本發(fā)明涉及工業(yè)視覺，尤其涉及一種基于多目光場(chǎng)成像的熔池溫度場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、激光金屬增材制造是指利用高能量密度激光將金屬連續(xù)熔化并逐層疊加，制備形狀復(fù)雜、密度高的金屬零件的工藝，已在航空航天等核心領(lǐng)域得到應(yīng)用。激光金屬增材制造中的一些關(guān)鍵工藝變量，如熔池溫度，可以用來(lái)表征零件的質(zhì)量。然而，由于熔池溫度高、變化快，實(shí)現(xiàn)高精度的熔池溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)以進(jìn)行構(gòu)件性能控制仍然是阻礙金屬增材制造技術(shù)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵障礙。因此增材制造過(guò)程熔池溫度場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究是解決這一難題的重要途徑。

2、目前，用于監(jiān)測(cè)熔池溫度的主要硬件設(shè)備包括紅外相機(jī)、光電二極管等商用設(shè)備以及基于單相機(jī)或者雙相機(jī)的雙波長(zhǎng)測(cè)溫系統(tǒng)。其中，紅外測(cè)溫裝置需要對(duì)不斷變化的材料發(fā)射率進(jìn)行精確和反復(fù)的校準(zhǔn)。然而，材料的發(fā)射率由于溫度或表面狀態(tài)的變化等問(wèn)題很難精確校準(zhǔn)，特別是很難將紅外信號(hào)與相變過(guò)程中的精確溫度聯(lián)系起來(lái)。此外，對(duì)于某些粉末，如ti6ai4v合金，熔池溫度可超過(guò)3000℃，這極大限制了商用設(shè)備的適用性?；陔p波長(zhǎng)高溫測(cè)量方法雖有改進(jìn)，但此方法通常采用雙相機(jī)或者單相機(jī)。雙相機(jī)雙波長(zhǎng)高溫測(cè)量成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成性差。單相機(jī)雙波長(zhǎng)高溫測(cè)量雖一定程度降低成本，但同雙相機(jī)高溫測(cè)量類似均使用分束器，單波長(zhǎng)進(jìn)入分束器后形成的兩束光強(qiáng)度需要精確標(biāo)定，且使用分束器需要精確匹配雙波長(zhǎng)圖像。然而，分束器標(biāo)定與圖像匹配誤差會(huì)影響溫度檢測(cè)精度?；诓噬鄼C(jī)雙波長(zhǎng)高溫測(cè)量方法避免了分束器標(biāo)定與圖像匹配問(wèn)題，然而，該方法基于相鄰區(qū)域像素對(duì)應(yīng)于同一物點(diǎn)信息的假設(shè)，這對(duì)溫度測(cè)量帶來(lái)了較大誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種基于多目光場(chǎng)（light?field，lf）成像的熔池溫度場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng)，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，實(shí)現(xiàn)高精度的溫度測(cè)量，而無(wú)需考慮不同波段的像素匹配問(wèn)題。

2、第一方面，本發(fā)明提供一種基于多目lf成像的熔池溫度場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)方法，包括：

3、獲取熔池多視角lf信號(hào)；

4、根據(jù)lf相機(jī)的微透鏡單元和拜耳像素塊的映射關(guān)系，建立光場(chǎng)子孔徑拜爾模型（light?field?sub-aperture?bayer?model，lfsbm），將所述熔池多視角lf信號(hào)輸入所述lfsbm，獲得包含 r、 g、 b三個(gè)通道的單波長(zhǎng)熔池圖像；

5、根據(jù)雙波長(zhǎng)測(cè)溫理論，采用黑體爐對(duì)lf相機(jī)的相對(duì)光譜響應(yīng)度度進(jìn)行標(biāo)定；

6、由 r、 g、 b三個(gè)通道中任意兩個(gè)單波長(zhǎng)熔池圖像和相對(duì)光譜響應(yīng)度，基于所述雙波長(zhǎng)測(cè)溫理論獲得熔池溫度場(chǎng)。

7、根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于多目光場(chǎng)成像的熔池溫度場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)方法，根據(jù)lf相機(jī)的微透鏡單元和拜耳像素塊的映射關(guān)系，建立lfsbm，將所述熔池多視角光場(chǎng)信號(hào)輸入所述lfsbm，獲得包含 r、 g、 b三個(gè)通道單波長(zhǎng)熔池圖像，包括：

8、在拜耳濾光片下傳感器像素陣列中，以像素陣列左上角為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，得到像素rgb通道的分布規(guī)律：

9、

10、式中，( u, v）為像素位置索引，\為取余數(shù)操作，當(dāng)傳感器像素陣列分布為 grbg模式，且左上角起始為 g和 r，若像素行、列索引（ u, v）=（奇數(shù)，偶數(shù))，該位置像素為紅光濾光片對(duì)應(yīng)的像素亮度值，若（ u, v）=(偶數(shù)，奇數(shù))，為藍(lán)光濾光片對(duì)應(yīng)的像素亮度值，否則為綠光濾光片對(duì)應(yīng)的像素亮度值；

11、確定lf相機(jī)中每個(gè)微透鏡單元 a覆蓋一個(gè)宏圖像像素塊 b，提取 a中第 i行至第 m行、第 j列至第 n列的微透鏡 aij，以及所對(duì)應(yīng)的宏圖像 bij，從每個(gè)宏圖像中提取相同波長(zhǎng)像素順序拼接得到單波長(zhǎng)熔池圖像：

12、

13、式中， iλ為 λ波長(zhǎng)處的熔池圖像， m、 n為行、列中微透鏡的個(gè)數(shù)， pi,j( λ)表示 i， j處的像素值，表示拼接操作；

14、通過(guò)lf相機(jī)工具標(biāo)定白色圖像獲取微透鏡中心坐標(biāo)，將所述微透鏡中心坐標(biāo)與濾光片分布規(guī)律中的濾光片值一一進(jìn)行對(duì)應(yīng)，得到以 r、 b為中心與以 g為中心兩種模式四種情況的微透鏡中心像素值分布信息。

15、根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于多目光場(chǎng)成像的熔池溫度場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)方法，根據(jù)雙波長(zhǎng)測(cè)溫理論，采用黑體爐對(duì)lf相機(jī)的相對(duì)光譜響應(yīng)度進(jìn)行標(biāo)定，包括：

16、確定雙波長(zhǎng)測(cè)溫公式為：

17、

18、式中， t表示溫度， c2為常數(shù)， λ為波長(zhǎng)， m1和 m2為相機(jī)檢測(cè)到的兩種不同波長(zhǎng)的灰度值，令 k= ln(r2 /r1 )， r1和 r2表示相機(jī)對(duì)兩種不同波長(zhǎng)光束的相對(duì)光譜響應(yīng)度；

19、采用 rb、 rg、 bg通道組合進(jìn)行校準(zhǔn)分析，使用黑體爐在工作距離為 l上對(duì)lf相機(jī)相對(duì)光譜響應(yīng)度進(jìn)行標(biāo)定，lf相機(jī)與黑體爐之間放置一個(gè)中性密度濾光片以降低光強(qiáng)；

20、在溫度范圍 t1到 t2范圍內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)，黑體爐從 t1溫度開始，每隔δ t逐漸增加到 t2溫度，記錄雙波長(zhǎng)在不同溫度下的灰度比，根據(jù)當(dāng)前溫度值 t，計(jì)算參數(shù) k，結(jié)合溫度進(jìn)行線性擬合確定lf相機(jī)的相對(duì)光譜響應(yīng)度。

21、具體為，以溫度 t為縱軸，相對(duì)光譜響應(yīng)度 k為橫軸，通過(guò)最小二乘法進(jìn)行線性回歸，得到lf相機(jī)相對(duì)光譜響應(yīng)度標(biāo)定結(jié)果，通過(guò)線性回歸， t與 k之間建立二次線性關(guān)系：

22、

23、其中， s、 u、 e、 w、 f、 y、 q、 h、 d是常數(shù)系數(shù)，由 t1- t2溫度決定，可以通過(guò)黑體爐標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行最小二乘法線性回歸獲取， kbg表示從 b， g通道、 krb表示從 r， b通道、 krg表示從 r， g通道使用雙波長(zhǎng)測(cè)溫公式導(dǎo)出的相對(duì)光譜響應(yīng)度。

24、第二方面，本發(fā)明還提供一種基于多目光場(chǎng)成像的激光金屬增材制造熔池溫度場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)的集成應(yīng)用，包括：系統(tǒng)和同軸系統(tǒng)；

25、旁軸系統(tǒng)的應(yīng)用包括激光定向能量沉積（laser?directed?energy?deposition，lded）設(shè)備，同軸系統(tǒng)的應(yīng)用包括激光粉末床熔融（laser?powder?bed?fusion，lpbf）設(shè)備。

26、根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于多目光場(chǎng)成像的熔池溫度場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的集成應(yīng)用，lded設(shè)備包括lf相機(jī)、中性密度濾光片和激光加工系統(tǒng)；

27、所述激光加工系統(tǒng)發(fā)射的激光對(duì)待加工物體進(jìn)行熔融形成熔池，熔池光信號(hào)通過(guò)所述中性密度濾光片到達(dá)所述lf相機(jī)，所述lf相機(jī)將所述熔池光信號(hào)形成的熔池圖像數(shù)據(jù)傳輸至所述圖像處理系統(tǒng)。

28、根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于多目光場(chǎng)成像的熔池溫度場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的集成應(yīng)用，lpbf設(shè)備包括lf相機(jī)、中性密度濾光片、二向色鏡、場(chǎng)鏡、振鏡和激光加工系統(tǒng)；

29、所述激光加工系統(tǒng)發(fā)射的激光依次通過(guò)所述擴(kuò)束鏡、所述場(chǎng)鏡、所述振鏡后到達(dá)待加工物體表面形成熔池；

30、熔池光信號(hào)通過(guò)所述場(chǎng)鏡、所述振鏡至所述二向色鏡，通過(guò)所述中性密度濾光片至所述lf相機(jī)，所述lf相機(jī)將所述熔池光信號(hào)形成的熔池圖像數(shù)據(jù)傳輸至所述圖像處理系統(tǒng)。

31、第三方面，本發(fā)明還提供一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時(shí)實(shí)現(xiàn)如上述任一種所述基于多目光場(chǎng)成像的熔池溫度場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)方法。

32、第四方面，本發(fā)明還提供一種非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如上述任一種所述基于多目光場(chǎng)成像的熔池溫度場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)方法。

33、第五方面，本發(fā)明還提供一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如上述任一種所述基于多目光場(chǎng)成像的熔池溫度場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)方法。

34、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果包括：

35、1）極大的簡(jiǎn)化了監(jiān)測(cè)流程，只需要單次校準(zhǔn)相對(duì)光譜響應(yīng)度，避免了傳統(tǒng)雙波長(zhǎng)測(cè)溫系統(tǒng)圖像匹配與分光比標(biāo)定流程，克服了匹配與標(biāo)定誤差導(dǎo)致測(cè)溫精度降低的難點(diǎn)。同時(shí)對(duì)比如傳統(tǒng)彩色相機(jī)測(cè)溫技術(shù)，其多視角信息提高測(cè)溫精度；

36、2）具有較高的測(cè)溫精度和低誤差，通過(guò)黑體爐驗(yàn)證，以30×30像素為例，其溫度場(chǎng)誤差保持在3%以下。其中，2973.15k、3073.15k和3273.15k最高溫度下的平均誤差為1.03%；

37、3）與現(xiàn)有的溫度測(cè)量方法相比，本發(fā)明提出的方法與傳統(tǒng)紅外相機(jī)和新型雙波長(zhǎng)測(cè)量方法相比具有寬溫度范圍和低復(fù)雜度的優(yōu)勢(shì)；

38、4）使用lf相機(jī)的多目溫度場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)技術(shù)在增材制造過(guò)程中對(duì)高溫金屬熔池進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)具有廣闊的應(yīng)用前景，可提供較寬的溫度范圍，系統(tǒng)緊湊，易于集成。