一种基于红外数字全息技术的透射式温度场测量装置及方法

摘要

本发明公开一种基于红外数字全息技术的透射式温度场测量装置及方法，属于红外数字全息应用领域。本发明装置包括红外激光器、分束镜、扩束镜、透镜、反射镜、温度场检测腔、红外焦平面阵列成像传感器、图像处理单元、U形不透光外壳。本发明装置使用U形不透光外壳保护和固定，装置上只留两个圆孔位置镶嵌锗材质的透镜III、透镜IV，避免可见光干扰，以达到提高测量精度的目的。本发明方法通过图像相减结合像素点大小计算出条纹位移量，通过条纹位移量推算出温度场变化量；采用红外数字全息技术用于温度场测量，能够保证对温度场检测实时性的同时，同也提升了温度场检测装置对各种干扰的抗性。

说明书

技术领域

本发明公开一种基于红外数字全息技术的透射式温度场测量装置及方法，属于红外数字全息应用领域。

背景技术

现有的温度场测量手段主要有探针接触式、纹影定量检测式、红外热成像检测式以及可见光全息干涉检测手段四种，探针接触式在日常生活中最常使用，其测量精度高，可做到对温度的实时监测，但其测量时无法做到无损检测，可检测的温度场的空间范围也有限，在众多工业领域无法应用；红外热成像检测式是通过接收物体辐射出的红外波进行温度检测，其检测速度快但精度有限，且易受使用环境影响，而且在面对存在烟雾或火焰的检测环境时，其检测精度会急剧下降，使得其在工业生产中的实际应用价值较低；纹影定量检测式方法简单，但测量精度略低，无法满足高精度温度场检测的要求。

一般来说，现有全息干涉计量手段是利用两束相干光干涉产生干涉条纹，当物光所经过区域的物理量发生变化时，所有物理量的变化都会体现为条纹的变化，而条纹的变化是光的波长级别的变化量，使得该手段可以测量物理量非常微小的变化。当温度场发生变化时，空气密度会发生变化，进而改变空气的折射率，折射率的改变会使得在其中传播的光的光程发生改变，当两束相干光之间的光程差发生变化后，可观察到的现象是干涉条纹会发生位移，我们可以通过对条纹位移量进行测量，从而推算出温度场的微小变化。使用全息干涉计量手段测量温度场，具有无损检测及高精度检测的优点，但由于可见光的波长限制，使得以可见光作为光源的基于全息干涉计量手段为基础的温度场检测装置及方法对环境稳定性要求较高，还易受可见光干扰；且由于可见光波长较短，可检测的温度场的空间范围也有限，可检测的温度场变化量的范围也有限；除此以外，在面对存在烟雾或火焰的检测环境时其检测精度会急剧下降，在要求黑暗的场景中也无法使用；上述多方面的不足使得这种温度场检测手段无法大规模应用。

为了解决上述技术手段的诸多不足，考虑到红外数字全息的各项优秀特性，将红外数字全息技术与全息干涉计量手段相结合，可大大提高系统的抗干扰性，降低系统对稳定性的要求，扩大系统的使用范围，得到一种可在多场景使用的高精度温度场实时测量及监控的装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于红外数字全息技术的透射式温度场测量装置，不仅发挥了全息干涉计量手段高精度测量的优点，还结合了红外数字全息抗干扰性强及实时检测的优点。

为达到上述技术要求，本发明采用的技术方案如下：

一种基于红外数字全息技术的透射式温度场测量装置，包括红外激光器1、分束镜I2、扩束镜I3、扩束镜II4、透镜I5、透镜II6、反射镜I7、反射镜II8、透镜III9、透镜IV10、分束镜II11、红外焦平面阵列成像传感器12、微型计算机13、U形不透光外壳14。

红外焦平面阵列成像传感器12设置在U形不透光外壳14内部，微型计算机13设置在U形不透光外壳外部；微型计算机13通过数据线缆与红外焦平面阵列成像传感器12相连接；U形不透光外壳14侧壁上设置有两个圆孔用于安置透镜III9、透镜IV10，且两圆孔中心点的连线与红外物光束的光路相重合，透镜III9、透镜IV10固定于U形不透光外壳侧壁上的圆孔内；红外激光器1发射红外激光，经分束镜I2将分束成为两束红外激光，一束红外激光经扩束镜I3扩束后，经透镜I5准直成为一束平行红外激光光束，该平行红外激光光束到达反射镜I7后，经反射到达透镜III9，通过透镜III9射出U形不透光外壳，然后到达透镜IV10，再通过透镜IV10进入U形不透光外壳，该光束通过透镜IV10后到达分束镜II11，该光束称为红外物光束；透镜III9与透镜IV10之间沿光路方向为温度场测量区域。

分束镜I2分束的另一束红外激光束经过扩束镜II4扩束后，经透镜II6准直成为一束平行红外激光光束，该平行红外激光光束到达反射镜II8后，经反射镜II8反射后到达分束镜II11，此光束称为红外参考光束。

红外物光束与红外参考光束在分束镜II11上形成一系列干涉条纹，这一系列干涉条纹被称为红外全息干涉图，红外全息干涉图由红外焦平面阵列成像传感器12进行接收记录，并将接收到的光信号转化为电信号，再将电信号传送至微型计算机13进行存储及数据处理。

所述红外激光器1选用发射激光波长为10.64μm的红外激光器，该波长的红外激光束在空气中衰减效应较弱，可以避免红外激光束在空气中过快衰减；同时该波长的红外激光束与火焰发射出的波长为780nm-7000nm的红外光波长不同，可以通过图像处理的手段剔除掉火焰所发出的红外光对干涉图样的影响，从而使得该装置可以精确测量火焰的温度场分布。

进一步的，本发明所述红外激光器1选用发射激光波长为10.64μm的红外激光器，可以使得物光光束与参考光光束对烟雾等粒子场的穿透性相较于使用可见光波段的激光束有较大的提升，使得该装置可以在有烟雾等粒子场的环境中精确测量温度场分布。

本发明所述U形不透光外壳14侧壁内侧为纯黑色，以吸收进入U形不透光外壳14内的红外光，防止红外光在不U形透光外壳14内部来回反射被红外焦平面阵列成像传感器12接收而影响红外焦平面阵列成像传感器12对干涉条纹图样的接收。

本发明所述透镜III9、透镜IV10位锗材质透镜，以防止可见光进入光路对干涉图样产生影响。

本发明所述红外物光束与红外参考光束皆为扩束过后的平行光，且红外物光束与红外参考光束所经过光路的光程最大差值为1cm。

使用红外焦平面阵列成像传感器12接收红外全息图，红外焦平面阵列成像传感器12灵敏度的选取和红外激光器1功率大小相匹配，其感应波段需与红外激光器1波长相匹配，即应能感应到所选取的红外激光器1的波长的波段，以达到较好的成像效果。

所述红外焦平面阵列成像传感器12用感应波段包含红外激光器1波长波段的CCD图像传感器替代，不影响整个装置的功能实现。

微型计算机13能够对接收到的红外全息图进行滤波处理，对处理后的全息图进行再显示，使得该装置可以测量火焰的温度场分布和可以在有烟雾等粒子场的环境中测量温度场分布。

一种基于红外数字全息技术的透射式温度场测量方法，依托全息干涉计量的基本理论，根据温度场的微小变化会导致干涉条纹发生位移这一现象，通过测算条纹的位移量，便可推算出温度场的变化值，包括以下步骤：

（1）打开红外激光器1，用CCD图像传感器采集此时分束镜II11上所产生的干涉图样，并将采集到的干涉图样存储于微型计算机中，该干涉图样被称为初始温度场红外全息图。

（2）将所需测量温度场区域置于透镜III9与透镜IV10之间的U形不透光外壳（14）的凹陷区域，且让所需测量温度场区域处于光路中；一般来说，由于采用的光路是透射式光路，所以所需测量温度场区域要求透明。

（3）待放入的被测目标物稳定后，用CCD图像传感器采集此时分束镜II11上所产生的干涉图样，并将采集到的干涉图样存储于微型计算机中，该干涉图样被称为变化后温度场红外全息图。

（4）将初始温度场红外全息图与变化后温度场红外全息图做图像相减处理，计算出温度场变化前后红外全息图中各干涉条纹的位移量d。

（5）由得到的条纹位移量d计算出各干涉条纹的条纹级次N。

（6）将得到的条纹干涉级次N结合格拉德斯通－戴尔关系所描述的气体折射率和气体密度之间的关系结合理想气体状态方程得出一个温度与条纹级次的数学关系式，通过数学计算得出各点的温度，综合各点的温度信息重建出温度场测量区域的温度场分布。

进一步的，通过重复执行步骤3至步骤6以实现对温度场的实时监控。

进一步的，步骤2中所需测量温度场区域可以是空气等非实体透明物的内部，也可以是实体物的表面上方区域；当所需测量温度场区域中包含实体物时，实体物不可遮挡红外物光束的传播。

进一步的，步骤3中，当温度场测量区域中的待测对象为火焰时，需对采集到的干涉图样进行滤波处理，采用的滤波器为带通滤波器，剔除掉火焰所发出的红外光对干涉图样的影响。

进一步的，步骤1与步骤3中，当温度场测量区域中存在烟雾时，需对采集到的干涉图样进行滤波处理，采用的滤波器为低通滤波器，剔除掉烟雾所形成的图像噪声。

进一步的，步骤4中，计算温度场变化前后红外全息图中各一点的干涉条纹的位移量d采用的计算方法是通过对条纹移动的像素个数进行计数，结合每个像素的宽度，从而计算得出干涉条纹的位移量d。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）本发明将红外数字全息技术应用于透射式的温度场测量，和以往的可见光数字全息干涉计量手段测温度场相比，由于红外光波长较可见光波长更长，使得整个温度场测量系统可在更大的振动幅度下实现对温度场的正常测量，降低了系统对环境稳定性的要求。

（2）本发明将红外数字全息技术应用于透射式的温度场测量，和以往的可见光数字全息干涉计量手段测温度场相比，由于红外光对烟雾等粒子场的穿透力远强于可见光，使得本发明所述的温度场测量装置及方法可在有烟雾等粒子场作为干扰量的环境中实现对温度场的精确测量。

（3）本发明将红外数字全息技术应用于透射式的温度场测量，和以往的可见光数字全息干涉计量手段测温度场相比，由于选用波长为10.64μm的红外光作为光源，与火焰发射出的波长为780nm-7000nm的红外光波长不同，可以通过图像处理的手段剔除掉火焰所发出的红外光对干涉图样的影响，从而使得该装置可以更加准确的测量火焰的温度场分布。

（4）本发明所述的一种基于红外数字全息技术的透射式温度场测量装置，整个装置用U形不透光外壳保护和固定，且使用的U形不透光外壳侧壁内侧为纯黑色，装置上只留两个圆孔位置镶嵌锗材质的透镜lll、透镜IV，以避免可见光的干扰，提高温度场测量精度。

（5）本发明所述的一种基于红外数字全息技术的透射式温度场测量方法，采用图像相减的方法，处理初始温度场红外全息图与变化后温度场红外全息图，将像素点数作为条纹的位移量的基本单位，再结合像素点的大小，可以快速的计算出条纹的位移量，并依据条纹位移量重建出温度场分布；该方法相比以往的代数重建法等温度场重建方法，具有运算量小，温度场重建速度快的优点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例的整体结构示意图：

图中：1-红外激光器、2-分束镜I、3-扩束镜I、4-扩束镜II、5-透镜I、6-透镜II、7-反射镜I、8-反射镜II、9-透镜III、10-透镜IV、11-分束镜II、12-红外焦平面阵列成像传感器、13-微型计算机、14-不透光外壳。

图2为本发明实施例中U形不透光外壳的三维形貌示意图。

图3为本发明的工作流程示意图。

图4为本发明实施例3中作为被测目标物的平面加热板与红外物光束的相对位置，其中箭头线为红外物光束的传播范围底部的示意，而箭头方向表示红外物光束的传播方向，三维坐标为三维方向的指示标识。

图5为本发明实施例3中操作步骤1所记录的初始温度场红外全息图实例。

图6为本发明实施例3中操作步骤3所记录的变化后温度场红外全息图实例。

具体实施方式

下面结合具体实施例本发明作进一步的详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种基于红外数字全息技术的透射式温度场测量装置，包括红外激光器1、分束镜I2、扩束镜I3、扩束镜II4、透镜I5、透镜II6、反射镜I7、反射镜II8、分束镜II11、红外焦平面阵列成像传感器12、设置在U形不透光外壳14内部，微型计算机13设置在U形不透光外壳外部，并通过数据线缆与红外焦平面阵列成像传感器12相连接，透镜III9、透镜IV10设置于U形不透光外壳侧壁上。

所述红外激光器1选用发射激光波长为10.64μm的红外激光器，该波长的红外激光束在空气中衰减效应较弱，可以避免红外激光束在空气中过快衰减，同时其波长与火焰发射出的波长为780nm-7000nm的红外光波长不同，可以通过图像处理的手段剔除掉火焰所发出的红外光对干涉图样的影响，从而使得该装置可以精确测量火焰的温度场分布。红外激光器1发射红外激光，经分束镜I2分束成为两束红外激光，一束红外激光经扩束镜I3扩束后，经透镜I5准直成为一束平行红外激光光束，该平行红外激光光束到达反射镜I7后，经反射后到达透镜III9，通过透镜III9射出U形不透光外壳，然后到达透镜IV10，再通过透镜IV10进入U形不透光外壳，该光束通过透镜IV10后到达分束镜II11，该光束称为红外物光束；分束镜I2分束的另一束红外激光束经过扩束镜II4扩束后，经透镜II6准直成为一束平行红外激光光束，该平行红外激光光束到达反射镜II8后，经反射镜II8反射后到达分束镜II11，此光束称为红外参考光束；透镜III9与透镜IV10之间沿光路方向为温度场测量区域；红外物光束与红外参考光束在分束镜II11上形成一系列干涉条纹，这一系列干涉条纹被称为红外全息干涉图，红外全息干涉图由红外焦平面阵列成像传感器12进行接收记录。

红外焦平面阵列成像传感器12灵敏度的选取和红外激光器1功率大小相匹配，其感应波段需与红外激光器1波长相匹配，即应能感应到所选取的红外激光器1的波长的波段，以达到较好的成像效果。红外焦平面阵列成像传感器12将接收到的光信号转化为电信号，再将电信号传送至微型计算机进行存储及数据处理。至此，被测温度场的温度信息就被存储在微型计算机中。

红外激光器1、分束镜I2、扩束镜I3、扩束镜II4、透镜I5、透镜II6、反射镜I7、反射镜II8、分束镜II11、红外焦平面阵列成像传感器12固定在U形不透光外壳14内部，以增强装置的稳定性，保证成像质量。

其中，红外激光器1的型号为CO2-ULR-75，红外焦平面阵列成像传感器12的型号为cube817，透镜III9、透镜IV10为锗透镜。

所述U形不透光外壳14侧壁内侧为纯黑色，以吸收进入U形不透光外壳14内的红外光，防止红外光在不U形透光外壳14内部来回反射被红外焦平面阵列成像传感器12接收而影响红外焦平面阵列成像传感器12对干涉条纹图样的接收。

本实施例所述的红外焦平面阵列成像传感器12还可以用感应波段包含红外激光器1波长波段的CCD图像传感器替代。

实施例2

本实例提供一种基于红外数字全息技术的透射式温度场测量方法，具体包括以下步骤：

步骤1：打开红外激光器1，用CCD图像传感器采集此时分束镜II11上所产生的干涉图样，并将采集到的干涉图样存储于微型计算机中，该干涉图样被称为初始温度场红外全息图。

步骤2：将所需测量温度场区域置于透镜III9与透镜IV10之间的U形不透光外壳14的凹陷区域，且让所需测量温度场区域处于光路中，此实施例中测量的是温度场测量区域中空气的温度场分布及其温度的微小变化。

步骤3：待需测量温度场区域稳定后，用CCD图像传感器采集此时分束镜II11上所产生的干涉图样，并将采集到的干涉图样存储于微型计算机中，该干涉图样被称为变化后温度场红外全息图。

步骤4：将初始温度场红外全息图与变化后温度场红外全息图做图像相减处理，计算出温度场变化前后红外全息图中各干涉条纹的位移量d。

步骤5：由得到的条纹位移量d计算出各干涉条纹的条纹级次N。

计算条纹级次N的方法如下：

以选定某一条条纹为例，当初始温度场红外全息图中条纹间距为x时，该条纹级次N与该条纹位移量d、初始温度场红外全息图中条纹间距x之间满足关系：N=d/x。由于初始温度场红外全息图中条纹间距x及该条纹位移量d可以通过对像素个数进行计数结合每个像素的宽度计算得出，所以该条纹级次N可以通过该关系式得出。

步骤6：将得到的条纹干涉级次N结合格拉德斯通－戴尔关系所描述的气体折射率和气体密度之间的关系计算出温度场测量区域的密度场，再由理想气体状态方程计算出各点的温度，综合各点的温度信息重建出温度场测量区域中空气的温度场分布。

计算各点温度的方法如下：

格拉德斯通－戴尔关系所描述的气体折射率和气体密度之间的关系为：

理想气体状态方程为：

上两式相结合可以得到折射率与温度的一个关系：

通过数学计算，可得到温度与条纹级次N之间的数学关系：

其中K为条纹级次，μ为空气摩尔质量，R为气体普适常量，P为气体压强，T0为装置所处环境的环境温度，λ为光波波长，N是步骤5中所得到的条纹级次；至此，温度可被计算出。

进一步的，通过重复执行步骤3至步骤6以实现对温度场的实时监控。

进一步的，还可以通过对不同时间内的温度场分布进行对比，从而得出一定时间范围内温度场检测区域内各处空气温度值的微小变化。

进一步的，当步骤2中放入不透光外壳14中的被测目标物为非透明实体物时，被测目标物不可遮挡红外物光束的传播，在此种情况下只可测量物体表面上方的温度场分布。

进一步的，步骤3中，当温度场测量区域中的待测对象为火焰时，需对采集到的干涉图样进行滤波处理，采用的滤波器为带通滤波器，剔除掉火焰所发出的红外光对干涉图样的影响。

进一步的，步骤1与步骤3中，当温度场测量区域中存在烟雾时，虽然红外光对烟雾等粒子场的穿透性较强，不会出现红外光被粒子场遮挡而无法测量温度场的情况，但粒子场会作为图像噪声与干涉图样一起被记录下，需对采集到的干涉图样进行滤波处理，采用的滤波器为低通滤波器，剔除掉烟雾所形成的图像噪声。

实施例3

本实施例根据实施例1中所给出的一种基于红外数字全息技术的透射式温度场测量装置及实施例2中所给出的本实施例提供一种基于红外数字全息技术的透射式温度场测量方法，对一块平面加热板的表面上方温度场分布进行测量。平面加热板按照前述说明书要求放置于温度场测量区域中，且不可遮挡红外物光束的传播，如图3所示，平面加热板的上表面与红外物光束的传播范围的底部相切。

具体测量步骤如下：

步骤1：打开红外激光器1，用CCD图像传感器采集此时分束镜II11上所产生的初始温度场红外全息图，并将采集到的干涉图样存储于微型计算机中。

步骤2：将处于加热状态的平面加热板置于透镜III9与透镜IV10之间的U形不透光外壳14的凹陷区域，将平面加热板的上表面与红外物光束传播范围的底部相切。

步骤3：待整个装置稳定后，用CCD图像传感器采集此时分束镜II11上所产生的变化后温度场红外全息图，并将采集到的干涉图样存储于微型计算机中。

步骤4：将初始温度场红外全息图与变化后温度场红外全息图做图像相减处理，计算出温度场变化前后红外全息图中各干涉条纹的位移量d。

步骤5：由得到的条纹位移量d计算出各干涉条纹的条纹级次N。

步骤6：将得到的条纹干涉级次N结合格拉德斯通－戴尔关系所描述的气体折射率和气体密度之间的关系计算出温度场测量区域的密度场，再由理想气体状态方程计算出各点的温度，综合各点的温度信息重建出温度场测量区域中空气的温度场分布。

进一步的，在整个温度场测量的过程中，步骤3至步骤6会自动重复进行，实现对处于加热状态下的平面加热板上表面上方温度场的实时监控。

图5为本发明实施例3中操作步骤1所记录的初始温度场红外全息图实例。

图6为本发明实施例3中操作步骤3所记录的变化后温度场红外全息图实例。

通过对比图5与图6可见，当温度场测量区域中放入了处于加热状态下的平面加热板时，各条干涉条纹发生了明显的位移，此时，可选取图6中条纹上的任意一点，与图5进行对比，通过对像素点进行计数的方法，得到该点的条纹位移量，并依照步骤4至步骤6的方法计算出该点当前的温度值，该点作为一个示例，同样的方法可以应用于图6上任意一点的温度值计算，从而实现对图6所拍摄区域内的整个温度场的测量。

步骤4至步骤6为通过自编程序在微型计算机13中运行来实现，具体实施方法实施例2中已有详细叙述，因此不再做重复介绍。