照射扩束准直透镜，通过分束器、透镜到达DMD。保持DMD同一帧光辐射不变，其加载的掩膜为1和0数量相等的0-1矩阵。控制元件控制DMD中各微镜的闭合、翻转，使得DMD将接收到的一帧光辐射等分为第一光辐射和第二光辐射，并使所述第一光辐射沿第一路径射出、所述第二光辐射沿不同于第一路径的第二路径射出。其中：第一光辐射经过第一窄带滤光片、第一会聚元件到达第一点探测器，得到第一光电信号参量E_d1(T)₁。第二光辐射经过第二窄带滤光片、第二会聚元件到达第二点探测器，得到第二光电信号参量E_d2(T)₁。E_d1(T)₁和E_d2(T)₁经过除法器得到比值X₁，X₁＝E_d1(T)₁/E_d2(T)₁；

调节标准光源的不同等效电流或电压或电阻可计算出不同电流或电压或电阻下的一系列温度T₁，T₂，T₃......T_di，通过本系统测得对应的E_d1(T)_i与E_d2(T)_i比值X₁，X₂，X₃......X_i，保持DMD固定一帧不变，其DMD上加载的掩膜为1和0数量相等的0-1矩阵。接着利用公式拟合得出相应系数，即得到此种环境下的辐射体(即基准光源)的光辐射温度曲线公式。即：确定拟合系数(即上述的预设系数)A’和B’，其中：

E_d1(T)₁/E_d2(T)₁＝A’exp(B’/T_d1)

E_d1(T)₂/E_d2(T)₂＝A’exp(B’/T_d2)

E_d1(T)₃/Ed₂(T)₃＝A’exp(B’/T_d3)

E_d1(T)＝A₁(λ₁)exp(B₁(λ₁)/T)

E_d2(T)＝A₂(λ₂)exp(B₂(λ₂)/T)

A’＝A₁(λ₁)/A₂(λ₂)，B’＝B₁(λ₁)-B₂(λ₂)。

具体可以是利用公式拟合得出相应系数A’和B’，得到此种环境下的该辐射体的光辐射温度曲线公式；然后通过计算机程序设定好此系数下的计算公式，即可测量或者监测任何情况下的辐射温度。在实际测温过程中，利用指数形式的多项式展开，获得多项式的系数，或者利用其它复杂的拟合方程获得拟合系数。

由此，本实施方式有效地克服了红外测温中各种物体的“辐射率修正”难题，克服了测量条件复杂、现场测量条件波动或者水蒸气等因素的环境吸收造成的测量误差，实现了高精度的温度测量。

在本实施方式中，在实际测温过程中，可以通过计算机程序设定好此系数下的计算公式，即可测量或者监测任何情况下的辐射温度。可以利用指数形式的多项式展开，获得多项式的系数，或者利用其它复杂的拟合方程获得拟合系数，可在实际操作过程中实现更高精度的测量。这里实际是利用现场定标的实验方法找出实际条件下待测对象(某一具体物体，灰体而非黑体)的热辐射规律，并给与校准，再利用该规律在原有条件下进行温度监测或测温，即利用“替代法”校准该实际条件下的许多隐含参量。

本实施方式中，温度确定装置(如除法器、计算元件)可以由单片机、FPGA芯片、计算机、服务器等替换。数据运算可以通过程序模块执行。程序可以包括例程、程序、目标程序、组件、逻辑、数据结构等，它们执行特定的任务或者实现特定的抽象数据类型。计算机系统/服务器可以在分布式云计算环境中实施，分布式云计算环境中，任务是由通过通信网络链接的远程处理设备执行的。在分布式云计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备的本地或远程计算系统存储介质上。

如图1～7所示的本实用新型所提供的基于光辐射的测温设备、系统和方法只能够测量待测对象(例如人体或者电灯)整体的平均温度，不能测量其每一个局部的温度并生成待测对象的二维红外热像图。

鉴于此，本实用新型结合压缩感知理论，提供了基于压缩感知的双波长温度场成像设备。

压缩感知(Compressed Sensing，简称CS)也被称为压缩采样(CompressiveSampling)，稀疏采样(Sparse Sampling)，压缩传感。作为一个新的采样理论，其通过开发信号的稀疏特性，在远小于100％采样率的条件下(远低于奈奎斯特/香农采样定理的极限)，用随机采样获取信号的离散样本，然后通过非线性重建算法完美的重建信号。

压缩感知的基本步骤包括：

利用先验知识，选取合适的稀疏基Ψ，使得待测物体x经Ψ变换后得到展开系数x’是最为稀疏的；

在已知测量值向量Y、测量矩阵Φ和稀疏基Ψ的条件下，建立数学模型Y＝ΦΨx’+e，通过压缩感知算法进行凸优化，获得部分信号x’后，再由反演出全部信号x。

参照图8所示，在本实用新型的第一种实施例中，基于压缩感知的双波长温度场成像设备，该设备与图2所示的基于光辐射的测温设备的不同之处在于：

第一、光辐射等分装置2不必定将待测对象的光辐射进行等分处理，其可以加载预先设定的矩阵变换生成的掩膜，因此，在本实施例中，称之为光辐射调制装置2’，其根据预先设定的矩阵加载掩膜的具体规则将在后文予以详细阐述。

第二、温度确定装置5确定的为待测对象每一个像素点的温度值。

第三、增加了与温度确定装置5连接的图像生成装置8。图像生成装置8用于根据温度确定装置5生成的待测对象的每一个像素点的温度值以及待测对象的二维图像反演出待测对象的二维红外热图像。

具体而言，在第一个实施例中，基于压缩感知的双波长温度场成像设备包括：光辐射调制装置2’、第一滤光元件3-1、第二滤光元件4-1、第一探测装置3-4、第二探测装置4-4，分别与第一探测装置3-4、第二探测装置4-4连接的温度确定装置5，以及与温度确定装置5连接的图像生成装置8。

待测对象(例如人体或者电灯，图中未进行标示)向光辐射调制装置2’发出光辐射(例如红外辐射、紫外辐射或者可见光)。光辐射调制装置2’接收待测对象的光辐射，并且加载预设的多个掩膜(所述多个掩膜根据符合压缩感知理论的RIP条件的测量矩阵变换生成)。随着光辐射调制装置2’加载的掩膜发生变化，其将接收到的光辐射调制为多束第一光辐射和多束第二光辐射，并使多束第一光辐射沿第一路径(如测温设备的左臂方向的路径)射出、多束第二光辐射沿第二路径(如测温设备的右臂方向的路径)射出。布置在第一路径上的第一滤光元件3-1接收多束所述第一光辐射，并将接收到的多束第一光辐射过滤为波长为第一波长的多束光(例如波长为λ₁的单波光)。布置在第二路径上的第二滤光元件4-1接收多束第二光辐射，并将接收到的多束第二光辐射过滤为波长为第二波长的多束光(例如波长为λ₂的单波光，其中λ₁与λ₂不等，当λ₁与λ₂为相邻波段的波长时，效果最佳，因为当λ₁与λ₂无限接近时，ε₁(λ₁，T)≈ε₂(λ₂，T)，则：

A′＝A₁(λ₁)/A₂(λ₂)＝(ε₁(λ₁，T)C₁λ₁ ^-5)/(ε₂(λ₂，T)C₁λ₂ ^-5)≈(λ₁/λ₂)^-5，

B′＝B₁(λ₁)-B₂(λ₂)＝-C₂/λ₁-(-C₂/λ₂)，

但是，λ₁与λ₂越接近，对探测器的灵敏度和准确性的要求越高，另外考虑到环境噪声和探测器本征噪声(如暗计数等)对系统的测温准确性造成的较大影响，λ₁与λ₂在实际测量中不可能无限接近，因而两个辐射波长下的辐射率ε₁(λ₁，T)和ε₂(λ₂，T)不可简单相消，而需要通过定标确定出预定关系。布置在第一路径上的第一探测装置3-4接收多束波长为第一波长的光并将其转换为相应的多个第一光电信号参量。布置在第二路径上的第二探测装置4-4接收多束波长为第二波长的光并将其转换为相应的多个第二光电信号参量。

温度确定装置5接收来自第一探测装置3-4和第二探测装置4-4的多个第一和多个第二光电信号参量，并根据多个所述第一和第二光电信号参量确定待测对象在波长λ₁和波长λ₂下局部信号值X_i(λ₁)’和X_i(λ₂)’，进而结合压缩感知原理获取待测对象的二维图像S₁和S₂。

温度确定装置5根据待测对象在波长λ₁和波长λ₂下的二维图像S₁和S₂以及所述待测对象的温度的预定关系确定出待测对象每一个像素点的温度值。

图像生成装置8用于根据温度确定装置5生成的待测对象的每一个像素点的温度值以及待测对象的二维图像反演出待测对象的二维红外热图像。

在本实施例中，温度确定装置根据如下的预定关系确定待测对象的温度：

T_i＝B’/ln(X_i/A’)

其中，X_i＝S₁./S₂(矩阵的定点除法运算)，A’、B’为预设系数，T_i为待测对象的每一个像素点的温度，E₁(T)_i为第一光电信号参量，E₂(T)_i为第二光电信号参量。

再次参见图8，光辐射调制装置2’包括：空间光调制器2-1和控制元件2-2。其中，空间光调制器2-1配置为根据符合压缩感知理论的RIP条件的测量矩阵Φ变换生成的多个掩膜，以将接收到的待测对象的光辐射调制为所述第一光辐射和第二光辐射，并使第一光辐射沿第一路径射出、第二光辐射沿不同于第一路径的第二路径射出。控制元件2-2配置为控制所述空间光调制器依次加载由所述测量矩阵Φ变换生成的多个掩膜。例如：根据预设矩阵变换生成掩膜，最后根据掩膜中0和1的数量控制空间光调制器2-1中微镜的翻转。

其中，所采用的预设矩阵为压缩感知理论的RIP条件的测量矩阵Φ，该测量矩阵Φ由Hadamard矩阵以及扩充排列矩阵P和Q得到，该部分内容下文还会继续介绍。

在本实施例中，空间光调制器可以选用如图3(a)和图3(b)所示的数字微镜器件(Digital MicromirrorDevice，DMD)、光强数字调制器或液晶光阀中的任意一种。

下面将详细描述测量矩阵Φ的获得方式，以及光辐射调制装置2’、温度确定装置5和图像生成装置8的工作原理：

2^k阶的Hadamard矩阵满足以下特点：

$H_k=\left\{\begin{array}{cc}1,& k=0\\ \frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cc}{H}_{k-1}& H_{k-1}\\ H_{k-1}& -H_{k-1}\end{array}\right],& k>0\end{array}\right.$

矩阵Hk中的元素只有1和-1(不考虑系数)，其中1和-1比例为1∶1，且满足正交性。

而且矩阵H_k的第一行和第一列均为1，要想将矩阵H_k打乱为纯随机的矩阵，所需的排列矩阵的规模为因此打乱操作具有极大的计算复杂度。

此外，若将矩阵H_k做平移、拉伸变换使之成为0-1矩阵不能满足压缩感知测量矩阵的受限等距性质(Restricted Isometry Property，RIP)，即不适合用于压缩感知(CS)重建。因此，变换后的0-1矩阵不能直接加载在空间光调制元件2-1上。

本实用新型一实施方式提出的将矩阵H_k变换为满足压缩感知受限等距性质(RIP)的测量矩阵Φ的方法如下：

在此之前，首先介绍待测对象的像素概念，待测对象的二维图像可以被分割成如下所示的2×3的矩阵，其总像素N＝p×q＝3×2＝6(p为横坐标像素数、q为纵坐标像素数)。

$\left[\begin{array}{ccc}{X}_1& X_2& X_3\\ X_4& X_5& X_6\end{array}\right]$

其次，所采用的Hadamard矩阵为2^k阶，且2^k-1≥N，因此k最小为3，即所采用的Hadamard矩阵最小为8×8的矩阵。

为了更为清晰的表述，以图9所示的8×8的Hadamard矩阵为例。

①删除矩阵H_k的第一行和第一列后得到(2^k-1)×(2^k-1)阶的剩余矩阵H_Ω(暂时不考虑系数)。

而(T表示转置)为对角线元素为2^k-1，其余元素为-1的(2^k-1)×(2^k-1)的方阵，则为对角阵。因此，H_Ω是近似正交的。即：

$H_{\mathrm{\Ω}}^T:\left[\begin{array}{ccccccc}-1& 1& -1& 1& -1& 1& -1\\ 1& -1& -1& 1& 1& -1& -1\\ -1& -1& 1& 1& -1& -1& 1\\ 1& 1& 1& -1& -1& -1& -1\\ -1& 1& -1& -1& 1& -1& 1\\ 1& -1& -1& -1& -1& 1& 1\\ -1& -1& 1& -1& 1& 1& -1\end{array}\right];$

$H_{\mathrm{\Ω}}\×H_{\mathrm{\Ω}}^T:\left[\begin{array}{ccccccc}7& -1& -1& -1& -1& -1& -1\\ -1& 7& -1& -1& -1& -1& -1\\ -1& -1& 7& -1& -1& -1& -1\\ -1& -1& -1& 7& -1& -1& -1\\ -1& -1& -1& -1& 7& -1& -1\\ -1& -1& -1& -1& -1& 7& -1\\ -1& -1& -1& -1& -1& -1& 7\end{array}\right];$

$H_{\mathrm{\Ω}}\×H_{\mathrm{\Ω}}^T+1:\left[\begin{array}{ccccccc}8& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 8& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 8& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 8& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 8& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 8& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 8\end{array}\right].$

②将矩阵H_Ω中所有元素中的-1变为0，所有1保持不变，即可得到0-1分布的矩阵对于2^k-1阶的0-1矩阵其每一行中有2^k-1个0和2^k-1-1个1，即0的数量比1的数量多一个。

③以两个2^k-1阶的扩充排列矩阵P和Q打乱2^k-1阶0-1矩阵得到矩阵H₊(仍不满足RIP条件)，其中扩充排列矩阵P对矩阵H₊的列进行打乱操作，扩充排列矩阵Q对矩阵H₊的行进行打乱操作。

例如：排列矩阵P和Q分别为：

$P:\left[\begin{array}{ccccccc}0& 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0\end{array}\right]$ 以及 $Q:\left[\begin{array}{ccccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0\end{array}\right]$

那么 $Q^T:\left[\begin{array}{ccccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0\end{array}\right]$

因此， $Q^T\×H_{\mathrm{\Ω}}^{0-1}:\left[\begin{array}{ccccccc}0& 1& 0& 1& 0& 1& 0\\ 1& 0& 0& 0& 0& 1& 1\\ 0& 1& 0& 0& 1& 0& 1\\ 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0\\ 1& 0& 0& 1& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 1& 1& 0\\ 0& 0& 1& 1& 0& 0& 1\end{array}\right]$

进而， $H_{+}=Q^T\×H_{\mathrm{\Ω}}^{0-1}\×P=\left[\begin{array}{ccccccc}1& 1& 0& 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 1& 0& 1& 1\\ 1& 0& 0& 0& 1& 1& 0\\ 1& 0& 1& 1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 1& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 1& 0& 1\\ 0& 1& 1& 0& 0& 1& 0\end{array}\right]$

④提取上述矩阵H₊中M行，并保留M行中的N列作为随机测量矩阵Φ，其中，M即可代表等效采样数。随机测量矩阵Φ满足RIP条件，适用于压缩感知(CS)重建。

例如：令M＝3，提取第2-4行和1-6列作为随机测量矩阵Φ，即：

$\left[\begin{array}{cccccc}0& 0& 0& 1& 0& 1\\ 1& 0& 0& 0& 1& 1\\ 1& 0& 1& 1& 0& 0\end{array}\right]$

根据上法，实际上是设计出一种基于Hadamard矩阵与排列矩阵P和Q的随机测量矩阵：Φ＝Q^TH_ΩP，其采样率为M/N×100％，且M＜＜N/2，本实施方式中采样率为5％～30％。

所采用的扩充排列矩阵P和Q均为随机生成的，而非固定不变，则每次这样产生的测量矩阵均不相同，随机性更好。

⑤空间光调制器2-1交替加载Φ矩阵的第i行拉伸变换而得的掩膜和该行的补集拉伸变换而得的掩膜。

例如：空间光调制器2-1的微镜翻转，加载由Φ矩阵的第1行[0 0 0 1 0 1]拉伸变换而得的掩膜 $\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 0\\ 1& 0& 1\end{array}\right],$ 并且将接收到的光辐射调制为第一光辐射和第二光辐射，第一探测装置3-4将第一光辐射转换为相应的第一光电信号参量E₁(T)_2i-1，第二探测装置4-4将第二光辐射转换为相应的第二光电信号参量E₂(T)_2i-1，i＝1，2，3，4...M；

空间光调制器2-1的微镜翻转，加载由Φ矩阵的第1行的补集[1 1 1 0 1 0]拉伸变换而得的掩膜 $\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 0& 1& 0\end{array}\right],$ 并且将接收到的光辐射分为第一光辐射和第二光辐射，第一探测装置3-4将第一光辐射转换为相应的第一光电信号参量E₁(T)_2i，第二探测装置4-4将第二光辐射转换为相应的第二光电信号参量E₂(T)_2i，i＝1，2，3，4...M；

空间光调制器2-1的微镜翻转，交替加载第二行[1 0 0 0 1 1]拉伸变换而得的掩膜 $\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 1\end{array}\right]$ 以及第二行的补集[0 1 1 1 0 0]拉伸变换而得的掩膜 $\left[\begin{array}{ccc}0& 1& 1\\ 1& 0& 0\end{array}\right].$

即空间光调制器2-1交替加载互补掩膜直到第M次结束。

⑥温度确定装置5根据结合数学模型计算出待测对象在波长λ₁下的二维图像S₁中的部分信号值X_i(λ₁)’，根据压缩感知原理，恢复出二维图像S₁中的全部信号值X_i(λ₁)，构建测对象在波长λ₁下的二维图像S₁。

例如，根据上述加载的掩膜，获得：

$\left[\begin{array}{cccccc}0& 0& 0& 1& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_1\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\\ X_2\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\\ X_3\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\\ X_4\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\\ X_5\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\\ X_6\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\end{array}\right]=E_1{\left(T\right)}_1-E_1{\left(T\right)}_2$

即X₄(λ₁)+X₆(λ₁)＝E₁(T)₁-E₁(T)₂ (1)；

$\left[\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& 0& 1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_1\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\\ X_2\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\\ X_3\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\\ X_4\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\\ X_5\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\\ X_6\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\end{array}\right]=E_1{\left(T\right)}_3-E_1{\left(T\right)}_4$

即X₁(λ₁)+X₅(λ₁)+X₆(λ₁)＝E₁(T)₃-E₁(T)₄ (2)；

$\left[\begin{array}{cccccc}1& 0& 1& 1& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_1\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\\ X_2\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\\ X_3\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\\ X_4\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\\ X_5\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\\ X_6\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\end{array}\right]=E_1{\left(T\right)}_5-E_1{\left(T\right)}_6$

X₁(λ₁)+X₃(λ₁)+X₄(λ₁)＝E₁(T)₅-E₁(T)₆ (3)；

联立方程(1)～(3)可以解得得待测对象在波长λ₁下的二维图像S₁： $\left[\begin{array}{ccc}{X}_1\left({\mathrm{\λ}}_1\right)& X_2\left({\mathrm{\λ}}_1\right)& X_3\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\\ X_4\left({\mathrm{\λ}}_1\right)& X_5\left({\mathrm{\λ}}_1\right)& X_6\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\end{array}\right]$ 中的一部分信号值X_i(λ₁’的值。

进一步地，温度确定装置5根据压缩感知原理在已知测量值向量Y、测量矩阵Φ和稀疏基Ψ的条件下，建立数学模型Y＝ΦΨx’+e，通过压缩感知算法进行凸优化，获得部分信号x’后，再由反演出全部信号值X_i(λ₁)，即获得待测对象在波长λ₁下的二维图像S₁：

$\left[\begin{array}{ccc}{X}_1\left({\mathrm{\λ}}_1\right)& X_2\left({\mathrm{\λ}}_1\right)& X_3\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\\ X_4\left({\mathrm{\λ}}_1\right)& X_5\left({\mathrm{\λ}}_1\right)& X_6\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\end{array}\right].$

同样地，温度确定装置5根据结合数学模型计算出待测对象在波长λ₂下的二维图像S₂中的部分信号值X_i(λ₂)’。

进而，根据压缩感知原理在已知测量值向量Y、测量矩阵Φ和稀疏基Ψ的条件下，建立数学模型Y＝ΦΨx’+e，通过压缩感知算法进行凸优化，获得部分信号x’后，再由反演出全部信号值X_i(λ₂)，即获得待测对象在波长λ₂下的二维图像S₂：

$\left[\begin{array}{ccc}{X}_1\left({\mathrm{\λ}}_2\right)& X_2\left({\mathrm{\λ}}_2\right)& X_3\left({\mathrm{\λ}}_2\right)\\ X_4\left({\mathrm{\λ}}_2\right)& X_5\left({\mathrm{\λ}}_2\right)& X_6\left({\mathrm{\λ}}_2\right)\end{array}\right].$

其中，稀疏基Ψ采用梯度基、离散余弦变换基、小波基、傅里叶变换基、Gabor变换基中的任意一种实现。

二维图像S₁和S₂的重构可以采用MP、OMP、StOMP、ReOMP、SPARCO、LARS、BCS、FBMP、SL0、PPPA、KF-CS、BPDQ、k-t FOCUSS、l₁-Magic、IST、TwIST、FISTA、SOCP、RecPF、FPC、GPSR、SpaRSA、ALM、FALM、TVAL3、CoSaMP、LBI、SP、11_1s、SMP、TFOCS、NESTA、SALSA、SPGL1、YALL1、l₀重建算法、l₁重建算法、l₂重建算法、BPDN算法、BPDN的LAG松弛算法、LASSO算法、TV算法中的任意一种实现。

由于压缩感知理论为现有技术，因此在此不再赘述。相关理论可以参见：

[1]E.J.Candès，J.Romberg，and T.Tao，“Robust uncertainty principles：exact signalreconstruction from highly incomplete frequency information，”IEEE Trans.Inform.Theory52(2)，489-509(2006).

[2]E.J.Candès，J.Romberg，and T.Tao，“Stable signal recovery from incomplete andinaccurate measurements，”Commun.Pure Appl.Math.591207-1223(2006).

[3]D.Donoho，“Compressed sensing，”IEEE Trans.Inform.Theory52，1289-1306(2006).

[4]E.J.Candès，“Compressive sampling，”in Proc.Int.Cong.Math.，EuropeanMathematical Society，Madrid，Spain，3，1433-1452(2006).

[5]E.J.Candès，and M.B.Wakin，“An introduction to compressive sampling，”IEEESignal Process.Mag.25(2)，21-30(2008).

[6]D.Takhar，J.N.Laska，M.B.Wakin，M.F.Duarte，and D.Baron，“A newcompressive imaging camera architecture using optical-domain compression，”in Proc.SPIE：ComputationalImaging IV，San Jose，CA，USA.

[7]J.Romberg，“Imaging via compressive sampling，”IEEE Signal Process.Mag.25，14-20(2008).

[8]M.F.Duarte，M.A.Davenport，D.Takhar，J.N.Laska，T.Sun，K.F.Kelly，and R.G.Baraniuk，“Single-pixel imaging via compressive sampling，”IEEE Signal Process.Mag.25(2)，83-91(2008).

⑦温度确定装置5对待测对象在波长λ₁和波长λ₂下的二维图像S₁和S₂进行定点除法运算(S₁./S₂)，获得：

$\left[\begin{array}{ccc}\frac{X_1\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{X_1\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}& \frac{X_2\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{X_2\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}& \frac{X_3\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{X_3\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}\\ \frac{X_4\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{X_4\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}& \frac{X_5\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{X_5\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}& \frac{X_6\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{X_6\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}\end{array}\right]$

根据T_i＝B’/ln(X_i/A’)，计算该像素坐标下的温度T₁；

根据T_i＝B’/ln(X_i/A’)，计算该像素坐标下的温度T₂；

根据T_i＝B’/ln(X_i/A’)，计算该像素坐标下的温度T₆；

图像生成装置8结合待测对象的二维图像 $\left[\begin{array}{ccc}{X}_1& X_2& X_3\\ X_4& X_5& X_6\end{array}\right]$ 以及对应于每一个像素坐标X₁～X₆下的温度T₁～T₆反演出待测二维对象红外热图像。

本实用新型利用两个2^k-1阶的扩充排列矩阵P和Q打乱2^k-1阶0-1矩阵并由打乱后的矩阵中提取M行(保留M行中的N列)重新组成随机测量矩阵Φ。之后，在空间光调制元件上采用互补调制的策略，即交替加载随机测量矩阵Φ的第i行和该行的补集拉伸成的像素为p×Q的掩膜，其实现了正负光强调制，等价于在空间光调制元件上直接加载了±1分布的Hadamard矩阵，非传统方法中简单地将Hadamard矩阵经平移拉伸变换所得的0-1矩阵直接加载在空间光调制元件上并直接参与计算。

经过此法，使得测量矩阵满足RIP条件，并适合于CS重建计算，使得温度场图像的重建质量提高1到2个数量级。

图10示出了本实用新型另一些实施方式的基于压缩感知的双波长温度场成像设备的结构示意图。该图示出了几种变形的实施方式。图10实施例是在上述图8实施例的基础之进行变形得出的。在此着重描述二者不同之处，二者相同或者相似之处不再赘述。

图10所示的基于压缩感知的双波长温度场成像设备的第二种实施例为：

该实施例是在图8所示的第一种实施例的基础上增加第一会聚元件3-3和第二会聚元件4-3。该实施方式的基于压缩感知的双波长温度场成像设备的各部件之间的连接关系可以为：

第一探测装置3-4为第一点探测器，第二探测装置4-4为第二点探测器。第一会聚元件3-3布置在所述第一路径上、位于所述第一点探测器与所述第一滤光元件之间。第二会聚元件4-3布置在所述第二路径上、位于所述第二点探测器与所述第二滤光元件之间。第一点探测器3-4位于所述第一会聚元件的光焦点处。第二点探测器4-4位于第二会聚元件的光焦点处。其产生的技术效果与基于光辐射的测温设备的第二种实施例的技术效果相同，在此不再赘述。

图10所示的基于压缩感知的双波长温度场成像设备的第三种实施例为：

该实施例是在上述第二种实施例的基础上增加了布置在第一路径上、第一滤光元件3-1和第一会聚元件3-3之间的第一光强衰减元件3-2，和布置在第二路径上、第二滤光元件4-1和第二会聚元件4-3之间的第二光强衰减元件4-2。

由此，本装置通过设置光强衰减元件(例如中性密度滤光片)可以衰减光线的光电信号参量，以防止强光对后续点探测器的损伤，提高了测温精度，延长了产品的使用寿命。

图10所示的基于压缩感知的双波长温度场成像设备的第四种实施例为：

该实施例是在上述第三实施方式的基础上增加了与第一点探测器3-4和温度确定装置5连接的第一存储装置3-5，以及与第二点探测器4-4和温度确定装置5连接的第二存储装置4-5，它们分别用于存储每次测量到的第一光电信号参量和第二光电信号参量，从而减轻将温度确定装置5作为存储装置时对其造成的存储负担。

图10所示的基于压缩感知的双波长温度场成像设备的第五种实施例为：

在上述各实施例的基础上增加透镜1，使得待测对象的光辐射进入主光路，可以射向光辐射调制装置2’。

图10所示的基于压缩感知的双波长温度场成像设备的第六种实施例为：

当待测对象距离本系统的距离遥远时，在上述各实施例的基础上增加望远镜单元9，以使得待测对象的光辐射能够通过望远镜单元射向光辐射调制装置2’。

在本实用新型的一些实施方式中，所述望远镜单元可以是反射式望远镜、折射式望远镜、折反式望远镜中的任意一种。

在本实用新型的一些实施方式中，所述望远镜单元可以是伽利略望远镜、开普勒望远镜、牛顿望远镜、格里望远镜、卡塞格林望远镜、施密特-卡塞格林望远镜、马克苏托夫-卡塞格林望远镜、多镜面望远镜、双筒望远镜、空间天文望远镜中的任意一种。

本实施例中望远镜单元9采用反射式望远镜，其包括布置于光学成像透镜1和被测物体之间的凹面反射镜9-2和凸面反射镜9-1。凹面反射镜9-2位于凸面反射镜9-1的后方，且凸面反射镜9-1的凸面背向被测物体，凹面反射镜9-2的凹面朝向被测物体。

参照图10，下面介绍一优选实施方式的基于压缩感知的双波长温度场成像设备的工作方式，其具体可以是：

待测对象(例如人体或者电灯，图中未进行标示)的光辐射可以经过望远镜单元9到达透镜1，再射向光辐射调制装置2’。光辐射调制装置2’加载预设的多个掩膜(所述掩根据符合压缩感知理论的RIP条件的测量矩阵变换生成)，并且将接收的光辐射调制反射为双臂方向上的两束光辐射。在双臂中的左臂方向上分别布置有第一滤光元件3-1、第一光强衰减元件3-2、第一会聚元件3-3和第一探测装置3-4。第一束光辐射经过第一滤光元件3-1过滤为波长为第一波长的光，波长为第一波长的光经过第一光强衰减元件3-2进行光强衰减，再经过第一会聚元件3-3进行会聚，第一探测装置3-4在会聚的波长为第一波长的光焦点所在的焦平面处接收波长为第一波长的光来探测波长为第一波长的光的光电信号参量。第一存储装置3-5存储第一光电信号参量。

本设备左右对称设置。同样，在双臂中的右臂方向上分别布置有第二滤光元件4-1、第二光强衰减元件4-2、第二会聚元件4-3和第二探测装置4-4。第二束光辐射经过第二滤光元件4-1过滤为波长为第二波长的光，波长为第一波长的光经过第二光强衰减元件4-2进行光强衰减，再经过第二会聚元件4-3进行会聚，第二探测装置4-4在会聚的波长为第二波长的光焦点所在的焦平面处接收波长为第二波长的光来探测波长为第二波长的光的光电信号参量。第二存储装置4-5存储第二光电信号参量。

温度确定装置5分别接收第一存储装置3-5存储的和第二存储装置4-5存储的波长为第一波长λ₁的光的光电信号参量和波长为第二波长λ₂的光的光电信号参量，并利用压缩感知算法重构出待测对象在两个波长λ₁和λ₂下的的二维图像S₁和S₂。

图像生成装置8反演出待测对象二维红外热图像。

在一些实施例中，为了使过滤后的单波的波长不同，第一滤光元件和所述第二滤光元件为中心波长相差10nm以上的第一窄带滤光片和第二窄带滤光片，所述第一窄带滤光片和第二窄带滤光片的半高宽参数为10nm以上。

因为根据窄带带宽理论，窄带滤光片越窄效果越好；中心波长越接近越好。但是，带宽越窄，与窄带滤光片配合使用的光电信号参量探测元件能探测到的热辐射越少，外加之中心波长接近，对探测器的灵敏度和准确性提出过高的要求，而且此时环境噪声和探测器本征噪声(如暗计数等)也将对系统的测温准确性造成较大影响。所以，在衡量上述优缺点的基础上，经过大量的试验，选用的窄带滤光片的半高宽FWHM一般应在10nm以上，中心波长CWL一般相差10nm以上效果最佳。另外，本设备可以利用不同滤光元件(例如窄带滤光片)进行滤波得到单波光，再将该单波光会聚收集成以供探测器检测，降低了无关光的干扰，提高了采集温度的精度。

在一些实施例中，所述光辐射为红外线光辐射。

在一些实施例中，所述第一和第二点探测器选自近红外、中远红外、远红外波段的外光电效应探测器组、内光电效应探测器组、强光探测器组和弱光探测器组中的任意一种，其中，

所述外光电效应探测器组包括：雪崩二极管、真空光电管、充气光电管、光电倍增管、变像管、像增强器、摄像管；

所述内光电效应探测器组包括：本征型光电导探测器、掺杂型光电导探测器、光磁电效应探测器、光生伏特探测器；

所述强光探测器组包括：内置或者外置有模数转换器的强光探测器；

所述弱光探测器组包括：内置或者外置有计数器的弱光探测器。

在一些实施例中，所述光电信号参量包括光子数、电流值、电压值、电阻值中任意一种。

由此，点探测器可以自由选择各种类型以满足各种需求，增强了产品的通用性能，也便于后期的维护保养。

图11示出了本实用新型一种实施方式的基于压缩感知的双波长温度场成像系统的结构示意图。该图可以有几种变形的实施方式。在此着重描述这些变形方式的不同之处，它们相同或者相似之处不再赘述。

图11所示的基于压缩感知的双波长温度场成像系统的第一种实施例为：

参照图11，该成像系统包括：上述的基于压缩感知的双波长温度场成像设备和定标装置6。

定标装置6可以包括温度可调节的基准光源6-1(例如，可以提供不同功率的灯泡)、扩束准直透镜6-2和分束器6-3。分束器6-3设置在待测对象7和透镜1之间。基准光源6-1、扩束准直透镜6-2和分束器6-3水平共线设置，扩束准直透镜6-2设置在基准光源6-1和分束器6-3之间。其中，基准光源6-1用于在定标阶段将调节的不同温度的光辐射射向光辐射调制装置2’，并由光辐射调制装置2’将接收到的光辐射等分为第一光辐射和第二光辐射，使第一光辐射沿第一路径射出(如左臂方向路径)、第二光辐射沿第二路径(如右臂方向路径)射出，以获取多个第一和第二光电信号参量，并确定调节的不同温度和获取的多个第一和第二光电信号参量的预定关系。扩束准直透镜6-2用于将基准光源的光辐射转化为平行光辐射。分束器6-3用于将扩束准直透镜转化的平行光辐射射向所述光辐射调制装置2’。

在上述定标过程中，标准光源以第一电流、电压、电阻的光线照射扩束准直透镜，通过分束器、透镜到达DMD。保持DMD同一帧光辐射不变，其加载的掩膜为1和0数量相等的0-1矩阵。加载的掩膜中1和0的数量相等。

图11所示的基于压缩感知的双波长温度场成像系统的第二种实施例为：

在图11所示的第一实施例的基础上减少了分束器6-3，该分束器的功能随之减少。但此实施方式仍能解决技术问题，实现相应的技术效果。

图11所示的基于压缩感知的双波长温度场成像系统的第三种实施例为：

在图11所示的第二实施例的基础上减少了扩束准直透镜6-2，该扩束准直透镜的功能随之减少。但此实施方式仍能解决技术问题，实现相应的技术效果。

在上述实施方式中，所述确定调节的不同温度和获取的多个第一和第二光电信号参量的预定关系为：

E_d1(T)_i/E_d2(T)_i＝A’exp(B’/T_di)，

其中，i为1至n的自然数；

A’、B’为预设系数，T_di为第i个基准光源的温度，E_d1(T)_i为第i次定标的波长为第一波长的光的光电信号参量，E_d2(T)_i为第i次定标的波长为第二波长的光的光电信号参量。

由此，本系统可以采用不同功率的标准光源进行试验测温，通过测得多组数据来确定试验中的拟合系数。其中，拟合算法利用已知试验或者真实数据，然后寻找一个模型对其规律进行模拟的过程中，求取模型中未知参数的一个过程。以确保在后期的实际测温过程中根据该拟合系数获取测得的温度。本实施方式通过多次试验测进行试验测温，提高了实际测温的精度。此外，本实施方式利用扩束准直透镜6-2将标准光源的光线变换成平行光，减少了光线因为会聚或者散射引起的误差。利用分束器6-3可以最大程度的将标准光源的光线全部传递至透镜，提高了光线的传递效率。

本领域的技术人员可以理解，可以根据实际测量精度或者特殊需要对上述各元件进行选择配置，或者进行多种组合配置。

由此，本系统通过提供定标装置，可以在正式测温之前，进行试验测温，从而制定标准，使得后面的正式测温可以参考试验测温的数据进行运算，调整测得的温度数据，进一度调高了温度的精度。

本实施方式的测温系统的测温的工作方式可以参照上述的测温设备的描述。需要说明的是，在定标的试验之前，将分束器6-3、扩束准直透镜6-2和标准光源2-1移入系统中，保证分束器6-3的反射方向在透镜1和DMD2-1主轴光路上，保证标准光源的光辐射进入系统的主轴光路，且标准光源与待测对象7所在位置共轭，待定标结束后再将分束器6-3、扩束准直透镜6-2和标准光源6-1移出系统。

以上对本实用新型的各种实施例进行了详细说明。本领域技术人员将理解，可在不偏离本实用新型范围(由所附的权利要求书限定)的情况下，对实施方案进行各种修改、改变和变化。对权利要求范围的解释应从整体解释且符合与说明一致的最宽范围，并不限于示例或详细说明中的实施范例。

Claims (14)

1.一种基于压缩感知的双波长温度场成像设备，其特征在于，包括：

光辐射调制装置，配置为接收待测对象的光辐射，且加载预设的多个掩膜，将接收到的光辐射调制为多束第一光辐射和多束第二光辐射，并使多束所述第一光辐射沿第一路径射出、多束所述第二光辐射沿不同于第一路径的第二路径射出，所述多个掩膜根据符合压缩感知理论的RIP条件的测量矩阵Φ变换生成；

布置在所述第一路径上的第一滤光元件，配置为接收多束所述第一光辐射，并将接收到的第一光辐射过滤为波长为第一波长λ₁的多束光；

布置在所述第二路径上的第二滤光元件，配置为接收多束所述第二光辐射，并将接收到的第二光辐射过滤为波长为第二波长λ₂的多束光；

布置在第一路径上的第一探测装置，配置为接收波长为第一波长λ₁的多束光并将其转换为相应的多个第一光电信号参量；

布置在第二路径上的第二探测装置，配置为接收波长为第二波长λ₂的多束光并将其转换为相应的多个第二光电信号参量；

温度确定装置，配置为接收来自所述第一探测装置和第二探测装置的多个所述第一和第二光电信号参量，并根据多个所述第一和第二光电信号参量与温度的预定关系确定出所述待测对象每一个像素点的温度值；

图像生成装置，配置为根据所述待测对象每一个像素点的温度值以及待测对象的二维图像反演出待测对象的二维红外热图像。

2.根据权利要求1所述的基于压缩感知的双波长温度场成像设备，其特征在于，所述光辐射调制装置加载所述多个掩膜，所述第一探测装置和所述第一探测装置根据所述掩膜探测多个所述第一光电信号参量和所述多个所述第二光电信号参量包括：

提供2^k阶的H_k矩阵，其中2^k-1≥N，N为所述待测对象的总像素数；

删除矩阵H_k的第一行和第一列后得到(2^k-1)×(2^k-1)阶的剩余矩阵H_Ω；

将矩阵H_Ω中所有元素中的-1变为0，所有1保持不变，获得0-1分布的矩阵

以两个2^k-1阶的扩充排列矩阵P和Q打乱2^k-1阶0-1矩阵得到矩阵H₊；

提取上述矩阵H₊中M行，并保留M行中的N列作为随机测量矩阵Φ；

所述光辐射调制装置加载由H₊矩阵的第i行H_+i拉伸变换而得的掩膜，并且所述光辐射调制装置将接收到的光辐射调制为第一光辐射和第二光辐射，所述第一探测装置将所述第一光辐射转换为相应的第一光电信号参量E₁(T)_2i-1，所述第二探测装置将所述第二光辐射转换为相应的第二光电信号参量E₂(T)_2i-1；

所述光辐射调制装置加载由H₊矩阵的第i行的补集H_-i拉伸变换而得的掩膜，并且所述光辐射调制装置将接收到的光辐射调制为第一光辐射和第二光辐射，所述第一探测装置将所述第一光辐射转换为相应的第一光电信号参量E₁(T)_2i，所述第二探测装置将所述第二光辐射转换为相应的第二光电信号参量E₂(T)_2i；

其中，i＝1,2,3,4……M；M/N×100％＝5％～30％。

3.根据权利要求1或2所述的基于压缩感知的双波长温度场成像设备，其特征在于，所述光辐射调制装置包括：

空间光调制器，配置为根据预设矩阵Φ变换生成的多个掩膜，以将接收到的待测对象的光辐射调制为所述第一光辐射和第二光辐射，并使第一光辐射沿第一路径射出、第二光辐射沿不同于第一路径的第二路径射出；

控制元件，配置为控制所述空间光调制器依次加载由所述预设矩阵Φ变换生成的多个掩膜。

4.根据权利要求3所述的基于压缩感知的双波长温度场成像设备，其特征在于，所述空间光调制器为选自数字微镜器件、光强数字调制器或液晶光阀。

5.根据权利要求4中任一项所述的基于压缩感知的双波长温度场成像设备，其特征在于，所述第一探测装置为第一点探测器，所述第二探测装置为第二点探测器，并且

所述基于压缩感知的双波长温度场成像设备还包括布置在所述第一路径上、位于所述第一点探测器与所述空间光调制器之间的第一会聚元件，和布置在所述第二路径上、位于所述第二点探测器与空间光调制器之间的第二会聚元件，

所述第一点探测器位于所述第一会聚元件的光焦点处；

所述第二点探测器位于所述第二会聚元件的光焦点处。

6.根据权利要求5所述的基于压缩感知的双波长温度场成像设备，其特征在于，还包括：

布置在所述第一路径上、位于所述第一点探测器与所述空间光调制器之间的第一光强衰减元件，和

布置在所述第二路径上、位于所述第二点探测器与空间光调制器之间的第二光强衰减元件。

7.根据权利要求1或6所述的基于压缩感知的双波长温度场成像设备，其特征在于，所述第一滤光元件和所述第二滤光元件为中心波长相差至少10nm的第一窄带滤光片和第二窄带滤光片，所述第一窄带滤光片和第二窄带滤光片的半高宽参数至少为10nm。

8.根据权利要求1或6所述的基于压缩感知的双波长温度场成像设备，其特征在于，所述光电信号参量包括光子数、电流值、电压值、电阻值中任意一种。

9.根据权利要求1或6所述的基于压缩感知的双波长温度场成像设备，其特征在于，所述光辐射为红外波段的光辐射。

10.根据权利要求9所述的基于压缩感知的双波长温度场成像设备，其特征在于，

所述第一和第二点探测器选自近红外、中远红外、远红外波段的外光电效应探测器组、内光电效应探测器组、强光探测器组和弱光探测器组中的任意一种，其中，所述外光电效应探测器组包括：雪崩二极管、真空光电管、充气光电管、光电倍增管、变像管、像增强器、摄像管；

所述内光电效应探测器组包括：本征型光电导探测器、掺杂型光电导探测器、光磁电效应探测器、光生伏特探测器；

所述强光探测器组包括：内置或者外置有模数转换器的强光探测器；

所述弱光探测器组包括：内置或者外置有计数器的弱光探测器。

11.一种基于压缩感知的双波长温度场成像系统，其特征在于，包括：

如权利要求1～10中任一项所述基于编码变换的双波长温度场成像设备以及定标装置，

所述定标装置包括温度可调节的基准光源，所述基准光源配置为在一个定标阶段中，将调节成的不同温度的光辐射射向所述光辐射调制装置，由所述光辐射调制装置将接收到的光辐射等分为第一光辐射和第二光辐射，使第一光辐射沿第一路径射出、第二光辐射沿不同于第一路径的第二路径射出，以获取多个第一和第二光电信号参量，并根据所述不同温度与所述第一和第二光电信号参量的计量值，确定出所述第一和第二光电信号参量与温度的预定关系。

12.根据权利要求11所述的基于压缩感知的双波长温度场成像系统，其特征在于，所述确定调节的不同温度和获取的多个第一和第二光电信号参量的预定关系为：

E_d1(T)_i/E_d2(T)_i＝A’exp(B’/T_di)，

其中，i为1至n的自然数；A’、B’为预设系数，T_di为所述基准光源发出的第i个温度，E_d1(T)_i为第i次定标时测得的波长为第一波长的光的光电信号参量，E_d2(T)_i为第i次定标时测得的波长为第二波长的光的光电信号参量。

13.根据权利要求11或12所述的基于压缩感知的双波长温度场成像系统，其特征在于，所述定标装置还包括将基准光源的光辐射转化为平行光辐射的扩束准直透镜。

14.根据权利要求13所述的基于压缩感知的双波长温度场成像系统，其特征在于，所述定标装置还包括将所述扩束准直透镜转化的平行光辐射射向所述光辐射调制装置的分束器。