瞬态温度场测量方法及装置与流程

本发明涉及辐射测温装置领域，具体而言，涉及一种瞬态温度场测量方法及装置。

背景技术：

在冲击波物理研究中，瞬态温度场分布测量方法及系统可用于研究材料冲击温度分布；发现局部热点、局部熔化等现象；验证均匀温度分布假设，改进实验设计等。在惯性约束聚变研究中，瞬态温度场的分布也极其重要。目前，对温度场测量，通过测量等离子体不同位置的光谱分布来推导出温度分布，但是这种方法只能得出静态的测量结果；另外还有通过平面激光诱导荧光技术进行测量，但是这种方法必须注入或选定一种特定的粒子作为检测对象，并不具有普遍性。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种瞬态温度场测量方法及装置，以改善上述问题。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种瞬态温度场的测量方法，包括分光耦合成像系统、相机系统以及计算机系统，所述方法包括：所述分光耦合成像系统接收所述目标发出的辐射光，分割为多个预设波长范围的光束，并将所述多个预设波长范围的光束耦合至所述相机系统，所述多个预设波长范围各不相同。所述相机系统根据预设曝光时间控制所述多个预设波长范围的光束的曝光时间，并将所述多个预设波长范围的光束转换为数字图像输出至计算机系统。所述计算机系统根据接收到的所述数字图像得到所述多个预设波长范围的瞬态灰度图像以及所述瞬态灰度图像的灰度分布情况，根据所述瞬态灰度图像的灰度分布情况，基于标定试验获得每个像素在所述多个预设波长范围下的能量响应线性常数，再灰度值，并根据所述能量响应线性常数以及灰度值计算所述每个像素的温度值，从而获得瞬态温度场分布情况。

第二方面，本发明实施例提供一种瞬态温度场测量系统，包括分光耦合成像系统、相机系统以及计算机系统。所述分光耦合成像系统接收所述目标发出的辐射光，将其分割为多个预设波长范围的光束，并将所述多个预设波长范围的光束耦合至所述相机系统，其中，所述多个预设波长范围各不相同。所述相机系统根据预设曝光时间控制所述多个预设波长范围的光束的曝光时间，并将所述多个预设波长范围的光束转换为数字图像输出至计算机系统。所述计算机系统根据接收到的所述数字图像得到所述多个预设波长范围的瞬态灰度图像以及所述瞬态灰度图像的灰度分布情况，根据所述瞬态灰度图像的灰度分布情况，根据标定实验获得每个像素分别在所述多个预设波长范围下的能量响应线性常数，再获取灰度值，并根据所述能量响应线性常数以及灰度值计算所述每个像素的温度值，从而获得瞬态温度场分布情况。

本发明实施例的有益效果是：

本发明实施例提供的瞬态温度场测量方法及系统，通过分光耦合成像系统将目标的辐射光分为多个预定范围的波长的光束，并通过具有纳秒级门控以及高空间分辨图像点阵的相机系统，测得瞬态温度场的温度分布。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1示出了本发明第一实施例提供的瞬态温度场测量系统的结构示意图；

图2示出了本发明第一实施例提供的分光耦合成像系统的一种具体实施方式的结构示意图；

图3示出了本发明第一实施例提供的像素点阵分布结构示意图；

图4示出了本发明第二实施例提供的瞬态温度场测量方法的步骤流程图。

图标：100-瞬态温度场测量系统；101-目标；211-第一分光镜；213-第一全反射镜；215-第一滤光器；217-第一耦合镜头；221-第二分光镜；223-第二全反射镜；225-第二滤光器；227-第二耦合镜头；231-第三分光镜；233-第三全反射镜；235-第三滤光器；237-第三耦合镜头；245-第四滤光器；247-第四耦合镜头；250-成像镜头；261-第六分光镜；263-第六全反射镜；265-第六滤光器；267-第六耦合镜头；271-第七分光镜；273-第七全反射镜；275-第七滤光器；277-第七耦合镜头；283-第八全反射镜；285-第八滤光器；287-第八耦合镜头；310-像增强器；320-CCD相机；400-计算机系统。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“耦合”应做广义理解，例如，“耦合”可以是直接光耦合，也可以通过中间媒介间接光耦合。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在冲击加载、惯性约束巨变等极端条件下，待测物质的温度高达至几千k甚至几万k，但是却只持续几纳秒或几微妙。

在冲击波物理研究中，瞬态温度二维分布的测量可用于研究材料冲击温度分布，发现局部热点、局部熔化等现象，验证均匀温度分布假设，改进实验等；在惯性约束巨变的研究中，瞬态温度的二维分布也显得极为重要；此外瞬态温度的二维分布还可用于等离子温度的分布测量以及航空航天工业领域中火焰温度的分布测量及材料钛火温度分布的测量等。

但是在实际应用中，一般通过多波长瞬态光学高温计或者红外热像仪来测得温度场，多波长瞬态光学高温计只能用于测量单点温度，而红外热像仪存在时间分辨率过低的缺点。

有鉴于与此，发明人经长期的探究与实验，得出本发明实施例提供的瞬态温度场测量方法及系统。

第一实施例

如图1所示，本发明实施例提供了一种瞬态温度场测量系统100，用于对目标101进行瞬态辐射测温。所述瞬态温度场测量系统100包括分光耦合成像系统、相机系统以及计算机系统400。

其中，所述分光耦合成像系统用于接收目标101发出的辐射光，将其分割为多个预设波长范围的光束，并将所述多个预设波长范围的光束耦合至所述相机系统。

具体地，作为一种实施方式，分光耦合成像系统包括第一分光镜211、第一全反射镜213、第一滤光器215、第一耦合镜头217；第二分光镜221、第二全反射镜223、第二滤光器225、第二耦合镜头227；第三分光镜231、第三全反射镜233、第三滤光器235、第三耦合镜头237；第四滤光器245、第四耦合镜头247以及成像镜头250。

目标101发出的辐射光经所述成像镜头250后，经所述第一分光镜211反射，一部分所述辐射光入射至所述第二分光镜221，经第二分光镜221反射后，一部分经所述第二分光镜221反射的所述辐射光入射至所述第一滤光器215，经第一滤光器215处理为第一预设波长范围的光束，通过第一耦合镜头217会聚到所述相机系统；另一部分经所述第二分光镜221反射的所述辐射光经所述第二全反射镜223反射后，入射至所述第二滤光器225，经第二滤光器225处理为第二预设波长范围的光束，通过第二耦合镜头227会聚到所述相机系统；另一部分所述辐射光经所述第一全反射镜213反射后，入射至所述第三分光镜231，经所述第三分光镜231反射的所述辐射光，一部分经第三分光镜231反射的所述辐射光经所述第三全反射镜233反射至所述第三滤光器235，经第三滤光器235处理为第三预设波长范围的光束，通过第三耦合镜头237会聚到所述相机系统，另一部分经所述第三分光镜231反射的所述辐射光入射至所述第四滤光器245，经第四滤光器245处理为第四预设波长范围的光束，通过第四耦合镜头247会聚到所述相机系统。

其中，第一预设波长范围由第一滤光器215的工作波段决定，第二预设波长范围由第二滤光器225的工作波段决定，第三预设波长范围由第三滤光器235决定，第四预设波长范围由第四滤光器245决定。且第一预设波长范围、第二预设波长范围第三预设波长范围以及第四预设波长范围不尽相同。

当然，在其他应用本方案的实施例中，可根据实际的需要和系统配置选择具体的波长的数量。例如，将目标101的辐射光分为经分光耦合成像系统处理后分为三路光束。

具体地，在这种实施方式中，请参见图2，分光耦合成像系统包括第六分光镜261、第六全反射镜263、第六滤光器265、第六耦合镜头267；第七分光镜271、第七全反射镜273、第七滤光器275、第七耦合镜头277；第八全反射镜283、第八滤光器285、第八耦合镜头287。

目标101发出的辐射光经所述成像镜头250后，经所述第六分光镜261反射，一部分所述辐射光入射至所述第六全反射镜263，经第六全反射镜263反射后，入射至所述第六滤光器265，经第六滤光器265处理为第六预设波长范围的光束，通过第六耦合镜头267会聚到所述相机系统；另一部分所述辐射光经所述第七全反射镜273反射后，入射至所述第七分光镜271，经所述第七分光镜271反射的所述辐射光，一部分经第七分光镜271反射的所述辐射光经所述第八全反射镜283反射至所述第八滤光器285，经第八滤光器285处理为第八预设波长范围的光束，通过第八耦合镜头287会聚到所述相机系统，另一部分经所述第七分光镜271反射的所述辐射光入射至所述第七滤光器275，经第七滤光器275处理为第七预设波长范围的光束，通过第七耦合镜头277会聚到所述相机系统。

进一步地，滤光器可以为滤光片，滤光片上通过镀有不同的介质膜，以实现分别提取不同中心波长的光信号。如果要提取相同中心波长的光信号，也可以在不同反射面镀相同的介质膜。进一步地，滤光器也可以为气体或溶液制成的滤光器。优选的，本实施例中，滤光器的光片截止区应覆盖相机系统的波长响应范围，中心波长按测温范围和相机系统的波长响应范围合理确定，通带宽度在5nm－100nm之间优化选择。

本实施例中，分光镜用于将目标101发出的辐射光分为两束光。透过分光镜的辐射光与由分光镜反射的辐射光的能量比由具体使用的分光镜的透过率与反射率之比决定。例如，分光镜可以为高阻硅片、半透半反镜等。优选的，透过分光镜的辐射光与由分光镜反射的辐射光的能量相等，即分光镜的透过率与反射率之比优选为1:1。

当然，在本发明实施中，还可以用分幅棱镜以及反射镜代替分光镜。例如，要将目标101的辐射光经过处理得四辐数字图像，需要一块分幅棱镜和四块反射镜。光线从成像镜头250的入射面反射至分辐棱镜。经分幅棱锥的四个反射面分为四路光线后，分别反射至四个反射镜，经四个反射镜分别反射至四个滤光器之后，在通过四个耦合镜头耦合至相机系统。

耦合镜头为具有会聚功能的透镜。可以为球面透镜，也可以为非球面透镜。例如，在本发明实施例中，耦合透镜可以为凸透镜或具有消色差功能的透镜组。

在本发明实施例中，相机系统用于根据预设曝光时间控制所述多个预设波长范围的光束的曝光时间，并将所述多个预设波长范围的光束转换为数字图像输出至计算机系统400。可以为增强电荷耦合相机(Intensified Charge-coupled Device，ICCD)，ICCD相机包括像增强器310以及电荷耦合相机(Charge-coupled Device，CCD)相机320。CCD探测器阵列按工作波段可分为：可见光CCD探测器阵列、红外CCD探测器阵列和紫外CCD探测器阵列。因此，当目标101发出的辐射光的波段范围是可见-红外波段范围内时，本实施例采用的CCD探测器阵列包括可见光CCD探测器阵列和红外CCD探测器阵列。例如，可见光CCD探测器阵列的工作波段可以为400～1000nm，红外CCD探测器阵列的工作波段可以为700～1000nm、1000～3000nm等。

进一步地，为了提高CCD相机320采集到的辐射通量，以便于目标101的瞬态温度的获取，ICCD相机还包括像增强器310。所述像增强器310根据预设曝光时间控制曝光时间，将所述预设波长范围的光束增强。

具体地，像增强器310用于将第一耦合镜头217输出的第一预设波长范围的辐射光、第二耦合镜头227输出的第二预设波长范围的辐射光、第三耦合镜头237输出的第三预设波长范围的辐射光以及第四耦合镜头247输出的第四预设波长范围的辐射光增强后，输出至CCD相机。

像增强器310设置在所述第一耦合镜头217与所述CCD相机320、第二耦合镜头227与所述CCD相机320、第三耦合镜头237与所述CCD相机320以及第四耦合镜头247与所述CCD相机320之间的光传播路径中。入射到第一耦合镜头217的所述辐射光，经第一滤光器215处理为第一预设波长范围的光束后由第一耦合镜头217会聚到像增强器310，经像增强器310放大后入射到CCD相机320。像增强器310对其他预设波长范围的光束的处理与此类似，这里不再一一赘述。

所述CCD相机320将预设波长范围的光束转换为电荷，并将所述电荷转换为数字图像输出至计算机系统400。

进一步地，相机系统还可以为光电分幅相机，用于瞬态温度场随时间变化的过程测量，测量幅数由光电分幅相机的幅数决定。

进一步地，相机系统还可以为高速数字摄像机，用于快速过程的温度场随时间变化的过程的连续测量，其时间分辨率和空间分辨率由高速数字摄像机的性能决定。

计算机系统400根据接收到的所述数字图像得到所述多个预设波长范围的瞬态灰度图像以及所述瞬态灰度图像的灰度分布情况，根据所述瞬态灰度图像的灰度分布情况，通过标定实验，获得每个像素在所述多个预设波长范围下的能量响应线性常数，再根据所述瞬态灰度图像获取灰度值，根据所述能量响应线性常数以及灰度值计算所述每个像素的温度值，从而获得瞬态温度场分布情况。

具体地，可根据普朗克算法计算所述每个像素的温度值，其中，普朗克算法为：

可知，j_i(λ_i,T11)＝A_λi11/K_λi11，式中，λ表示波长，K为能量线性常数，A表示灰度值，i表示像素位置。

式中λ、K、A、i均为量，带入公式j_i(λ_i,T11)＝A_λi11/K_λi11中，即可得知每个像素的温度值，从而获得瞬态温度场分布情况。

为了清楚说明以上算法，将举例说明：

请参见图3，以每幅像的左上角第一个像素X11为例，其对应的四个波长λ1、λ2、λ3、λ4下,图像灰度值分别为A_λ111、A_λ211、A_λ311和A_λ411；对应的能量响应线性常数为K_λ111、K_λ211、K_λ311和K_λ411。则X11对应的温度T11可用A_λ111、A_λ211、A_λ311和A_λ411及K_λ111、K_λ211、K_λ311和K_λ411通过最小二乘法拟合一条普朗克曲线获得，最终得出j_i(λ_i,T11)＝A_λi11/K_λi11。

本发明实施例提供的瞬态温度场测量方法，使用像增强器310控制开门时刻和门宽可精确同步瞬态过程并使温度场的时间分辨力提高到纳秒量级；此外，通过使用CCD相机320记录多幅单色图像，可获得温度场的二维分布，空间分辨力提高到微米量级。

第二实施例

请参见图4，为本发明实施例提供的瞬态温度场测量方法的步骤流程图。应用于瞬态温度场测量系统100，所述瞬态温度场测量系统100包括分光耦合成像系统、相机系统以及计算机系统400。所述方法包括：

步骤S510，所述分光耦合成像系统接收所述目标101发出的辐射光，分割为多个预设波长范围的光束，并将所述多个预设波长范围的光束耦合至所述相机系统，所述多个预设波长范围各不相同。

作为一种实施方式，以将目标101发出的辐射光分为四路预设波长范围的光路为例，对此步骤进行说明。

具体的，分光耦合成像系统包括成像镜头250、分光镜、反射镜、滤光器，分光镜包括第一分光镜211、第二分光镜221以及第三分光镜231。全反射镜包括第一全反射镜213、第二全反射镜223以及第三全反射镜233。滤光器包括第一滤光器215、第二滤光器225、第三滤光器235以及第四滤光器245。

目标101发出的辐射光经所述成像镜头250经所述第一分光镜211反射后，一部分所述辐射光入射至所述第二分光镜221，经第二分光镜221反射后，一部分经所述第二分光镜221的所述辐射光入射至所述第一滤光器215，经第一滤光器215处理为第一预设波长范围的光束，会聚到所述相机系统，另一部分经所述第二分光镜221反射的所述辐射光经所述第二反射镜反射后，入射至所述第二滤光器225，经第二滤光器225处理为第二预设波长范围的光束，会聚到所述相机系统；另一部分所述辐射光经所述第一全反射镜213反射后，入射至所述第三分光镜231，经所述第三分光镜231反射的所述辐射光，一部分经第三分光镜231反射的所述辐射光经所述第三反射镜反射至所述第三滤光器235，经第三滤光器235处理为第三预设波长范围的光束，会聚到所述相机系统，另一部分经所述第三分光镜231反射的所述辐射光入射至所述第四滤光器245，经第四滤光器245处理为第四预设波长范围的光束，会聚到所述相机系统；其中，所述第一预设波长范围的光束、第二预设波长范围的光束、第三预设波长范围的光束以及第四预设波长范围的光束的各不相同。

步骤S520，所述相机系统根据预设曝光时间控制所述多个预设波长范围的光束的曝光时间，并将所述多个预设波长范围的光束转换为数字图像输出至计算机系统400。

作为一种实施方式，相机系统可以为ICCD相机，包括像增强器310以及CCD相机320。

所述像增强器310根据预设曝光时间控制曝光时间，将所述预设波长范围的光束增强。

所述CCD相机320将所述预设波长范围的光束转换为电荷，并将所述电荷转换为数字图像输出至计算机系统400。

步骤S530，所述计算机系统400根据接收到的所述数字图像得到所述多个预设波长范围的瞬态灰度图像以及所述瞬态灰度图像的灰度分布情况，根据所述瞬态灰度图像的灰度分布情况，通过标定实验获得每个像素在所述多个预设波长范围下的能量响应线性常数，再进行一次实验获得灰度值，并根据所述能量响应线性常数以及灰度值计算所述每个像素的温度值，从而获得瞬态温度场分布情况。

其中，普朗克算法为：

可知，j_i(λ_i,T11)＝A_λi11/K_λi11，式中，λ表示波长，K为能量线性常数，A表示灰度值，i表示像素位置。

综上所述，本发明实施例提供的瞬态温度场测量方法及系统，用于测量瞬态温度场的二维温度分布。

若相机系统为ICCD相机，可通过像增强器310的纳秒级门控和CCD相机320的高空间分辨图像点阵，获得瞬态过程温度场的多幅单色图像，克服了多波长瞬态光学高温计只能测量单点温度的缺点及红外热像仪时间分辨力过低的缺点。像增强器310控制开门时刻和门宽可精确同步瞬态过程并使温度场的时间分辨力提高到纳秒量级；CCD相机320可获得温度场的二维分布，空间分辨力提高到微米量级。

若相机系统为光电分幅相机，可获得多个时刻的温度场分布情况，从而获得瞬态过程的温度场变化情况。

若相机系统为高速数字摄像机，可用于快速过程的温度场随时间变化的过程的连续测量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。