[发明专利]基于高速成像技术的瞬态温度场测试方法及其测试系统

说明书

本发明公开一种基于高速成像技术的瞬态温度场测试方法及其测试系统，包括彩色高速相机、中性密度滤光片、光学镜头、计算机。光学镜头将瞬态温度场辐射产生的亮度信息聚焦于高速相机的CMOS图像传感器上；中性密度滤光片用于控制通光量，以保证相机工作在非饱和区域同时能够扩展温度测量上限；高速相机将成像在CMOS传感器上的光信息转化为数字图像RGB信息；计算机对高速相机采集的瞬态温度场图像信息进行分析，根据软件中内置的经相机标定得到的温度转换模型可得到瞬态温度场及相关特征参数。本发明可以实现瞬态温度场的远距测量，具有高时间分辨率及高测温上限的特点，同时可直观地获得每个时刻的温度分布渲染图及相关温度特征参数。

技术领域

本发明属于数字图像处理及温度测量领域，具体涉及一种基于高速成像技术的瞬态温度场测试方法及其测试系统。

背景技术

瞬态温度场的作用持续时间短、温度变化剧烈、温度峰值高，并且瞬态高温场一般都伴随着很强的破坏作用、测试环境复杂、技术难度大，传统的温度测量方法很难满足要求。瞬态温度场的测试方法总体上可以分为接触式和非接触式两种：接触式温度测量的响应频率过低、只能测量点区域的温度，且传感器放置于温度场中，容易对温度分布产生影响；非接触式温度测量依据测温原理分为光谱测温法和辐射测温法两大基础类型，光谱测温法虽然能达到较高的时间分辨率但该方法容易受到背景环境光的干扰从而影响测温精度，同时该方法一般也只能测量点区域的温度，无法直观的得到整个温度场的分布情况；红外热像仪测温是辐射测温法的典型代表，其虽然能对整个温度场分布情况做出测量，但难以将被测物质的辐射率精确化、标准化，会影响测温精度；且红外热像仪拍摄的帧率相对较低，无法满足瞬态温度场测量对时间分辨率的要求。

中国专利200910043260.6公开了一种CCD图像传感器高温场测量仪，该装置通过CCD传感器获取温度场图像各像素点R、G的值进而计算温度，但是该方法会因不同被测物所带来的辐射特性的改变，从而影响温度测量的精度，并且受限于CCD图像传感器，该装置时间分辨率低，无法满足瞬态温度场的测量需求。

中国专利201611270441.9公开了一种瞬态温度场测量方法及装置，该方法利用分光镜将被测目标的辐射光分割为多个预设波长范围的光束,并将多个预设波长范围的光束藕合至相机系统进而分析温度，但是该方法需要对被测物的光谱特性有具体的了解，进而制定合理的波长预设范围，对光谱特性不明确物体的测量有一定的局限性，同时分光系统容易受到环境光及距离衰减的影响，非实验室环境下的使用适用性相对较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于高速成像技术的瞬态温度场测试方法及其测试系统，利用高速成像技术采集温度场视频图像，应用标定得到的温度转换模型及图像处理技术，分析计算有效温度场内每个像素点所表征的温度，进而得到整体直观的瞬态温度场分布情况及相关特征参量。本发明克服了现有技术中测量瞬态温度场时间分辨率的局限性，同时提高了测温的精度及系统使用的适用性。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于高速成像技术的瞬态温度场测试方法，利用彩色高速摄像机对温度测量的时间分辨率为10^-5s，测温范围为1200-3300摄氏度的瞬态温度场进行测量，得到温度分布的渲染图像及相关温度特征参数，具体包括以下步骤：

步骤1：利用高温黑体炉，对彩色高速摄像机、镜头及中性密度滤光片的组合进行标定，同时进行相机拍摄过饱和的抑制，获取多段图像RGB灰度值对应温度的转换模型及其相对应的彩色高速摄像机、镜头及中性密度滤光片的设定参数；

步骤2：依据所要分析的瞬态温度场预估的温度范围，选择相应的彩色高速相机、镜头及中性密度滤光片设定参数，之后应用彩色高速摄像机拍摄瞬态温度场的视频；

步骤3：对瞬态温度场视频的每帧图像进行图像预处理，除去异常的数据点的同时将温度区域与背景分割，并提取出有效的温度场；