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快速温度场的精确测量在军事、工业生产中应用越来越广泛[1]。其中激光损伤、炸药轰爆、激光加工等具体领域对快速变化温度场的精准测量提出了新的要求[2-3]。
温度测量方法可分为接触式测温法和非接触式测温法[4]。接触式测温法存在测量时间长、动态响应慢、破坏温度平衡等问题不适合用于复杂条件下快速变化温度场的测量[5]。非接触测温法通过温度场辐射能量逆向推导物体的温度分布，具有测量速度快、测温范围大和不会破坏被测物体自身温度场的优点[6]。根据测温原理，非接触式测温法又可分为比色测温法，单色测温法和多光谱测温法3种方法[7-8]。多光谱测温法不需辅助设备和附加信息，对被测对象无特殊要求，因而特别适合于高温目标的温度及材料发射率的同时测量，所以多光谱测温法应用最为广泛[9]。
传统的多光谱非接触测温系统主要利用衍射光栅、色散棱镜进行分光，需要增加大量的光学器件进行光路调整和校准，因此体积和成本都会增加。光谱信号采集主要利用阵列光电传感器[10-11]，而阵列光电传感器尤其是能够进行高速信号采集的阵列光电传感器价格非常昂贵, 另外配套的电路和可编程门阵列(field-programmable gate array，FPGA)设计也会大大提高成本和系统的复杂度[12-13]，并且受阵列光电传感器数据传输和处理速度限制，系统的响应速度远远达不到纳秒级别[14-16]。因此，为了满足高速温度测量，需要设计基于分光结构和高速响应硬件电路的多光谱辐射测温系统。
本文作者设计研制了一套低成本高速多光谱辐射测温系统。其中，分光装置采用分束光纤和窄带滤光片结合进行光谱分解。利用基于光电二极管的高速光电探测技术和FPGA高速并行数据采集处理硬件系统进行高速光谱数据采集与传输。最终研制出一套低成本、小体积、高速非接触式温度测量系统。
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多光谱测温方法建立在普朗克定律、维恩位移定律和斯蒂芬-玻尔兹曼定律三大黑体辐射定律之上[17]。
普朗克于1900年提出黑体辐射定律，揭示了不同温度下的热力学温度T、波长λ和黑体辐射出射度Mλ, T的关系[18], 可表示为下式：
$ M_{\lambda, T}=C_1 \lambda^{-5}\left\{\exp \left[C_2 /(\lambda T)\right]-1\right\}^{-1} $
(1) 式中, C1是第一普朗克常数，C1=3.7418×104W· μm4/cm2; C2是第二普朗克常数，C2=1.4388×104μm· K。
假设测温仪器有n个光谱通道，每个光谱通道进行光电转换后的电压值记为Vi，则有第i个通道输出电压值Vi的表达式如下：
$ \begin{gathered} V_i=A_{\lambda_i} \varepsilon\left(\lambda_i, T\right) \frac{1}{\lambda_i{ }^5\left\{\exp \left[\left(C_2 /\left(\lambda_i T\right)\right]-1\right\}\right.}, \\ (i=1, 2, \cdots, n) \end{gathered} $
(2) 式中, Aλi为检定常量，只与光谱通道有关; ε(λi, T)为高温目标的发射率[19]。
将其中的exp[C2/(λiT)]-1等效为exp[C2/(λiT)]，则经变换, (2)式改写为:
$ \ln \frac{V_i \lambda_i{ }^5}{A_{\lambda_i}}=-\frac{C_2}{\lambda_i T}+\ln \left[\varepsilon\left(\lambda_i, T\right)\right] $
(3) 将假定的发射率m阶模型代入(3)式中可得:
$ \begin{gathered} \ln \frac{V_i \lambda_i{ }^5}{A_{\lambda_i}}=-\frac{C_2}{\lambda_i T}+a_1 \lambda_i+a_2 \lambda_i{ }^2+\cdots+ \\ a_m \lambda_i{ }^m+a_0, (i=1, 2 \cdots, n ; m \leqslant n-2) \end{gathered} $
(4) 设$Y_i=\ln \frac{V_i \lambda_i^5}{A_{\lambda_i}}, a_{m+1}=-\frac{C_2}{T}, X_{m+1, i}=\frac{1}{\lambda_i}$, X1, i=λi, Xm, i=λim，则有下式：
$ Y_i=a_0+a_1 X_{1, i}+\cdots+a_{m+1} X_{m+1, i} $
(5) 因为测量n个光谱通道，所以会获得n个方程。利用求解方程式的办法即可求得目标的真实温度和光谱发射率。
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系统主要由光学模块、光电转换模块、数据采集与处理模块及人机界面4个部分组成。多光谱测温系统结构如图 1所示。高温源产生热辐射，热辐射经由分光模块进行光谱分解，产生多路特定波长光信号。光电转换模块中的感光元件负责将各通道光信号转换为电流信号。电流信号经由流压转换电路变成易于处理的电压信号。因为流压转换后的电压信号非常微弱，所以需要进行多级放大和滤波。FPGA负责驱动模数转换电路将模拟量转换为数字量，同时对数字量进行实时处理，并传输至上位机。上位机利用测温算法反推真实温度, 它将温度变化曲线和各通道光强进行显示和保存。高速多光谱辐射测温系统实物图如图 2所示。图中，UART表示通用异步收发传输器(universalasynchronous receiver/transmitter), AD表示模数(analog-digital)。
Figure 1. Structure diagram of multi-spectral temperature measurement system
Figure 2. Physical image of multi-spectral temperature measurement system
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图 3所示的光学模块主要由光学调理装置和光学分光装置组成。光学调理装置采用反射镜组和准直透镜进行光路的调整和热辐射光信号收集，最终使更多目标辐射光信号收集到光学分光装置中。另外, 光学调整装置通过指示光源产生的光斑调整反射镜组，对不同的测温点进行精确定位。
Figure 3. Light path diagram of multi-spectral temperature measurement system
光学分光装置是由分束光纤和窄带滤光片构成。分束光纤采用上海闻奕光电科技有限公司生产的一分七分束光纤。窄带滤光片使用的是大恒光电GCC-2020可见光和近红外干涉滤光片系列。
如图 3所示，光束经过分束光纤分成7路光束。7路光束包含的能量均匀分布在各个通道, 其中6路为测量通道，热辐射经过测量通道传输到窄带滤光片进行滤光，窄带滤光片只允许中心波长±10nm的光通过，最终得到多路特定波段光信号。剩余1路为校准通道，在分束光纤尾端接入指示光源，产生指示光斑来对测温点进行精准定位。
6路测量通道通带中心波长分别为532nm, 680nm, 780nm, 850nm, 980nm和1550nm。本系统测量范围涵盖500nm~1600nm，能够更好地还原辐射曲线，降低测温误差。由维恩位移定律可知, 当绝对黑体的温度升高时，辐射最大值向短波方向移动，故不同温度测量范围，热辐射的强度在某些波段并不显著。根据测量温度范围选取其中辐射强度较大的4个通道进行光谱信号采集，以此来提高测温精度。
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光电转换模块主要负责将分解后的光谱信号转换为多路电压信号。数据采集处理模块利用FPGA驱动高速模数转换芯片采集多路电压信号，并对转换后的数字量进行处理和缓存。为了提高系统响应速度，对光电转换模块与数据采集处理模块进行了优化设计，详细内容见第3节。
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人机界面使用LabVIEW平台搭建，主要利用UART进行数据的接收，实现了数据处理、曲线显示和数据保存等功能。实际人机界面如图 4所示，最上方为温度实时显示窗口，左下角为数据传输信息显示窗口，右下角为各通道光强显示窗口。
Figure 4. Interactive interface
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因为电子元器件信号处理速度存在上限，所以光电转换电路设计是整个系统的难点。高速多光谱辐射测温技术要求光电转换模块不仅能够对皮安级电流信号进行检测，同时能够响应纳秒级快速变换光信号，这就要求光电转换模块能够对信号进行109倍放大并具有不小于20MHz的带宽。
在放大电路中，当运放增益过大时，不仅会将外部的噪声引入，还会降低电路的响应速度，因此在器件选型、整体电路设计和印制电路板(printed circuit board，PCB)绘制时需要注意很多细节。高速微弱光信号检测电路框图如图 5所示。主要由感光元件、流压转换电路、多级放大电路、滤波电路、电源管理模块和电磁屏蔽壳组成。
Figure 5. Block diagram of weak current signal detection circuit
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感光元件在可见光波段采用敏光科技生产的硅光电二极管LSSPD-0.5，在近红外波段使用铟镓砷光电二极管LSIPD-A75。这两种光电二极管混合使用能够覆盖400nm~1700nm波长，并具有1GHz以上的带宽，满足高带宽、高增益、宽范围的使用要求。
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光电转换装置最核心电路为流压转换电路。该电路具有3fA偏置电流，极低的噪声，在保证足够大的增益前提下仍然具有20MHz以上的带宽。
放大器选型采用专门为高速跨阻电路进行优化的LTC6268-10。此运放输入电容仅为0.45pF，偏置电流低至3fA，增益带宽积高达4000MHz[20]。选用此运放，能够提高系统的整体分辨率和准确性。整体装置电阻元件均采用金膜电阻，目的是减少信号在传输过程中的损失。
放大器单位增益带宽积为4GHz，输入电容Cs近似为11pF，反馈电容Cf最小取值为0.094pF。LTC6268-10增益稳定去补偿运算放大器要求Cs/Cf≥10。为了满足要求，最终反馈电容值为100fF。此电路反馈电阻100kΩ时最大传输信号带宽为24.06MHz，大于系统要求的20MHz带宽，满足系统需求[21]。
多级放大电路由两级放大电路组成。滤波电路采用Π形RC低通滤波器，截止频率为50MHz。电源模块使用超低噪声的线性稳压器TPS7A4901和TPS7A3001来进行整体电路的供电，以此来减小整体的噪声，提高信噪比。
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因为本模块采集的是微弱高速光信号，所以要在信号传输和信号隔离上进行必要的防护措施。为了减少信号损耗，光电二极管紧靠运放输入端，利用带屏蔽保护层的同轴线缆进行信号传输。在微弱光电流输入信号线附近添加电流屏蔽环进行外部信号屏蔽。另外在反馈电阻中间引入地线，将电场与地相连，使其直接被分流至地。在PCB制板时采用4层板设计，利用内部接地层对信号层的微弱信号进行保护。为了防止外部信号对本装置产生干扰，添加内外金属屏蔽罩。最终实物图如图 6所示。
图 6 Photoelectric conversion module physical map
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为了保证同一时刻对多个通道进行高速光信号采集处理和大容量数据缓存，利用FPGA和高速模数转换芯片进行数据采集处理。其中高速模数转换芯片采用AD9238，FPGA选用XILINX公司的XC6SLX16-2FTG256C芯片，能够满足高速和高带宽数据采集处理要求。此系统能够实现并行4个通道模拟量高速采集，采样速率高达65Ms/sample，采样精度为12bit。
FPGA并行数据采集与处理模块同时驱动4路AD以20Ms/sample速率进行模拟量采集，实时将4路12bit的数据组成一个48bit的数据经过异步先入先出队列(first input first output，FIFO)存储在同步动态随机存取内存(synchronous dynamic random-access memory，SDRAM)中，这样能够保证一个48bit数据即为同一时刻的不同波段光谱信号。随后经由串口将处理后的数字量回发到上位机进行温度解算。整体结构如图 7所示。
Figure 7. Data acquisition and processing module structure diagram
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本装置标定实验中采用标准高温辐射源进行标定。首先将标准高温辐射源加热至1000℃，当温度保持恒定时, 记录各个波段的光电探头的电压值，重复3次, 取各个电压的平均值记录下来, 并将这组电压值写入到算法的标定系数中。各通道对应的光电探头电压值如表 1所示。
Table 1. Photoelectric probe voltage value
wavelength/nm voltage value/V 735 2.26 850 2.22 980 1.88 1550 2.13 -
根据实验室现有条件，选用发射率不确定的马弗炉作为采集目标。马弗炉的观察窗中轴线上添加一块反射镜，用来反射辐射光信号，从而达到保护设备的目的。整体实验示意如图 8所示。
Figure 8. Schematic diagram of the experiment
本次实验准直镜头距离马弗炉的距离固定为50cm，接收位置为马弗炉中心轴线。加热马弗炉至特定温度，关闭电源停止加热，这样做的目的是为了防止马弗炉内部的加热硅钼棒本身热辐射信号对马弗炉内热辐射信号造成干扰。1min~2min待硅钼棒降温到与马弗炉内部温度一致后, 通过本文中研制的高速多光谱辐射测温系统对马弗炉内部温度进行测量。马弗炉内置热电偶可以对马弗炉内温度进行接触式精密测温，以热电偶测的温度作为马弗炉内真实温度。设定马弗炉为不同温度进行多光谱辐射测温实验，真实温度和测得温度的误差如表 2所示。
Table 2. Measured temperature and true temperature
true temperature/℃ measured temperature/℃ error/% 850 824.819 -0.88 853 842.514 -0.23 860 865.197 +0.60 870 875.926 +0.68 880 887.605 +0.86 890 897.425 +0.83 912 920.986 +0.99 922 930.674 +0.94 1084 1088.854 +0.45 从上述实验结果可知，对不同温度的测量结果误差都在±1%以内。
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光学模块分光装置是由分束光纤(一分七)和滤光片组成。光信号在此器件中以光速进行传播，所以在光学分光装置中响应时间基本可以忽略，反而在光电转换模块中，感光元件和放大器这些电学元器件存在信号传输带宽限制。
对于热辐射信号的采集和处理，本质上来说就是对高速变化的光信号进行采集和处理。受限于实验室条件, 没有纳秒级温度变化的高温辐射源，故实验中采用20MHz正弦波调制敏光科技高速红外激光管LSDLD155，产生一个调制光信号模拟高速变化温度场的辐射信号。利用研制的高速微弱光信号采集处理模块对调制光信号进行采集，并接入示波器，示波器输出结果如图 9所示。结果表明，微弱光信号采集处理模块能够响应带宽20MHz的正弦波调制光信号，上升时间为14.4ns，证明本系统能够对频率20MHz的快速变化光信号进行采集。
Figure 9. Bandwidth test result diagram
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介绍了高速多光谱辐射测温系统的设计与实现，设计并研制了分光模块和高速微弱光信号采集处理模块，利用LabVIEW平台搭建了上位机。在保证低成本的前提下，给出了一个高速、高精度的多光谱辐射测温解决方案。实验效果表明，该系统能实现对目标温度进行测量、采集和储存，且测温误差在±1%以内，并能够采集20MHz瞬时变换光信号。本系统为非接触测温提供了新的低成本解决方案，适用于在军工、工业、航天等多种快速高温测量领域。
高速多光谱辐射测温系统研制
Development of high-speed multi-spectral radiation temperature measurement system
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摘要: 为了解决非接触测温系统中常见的成本高昂、系统复杂、实用性差、响应速度慢等问题，采用多光谱测温和快速响应光电探测技术，设计了一套低成本高速多光谱辐射测温系统。利用高速微弱光信号采集模块、高速模数转换芯片、高性能可编程门阵列和同步动态随机存取内存保证了微弱光信号的高速转换、同步采集、大容量缓存，具备纳秒级变化温度场的测量能力。结果表明，测温误差小于±1%, 时间分辨率可达到50ns。这一结果对于快速变化温度场的测量是有帮助的。Abstract: In order to solve the problems of high cost, complex system, poor practicability, and slow response speed in common non-contact temperature measurement systems, multi-spectral temperature measurement and fast-response photoelectric detection technology were adopted, and a low-cost and high-speed multi-spectral radiation temperature measurement system was designed. By using the high-speed weak optical signal acquisition module, high-speed analog-to-digital conversion chip, high-performance field-programmable gate array, and synchronous dynamic random-access memory, ensures the high-speed conversion, synchronous acquisition, large-capacity buffering of weak optical signals and the ability to measure temperature field changes in nanoseconds can be obtained. The results show that, temperature measurement error is less than ±1% and time resolution can reach 50ns. This result is helpful for the measurement of rapidly changing temperature field.
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Table 1. Photoelectric probe voltage value
wavelength/nm voltage value/V 735 2.26 850 2.22 980 1.88 1550 2.13 
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Table 2. Measured temperature and true temperature
true temperature/℃ measured temperature/℃ error/% 850 824.819 -0.88 853 842.514 -0.23 860 865.197 +0.60 870 875.926 +0.68 880 887.605 +0.86 890 897.425 +0.83 912 920.986 +0.99 922 930.674 +0.94 1084 1088.854 +0.45
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图(9) / 表(2)
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