[发明专利]一种基于多光谱比色的高温瞬态测量系统和方法

权利要求书

1.一种基于多光谱比色的高温瞬态测量方法，其特征在于，该方法基于多光谱比色的高温瞬态测量系统，

该测量系统包括光谱摄取单元、光电转换单元和主控处理单元；

所述光谱摄取单元包括望远系统、孔径光阑、准直系统、色散系统、聚焦系统，各个组成部件顺次摆放，用于实现对光谱信息的分离；其中，望远系统摄取物体光线；孔径光阑控制视场角；准直系统将光线变成同心光束；色散系统用于将同心光束分解成多光谱；聚焦系统用于将色散系统分解后的光谱的不同波长的光线聚焦在不同的像面上；

所述光电转换单元包括光敏探测器阵列和放大电路，用于对辐射物体的离散化后的光谱进行光电转换；其中，光敏探测器阵列放置在像面上，用于对不同像面上的光谱强度进行光电流转换，输出的电流输入到放大电路中，由放大电路实现电流电压转换，以及信号放大；

所述主控处理单元包括主控芯片和A/D电路，A/D电路用于将电压信号进行模数转换，主控芯片用于根据电压实现温度的标定和测量；

该方法包括如下步骤：

S1、光谱摄取单元设计：通过设计光谱摄取单元中各个组成部件的位置，摄取工作范围的光谱并使之离散分布在不同的像面位置，实现高光谱分辨率；

S2、光电转换单元设计：将光敏探测器阵列放置在像面，使用光敏探测器阵列将光谱信息转换成电流信号，通过放大电路进行电流电压转换以及信号放大；

S3、光学系统参数标定，标定光敏探测器阵列像元上的波长分布：不同波长的光谱会打到不同的成像面上，记录光敏探测器阵列像元上不同波长的对应位置，以标定光敏探测器阵列像元上的波长分布；

S4、测量系统的温度曲线标定：以黑体炉为标准辐射源入射测量系统，不同温度段的光谱强度的变化体现在系统电压变化，在固定一个波长的情况下，选择一个参考温度和对应的参考电压，拟合出该波长下温度与电压的比值之间的曲线关系；进而得到不同波长下温度与电压的比值之间的曲线关系；

S5、待测物体的多光谱温度测量：以待测物体的光线入射测量系统，获得待测物体光线的波长以及测量系统的输出电压，进而得到输出电压与参考电压的比值，根据该波长下温度与电压的比值之间的曲线关系，得到待测物体的温度值

其中，电压的比值为理论计算温度对应的实际电压与参考温度对应的参考电压之间的比值。

2.如权利要求1所述的基于多光谱比色的高温瞬态测量方法，其特征在于，所述步骤S3光学系统参数标定时，固定好光学器件，以单色仪输出的光线入射测量系统，通过调节单色仪的输出波长，以单个波长进行移动，记录标定每个像元上的波长。

3.如权利要求2所述的基于多光谱比色的高温瞬态测量方法，其特征在于，以光谱范围为420-2400nm的增强型超连续谱激光器作为光源，利用工作波长范围为400-1450nm的可调谐声光调制器型的单色仪将光谱分散开并输出单色光，入射到所述测量系统，通过软件调节单色仪的输出波长，以单个波长进行移动，不同波长的光谱投射到光敏探测器阵列的多个像元的不同像元上，像元对不同波长处的光谱进行光电转换，记录多个像元上的波长，标定像元上的光谱波长分布。

4.如权利要求1所述的基于多光谱比色的高温瞬态测量方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述测量系统的温度曲线标定是指以黑体炉作为标准辐射源入射测量系统，调节黑体炉温度，辐射光经过色散系统产生光谱，光谱经过聚焦系统聚焦到不同的像面上，像面上的光敏探测器阵列对光谱进行光电转换，将光谱辐射强度转换为电流，电流经放大电路转换为电压并放大后，通过A/D电路和主控芯片获得电压值；在固定一个波长的情况下，待测温度T可表示为：

其中，C₂＝1.43879×10⁴μm⁴·K，λ_i表示光敏探测器阵列第i个通道的波长，和分别代表在波长λ_i下，参考温度T'和待测温度T对应的实际电压值；

选择一个参考温度和对应的参考电压，记录不同温度段的电压值，可拟合出该波长λ_i下温度与电压的比值之间的曲线关系。

5.如权利要求4所述的基于多光谱比色的高温瞬态测量方法，其特征在于，所述黑体炉是各波段光谱发射率接近于1的理想参考热源。