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基于高速摄像机的高速可见光测温系统在爆炸力学领域的应用

千眼狼科学仪器恭贺第十五届全国爆炸力学学术会议盛大召开！

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1研究背景

爆炸产生的瞬态温度场作用持续时间短、温度变化范围大、温度峰值高，并且瞬态高温一般都伴随着很强的破坏作用、测试环境复杂、技术难度大，传统的温度测量方法很难满足要求。基于高速成像的瞬态温度场非接触式测试技术，是根据辐射测温理论，综合运用现代图像检测技术、数字图像处理技术的一种新型非接触式温度测试方法。该方法时间分辨率高，测温动态范围宽，能够直观的得到温度分布图像且具有较高的测量精度。

千眼狼联合南京理工大学效能测试与评估技术中心开发一款基于高速摄像机的高速可见光测温系统，用于爆炸力学领域瞬态温度场测量。该系统通过采集火球可见光辐射，结合三色测温算法和黑体标定技术，实现1500K~3300K高温场非接触动态测量。

2可见光测温系统组成

1）高速摄像机选型采用千眼狼高灵敏度高速摄像机NEO 25，源自BSI传感器，分辨率@帧率 1280×1024 @25,000fps,量子效率85%。

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2）中性密度滤光片，用于提升系统的动态范围及温度测量上限。

3）标准高温源黑体炉，用于基于高速摄像机的高速可见光测温系统的标定。

4）可见光测温分析软件ITMS，用于瞬态温度场视频或图像的自动分析计算，可在前端界面中展示出瞬态温度场的相关分析结果，生成并导出瞬态温度场相关数据。

3系统操作步骤

1）利用高温黑体炉对高速摄像机、镜头及滤光片进行组合标定，用于获取RGB与温度的转换模型，并进行高速摄像机曝光时间、光圈参数等关键设定。

2）根据目标温度范围选择镜头，安装中性密度滤光片，并设置曝光时间与增益参数。

3）触发NEO 25高速摄像机（25,000fps）并采集存储爆炸过程的视频信息。

4）对捕捉的瞬态温度场视频每帧图像进行图像预处理，自动分割温度区域与背景，剔除异常数据点。

5）针对图像分割所得到的有效温度场，基于RGB三色测温原理计算像素级温度，生成温度分布伪彩色图像，实时显示最高温度/平均温度/温度梯度。

6）基于高速摄像机的灰度图像与标定参数，计算被测目标每帧图像下的实际温度，生成温度场统计报表含温度曲线、极值位置、热力学参数。

4测量精度

高速可见光测温系统测温结果准确性可能受到四个方面的影响：

1）来自黑体炉基准误差，通过采用0.999发射率黑体炉控制在10K以内，误差值≤1%。

2）来自高速摄像三色测量误差，受益于NEO 25高速摄像机先进的BSI图像传感器和12位图像位深，光敏单元响应非均匀性带来的误差可控制在1%内、光电响应非线性性带来的误差可控制在1%内、A/D转换带来的误差可控制在0.1%内，以上三项造成的累计误差在1.5%内。

3）来自测温解算模型的计算误差，利用多项式函数拟合及神经网络修正测温模型，控制精度于2%以内。

4）是来自环境干扰，系统标定非一致性等引入的其他误差，可控制在2%以内。

以上各分项误差分量均互不相关，故对灰体目标的系统总测量误差为≤3.35%，即2000K测温基准时，误差为±67K，符合系统测温要求。

5典型案例

高速可见光测温系统适用于工程炸药性能测试、含能材料研究、工程爆破安全评估等多种爆炸力学研究场景。下图为某新型工程炸药性能测试案例，基于NEO 25高速摄像机捕捉的视频进行温度场分析，得到温度场的同时生成温度分布伪彩色图像，便于研究人员直观看出温度的实际分布情况。同时支持自动分析温度场视频当前帧有效区域内的平均温度、最高温度及最高温度所处的位置坐标，如第43帧平均温度为1145.78K，最高温度为1258.65K，最高温度所处的位置坐标（695，626）。支持生成平均温度曲线及最高温度曲线，可定位最高平均温度和对应帧数，定位最高温度及最高温度帧数，且支持选点测温。