多光谱光场成像系统、三维温度场测量方法及测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种多光谱光场成像系统、三维温度场测量方法及测量系统，多光谱光场成像系统包括：主镜头、微透镜阵列、第一中继镜、二向色镜、第二中继镜、第三中继镜、第一图像传感器、第一滤光片、第二图像传感器及第二滤光片；所述微透镜阵列位于主镜头的像面处；第一中继镜和第二中继镜、第三中继镜分别组成光谱波段一光路上和光谱波段二光路上的1:1中继镜组成像系统；二向色镜与光轴呈45

【技术实现步骤摘要】
多光谱光场成像系统、三维温度场测量方法及测量系统


[0001]本专利技术涉及流体测量
，具体是流体三维温度场的高精度测量。

技术介绍

[0002]涡轮狭窄通道高温燃气三维温度场的高精度测量，对航空发动机涡轮叶片结构优化和性能提升具有重要意义，但其复杂的机械结构严重限制了传统接触式流场测量技术的应用。在非接触式流场温度测量技术中，激光诱导磷光温度测量技术是一种基于磷光热淬灭效应的非接触式光学测温技术，具有光学窗口需求少和不干扰流场结构等优点，在光学窗口受限的复杂三维流场测量方面具有较大的应用潜力。目前比较成熟的激光诱导磷光温度测量方法有绝对强度法、寿命衰减法以及强度比法。其中，强度比法基于磷光光谱强度比与温度的关系进行温度测量，相较于绝对强度法和寿命衰减法，不易受磷光粒子分布不均匀等因素的影响，适用于动态流场的温度场测量。磷光示踪粒子的位置和光谱强度比被用于流场温度场的反演计算，因此，磷光粒子场的多光谱成像以及光谱强度比的求解计算是流场温度测量的关键核心环节。
[0003]针对磷光粒子场的多光谱成像，激光诱导磷光流场温度测量系统主要采用传统成像模式，只能获取焦平面内磷光粒子的多光谱图像，因此只能实现流场二维温度场的瞬时测量，无法获取流场瞬时三维温度场。在计算光学成像技术中，光谱光场成像技术通过耦合光谱、光场成像原理，可以实现三维对象的多光谱光场信息的采集，结合层析重建算法可以实现目标对象三维光谱强度比的重建。因此将光谱光场成像技术与激光诱导磷光强度比法温度测量技术相结合，有望实现流场瞬时三维温度场的测量。
[0004]目前，光谱光场相机系统结构主要有两种：一种是光场相机主镜头光阑通光孔耦合滤光片阵列的光谱光场成像系统，另一种是光场相机图像传感器为RGB相机的光谱光场成像系统。其中，耦合滤光片阵列的光谱光场成像系统存在以下三个问题：
①
由于光阑通光孔被滤光片阵列的各光谱滤光片均分，因此各光谱的光场数据量与光谱数量成反比关系；
②
受限于滤光片阵列的工艺条件，光谱光场相机各光谱子孔径图像交界处存在多光谱数据混叠现象，导致子孔径图像交界处的光谱光场数据失效；
③
成像区域偏离光轴的距离越大，成像系统的像差就越大，光谱子孔径图像的尺寸会随着成像区域位置的改变而变化。耦合彩色RGB相机的光谱光场成像系统存在以下问题：彩色RGB相机中耦合了拜尔滤色镜，只能适用于特定对象多光谱光场数据的采集，适用范围受限。
[0005]经对现有技术检索，中国专利技术专利号为CN201910463400.9，专利技术名称为基于光场相机的高温部件多光谱测温方法及系统，该专利技术方法采用的是光场相机主镜头光阑通光孔耦合滤光片阵列的光谱光场成像系统，此系统结构存在以下四个问题：
①
增加光谱数量的同时，减少了单光谱的光场数据量；
②
由于光谱子图像交界处存在多光谱数据混叠，导致部分图像数据失效；
③
受像差的影响，光谱子孔径图像的尺寸随着成像区域位置的改变而变化；
④
由于多光谱的光场信息成像在同一图像传感器上，光谱数据处理方法复杂，数据处理流程繁琐。
[0006]针对磷光光谱强度比的求解计算，激光诱导磷光流场二维温度场的测量只需将磷光粒子的多光谱图像逐像素取比值，即可计算得到二维平面的磷光光谱强度比。基于光谱光场图像求解计算三维磷光粒子场的光谱强度比，首先需要使用层析重建算法重建三维磷光粒子场的各光谱强度分布，然后通过逐体素取比值的方式，计算得到三维磷光粒子场的光谱强度比。
[0007]经对现有技术检索，中国专利技术专利号为CN201710562875.4，专利技术名称为基于双光场相机的三维流场测试方法。该专利技术通过取解的交集的方式，削弱重建结果的拉伸效应，但该专利技术需要额外增加一台光场相机系统，导致光学窗口需求增多，因此不适用于光学窗口受限的复杂三维流场测量。

技术实现思路

[0008]本专利技术要解决的第一个技术问题是提供一种各光谱的光场数据量不变的多光谱光场成像系统。
[0009]本专利技术要解决的第二个技术问题是提供一种强度重建误差小和重建质量高的三维温度场的测量方法及测量系统。
[0010]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0011]本专利技术首先提供一种多光谱光场成像系统，包括：主镜头、微透镜阵列、第一中继镜、二向色镜、第二中继镜、第三中继镜、第一图像传感器、第一滤光片、第二图像传感器及第二滤光片；所述微透镜阵列位于主镜头的像面处；第一中继镜与微透镜阵列等效面之间的距离为f+F，f为微透镜阵列的焦距，F为第一中继镜的焦距；第一中继镜和第二中继镜、第三中继镜分别组成光谱波段一光路上和光谱波段二光路上的1:1中继镜组成像系统；二向色镜与光轴呈45
°
；第一图像传感器位于第二中继镜的焦平面处，第二图像传感器位于第三中继镜的焦平面处。
[0012]本专利技术还提供一种激光诱导磷光流场三维温度场测量方法，包括：
[0013]获取第一图像传感器和第二图像传感器分别采集的光场图像；
[0014]根据获取的光场图像，得到光场图像对应的三维光谱强度分布；
[0015]根据得到的三维光谱强度分布，采用强度比法得到三维温度分布。
[0016]根据获取的光场图像，得到光场图像对应的三维光谱强度分布，包括：
[0017]根据获取的光场图像，建立目标物体位置、目标物体光谱强度和光场图像之间的对应关系：
[0018][0019]式中，λ表示光谱波长，(m,n)为像素坐标，(i,j,k)为体素坐标，表示λ光谱光场图像(m,n)像素的灰度值，表示(i,j,k)体素的λ光谱强度值，表示(i,j,k)体素对(m,n)像素的灰度贡献值与(i,j,k)体素的λ光谱强度值的比值，即为权系数；
[0020]将控制体三维离散体素按照“先行再列最后纵”的顺序重新排列为体素列向量，则原来任一离散体素(i,j,k)在重新排列的列向量中编号为(k
‑
1)
·
I
·
J+(j
‑
1)
·
I+i；将光场图像的二维离散像素按照“先行再列”的顺序重新排列为像素列向量，则原来任一像素
(m,n)在重新排列的像素列向量中编号为(n
‑
1)
·
M+m；取r＝(n
‑
1)
·
M+m，c＝(k
‑
1)
·
I
·
J+(j
‑
1)
·
I+i，R＝M
·
N，C＝I
·
J
·
K，则控制体体素列向量与光场图像像素列向量之间的对应关系表示为：
[0021][0022]取权系数矩阵为A
λ
，光场图像像素列向量为B
λ
，控制体体素列向量为X
λ
，则本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多光谱光场成像系统，其特征在于，包括：主镜头、微透镜阵列、第一中继镜、二向色镜、第二中继镜、第三中继镜、第一图像传感器、第一滤光片、第二图像传感器及第二滤光片；所述微透镜阵列位于主镜头的像面处；第一中继镜与微透镜阵列等效面之间的距离为f+F，f为微透镜阵列的焦距，F为第一中继镜的焦距；第一中继镜和第二中继镜、第三中继镜分别组成光谱波段一光路上和光谱波段二光路上的1:1中继镜组成像系统；二向色镜与光轴呈45
°
；第一图像传感器位于第二中继镜的焦平面处，第二图像传感器位于第三中继镜的焦平面处。2.一种基于权利要求1多光谱光场成像系统的激光诱导磷光流场三维温度场测量方法，其特征在于，包括：获取第一图像传感器和第二图像传感器分别采集的光场图像；根据获取的光场图像，得到光场图像对应的三维光谱强度分布；根据得到的三维光谱强度分布，采用强度比法得到三维温度分布。3.根据权利要求2所述的激光诱导磷光流场三维温度场测量方法，其特征在于，根据获取的光场图像，得到光场图像对应的三维光谱强度分布，包括：根据获取的光场图像，建立目标物体位置、目标物体光谱强度和光场图像之间的对应关系方程组；基于光场相机相切圆成像区域的特性，通过剔除光场图像无效像素及其对应权系数的方式，实现对上个步骤中建立的对应关系方程组的简化；通过第一次SART算法进行初步重建；使用最大类间方差法，对初步重建的结果进行二值化处理，将低于二值化阈值的体素光谱强度值置零，获得不存在粒子重叠的体素列向量；依据体素列向量编号和体素三维坐标的对应关系，将体素列向量还原为三维体素矩阵，使用高斯拟合求取三维体素矩阵内三维联通体重心所在体素；根据三维连通体的重心，计算三维体素矩阵内所有三维连通体重心所在体素，标记重心所在体素三维坐标，剔除三维体素矩阵中重心所在体素之外的所有体素得到简化的三维体素矩阵，将简化的三维体素矩阵还原为简化的体素列向量，权系数矩阵同步为简化的权系数矩阵，得到简化的光场层析重构方程；对简化的层析重构方程进行第二次SART层析重建，得到目标体素列向量；依据重心体素三维坐标和体素列向量编号的对应关系，将目标体素列向量还原为目标流场控制体三维体素矩阵。4.根据权利要求3所述的激光诱导磷光流场三维温度场测量方法，其特征在于，使用最大类间方差法，对SART算法的初步重建结果进行二值化处理的方法为：假定强度阈值为τ，则初步重建结果的体素光谱强度将被分为A、B两类，其中A大于τ，B小于τ；遍历初步重建结果的体素光谱强度分布，当A、B两类方差最大时，此时强度阈值τ为初步重建结果的二值化阈值。5.根据权利要求3所述的激光诱导磷光流场三维温度场测量方法，其特征在于，建立的目标物体位置、目标物体光谱强度和光场图像之间的对应关系方程组为：
式中，表示λ光谱光场图像(m,n)像素的灰度值，λ表示光谱波长，(m,n)为像素坐标；表示(i,j,k)体素的λ光谱强度值，(i,j,k)为体素坐标；表示(i,j,k)体素对(m,n)像素的灰度贡献值与(i,j,k)体素的λ光谱强度值的比值，即为权系数；将控制体三维离散体素按照“先行再列最后纵”的顺序重新排列为体素列向量，则原来任一离散体素(i,j,k)在重新排列的列向量中编号为(k
‑
1)
·
I
·
J+(j
‑
1)
·
I+i；将光场图像的二维离散像素按照“先行再列”的顺序重新排列为像素列向量，则原来任一像素(m,n)在重新排列的像素列向量中编号为(n
‑
1)
·
M+m；取r＝(n
‑
1)
·
M+m，c＝(k
‑
1)
·
I
·
J+(j
‑
1)
·
I+i，R＝M
·
N，C＝I
·
J
·
K，则控制体体素列向量与光场图像像素列向量之间的对应关系表示为：取权系数矩阵为A
λ
，光场图像像素列向量为B
λ
，控制体体素列向量为X
λ
，则式(2)表示为A
λ
X
λ
＝B
λ
；基于光场相机相切圆成像区域的特性，通过剔除光场图像无效像素及其对应权系...

【专利技术属性】
技术研发人员：许传龙，陈满福，李健，张彪，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：