光场技术在温度场测量中的应用：综述

《Optics and Lasers in Engineering》：Applications of light field technology in temperature field measurement: A review

　　

• 综述了针对不透明表面和参与介质的两种测温路线。
• 按测量目标、光学架构和反演算法对方法进行分类。
• 为系统、模型和算法的选择提供实用指导。
• 比较了传统辐射测温与光场测温的路线及其局限性。
• 讨论了光场测温面临的当前挑战与未来方向。

引言

温度场是航空发动机热部件、金属凝固、增材制造、燃烧诊断和复杂传热过程中的关键状态变量，其测量精度直接影响热载荷评估、结构安全分析、工艺优化和闭环控制的可靠性[1]、[2]。在高温、强辐射、快速瞬态或受限空间等场景中，传统接触式测温往往面临传感器扰动、响应缓慢、材料耐受极限和电磁干扰等问题。因此，非接触辐射测温成为高温场诊断的重要发展方向[3]。

光学高温计是一种非接触式温度测量设备，通过检测物体发出的热辐射来估算温度[2]。这类设备通常使用光学元件将辐射聚焦到传感器上，例如光电二极管或CCD相机。光学高温计的主要优势在于无需与被测表面直接接触。通过与被测物体保持一定距离，光学高温计可在极端高温条件下以最小干扰完成测量。然而，检测到的信号并非直接的温度分布图。对于不透明表面，辐射亮度与光谱发射率（视角、氧化状态、粗糙度）、污染、背景反射和探测器响应耦合在一起。对于火焰、气-烟灰混合物和羽流等半透明参与介质，检测信号还会受到体积发射、吸收、散射和视线积分的进一步影响。因此，高温光学测温中的两大核心问题可归纳为：不透明物体的发射率主导表面测温，以及半透明参与介质的断层成像主导体积测温。

单波长、比色法和多波长高温计已在涡轮、坯料、颗粒和燃烧场中得到广泛研究[2]、[3]、[4]、[5]。这些方法可提供有用的温度估计，但当测量目标具有瞬态特性、空间非均匀性、光谱复杂性或在受限光学通道下观测时，仍存在局限。对于基于相机的温度测量系统，单相机主要记录二维（2D）投影；多相机断层成像系统增加了视角多样性，但也增加了成本、同步难度和校准复杂度[6]、[7]、[8]、[9]。这些局限性促使人们探索能够在不增加相机数量的情况下获取更丰富辐射度信息的成像系统。

光场成像为应对这些挑战提供了一种新途径。与仅记录光强空间分布的传统二维成像不同，光场成像在单次曝光中同时捕获光线的空间和角度信息，从而为数字重聚焦、多视角观测、景深扩展和三维（3D）信息恢复提供了基础。得益于这种多维采样能力，光场技术已从计算摄影逐步扩展到广泛的视觉感知和测量任务，在深度感知和3D几何测量[10]、[11]、[12]、[13]，目标分离和场景分割[14]，人脸检测[15]，动态目标监测与识别[16]、[17]、[18]、[19]，材料分析[20]、[21]，以及流场诊断（如粒子图像测速PIV）[22]、[23]和3D粒子跟踪测速（3D-PTV）[24]等方面展现出独特优势。这些研究表明，光场技术不仅增强了传统成像系统对复杂场景的表征能力，还可作为参数反演和定量测量的多维数据采集架构，为复杂物理场重建提供了新的观测工具。

在半透明参与介质的温度测量中，光学断层成像（CT）具有稳定性、实时处理和非接触测量的优势，是实现这一目标的有效方法。用于温度测量的CT方法主要包括激光吸收光谱断层成像[25]、干涉和纹影断层成像[26]以及辐射断层成像。相比之下，辐射断层成像无需外部光源，也不需要将折射率变化或干涉信号转换为温度。基于辐射断层成像结合光场系统的体积温度测量也作为一种新的测量方法应运而生。

随着光场成像的发展，结合光谱编码[27]、[28]、智能反演[29]和计算重建方法[30]、[31]，研究者开始将光场技术引入辐射测温领域。通过在光场系统中引入波长编码机制，光场相机（LFC）可在快照条件下同步获取多视角和多波长辐射信息，从而为温度与发射率的联合反演、复杂场景下的二维高温测量以及三维温度场重建提供了新的技术路线[32]、[33]、[34]、[35]。在不透明高温物体（即表面温度测量）的测量中，多波长光场高温计已应用于涡轮叶片、高温材料和金属飞溅颗粒的温度测量，在发射率补偿、动态目标跟踪和单相机多参数获取方面展现出显著潜力。在半透明参与介质（即体积温度测量）的测量中，光场技术与辐射传输模型、断层重建算法和深度学习方法相结合，已实现三维火焰温度场、吸收系数以及烟灰温度和体积分数的恢复。

尽管相关研究近年来发展迅速，但现有文献大多分别聚焦于LFC设计、多波长高温计、火焰断层成像或某类特定反演算法。以温度测量为主线，系统连接测量原理、仪器架构、反演算法和应用局限性的综述仍然缺乏。从仪器与测量的角度看，光场技术的真正价值在于为复杂温度场测量提供了新的仪器框架、采样机制和参数反演路径。因此，有必要系统梳理光场测量技术在温度场应用中的研究进展，以明确其相较于传统测温方法的优劣、局限及未来发展方向。值得注意的是，已有研究对LFC校准[36]和光场后处理[37]进行了全面综述。本文聚焦基于光场高温计测温的关键问题，旨在阐明光场技术为传统测温增添了什么、当前局限何在，以及在实用化高温应用前必须解决的系统级问题。

图1是本综述的概念路线图和组织框架。左上方展示LFC的应用领域。中间层引入并连接第2节中光场成像与辐射测温的原理。上部分支针对不透明物体的表面测温，下部分支针对半透明参与介质，分别对应第3节和第4节。为阐明使用光场系统的动机，文中简要讨论了传统测温路线的局限性。对于每个方面，分析了测量机制、反演算法、代表性应用和现存局限。右下方对应第5节，讨论光场测温的对比应用价值、当前挑战和未来方向。最后，第6节通过总结主要发现、阐明当前瓶颈，并突出光场测温在复杂高温环境中的潜力，对本综述进行总结。

章节摘要

光场参数化描述

"光场"一词最早由Alexander Gershun引入[38]。1991年，E. H. Adelson和J. R. Bergen基于人类对外部光线的视觉感知，提出使用全光函数L(x, y, z, θ, ?, λ, t)来表示几何光线的空间分布[39]。其中，(x, y, z)表示空间坐标，(θ, ?)表示其传播方向，λ为波长，t为记录时间。然而，在实际应用中，全光函数...

不透明物体的高温场

对于不透明物体，未知参数通常包括二维表面温度分布以及发射率。光场技术的核心优势在于能够在单次曝光中记录多个光谱通道或不同视角的数据。通过紧凑系统实现多波长测量，为温度与发射率的同步估计提供了可能。

半透明参与介质的高温场

上一节中，光场测量主要关注不透明物体的表面特性，忽略了内部结构对辐射的影响。然而，在火焰[30]、[83]、[84]、[85]和烟灰[86]、[87]等典型半透明参与介质中，吸收、散射和辐射过程在整个体积内发生。相机检测到的辐射是沿视线方向发射和吸收的积分结果。它可能...

应用价值

表6将光场测温置于传统高温计、多光谱成像和多相机辐射断层成像的对比框架中。当发射率已知或已充分建模时，传统单波长和比色法在光通量、延迟和原生空间分辨率方面仍具有优势。传统多光谱系统提供独立设计的谱段，但可能牺牲同步性，或需要额外的分束、配准和...

结论

光场技术为高温场测量提供了有前景的途径。它能在单次曝光中记录空间和角度辐射度信息，并可结合光谱编码实现快照多波长采集。对于测温而言，其价值不仅限于计算重聚焦或多视角成像；更重要的是，它为辐射温度重建提供了一种新的反演测量框架。

本综述围绕...组织了现有研究。

基金

本工作由国家自然科学基金（编号62225406和62405047）及四川省科技支撑计划（编号2026NSFSCZY0022）资助。

CRediT作者贡献声明

刘鑫：撰写——初稿、方法论、调查、概念化。
黄hairui：撰写——初稿、调查。
张伟：方法论。
林锋：可视化、概念化。
林超：调查。
邹文静：撰写——审阅与编辑、可视化。
许佳文：撰写——审阅与编辑。
牛毅：监督。
张泽站：撰写——审阅与编辑、监督、调查。
江静：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理。
王超

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或可能影响本工作报道的个人关系。

刘鑫 | 黄hairui | 张伟 | 林锋 | 林超 | 邹文静 | 许佳文 | 牛毅 | 张泽站 | 江静 | 王超