测温方法和系统与流程

本公开涉及计量领域，尤其涉及一种测温方法和系统。

背景技术

飞行器在服役过程中，其表面受到气动热，在飞行器头锥、翼缘等表面热量堆积，可以达到极高温度。在正式服役前，往往需要对上述热端部件进行地面高温考核。目前对于飞行器热端结构和部件地面高温考核的主要方式是高温风洞。在考核过程中，部件表面温度场是一个重要参数。一方面，大量材料属性是温度相关的，如材料弹性模量和强度；另一方面，研究材料变形时，实际测量得到的应变是应力导致的应变与热膨胀产生的应变之和，在力学研究中，往往更加关心应力导致的应变，因此需要将二者解耦。

目前，温度测量方法有很多，如膨胀测温法、压力测温法、电学测温法、声学测温法、光学测温法等。在高温环境下，以比色测温法为代表的光学测温方法以其全场、非接触的特点，得到了较为广泛的研究。该方法是基于不同波长的辐射光强度进行温度计算的。一种方法是采用具有红r，绿g，蓝b三通道的ccd相机采集辐射光强度信息，并利用其中两个通道的光强进行比色得到温度场。

在高温风洞中，正对风洞高温高速气流出口的试件前端温度较高，可达到1500℃以上；而在风洞气流出口处的试件末端温度较低，一般在200-300℃；因此，试件不同区域内温度有很大的差异。根据普朗克黑体辐射定律，此时辐射光亮度也较大差异。此外，在超高温环境下(如3000℃以上)，辐射光达到很高的强度，此时空间范围内较小的温度变化，也会导致亮度的陡增或陡降。因此对图像采集时亮度的调节造成很大挑战。为了得到较高亮度处的清晰的图像，往往需要较小的光圈和极短的曝光时间；而为了得到较低亮度处的清晰的图像，需要较大的光圈和较长的曝光时间。因此，不同区域的图像采集和温度测量往往不能兼顾。因此，需要开发一种低成本、高效的测温方案，实现高亮度梯度条件下物体表面温度场的获取。

技术实现要素：

有鉴于此，本公开提出了一种测温方法和系统，低成本、高效地实现了高亮度梯度条件下物体表面温度场的获取。

本公开一方面，提出了一种测温方法，包括：获取被测物体的表面在多个光强度衰减率下的图像，每个图像对应于相应的光强度衰减率；在获取每个图像期间，测量所述被测物体的表面的满足图像清晰度要求的区域的单点温度，作为与该图像对应的基准温度；针对所述图像进行以下处理：根据每个图像的灰阶值和灰阶阈值确定该图像中的目标区域；根据每个图像对应的基准温度，利用比色法确定该图像的目标区域的温度场；根据各图像的目标区域的温度场，确定所述被测物体的表面的温度场。

本公开另一方面提出一种测温系统，所述系统包括：图像获取装置，用于获取被测物体的表面的图像；衰减率调节装置，用于调节图像获取装置获取图像时的光强度衰减率；温度测量装置，用于测量被测物体的表面的满足图像清晰度要求的区域的单点温度；处理装置，用于针对所述图像进行以下处理：根据每个图像的灰阶值和灰阶阈值确定该图像中的目标区域；根据每个图像对应的基准温度，利用比色法确定该图像的目标区域的温度场；根据各图像的目标区域的温度场，确定所述被测物体的表面的温度场，其中，所述图像是通过图像获取装置和衰减率调节装置获取的、被测物体的表面在多个光强度衰减率下的图像，每个图像对应于相应的光强度衰减率；图像对应的基准温度是温度测量装置在图像获取装置获取该图像期间测量的、被测物体的表面的满足图像清晰度要求的区域的单点温度。

本公开实施例的测温方法和系统获取被测物体的表面在多个光强度衰减率下的图像，并根据比色法确定各图像的目标区域的温度场，并通过目标区域的温度场得到被测物体的表面的温度场，使得在被测物体的表面亮度梯度较高的情况下，仍然能够通过不同的衰减率针对表面的各部分获得清晰图像，并利用不同衰减率下的目标区域的温度场合成最终得到被测物体表面的温度场，以较低的成本实现了高亮度梯度下的、高精度的温度场测量。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。

图1示出了根据本公开实施例的测温系统的结构图。

图2示出了根据本公开实施例的测温装置进行温度场测量的示意图。

图3示出了根据本公开实施例的测温方法的流程图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

图1示出了根据本公开实施例的测温系统的结构图。如图1所示，该系统100包括：

图像获取装置101，用于获取被测物体的表面的图像。图像获取装置101可以是具有图像获取功能的任意装置，例如具有红r，绿g，蓝b三通道的彩色ccd相机。在使用中，图像获取装置101的镜头可对准被测物体105的表面进行拍摄。

衰减率调节装置102，用于调节图像获取装置101获取图像时的光强度衰减率。衰减率调节装置102可以是衰减率可调的衰减片，或者包括不同衰减率的衰减片的衰减片组。衰减率调节装置102例如但不限于：带有转轮装置的衰减片组、相对偏振角度可调的双偏振片组合、电致衰减率变化的衰减片等。

衰减率调节装置102可通过自动或手动进行衰减率的调节。

衰减率调节装置102可以内置于图像获取装置101中，也可设置于图像获取装置101外部。在使用中，衰减率调节装置102可设置在图像获取装置101的镜头和被测物体的表面之间，用于对进入镜头的光强度进行衰减，并可对衰减率进行调节。

温度测量装置103，用于测量被测物体105的表面的满足图像清晰度要求的区域的单点温度作为基准温度。温度测量装置例如是单点测温仪。

在一种可能的实现方式中，还可以通过温度测量装置103测量被测物体的表面的满足图像清晰度要求的区域的任意一点的温度，作为与该图像对应的基准温度。其中，图像清晰度要求可根据经验人为设定，本公开对此不作限制，例如，可以根据亮度是否适中，即亮度是否在预设范围之内，来判断清晰度是否满足要求。判断图像是否满足图像清晰度要求可通过相关技术实现，本公开对此不作限制。例如，若被测物体的表面某部分的蓝通道图像的像素灰阶值在100～200之间，则判断该部分为满足图像清晰度要求的区域，并随机选择测量该部分中的某一点的温度为满足图像清晰度要求的区域的单点温度。

处理装置104，用于针对所述图像进行以下处理：根据每个图像的灰阶值和灰阶阈值确定该图像中的目标区域；根据每个图像对应的基准温度，利用比色法确定该图像的目标区域的温度场；根据各图像的目标区域的温度场，确定所述被测物体的表面的温度场，其中，所述图像是通过图像获取装置和衰减率调节装置获取的、被测物体的表面在多个光强度衰减率下的图像，每个图像对应于相应的光强度衰减率；图像对应的基准温度是温度测量装置在图像获取装置获取该图像期间测量的、被测物体的表面的满足图像清晰度要求的区域的单点温度。

图像获取装置101、衰减率调节装置102、温度测量装置103可连接至处理装置104，处理装置104可对图像获取装置101、衰减率调节装置102、温度测量装置103等进行控制，也可获取图像获取装置101、温度测量装置103的数据进行处理。

本公开实施例的测温系统通过图像获取装置和衰减率调节装置获取被测物体的表面在多个光强度衰减率下的图像，并根据比色法确定各图像的目标区域的温度场，并通过目标区域的温度场得到被测物体的表面的温度场，使得在被测物体的表面亮度梯度较高的情况下，仍然能够通过不同的衰减率针对表面的各部分获得清晰图像，并利用不同衰减率下的目标区域的温度场合成最终得到被测物体表面的温度场，以较低的成本实现了高亮度梯度下的、高精度的温度场测量。

在一种可能的实现方式中，温度测量装置103(例如单点测温仪)的采集频率等于衰减率调节装置102的衰减率调节频率；图像获取装置101(例如彩色ccd相机)采集帧率等于衰减率调节装置102的衰减率调节频率，以实现数据的同步。

在一种可能的实现方式中，在对应于最小光强度衰减率的图像中，被测物体的表面的最暗部分满足图像清晰度要求；在对应于最大光强度衰减率的图像中，被测物体的表面的最亮部分满足图像清晰度要求，从而使得针对被测物体的表面最暗和最亮的部分均可获得清晰的图像。

其中，清晰度要求可根据经验人为设定，本公开对此不作限制，例如，可以根据亮度是否适中，即亮度是否在预设范围之内，来判断清晰度是否满足要求。判断图像是否满足清晰度要求可通过相关技术实现，本公开对此不作限制。例如，可在图像某部分的红通道像素灰阶值在100～180之间时，判断该部分亮度适中，满足图像清晰度要求。

图2示出了根据本公开实施例的测温装置进行温度场测量的示意图。

如图2所示，在一个示例中，被测物体的表面不同部分的温度梯度较大，如果直接拍摄被测物体的表面的图像，难以保证图像中较暗的部分和较亮的部分都清晰(即可能出现过暗或过曝光现象)，从而难以利用比色法获得精确的温度场。

利用本公开实施例的测温系统，可进行以下操作：

1)首先将彩色ccd相机镜头对准被测物体，将衰减率可调的衰减片调节至最低衰减率a0，或者选择衰减片组中最低衰减率a0的衰减片，并可调节相机的焦距、光圈和曝光时间，以该最低衰减率a0，拍摄被测物体的表面的图像p0。在图像p0中，被测物体的表面的最暗部分l满足清晰度要求，亮度适中。例如，该部分图像的红通道像素灰阶值在100～180之间。

单点测温仪可同步记录被测物体的表面的满足图像清晰度要求的区域的单点温度作为图像p0的基准温度t0。

2)接下来，可提高衰减片的衰减率或更换衰减率更高的衰减片，使衰减率变为a1，使得此时被测物体的表面比最暗部分l亮一些的较暗部分所成图像亮度适中，获取被测物体的表面的图像p1，并利用单点测温仪同步记录被测物体的表面的满足图像清晰度要求的区域的单点温度作为图像p1的基准温度t1；

3)逐渐提高衰减片或衰减片组的衰减率，重复第2)步的操作，直至遍历所有设定的衰减率，最终达到最高衰减率an。在该最高衰减率下，被测物体的表面亮度最高的部分h所成图像亮度适中，拍摄被测物体的表面的图像pn，并利用单点测温仪同步记录被测物体表面的满足图像清晰度要求的区域的单点温度作为相应图像pn的基准温度tn。

需要说明的是，各个衰减率可以根据需要来设定，例如，衰减率调节的分度值或间隔可依据被测物体的表面亮度梯度的大小决定，亮度梯度越大，衰减率调节间隔越小，一组图像序列中包含的图像数目越多。

经过步骤1)、步骤2)、步骤3)，即完成一个采集周期，得到一组图像和相应的基准温度。处理器可进行处理得到该采集周期对应的被测物体的表面的温度场。

可以多次执行步骤1)、步骤2)、步骤3)获得多组图像和相应的基准温度，得到多个温度场测量结果，各测量结果分别反映各采集周期期间，被测物体的表面的温度场。

在一种可能的实现方式中，处理装置104根据每个图像的灰阶值和灰阶阈值确定该图像中的目标区域，可包括：按照光强度衰减率由小到大的顺序，依次确定各个光强度衰减率对应的图像中的目标区域，其中每个图像的目标区域的灰阶值小于灰阶阈值，且属于该图像之前的图像的目标区域之外的区域。其中，该图像之前的图像，是指衰减率比该图像的衰减率小的所有图像。由此，得到的每个图像的目标区域之间不重叠且相互衔接，且每个图像的目标区域亮度适中。

处理单元可根据每个图像对应的基准温度，利用比色法确定该图像的目标区域的温度场；可将各图像的目标区域对应的温度场按照目标区域的坐标进行合成，得到所述被测物体的表面的温度场。

其中，灰阶值可以是红通道像素、绿通道像素或蓝通道像素中的一个或多个的灰阶值。灰阶阈值可以根据需要进行设定，本公开对此不作限制。

以被测物体的表面是飞行器的头锥、翼缘等热端部件为例，一般来说，目前针对热端部件地面考核的温度多在3000℃以下。在此温度区间内，红光辐射强度最强，绿光次之，蓝光最弱。因此在进行比色测温时，若温度在2000℃以下，则可利用红、绿色光进行比色，以提高信噪比；但在温度超过2000℃、总体辐射较强情况下，也可利用绿、蓝色光进行比色，以扩大测温范围。此处以红光、绿光比色为例，阐述原理。

结合图2，在一个示例中，对于一个采集周期内获取的每一组图像序列，首先分析初始图像p0，即与最低衰减率a0对应的图像p0。如前所述，红光辐射强度最强，故可给定针对红光的灰阶阈值th，th可根据实际情况确定，对于8位图像，取值范围可为230-255。可将图像p0中，红通道像素灰阶值≥th的像素点的集合定义为高光区域h0，其他区域定义为非高光区域l0，并存储高光区域h0和非高光区域l0的坐标点数据。其中，非高光区域l0作为图像p0的目标区域。

基于图像p0对应的基准温度t0，利用比色法(即式1)：

计算可得非高光区域l0内像素点i对应的温度ti(i为正整数)。在式1中，brgi表示像素点i处红光强度与绿光强度的比值，brg0表示基准温度t0对应的像素点处红光强度与绿光强度的比值，λg表示绿光的波长，λr表示红光的波长，c2表示辐射常数。

若该非高光区域l0包含n个像素点(n为正整数)，则1≤i≤n，遍历计算得到非高光区域l0内n个像素点对应的温度，即可得到非高光区域l0的温度场{t1,t2,t3,l,tn-1,tn}。

接下来，按照衰减率由小到大的顺序，搜索下一衰减率a1对应的图像p1中位于上文所确定的高光区域h0内(图像p0的目标区域之外的区域)且红通道像素灰阶值小于th的点，记录其坐标，并记为非高光区域l1，基于图像p1对应的基准温度ta，利用比色法计算可得非高光区域l1(图像p1的目标区域)内的温度场，并可以此温度场填充高光区域h0中对应坐标处的温度值，并将填充的点的坐标从高光区域h0中剔除，实现图像p0的目标区域的温度场和图像p1的目标区域的温度场的合成，形成非高光区域l1’(包含l1和l0)；剩下的未被剔除的高光区域h0中的点形成高光区域h1(图像p0、p1的目标区域之外的区域)；

接下来，搜索下一衰减率a2对应的图像p2中位于高光区域h1内的且红通道像素灰阶值小于th的点，记录其坐标，并记为非高光区域l2(图像p2中的目标区域)，基于图像p2对应的基准温度tb，利用比色法计算可得非高光区域l2内的温度场，并以此温度场填充高光区域h1中对应坐标处的温度值，并将填充的点的坐标从高光区域h1中剔除，形成非高光区域l2’(包含l0，l1，l2)；剩下的未被剔除的高光区域h1中的点形成高光区域h2(图像p0、p1、p2的目标区域之外的区域)。

依次类推，直到该组图像序列中的最后一幅图像pn，此时对应非高光区域ln’，且区域ln’与图像pn大小相等。由此该组图像序列生成了一幅物体表面的温度场分布图，即为该图像序列的采集周期内的被测物体的表面的温度场。

可对下一采样周期内获取的下一个图像序列重复上述过程，即可得到下一采样周期的温度场。

以上仅为示例，而非限制获得被测物体的表面的温度场的具体方式。本领域技术人员应理解，通过其他合理的手段也可得到被测物体的表面的温度场，例如可分别记录每个图像的目标区域的坐标，及坐标对应的温度值，并根据坐标进行拼接，得到被测物体的表面的温度场。

在一种可能的实现方式中。温度测量装置103在获取每个图像期间，测量所述被测物体的表面的满足图像清晰度要求的区域的同一位置的单点温度，作为与该图像对应的基准温度；所述处理装置104还用于：在各图像对应的基准温度之间的差异满足条件时，针对所述图像进行所述处理

仍以上文中的示例为例，所述步骤1)、步骤2)、步骤3)中，在同一个图像采集周期内，希望被测物体表面亮度无明显变化；被测物体表面亮度是否有较明显变化可通过单点测温仪在一个图像序列内所测量得到的被测物体表面同一个位置的温度值变化来评估，例如：若单点测温仪所测量的同一点的温度相同或相差不大(如在10℃范围内)，可视为满足条件，则认为此时同一图像序列内所拍摄的图像为被测物体表面相同状态下的图像，处理装置可针对该图像序列进行处理，获得被测物体表面在该状态下的温度场。反之，若相差较大，可视为不满足条件，处理装置可不进行处理。可通过控制实验条件，来确保被测物体表面亮度无明显变化。其中，基准温度之间的差异需满足的条件可根据实际情况确定，本公开对此不作限制。

图3示出了根据本公开实施例的测温方法的流程图。如图3所示，该方法包括：

步骤301，获取被测物体的表面在多个光强度衰减率下的图像，每个图像对应于相应的光强度衰减率；

步骤302，在获取每个图像期间，测量所述被测物体表面的满足图像清晰度要求的区域的单点温度，作为与该图像对应的基准温度；

步骤303，针对所述图像进行以下处理：

步骤3031，根据每个图像的灰阶值和灰阶阈值确定该图像中的目标区域；

步骤3032，根据每个图像对应的基准温度，利用比色法确定该图像的目标区域的温度场；

步骤3033，根据各图像的目标区域的温度场，确定所述被测物体的表面的温度场。

本公开实施例的测温方法通过获取被测物体的表面在多个光强度衰减率下的图像，并根据比色法确定各图像的目标区域的温度场，并通过目标区域的温度场得到被测物体的表面的温度场，使得在被测物体的表面亮度梯度较高的情况下，仍然能够通过不同的衰减率针对表面的各部分获得清晰图像，并利用不同衰减率下的目标区域的温度场合成最终得到被测物体表面的温度场，以较低的成本实现了高亮度梯度下的、高精度的温度场测量。

在一种可能的实现方式中，根据每个图像的灰阶值和灰阶阈值确定该图像中的目标区域，可包括：按照光强度衰减率由小到大的顺序，依次确定各个光强度衰减率对应的图像中的目标区域，其中每个图像的目标区域的灰阶值小于灰阶阈值，且属于该图像之前的图像的目标区域之外的区域。

在一种可能的实现方式中，根据各图像的目标区域的温度场，确定所述被测物体的表面的温度场，可包括：将各图像的目标区域的温度场按照目标区域的坐标进行合成，得到所述被测物体的表面的温度场。

在一种可能的实现方式中，在获取每个图像期间，测量所述被测物体的表面的满足图像清晰度要求的区域的单点温度，作为与该图像对应的基准温度，可包括：在获取每个图像期间，测量所述被测物体的表面的满足图像清晰度要求的区域的同一位置的单点温度，作为与该图像对应的基准温度；所述方法还可包括：在各图像对应的基准温度之间的差异满足条件时，针对所述图像进行所述处理。

在一种可能的实现方式中，在对应于最小光强度衰减率的图像中，被测物体的表面的最暗部分满足图像清晰度要求；在对应于最大光强度衰减率的图像中，被测物体的表面的最亮部分满足图像清晰度要求。

关于测温方法的示例性实现方式，可参见对于测温系统的说明，此处不再重复。

本公开实施例提供了一种适应于表面高亮度梯度条件下的测温方法和系统，消除了被测物体表面亮度差异较大对图像数据采集和温度计算的影响，实现了高温环境下具有较大亮度差异的物体表面的温度场测量，且保持了较高的精度。本公开填补了高温环境下被测物体表面亮度差异较大的条件下的温度场测量方法的空缺，为目前飞行器相关部件的地面考核提供了有力的技术支撑。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。