DE112014003206B4

DE112014003206B4 - System und Verfahren zur glasfaserbasierten Bilderfassung mit Eignung für den Einsatz in Turbinenmotoren

Info

Publication number: DE112014003206B4
Application number: DE112014003206.9T
Authority: DE
Inventors: Erwan Baleine; Varun A V; Paul J. Zombo; Zubin Varghese
Original assignee: Siemens Energy Inc
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2014-06-09
Publication date: 2023-03-02
Anticipated expiration: 2034-06-10
Also published as: US20150015693A1; US9654741B2; WO2015005999A1; KR20160030269A; KR102255265B1; DE112014003206T5; CN105378539B; CN105378539A

Abstract

System (100, 500) zur Bilderfassung mit Eignung für den Einsatz in einem Turbinenmotor zwecks Online-Zustandsüberwachung, wobei das System (100, 500) Folgendes umfasst:
- eine optische Modulationseinrichtung (102, 502), wobei die Modulationseinrichtung (102, 502) dafür konfiguriert ist, von einem Sichtfeld in einer Objektebene (P_o) empfangenes Licht auf eine Bildebene (P_i) zu projizieren, und wobei die Modulationseinrichtung (102, 502) durch eine erste Übertragungsfunktion (A_i) gekennzeichnet ist,
- einen Bildleiter (104, 504), wobei der Bildleiter (104, 504) eine Reihe von Bildgebungsfasern (402), die fertigungstechnisch Hochtemperaturbedingungen standhalten, umfasst, die angeordnet sind, um ein Bilderfassungsende (104a, 504a) und ein Bildverarbeitungsende (104b, 504b) zu bilden, wobei das Bilderfassungsende (104a, 504a) so angeordnet ist, dass es im Wesentlichen mit der Bildebene (P_i) übereinstimmt, so dass jede Bildgebungsfaser (402) auf einen entsprechenden Bereich innerhalb der Bildebene (P_i) projiziertes Licht erfasst und das Licht zum Bildverarbeitungsende (104b, 504b) überträgt, wobei der Bildleiter (104, 504) durch eine zweite Übertragungsfunktion (A₂) gekennzeichnet ist,
- ein Sensorarray (106, 506), wobei das Sensorarray (106, 506) eine Reihe von Lichtabtastelementen umfasst, die dafür eingerichtet sind, Licht von einzelnen Bildgebungsfasern (402) am Bildverarbeitungsende (104b, 504b) zu empfangen und entsprechende abgetastete Bildsignale in einer Abtastbasis zu erzeugen, und
- eine Signalverarbeitungseinrichtung (108, 508), wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (108, 508) dafür konfiguriert ist, die abgetasteten Bildsignale von der Abtastbasis in eine Darstellungsbasis umzuwandeln und, basierend auf der ersten und der zweiten Übertragungsfunktion (A₁, A₂), daraus eine Reihe geschätzter Bildsignale zu erzeugen, wobei die Darstellungsbasis eine dünnbesetzte Darstellung der abgetasteten Bildsignale relativ zu der Abtastbasis bereitstellt, und wobei ferner die Anzahl der geschätzten Bildsignale größer als die Anzahl der abgetasteten Bildsignale ist.

Description

Die vorliegende, hierin beschriebene Erfindung wurde zumindest teilweise im Rahmen des Advanced Turbine Development Program entwickelt, das unter der Vertragsnummer DE-FC26-05NT42644 zwischen Siemens Energy Incorporated und dem Energieministerium der Vereinigten Staaten von Amerika durchgeführt wurde. Folglich kann die US-Regierung bestimmte Rechte an dieser Erfindung haben.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Bildgebungssysteme. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein System und Verfahren zur glasfaserbasierten Bilderfassung mit Eignung für den Einsatz in einem Turbinenmotor .
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Wie dem Fachkundigen bekannt ist, hat die Glasfasertechnologie die Realisierung der als Industrieendoskope (Boroskope) bekannten Bildgebungssysteme ermöglicht, die in zahlreichen industriellen Anwendungen eingesetzt werden. Solche Bildgebungssysteme stellen Mittel bereit, um interne Strukturen beispielsweise in Industriemaschinen zu untersuchen, die sonst unzugänglich sind und nicht mit Bildgebungsverfahren mit direkter Sichtverbindung untersucht werden können, ohne die Industriemaschine zuvor mühevoll zu demontieren.
Derartige Bildgebungssysteme basieren im Wesentlichen auf einem Faserbündel als Bildleiter. An einem proximalen Ende des Bildleiters fokussiert eine optische Anordnung Licht, das aus einem Bereich von Interesse erfasst wird, auf einer Ebene eines Glasfaserbündels. Das Faserbündel überträgt das Licht vom proximalen Ende zu einem distalen Ende in Form einzelner Bildpunkte, wobei das Faserbündel einen Bildpunkt pro Glasfaser enthält. Am distalen Ende der Bildleitung fokussiert eine weitere optische Anordnung das Licht auf einer Bildebene. Entlang der Bildebene ist ein Satz von Lichtmesselementen, beispielsweise ein Ladungsträger-Speicher (CCD), ein komplementärer Metalloxid-Halbleiter (CMOS), ein fotografischer Film usw., angeordnet, um das auf der Bildebene empfangene Licht abzutasten und ein entsprechendes Bild zu erzeugen. In einem typischen Anwendungsfall wird das proximale Ende des Bildleiters durch eine kleine Öffnung eingeführt, um an einen sonst unzugänglichen Bereich im Inneren einer Maschine oder einer Komponente davon zu gelangen. Derartige Bildgebungssysteme sind dem Fachkundigen gemeinhin bekannt, zum Beispiel diejenigen, die im US-Patent US 5 986 752 A , erteilt an Morito et al, im US-Patent US 4 849 626 A , erteilt an Franklin et al, im US-Patent US 4 281 929 A , erteilt an Lord et al, usw. offengelegt wurden.
Obwohl solche Bildgebungssysteme im Allgemeinen weitgehend verfügbar sind und verschiedene gewünschte Anwendungen zufriedenstellend bedienen, stellt ihre Benutzung bei manchen Anwendungen spezielle Herausforderungen dar. Eine solche Anwendung ist die Online-Zustandsüberwachung in Turbinenmotoren.
In einem typischen Turbinenmotor, auch als Gasturbine oder Verbrennungsturbine bekannt, ist ein vorgeschalteter Rotationsverdichter mit einer nachgeschalteten Turbine gekoppelt, zwischen denen sich eine Verbrennungskammer befindet. Ein kompressorseitig in den Turbinenmotor eintretender Gasstrom wird im vorgeschalteten Verdichter in hohem Maße verdichtet; anschließend gelangt der komprimierte Gasstrom mit hoher Geschwindigkeit in die Verbrennungskammer und es wird Kraftstoff zugeführt und entzündet, um dem Gasstrom zusätzlich Energie zuzuführen; der energieangereicherte Gasstrom treibt schließlich die nachgeschaltete Turbine an.
Solche Turbinenmotoren arbeiten bei sehr hohen Temperaturen, die 1200 Grad Celsius überschreiten können. Außerdem durchquert der Gasstrom den Turbinenmotor mit extrem hoher Geschwindigkeit, und der Turbinenmotor erfährt während des Betriebs starke mechanische Schwingungen, die zu einer hohen mechanischen Beanspruchung führen. Folglich muss ein Bildgebungssystem, das zur Online-Zustandsüberwachung in einer Gasturbine verwendet werden soll, dafür konzipiert sein, den in einer solchen Umgebung auftretenden hohen Belastungen zu widerstehen.
In den vergangenen Jahren wurde intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeit geleistet, um Bildgebungssysteme zu entwickeln, die sich zur Online-Zustandsüberwachung in Turbinenmotoren und anderen derart rauen Umgebungen eignen, und es wurden verschiedene Systeme und Verfahren zu diesem Zweck vorgeschlagen.
Ein solches System und Verfahren kennt man vom US-Patent US 7 486 864 B2 , erteilt an Diatzikis und an Siemens Energy, Inc. Das vorgenannte Patent beschreibt ein Bildgebungssystem umfassend mindestens eine photonische Kristallfaser mit einem Bildgebungsende und einem Verarbeitungsende, eine mit dem Verarbeitungsende der mindestens einen photonischen Kristallfaser funktionsfähig verbundene Kamera und einen mit der Kamera funktionsfähig verbundenen Bildverarbeitungsprozessor. Die photonische Kristallfaser kann eine Saphir-Verkleidung haben und einen Hohlkörper bilden. Das Bildverarbeitungsende der mindestens einen photonischen Kristallfaser kann Licht im Bereich von Interesse erfassen und zur Kamera leiten. Der Prozessor kann basierend auf dem Licht ein Bild erzeugen.
Ein weiteres derartiges System kennt man vom US-Patent US 8 184 151 B2 , erteilt an Zombo et al und an Siemens Energy, Inc. Das vorgenannte Patent beschreibt ein Bildgebungssystem zur Abbildung einer internen Komponente in einem Gasturbinenmotor. Das Bildgebungssystem umfasst ein flexibles Bildgebungsbündel mit einem Bildgebungsende zum Abbilden einer Komponente in einem Heißgaspfad des Motors sowie einem Betrachtungsende, das ein Bild der Komponente an einer vom Heißgaspfad verlagerten Stelle bereitstellt. Das Bildgebungsende umfasst eine Vielzahl von Rezeptorstellen, die eine Bildebene zum Empfangen einer Abbildung der Komponente definieren. Das flexible Bildgebungsbündel definiert eine Vielzahl separater Lichtpfade, die durch eine Vielzahl von optischen Hochtemperaturelementen definiert werden, wobei jeder Lichtpfad einer Rezeptorstelle entspricht. Das Betrachtungsende umfasst eine Vielzahl von Emissionsstellen, wobei jede Emissionsstelle einer Rezeptorstelle entspricht, wobei eine das Betrachtungsende bildende Stelle und Anzahl der Emissionsstellen eine Eins-zu-Eins-Entsprechung mit der Stelle und Anzahl der das Bildgebungsende bildenden Bildgebungsstellen hat, um die Übertragung eines zusammenhängenden Bildes durch das flexible Bildgebungsbündel vom Bildgebungsende zum Betrachtungsende zu bewirken.
Die US2012/0038786A1 offenbart ein System mit einer Lichtmodulationseinheit, einer Vielzahl an Lichtsensoren, einem optischen Subsystem und einem Abtast-Subsystem. Die DE102006004006B3 offenbart ein Verfahren zum Erzeugen eines Hochauflösungsbildes mittels eines Faserbündels aus einer Mehrzahl von Lichtleitern und eines Sensors, der an einer Sensorseite des Faserbündels angeordnet ist, um durch die Lichtleiter geleitetes Licht in aufeinanderfolgenden Bildern aufzunehmen. Die US 2011/0069165 A1 legt ein Bildgebungssystem zum Abbilden einer Komponente in einem Gasturbinentriebwerk mit einem flexiblen Bildgebungsbündel dar. Die WO2008/144831A1 offenbart einen Apparat zur Untersuchung von Gewebe, wobei der Apparat eine Lichtquelle, eine Nadel, einen Abgabelichtsender, einen Sammellichtsender und einen Photodetektor umfasst. Die US2004/0212808A1 offenbart ein optisches Sondensystem, das mit einer optischen Sonde ein Bild einer optisch abgetasteten intrakavitären Region erzeugt.
Trotz signifikanter Fortschritte weisen zahlreiche moderne Industrie-Endoskope verschiedene Nachteile in Bezug auf die Zustandsüberwachung in einem Turbinenmotor auf.
In aktuellen Bildgebungssystemen sind die einzelnen Glasfaserleiter optisch gegenseitig isoliert; jede Glasfaser überträgt Licht, das einem einzelnen Bildpunkt im erfassten Bild entspricht. Um ein Bild mit zufriedenstellendem Auflösungsgrad zu erhalten, muss daher ein Faserbündel mit einer relativ großen Anzahl von Glasfasern verwendet werden. Dies wiederum führt zu einer unerwünschten Gesamtdicke eines in solchen Bildgebungssystemen verwendeten Bildleiters. Folglich bleiben verschiedene erwünschte Bereiche von Interesse in einem Turbinenmotor, beispielsweise Bereiche im Inneren einer Schaufel, weiterhin unzugänglich.
Das Problem eines ungeeigneten Formfaktors verschärft sich bei Bildgebungssystemen, die für die Online-Zustandsüberwachung in Turbinenmotoren konzipiert sind, weil zusätzliche Messungen erforderlich sind, um hohen Temperaturen und anderen schwierigen Umgebungsbedingungen zu standzuhalten. Aus Stabilitätsgründen werden die einzelnen Fasern eines Faserbündels mit speziellen Beschichtungen versehen, was unerwünschterweise keine hohe Packungsdichte der Glasfasern zulässt. Falls es erwünscht ist, die Dicke des Faserbündels klein genug zu halten (z. B. weniger als 8 mm), um beispielsweise durch enge Stellen wie das Innere eines Schaufeleinsatzes zu passen, wird die Anzahl der Glasfasern, die ein Faserbündel enthalten kann, auf wenige Hundert begrenzt. Durch die Begrenzung der Gesamtanzahl von Fasern auf wenige Hundert wird jede Art von Bildgebungsanwendung auf eine sehr geringe Auflösung eingeschränkt.
Angesichts des Vorgenannten gibt es einen Bedarf für ein verbessertes System und Verfahren zur Bilderfassung mit Eignung für den Einsatz in einem Turbinenmotor. Das verbesserte System und Verfahren sollte einen kompakten und dünnen Formfaktor des Systems sowie insbesondere einen darin enthaltenen Bildleiter gewährleisten, so dass der Zugang zu verschiedenen Engstellen in einem Turbinenmotor verbessert wird. Gleichzeitig sollte das verbesserte System und Verfahren die Bilderfassung mit einem zufriedenstellend hohen Auflösungsgrad erleichtern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Systems und eines Verfahrens zur Bilderfassung mit Eignung für den Einsatz in einem Turbinenmotor zwecks Online-Zustandsüberwachung.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Systems und eines Verfahrens zur Bilderfassung mit Eignung für den Einsatz in einem Turbinenmotor, wodurch der Zugang zu verschiedenen Bereiche von Interesse in einem Turbinenmotor verbessert wird.
Eine wiederum weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Systems und eines Verfahrens zur Bilderfassung mit Eignung für den Einsatz in einem Turbinenmotor, wodurch die Auflösung von Bildern und/oder Videosequenzen verbessert wird.
Die vorgenannten Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch ein System und ein Verfahren zur Bilderfassung mit Eignung für den Einsatz in einem Turbinenmotor nach Anspruch 1 bzw. Anspruch 11 gelöst. Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Bildleiters, bestehend aus einer begrenzten Anzahl von Bildgebungsfasern, die fertigungstechnisch Hochtemperaturbedingungen standhalten, und das Implementieren eines Sparse Signal Reconstruction (SSR)-Verfahrens, um ein hochauflösendes Bild und/oder eine Videosequenz eines Bereichs von Interesse innerhalb eines Turbinenmotors zu erzeugen und eine Online-Zustandsüberwachung zu ermöglichen.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System zur Bilderfassung mit Eignung für den Einsatz in einem Turbinenmotor zwecks Online-Zustandsüberwachung bereitgestellt. Das System umfasst eine optische Modulationseinrichtung, einen Bildleiter, ein Sensorarray und eine Signalverarbeitungseinrichtung. Die optische Modulationseinrichtung ist dafür konfiguriert, von einem Sichtfeld in einer Objektebene empfangenes Licht auf eine Bildebene zu projizieren. Die optische Modulationseinrichtung ist durch eine erste Übertragungsfunktion gekennzeichnet. Der Bildleiter hat eine Reihe von Bildgebungsfasern, die fertigungstechnisch Hochtemperaturbedingungen standhalten, und die so angeordnet sind, dass sie ein Bilderfassungsende und ein Bildverarbeitungsende bilden. Das Bilderfassungsende ist dafür eingerichtet, im Wesentlichen mit der Bildebene so übereinzustimmen, dass jede Bildgebungsfaser Licht erfasst, das auf einen entsprechenden Bereich innerhalb der Bildebene projiziert wird. Das vom Bilderfassungsende erfasste Licht wird zum Bildverarbeitungsende übertragen. Der Bildleiter ist durch eine zweite Übertragungsfunktion gekennzeichnet. Das Sensorarray hat eine Reihe von Lichtabtastelementen, die dafür eingerichtet sind, Licht von einzelnen Bildgebungsfasern am Bildverarbeitungsende zu empfangen und entsprechende abgetastete Bildsignale in einer Abtastbasis zu erzeugen. Die Signalverarbeitungseinrichtung ist dafür konfiguriert, die abgetasteten Bildsignale von der Abtastbasis in eine Darstellungsbasis umzuwandeln und, basierend auf besagter erster und zweiter Übertragungsfunktion, daraus eine Reihe geschätzter Bildsignale zu erzeugen, wobei die Darstellungsbasis eine dünnbesetzte Darstellung der abgetasteten Bildsignale relativ zur Abtastbasis bereitstellt, und wobei ferner die Anzahl der geschätzten Bildsignale größer als die Anzahl der abgetasteten Bildsignale ist.
In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bilderfassung mit Eignung für den Einsatz in einem Turbinenmotor zwecks Online-Zustandsüberwachung bereitgestellt. In einem ersten Schritt wird von einem Sichtfeld in einer Objektebene empfangenes Licht durch eine optische Modulationseinrichtung auf eine Bildebene projiziert. Die optische Modulationseinrichtung ist durch eine erste Übertragungsfunktion gekennzeichnet.
Anschließend wird das Licht durch einen Bildleiter übertragen. Der Bildleiter hat eine Reihe von Bildgebungsfasern, die fertigungstechnisch Hochtemperaturbedingungen standhalten, und die so angeordnet sind, dass sie ein Bilderfassungsende und ein Bildverarbeitungsende bilden. Das Bilderfassungsende ist dafür eingerichtet, im Wesentlichen mit der Bildebene so übereinzustimmen, dass auf einzelne Bereiche innerhalb der Bildebene projiziertes Licht, das einzelnen Bildgebungsfasern entspricht, zum Bildverarbeitungsende übertragen wird. Der Bildleiter ist durch eine zweite Übertragungsfunktion gekennzeichnet. Anschließend wird, basierend auf dem von den einzelnen Bildgebungsfasern am Bildverarbeitungsende empfangenen Licht, eine Reihe abgetasteter Bildsignale in einer Abtastbasis erzeugt. Schließlich werden die abgetasteten Bildsignale von der Abtastbasis in eine Darstellungsbasis umgewandelt und, basierend auf besagter erster und zweiter Übertragungsfunktion, eine Reihe geschätzter Bildsignale daraus erzeugt, wobei die Darstellungsbasis eine dünnbesetzte Darstellung der abgetasteten Bildsignale relativ zur Abtastbasis bereitstellt, und wobei ferner die Anzahl der geschätzten Bildsignale größer als die Anzahl der abgetasteten Bildsignale ist.
Somit stellt die vorliegende Erfindung ein System und Verfahren zur Bilderfassung mit Eignung für den Einsatz in einem Turbinenmotor bereit. Gemäß den Verfahren der vorliegenden Erfindung wird ein auf einem Bildleiter mit kompaktem Formfaktor basierendes System erreicht und dadurch der Zugang zu verschiedenen Bereichen von Interesse im Turbinenmotor verbessert. Gleichzeitig ist die Auflösung des gemäß den Verfahren der vorliegenden Erfindung erzeugten Bildes und/oder der Videosequenz mindestens gleich oder größer als diejenige, die mit verschiedenen modernen Lösungen erreicht wird, bei denen die Anzahl der einbezogenen Bildgebungsfasern um mehrere Größenordnungen größer als die Anzahl der in der vorliegenden Erfindung einbezogenen Bildgebungsfasern ist.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die in den verschiedenen Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsformen näher beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Systems zur Bilderfassung mit Eignung für den Einsatz in einem Turbinenmotor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 eine schematische Darstellung von drei verschiedenen Konfigurationen einer codierten Aperturmaske gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
3 eine schematische Darstellung von drei verschiedenen Sichtfeldern, die drei verschiedenen Konfigurationen einer codierten Aperturmaske entsprechen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
4 den Querschnitt eines Bildleiters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
5 eine schematische Darstellung eines Systems zur Bilderfassung mit Eignung für den Einsatz in einem Turbinenmotor gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
6 eine schematische Darstellung einer optischen Filterbaugruppe gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
7 eine schematische Darstellung einer optischen Filterbaugruppe gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
8 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Bilderfassung mit Eignung für den Einsatz in einem Turbinenmotor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
9 ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Bilderfassung mit Eignung für den Einsatz in einem Turbinenmotor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es werden verschiedene Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei sich gleiche Bezugszeichen durchgehend auf entsprechende Elemente beziehen. Zur Erläuterung werden in der folgenden Beschreibung zahlreiche spezifische Details dargelegt, um eine oder mehrere Ausführungsformen vollständig verständlich zu machen. Es kann offensichtlich sein, dass solche Ausführungsformen auch ohne diese Details praktikabel sind.
Die Zustandsüberwachung in Turbinenmotoren ist erforderlich, um potenzielle Probleme im Voraus zu ermitteln und eine präventive Wartung durchzuführen und so den sicheren Betrieb von Turbinenmotoren sicherzustellen. Für eine solche Zustandsüberwachung müssen oft verschiedene interne Komponenten einer Sichtprüfung unterzogen werden, um deren Integrität zu verifizieren. Eine derartige Sichtprüfung wird mit einem System und einem Verfahren zur Bilderfassung durchgeführt.
Obwohl im Rahmen routinemäßiger Wartungsmaßnahmen auch eine Offline-Inspektion durchgeführt werden kann, ist es wünschenswert, eine Online-Zustandsüberwachung im Turbinenmotor während seines Routinebetriebs durchzuführen. Obwohl eine Vielzahl von Strukturen und Materialien verwendet werden können, um bei Stillstand des Turbinenmotors die inneren Komponenten zu überprüfen, gibt es bei der visuellen Zustandsüberwachung während des Betriebs des Turbinenmotors verschiedene Einschränkungen für die Bildgebungssysteme, wie in der vorausgehenden Beschreibung erläutert.
Die vorliegende Erfindung stellt ein System und ein Verfahren zur Bilderfassung mit Eignung für den Einsatz in Turbinenmotoren bereit, bei dem derartige Einschränkungen durch Nutzung von Techniken überwunden werden, die sich auf die Wiederherstellung dünnbesetzter Signale gemäß der Compressed Sensing-Theorie beziehen.
Das komprimierte Abtasten, eine neue Theorie der Signalerfassung, dargelegt von E. Candes, J. Romberg und T. Tao in deren Publikation „Robust uncertainty principles: Exact signal reconstruction from highly incomplete frequency information“, IEEE Transactions on Information Theory, 2004, nutzt die Komprimierbarkeit eines. Datensignals zur Optimierung von Signalerfassungs- und -verarbeitungssystemen. Gemäß dieser Theorie kann ein Signal mit einer dünnbesetzten Darstellung in mindestens einer Basis anhand einer begrenzten Anzahl nichtadaptiver, linearer Messungen in eine andere Basis rekonstruiert werden, solange diese beiden Basen wechselseitig zusammenhanglos sind.
Gemäß der Technik der komprimierten Abtastung ist es erforderlich, dass mittels linearer Funktionale durchgeführte Abtastungen in Form einer Matrix-Multiplikation dargestellt werden können. Ferner sieht die Technik vor, dass eine solche Matrix eine Zufallsmatrix ist, um eine effiziente Signalrekonstruktion mittels geeigneter Algorithmen sicherzustellen. Gemäß der Theorie der komprimierten Abtastung wird ein Signal daher zufällig abgetastet. Nach dem Abtasten wird das Signal unter Verwendung der Zufallsabtastwerte rekonstruiert. Zu diesem Zweck sind bereits verschiedene Rekonstruktionsalgorithmen vorgeschlagen worden, die iterative Optimierungsverfahren umfassen.
Im Allgemeinen haben Bildsignale eine dünnbesetzte Darstellung in einer alternativen Basis, wie beispielsweise die Haar-Wavelet-Transformation, Diskrete Kosinus-Transformation (DCT) und so weiter. Demgemäß wird die Theorie der komprimierten Abtastung genutzt, um eine effiziente Bilderfassung zu erzielen, wie in der folgenden Beschreibung dargelegt.
Bezug nehmend auf 1 wird eine schematische Darstellung eines Systems 100 zur Bilderfassung mit Eignung für den Einsatz in einem Turbinenmotor (nicht gezeigt) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitgestellt.
Zu beachten ist, dass die vorliegende Erfindung zwar im Zusammenhang mit Turbinenmotoren beschrieben wird, verschiedene Verfahren der vorliegenden Erfindung aber auch sofort auf andere Bildgebungsanwendungen anwendbar sind.
Das System 100 umfasst eine optische Modulationseinrichtung 102, einen Bildleiter 104, ein Sensorarray 106 und eine Signalverarbeitungseinrichtung 108. Zusätzlich stellt 1 auch eine Objektebene P_o und eine Bildebene P_i dar. Der Lichtpfad durch das System 100 wird durch gestrichelte Linien, gekennzeichnet als ‚1‘, dargestellt.
Die optische Modulationseinrichtung 102 empfängt das Licht von einem Sichtfeld in der Objektebene P_o und projiziert das Licht auf die Bildebene P_i. Der Bildleiter 104 umfasst eine Reihe von Bildgebungsfasern, die so angeordnet sind, dass sie ein Bilderfassungsende 104a und ein Bildverarbeitungsende 104b bilden. Der Bildleiter 104 überträgt das am Bilderfassungsende 104a empfangene Licht zu einem Bildverarbeitungsende 104b. Das so übertragene Licht geht vom Bildverarbeitungsende 104b aus und wird auf das Sensorarray 106 projiziert. Das Sensorarray 106 umfasst eine Reihe von Lichtabtastelementen, von denen jedes das von einzelnen der Bildgebungsfasern empfangene Licht in entsprechende abgetastete Bildsignale in einer Abtastbasis umwandelt. Anschließend stellt das Sensorarray 106 die abgetasteten Bildsignale der Signalverarbeitungseinrichtung 108 bereit. Die Signalverarbeitungseinrichtung 108 wandelt die abgetasteten Bildsignale von der Abtastbasis in eine Darstellungsbasis um und erzeugt daraus eine Reihe von geschätzten Bildsignalen. Die Darstellungsbasis stellt eine dünnbesetzte Darstellung der abgetasteten Bildsignale relativ zur Abtastbasis bereit. Die Anzahl der so erzeugten geschätzten abgetasteten Bildsignale ist größer als die Anzahl der abgetasteten Bildsignale.
Die optische Modulationseinrichtung 102 kann das darauf einfallende Licht mittels einer Reihe von Mustern modulieren, beispielsweise Arrays von durchlässigen, reflektierenden und/oder intransparenten Bereichen, die einzeln konfigurierbar sind. Die optische Modulationseinrichtung 102 wurde in der begleitenden Abbildung durch gestrichelte Linien dargestellt, um anzudeuten, dass diese Einrichtung für das von der Objektebene P_o empfangene Licht selektiv durchlässig ist. Die optische Modulationseinrichtung ist durch eine erste Übertragungsfunktion gekennzeichnet, wie nachstehend in Verbindung mit einer speziellen Ausführungsform erläutert werden wird.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die optische Modulationseinrichtung 102 eine codierte Aperturmaske 202. Die codierte Aperturmaske ist vorteilhafterweise aus Hochtemperaturmaterialien hergestellt, um der rauen Umgebung im Turbinenmotor standzuhalten. Praktisch erleichtert die codierte Aperturmaske das Ersetzen einer optischen linsenbasierten Anordnung, um das Licht von der Objektebene P_o zu erfassen und auf die Bildebene P_i zu fokussieren.
Eine codierte Aperturmaske ist in der Technik allgemein bekannt dafür, Strahlung in solchen Wellenlängenbereichen zu erfassen, die in der Regel nicht für die Bildgebung mittels Bildgebungssystemen geeignet sind, die auf einer herkömmlichen Linsenbaugruppe basieren.
Die codierte Aperturmaske umfasst ein Array von Aperturen. Jede Apertur erzeugt ein einzelnes Bild des entsprechenden Sichtfelds in der Objektebene P_o auf der Bildebene Pi. Damit entspricht das auf die Bildebene P_i projizierte Licht einer sich überlappenden Reihe von Bildern, die durch einzelne Aperturen gebildet werden. Es ist jedoch möglich, ein Bild des tatsächlichen Sichtfelds mittels eines Rekonstruktionsverfahrens wiederherzustellen, das Informationen in Verbindung mit der räumlichen Anordnung einzelner Aperturen in der codierten Aperturmaske berücksichtigt. In diesem Sinne moduliert die codierte Aperturmaske das von der Objektebene P_o empfangene Licht und erzeugt ein Bild auf der Bildebene Pi.
Mathematisch betrachtet steht ein Intensitätsmuster des Lichts auf der Bildebene P_i mit dem Intensitätsmuster des Lichts auf der Objektebene P_o durch eine erste Übertragungsfunktion A₁ in Beziehung, mathematisch ausgedrückt als: $y = A_{1} x$
wobei x die tatsächliche Lichtintensität in der Objektebene P_o und y die resultierende Lichtintensität in der Bildebene P_i ist.
Wie zuvor angemerkt, erfordert es die komprimierte Abtastung, dass die mittels linearer Funktionale vorgenommene Abtastung in Form einer Matrix-Multiplikation dargestellt werden kann, wobei die Matrix eine Zufallsmatrix sein muss, um eine effiziente Signalrekonstruktion mittels geeigneter Algorithmen sicherzustellen. Die erste Übertragungsfunktion A₁ stellt die erforderliche Zufallsmatrix der Signalerfassung gemäß Verfahren der vorliegenden Erfindung bereit.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die codierte Aperturmaske ein festes Maskenmuster oder eine rekonfigurierbares Maskenmuster oder eine Kombination davon haben.
Die Ausführungsform mit der elektronisch rekonfigurierbaren codierten Aperturmaske wird nun unter Bezugnahme auf die 2 und 3 erläutert.
Bezug nehmend auf 2 wird eine schematische Darstellung von drei verschiedenen Konfigurationen (A, B, C) einer codierten Aperturmaske 202 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. 3 zeigt eine schematische Darstellung von drei verschiedenen Sichtfeldern, die drei verschiedenen Konfigurationen (A, B, C) einer codierten Aperturmaske 202 entsprechen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei dieser Ausführungsform ist die codierte Aperturmaske 202 zumindest in einem Teilbereich rekonfigurierbar. Der rekonfigurierbare Bereich ist in mehrere Unterbereiche unterteilt, von denen jeder einzeln konfigurierbar ist, um Durchlässigkeitseigenschaften in Bezug auf Strahlung innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs zu verändern. Wie in der begleitenden Abbildung gezeigt, stellen weiße Felder durchlässige Unterbereiche dar, während schwarze Felder undurchlässige Unterbereiche innerhalb der codierten Aperturmaske 202 darstellen. Daher ist die erste, mit der codierten Aperturmaske 202 verbundene Übertragungsfunktion A₁ konfigurierbar.
In einem Beispiel ist die codierte Aperturmaske 202 eine Flüssigkristallvorrichtung, die in den Frequenzbändern für sichtbares Licht und Infrarotlicht arbeiten kann. In verschiedenen alternativen Beispielen kann jedoch jeder bekannte moderne, geeignete elektrooptische Modulator verwendet werden, um die codierte Aperturmaske 202 in Abhängigkeit vom Frequenzband einer interessierenden Strahlung zu implementieren. Ferner wird eine geeignete Anordnung bereitgestellt, um Konfigurationen der codierten Aperturmaske 202 gemäß einem in der Technik bekannten, geeigneten Verfahren zu regeln.
Die effektiven Aperturgrößen sowie der Abstand der einzelnen Aperturen in der codierten Aperturmaske 202 können geregelt werden, um die effektive Auflösung der codierten Aperturmaske 202 zu steuern.
Die Fähigkeit, Muster von Aperturen in der codierten Aperturmasken 202 zu rekonfigurieren, gestattet auch die Steuerung des mittels der codierten Aperturmasken 202 erfassten Sichtfelds. Somit können verschiedene Sichtfelder F mittels der codierten Aperturmaske 202 erlangt werden, wie in 3 für drei verschiedene Konfigurationen (A, B, C) der codierten Aperturmaske 202 dargestellt.
Anzumerken ist, dass die vorliegende Erfindung die Verwendung codierter Aperturmasken 202 betrachtet, die für die Bildgebung in verschiedenen Wellenlängenbereichen konfiguriert sind, einschließlich infraroter, sichtbarer und ultravioletter Wellenlängenbereiche für unterschiedliche Anwendungen. Darüber hinaus kann die codierte Aperturmaske 202 für ausgewählte Wellenlängenbereiche innerhalb des sichtbaren Lichtspektrums konfiguriert werden.
Zu beachten ist, dass in der aktuellen Ausführungsform die optische Modulationseinrichtung 102 zwar zwischen Objektebene P_o und dem Bilderfassungsende 104a angeordnet ist, in verschiedenen alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die optische Modulationseinrichtung 102 aber auch hinter dem Bildverarbeitungsende 104b angeordnet sein kann, ohne sonstige Teile des Systems 100 zu verändern. Zudem wurde die codierte Aperturmaske 202 hierin nur als nicht einschränkendes Beispiel für eine optische Modulationseinrichtung 102 erläutert. Beispielsweise kann in einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die optische Modulationseinrichtung 102 mittels einer digitalen Mikrospiegelvorrichtung implementiert sein, die hinter dem Bildverarbeitungsende 104b angeordnet und dafür konfiguriert ist, das davon ausgehende Licht selektiv zum Sensorarray 106 zu reflektieren.
Erneut Bezug nehmend auf 1 ist der Bildleiter 104 so eingerichtet, dass das Bilderfassungsende 104a im Wesentlichen mit der Bildebene P_i übereinstimmend angeordnet ist. Durch diese Anordnung erfasst jede Bildgebungsfaser auf einen entsprechenden Bereich innerhalb der Bildebene P_i projiziertes Licht. Das vom Bilderfassungsende 104a erfasste Licht wird zum Bildverarbeitungsende 104b übertragen. Der Bildleiter 104 ist dadurch eine zweite Übertragungsfunktion A₂ gekennzeichnet, mathematisch ausgedrückt als: $y = A_{2} x$
wobei x die Intensität des auf das Bilderfassungsende 104a tatsächlich auftreffenden Lichts und y die resultierende Lichtintensität am Bildverarbeitungsende 104b ist.
Bezug nehmend auf 4 wird der Querschnitt eines Bildleiters 104 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Der Bildleiter 104 umfasst eine Reihe von Bildgebungsfasern 402 sowie optional eine Reihe von Ausleuchtungsfasern 404. Die Bildgebungsfasern 402 sind dieselben wie die im Zusammenhang mit früheren Abbildungen genannten. Die Ausleuchtungsfasern 404 sind dafür konfiguriert, Ausleuchtungslicht von einer neben dem Bildverarbeitungsende 104b angeordneten Lichtquelle (nicht gezeigt) zu empfangen und das Ausleuchtungslicht zum Bilderfassungsende 104a zu übertragen, um so die Objektebene P_o auszuleuchten.
Ferner werden die optischen Fasern 402, 404 mittels Techniken hergestellt, die für Hochtemperaturanwendungen geeignet sind. In einem Beispiel haben die optischen Fasern 402, 404 eine Metallbeschichtung aus Gold, um die Widerstandsfähigkeit gegenüber den in einem Turbinenmotor vorzufindenden rauen Umgebungsbedingungen zu verbessern.
Es ist zu beachten, dass eine in der begleitenden Abbildung gezeigte spezifische Geometrie und relative Anordnung der optischen Fasern 402, 404 nur beispielhaften Charakter haben. Nach dem Stand der Technik sind mehrere verschiedene relative Anordnungen der Bildgebungsfasern 402 und der Ausleuchtungsfasern 404 allgemein bekannt, so dass eine beliebige geeignete Anordnung gewählt werden kann. Die optischen Fasern 402, 404 und der Bildleiter 104 können auch einen beliebigen Querschnitt haben, der nicht notwendigerweise rund sein muss.
Bei einem Turbinenmotor sind verschiedene Bereiche von Interesse nicht gut ausgeleuchtet, so dass die Bildgebung im Allgemeinen schwierig ist. Bei Verwendung von Ausleuchtungsfasern 404 werden die Lichtbedingungen im Turbinenmotor verbessert, so dass dementsprechend auch die Qualität letztlich erzeugter Bilder und/oder Videosequenzen verbessert wird. Dies ist jedoch ein optionales technisches Merkmal und unter Umständen nicht erforderlich, wenn die Bildgebung beispielsweise ausschließlich im Infrarot-Wellenlängenbereich durchgeführt wird.
Erneut Bezug nehmend auf 1 geht das durch den Bildleiter 104 übertragene Licht vom Bildverarbeitungsende 104b aus und wird auf das Sensorarray 106 projiziert.
Das Sensorarray 106 umfasst eine Reihe von Lichtabtastelementen. Jedes Lichtabtastelement empfängt Licht von einzelnen Bildgebungsfasern 402 am Bildverarbeitungsende 104b und wandelt das so empfangene Licht in entsprechende abgetastete Bildsignale in einer Abtastbasis um. Anschließend stellt das Sensorarray 106 die abgetasteten Bildsignale der Signalverarbeitungseinrichtung 108 bereit.
Der Begriff „Abtastbasis“ bezieht sich auf eine Domäne, in der ein physikalisches Signal abgetastet wird. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist eine Abtastbasis eine zwei- oder dreidimensionale räumliche Domäne, die dem Bereich von Interesse entspricht, welcher mit dem System und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung abgebildet werden soll. Falls die abgetasteten Bildsignale erfasst werden, während aufeinanderfolgende Zeitintervalle gemeinsam betrachtet werden, ist die Abtastbasis eine räumlich-zeitliche Domäne.
Die Lichtabtastelemente in dem Sensorarray 106 werden basierend auf einem Spektralbereich von Interesse ausgewählt. In verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können für den Nahinfrarotbereich und den sichtbaren Bereich Anordnungen von ladungsgekoppelten Vorrichtungen (CCD), komplementären Metalloxid-Halbleitern (CMOS) und so weiter benutzt werden. Ähnlich kann für den Ferninfrarotbereich jedes geeignete Abtastverfahren nach dem Stand der Technik benutzt werden.
Die vorliegende Erfindung betrachtet die Verwendung von Sensorarrays 106, bei denen Lichtabtastelemente für unterschiedliche Spektralbereiche gemeinsam benutzt werden. In einer Ausführungsform sind die unterschiedlichen Spektralbereichen entsprechenden Lichtabtastelemente wahllos angeordnet und bilden ein zweidimensionales Array. In einer alternativen Ausführungsform sind die unterschiedlichen Spektralbereichen entsprechenden Lichtabtastelemente in einzelnen zweidimensionalen Arrays angeordnet, die nebeneinanderliegen können, um ein integriertes Sensorarray mit getrennten Zonen zu bilden, die unterschiedlichen Spektralbereichen entsprechen. Diese Aspekte der vorliegenden Erfindung werden in Verbindung mit den 5 bis 7 ausführlicher erläutert.
Weiterhin Bezug nehmend auf 1 stellt das Sensorarray 106 die abgetasteten Bildsignale der Signalverarbeitungseinrichtung 108 bereit.
Die Signalverarbeitungseinrichtung 108 ist dafür konfiguriert, die abgetasteten Bildsignale zu verarbeiten, um ein gewünschtes Bild und/oder eine Videosequenz des Bereichs von Interesse innerhalb des Turbinenmotors zu rekonstruieren. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die von dem Sensorarray 106 empfangenen abgetasteten Bildsignale analoge Signale. Die Signalverarbeitungseinrichtung 108 wandelt die abgetasteten Bildsignale mittels einem oder zwei Analog-Digital-Wandlern zunächst vom analogen Format in das digitale Format um.
Dazu führt die Signalverarbeitungseinrichtung 108 ein komprimiertes Abtast-Rekonstruktionverfahren aus. Die abgetasteten Bildsignale werden von der Abtastbasis (räumliche oder räumlich-zeitliche Domäne) basierend auf einem Umwandlungsoperator T in eine Darstellungsbasis umgewandelt.
In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Darstellungsbasis eine geeignete alternative Domäne sein, die eine dünnbesetzte Darstellung der abgetasteten Bildsignale relativ zur Abtastbasis bereitstellt. Ein wichtiger Aspekt beim Auswählen der Darstellungsbasis ist, dass die Abtastbasis und die Darstellungsbasis ein zusammenhangloses Basispaar bereitstellen müssen. Anders gesagt müssen die Signaldarstellung in der Abtastbasis und die Darstellung den geringsten Zusammenhang aufweisen. Beispiele für eine solche Darstellungsbasis sind unter anderem, jedoch nicht darauf begrenzt, Haar-Wavelet-Transformation, Diskrete Kosinus-Transformation und so weiter.
Nach der Umwandlung zur Darstellungsbasis wird aus der Reihe abgetasteter Bildsignale basierend auf den besagten ersten und zweiten Übertragungsfunktionen A₁ und A₂ eine Reihe geschätzter Bildsignale erzeugt. Die Anzahl der so erzeugten geschätzten abgetasteten Bildsignale ist größer als die Anzahl der abgetasteten Bildsignale. Somit erleichtern die Verfahren der vorliegenden Erfindung vorteilhaft die Erzeugung eines deutlich höher auflösenden Bildes für eine bestimmte Anzahl von Bildgebungsfasern 402 im Bildleiter 104.
Wie bereits erwähnt sind die optische Modulationseinrichtung 102 durch die erste Übertragungsfunktion A₁ und der Bildleiter 104 durch die zweite Übertragungsfunktion A₂ gekennzeichnet. Jede dieser Übertragungsfunktionen (sowie in ähnlicher Weise optische Übertragungsfunktionen beliebiger anderer im Lichtpfad von der Objektebene P_o zum Sensorarray 106 angeordneter optischer Elemente) wird zur Erzeugung geschätzter Bildsignale berücksichtigt. Die kombinierte Übertragungsfunktion der zwischen der Objektebene P_o und dem Sensorarray 106 angeordneten optischen Elemente kann mit A_c angegeben und mathematisch ausgedrückt werden als: $y = A_{c} x$
wobei x die tatsächliche Lichtintensität in der Objektebene P_o und y die resultierende, von der Sensoranordnung 106 empfangene Lichtintensität ist.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Signalverarbeitungseinrichtung 108 dafür konfiguriert, eine Lösung für ein kombiniertes Minimierungsproblem der L2-Norm von [y-A_C(x)] und der L₁-Norm von T' (x) zu finden, wobei T' einen inversen Umwandlungsoperator bezeichnet. Der Ansatz oben hat jedoch nur beispielhaften Charakter. Die Signalverarbeitungseinrichtung 108 kann die geschätzten Bildsignale basierend auf jedem bekannten Schätzalgorithmus erzeugen, einschließlich, aber nicht begrenzt auf L₀-Minimierung, L₁-Minimierung, gierige Algorithmen, Konvex-Optimierungs-Algorithmen und Viterbi-Algorithmus.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Signalverarbeitungseinrichtung 108 dafür konfiguriert, die erste und die zweite Übertragungsfunktion A₁, A₂ für eine einzelne Objektebene P_o zu bewerten. Die somit basierend auf der ersten und der zweiten Übertragungsfunktion A₁, A₂ erzeugten geschätzten Bildsignale erleichtern die Rekonstruktion eines zweidimensionalen Bildes eines Bereichs von Interesse innerhalb des Sichtfelds.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Signalverarbeitungseinrichtung 108 dafür konfiguriert, mehrere Reihen der ersten und der zweiten Übertragungsfunktion A₁, A₂ für mehrere Objektebenen P_o in unterschiedlicher Tiefe relativ zur Bildebene P_i zu bewerten. Die somit basierend auf mehreren Reihen der ersten und der zweiten Übertragungsfunktion A₁, A₂ erzeugten geschätzten Bildsignale erleichtern die Rekonstruktion eines dreidimensionalen Bildes eines Bereichs von Interesse innerhalb des Sichtfelds.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Signalverarbeitungseinrichtung 108 für eine integrierte Verarbeitung der in aufeinanderfolgenden Zeitinstanzen erzeugten abgetasteten Bildsignale konfiguriert. Die abgetasteten Bildsignale befinden sich daher in einer dreidimensionalen räumlich-zeitlichen Domäne. Die geschätzten Bildsignale werden auf integrierte Weise für aufeinanderfolgende Zeitinstanzen erzeugt, um auf optimale Weise eine Videosequenz zu rekonstruieren.
Bezüglich der Rekonstruktion einer Videosequenz ist anzumerken, dass der Rekonstruktionsprozess in geeigneter Weise mittels Bildkorrelationsverfahren angepasst werden kann, um die Kenntnis vom Pfad eines Bereichs von Interesse zu nutzen und eine noch schnellere Rekonstruktion zu erleichtern, falls ein Bereich von Interesse einer vorgegebenen periodischen Bewegung folgt, wie beispielsweise im Fall eines Rotorblatts.
Bezug nehmend auf 5 wird eine schematische Darstellung eines Systems 500 zur Bilderfassung mit Eignung für den Einsatz in einem Turbinenmotor (nicht gezeigt) gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Beim System 500 sind verschiedene Systemelemente 502 bis 508 mit entsprechenden Systemelementen 102 bis 108 identisch, wie in Verbindung mit 1 erläutert.
Bei dieser Ausführungsform ist eine optische Filterbaugruppe 510 zwischen dem Bildverarbeitungsende 504b und dem Sensorarray 506 angeordnet. Die optische Filterbaugruppe 510 umfasst mehrere Sätze von Filterelementen sowie insbesondere mindestens einen ersten Satz von Filterelementen und einen zweiten Satz von Filterelementen. Jeder Satz von Filterelementen ist in einem bestimmten Wellenlängenbereich durchlässig für Licht. Die optische Filterbaugruppe 510 ist relativ zum Sensorarray 506 angeordnet, so dass eine 1-zu-1-Entsprechung zwischen den Filterelementen und den Lichtabtastelementen aufrechterhalten wird. Somit erzeugt das Sensorarray 106 abgetastete Bildsignale, die mindestens zwei verschiedenen Spektralbereichen entsprechen.
Obwohl mehrere Anordnungen mit unterschiedlicher Entsprechung zwischen dem Bildleiter 504, der optischen Filterbaugruppe 510 und dem Sensorarray 506 möglich sind, werden nun in Verbindung mit den 6 und 7 beispielhafte Anordnungen dargelegt.
Bezug nehmend auf 6 wird eine schematische Darstellung einer optischen Filterbaugruppe 510 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Bei dieser Ausführungsform umfasst die optische Filterbaugruppe 510 ein Array von Filterelementen 602. Bei dem in der begleitenden Figur gezeigten Array von Filterelementen 602 sind der erste Satz von Filterelementen (mit ‚o‘ gekennzeichnet) und der zweite Satz von Filterelementen (als ‚x‘ gekennzeichnet) wahllos angeordnet und bilden ein integriertes zweidimensionales Array. Ferner ist bei dieser Ausführungsform die optische Filterbaugruppe 510 dafür eingerichtet, eine 1-zu-1-Entsprechung mit einzelnen Bildgebungsfasern 402 vorzusehen, so dass von einzelnen Bildgebungsfasern 402 ausgehendes Licht am Bildverarbeitungsende 504b nur einem ersten und einem zweiten Satz von Filtern bereitgestellt wird.
Bezug nehmend auf 7 wird eine schematische Darstellung einer optischen Filterbaugruppe 510 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Bei dieser Ausführungsform umfasst die optische Filterbaugruppe 510 ein Array von Filterelementen 702 sowie eine Strahlteilungsanordnung 704.
Bei dem in der begleitenden Figur gezeigten Array von Filterelementen 702 sind der erste Satz von Filterelementen (mit ‚o‘ gekennzeichnet) und der zweite Satz von Filterelementen (als ‚x‘ gekennzeichnet) in einzelnen zweidimensionalen Arrays angeordnet. Wie gezeigt sind die beiden zweidimensionalen Arrays nebeneinanderliegend angeordnet. Die Strahlteilungsanordnung 704 ist derart, dass vom Bildverarbeitungsende 504b ausgehendes Licht B in eine Vielzahl von Strahlenbündeln B1, B2 geteilt wird. Jedes einzelne Strahlenbündel B1, B2 wird einem der Arrays des ersten und zweiten Satzes von Filterelementen bereitgestellt.
Die begleitende Figur stellt eine Anordnung von Halbspiegeln dar, um die Strahlteilungsanordnung 704 zu implementieren. In verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann jede dem Fachkundigen bekannte geeignete Strahlteilungsanordnung, beispielsweise ein Strahlteilerwürfel, verwendet werden.
Zu beachten ist, dass exemplarisch nur ein erster und einer zweiter Satz von Filterelementen besprochen wurde. In der Praxis kann jede beliebige Anzahl solcher Sätze von Filterelementen verwendet werden, je nachdem, wie viele unterschiedliche Spektralbereiche mittels des von der Objektebene empfangenen Lichts abgebildet werden sollen. Folglich betrachtet die vorliegende Erfindung Arrays von Filterelementen 602, 702, die einzelne Sätze von Filterelementen haben, welche dem Infrarotbereich, dem roten, dem blauen und dem grünen Wellenlängenbereich innerhalb des sichtbaren Spektrums usw. entsprechen.
Erneut Bezug nehmend auf 5 ist die Signalverarbeitungseinrichtung 508 für eine integrierte Verarbeitung der abgetasteten Bildsignale konfiguriert, die verschiedenen Spektralbereichen entsprechen. Die Signalverarbeitungseinrichtung 508 erzeugt geschätzte Bildsignale anhand der abgetasteten Bildsignale entsprechend den Techniken der vorliegenden Erfindung, die weiter oben erörtert wurden. Die so erzeugten geschätzten Bildsignale gestatten die Rekonstruktion eines Multispektralbilds des Sichtfelds in der Objektebene Po.
Bezug nehmend auf 8 wird ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Bilderfassung mit Eignung für den Einsatz in einem Turbinenmotor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt.
In Schritt 802 wird von einem Sichtfeld in einer Objektebene empfangenes Licht durch eine optische Modulationseinrichtung auf eine Bildebene projiziert. Die optische Modulationseinrichtung ist durch eine erste Übertragungsfunktion gekennzeichnet.
In Schritt 804 wird das Licht durch einen Bildleiter übertragen. Der Bildleiter hat eine Reihe von Bildgebungsfasern, die so angeordnet sind, dass sie ein Bilderfassungsende und ein Bildverarbeitungsende bilden. Das Bilderfassungsende ist dafür eingerichtet, im Wesentlichen mit der Bildebene so übereinzustimmen, dass das auf einzelne Bereiche innerhalb der Bildebene, die einzelnen Bildgebungsfasern entsprechen, projiziertes Licht zum Bildverarbeitungsende übertragen wird. Der Bildleiter ist durch eine zweite Übertragungsfunktion gekennzeichnet.
In Schritt 806 wird, basierend auf dem von den einzelnen Bildgebungsfasern am Bildverarbeitungsende empfangenen Licht, eine Reihe abgetasteter Bildsignale in einer Abtastbasis erzeugt.
Bei Schritt 808 werden die abgetasteten Bildsignale von der Abtastbasis in eine Darstellungsbasis umgewandelt und basierend auf den besagten ersten und zweiten Übertragungsfunktionen wird daraus eine Reihe geschätzter Bildsignale erzeugt, wobei die Darstellungsbasis eine dünnbesetzte Darstellung der abgetasteten Bildsignale relativ zur Abtastbasis bereitstellt, und wobei ferner die Anzahl der geschätzten Bildsignale größer als die Anzahl der abgetasteten Bildsignale ist.
Ferner wird in diesem Schritt ein Bild und/oder eine Videosequenz rekonstruiert.
In einer Ausführungsform werden die erste und die zweite Übertragungsfunktion für eine einzelne Objektebene bewertet. Die somit basierend auf der ersten und der zweiten Übertragungsfunktion erzeugten geschätzten Bildsignale erleichtern die Rekonstruktion eines zweidimensionalen Bildes eines Bereichs von Interesse innerhalb des Sichtfelds.
In einer anderen Ausführungsform werden jeweils mehrere Sätze der ersten und der zweiten Übertragungsfunktion bewertet, wobei die verschiedenen Sätze von Übertragungsfunktionen verschiedenen Objektebenen in unterschiedlicher Tiefe relativ zur Bildebene entsprechen. Die somit basierend auf mehreren Reihen der ersten und der zweiten Übertragungsfunktion erzeugten geschätzten Bildsignale erleichtern die Rekonstruktion eines dreidimensionalen Bildes eines Bereichs von Interesse innerhalb des Sichtfelds.
In wiederum einer anderen Ausführungsform werden die abgetasteten Bildsignale während aufeinanderfolgenden Zeitinstanzen erzeugt. Die abgetasteten Bildsignale befinden sich daher in einer dreidimensionalen räumlich-zeitlichen Domäne. Die geschätzten Bildsignale werden basierend auf einer integrierten Verarbeitung der abgetasteten Bildsignale für aufeinanderfolgende Zeitinstanzen erzeugt, um auf optimale Weise eine Videosequenz zu rekonstruieren.
Wie bereits erläutert, ist bezüglich der Rekonstruktion einer Videosequenz anzumerken, dass der Rekonstruktionsprozess in geeigneter Weise mittels Bildkorrelationsverfahren angepasst werden kann, um die Kenntnis vom Pfad eines Bereichs von Interesse zu nutzen und eine noch schnellere Rekonstruktion zu erleichtern, falls ein Bereich von Interesse einer vorgegebenen periodischen Bewegung folgt, wie beispielsweise im Fall eines Rotorblatts.
Bezug nehmend auf 9 wird ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Bilderfassung mit Eignung für den Einsatz in einem Turbinenmotor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Die Schritte 902 und 904 sind mit den in Verbindung mit 8 beschriebenen Schritten 802 und 804 identisch.
In Schritt 906 werden mindestens ein erster Satz von Filterelementen und ein zweiter Satz von Filterelementen bereitgestellt. Der erste und zweite Satz von Filterelementen sind jeweils in einem ersten und einem zweiten Wellenlängenbereich lichtdurchlässig. Das von einzelnen Bildgebungsfasern am Bildverarbeitungsende ausgehende Licht wird unabhängig unter Verwendung von mindestens einem der ersten und zweiten Filterelemente gefiltert, bevor die abgetasteten Bildsignale in Schritt 908 daraus erzeugt werden, so dass die abgetasteten Bildsignale mindestens zwei verschiedenen Spektralbereichen entsprechen. Schritt 908 ist mit dem in Verbindung mit 8 beschriebenen Schritt 806 identisch.
In Schritt 910 wird basierend auf den geschätzten Bildsignalen ein Multispektralbild rekonstruiert, wobei die geschätzten Bildsignale basierend auf einer integrierten Verarbeitung der abgetasteten Bildsignale erzeugt werden, die den verschiedenen Spektralbereichen entsprechen.
Somit stellt die vorliegende Erfindung ein System und ein Verfahren zur Bilderfassung mit Eignung für den Einsatz in einem Turbinenmotor zwecks Online-Zustandsüberwachung bereit.
Die vorliegende Erfindung stellt vorteilhafterweise ein System und ein Verfahren zur Bilderfassung basierend auf einem Bildleiter mit einem kompakten Formfaktor bereit, weil eine relativ kleinere Anzahl von Glasfasern erforderlich ist, wodurch der Zugang zu verschiedenen Bereichen von Interesse im Turbinenmotor verbessert wird. Gleichzeitig wird die Auflösung des resultierenden Bildes und/oder der Videosequenz verbessert.
Obwohl die vorliegende Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf dieses Ausführungsformen beschränkt ist. Im Hinblick auf die vorliegende Offenlegung werden sich dem Fachkundigen zahlreiche Modifikationen und Veränderungen erschließen, ohne von der Wesensart und dem Schutzumfang dieser Erfindung abzuweichen. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird daher durch die folgenden Ansprüche angegeben und nicht durch die vorangegangene Beschreibung. Alle Veränderungen, Modifikationen und Variationen in der Bedeutung und Äquivalenzspanne der Ansprüchen sind daher als in deren Schutzumfang liegend zu betrachten.

Claims

System (100, 500) zur Bilderfassung mit Eignung für den Einsatz in einem Turbinenmotor zwecks Online-Zustandsüberwachung, wobei das System (100, 500) Folgendes umfasst: - eine optische Modulationseinrichtung (102, 502), wobei die Modulationseinrichtung (102, 502) dafür konfiguriert ist, von einem Sichtfeld in einer Objektebene (P_o) empfangenes Licht auf eine Bildebene (P_i) zu projizieren, und wobei die Modulationseinrichtung (102, 502) durch eine erste Übertragungsfunktion (A_i) gekennzeichnet ist, - einen Bildleiter (104, 504), wobei der Bildleiter (104, 504) eine Reihe von Bildgebungsfasern (402), die fertigungstechnisch Hochtemperaturbedingungen standhalten, umfasst, die angeordnet sind, um ein Bilderfassungsende (104a, 504a) und ein Bildverarbeitungsende (104b, 504b) zu bilden, wobei das Bilderfassungsende (104a, 504a) so angeordnet ist, dass es im Wesentlichen mit der Bildebene (P_i) übereinstimmt, so dass jede Bildgebungsfaser (402) auf einen entsprechenden Bereich innerhalb der Bildebene (P_i) projiziertes Licht erfasst und das Licht zum Bildverarbeitungsende (104b, 504b) überträgt, wobei der Bildleiter (104, 504) durch eine zweite Übertragungsfunktion (A₂) gekennzeichnet ist, - ein Sensorarray (106, 506), wobei das Sensorarray (106, 506) eine Reihe von Lichtabtastelementen umfasst, die dafür eingerichtet sind, Licht von einzelnen Bildgebungsfasern (402) am Bildverarbeitungsende (104b, 504b) zu empfangen und entsprechende abgetastete Bildsignale in einer Abtastbasis zu erzeugen, und - eine Signalverarbeitungseinrichtung (108, 508), wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (108, 508) dafür konfiguriert ist, die abgetasteten Bildsignale von der Abtastbasis in eine Darstellungsbasis umzuwandeln und, basierend auf der ersten und der zweiten Übertragungsfunktion (A₁, A₂), daraus eine Reihe geschätzter Bildsignale zu erzeugen, wobei die Darstellungsbasis eine dünnbesetzte Darstellung der abgetasteten Bildsignale relativ zu der Abtastbasis bereitstellt, und wobei ferner die Anzahl der geschätzten Bildsignale größer als die Anzahl der abgetasteten Bildsignale ist.
System (100, 500) nach Anspruch 1, wobei der Bildleiter (104, 504) weiterhin eine Reihe von Ausleuchtungsfasern (404) umfasst, die dafür konfiguriert sind, Ausleuchtungslicht von einer neben dem Bildverarbeitungsende (104b, 504b) angeordneten Lichtquelle zu empfangen und das Ausleuchtungslicht zur Objektebene (P_o) zu übertragen.
System (100, 500) nach Anspruch 1, wobei die optische Modulationseinrichtung (102, 502) elektrisch rekonfigurierbar ist, um das Sichtfeld in der Objektebene (P_o) zu variieren.
System (100, 500) nach Anspruch 1, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (108, 508) dafür konfiguriert ist, die erste und die zweite Übertragungsfunktion (A₁, A₂) für eine einzelne Objektebene (P_o) zu bewerten und basierend auf der ersten und der zweiten Übertragungsfunktion (A₁, A₂) die geschätzten Bildsignale zur Rekonstruktion eines zweidimensionalen Bildes zu erzeugen.
System (100, 500) nach Anspruch 1, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (108, 508) dafür konfiguriert ist, die erste und die zweite Übertragungsfunktion (A₁, A₂) für eine Reihe von Objektebenen (P_o) in unterschiedlicher Tiefe relativ zur Bildebene (P_i) zu bewerten und basierend auf der ersten und der zweiten Übertragungsfunktion (A₁, A₂) die geschätzten Bildsignale zur Rekonstruktion eines dreidimensionalen Bildes zu erzeugen.
System (100, 500) nach Anspruch 1, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (108, 508) dafür konfiguriert ist, die abgetasteten Bildsignale während aufeinanderfolgenden Zeitinstanzen integriert zu verarbeiten und geschätzte Bildsignale für aufeinanderfolgende Zeitinstanzen zu erzeugen, um eine Videosequenz zu rekonstruieren.
System (100, 500) nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine optische Filterbaugruppe (510), die zwischen dem Bildverarbeitungsende (104b, 504b) und dem Sensorarray (106, 506) angeordnet ist, wobei die optische Filterbaugruppe (510) mindestens einen ersten Satz von Filterelementen und einen zweiten Satz von Filterelementen umfasst, wobei der erste und der zweite Satz von Filterelementen in einem ersten bzw. einem zweiten Wellenlängenbereich durchlässig für Licht sind, wobei die optische Filterbaugruppe (510) dafür eingerichtet ist, eine 1-zu-1-Entsprechung zwischen den Filterelementen und den Lichtabtastelementen aufrechtzuerhalten, so dass das Sensorarray (106, 506) abgetastete Bildsignale erzeugt, die mindestens zwei verschiedenen Spektralbereichen entsprechen.
System (100, 500) nach Anspruch 7, wobei der erste und der zweite Satz von Filterelementen wahllos in einem integrierten zweidimensionalen Array (602) in einer 1-zu-1-Entsprechung mit einzelnen Bildgebungsfasern (402) angeordnet sind, so dass von einzelnen Bildgebungsfasern (402) am Bildverarbeitungsende (104b, 504b) ausgehendes Licht einem der ersten und zweiten Sätze von Filterelementen bereitgestellt wird.
System (100, 500) nach Anspruch 7, wobei der erste und der zweite Satz von Filterelementen in einzelnen zweidimensionalen Arrays (702) angeordnet sind, und wobei die optische Filterbaugruppe (510) weiterhin eine Strahlteilungsanordnung (704) umfasst, so dass von dem Bildverarbeitungsende (104b, 504b) ausgehendes Licht in eine Vielzahl von Strahlenbündeln aufgeteilt wird, wobei jedes einzelne Strahlenbündel einem der zweidimensionalen Arrays des ersten und zweiten Satzes von Filterelementen bereitgestellt wird.
System (100, 500) nach Anspruch 7, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (108, 508) dafür konfiguriert ist, die abgetastete Bildsignale, die den unterschiedlichen Spektralbereichen entsprechen, integriert zu verarbeiten und geschätzte Bildsignale zu erzeugen, um ein Multispektralbild zu rekonstruieren.
Verfahren zur Bilderfassung mit Eignung für den Einsatz in einem Turbinenmotor zwecks Online-Zustandsüberwachung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: - Projizieren (802, 902) von Licht, das aus einem Sichtfeld in einer Objektebene (P_o) empfangen wurde, auf eine Bildebene (P_i) durch eine optische Modulationseinrichtung (102, 502), wobei die optische Modulationseinrichtung (102, 502) durch eine erste Übertragungsfunktion (A₁) gekennzeichnet ist, - Übertragen (804, 904) des Lichts über einen Bildleiter (104, 504), wobei der Bildleiter (104, 504) eine Reihe von Bildgebungsfasern (402), die fertigungstechnisch Hochtemperaturbedingungen standhalten, umfasst, die angeordnet sind, um ein Bilderfassungsende (104a, 504a) und ein Bildverarbeitungsende (104b, 504b) zu bilden, wobei das Bilderfassungsende (104a, 504a) angeordnet ist, um im Wesentlichen mit der Bildebene (P_i) übereinzustimmen, so dass auf einzelne Bereiche innerhalb der Bildebene (P_i), die einzelnen Bildgebungsfasern (402) entsprechen, projiziertes Licht zu dem Bildverarbeitungsende (104b, 504b) übertragen wird, wobei der Bildleiter (104, 504) durch eine zweite Übertragungsfunktion (A₂) gekennzeichnet ist, - Erzeugen (806) einer Reihe abgetasteter Bildsignale in einer Abtastbasis basierend auf dem von den einzelnen Bildgebungsfasern (402) am Bildverarbeitungsende (104b, 504b) empfangenen Licht, und - Umwandeln (808) der abgetasteten Bildsignale von der Abtastbasis in eine Darstellungsbasis und Erzeugen einer Reihe geschätzter Bildsignale daraus basierend auf der ersten und der zweiten Übertragungsfunktion (A₁, A₂), wobei die Darstellungsbasis eine dünnbesetzte Darstellung der abgetasteten Bildsignale relativ zu der Abtastbasis bereitstellt, und wobei ferner die Anzahl der geschätzten Bildsignale größer als die Anzahl der abgetasteten Bildsignale ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Bildleiter (104, 504) weiterhin eine Reihe von Ausleuchtungsfasern (404) umfasst, die dafür konfiguriert sind, Ausleuchtungslicht von einer neben dem Bildverarbeitungsende (104b, 504b) angeordneten Lichtquelle zu empfangen und das Ausleuchtungslicht zur Objektebene (P_o) zu übertragen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die optische Modulationseinrichtung (102, 502) elektrisch rekonfigurierbar ist, um das Sichtfeld in der Objektebene (P_o) zu variieren.
Verfahren nach Anspruch 11, weiterhin umfassend das Rekonstruieren eines zweidimensionalen Bildes basierend auf den geschätzten Bildsignalen, wobei die geschätzten Bildsignale basierend auf der ersten und der zweiten Übertragungsfunktion (A₁, A₂), die einer einzelnen Objektebene (P_o) entsprechen, erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, weiterhin umfassend das Rekonstruieren eines dreidimensionalen Bildes basierend auf den geschätzten Bildsignalen, wobei die geschätzten Bildsignale basierend auf der ersten und der zweiten Übertragungsfunktion (A₁, A₂), die einer Reihe von Objektebenen (P_o) in unterschiedlicher Tiefe relativ zu der Bildebene (P_i) entsprechen, erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, weiterhin umfassend das Rekonstruieren einer Videosequenz basierend auf den geschätzten Bildsignalen, wobei die geschätzten Bildsignale für aufeinanderfolgende Zeitinstanzen basierend auf einer integrierten Verarbeitung der abgetasteten Bildsignale erzeugt werden, welche während aufeinanderfolgenden Zeitinstanzen erzeugt wurden.
Verfahren nach Anspruch 11, weiterhin umfassend das Bereitstellen (906) mindestens eines ersten Satzes von Filterelementen und eines zweiten Satzes von Filterelementen, wobei der erste und der zweite Satz von Filterelementen in einem ersten bzw. einem zweiten Wellenlängenbereich durchlässig für Licht sind, und Filtern des von einzelnen Bildgebungsfasern (402) am Bildverarbeitungsende (104b, 504b) ausgehenden Lichts auf unabhängige Weise unter Verwendung mindestens eines der ersten und zweiten Filterelemente, bevor daraus die abgetastete Bildsignale erzeugt werden (908), so dass die abgetasteten Bildsignale mindestens zwei verschiedenen Spektralbereichen entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin umfassend das wahllose Anordnen des ersten und zweiten Satzes von Filterelementen in einem integrierten zweidimensionalen Array (602) in einer 1-zu-1-Entsprechung mit einzelnen Bildgebungsfasern (402), so dass von einzelnen Bildgebungsfasern (402) am Bildverarbeitungsende (104b, 504b) ausgehendes Licht einem der ersten und zweiten Sätze von Filterelementen bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin umfassend das Anordnen der ersten und zweiten Sätze von Filterelementen in einzelnen zweidimensionalen Arrays (702), das Aufteilen des von dem Bildverarbeitungsende (104b, 504b) ausgehenden Lichts in eine Vielzahl von Strahlenbündeln und das Bereitstellen jedes einzelnen Strahlenbündels für eines der zweidimensionalen Arrays (702) des ersten und zweiten Satzes von Filterelementen.
Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin umfassend das Rekonstruieren (910) eines Multispektralbilds basierend auf geschätzten Bildsignalen, wobei die geschätzten Bildsignale basierend auf einer integrierten Verarbeitung der abgetasteten Bildsignale erzeugt werden, die den verschiedenen Spektralbereichen entsprechen.