高速多光譜輻射測溫系統研制

田澤禮，牛春暉，陳青山

(北京信息科技大學 儀器科學與光電工程學院，北京 100192)

引 言

快速溫度場的精確測量在軍事、工業生產中應用越來越廣泛[1]。其中激光損傷、炸藥轟爆、激光加工等具體領域對快速變化溫度場的精準測量提出了新的要求[2-3]。

溫度測量方法可分為接觸式測溫法和非接觸式測溫法[4]。接觸式測溫法存在測量時間長、動態響應慢、破壞溫度平衡等問題不適合用于復雜條件下快速變化溫度場的測量[5]。非接觸測溫法通過溫度場輻射能量逆向推導物體的溫度分布，具有測量速度快、測溫范圍大和不會破壞被測物體自身溫度場的優點[6]。根據測溫原理，非接觸式測溫法又可分為比色測溫法，單色測溫法和多光譜測溫法3種方法[7-8]。多光譜測溫法不需輔助設備和附加信息，對被測對象無特殊要求，因而特別適合于高溫目標的溫度及材料發射率的同時測量，所以多光譜測溫法應用最為廣泛[9]。

傳統的多光譜非接觸測溫系統主要利用衍射光柵、色散棱鏡進行分光，需要增加大量的光學器件進行光路調整和校準，因此體積和成本都會增加。光譜信號采集主要利用陣列光電傳感器[10-11]，而陣列光電傳感器尤其是能夠進行高速信號采集的陣列光電傳感器價格非常昂貴,另外配套的電路和可編程門陣列(field-programmable gate array，FPGA)設計也會大大提高成本和系統的復雜度[12-13]，并且受陣列光電傳感器數據傳輸和處理速度限制，系統的響應速度遠遠達不到納秒級別[14-16]。因此，為了滿足高速溫度測量，需要設計基于分光結構和高速響應硬件電路的多光譜輻射測溫系統。

本文作者設計研制了一套低成本高速多光譜輻射測溫系統。其中，分光裝置采用分束光纖和窄帶濾光片結合進行光譜分解。利用基于光電二極管的高速光電探測技術和FPGA高速并行數據采集處理硬件系統進行高速光譜數據采集與傳輸。最終研制出一套低成本、小體積、高速非接觸式溫度測量系統。

1 多光譜測溫原理

普朗克于1900年提出黑體輻射定律，揭示了不同溫度下的熱力學溫度T、波長λ和黑體輻射出射度Mλ,T的關系[18],可表示為下式：

Mλ,T=C1λ-5{exp[C2/(λT)]-1}-1

(1)

式中,C1是第一普朗克常數，C1=3.7418×104W·μm4/cm2;C2是第二普朗克常數，C2=1.4388×104μm·K。

假設測溫儀器有n個光譜通道，每個光譜通道進行光電轉換后的電壓值記為Vi，則有第i個通道輸出電壓值Vi的表達式如下：

(2)

式中,Aλi為檢定常量，只與光譜通道有關;ε(λi,T)為高溫目標的發射率[19]。

將其中的exp[C2/(λiT)]-1等效為exp[C2/(λiT)]，則經變換,(2)式改寫為:

(3)

將假定的發射率m階模型代入(3)式中可得:

amλim+a0,(i=1,2…,n;m≤n-2)

經過長時間的使用后，往復式真空泵氣閥中的彈簧性能就會逐漸下降，從而會發生漏氣、閉合不嚴等現象，增加其自身的溫度。結合實際情況能夠發現，通常為氣閥所配備的彈簧件質量不佳，而氣閥超溫基本上集中在中間位置，而該位置處沒有冷卻水，所以溫度就會居高不下，加之彈簧不具有耐高溫的性能，因此，影響整個氣閥的實際運行。

(4)

Yi=a0+a1X1,i+…+am+1Xm+1,i

(5)

因為測量n個光譜通道，所以會獲得n個方程。利用求解方程式的辦法即可求得目標的真實溫度和光譜發射率。

2 多光譜測溫系統總體設計

系統主要由光學模塊、光電轉換模塊、數據采集與處理模塊及人機界面4個部分組成。多光譜測溫系統結構如圖1所示。高溫源產生熱輻射，熱輻射經由分光模塊進行光譜分解，產生多路特定波長光信號。光電轉換模塊中的感光元件負責將各通道光信號轉換為電流信號。電流信號經由流壓轉換電路變成易于處理的電壓信號。因為流壓轉換后的電壓信號非常微弱，所以需要進行多級放大和濾波。FPGA負責驅動模數轉換電路將模擬量轉換為數字量，同時對數字量進行實時處理，并傳輸至上位機。上位機利用測溫算法反推真實溫度,它將溫度變化曲線和各通道光強進行顯示和保存。高速多光譜輻射測溫系統實物圖如圖2所示。圖中，UART表示通用異步收發傳輸器(universal asynchronous receiver/transmitter),AD表示模數(analog-digital)。

Fig.1 Structure diagram of multi-spectral temperature measurement system

Fig.2 Physical image of multi-spectral temperature measurement system

2.1 光學模塊設計

圖3所示的光學模塊主要由光學調理裝置和光學分光裝置組成。光學調理裝置采用反射鏡組和準直透鏡進行光路的調整和熱輻射光信號收集，最終使更多目標輻射光信號收集到光學分光裝置中。另外,光學調整裝置通過指示光源產生的光斑調整反射鏡組，對不同的測溫點進行精確定位。

Fig.3 Light path diagram of multi-spectral temperature measurement system

光學分光裝置是由分束光纖和窄帶濾光片構成。分束光纖采用上海聞奕光電科技有限公司生產的一分七分束光纖。窄帶濾光片使用的是大恒光電GCC-2020可見光和近紅外干涉濾光片系列。

如圖3所示，光束經過分束光纖分成7路光束。7路光束包含的能量均勻分布在各個通道,其中6路為測量通道，熱輻射經過測量通道傳輸到窄帶濾光片進行濾光，窄帶濾光片只允許中心波長±10nm的光通過，最終得到多路特定波段光信號。剩余1路為校準通道，在分束光纖尾端接入指示光源，產生指示光斑來對測溫點進行精準定位。

6路測量通道通帶中心波長分別為532nm,680nm,780nm,850nm,980nm和1550nm。本系統測量范圍涵蓋500nm～1600nm，能夠更好地還原輻射曲線，降低測溫誤差。由維恩位移定律可知,當絕對黑體的溫度升高時，輻射最大值向短波方向移動，故不同溫度測量范圍，熱輻射的強度在某些波段并不顯著。根據測量溫度范圍選取其中輻射強度較大的4個通道進行光譜信號采集，以此來提高測溫精度。

2.2 光電轉換模塊與數據采集處理模塊設計

光電轉換模塊主要負責將分解后的光譜信號轉換為多路電壓信號。數據采集處理模塊利用FPGA驅動高速模數轉換芯片采集多路電壓信號，并對轉換后的數字量進行處理和緩存。為了提高系統響應速度，對光電轉換模塊與數據采集處理模塊進行了優化設計，詳細內容見第3節。

2.3 基于LabVIEW的人機界面設計

人機界面使用 LabVIEW 平臺搭建，主要利用UART進行數據的接收，實現了數據處理、曲線顯示和數據保存等功能。實際人機界面如圖4所示，最上方為溫度實時顯示窗口，左下角為數據傳輸信息顯示窗口，右下角為各通道光強顯示窗口。

Fig.4 Interactive interface

3 高速微弱光信號采集處理模塊設計

3.1 高速光電轉換模塊設計

因為電子元器件信號處理速度存在上限，所以光電轉換電路設計是整個系統的難點。高速多光譜輻射測溫技術要求光電轉換模塊不僅能夠對皮安級電流信號進行檢測，同時能夠響應納秒級快速變換光信號，這就要求光電轉換模塊能夠對信號進行109倍放大并具有不小于20MHz的帶寬。

在放大電路中，當運放增益過大時，不僅會將外部的噪聲引入，還會降低電路的響應速度，因此在器件選型、整體電路設計和印制電路板(printed circuit board，PCB)繪制時需要注意很多細節。高速微弱光信號檢測電路框圖如圖5所示。主要由感光元件、流壓轉換電路、多級放大電路、濾波電路、電源管理模塊和電磁屏蔽殼組成。

Fig.5 Block diagram of weak current signal detection circuit

3.1.1 感光元件 感光元件在可見光波段采用敏光科技生產的硅光電二極管LSSPD-0.5，在近紅外波段使用銦鎵砷光電二極管LSIPD-A75。這兩種光電二極管混合使用能夠覆蓋400nm～1700nm波長，并具有1GHz以上的帶寬，滿足高帶寬、高增益、寬范圍的使用要求。

3.1.2 高速光電轉換電路設計 光電轉換裝置最核心電路為流壓轉換電路。該電路具有3fA偏置電流，極低的噪聲，在保證足夠大的增益前提下仍然具有20MHz以上的帶寬。

放大器選型采用專門為高速跨阻電路進行優化的LTC6268-10。此運放輸入電容僅為0.45pF，偏置電流低至3fA，增益帶寬積高達4000MHz[20]。選用此運放，能夠提高系統的整體分辨率和準確性。整體裝置電阻元件均采用金膜電阻，目的是減少信號在傳輸過程中的損失。

放大器單位增益帶寬積為 4GHz，輸入電容Cs近似為11pF，反饋電容Cf最小取值為0.094pF。LTC6268-10增益穩定去補償運算放大器要求Cs/Cf≥10。為了滿足要求，最終反饋電容值為100fF。此電路反饋電阻100kΩ時最大傳輸信號帶寬為24.06MHz，大于系統要求的20MHz帶寬，滿足系統需求[21]。

多級放大電路由兩級放大電路組成。濾波電路采用Π形RC低通濾波器，截止頻率為50MHz。電源模塊使用超低噪聲的線性穩壓器TPS7A4901和TPS7A3001來進行整體電路的供電，以此來減小整體的噪聲，提高信噪比。

3.1.3 電路防護措施 因為本模塊采集的是微弱高速光信號，所以要在信號傳輸和信號隔離上進行必要的防護措施。為了減少信號損耗，光電二極管緊靠運放輸入端，利用帶屏蔽保護層的同軸線纜進行信號傳輸。在微弱光電流輸入信號線附近添加電流屏蔽環進行外部信號屏蔽。另外在反饋電阻中間引入地線，將電場與地相連，使其直接被分流至地。在PCB制板時采用4層板設計，利用內部接地層對信號層的微弱信號進行保護。為了防止外部信號對本裝置產生干擾，添加內外金屬屏蔽罩。最終實物圖如圖6所示。

Fig.6 Photoelectric conversion module physical map

3.2 基于FPGA的高速并行數據采集處理系統設計

為了保證同一時刻對多個通道進行高速光信號采集處理和大容量數據緩存，利用FPGA和高速模數轉換芯片進行數據采集處理。其中高速模數轉換芯片采用AD9238，FPGA選用XILINX 公司的 XC6SLX16-2FTG256C芯片，能夠滿足高速和高帶寬數據采集處理要求。此系統能夠實現并行4個通道模擬量高速采集，采樣速率高達65Ms/sample，采樣精度為12bit。

FPGA并行數據采集與處理模塊同時驅動4路AD以20Ms/sample速率進行模擬量采集，實時將4路12bit的數據組成一個48bit的數據經過異步先入先出隊列(first input first output，FIFO)存儲在同步動態隨機存取內存(synchronous dynamic random-access memory，SDRAM)中，這樣能夠保證一個48bit數據即為同一時刻的不同波段光譜信號。隨后經由串口將處理后的數字量回發到上位機進行溫度解算。整體結構如圖7所示。

Fig.7 Data acquisition and processing module structure diagram

4 實 驗

4.1 標準輻射源標定

本裝置標定實驗中采用標準高溫輻射源進行標定。首先將標準高溫輻射源加熱至1000℃，當溫度保持恒定時,記錄各個波段的光電探頭的電壓值，重復3次,取各個電壓的平均值記錄下來,并將這組電壓值寫入到算法的標定系數中。各通道對應的光電探頭電壓值如表1所示。

Table1 Photoelectric probe voltage value

4.2 系統測溫實驗

根據實驗室現有條件，選用發射率不確定的馬弗爐作為采集目標。馬弗爐的觀察窗中軸線上添加一塊反射鏡，用來反射輻射光信號，從而達到保護設備的目的。整體實驗示意如圖8所示。

Fig.8 Schematic diagram of the experiment

本次實驗準直鏡頭距離馬弗爐的距離固定為50cm，接收位置為馬弗爐中心軸線。加熱馬弗爐至特定溫度，關閉電源停止加熱，這樣做的目的是為了防止馬弗爐內部的加熱硅鉬棒本身熱輻射信號對馬弗爐內熱輻射信號造成干擾。1min～2min待硅鉬棒降溫到與馬弗爐內部溫度一致后,通過本文中研制的高速多光譜輻射測溫系統對馬弗爐內部溫度進行測量。馬弗爐內置熱電偶可以對馬弗爐內溫度進行接觸式精密測溫，以熱電偶測的溫度作為馬弗爐內真實溫度。設定馬弗爐為不同溫度進行多光譜輻射測溫實驗，真實溫度和測得溫度的誤差如表2所示。

Table 2 Measured temperature and true temperature

從上述實驗結果可知，對不同溫度的測量結果誤差都在±1%以內。

4.3 系統響應速度測試實驗

光學模塊分光裝置是由分束光纖(一分七)和濾光片組成。光信號在此器件中以光速進行傳播，所以在光學分光裝置中響應時間基本可以忽略，反而在光電轉換模塊中，感光元件和放大器這些電學元器件存在信號傳輸帶寬限制。

對于熱輻射信號的采集和處理，本質上來說就是對高速變化的光信號進行采集和處理。受限于實驗室條件, 沒有納秒級溫度變化的高溫輻射源，故實驗中采用20MHz正弦波調制敏光科技高速紅外激光管LSDLD155，產生一個調制光信號模擬高速變化溫度場的輻射信號。利用研制的高速微弱光信號采集處理模塊對調制光信號進行采集，并接入示波器，示波器輸出結果如圖9所示。結果表明，微弱光信號采集處理模塊能夠響應帶寬20MHz的正弦波調制光信號，上升時間為14.4ns，證明本系統能夠對頻率20MHz的快速變化光信號進行采集。

Fig.9 Bandwidth test result diagram

5 結 論

介紹了高速多光譜輻射測溫系統的設計與實現，設計并研制了分光模塊和高速微弱光信號采集處理模塊，利用 LabVIEW平臺搭建了上位機。在保證低成本的前提下，給出了一個高速、高精度的多光譜輻射測溫解決方案。實驗效果表明，該系統能實現對目標溫度進行測量、采集和儲存，且測溫誤差在±1%以內，并能夠采集 20MHz瞬時變換光信號。本系統為非接觸測溫提供了新的低成本解決方案，適用于在軍工、工業、航天等多種快速高溫測量領域。