高动态层析成像测温系统技术方案

本发明专利技术属于火焰测温领域，具体公开了一种高动态层析成像测温系统，高动态层析成像测温系统，由光学成像模块、同步控制电路模块和数据传输模块三部分组成，光学成像模块对被测火焰辐射的光束进行滤波、分光和成像，可将入射光分为四束同等性质的光束并成像。同步控制电路模块是基于FPAG设计的，由于其并行执行命令的性质，基于提供的50Mhz晶振时钟，可实现纳秒级别的同步信号输出，信号通过同轴电缆传输到高速相机，从而实现多个相机同步工作，根据图像的灰度大小并基于普朗克辐射定律将不同切片的温度计算出来，测量的温度更准确。测量的温度更准确。测量的温度更准确。

【技术实现步骤摘要】
高动态层析成像测温系统


[0001]本专利技术属于火焰测温领域，特别是涉及一种高动态层析成像测温系统。

技术介绍

[0002]相比于尾喷焰环境，燃烧室内温度参量的时空演化特性诊断对于固体火箭发动机的结构设计与燃料配方优化具有重要意义。然而，燃烧室内部光学可测试空间受限，且气固两相燃烧介质对光线的散射效应会干扰光线传输方向，导致空间三维定位精度的降低。现有基于多向投影的三维辐射测温方法难以匹配该极端恶劣环境，为此，我们提出在单向投影光路结构上，以层析切片的方法对燃烧室内的温度进行测量。同时，进一步通过光谱滤波的形式来筛选抗散射干扰的波长范围，提高三维测温过程中的空间定位精度。

技术实现思路

[0003]为解决上述技术问题，提出了一种高动态层析成像测温系统，本专利技术的高动态层析成像测温系统能够同时对四个。
[0004]本专利技术保护的技术方案为：高动态层析成像测温系统，包括光学成像模块、同步控制电路模块以及数据传输模块，光学成像模块对被测火焰辐射的光束进行滤波、分光和成像，将入射光分为四束同等性质的光束并成像，同步控制器实现纳秒级别的同步信号输出，信号通过同轴电缆传输到高速相机，从而实现多个相机同步工作，数据传输模块传输数据且将数据存储到PC端；
[0005]所述光学成像模块包括窄带滤波片、近轴滤波、四个分光棱镜和四个高速相机组成，窄带滤波设置在被测火焰辐射前，近轴滤波设置在窄带滤波片后，四个分光棱镜采用级联分光结构将经过近轴滤波后的光束分为四分光出射，四个高速相机分别设置在四个出射口且四个高速相机由同步控制电路模块控制实现同步采集。
[0006]进一步的，所述同步控制电路模块包括LDO电源、FPGA芯片、50Mhz晶振、缓存模块以及LED指示灯，LDO电源与FPGA芯片电连接并为其提供电源，50Mhz晶振为整个系统提供时钟信号，FPGA芯片与缓存模块之间采用电连接，FPGA芯片的四个输出线路上均电连接有LED指示灯。
[0007]进一步的，所述数据传输模块采用PCT
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e数据采集卡。
[0008]进一步的，高动态层析成像测温系统，还包括机械结构，所述机械结构包括底板，四个分光棱镜和四个高速相机均固定设置在底板上，四个分光棱镜整体形状为L形，四个分光棱镜两侧均设置与其形状匹配的L形挡板，L形挡板的顶部固定设置有L形盖板，四个高速相机的外侧固定设置有门形固定架。
[0009]进一步的，所述光学成像模块、同步控制电路模块、数据传输模块以及机械结构封装在壳体内部。
[0010]本专利技术与现有技术相比具有以下优点：本专利技术利用四个分光棱镜和四个相机，获取的是同一燃烧场爆图像，但是他们的离焦程度不同，因而基于离焦程度的差异，并给卷积
和反卷积算法，能够将燃烧场不同位置的切片单独分离出来，以分离出来的切片图像为基础，根据图像的灰度大小并基于普朗克辐射定律将不同切片的温度计算出来，测量的温度更准确。
附图说明
[0011]下面结合附图对本专利技术做进一步详细的说明。
[0012]图1为本专利技术图的硬件结构示意图。
[0013]图2为一体式级联分光结构示意图。
[0014]图3为棱镜分光特性图。
[0015]图4为机械结构的示意图。
[0016]图中，1为底板，2为L形挡板，3为L形盖板，4为门形固定架。
具体实施方式
[0017]为使本专利技术的目的、特征和优点能够明显易懂，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做详细说明。
[0018]为了更好的理解本专利技术算法的原理，下面先对几何重排的3D点云虚拟结构光编码的原理进行简要的说明。
[0019]如图1所示，高动态层析成像测温系统，由光学成像模块、同步控制电路模块和数据传输模块三部分组成，光学成像模块对被测火焰辐射的光束进行滤波、分光和成像，可将入射光分为四束同等性质的光束并成像。同步控制电路模块是基于FPAG设计的，由于其并行执行命令的性质，基于提供的50Mhz晶振时钟，可实现纳秒级别的同步信号输出，信号通过同轴电缆传输到高速相机，从而实现多个相机同步工作。系统在工作时，多个相机同时高速拍照，产生的数据流较大，并且数据的传输和采集是同步的，因此采用PCIE采集卡传输数据且存储到PC端。
[0020]光学成像模块由滤波模块、分光成像模块组成，滤波模块由窄带滤波片和近轴滤波组成，窄带滤波片只允许带宽内的波长通过，而近轴滤波可以滤除大部分自然光的干扰；分光成像模块由四分光棱镜及高速相机组成，分光棱镜可将对应的光谱波段进行四分光，由对应的高速相机进行聚焦成像。
[0021]常用的分光器件主要有分光棱锥、分光棱镜。使用分光棱锥元件进行分光系统的设计，其系统设计较为复杂，且系统为非对称结构，设计时要考虑球差、畸变、场曲等多个因素，而使用分光棱镜作为系统的分光器件，可设计为对称结构，对保持系统的同轴性较为容易，更容易保证光学系统的良好性能。因此本专利技术选用分光棱镜作为分光器件。
[0022]本专利技术的四个分光棱镜采用一体式级联分光结构，采用定制的分光器件，该器件将一级和二级分光结构进行封装，前后级器件的准直性能可以保证，另外在两级分光结构之间填充同样的材料，保证了光束在同一介质内传播。为保证系统的成像质量，选择一体式级联分光结构。
[0023]分光棱镜整体采用光学K9玻璃加工，一束入射光可实现四分光出射，分光面采用了胶合工艺，并且镀了增透膜可减少光束在分光界面的反射，其光谱分光特性如图3所示。根据光谱特性图可知，该棱镜在波长500nm
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550nm的范围内，分光比例较为均匀，几乎是等
比例分光，而大于550nm的波段，分光比例相差较大。光学系统的前置滤波模块，其中心波长为533nm，宽度40nm，因此棱镜的分光性能满足本专利技术系统的要求。
[0024]高速相机采用了德国XIMEA品牌的相机，其型号为MX022CG
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CM
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X2G2
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FL,该设备能够以高帧率对动态目标进行图像信息采集，并提供了外触发接口电路，使用者可以自行开发控制电路，实现多个相机同步工作。
[0025]同步控制电路模块包括LDO电源、FPGA芯片、50Mhz晶振、缓存模块以及LED指示灯，LDO电源与FPGA芯片电连接并为其提供电源，50Mhz晶振为整个系统提供时钟信号，FPGA芯片与缓存模块之间采用电连接，FPGA芯片的四个输出线路上均电连接有LED指示灯。
[0026]同步控制电路模块选用线性稳压电源作为板级电源模块，可以保证同步控制电路的稳定性。采用一颗50Mhz的晶振提供时钟信号，一个时钟节拍为20ns，本专利技术同步控制电路可实现4路脉冲信号的同步输出，在每路信号的输出线路上硬连接了LED指示灯，当该电路进行工作时，指示灯会以相同的频率进行工作。
[0027]数据传输模块使用XIMEA公司设计的专用PCT
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e数据采集卡，型号为EPCIE4XRD本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.高动态层析成像测温系统，其特征在于：包括光学成像模块、同步控制电路模块以及数据传输模块，光学成像模块对被测火焰辐射的光束进行滤波、分光和成像，将入射光分为四束同等性质的光束并成像，同步控制器实现纳秒级别的同步信号输出，信号通过同轴电缆传输到高速相机，从而实现多个相机同步工作，数据传输模块传输数据且将数据存储到PC端；所述光学成像模块包括窄带滤波片、近轴滤波、四个分光棱镜和四个高速相机组成，窄带滤波设置在被测火焰辐射前，近轴滤波设置在窄带滤波片后，四个分光棱镜采用级联分光结构将经过近轴滤波后的光束分为四分光出射，四个高速相机分别设置在四个出射口且四个高速相机由同步控制电路模块控制实现同步采集。2.根据权利要求1所述的高动态层析成像测温系统，其特征在于：所述同步控制电路模块包括LDO电源、FPGA芯片、50Mhz晶振、缓存模块以及LED指示...

【专利技术属性】
技术研发人员：管今哥，马淼，郑永秋，卫娜瑛，岳博坤，张成飞，李楠，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：