[发明专利]一种基于关联成像的物体表面温度分布测量方法与系统

权利要求书

1.一种基于关联成像的物体表面温度分布测量方法与系统，系统包括待测对象、光学成像透镜组、数字微镜阵列DMD及其控制模块、两个不同中心波长的光学带通滤波片、两个相同焦距的光学会聚透镜、双通道信号采集模块、两个光电探测器、FPGA数据处理板卡和上位机等构成。由待测对象发出的光辐射经过光学成像透镜组照射到数字微镜阵列DMD，并被反射到两个不同的方向，经DMD反射后的两束光通过不同中心波长的光学滤波片和两个光学会聚透镜聚焦后分别被两个光电探测器探测到并转化为电信号，再被双通道信号采集系统采集后导入FPGA，FPGA对采集到的双路不同波长光辐射信号首先进行基于关联成像原理的光强分布解算，再基于比色法测温原理获得待测对象的温度分布，最终将温度结果上传到上位机。

2.按照权利要求1中所述的一种基于关联成像的物体表面温度分布测量方法与系统，其特征在于利用数字微镜阵列DMD两个翻转方向同时探测获取待测对象两个波长的辐射光，再用FPGA在线解算被测对象的温度分布，具体实现过程包括：

将待测对象101置于光学成像透镜组102的左焦点，使待测对象产生的光辐射能够平行照射到数字微镜阵列DMD 103，数字微镜阵列DMD的两个反射光方向分别位于初始入射光路两侧±α角度，在初始光路角度为+α的一侧光路中插入第一光学滤波片201和光学会聚透镜203，并用第一光电探测器205对光强信号进行采集，在角度为-α的一侧光路中插入第二光学滤波片202和光学会聚透镜204，并用第二光电探测器206对光强信号进行采集，随后将两个光电探测器的输出接到双通道信号采集模块的采集端口；

DMD的翻转情况受到DMD控制器的约束，会根据设定好的情况进行翻转，将DMD控制模块的一个同步输出信号FSO和三个可编程同步输出信号DGSO接在FPGA的外部信号输入接口上，FPGA接收DMD控制板发出的信号，并控制双通道信号采集模块在FSO的高电平维持时间内对光电探测器输出的光电信号进行采样，并将采样量化值发送给FPGA；

三个DGSO信号的高电平维持时间与FSO相同，其高电平产生的周期可以被编程为FSO周期T的整数倍T₁＝k₁×T、T₂＝k₂×T、T₁＝k₁×T，在重建一个N像素图像时，要满足N≤k₁×k₂×k₃，即利用三个DGSO信号的逻辑与作为图像重建的启动标志，可避免DMD接口输出波动时对程序的运行造成影响，以此达到各模块之间的同步；

FPGA完成待测对象的温度分布计算之后，将计算结果上传至上位机。

3.按照权利要求1中所述的一种基于关联成像的物体表面温度分布测量方法与系统，其特征在于利用关联成像原理计算光强分布、利用比色法测温原理实时计算温度分布，其计算过程具体实现如下：

步骤一：采用N×N大小的数字微镜阵列DMD，DMD的调制模式按照Hadamard矩阵的排列方式确定，Hadamard矩阵是由+1和-1组成的二元正交矩阵，Hadamard列/行构成一个完全的正交基，采用该基作为DMD的调制模式，则可以用矩阵求逆的方法重建原始图像，由于实际探测过程中无法表示负光强，故在一次测量时数字微镜阵列DMD要翻转完全相反的两次，第一次记为+1而另一次记为-1，在该测量周期内得到的两个不同波长条件下的光强记为b_λ1k和b_λ2k，将±1乘以各自探测到的光强结果再求和就得到用于计算的光强b_λnk，其中b_λ1k＝b_λ1k1-b_λ1k2，b_λ2k＝b_λ2k1-b_λ2k2；

再将N×N像素的待测对象矩阵拉直为一个1×N²的向量A_λ，将N×N个数字微镜的第k次翻转矩阵同样拉直为一个1×N²的向量h_k(1≤k≤N)，第k次探测的光强记为b_λ1k、b_λ2k(1≤k≤N)，N记为DMD的总翻转次数，再根据关联成像的相关原理，计算出不同波长条件下待测对象的光强分布，即

步骤二：基于比色法测温原理和以上的光强计算结果，对待测对象的温度分布进行计算，已知普朗克黑体辐射定律：

其中，M是光辐射的能量，λ是光的波长，T是吸收体的温度，C₁和C₂是常数，ε(λ)是在物体波长λ处的辐射系数。通过光学滤波手段将±α两侧的反射光分别滤光，得到波长为λ₁和λ₂的两束光将对应像素点的光强值作比较，

可以推导出比率温度T_r以及它和实际温度T之间的关系，

逐点进行计算，进而得到温度分布。