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1、基于散斑干涉的瞬态温度场重建系统研究 赵迎 于玥 王美娇 长春理工大学光电信息学院 摘 要： 为了可以实时地获取被测表面的瞬态温度变化信息, 设计了一种基于时域散斑干涉技术的瞬态温度场重建系统。由于瞬态温度改变导致被测表面的形变, 故对于被测表面中的任意一点而言, 该一维时域干涉信号与其形变量存在函数关系, 所以可通过对单点反射光的相位解调反演该点的温度变化。实验采用550.0nm 激光器垂直照射被测表面, 采用 HS-4 型高速 CCD 相机获取高时间分辨率的散斑干涉图像, 被测物为钢构件, 其内部放置燃烧部模拟火炮发射时产生的瞬态高温变化。结果显示, 单点的灰度数据变化经滤波降噪处理后可以
2、有效地解调反射光相位信息, 从而求解被测表面上任意点的温度值。最终实现被侧面瞬态温度场分布的重建, 并给出了在 t=0.20s 时刻的温度分布图像, 验证了其可行性。关键词： 瞬态温度场; 散斑干涉; 相位解调; 温度场重建; 作者简介：赵迎 (1983-) , 女, 汉族, 吉林长春人, 讲师, 硕士, 主要研究方向为光电检测、光学信息处理。Email:收稿日期：2017-05-14基金：国家自然科学基金 (60637010) Study on Reconstruction Systemof Transient Temperature Field based on Speckle Patte
3、rnZHAO Ying YU Yue WANG Meijiao College Of Optical And ElectronicalI nformation Changchun University Of Science And Technology; Abstract： In order to obtain the transient temperature change information of the measured surface in real time, the reconstruction system of transient temperature field was
4、 designed based on time-domain speckle pattern interferometry.The changes in temperature can lead to the corresponding deformation, so its one-dimensional time-domain interference signal and its deformation is a function of the relationship for any point in the surface, so it is possible to invert t
5、he temperature change of the spot by demodulating the phase of the single-point reflected light. In the experiment, 550. 0 nm laser was used to irradiate the surface. The HS-4 high-speed CCD camera was used to obtain the speckle interference image with high temporal resolution. The internal combusti
6、on unit is used to simulate transient high temperature changes such as gun firing. Experimental results show that the single-point gray-scale data variation can effectively demodulate the reflected light phase information after filtering noise reduction processing, to solve the temperature value of
7、any point on the measured surface. The temperature distribution image was given at time t = 0. 20 s, thus the feasibility of this method is verified.Keyword： transient temperature field; speckle interference; phase demodulation; temperature field reconstruction; Received： 2017-05-14散斑干涉在漫反射物体的微小形变或微
8、位移的检测方面被广泛应用, 其具有检测精度高、非接触等优点1。而对于某种固定的材料而言, 温度的变化会产生相应的形变, 故采用测量目标表面的形变分布也可以实现对目标表面温度变化的非接触实时检测2。此种方法在很多需要实时获取温度场数据且又不便接触或点位较多的情况下具有很高的实用价值。传统的散斑干涉检测方法是首先对干涉条纹图像预处理, 在抑制噪声的条件下, 对两幅以上的干涉图像进行相差处理, 从而获得被测目标的形变和温度信息3-4;除此之外还有采用傅氏变换的方法完成两幅干涉图像的分析。但这两种方法均是针对被测区域大范围形变或温变测试的, 同时, 速度受限于图像数据处理能力, 不适用于温度场或形变场
9、的实时获取5。为了从散斑干涉图像中获取更多的信息, 也可以采用求解相移的方式实现, 主要分为时间相移法与空间相移法。通常采用时间相移法需要相移器件具有较高的响应能力6;而空间相移法虽然可同时获取不同相移的图像, 但是结构复杂、价格昂贵7-9。本文设计了一种针对在被测区域各个点位进行一维相干场相位分析的瞬态温度重建系统。因为在时间轴上, 对于任意一个单点而言, 它随瞬态温度变化产生的形变量会导致反射光与本振光光程差的变换, 而该变化量决定了该点位上一维时间轴上的相移信息, 故可以通过高速 CCD 捕获同一点位上不同时刻的相干强度变化信息, 从而实现对各个点位瞬态温度的反演。1 整体系统设计整个瞬
10、态温度场重建系统如图 1 所示。激光器产生稳定的激光经准直扩束系统进入分束器。分束器将入射光分为两束:一束照射在测试表面, 当表面由于温度变化而产生形变时, 反射光将携带该表面的形变信息;另一束作为本振光与反射光进行相干, 从而产生散斑干涉图像。在本设计中为了获得整个测试范围内瞬态温度场的分布, 采用高速 CCD 获取其相应点的一维时域信号。对于任意一个点而言, 其在时间轴上由被测表面形变产生的光程差变化会体现在散斑干涉图像中, 所以, 可以通过任意点的一维时域信号反演被测表面的形变量, 当其材料一定时又可以计算其相应的瞬态温度场变化。高速 CCD 采集得到数据进入CPU, 通过一维时域 FF
11、T 算法完成相应点位上的光谱变化, 最终, 显示其温度场数据分布信息。散斑干涉可以对微形变进行高精度的测试, 而如果被测物的材料已知, 则在其他条件一致时, 其温度的改变量与形变量存在明确的函数关系, 即可以通过瞬态的形变量反演被测目标的瞬态温度场分布。根据热力学定律可得体胀系数 (单位温度变化导致的形变量相对变化值) 和等温压缩系数 (若温度不变单位压强导致的形变量相对变化值) 10有其中, V 表示被测物体积, T 表示温度, p 表示压强。对于固体而言, 压强影响可忽略不计, 从而其物态方程可表示为:为了便于计算, 假设被测材料为弹性体, 弹性模量为 E, 则形变量有:其中, l 为被测
12、目标表面的形变量, T 为瞬态温度值, l 为形变方向的初始长度, 和 kT分别为该材料的体胀系数和等温压缩系数。2 回波信号相位解调2.1 相位解调函数采用希尔伯特变换12, 对反射光进行信号分析, 有:将其采用傅氏变换可写成:其中, F () 为傅氏变换, 为频率, sgn () 为符号项。故相位函数可表示为:可以看出, 信号项可以通过-, 的相位分布函数所体现。当相位变化从 i到 j 时, 则设 为相位变化量, 其可表示为:则形变量与相位项函数有:则其对应的瞬态温度变换关系有:其中, 为波面与被测面的角度, 为波长, 其它参数含义见前文。最终, 通过式 (9) 可以看出, 对于固定的测试
13、材料而言, 当光源选定、测温角度不变时, 瞬态温度与该点位的瞬间形变成函数关系, 同时, 当采用希尔伯特变换将形变量用相位变化量表达时, 就能得到瞬态温度场关于任意点位上相位变化量的函数关系, 故对所有点位进行一维时域分析即可得到被测表面精确的瞬态温度场分布。2.2 参数仿真分析对影响瞬态温度场分布的各个参数进行权重分析可以有利于在测试过程中获得更多的有效信息, 减少由于参数多元化造成的噪声增大。设测试激光波长550nm, 激光垂直入射 (=90) , 弹性模量为 200 (模拟钢材) , 体胀系数为 1.01, 初始尺寸 10.0cm, 由此对瞬态温度场函数中几个重要参数在有限变换范围内进行
14、仿真分析, 则温度变量归一化系数如图 2 所示。图 2 温度变量归一化系数函数分布图 下载原图仿真数据分布如图 2 所示, 当压缩系数固定时, 温度变量随着相位项的增大而增大, 实际上从式 (3) 和 (10) 中可以看出, 当温度导致的形变增大时, 反射光的光程差也随着形变量而增大, 所以其引起的相位项也增大, 故采用计算相位项反演瞬态温度变量亦是可行的;当温度不变时 (可理解成对于某一时刻) , 不同压缩系数对应不同的温度变量, 实际表示不同材料在相同温度条件下的相位项值, 故预测试目标表面瞬态温度场需要确定被测物材料及其相应的热力学参数。除此之外, 可知相位项与压缩系数决定了温度的相对变
15、化量, 当针对不同测试体及测试环境时, 又可计算其温度变化量的绝对值, 从而重建瞬态温度场。3 实验3.1 测试条件与实验结果实验采用 550.0nm 激光器, 平均功率 50.0m W, 垂直照射被测表面, 探测器为IDT 公司 HS-4 型高速 CCD 相机, 帧采样率达 1200f/s, 分束器有效长度为20.0mm, 物距 30.0cm。为了保证测试的稳定性, 探测系统及被测物被固定在光学平台上。被测物为热导率、弹性模量均已知的钢构件, 件内放置适量燃烧部, 当引燃燃烧部迅速释放大量热能时可模拟火炮发射、爆炸等造成的目标瞬态温度场变化。由 CCD 采集得到的散斑干涉图像如图 3 所示。
16、图 3 散斑干涉图 下载原图如图 3 所示, 通过该系统可以较清晰的获取被测表面的散斑干涉图像, 由于实验采用的被测表面较好, 故其干涉图像质量较高。对于任意坐标点 (120, 120) 分析, 其灰度数据提取可知, 在 400 个采样点区间中, 灰度数据发生了规律性变化, 这是由于温度瞬间升高过程中导致被测表面面形变化, 使目标反射光光程发生改变, 从而使在该 CCD 探测器像元位置的干涉强度变化的结果, 可以看出变化范围约有 45 个周期, 而其对应的相位也发生了相应的改变, 通过相位解调的方法可以计算出其相应的瞬态温度变化。直接采集的信号包含了明显的噪声, 采用滤波降噪的方法可以获得更为平滑的曲线, 从而提高其解析精度。3.2 温度场重建将被测表面由温度变化导致瞬态形变产生的散斑干涉条纹采集并排序, 从而获得每个像素点上相干强度的灰度变化函数 I (t) 。对任意像素点的在完整的测试时间范围内的灰度变化进
