Способ бесконтактного измерения пространственного распределения температуры и излучательной способности объекта
METHOD OF CONTACTLESS MEASUREMENT OF SPATIAL DISTRIBUTION OF TEMPERATURE AND EMISSIVITY OF OBJECT

Изобретение относится к технологиям измерения пространственного распределения температуры и излучательной способности по поверхности объектов и может быть использовано для бесконтактного контроля состояния этих объектов.
Известен способ измерения распределения температуры с использованием многоканальных оптических систем, формирующих изображения одновременно на нескольких длинах волн (А. Кэмпбелл, Измерение распределений температуры образцов, нагретых лазером, с помощью мультиспектральной изображающей радиометрии. // Ревью оф сайнтифик инструменты, 2008. В. 79. №015108. DOI: 10.1063/1.2827513).
Недостатками этого способа являются сложность юстировки, громоздкость и высокая стоимость реализации подобных схем, кроме того, небольшое количество регистрируемых спектральных точек ограничивает точность вычисления температуры.
Известен способ бесконтактного измерения температуры и излучательной способности объекта на основе спектрально-яркостной пирометрии объектов с неоднородной температурой поверхности (Патент RU 2616937, приоритет от 17.06.2015 г., МПК G01J 5/50).
Недостатком этого способа является то, что он предполагает постоянство излучательной способности по исследуемой поверхности и требует одновременной регистрации спектрального изображения и спектра ее излучения.
Наиболее близким к предложенному является способ измерения пространственного распределения температуры и излучательной способности образцов, основанный на узкополосной фильтрации излучения при помощи акустооптического (АО) перестраиваемого фильтра изображений (А.С. Мачихин, П.В. Зинин, А.В. Шурыгин, Д.Д. Хохлов. Изображающая система на основе двойного акустооптического перестраиваемого фильтра для измерения распределения высокой температуры. // Оптикс леттерс, 2016. В. 41 №5. С. 901-904. DOI: 10.1364/OL.41.000901). Последовательная перестройка фильтра позволяет зарегистрировать цифровые изображения во всех требуемых спектральных интервалах. По этим изображениям в каждом пикселе численными методами получают спектр отражения объекта и далее с помощью двухпараметрической подгонки определяют значение температуры и излучательной способности.
Недостатком этого способа является необходимость спектральной перестройки и, как следствие, неодновременная регистрация спектральных изображений, что ограничивает применение этого способа для анализа быстропротекающих процессов и движущихся объектов.
Технической задачей изобретения является обеспечение одновременной регистрацию множества узкополосных спектральных изображений без механической или электронной спектральной перестройки.
Технический результат заключается в одновременной регистрации множества цифровых изображений в узких спектральных интервалах в пределах широкого диапазона длин волн.
Это достигается тем, что применяется способ бесконтактного измерения пространственного распределения температуры и излучательной способности объекта, в котором формируют световой пучок широкополосного излучения, идущего от объекта, осуществляют спектральную фильтрацию этого пучка акустооптическим фильтром, фокусируют отфильтрованное излучение и формируют изображение объекта, регистрируют изображение объекта матричным приемником излучения, осуществляют цифровую обработку изображения, снабжают мозаичным растром, состоящим из заданного числа различных спектральных светофильтров, который устанавливают на матричном приемнике излучения, выделяют спектральные каналы, число и максимумы которых соответствуют полосам пропускания спектральных светофильтров мозаичного растра, посредством акустооптического фильтра, работающего в k-частотном режиме, где k - число полос пропускания спектральных светофильтров мозаичного растра.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показана структурная схема устройства, реализующего способ бесконтактного измерения пространственного распределения температуры и излучательной способности объекта.
Структурная схема содержит исследуемый объект 1, оптически связанные и расположенные последовательно элементы: входную оптическую систему 2, АО фильтр-полихроматор 3, выходную оптическую систему 4, матричный приемник излучения 5 с мозаичным растром.
Устройство, реализующее способ бесконтактного измерения пространственного распределения температуры и излучательной способности объекта, работает следующим образом.
Исследуемый объект 1 устанавливают в предметной плоскости входной оптической системы 2, формирующей световой пучок широкополосного излучения, идущего от исследуемого объекта 1. Задают частот ультразвука, где N - целое число, N≥1, подаваемых на АО ячейку фильтра-полихроматора 3 и соответствующих требуемым длинам волны света. На выходе АО фильтра-полихроматора 3 появляются N световых одинаково поляризованных пучков. Все эти пучки одновременно фокусируются выходной оптической системой 4 на один матричный приемник излучения 5, формируя на нем N спектральных изображений. Посредством установленного на матричном приемнике излучения 5 мозаичного растра, состоящего из N спектральных светофильтров, одновременно регистрируют N спектральных изображений. Далее для получения пространственного распределения температуры и излучательной способности по поверхности объекта все эти спектральные изображения подвергаются совместной цифровой обработке.
В качестве АО фильтра-полихроматора 3 используется АО перестраиваемый фильтр, работающий в геометрии анизотропной дифракции в режиме многочастотной генерации, выделяющий из поступающего на его вход излучения набор заданных выбранным растром узких спектральных интервалов и одно направление поляризации. Количество элементов растра и их спектры пропускания должны выбираться заранее с учетом решаемой задачи, прежде всего, требуемого диапазона и точности измерения температуры.
В ходе предварительной оптимизации системы длины волн, выделяемые АО фильтром-полихроматором 3, могут индивидуально подстраиваться, каждая в пределах пропускания соответствующего светофильтра растра, для получения максимального парциального сигнала или минимизации фоновой засветки и других помех.
В альтернативной реализации способа в качестве матричного приемника излучения используется цветной (RGB) сенсор, а АО фильтр-полихроматор работает в трехчастотном режиме.
Дополнительно в альтернативной реализации способа АО фильтр работает в одночастотном режиме и перестраивается по спектру, последовательно выделяя за время экспонирования матричного приемника излучения спектральные компоненты, число и положение максимумов пропускания которых соответствует полосам пропускания спектральных светофильтров мозаичного растра.
Отличием изобретения является то, что в качестве матричного приемника излучения используется монохромный матричный приемник излучения с установленным на нем мозаичным растром, состоящим из N спектральных светофильтров, а АО фильтр-полихроматор работает не только в одночастотном, а и в многочастотном (полихроматическом) режиме, выделяя одновременно N спектральных каналов, максимумы пропускания которых попадают в полосы пропускания спектральных светофильтров мозаичного растра. Это позволяет исключить необходимость последовательной спектральной перестройки АО фильтра-полихроматора. В результате устройство на основе предлагаемого способа отличается высокой скоростью регистрации, определяемой только временем экспонирования приемника излучения, компактностью, высоким спектральным разрешением, отсутствием подвижных элементов. При этом пространственное разрешение устройства определяется числом спектральных каналов используемого мозаичного растра.
Использование изобретения позволяет определять пространственное распределение температуры и излучательной способности по поверхности объектов без механического или спектрального сканирования за счет одновременной регистрации множества цифровых изображений в узких спектральных интервалах в пределах широкого диапазона длин волн.