阅读说明：本技术 一种基于数据融合的高时空分辨率温度测量系统及方法 (High-space-time resolution temperature measurement system and method based on data fusion ) 是由 汤成龙 刘传胜 黄佐华 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于数据融合的高时空分辨率温度测量系统及方法,属于温度测量技术领域,该系统包括红外相机、计算机、热电偶组及热电偶数据采集模块。热电偶组在待测量壁面上的随机位置嵌入并传输信号至热电偶数据采集模块。计算机同时收集来自红外相机和热电偶数据采集模块的数据。对红外相机数据进行本征正交分解后,得到POD模态。筛选出能量占比最大的若干模态,并利用压缩感知的原理,结合测量位置矩阵和热电偶数据进行高时空分辨率温度场的重构。本发明可以通过融合红外相机数据和热电偶数据得到高时空分辨率的温度场数据,具有测量精度高、总体成本低、无需先验知识和实时测量的优点。(The invention discloses a high-space-time resolution temperature measurement system and method based on data fusion, belonging to the technical field of temperature measurement. The thermocouple group is embedded at a random position on the wall surface to be measured and transmits a signal to the thermocouple data acquisition module. The computer collects data from both the infrared camera and the thermocouple data acquisition module. And carrying out intrinsic orthogonal decomposition on the infrared camera data to obtain a POD mode. And screening out a plurality of modes with the largest energy ratio, and reconstructing a high-space-time resolution temperature field by combining a measurement position matrix and thermocouple data by utilizing a compressed sensing principle. The invention can obtain the temperature field data with high space-time resolution by fusing the infrared camera data and the thermocouple data, and has the advantages of high measurement precision, low overall cost, no need of priori knowledge and real-time measurement.)

一种基于数据融合的高时空分辨率温度测量系统及方法

技术领域

本发明属于温度测量技术领域，尤其涉及一种基于数据融合的高时空分辨率温度测量系统及方法。

背景技术

在诸多生产实践和科学研究中，需要准确获得快速变化的二维温度场。例如，液体轨控火箭发动机燃烧室壁面边区液膜冷却系统设计对卫星寿命至关重要。而验证液膜冷却系统设计需要准确获得高时空分辨率的二维燃烧室壁面温度分布。目前应用在燃烧室壁面温度测量上的主要技术有热电偶测温和红外测温。

热电偶测温具有时间分辨率高的优点。采用特殊材料的热电偶的最大采样频率可以达到50kHz。但热电偶只能实现温度的点测量。不断增加热电偶数量会导致经济成本和测量系统复杂性的急剧上升，因此目前采用的热电偶数量通常小于10个。

红外测温可以实现高空间分辨率的二维温度场测量。商用红外相机的空间分辨率从160×120像素到1280×1024像素不等。但由于最小积分时长和数据缓存速度的限制，红外相机的采样频率通常在百赫兹量级。

因此，本发明目的在于：通过基于本征正交分解和压缩感知的数据融合技术，利用热电偶和红外相机同时获得的温度数据，重构还原温度场信息，实现高时空分辨率的温度场测量。

发明内容

针对现有技术存在的局限性，本发明提供了一种基于数据融合的高时空分辨率温度测量系统及方法，其无需任何先验知识，便于进行实时测量，能大幅提高现有温度测量手段的时空分辨率。

本发明采用如下技术方案来实现：

一种基于数据融合的高时空分辨率温度测量系统，包含红外相机、计算机、热电偶组以及热电偶数据采集模块；

计算机与红外相机、热电偶数据采集模块通过数据线直接连接；热电偶数据采集模块与热电偶组通过热电偶补偿线连接；热电偶嵌入到待测量壁面里，其探头顶部与待测量壁面在同一平面生。

本发明进一步的改进在于，热电偶组包含若干个快速响应热电偶，热电偶采用侵蚀型探头，热电偶探头材料与被测物体匹配。

本发明进一步的改进在于，热电偶数据采集模块用于将热电偶组中微弱的电信号放大转换为计算机能够识别的数字信号，进行高频采样后传输数据到计算机中。

本发明进一步的改进在于，红外相机为高分辨率长波红外相机，其使用了主动制冷型碲镉汞焦平面探测器。

本发明进一步的改进在于，红外相机在热电偶测温的同时采集低频的二维温度场数据，并将数据传输至计算机。

一种基于数据融合的高时空分辨率温度测量方法，包含以下步骤：

(1)在测量开始前，先测量出待测量壁面的发射率及环境温湿度，然后校准红外相机的配置参数；再测量出热电偶组在待测量壁面及红外相机热图像θ_i中的相对位置，将其记录在测量位置矩阵Φ中；

(2)计算机同时发送两路触发信号到红外相机和热电偶数据采集模块，红外相机和热电偶数据采集模块开始以不同的采样频率采集温度信息，分别记为θ_i和θ_t；

(3)对红外相机数据θ_i进行本征正交分解POD，分解得到POD模态ψ_n和模态间的能量分布，根据各个模态间的能量分布，筛选若干个能量占比最大的模态ψ_n；

(4)基于压缩感知的原理，根据热电偶数据θ_t、测量位置矩阵Φ和POD模态ψ_n，在满足θ_t＝ΦΨ_na_x的条件下，使高频模态系数a_x的一范数最小，从而求解得到高频模态系数a_x，即表示为：

min||a_x||₁

s.t.θ_t＝ΦΨ_na_x

(5)根据步骤(3)中得到的POD模态ψ_n及步骤(4)中得到的高频模态系数a_x，重构高时空分辨率温度场θ_r＝Ψ_na_x。

本发明进一步的改进在于，求解算法包含匹配追踪算法、正交匹配追踪算法以及基追踪算法

本发明至少具有如下有益的技术效果：

(1)本发明能够利用现有红外测温及热电偶测温技术，实现高时空分辨率温度场的测量。

(2)本发明具有测量精度高、总体成本低的优点。红外相机价格随采样频率增加而指数型增加。采用本发明可以用低采样频率的红外相机和较为廉价的热电偶实现高端高采样频率红外相机的功能，总体成本大幅下降。

(3)本发明无需任何先验知识，不需要大量真实数据训练模型，能够进行实时测量。

附图说明

图1是本发明实例提供的基于数据融合的高时空分辨率温度测量系统结构示意图；

图中：1、红外相机；2、计算机；3、待测量壁面；4、热电偶组；5、热电偶数据采集模块。

图2是本发明实例提供的基于数据融合的高时空分辨率温度测量方法流程图；

图3是本发明实例提供的归一化的红外相机温度、真实温度与重构温度的示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，以下结合实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，本发明实例提供的基于数据融合的高时空分辨率温度测量系统包括：红外相机1、计算机2、热电偶组4和热电偶数据采集模块5。

热电偶组4包含若干个热电偶。热电偶在随机位置上嵌入待测量壁面3内。随机测量位置被记录在测量位置矩阵Φ中。热电偶组4连接到热电偶数据采集模块5。热电偶数据采集模块5可以将热电偶组4中微弱的电信号放大转换为计算机可以识别的数字信号，并对其进行高频采样。利用初始壁面温度和环境温度，对热电偶数据采集模块5得到的数据进行归一化处理并记为θ_t。θ_t是离散点的温度数据，但具有采样频率高的特点。

红外相机1同时对待测量壁面3进行测量，并将测量结果归一化后记为θ_i。θ_i是二维的温度场数据，但采样频率较热电偶数据θ_t低。

参见图2，本发明实例提供的基于数据融合的高时空分辨率温度测量方法包括以下步骤：

S10：在测量开始前，先测量出待测量壁面3的发射率及环境温湿度等必要信息，然后校准红外相机的配置参数；再测量出热电偶组4在待测量壁面3及红外相机热图像θ_i中的相对位置，将其记录在测量位置矩阵Φ中。

S20：计算机2同时发送两路触发信号到红外相机1和热电偶数据采集模块5。红外相机1和热电偶数据采集模块5开始以不同的采样频率采集温度信息。

S30：对红外相机数据θ_i进行本征正交分解(POD)，分解得到POD模态ψ_n和对应的POD系数a_n。即表示为同时可以得到各个模态间的能量分布，表示为

S31：根据各个模态间的能量分布，优先挑选若干个能量占比最大的模态ψ_n，以达到节约计算资源的目的。

S40：基于压缩感知的原理，根据热电偶数据θ_t、测量位置矩阵Φ和POD模态ψ_n，在满足θ_t＝ΦΨ_na_x的条件下，使高频模态系数a_x的一范数最小，从而求解得到高频模态系数a_x。即表示为

min||a_x||₁

s.t.θ_t＝ΦΨ_na_x

优选地，求解以上最优化问题可以采用匹配追踪算法、正交匹配追踪算法以及基追踪算法等。

S50：根据S30中得到的POD模态ψ_n及S40中得到的高频模态系数a_x，重构高时空分辨率温度场θ_r＝Ψ_na_x。

为了说明本发明的有益效果，给出本发明实例的具体结果。图3给出了在液体射流碰壁冷却情形下，射流撞击点处的归一化温度随时间的变化。红外相机数据的采样频率为2Hz，空间分辨率为400×250像素。利用20个采样频率为100Hz的热电偶数据与红外相机数据进行数据融合。数据融合后得到的重构二维温度场数据采样频率为100Hz，空间分辨率为400×250像素。在射流撞击点处的重构温度数据表明，本发明能够获得高时空分辨率的温度场信息，且与真实温度场符合较好，重构精度高。且本发明不需要大量数据训练模型，无需任何先验知识，具有实时测量的能力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。