科学实验｜高速热成像技术将动态空间3D与热数据相结合

　　今天，小菲要跟大家分享一个使用FLIR红外热像仪做实验的有趣案例：德国耶拿弗劳恩霍夫应用光学和精密工程研究所(Fraunhofer IOF)的研究人员开发了一套成像系统，通过两台高速、高分辨率单色成像仪和一台GOBO投影仪对物体进行三维检测。在碰撞测试、安全气囊展开等典型动态应用中，除快速空间变化过程以外，温度变化也扮演着重要的作用。

   
   高速3D热成像系统的工作原理
   德国耶拿弗劳恩霍夫应用光学和精密工程研究所（简称“IOF”）主要从事光子学领域应用型研究，早在2016年就开发了一款高速3D成像系统。该系统由两台立体排列的高速立体黑白成像仪和一台自行研发的主动照明GOBO投影仪组成。自2019年以来，其还引入FLIR科学成像仪（FLIR X6900sc 超晶格 长波热像仪，该热像仪支持高达1000 Hz的帧速率和640×512像素的分辨率），推出了一款高速3D热成像系统。
   
   

研究人员使用自己的GOBO系统投射必要的非周期性条纹图案

   高速3D成像系统基于能灵敏感知可见光谱范围(VIS)的两台单色成像仪。二者以12,000 Hz的帧速率和1百万像素的分辨率工作——较低分辨率下还可实现更高帧速率。但两台成像仪尚无法以所需质量标准产生有意义的3D数据。此外还要借助一种复杂的照明系统，超快投射条纹图案序列，这些图案类似于常规正弦条纹，只是其宽度会不定期变化。
   
   
　　将重建的3D数据与来自FLIR X6900sc SLS高速热像仪的2D数据相结合，生成三维高速红外图像。FLIR X6900sc超晶格探测器在长波红外范围内运行，因此在GOBO投影仪光源发出辐射的可见和近红外波长范围内不敏感。由于投射的非周期性正弦图案对物体的加热也无关紧要，因此GOBO投影仪不会影响红外成像。

   FLIR X6900sc SLS丨LWIR高速红外热像仪
   FLIR X6900sc SLS是一款面向科学家、研究人员和工程师的超快速、高灵敏度的红外热像仪。这款热像仪拥有先进的快门释放功能，搭载额外SSD硬盘后，其内置内存能发挥出超强的记录能力，无论是在实验室，还是测试现场，它都能捕捉到质量超群的高速事件定格图像。可谓一机在手，万事无忧。
   
   FLIR X6900sc超晶格长波红外热像仪在640×512像素的全尺寸格式下，记录速率最高可达1,004帧/秒，在最小局部图像格式下，记录速率最高可达29 kHz。使用这些热像仪，可以在内置内存中记录长达26秒的全帧格式数据，图像丝毫无损。凭借应变超晶格(SLS) 长波红外探测器，FLIR X6900sc SLS可实现比其他X6900s型号约短12倍的积分时间和更大的动态范围。

   新型系统的测量与计算
   在测量过程中，三台成像仪同时记录图像数据。来自黑白成像仪的数据与GOBO投影仪的非周期性条纹投影相结合，产生实际3D图像，然后计算出10对一组的图序列，以形成3D图像。这种“3D重建”会形成空间形状，然后将FLIR长波热像仪的红外图像数据叠加到该空间形状上，以便在映射过程中将温度值分配给空间坐标。
   
   
   当然，在测量之前，需要对由可见光成像仪和长波热像仪组成的系统进行校准。为此，IOF团队使用了带有规则的开环和闭环网格的校准板。为确保即使在温度分布均匀的条件下，仍能在可见光谱范围和长波红外中检测到这些结构，圆和背景选用了具有不同反射率(可见光)发射率(长波红外)的材料。耶拿的研究人员通过印刷电路板找到了解决该问题的方法。为此，他们开发了一款非同寻常的电路板，由规则的开环和闭环网格组成，而不是由电气组件之间的电气连接组成。
   
   

校准：在可见光和长波红外范围内都能轻松识别电路板上的规则开环和闭环

　　高速3D热成像系统的实际应用
   IOF的新型高速3D热成像测量系统旨在将高动态空间3D与红外数据结合起来。运动中的运动员、碰撞测试、安全气囊展开等超快速流程不仅有表面形状的快速变化，也有局部温度的变化，过去无法同时捕获这些变化，该系统首次实现了这一目标。
   目前，该系统已经过各种情景的测试，其中包括篮球运动员运球（不仅会使球变形，还会引起热量）：
   
   

以篮球为例测量：258毫秒后，在篮球上可以看见球员的手印，是一种热标记

   还有用于测量安全气囊展开时的温度变化和空间表示，系统在距离3米处对高速过程记录半秒钟。将三维数据与热成像信息结合后，不仅可以清楚地看到安全气囊展开后的温度，还能获得时间点和空间坐标信息。借助这些信息可以减少和防止安全气囊展开导致驾驶员受伤的风险。
   
   

以安全气囊测量为例：仅在视觉信息上方，在计算所得3D热图像序列示例图下方，安全气囊以高达50米/秒的速度展开，耗时仅20毫秒

   IOF研究团队的Martin Landmann确信：高分辨率3D数据和快速热成像图像相结合的应用场景十分广泛。Martin Landmann解释道：“举例来说，通过观察碰撞测试，研究变形和摩擦过程，或者研究超快速的热相关事件，比如安全气囊触发时的爆炸或者开关柜中的爆炸，我们可以获得非常有用的信息。”他强调称，他们正在不断地开发和优化系统。可见，将来我们有望看到弗劳恩霍夫应用光学和精密工程研究所团队的更多创新研究成果。
   
   FLIR X6900sc热像仪对于目前的长波红外或中波红外探测器，应变层超晶格（SLS）探测器提供更快的快照速度、更宽的温度频段和更好的均匀性。这款热像仪具有高级触发功能和内置RAM/SSD记录功能，配有一个四插槽电动滤片轮，可以在实验室环境下和测试范围内对高速事件实现画面定格功能。