基于压缩感知的双波长三维温度场成像设备及系统技术方案

本申请提供了一种基于压缩感知的双波长三维温度场成像设备，包括脉冲光源；配置为接收待测对象的光辐射的光辐射调制装置，其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，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；布置在第一路径或者第二路径上的时幅变换器；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、单光子探测技术和时间相关技术相结合，重建出待测对象的三维红外热图像。

【技术实现步骤摘要】

本技术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三维温度场成像设备及系统。
技术介绍
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 ( λ , T ) = 2 πhν 3 c 2 1 e h ν / k T - 1 = 2 πhc 2 λ 5 1 e h c / λ k T - 1 = C 1 λ - 5 ( e C 2 / 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 ( λ , T ) = ϵ ( λ , T ) E 0 ( λ , T ) = ϵ ( λ , T ) C 1 λ - 5 ( e C 2 / 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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于压缩感知的双波长三维温度场成像设备，其特征在于，包括：脉冲光源，配置为向待测对象发射脉冲光；光辐射调制装置，配置为接收经由待测对象的反射的光辐射，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第二光电信号参量；布置在第一路径或者第二路径上的时幅变换器，配置为记录所述第一波长λ1的光或者第二波长λ2的光中的多束光子团到达第一探测装置或第二探测装置的一系列时间戳信息；所述第一探测装置将波长为第一波长λ1的每一束光转换为多个与所述时间戳信息对应的第一光电信号参量；所述第二探测装置将波长为第二波长λ2的每一束光转换为多个与所述时间戳信息对应的第二光电信号参量；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与所述时间戳信息对应的所述第一和第二光电信号参量，并根据多个与所述时间戳信息对应的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在每一个所述时间戳信息时的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在每一个所述时间戳信息时的每一个像素点的温度值以及待测对象在每一个所述时间戳信息时的二维图像反演出待测对象的每一个横截层面的二维红外热图像，且根据待测对象的每一个横截层面的二维红外热图像生成三维红外热图像。...

【技术特征摘要】
1.一种基于压缩感知的双波长三维温度场成像设备，其特征在于，包括：脉冲光源，配置为向待测对象发射脉冲光；光辐射调制装置，配置为接收经由待测对象的反射的光辐射，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第二光电信号参量；布置在第一路径或者第二路径上的时幅变换器，配置为记录所述第一波长λ1的光或者第二波长λ2的光中的多束光子团到达第一探测装置或第二探测装置的一系列时间戳信息；所述第一探测装置将波长为第一波长λ1的每一束光转换为多个与所述时间戳信息对应的第一光电信号参量；所述第二探测装置将波长为第二波长λ2的每一束光转换为多个与所述时间戳信息对应的第二光电信号参量；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与所述时间戳信息对应的所...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞文凯，赵清，葛墨林，翟光杰，姚旭日，刘雪峰，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：新型
国别省市：北京;11