一种THz被动辐射测温装置

本发明主要涉及测温技术领域，特指一种thz(terahertz太赫兹)被动辐射测温装置。

背景技术：

太赫兹波是一种波长在0.1-10thz、介于微波与红外之间的电磁波。它在生物医疗、安防检测、信息通信上有着巨大的应用前景。目前常用对太赫兹波处理的有太赫兹光谱系统，它是一种相干探测，获得太赫兹脉冲的振幅和信息，通过对时间波形进行傅里叶变化能够得到太赫兹发射源的能量强度等信息。对于处于高温状态下的物体，会不断辐射出太赫兹波，通过对这些太赫兹波的收集并分析能量强度，能反映出被测物体真实温度，又由于太赫兹波对很多材料有着穿透效应，这为太赫兹检测复杂环境中高温物体温度提供了理论基础。

对于现有对高温物体的温度的测量，如热电偶测温，它是一种接触式测温设备，通过设备两端导体或半导体由于温度不同，在回路中产生电动势，并对电动势测量与分析得到被测物体温度。这种检测方法能够较为精确的检测被测物体的温度，但由于检测需要与被测物体直接接触，这对热电偶的损伤的永久的，故而热电偶测温是一次性的，无法测量到连续区间段温度。针对无法连续测温的问题，红外测温基于将物体发射的红外线具有的辐射能转变成电信号并计算的原理，将红外线辐射能的大小与物体本身的温度相对应，根据转变成电信号大小，可确定物体的温度。红外测温装置虽然可以非接触监测高温物体温度，节省维护成本和人力成本，但对于复杂环境下，如有遮挡情况，便其无法精确得到实时的温度数据。由于太赫兹波穿透性强的特点，在保证复杂环境中还能接受到太赫兹信号并进行精确测温，同时具有非接触的特点，这对于高温物体复杂环境内的测温具有重要意义。

专利申请公布号cn109443553发明专利是一种基于巡检机器人的红外测温方法，其原理是采用巡检机器人对待测温部件进行红外图像采集，随后将采集的红外图像与预先构建的设备标准图像进行比对，从而识别出待测温部件是何种设备部件，并将测得的温度打上标注。但是，该方法实质上仍是通用的红外测温方法，仅增加了识别功能，使之能对待测温设备自动贴上温度标签，但是该方法的实验环境良好，无粉尘干扰，难以应用于具有复杂环境的高温物体检测。

专利申请公布号cn106636514发明专利是一种大型高炉铁水温度在线测量装置与方法，其主要是通过计算的方法确定测温的时机，来应对出铁口堵口、暂停出铁等生产状况，通过机械信息装置实现在合适时间自动对出铁口铁水测温。但其测温原理仍为普通热电偶测量，无法避免铁水损坏测温部件的问题，也无法达到对高温物体实时连续测温的目的。

专利公布号cn107941357发明专利是一种铁水温度测量方法及其装置。其通过制造耐火体并将用于测量铁水温度的热电偶插入到耐火体中，在需测温时将内含热电偶的耐火体浸渍到待测铁水中，以连续测量铁水温度。该方法实质上是给热电偶套上保护层，以避免热电偶在铁水中受到损伤，然而由于耐火体的包覆隔绝作用，铁水与热电偶不直接接触，铁水的热量经由耐火体的传导至热电偶产生了较大的损耗，温度所测值准确度较低，同时也无法满足对铁水温度实时连续测量的要求

专利公布号cn101545808a发明专利是一种铁水流体的裂纹温度红外辐射测量系统。其测温方式是通过一种非接触式的比色红外辐射测温计。主要工作原理为通过测量被测物红外辐射中相邻波段的能量大小来确定被测物的温度,因此它受物体表面发射率影响小,并在一定程度上拥有良好的抗灰尘、烟雾、水汽等能力，比单色测温仪具有明显的优越性。但当空间布满烟雾的情况下，严重影响两个对比红外光的传播时，其测量的数据将被处理成低温无效数据。

技术实现要素：

本发明提供的thz被动辐射测温装置，解决了现有非接触式测温装置在复杂恶劣环境下对高温物体温度检测精度低的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提出的thz被动辐射测温装置包括多源融合算法处理模块以及与多源融合算法处理模块连接的太赫兹能量采集模块、高分辨可见光安装偏角检测模块以及距离检测模块，其中：

太赫兹能量采集模块，用于采集被测高温源发射的太赫兹，并根据太赫兹提取太赫兹频域特征峰值；

高分辨可见光安装偏角检测模块，用于检测thz被动辐射测温装置在安装过程中产生的偏角；

距离检测模块，用于测量thz被动辐射测温装置与被测高温源之间的直线距离；

多源融合算法处理模块，用于接收太赫兹频域特征峰值、偏角以及直线距离，并根据太赫兹频域特征峰值、偏角以及直线距离，获得被测高温源温度值。

进一步地，太赫兹能量采集模块包括太赫兹能量探测单元、与太赫兹能量探测单元依次连接的太赫兹时域转换单元以及太赫兹频域特征峰值提取单元，其中：

太赫兹能量探测单元，用于采集被测高温源发射的太赫兹，并将太赫兹转换为能量电信号；

太赫兹时域转换单元，用于将能量电信号转换为频域信号；

太赫兹频域特征峰值提取单元，用于根据频域信号提取太赫兹频域特征峰值。

进一步地，太赫兹能量探测单元包括光学孔径、与光学孔径依次连接的斩波器、反射镜片以及光源探测器，其中：

光学孔径，用于对被测高温源发射的太赫兹进行约束；

斩波器，用于截取特定谱段太赫兹信号；

反射镜片，用于接收特定谱段太赫兹信号，并将特定谱段太赫兹信号反射给光源探测器；

光源探测器，用于接收反射镜片反射的特定谱段太赫兹信号，并将接收的特定谱段太赫兹信号转换为能量电信号。

进一步地，太赫兹能量探测单元还包括与光源探测器连接的低噪声放大器与锁相放大器，其中：

低噪声放大器，用于对能量电信号进行放大；

锁相放大器，用于对放大后的能量电信号进行滤波。

进一步地，高分辨可见光安装偏角检测模块包括透镜、与透镜依次连接的偏角计算单元和ccd成像单元，其中：

透镜，用于对被测高温源发射和放射的可见光进行聚焦；

偏角计算单元，用于根据thz被动辐射测温装置与被测高温源之间的真实距离和距离检测模块检测的直线距离计算偏角，且偏角的计算公式具体为：

其中，代表偏角，hr代表thz被动辐射测温装置与被测高温源之间的真实距离，hl代表距离检测模块检测的直线距离；

ccd成像单元，用于将偏角计算单元计算出的偏角转换为偏角电信号，并将偏角电信号输出给多源融合算法处理模块。

进一步地，多源融合算法处理模块包括ddr3内存单元、与ddr3内存单元依次连接的fpga视频同步处理单元和fpga多元信息融合分析单元，其中：

ddr3内存单元，用于对图像数据、偏角、直线距离以及获得的被测高温源温度值进行保存；

fpga视频同步处理单元，用于将可见光视频转码为标准rtsp视频流；

fpga多元信息融合分析单元，用于根据太赫兹频域特征峰值、偏角以及直线距离，获得被测高温源温度值。

进一步地，fpga多元信息融合分析单元包括基础能量因子获取子单元、与基础能量因子获取子单元依次连接的能量算子获取子单元、能量因子计算子单元、温度映射函数获取子单元和温度值计算子单元，其中：

基础能量因子获取子单元，用于根据太赫兹频域特征峰值的前九项特征峰值获得基础能量因子；

能量算子获取子单元，用于根据偏角以及直线距离获得能量算子；

能量因子计算子单元，用于根据基础能量因子和能量算子计算获得能量因子；

温度映射函数获取子单元，用于根据基础能量因子、偏角以及直线距离计算得到的能量因子与被测高温源的真实温度，拟合获得能量因子与温度的映射函数；

温度值计算子单元，用于根据能量因子与温度的映射函数计算被测高温源温度值。

进一步地，能量因子计算子单元根据基础能量因子和能量算子计算获得能量因子的计算公式为：

其中，e(t)代表能量因子，et(t)代表基础能量因子，且e1(t)～e9(t)分别代表太赫兹频域特征峰值的前九项特征峰值，代表能量算子，且hl代表直线距离，代表偏角。

进一步地，距离检测模块具体为激光测距仪，thz被动辐射测温装置具体为thz被动辐射测温仪。

进一步地，thz被动辐射测温装置还包括与多源融合算法处理模块连接的用于输出被测高温源温度值的数据输出模块。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提出的thz被动辐射测温装置包括多源融合算法处理模块以及与多源融合算法处理模块连接的太赫兹能量采集模块、高分辨可见光安装偏角检测模块以及距离检测模块，其中：太赫兹能量采集模块，用于采集被测高温源发射的太赫兹，并根据太赫兹提取太赫兹频域特征峰值，高分辨可见光安装偏角检测模块，用于检测thz被动辐射测温装置在安装过程中产生的偏角，距离检测模块，用于测量thz被动辐射测温装置与被测高温源之间的直线距离，多源融合算法处理模块，用于接收太赫兹频域特征峰值、偏角以及直线距离，并根据太赫兹频域特征峰值、偏角以及直线距离，获得被测高温源温度值，解决了现有非接触式测温装置在复杂恶劣环境下对高温物体温度检测精度低的技术问题，巧妙利用太赫兹波穿透性强的特点，在保证复杂环境中还能接受到太赫兹信号，从而对被测高温源进行精确测温，同时具有非接触的特点，这对于高温物体复杂环境内的测温具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例二采用太赫兹检测设备获取太赫兹能量并转换为电信号处理的原理示意图；

图2为本发明实施例二的thz被动辐射测温装置的结构示意图；

图3为本发明实施例二的thz被动辐射测温装置的测温流程示意图。

附图标记：

u1：太赫兹能量采集模块；u2：高分辨可见光安装偏角检测模块；u3：距离检测模块；u4：多源融合算法处理模块；u5数据输出模块；s1：太赫兹能量探测单元；s2：太赫兹时域转换单元；s3：太赫兹频域特征峰值提取单元；s4：外部io输入单元；s5：ddr3内存单元；s6：fpga视频同步处理单元；s7：fpga多元信息融合分析单元；s8：以太网口输出温度信号单元；101：光学孔径；102：斩波器；103：反射镜片；104：锁相放大器；105：低噪声放大器；106：光源探测器；107：透镜；108：ccd成像单元。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例一

本发明实施例一提供的thz被动辐射测温装置包括多源融合算法处理模块u4以及与多源融合算法处理模块u4连接的太赫兹能量采集模块u1、高分辨可见光安装偏角检测模块u2以及距离检测模块u3，其中：

太赫兹能量采集模块u1，用于采集被测高温源发射的太赫兹，并根据太赫兹提取太赫兹频域特征峰值；

高分辨可见光安装偏角检测模块u2，用于检测thz被动辐射测温装置在安装过程中产生的偏角；

距离检测模块u3，用于测量thz被动辐射测温装置与被测高温源之间的直线距离；

多源融合算法处理模块u4，用于接收太赫兹频域特征峰值、偏角以及直线距离，并根据太赫兹频域特征峰值、偏角以及直线距离，获得被测高温源温度值。

本发明提供的thz被动辐射测温装置，包括多源融合算法处理模块u4以及与多源融合算法处理模块u4连接的太赫兹能量采集模块u1、高分辨可见光安装偏角检测模块u2以及距离检测模块u3，其中：太赫兹能量采集模块u1，用于采集被测高温源发射的太赫兹，并根据太赫兹提取太赫兹频域特征峰值，高分辨可见光安装偏角检测模块u2，用于检测thz被动辐射测温装置在安装过程中产生的偏角，距离检测模块u3，用于测量thz被动辐射测温装置与被测高温源之间的直线距离，多源融合算法处理模块u4，用于接收太赫兹频域特征峰值、偏角以及直线距离，并根据太赫兹频域特征峰值、偏角以及直线距离，获得被测高温源温度值，解决了现有非接触式测温装置在复杂恶劣环境下对高温物体温度检测精度低的技术问题，巧妙利用太赫兹波穿透性强的特点，在保证复杂环境中还能接受到太赫兹信号，从而对被测高温源进行精确测温，同时具有非接触的特点，这对于高温物体复杂环境内的测温具有重要意义。

可选地，太赫兹能量采集模块u1包括太赫兹能量探测单元s1、与太赫兹能量探测单元s1依次连接的太赫兹时域转换单元s2以及太赫兹频域特征峰值提取单元s3，其中：

太赫兹能量探测单元s1，用于采集被测高温源发射的太赫兹，并将太赫兹转换为能量电信号；

太赫兹时域转换单元s2，用于将能量电信号转换为频域信号；

太赫兹频域特征峰值提取单元s3，用于根据频域信号提取太赫兹频域特征峰值。

可选地，太赫兹能量探测单元s1包括光学孔径101、与光学孔径101依次连接的斩波器102、反射镜片103以及光源探测器106，其中：

光学孔径101，用于对被测高温源发射的太赫兹进行约束；

斩波器102，用于截取特定谱段太赫兹信号；

反射镜片103，用于接收特定谱段太赫兹信号，并将特定谱段太赫兹信号反射给光源探测器106；

光源探测器106，用于接收反射镜片103反射的特定谱段太赫兹信号，并将接收的特定谱段太赫兹信号转换为能量电信号。

可选地，太赫兹能量探测单元s1还包括与光源探测器106连接的低噪声放大器105与锁相放大器104，其中：

低噪声放大器105，用于对能量电信号进行放大；

锁相放大器104，用于对放大后的能量电信号进行滤波。

可选地，高分辨可见光安装偏角检测模块u2包括透镜107、与透镜107依次连接的偏角计算单元和ccd成像单元108，其中：

透镜107，用于对被测高温源发射和放射的可见光进行聚焦；

偏角计算单元，用于根据thz被动辐射测温装置与被测高温源之间的真实距离和距离检测模块u3检测的直线距离计算偏角，且偏角的计算公式具体为：

其中，代表偏角，hr代表thz被动辐射测温装置与被测高温源之间的真实距离，hl代表距离检测模块u3检测的直线距离；

ccd成像单元108，用于将偏角计算单元计算出的偏角转换为偏角电信号，并将偏角电信号输出给多源融合算法处理模块u4。

可选地，多源融合算法处理模块u4包括ddr3内存单元s5、与ddr3内存单元s5依次连接的fpga视频同步处理单元s6和fpga多元信息融合分析单元s7，其中：

ddr3内存单元s5，用于对图像数据、偏角、直线距离以及获得的被测高温源温度值进行保存；

fpga视频同步处理单元s6，用于将可见光视频转码为标准rtsp视频流；

fpga多元信息融合分析单元s7，用于根据太赫兹频域特征峰值、偏角以及直线距离，获得被测高温源温度值。

可选地，fpga多元信息融合分析单元s7包括基础能量因子获取子单元、与基础能量因子获取子单元依次连接的能量算子获取子单元、能量因子计算子单元、温度映射函数获取子单元和温度值计算子单元，其中：

基础能量因子获取子单元，用于根据太赫兹频域特征峰值的前九项特征峰值获得基础能量因子；

能量算子获取子单元，用于根据偏角以及直线距离获得能量算子；

能量因子计算子单元，用于根据基础能量因子和能量算子计算获得能量因子；

温度映射函数获取子单元，用于根据基础能量因子、偏角以及直线距离计算得到的能量因子与被测高温源的真实温度，拟合获得能量因子与温度的映射函数；

温度值计算子单元，用于根据能量因子与温度的映射函数计算被测高温源温度值。

可选地，能量因子计算子单元根据基础能量因子和能量算子计算获得能量因子的计算公式为：

其中，e(t)代表能量因子，et(t)代表基础能量因子，且e1(t)～e9(t)分别代表太赫兹频域特征峰值的前九项特征峰值，代表能量算子，且hl代表直线距离，代表偏角。

可选地，距离检测模块u3具体为激光测距仪。

可选地，thz被动辐射测温装置还包括与多源融合算法处理模块u4连接的用于输出被测高温源温度值的数据输出模块u5。

实施例二

为了提供非接触、测量精度高的高温物体温度检测，本发明实施例采用了一套基于太赫兹能力的高温对象温度检测装置，具体为thz被动辐射测温仪，其中包括太赫兹能量采集单元u1、高分辨可见光安装偏角检测模块u2、距离检测模块u3、多源融合算法处理模块u4、数据输出模块u5。

上述太赫兹能量采集单元、高分辨可见光安装偏角检测模块u2、距离检测模块u3为数据采集部分，多源融合算法处理模块u4为设备核心处理模块，包括处理器与存储器，数据输出模块u5为信号处理完后的输出模块，主要为以太网口与wifi模块。具体为：

1、太赫兹能量采集模块u1

太赫兹能量采集模块u1完成从被测高温源发射处的太赫兹的采集到提取出太赫兹频域特征峰值。如图1所示，主要包括太赫兹能量探测单元s1、太赫兹时域转换单元s2、太赫兹频域特征峰值提取单元s3这三部分组成。太赫兹能量探测模块的主要工作流程为：从被测高温源发出的太赫兹波由光学孔径101约束后经过斩波器102，斩波器102截取特定谱段太赫兹信号由反射镜片103反射给光源探测器106接收并转化为电信号，该电信号最终经低噪声放大器105反大与锁相放大器104滤波提纯。在太赫兹探测模块将被测高温源发射出的太赫兹接收并转换为电信号后，电信号将传入太赫兹时域转换模块，该模块主要功能为将时域信号转换为频域信号，最终由太赫兹频域特征峰值提取模块将太赫兹频域特征峰值提取。

2、高分辨可见光安装偏角检测模块u2

高分辨可见光安装偏角检测模块u2主要检测在本测温设备在安装过程中产生的偏角，输入到后续处理算法中减少测量误差。从被测高温源发射和放射的可见光信号被偏角检测单元的透镜107聚焦后有内置的ccd成像108转换为电信号，与外部io输入单元s4的距离信号进行综合分析后，将得到的角度信号发送给型号处理模块。具体操作流程为：

(1)打开测量设备，在设备显示界面上会显示当前拍摄的被测对象，移动本设备，使得被测对象出现在显示界面中心；

(2)确定好(1)中位置，将测温设备由人工大致安装在该位置；

(3)记录下被测对象到测温设备真实距离hr，并输入系统中；

(4)测量对象获取到真实距离hr与设备中激光测距模块检测的距离hl，根据这两个距离，根据公式计算安装偏角

(5)将安装偏差角度输入到基于多源融合算法的测温模块中，对温度进行校正。

3、距离检测模块u3

距离检测模块u3是一个相对独立的单元，该模块主要测量的检测设备与被测对象之间的直线距离，以便于校正由于距离不同导致的测温误差。距离检测模块u3核心为一个激光测距仪，发射端发射激光，由接收端接收信号，并得到物体距离，在获取到距离后，转换为电信号发送给多源融合算法处理模块u4进行计算。

4、多源融合算法处理模块u4

多源融合算法处理模块u4为处理并分析由上述三个检测设备输入的信号，最后得到被测对象温度值。如图2所示，多源融合算法处理模块u4也被称为型号处理模块，由ddr3内存单元s5、fpga视频同步处理单元s6、fpga多元信息融合分析单元s7三部分构成，分别负责温度、图像信息的存储，编解码与分析计算。对于ddr3内存单元s5，它主要负责对图像数据、距离信息、角度信息以及计算得到的温度信息进行保存。对于fpga视频同步处理单元s6，主要负责将可见光视频转码为标准rtsp视频流。对于fpga多元信息融合分析单元s7，主要负责将距离、角度与赫兹频域特征峰值信息处理分析，并得到温度数据。主要处理流程如图3所示，具体方法为提取频域谱ft(t)的特征峰值最大的前9项作为基础能量因子使用距离hr与角度确定能量算子计算能量因子根据函数关系t＝f(e)，可以快速、非接触检测高温对象温度。

5、数据输出模块u5

数据输出模块u5负责将设备检测与处理值输出给第三方设备进行使用，主要有标准以太网与wifi模块，可以选中以有线或者无线的方式将数据传递出去。本实施例主要通过以太网口输出温度信号单元s8输出被测高温源温度值。其中对于数据传递，rtsp流为标准流媒体格式，对于温度信息的传输，这里使用自研接口协议。

本发明提供的thz被动辐射测温装置，包括多源融合算法处理模块u4以及与多源融合算法处理模块u4连接的太赫兹能量采集模块u1、高分辨可见光安装偏角检测模块u2以及距离检测模块u3，其中：太赫兹能量采集模块u1，用于采集被测高温源发射的太赫兹，并根据太赫兹提取太赫兹频域特征峰值，高分辨可见光安装偏角检测模块u2，用于检测thz被动辐射测温装置在安装过程中产生的偏角，距离检测模块u3，用于测量thz被动辐射测温装置与被测高温源之间的直线距离，多源融合算法处理模块u4，用于接收太赫兹频域特征峰值、偏角以及直线距离，并根据太赫兹频域特征峰值、偏角以及直线距离，获得被测高温源温度值，解决了现有非接触式测温装置在复杂恶劣环境下对高温物体温度检测精度低的技术问题，巧妙利用太赫兹波穿透性强的特点，在保证复杂环境中还能接受到太赫兹信号，从而对被测高温源进行精确测温，同时具有非接触的特点，这对于高温物体复杂环境内的测温具有重要意义。

此外，本实施例通过采集的被测高温源发射的太赫兹实现对被测高温源的温度检测，能借助太赫兹的穿透特性减少环境中遮挡物对测温结果造成的误差，且本实施例拟合获得的能量因子与温度的映射函数，充分考虑到测温装置的安装位置、安装偏角等因素，能减少非接触设备由于检测距离与检测角度造成的测量温度误差，进一步提高被测高温源的温度检测精度。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。