[發明專利]基于高速成像技術的瞬態溫度場測試方法及其測試系統

在審

• 申請號: 201811463395.3
• 申請日: 2018-12-03
• 公開（公告）號: CN109506782A
• 公開（公告）日: 2019-03-22
• 發明（設計）人: 狄長安;周釔捷
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01J5/00
• 分類號: G01J5/00
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱沉雁

本發明公開一種基于高速成像技術的瞬態溫度場測試方法及其測試系統，包括彩色高速相機、中性密度濾光片、光學鏡頭、計算機。光學鏡頭將瞬態溫度場輻射產生的亮度信息聚焦于高速相機的CMOS圖像傳感器上；中性密度濾光片用于控制通光量，以保證相機工作在非飽和區域同時能夠擴展溫度測量上限；高速相機將成像在CMOS傳感器上的光信息轉化為數字圖像RGB信息；計算機對高速相機采集的瞬態溫度場圖像信息進行分析，根據軟件中內置的經相機標定得到的溫度轉換模型可得到瞬態溫度場及相關特征參數。本發明可以實現瞬態溫度場的遠距測量，具有高時間分辨率及高測溫上限的特點，同時可直觀地獲得每個時刻的溫度分布渲染圖及相關溫度特征參數。

技術領域

本發明屬于數字圖像處理及溫度測量領域，具體涉及一種基于高速成像技術的瞬態溫度場測試方法及其測試系統。

背景技術

瞬態溫度場的作用持續時間短、溫度變化劇烈、溫度峰值高，并且瞬態高溫場一般都伴隨著很強的破壞作用、測試環境復雜、技術難度大，傳統的溫度測量方法很難滿足要求。瞬態溫度場的測試方法總體上可以分為接觸式和非接觸式兩種：接觸式溫度測量的響應頻率過低、只能測量點區域的溫度，且傳感器放置于溫度場中，容易對溫度分布產生影響；非接觸式溫度測量依據測溫原理分為光譜測溫法和輻射測溫法兩大基礎類型，光譜測溫法雖然能達到較高的時間分辨率但該方法容易受到背景環境光的干擾從而影響測溫精度，同時該方法一般也只能測量點區域的溫度，無法直觀的得到整個溫度場的分布情況；紅外熱像儀測溫是輻射測溫法的典型代表，其雖然能對整個溫度場分布情況做出測量，但難以將被測物質的輻射率精確化、標準化，會影響測溫精度；且紅外熱像儀拍攝的幀率相對較低，無法滿足瞬態溫度場測量對時間分辨率的要求。

中國專利200910043260.6公開了一種CCD圖像傳感器高溫場測量儀，該裝置通過CCD傳感器獲取溫度場圖像各像素點R、G的值進而計算溫度，但是該方法會因不同被測物所帶來的輻射特性的改變，從而影響溫度測量的精度，并且受限于CCD圖像傳感器，該裝置時間分辨率低，無法滿足瞬態溫度場的測量需求。

中國專利201611270441.9公開了一種瞬態溫度場測量方法及裝置，該方法利用分光鏡將被測目標的輻射光分割為多個預設波長范圍的光束,并將多個預設波長范圍的光束藕合至相機系統進而分析溫度，但是該方法需要對被測物的光譜特性有具體的了解，進而制定合理的波長預設范圍，對光譜特性不明確物體的測量有一定的局限性，同時分光系統容易受到環境光及距離衰減的影響，非實驗室環境下的使用適用性相對較差。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于高速成像技術的瞬態溫度場測試方法及其測試系統，利用高速成像技術采集溫度場視頻圖像，應用標定得到的溫度轉換模型及圖像處理技術，分析計算有效溫度場內每個像素點所表征的溫度，進而得到整體直觀的瞬態溫度場分布情況及相關特征參量。本發明克服了現有技術中測量瞬態溫度場時間分辨率的局限性，同時提高了測溫的精度及系統使用的適用性。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種基于高速成像技術的瞬態溫度場測試方法，利用彩色高速攝像機對溫度測量的時間分辨率為10^-5s，測溫范圍為1200-3300攝氏度的瞬態溫度場進行測量，得到溫度分布的渲染圖像及相關溫度特征參數，具體包括以下步驟：

步驟1：利用高溫黑體爐，對彩色高速攝像機、鏡頭及中性密度濾光片的組合進行標定，同時進行相機拍攝過飽和的抑制，獲取多段圖像RGB灰度值對應溫度的轉換模型及其相對應的彩色高速攝像機、鏡頭及中性密度濾光片的設定參數；

步驟2：依據所要分析的瞬態溫度場預估的溫度范圍，選擇相應的彩色高速相機、鏡頭及中性密度濾光片設定參數，之后應用彩色高速攝像機拍攝瞬態溫度場的視頻；

步驟3：對瞬態溫度場視頻的每幀圖像進行圖像預處理，除去異常的數據點的同時將溫度區域與背景分割，并提取出有效的溫度場；