温敏漆校准及图像后处理方法研究

刘 祥, 熊 健, 马护生, 周 强, 陈柳生, 王红彪, 黄 辉, 陈 植

(1. 中国空气动力研究与发展中心 高速空气动力研究所, 四川 绵阳 621000; 2. 中国科学院 化学研究所, 北京 100190)

0 引 言

温敏漆(Temperature-sensitive Paint，TSP)是20世纪80年代发展起来的物体表面温度分布光学测量技术。该技术利用某些有机高分子的光致发光现象及发光强度随温度升高而降低的热猝灭效应，以喷涂方式在模型表面形成涂料薄层，通过涂料校准建立发光强度或发光寿命与表面温度间的定量关系(Arrhenius曲线)，采集风洞实验中涂层发光强度或发光寿命,进而获得模型表面温度分布或热流分布。温敏漆技术可获得连续分布的模型表面温度场，有效分辨诸如层流-湍流转捩、激波、激波-边界层干扰和涡流等流场细节，并可通过表面温度场进一步估算模型表面热流场，为高超声速飞行器热防护设计提供依据。与传统的热电偶、热膜等测温技术相比，温敏漆技术具有非接触无干扰、测量面广、分辨率高、信息量大等突出优势，是传统测温手段的拓展和有益补充，具有广泛的应用范围和深远的应用前景。

基于温敏漆实验技术的突出优势，近30年来该技术在世界范围内得到了长足发展。贝尔实验室于20世纪80年代率先使用铕-聚合型温敏漆测量了运行中集成电路的表面温度[1-2]，此后欧美各国及日本的相关研究机构相继开发了一系列的单组分和双组分温敏漆，建立了工程实用的温敏漆测量系统，并在低速/超声速/高超声速风洞、激波风洞和低温风洞中进行了飞行器、叶片等模型表面温度、热流及边界层转捩测量的研究工作[3-8]。NASA兰利研究中心建立了温敏漆测量系统，在0.3 m TCT风洞中对超临界翼型进行了转捩位置的测量[9]。AEDC在No.9风洞建立了温敏漆校准实验室和配套的测量系统，研发了单、双组分温敏漆涂料，对校准样片加热、制冷阶梯时间和激发光不稳定性的影响做了相关研究，开发了热流后处理算法，对猎户座太空舱进行了表面热流的测量[10-11]。JAXA研发了低温单组分涂料，并与东北大学合作研究了底漆厚度对发射光强及涂料温度灵敏度的影响，筛选出最佳底漆厚度，并在HIEST高焓激波风洞中对锥柱体模型的自然转捩情况进行了观测[12]。DLR在JAXA单组分低温TSP涂料配方基础上研制了双组分低温TSP涂料，提高了温度适用范围，后续利用校准实验对探针分子和聚合体配方进行了温度灵敏度、压力灵敏度和光降解等涂料特性研究，筛选出常温和低温环境下的高灵敏度单组分涂料，并在ETW和DNW的多座风洞中进行了验证实验[13-16]。俄罗斯TsAGI也独自开发了单、双组分TSP配方，并在UT-1风洞中进行了涂料验证实验[17]。目前，国内各研究机构对温敏漆技术及其应用的研究取得了一定进展，但总体上尚处于起步阶段。长春理工大学研制了钌联吡啶/聚甲基丙烯酸甲酯温敏漆，并对其温度猝灭特性进行了研究[18]。中科院化学研究所制备了温度使用范围0～100 ℃的温敏漆，并与中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所及中航工业空气动力研究院合作进行了涂料特性的校准。中航工业空气动力研究院采用中国科学院化学研究所制备的温敏漆，对NACA0012二元翼型的边界层转捩进行了测量，获得了转捩位置及其随迎角的变化规律[19]。中国空气动力研究与发展中心高超声速空气动力研究所利用温敏漆技术在0.6 m激波风洞中开展了平板模型高超声速边界层转捩测量实验，并与薄膜热流传感器的结果进行了对比研究[20]。

温敏漆技术在实施过程中一般包含了模型受载变形运动、参考温度测量误差、涂料的光降解和杂质沉积、激发光的不稳定性、滤片的光谱泄漏、相机噪声、涂层对流场干扰和涂料校准误差等诸多误差源。涂料发光强度与模型表面温度的定量关系是通过校准实验获得的，因此，涂料校准误差是温敏漆实验技术中的重要误差源之一。提高涂料校准精准度应从两方面入手：一方面选用性能好且适用的硬件设备，如输出光强稳定性高的光源、光谱泄漏量少的滤片、稳定性好且精度高的控温和控压设备、密封性好的校准箱等；另一方面要系统研究校准方法进而优化校准技术细节。在涂料校准过程中涉及的技术细节很多，如采集图像光强的调节、图像平均幅数、取图区域的选取、图像清晰度的调节和模数转换位数的选择等均可能对最终的校准精准度带来不同程度的影响。

目前，在国内外公开发表的文献中，缺乏有关校准技术细节对校准精准度影响的研究。针对国内外相关研究的不足，本文基于国产615/EP温敏漆配方，设计了相应的校准实验，对校准方法中所涉及的CCD曝光时间、噪点水平、图像平均幅数、图像清晰度和相机模数转换位数这5项重要技术参数对校准精准度的影响进行了系统研究。

1 校准方法

TSP风洞实验中直接获得的是模型表面温敏漆涂层的光强图像，为了得到模型表面的温度图谱，需要对涂料发光强度与温度的关系进行校准。涂料校准通常分为原位校准和先验校准2种，一般工程上采用先验校准方法。在进行温敏漆先验校准时，将喷涂了底漆与温敏漆的铝质样片放置在带有观察窗的校准箱内，紫外光源从校准箱外对样片进行激发，CCD相机对样片的发射光强进行图像采集。校准实验中，通过改变样片的温度，进而可得到温敏漆发光强度与样片表面温度的校准关系。校准实验装置如图1所示。

本文中TSP涂料校准流程为：(1) 校准压力为大气压95 kPa，关闭激发光源，暗环境下采集5幅样片暗图像；(2) 打开光源，通过温度控制器调节样片温度至300.15 K，采集5幅样片图像作为参考图像；(3) 调节样片温度至每个校准温度站点，分别采集5幅站点图像；(4) 校准图像后处理，流程如图2所示。

图1 TSP校准实验装置示意图

图2 TSP校准图像后处理流程示意图

2 涂料及校准系统

2.1 涂料配方及特性

涂料活性层配方为615/EP。其中，615为温敏探针代号，是一种三价铕荧光络合物，是温敏漆的主要温敏发光材料，其在不同温度和波长(365 nm和400 nm)的激发光谱照射下，均可获得峰值波长约615 nm的发射光谱。为了避免深紫外激发光源对人体的伤害，选择波长为400 nm的激发光。EP代指环氧树脂，为活性层中的聚合物载体。EP耐温性好，短期内许用温度可达433 K，且与615探针的相容性较好，探针分子可均匀分散在载体中，使得涂层光强与温度的关系线性度较好。涂料的屏蔽层也采用EP，活性层和屏蔽层采用相同的聚合物载体有利于温度测量。

在273～333 K温度范围内，615/EP配方的温度灵敏度大于1%/K，而压力灵敏度极小。从图3可以看出，在压力20～120 kPa(间隔20 kPa)的区间内，不同压力下的校准曲线近似重合，压力变化对涂料光强几乎没有影响。图3中，Ir=I/Iref，为各校准站点涂层发光强度与参考状态发光强度比值，参考状态设为T=300.15 K、p=95 kPa。

图3 615/EP温敏漆配方校准曲线

2.2 校准系统

涂料校准实验采用中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所研制的PSP/TSP校准系统，其总体设计方案原理图见图4，PSP/TSP校准系统控制柜实物图见图5。该校准系统主要由UVLED激发光源、图像数据采集与处理子系统、校准箱、温度调节控制子系统、压力调节控制子系统、自动滤波轮、供气及真空装置等构成。UVLED激发光源采用自行研制的便携式空冷紫外LED光源，图像数据采集系统选用滨松ORCA-R2型12～16位高分辨率科学级CCD灰度相机，温度调节控制子系统为TLTP-TEC2412半导体温控仪，压力调节控制子系统为CPC3000高精度数字压力控制器，校准系统还配备了英国ANDOVER公司FW-MOT-25自动滤波轮和美国Semrock公司带通滤片,以实现TSP样片发射光波的选通。校准系统的主要技术指标如下:

图4 PSP/TSP校准系统设计方案原理图

图5 PSP/TSP校准系统控制柜实物图

(a) 激发光波长：395～405 nm；

(b) 接收光波带宽：635～675 nm、580.5～637.5 nm、542～576 nm可选；

(c) 紫外LED光源具有连续和脉冲2种激发模式，脉冲占空比、周期、脉冲数可通过光源控制软件实现自动调节；

(d) 储气罐容积：100 L；

(e) 真空罐容积：30 L；

(f) 最大储气压力：0.8 MPa；

(g) 压力控制范围：0～500 kPa，控制精度：0.05%FS；

(h) 温度控制范围：-10～100 ℃，控制误差：±0.5 ℃；

(i) 滤波片尺寸：Φ25 mm；

(j) 滤波片数量：6。

基于MATLAB自主研发了温敏漆校准软件，软件界面见图6。该软件包含图像平均、图像滤波、校准区域选取(ROI)、校准区域光强平均、背景光去除和校准曲线拟合等多项后处理功能。其中，图像滤波采用中值滤波算法，在图像边缘采用先镜像后滤波的方法增强图像边缘光强保真度，防止图像边缘模糊。

图6 TSP校准软件界面

在校准曲线拟合子模块中(见图7)，校准曲线可按1～10阶多项式拟合显示，拟合公式系数的显示精度最高可达10-5，模块中可自动计算每个温度站点的拟合残差和总的方差并以图表形式显示。

图7 TSP校准软件拟合曲线模块

3 实验结果与分析

为了研究CCD曝光时间、噪声水平、图像平均幅数、图像清晰度和相机模数转换位数这5项技术细节对校准精准度的影响，首先必须确定这5项技术参数的基本状态，在基本状态下多次重复校准得到多条温敏漆校准曲线，进而获得重复性校准误差带和基本状态下的均值校准曲线(定义为“基准”校准曲线)。其次，改变一项校准技术参数，同时保持其余4项参数不变，再次进行重复性校准，得到改变参数后的均值校准曲线，并将其与“基准”校准曲线比较差量，判断技术参数的改变对校准精准度的影响。

通过校准实验前的反复调试，在确保样片采集图像高信噪比、较多的平均图像数量、取图区域中较少的噪点和高清晰度等原则下，设定校准技术参数的基本状态如下：(1) 参考状态下，采集样片图像光强与相机满井光强的比值为78%；(2) 平均图像数量为5幅；(3) 取图区域中噪点数量较少、体积较小、强度较弱，灰度分布均匀，取图区域窗口共7000个像素；(4) 图像尽可能清晰；(5) 模数转换位数为12位。

3.1 校准曲线特性及重复性误差带宽

激发光源的光照稳定性对涂料校准特性的影响较大，在实施校准试验前，需要检验所采用UVLED激发光源的光照稳定性。因为没有专门的光强测量仪器，本文采用在校准箱内的暗环境下，以激发光照射铝制金属样片、由CCD相机采集样片反射光强的方法检验激发光源的稳定性。激发光源保持一直开启，间隔1 min采集一次光强图像，1.5 h共采集90幅图像。图8为样片区域像素平均灰度值随时间的变化曲线，90幅图像的平均灰度值为2719，单幅图像最大灰度为2726，最小灰度为2713，灰度值变化不超过0.5%，表明所采用的光源照度非常稳定，可以用于涂料校准及误差分析。

图8 样片区域平均像素灰度值随时间的变化曲线

图9 615/EP涂料7次重复性校准结果

图10为615/EP TSP涂料7次重复性校准误差带曲线，可以看出，以光强比Ir=1(温度为参考温度Tref=300.15 K)为起始点，随着校准温度的升高或降低，重复性校准误差呈逐渐增大的趋势，但最大校准误差带宽不超过0.7 K，615/EP涂料校准曲线重复性较好。

图10 615/EP涂料7次重复性校准误差带

3.2 曝光时间对校准精准度的影响

在激发光强度、涂料激发效率、相机光圈、光源和相机镜头与样片距离固定的情况下，CCD相机在固定温度点采集图像的光强只与曝光时间有关。研究了CCD相机曝光时间t=5、15、30和40 ms下校准样片图像光强对校准精准度的影响。

图11为参考状态下CCD曝光时间5、15、30和40 ms时(p=95 kPa，T=300.15 K)采集样片的图像，设置CCD相机采集图像为12位，满井状态下光强数字信号为4096，曝光时间5、15、30和40 ms时，参考状态下采集图像占满井图像的光强比例分别为12%、32%、78%和95%，其中，相机曝光30 ms满足基本状态要求。

图11 不同曝光时间下的样片图像光强(参考状态)

保持基本状态其余4项技术参数不变，在相机曝光时间5、15和40 ms条件下分别进行了7次涂料校准，得到3种曝光时间下的均值校准曲线，并得到其与“基准”校准曲线的差量曲线。图12即为5、15和40 ms曝光状态下均值校准曲线与“基准”校准曲线的差量曲线(分别标示为δ5-30、δ15-30和δ40-30)，图中同时给出了基本状态下的7次重复性校准误差带。可以看出，曝光时间15、40与30 ms的校准差量曲线基本处于重复性误差带之间。在光强比Ir≤0.75(T≥313.15 K)时，曝光时间5与30 ms的校准差量尚小于重复性误差，Ir>0.75(T<313.15 K)情况下，两者的校准差量会略大于重复性误差带，最大偏差约为ΔT=0.5 K。从上述研究可知，对本系统采用的滨松ORCA-R2型CCD相机，为了保证较高的校准精准度，一般要求CCD曝光时间应足够，使得采集图像灰度值至少大于满井值的32%。

图12 不同曝光时间之间的校准差量曲线

3.3 噪点水平对校准精准度的影响

温敏漆校准采集图像会因为诸多原因不可避免地产生噪点，同时温敏探针在基质中混合的非均匀性及涂料喷涂不均匀等原因会造成样片图像中不同区域的噪点数量、体积和强度有所不同。虽然校准后处理中会通过图像平均和滤波的方法抑制噪点水平，但实际情况下噪点不可能完全消除，样片取图区域中噪点水平对校准精准度的影响需要研究。

校准实验中，人为将样片图像分为噪点水平不同的6个区域，其中，1～4区域与基本状态所选取的区域6面积相同，均为7000个像素，区域5为区域2中的一个体积较大的强噪点。图13给出了样片图像不同取图区域的示意图。可以看出：区域1和4中噪点强度较弱，灰度分布均匀；区域3中存在1个强噪点，但噪点体积较小；区域2中存在2个体积较大的强噪点(其中一个为区域5)；区域6为基本状态下的取图区域，区域中噪点强度弱、体积小、数量少，灰度分布均匀。

保持基本状态其余4项技术参数不变，在区域1、2、3、4和强噪点5的取图区域中分别进行7次涂料校准，得到不同取图区域中的均值校准曲线，并获得其与“基准”校准曲线(取图为区域6)的差量曲线。图14为取图区域1～5时均值校准曲线与“基准”校准曲线的差量曲线(分别标示为δ1-6、δ2-6、δ3-6、δ4-6和δ5-6)，同时给出了基本状态下的7次重复性校准误差带。图15为噪点区域5与基本状态区域6的涂料特性校准结果对比。由图可以看出，区域3与区域6的校准差量最小，差量曲线处于重复性校准误差带之间。区域1、4与区域6的校准差量也较小，除部分校准温度段外，校准差量也基本处于误差带之间。与基本状态区域6相比，噪点区域5的涂料校准特性在高温段(T>323.15 K)和低温段(T<300.15 K)变化较大，高、低温段的校准差量也较大，278.15 K时的校准差量高达7次重复性校准扩展不确定度的5倍。区域2中的噪点数量多、体积大且强度高，受强噪点的影响，校准差量曲线在低温段“远离”带宽曲线，278.15 K时的校准差量达到重复性校准扩展不确定度的2倍。研究表明，为了获得较高的校准精准度，必须选择噪点少、体积小、强度弱且图像灰度均匀的校准取图区域。

图13 校准取图区域

图14 不同噪点水平取图区域的校准差量

图15 噪点区域与基本状态区域校准结果对比

3.4 图像平均幅数对校准精准度的影响

在TSP图像采集及传输过程中，因为温敏探针混合的非均匀性、相机噪声和A/D转换噪声等原因，采集的数字图像会产生强度不一的噪点，而噪点的产生会对校准结果的精准度带来较大的影响。考虑到采集图像所包含的噪声多为随机性椒盐噪声，采用多图平均的方法可有效地去除此类噪声，实现图像平滑。原则上，随着平均图像幅数的增加，该方法得到的平均值图像越接近无噪声图像，但采集太多图像会极大降低校准效率。为了平衡校准效率和精准度，有必要开展图像平均幅数对校准精准度影响的研究。

保持基本状态其余4项技术参数不变，在图像平均数1幅和3幅条件下分别进行了7次涂料校准，得到2种图像平均幅数下的均值校准曲线，并获得其与“基准”校准曲线(平均数5幅)的差量曲线。图16给出了图像平均幅数1幅、3幅状态下均值校准曲线与“基准”校准曲线的差量曲线(分别标示为δ1-5和δ3-5)，图中同时给出了基本状态下的7次重复性校准误差带。可以看出，图像平均幅数1幅、3幅与5幅的校准差量几乎相等，且基本处于7次重复性校准误差带之间。

图16 不同平均图像数之间的校准差量曲线

研究显示，在取图区域中噪点数量较少、体积较小、强度较弱的情况下，单幅图像即可满足TSP校准精准度的要求。

3.5 图像清晰度对校准精准度的影响

在温敏漆风洞实验中，为了提高空间分辨率和测量精准度，一般要求采集图像尽可能清晰，但在涂料校准中，图像清晰度对校准精准度的影响尚无相关研究。通过CCD相机调焦，在校准中采集了最清晰和最模糊2种校准图像(如图17所示)，其中，最清晰图像满足基本状态要求。

保持基本状态其余4项技术参数不变，通过相机调焦，在最模糊图像条件下进行7次涂料校准，得到最模糊图像情况下的均值校准曲线，并获得其与“基准”校准曲线(最清晰图像)的差量曲线。图18给出了清晰度最高与最低图像的校准差量曲线，并给出了基本状态下的7次重复性校准误差带。可以看出，清晰度最高与最低图像的校准误差曲线基本处于重复性校准误差带之间。这是因为，在图像清晰度较差的情况下，像素上的光点化为面积较大的光晕，从而影响该像素点周围像素的光强，但在涂料校准过程中，整个样片上的发射光强度近似一致，周围像素的光晕对中心像素的光强叠加与其本身光强之和与清晰图像上该像素点光强相当，从而使得图像的清晰度对校准精准度影响很小。值得注意的是，研究中的校准取图区域位于样片中心位置，如取图区域靠近样片边缘，背景暗图像的光晕会极大减弱取图区域的光强均值，从而对校准精准度造成较大影响。

图17 清晰图像和模糊图像

图18 不同图像清晰度的校准差量

3.6 相机模数转换位数对校准精准度的影响

相机采集图像时，会将光强模拟信号转换为数字图像输出，不同的模数转换位数是否会带来校准误差需要研究。所使用的相机有12位和16位2种模式，其中，12位图像满足基本状态的设定要求。

考虑到不同光强下图像位数对校准精准度的影响可能有所不同，选择2种激发光强分别进行校准。一种满足基本状态光强，即参考状态下(T=300.15 K)的样片光强占相机满井光强的78%，校准最低温度下(T=278.15 K)样片光强占满井光强的85%;另一种通过调节光源与样片距离增强1.15倍激发光强度，使得参考状态样片光强占满井值的84%，最低温度样片光强占满井值的98%，保证在不过曝的情况下尽量增大图像光强。在上述2个光强条件下，保持基本状态除光强与图像位数以外的4项技术参数不变并采集16位图像进行7次涂料校准，得到均值校准曲线，并获得其与“基准”校准曲线(图像模数转换为12位)的差量曲线。

图19给出了2种光强下模数转换16位与12位的校准差量曲线，并给出了基本状态下的7次重复性校准误差带。可以看出，在光强比大于0.6(T<318.15 K)状态下，16位与12位图像的校准曲线差量较小，与重复性误差量值相当。当光强比小于0.6(T>318.15 K)时，两者的校准曲线差量迅速增大，最大差量远大于重复性误差。增大光强在高温段有减小校准误差的效果，但效果甚微，校准误差仍然较大。研究说明，不同的图像位数会对校准精准度带来一定的影响，风洞实验与校准实验采集图像的位数应保持一致。

图19 不同模数转换位数的校准差量

4 结 论

(1) 图像噪点水平对温敏漆校准精准度影响较大，必须选择噪点少、体积小、强度弱且灰度均匀的图像区域进行校准处理。

(2) 在噪点水平较弱的取图区域中，单幅图像即可保证校准精准度的要求。

(3) 取图区域远离样片边缘时，图像清晰度对校准精准度影响很小。

(4) 为了获得较高的校准精准度，对于滨松ORCA-R2型CCD相机，建议采集图像灰度值大于相机满井值的32%，同时要求温敏漆风洞实验与校准实验中采集图像的位数保持一致。