Application of Infrared Thermography for Characterizing Phase Change Process of Porous Media at Pore Scale
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摘要: 红外热成像技术是一种应用广泛、发展较快的新型数字化无损检测技术，但其目前仍存在测量精度较低、图像噪声影响较大、数据量巨大等缺点。本文利用红外热成像技术，在孔隙尺度下对多孔材料内石蜡和水的相变过程进行了表征，并对红外热成像测温精度和相界面的表征进行了优化。首先通过添加反射表面（褶皱的铝箔）获取测试过程中环境反射温度，以修正目标物体温度；同时通过引导滤波和主成分热像法（Principal component thermography, PCT）对红外热成像图片降噪，提高红外热像仪对温度场及相界面的检测精度。实验结果表明：环境反射温度修正法可以排除测试环境温度变化对红外测温结果的影响；引导滤波法选取合适的滤波半径和滤波参数后相界面轮廓更加清晰，并取得较好的降噪效果；主成分热像法除了降噪效果好，使相界面更清晰，并使处理数据量减少了4个量级。上述3种优化方法为红外热成像技术在孔隙尺度下多孔介质相变过程表征中的应用提供了技术支持。Abstract: Infrared thermography (IRT) is a new type of digital nondestructive testing technology that has developed rapidly and has found wide use. However, it still has some shortcomings, such as low accuracy, image noise, and requires a large amount of data. In this study, the phase change processes of paraffin and water in porous materials are characterized by IRT technology at pore scale, and the temperature measurement accuracy and phase interface characterization are optimized. First, the reflective surface (wrinkled aluminum foil) is added to obtain the environmental reflective temperature in the test process to correct the target object temperature; subsequently, guided filtering and principal component thermography (PCT) are used to reduce the noise of IRT images to improve the detection accuracy of the infrared thermal imager for temperature field and phase interface. The experimental results show that the temperature measured by the environmental reflection temperature correction method is closer to that measured by a thermocouple after eliminating the influence of changing environmental temperature; after selecting an appropriate filter radius and filter parameters, the contour of phase interface is clearer, and a better noise reduction effect is obtained. In addition to the good noise reduction effect, PCT makes the phase interface clearer and reduces the amount of processed data by four orders of magnitude. These three processing methods provide better optimization methods and theoretical support for infrared thermal imaging technology to characterize the phase transition process of porous media at the pore scale.
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0. 引言
为适应现代战争全天候作战要求，即使在夜间等低照度环境下也应具备一定的作战能力，从而推动了微光夜视技术的发展[1]。微光像增强器作为微光夜视系统的核心器件，其成像质量直接影响着微光夜视仪器的应用效果[2]。作为微光像增强器的一项重要性能指标，亮度增益反映了像增强器对于输入微光信号的放大能力[3]，是衡量像增强器对于微光图像倍增能力的重要参数。因此，研究亮度增益对输出图像像质的影响，对提高三代微光像增强器的成像质量具有重要意义。
目前，国内研究者对微光像增强器的亮度增益进行了相关研究，如2005年，刘秉琦等[4]研究了微光像增强器增益值对输出信噪比的影响。2019年，拜晓锋等[5]提出通过降低亮度增益的测量误差，提高微光像增强器寿命预测的准确性。同时，对影响微光像增强器成像质量的重要参数如信噪比，调制传递函数等也进行了相关研究，如2008年，石峰等[6]对电子能量与信噪比的关系进行研究。2013年，王洪刚等[7]通过微通道板电子输运特性的仿真，研究了MCP电子运动对MTF的影响。以往的研究大多都是针对特定的性能指标进行提高，而对性能指标的改变对输出图像像质的影响缺少综合性的分析研究。
本文针对三代微光像增强器亮度增益对像质的影响，提出利用像质评价的两个重要参数信噪比和分辨力，对不同增益条件下输出图像的像质进行综合评价分析。并验证通过调节亮度增益值的大小，能够提高三代微光像增强器的成像质量。
1. 理论基础
1.1 微光像增强器的工作原理
三代微光像增强器是一种能够实现微光图像增强的光电真空成像器件，是微光夜视仪器的核心[8]。主要由光阴极、微通道板（microchannel plates, MCP）和荧光屏组成，其结构如图 1所示。
三代微光像增强器的工作原理[9]：在微光照射下，通过光阴极的外光电效应将输入的微光信号转换成电信号。然后，通过微通道板对光阴极发出的光电子进行电子倍增并加速聚焦在荧光屏上。最后，利用荧光屏将倍增后的光电子图像转换成可见的光学图像，从而使原本的微光图像得到增强。
三代微光像增强器将GaAs负电子亲和势光电阴极与MCP相结合[10]。GaAs光阴极响应时间短、灵敏度高。可以更快地对微光信号做出响应，再经过微通道板依次倍增，使得三代微光像增强器在输出端可以获得更高的增益[11]。
1.2 亮度增益对像质的影响
三代微光像增强器的主要功能是对输入的微光图像进行增强，得到倍增后的输出图像[12]。亮度增益反映了像增强器对于输入微光信号的放大能力，将直接影响到人们的视觉观察效果，是衡量像增强器对于微光图像倍增能力的重要参数[13]。其计算公式如下：
$$ G = \frac{{L - {L_0}}}{E} $$ (1) 式中：G为微光像增强器的亮度增益，cd⋅m－2⋅lx－1；L为有光照射时荧光屏的法向亮度，cd⋅m－2；L0为无光照射时荧光屏的法向亮度，cd⋅m－2；E为光阴极面的入射照度，lx。
在低照度条件下，为使人眼能够观察到清晰的图像，荧光屏需要获得足够的输出亮度L。而在入射照度E一定时，输出亮度的大小由亮度增益值决定。即：
$$ G＝f(L) $$ (2) 三代像增强器采用GaAs光阴极，能够使输出图像获得更高的增益。高增益可以提高系统的输出亮度，从而提高系统的分辨力。但是随着增益的不断提高，微通道板在二次发射过程中所产生的噪声也会随之增加。使得输出图像的对比度恶化，降低像增强器的信噪比，严重时会造成输出图像淹没在噪声中无法分辨[14]。输出图像信噪比和亮度增益的关系如下：
$$ \frac{S}{N} = \frac{{{\eta _{\rm{n}}} \cdot T\left( f \right)}}{{\sqrt {\bar N_1^2 + \bar N_2^2 + \bar N_3^2} }}{G_{\rm{m}}} $$ (3) 式中：Gm为微通道板平均量子增益；T(f)为像增强器的调制传递函数；ηn为光阴极量子效率等其他影响因子的综合；$\sqrt {\bar N_1^2} $为光电阴极的量子涨落噪声；$\sqrt {\bar N_2^2} $为MCP的量子噪声；$\sqrt {\bar N_3^2} $为荧光屏的颗粒噪声。
其中，亮度增益是微通道板平均量子增益的函数：
$$ G = f\left( {{G_ {\rm{m}}}} \right) $$ (4) 则，亮度增益是微光像增强器的信噪比的函数：
$$ G = f\left( {\frac{S}{N}} \right) $$ (5) 因此在低照度条件下，亮度增益的大小将直接影响到输出图像的亮度和信噪比，从而影响输出图像的成像质量。即：
$$ G \propto {I_{{\rm{IQA}}}} $$ (6) 通过上述的公式推导，可以得出亮度增益与输出图像的成像质量之间存在着密切的关系。为了进一步研究通过合理设置亮度增益值，以提高输出图像的成像质量。需要对不同增益条件下，输出图像的成像质量进行评价。
根据相关研究表明，输出图像的成像质量与信噪比（噪声因子）和分辨力有如下关系：
$$ {I_{{\rm{IQA}}}} \propto {\left( {\eta \cdot \frac{S}{N}} \right)^{1/2}}R $$ (7) 式中：η为像增强器的光阴极量子效率；S/N为像增强器的输出信噪比；R为系统的成像分辨力。
基于此，本文采用信噪比和分辨力作为像质评价指标，对不同增益条件下的输出图像的成像质量进行综合性的评价分析。
2. 实验系统与装置
对三代微光像增强器的亮度增益与图像像质之间的关系进行研究分析时，首先需要建立三代微光像增强器像质评价系统。微光图像经过三代微光像增强器得到与之相对应的增强图像，然后结合信噪比和分辨力对增强的输出图像进行像质评价。其中，通过调节微通道板的电压控制像增强器的亮度增益值，三代微光像增强器像质评价系统如图 2所示。
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图 2 三代微光像增强器像质评价系统Figure 2. Image quality evaluation system of the third generation low-light-level image intensifier本文采用的实验装置包括微光像增强器亮度增益测量装置、信噪比测量装置，以及器件视场质量及图像分析系统装置。
微光像增强器亮度增益测量装置[15]，如图 3所示。该装置由钨丝灯泡、稳压恒流源、滤光片、快门、积分球、暗箱、PR880微弱光亮度计组成。
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图 3 微光像增强器亮度增益测量装置Figure 3. Luminance gain measuring device for low-light image intensifier其中，钨丝灯泡在稳压恒流源的控制下输出2856 K色温的光线，滤光片调节入射光照度，使实验环境满足无月夜天光的照度条件3×10－4 lx。暗箱屏蔽外界环境的杂散光。使用亮度计分别在快门关闭和快门打开时测量像增强器荧光屏输出的法向亮度，并通过计算机计算出被测像增强器的亮度增益。
像质评价采用信噪比测量装置和器件视场质量及图像分析系统装置。其中，信噪比测量装置由荷兰DEP公司生产，主要由光源系统、光学系统、信息采集及处理系统组成，如图 4(a)所示。器件视场质量及图像分析系统装置由波兰Inframet公司生产，主要由光源系统，USAF1951分辨率板，微型光学系统和CCD相机组成，如图 4(b)所示，CCD相机的分辨率为640 pixel×480 pixel。
3. 实验结果及分析
3.1 亮度增益与信噪比的关系
首先，通过调节微通道板电压，对三代微光像增强器进行亮度增益调节。利用微光像增强器亮度增益测量装置，得到20组不同的亮度增益值。然后，利用微光像增强器信噪比测量装置，对不同增益条件下输出图像的信噪比进行测量，亮度增益与信噪比的关系如图 5所示。
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图 5 三代微光像增强器亮度增益与信噪比的关系Figure 5. The relationship between the luminance gain and SNR of the third generation low-light-level image intensifier从图 5可以看出，随着亮度增益值的增大，三代微光像增强器输出图像的信噪比呈现出非线性变化。实验结果表明，在亮度增益变化的过程中，输出图像的信噪比存在极大值。
当输出图像的信噪比达到极大值时，表明此时三代微光像增强器输出图像的噪声最小。但是此时的亮度增益值，能否满足人眼观察到清晰图像时所需的输出亮度，仍需要进一步研究。
3.2 亮度增益对图像像质的影响分析
以三代微光像增强器作为被测件，在上述实验的基础上，加入器件视场质量及图像分析系统装置作为评价依据。通过USAF1951分辨率板，能够观察到输出图像的成像分辨力，从而直观地反映出亮度增益对图像像质的影响。
对上述实验做进一步研究，板压调节范围为600~850 V，每10 V测量一次对应的亮度增益值和信噪比，亮度增益与信噪比随板压的变化情况如图 6所示。
从图 6可以看出，亮度增益值随板压不断增大的同时，信噪比呈现先升高后下降的趋势。取测试数据中信噪比和亮度增益的两个极值点作为对比，其中，当板压加至740 V时，信噪比达到极大值30.58，亮度增益值为9649 cd⋅m－2⋅lx－1。当板压加至850 V时，信噪比为23.28，此时的亮度增益值是实验数据的极大值为93155 cd⋅m－2⋅lx－1。
然后，利用器件视场质量及图像分析系统装置，在无月夜天光3×10－4 lx的照度条件下，通过CCD拍摄得到三代微光像增强器在不同亮度增益下的输出图像，如图 7(a)和7(b)所示。
从图 7(a)中可以观察到，亮度增益9649 cd⋅m－2⋅lx－1条件下的输出图像A，其信噪比为30.58，此时只能观察到USAF1951分辨力板的5-1组，即分辨力为32 lp/mm。并且输出图像存在视场昏暗，图像对比度低等问题，说明此时的亮度增益值无法提供人眼观察到清晰图像时所需的输出亮度。
而在图 7(b)中可以观察到，亮度增益93155 cd⋅m－2⋅lx－1条件下的输出图像B，其信噪比为23.28。因亮度增益增大，视场明亮度较图 7(a)得到显著提升。但是随着亮度增益的提高，噪声也随之增大，导致信噪比下降。从图中只能模糊分辨出USAF1951分辨力板的4-6组，即分辨力为28.5 lp/mm。并且由于噪声的增大，导致分辨率板对比度下降，图像成像质量并未得到有效提升。
因此，为有效提升微光图像的成像质量，需综合考虑信噪比和分辨力两个评价参数，使得三代微光像增强器在保证视场明亮清晰的同时获得更高的分辨力。取图 6中亮度增益与信噪比变化曲线的交点值，即亮度增益值为38856 cd⋅m－2⋅lx－1，拍摄得到该条件下的输出图像C，如图 8所示。
从图 8中可以观察到，亮度增益38856 cd⋅m－2⋅lx－1条件下的输出图像C，其信噪比为25.88，并且能够清晰地分辨出USAF1951分辨力板的5-3组，即分辨力为40.3 lp/mm。说明在该亮度增益值下，三代微光像增强器的输出图像能够在图像噪声较小的同时，提高图像亮度以及成像分辨力，即图像成像质量得到有效提升。实验结果表明，三代微光像增强器存在最佳亮度增益值，能够使微光夜视仪器获得最佳成像质量。
4. 结论
在夜间低照度条件下，三代微光像增强器的亮度增益会直接影响系统的成像质量。本文对亮度增益对输出图像成像质量的影响进行研究，通过图像质量评价的两个重要参数信噪比和分辨力，对不同增益条件下的成像质量进行综合评价。
实验结果表明，随着亮度增益的增大，输出图像的信噪比存在极大值。通过不同亮度增益下的输出图像可以看出，当信噪比取极大值时，此时亮度增益值较低视场昏暗，导致实际观察效果不理想。说明信噪比取极大值时，微光夜视仪并不能获得最佳的成像质量。而亮度增益值过大，则会导致信噪比降低，噪声淹没图像等问题。考虑到微光夜视仪在夜间的实际使用条件，应保证视场在明亮低噪的同时获得更高的分辨力。实验结果表明在亮度增益与信噪比变化曲线的交点处，输出图像明亮清晰、成像分辨力得到明显提升。证明通过合理设置亮度增益值，能够提高三代微光像增强器的成像质量。
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图 2 将三维矩阵重构为二维矩阵
Figure 2. The three-dimensional matrix is reconstructed into a two-dimensional matrix
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图 3 将二维矩阵重排为三维矩阵
Figure 3. The two-dimensional matrix is reconstructed into a three-dimensional matrix.
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图 4 石蜡融化与凝固过程中吸热和放热曲线
Figure 4. Endothermic and exothermic curves of paraffin wax during melting and solidification.
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图 5 复合相变材料(a)泡沫铜金属; (b)泡沫铜/石蜡复合式样
Figure 5. Phase transition material: (a) Copper foam metal; (b) Copper foam and paraffin composite pattern
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图 6 多孔树脂模型(a)三维模型(b)孔间距
Figure 6. Model of porous resin: (a) three-D model; (b) pitch of holes
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图 10 修正后温度、未修正温度与热电偶所测温度的对比
Figure 10. Comparison of corrected temperature, uncorrected temperature and temperature measured by thermocouple
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图 11 泡沫铜/石蜡不同滤波窗口及参数下的对比
Figure 11. Comparison of copper foam/paraffin under different filtering windows and parameters
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图 12 引导滤波处理前后泡沫铜/石蜡相界面对比
Figure 12. Comparison of copper foam/paraffin phase interface before and after guided filtering treatment:.
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图 13 多孔树脂/水不同滤波窗口及参数下的对比
Figure 13. Comparison of porous resin/water under different filtering windows and parameters
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图 14 引导滤波处理前后多孔树脂/水相界面对比
Figure 14. Comparison of porous resin/water interface before and after filtering treatment
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图 15 泡沫铜/石蜡(a)奇异值(b)不同奇异值个数对应的Pj值
Figure 15. Copper foam/paraffin: (a)singular value; (b) Pj values corresponding to different singular values
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图 16 多孔树脂/水(a)奇异值(b)不同奇异值个数对应的Pj值
Figure 16. Porous resin/water: (a)singular value; (b) Pj values corresponding to different singular values.
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图 18 泡沫铜/石蜡不同截断值j对比图
Figure 18. Comparison charts of copper foam/paraffin with different cut-off values j
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图 19 多孔树脂/水不同截断值j对比图
Figure 19. Comparison charst of porous resin/water with different cut-off values j
表 1 石蜡融化实验不同截断值与原图数据量对比
Table 1 Comparison between different cut-off values of paraffin melting experiment and data quantity of original image
Original drawing 22500×22500+38+38×38=506, 251, 482 j=1 22500×1+1+38×1=22, 539 j=2 22500×2+2+38×2=45, 078 j=3 22500×3+3+38×3=67, 617 j=4 22500×4+4+38×4=90, 156 
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表 2 水结冰实验不同截断值与原图数据量对比
Table 2 Comparison between different cut-off values of water icing experiment and data quantity of original image
Original drawing 22500×22500+94+94×94=506, 258, 930 j=1 22500×1+1+94×1=22, 595 j=2 22500×2+2+94×2=45, 388 j=3 22500×3+3+94×3=67, 785 j=4 22500×4+4+94×4=90, 380
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