一种基于数字微镜的多光谱测温装置的制作方法

本发明涉及一种多光谱测温装置，适用于火炸药燃烧和爆炸火焰辐射温度测量。

背景技术：

温度是最重要物质状态参数之一，温度测控在国防工业、科学实验及生产生活中具有十分重要的作用，特别是在高温、超高温的测量在航空、航天、兵器、材料及能源等领域中占有极重要地位。由于非接触测温法具有响应速度快、测温无上限、不影响被测物体温度场等优势使之相比于接触测温法更适合测量快速变化的高温测量，且随着电子技术的发展，非接触测温法已经成为测量燃烧和爆炸温度的主流方法。其中，辐射测温法应用最为广泛，从测量原理角度出发，主要有单色高温计、双谱线温度计、比色高温计、红外热像仪及基于ccd(电荷耦合器件)成像技术的多谱段辐射测温装置等应用于燃烧和爆炸场合的温度测量中。

单色温度计结构简单，最早出现于爆炸领域辐射测温，它是利用滤光片使得只有某个指定波长的能量能进入光电倍增管，所以测得的温度实际上是被测物体的亮温。若想得到被测物体的真温，则需要估计被测物体的发射率，而这种通过估计方法得到的被测物体的发射率具有较大误差，使所测量物体的真温同样具有较大偏差。双谱线温度计是利用原子发射光谱进行测温的，为保证爆炸过程中含有铜原子的发射光谱线，需在被测物中加入微量铜粉，爆炸将铜粉被激发为高温原子，通过望远系统收集爆炸的光，经过一分为二的光纤束分别将光传至不同波长的两片铜谱线滤光片，再经两个相同的光电倍增管传递至数据采集系统，通过数据处理计算得出被测物体的温度。应用双谱线温度计测得的是物体在爆炸过程中的激发温度，激发温度和真实温度在概念和数值上均不等同。比色温度计与双谱线温度计结构相似，均为在一个高温计中制造两个光谱通道，通过对两个通道的光谱信息计算得出物体的温度。但是两者的原理和计算方法有着很大的不同。比色温度计假定被测物体是灰体，即发射率不受工作波长的影响，只与温度有关。但在实际情况中，物体发射率受波长的影响较大，可视为灰体的物体极少，所以应用此方法对爆炸温度进行测量势必引入较大误差；同时，该方法测得的温度为亮温，而非真温。红外热像仪具有面成像、数据信息量大的优点被应用于温度测量中，在研究炸药爆炸火团扩温度散方面具有其他高温计不可比拟的优势。但该方法测得的温度为亮温，并未能解决发射率未知的条件下物体真温测量的问题。

随着ccd生产技术的提高，研究人员以rgb彩色ccd作为图像传感器，将ccd成像技术与多光谱测温技术结合，提出了ccd多光谱辐射测温法。由于通道的选择并不是针对辐射测温的要求来决定，对于高温火焰，由于亮度太高，会导致ccd势阱中的电荷饱和并出现电荷“溢出”现象，单色辐射亮度和ccd三色通道输出信号的一一对应关系就会遭受破坏。ccd的响应曲线受带宽的限制和被测物体光谱发射率的影响较严重，仪器标定较困难，测量精度较低。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于数字微镜(digitalmicromirrordevice，dmd)的多光谱测温装置，以克服现有辐射温度测量装置由于火炸药燃烧和爆炸火焰光谱发射率的影响等因素造成真实温度不能获得之不足。

本发明实现过程如下：

一种基于数字微镜的多光谱测温装置，包括光学探测单元、光纤转接法兰、dmd光谱仪和上位机。

所述的光学探测单元，为了实现其耐高温和冲击，采用三段结构设计，整体采用不锈钢材质；首先，光纤头部与压块螺纹连接，聚焦透镜夹在其中；然后，压块与连接块(8)螺纹连接，上下垫有石墨垫圈的蓝宝石台阶窗片、压块连接件夹在其中；最后，垫有金属垫圈的连接块与样品管上的平凸台螺纹连接；前端使用蓝宝石台阶窗片与燃烧和爆炸现场直接接触。

所述的dmd光谱仪，包括入射光纤及其接口、狭缝－光阑、准直透镜－滤光片、光栅、成像透镜、dmd、聚焦透镜及探测器。其中：

入射光纤由多根细光纤成单列排列而成，另一端呈圆形排列，有效增大输入光的能量；入射光纤接口选用带安装法兰的光纤适配器，入射光纤通过螺纹固定连接在光谱仪上，并且通过安装螺钉可以实现光纤位置的微调，确保了光纤发出的光无衰减地沿光轴入射到狭缝，并使光纤和狭缝的位置对正；

狭缝尺寸小，精度要求高，采用光刻方式精密加工；装调时，狭缝首先通过自身的定位孔定位在框架上，然后利用压片进行固定；同时，为了有效消除杂散光和干扰光谱，在狭缝后面增设了光阑；

准直透镜与成像透镜皆为非球面，且均镀有双面增透膜，以减少透镜表面反射及系统杂散光，形成良好的分辨率，并可获得较小的收光孔径；非球面镜通过隔圈和压环安装固定在镜筒中，镜筒底座上设计有长销孔，以方便非球面镜组沿光轴方向进行调整，同时，为了减小装配应力，避免元件发生变形，在透镜与压圈间添加了弹簧隔圈，为了方便非球面镜装调完成后的固定，在镜筒上开有注胶孔；

在准直透镜后面设置了长波通滤光片，工作波长以外的光被有效截止；为了发挥滤光片的滤除不相关干扰光的作用，安装时需与非球面准直透镜有个夹角，在结构上用定位螺栓来实现其定位和固定，滤光片利用弹性压环固定；

分光元件光栅选用高品质的反射式刻线光栅，镀铝膜，其表层刻出平行刻线，由工作波段、光谱区域和分辨率等要求确定光栅常数及工作波段内反射率；光栅在dmd光谱仪机箱中的位置与光轴偏转一定角度，且该角度可微调；在其结构设计时，为了确保稳定性和抗震性，直接将光栅安装固定在了安装座上，除了与光轴偏转的角度外，不设置其它角度调整环节，用机械加工精度予以保证；

dmd根据工作波段、光谱区域和分辨率等要求配置数十万个不等的微镜，每个微镜在静电驱动电路作用下可以绕对称轴偏转为开或关状态；在光学系统中dmd表面即为系统的理论焦平面，由于dmd需要控制电路驱动，为了便于调试，将dmd模块与其控制模块固定在底座上，通过对底座的调整来完成dmd在光谱仪机箱中的位置调整；利用fpga等对dmd进行了后续编程改造，开发形成了适用于本光谱仪具有编码信号控制、图案存储、串口接口等功能的独立应用器件；

经过dmd波长选通之后的光由透镜聚焦在近红外探测器上；

dmd光谱仪整个仪器采用固定底板和各分组件一体化的机械框架，即各组件装调完毕后，再通过定位销钉和高强度螺钉定位、固定在底板上；这样可以有效减少由于安装件之间的连接造成的不稳定，也方便各组件间空间位置的调整，确保了各组件间的正确位置关系，提高了光谱仪整体结构的抗震性；另外，为了减少仪器的杂散光，所有内部结构件都做了染黑处理，镜筒内部车有消光螺纹；外壳体采用了台阶式配合方式，在减少了外界杂散光干扰的同时提高了仪器的密封性，具有很好的防潮、防尘效果；设计的dmd光谱仪具有较强的环境适应性，结构更加紧凑、稳定；

所述的上位机，核心器件为高速光谱并行处理电路，包括前置放大及信号调理阵列、数据采集处理模块。其中，前置放大及信号调理阵列实现对探测器弱电流的i－v转换和放大、滤波等硬件处理，得到高信噪比的无失真光谱强度信号，弱信号处理中带宽和增益的优化、噪声的抑制以及多通道之间的参数一致性问题得到解决；数据采集处理模块主要实现光谱模拟信号的ad转换、数据采集、汇总、存储及读出等功能；针对高精度测量需求，选用分辨率大于16bit、采样率不低于10msps的adc，46通道依据同步信号，并行完成模数转换；利用fpga并行处理的优势，在其内部设计多通道数据读取模块和数据存储模块，将所有adc数据并行读取后进行数据分块，根据实际数据流速度增减外部存储设备，实现高速数据流的并行写入；通过通用接口实现数据读出功能；

所述的一种基于数字微镜的多光谱测温装置，其dmd光谱仪集成于光谱仪机箱内部，上位机的核心器件高速光谱并行处理电路集成于上位机箱内，光学探测单元外置并靠近于燃烧和爆炸现场，由光纤转接法兰转接的两段光纤与dmd光谱仪连接；两段光纤的设计，一方面便于更换光学探测单元，另一方面使探测主机远离燃烧和爆炸现场，保证仪器与人员的安全。

所述的一种基于数字微镜的多光谱测温装置，其测温依据的基本原理是黑体辐射定律。对于理想黑体而言，辐射光谱是波长与温度的函数，对于非理想黑体，物体的辐射光谱e(λ,t)等于理想黑体的辐射光谱eb(λ,t)与物体发射率ε(λ,t)的乘积：

e(λ,t)＝ε(λ,t)eb(λ,t)(1)

而在限定的波长范围δλ内可以将ε(λ,t)以有限项级数展开成多项式：

因此，辐射光谱可写成以下形式：

该方程有共计n+2个未知数，因此需要测量n+2个不同波长的辐射光谱，联立组成线性方程组，利用最小二乘法，拟合获得误差函数极小值时的被测物体温度与相应温度下的发射率。

所述的一种基于数字微镜的多光谱测温装置，波段选择时应选择火焰连续谱带的近红外波段，避开燃烧和爆炸产物中h2o、co2、co等原子或分子的发射和吸收特征谱段，避免对测量结果产生影响。具体做法是与已有的光谱数据库模型对比，对上述原子和分子的特征光谱位置进行平滑、扣除等处理，从中得到对应的连续辐射光谱，用于准确反演燃烧和爆炸火焰的辐射温度。

所述的一种基于数字微镜的多光谱测温装置，其工作过程为：燃烧或爆轰产生的辐射光谱信号由光学探测单元经两段光纤传输到dmd光谱仪，经由狭缝入射到分光成像系统，由前透镜准直为复色平行光，在反射式刻线光栅表面色散为光谱带，光谱带由后透镜会聚，按波长顺序依次入射到dmd的不同位置进行波长选通，之后由透镜聚焦在单点探测器上进行光谱采集，最后，检测出经所有hadamard变换模板调制后的相应的光谱信号，借助计算机进行hadamard逆变换解码，即可得到原始光谱信号的信息(真实温度和光谱发射率)。

本发明相比现有的辐射温度测量装置，具有下述优点：

1.采用三段结构，设计了耐高温和冲击的光学探测单元，采用两段光纤与探测主机相联，可实现远距离遥测和样品管内近距离接触火炸药燃烧和爆炸火焰；

2.采用透射结构，使用两片非球面，以高品质的反射式刻线光栅作为分光元件，以46通道dmd代替传统的多探测器及ccd面阵列探测器进行光谱选择，使用ingaas单点探测器接收调制后的光谱信号，形成基于dmd的近红外光谱仪，实现高速、高分辨率、高信噪比和极强环境适应能力的完美结合；

3.本装置可同步获得被测物体的真实温度和光谱发射率，应用于火炸药燃烧和爆炸等复杂环境适应性和准确性好。

附图说明

图1本发明整体组成示意图。图中，1光学探测单元，2光纤转接法兰，3dmd光谱仪，4上位机，5光纤，6光纤。

图2光学探测单元与样品管装配结构剖面图。图中，7金属垫圈，8连接块，9蓝宝石台阶窗片，10石墨垫圈，11压块连接件，12压块，13光纤头部，14聚焦透镜，15样品管。

图3dmd光谱仪光学结构示意图。图中，16光源，17光学探测单元、入射光纤及其接口，18狭缝－光阑组件，19非球面准直透镜组件和长波通滤光片组件，20光栅组件，21非球面成像透镜组件，22dmd，23聚焦透镜组件，24单点探测器组件，25微镜控制系统，26上位机，27光谱仪机箱壳体。

图4高速光谱并行处理电路示意图。其中，28前置放大及信号调理阵列，29数据采集处理模块。

具体实施方式

依据火炸药燃烧和爆炸火焰辐射温度测量的特点设计本测量装置，包括光学探测单元1、光纤转接法兰2、dmd光谱仪3和上位机4。

所述的光学探测单元1，为了实现其耐高温和冲击采用三段结构设计，整体采用不锈钢材质。首先，光纤头部13与压块12螺纹连接，聚焦透镜14夹在其中；然后，压块12与连接块8螺纹连接，上下垫有石墨垫圈10的蓝宝石台阶窗片9、压块连接件11夹在其中；最后，垫有金属垫圈7的连接块8与样品管上的平凸台螺纹连接；前端使用蓝宝石台阶窗片9与燃烧和爆炸现场直接接触。

所述的dmd光谱仪3，包括入射光纤及其接口17、狭缝－光阑18、准直透镜－滤光片19、光栅20、成像透镜21、dmd22、聚焦透镜23及探测器24，其中：

入射光纤17直经0.4mm，数值孔径0.22，利用多根细光纤成单列排列而成，另一端呈圆形排列，有效增大输入光的能量，光谱分辨率10nm；入射光纤为fc/apc接口，因此光纤接口选用了带安装法兰的fc/apc光纤适配器，入射光纤通过螺纹固定连接在光谱仪上，并且通过安装螺钉可以实现光纤位置的微调，确保了光纤发出的光无衰减地沿光轴入射到狭缝，并使光纤和狭缝的位置对正；

狭缝18尺寸0.4mm×1mm，由于狭缝尺寸小、精度要求高，用机械加工的方法较难实现，因此采用光刻的方式进行精密加工；装调时，狭缝首先通过自身的定位孔定位在框架上，然后利用压片进行固定；同时，为了有效消除杂散光和干扰光谱，在狭缝后面增设了φ6.54mm的光阑；

准直透镜19与成像透镜21皆为非球面，非球面面形精度小于8μm，且均镀有双面增透膜，减少了透镜的表面反射及系统杂散光，形成了良好的分辨率，并可获得0.22的收光孔径；波长范围400nm～1100nm，透过率大于99％；非球面镜通过隔圈和压环安装固定在镜筒中，镜筒底座上设计有长销孔，以方便非球面镜组沿光轴方向进行调整，同时，为了减小装配应力，避免元件发生变形，在透镜与压圈间添加了弹簧隔圈，为了方便非球面镜装调完成后的固定，在镜筒上开有注胶孔；

为了有效消除杂散光和干扰光谱，在准直透镜19后面设置了φ50mm的长波通滤光片，525nm以下波长被有效截止；为了发挥滤光片的滤除不相关干扰光的作用，安装时需与非球面准直透镜有个4°的夹角，在结构上用定位螺栓来实现其定位和固定，滤光片利用弹性压环固定；

分光元件光栅20选用高品质的反射式刻线光栅，尺寸50mm×50mm×9.5mm，镀铝膜，刻线600条/mm，闪耀角13°，在工作波段内反射率大于90％；光栅是光谱仪的重要元件，其在光谱仪机箱中的位置与光轴偏转了1个闪耀角13°，且该角度可微调。在其结构设计时，为了确保稳定性和抗震性，直接将光栅安装固定在了安装座上，除了与光轴偏转的13°外，不设置其它可调整环节，用机械加工精度予以保证；

dmd22工作波段525nm～1010nm，微镜数量1024×768pixels，微镜尺寸13.68μm×13.68μm，反射率＞90％，每个微镜在静电驱动电路作用下可以绕对称轴旋转±12°，+12°和－12°分别对应于微镜的开和关状态；在光学系统中dmd表面即为系统的理论焦平面，由于dmd需要控制电路板进行驱动，为了便于调试，将dmd模块与其控制模块固定在底座上，通过对底座的调整来完成dmd在光谱仪机箱中的位置调整；利用fpga等对dmd进行了后续编程改造，开发形成了适用于本光谱仪具有编码信号控制、图案存储、串口接口等功能的独立应用器件；

经过dmd波长选通之后的光由透镜23聚焦在探测器24上，探测器选用了性价高、响应速度快、直径小的te型ingaas单点探测器，同时探测器的灵敏度和信噪比也得以提高；探测器直径5mm，2600nm以上波长被有效截止；

dmd光谱仪3整个仪器采用固定底板和各分组件一体化的机械框架，即各组件装调完毕后，再通过定位销钉和高强度螺钉定位、固定在底板上。这样可以有效减少由于安装件之间的连接造成的不稳定，也方便各组件间空间位置的调整，确保了各组件间的正确位置关系，提高了光谱仪整体结构的抗震性；另外，为了减少仪器的杂散光，所有内部结构件都做了染黑处理，镜筒内部车有消光螺纹；外壳体27采用了台阶式配合方式，在减少了外界杂散光干扰的同时提高了仪器的密封性，具有很好的防潮、防尘效果；设计的dmd光谱仪3具有较强的环境适应性，结构更加紧凑、稳定。

所述的上位机4，核心器件为高速光谱并行处理电路，包括前置放大及信号调理阵列28、数据采集处理模块29。其中，前置放大及信号调理阵列实现对探测器弱电流的i－v转换和放大、滤波等硬件处理，得到高信噪比的无失真光谱强度信号，弱信号处理中带宽和增益的优化、噪声的抑制以及多通道之间的参数一致性问题得到解决；数据采集处理模块主要实现光谱模拟信号的ad转换、数据采集、汇总、存储及读出等功能。针对高精度测量需求，选用分辨率大于16bit、采样率不低于10msps的adc，46通道依据同步信号，并行完成模数转换；利用fpga并行处理的优势，在其内部设计多通道数据读取模块和数据存储模块，将所有adc数据并行读取后进行数据分块，根据实际数据流速度增减外部存储设备，实现高速数据流的并行写入。通过通用接口ethernet/usb/usart等实现数据读出功能。

所述的一种基于数字微镜的多光谱测温装置，其核心组件dmd光谱仪3集成于光谱仪机箱内部，上位机4的核心器件高速光谱并行处理电路集成于上位机箱内，光学探测单元1外置并靠近于燃烧和爆炸现场，由光纤转接法兰2转接的两段光纤与dmd光谱仪3连接。两段光纤的设计，一方面便于更换光学探测单元1，另一方面使探测主机远离燃烧和爆炸现场，保证仪器与人员的安全。

所述的一种基于数字微镜的多光谱测温装置，光谱响应范围525nm～1010nm，光谱通道46个，响应时间10μs，温度测量范围1500℃～4000℃，温度测量分辨率0.1℃，系统重复性3％fs。

图1为本发明整体组成示意图。装置包括光学探测单元1、光纤转接法兰2、dmd光谱仪3、上位机4、光纤5、光纤6。该装置工作时，使用带有100m光纤5的耐高温光学探测单元1接收辐射光谱信号，使用转接法兰2再通过500m的长光纤6将光信号传输到高速光谱仪3，光谱仪探测信号传至上位机4用以反演出辐射温度。dmd光谱仪3集成于光谱仪机箱内部，上位机4的核心器件高速光谱并行处理电路集成于上位机箱内，光学探测单元1外置，由两段光纤与光谱仪3连接。

图2为光学探测单元与样品管装配结构剖面图。光学探测单元采用三段结构设计，首先，光纤头部13与压块12螺纹连接，聚焦透镜14夹在其中；然后，压块12与连接块8螺纹连接，上下垫有石墨垫圈10的蓝宝石台阶窗片9、压块连接件11夹在其中；最后，垫有金属垫圈7的连接块8与样品管上的平凸台螺纹连接；前端使用蓝宝石台阶窗片9与燃烧和爆炸现场直接接触。样品管上的平凸台开孔m24mm，螺距1.5mm，螺纹高度15mm。

图3为dmd光谱仪光学结构示意图。dmd光谱仪工作时，光源16发出的光由入射光纤及其接口17，经由狭缝18入射到分光成像系统19，由前透镜准直为复色平行光，在平面反射光栅20表面色散为光谱带，光谱带由后透镜21会聚，按波长顺序依次入射到dmd22上1024×768个可高速旋转的微镜，通过微镜片旋转来反射光线，每个微镜子一次旋转只反射一种颜色，实现入射光的波长选通，之后由透镜23聚焦在ingaas单点探测器24上进行光谱采集，最后，检测出经所有hadamard变换模板调制后的相应的光谱信号，借助计算机进行hadamard逆变换解码，即可得到原始光谱信号的信息(真实温度和光谱发射率)。dmd光谱仪各组件装调完毕后，再通过定位销钉和高强度螺钉定位、固定在底板上，实现一体化的机械框架设计，光谱仪机箱壳体27采用了台阶式配合方式，提高了其密封性。

图4为高速光谱并行处理电路示意图。高速光谱并行处理电路是上位机的核心器件，包括前置放大及信号调理阵列28、数据采集处理模块29。前置放大及信号调理阵列完成对探测器弱电流的i－v转换和放大、滤波等硬件处理，得到高信噪比的光谱强度信号；数据采集处理模块主要实现光谱模拟信号的ad转换、数据采集、汇总、存储及读出等功能。针对高精度测量需求，选用分辨率大于16bit、采样率不低于10msps的adc，46通道依据同步信号，并行完成模数转换；利用fpga并行处理的优势，在其内部设计多通道数据读取模块和数据存储模块，将所有adc数据并行读取后进行数据分块，根据实际数据流速度增减外部存储设备，实现高速数据流的并行写入。通过ethernet/usb/usart等通用接口实现数据读出功能。