本文介绍了一项关于高温物体检测的研究，该研究由Qing He、Xingze Zhang、Zhiwen Ji、Han Gao和Gang Yang等人共同完成，发表在2022年的《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》期刊上。研究的主要目标是解决在高温环境下（高达1700°C）使用结构光视觉技术检测物体时，由于高温物体自发射的强辐射导致投影光图案被淹没的问题。研究提出了一种新颖且系统的信号增强和提取方法，成功应用于钢铁工业中的转炉渣位测量。

研究背景

结构光视觉技术因其在低纹理场景中的鲁棒性和生成高精度深度图的能力，广泛应用于深度获取、工业检测、三维重建等领域。然而，当检测对象的温度超过1400°C时，结构光视觉技术面临巨大挑战，因为高温物体的自发射辐射强度远高于投影光图案的强度，导致投影光图案被淹没。特别是在钢铁工业中，转炉内的熔渣温度高达1700°C，传统的结构光视觉技术无法有效提取投影光信号。

研究方法

研究分为三个主要步骤：物理增强、调制和信号提取。

1. 物理增强：通过光谱选择性和光学滤波来增强激光信号。研究发现，激光光源的工作波长应较短，光学滤波器的通带宽度和阻带透射率应较小。通过理论分析，确定了激光光源的最佳工作波长为405 nm，并选择了合适的窄带光学滤波器。

2. 调制方法：提出了一种新颖的调制方法，通过控制激光光源的输出功率，将高温物体的强辐射转化为零均值的随机噪声，同时保留投影光图案的一半强度。调制方法通过数学推导得到了最优解，实验验证了该方法的有效性。

3. 信号提取：基于调制方法，提出了从辐射噪声中提取结构光图案的方法。通过分析辐射噪声和投影光图案的信号分布，成功将两者解耦，并提取出具有所需置信度的投影光图案。

实验结果

研究在钢铁工业的转炉渣位测量中验证了所提出的方法。实验结果表明，通过物理增强和调制方法，投影光图案的信号强度得到了显著提升，信号噪声比（SNR）从10^-5提升到了0.26。调制方法进一步将辐射噪声转化为零均值的随机噪声，同时保留了投影光图案的一半强度。最终，通过信号提取方法，成功从高温熔渣的强辐射背景中提取出了投影光图案。

结论

该研究提出了一种系统的方法，能够在高达1700°C的高温环境下有效提取结构光图案。通过物理增强、调制和信号提取三个步骤，成功解决了高温物体检测中的信号淹没问题。该方法不仅具有重要的科学价值，还在钢铁工业的渣位测量中展示了实际应用价值。

研究亮点

1. 创新性：提出了新颖的调制方法，成功将高温物体的强辐射转化为零均值的随机噪声，同时保留了投影光图案的信号。
2. 系统性：研究从物理增强到信号提取，形成了一套完整的信号处理流程，适用于高温环境下的结构光视觉检测。
3. 应用价值：该方法成功应用于钢铁工业的转炉渣位测量，测量精度达到了±10 mm，满足了工业应用的需求。

未来展望

尽管该研究主要针对单条激光条纹的提取，但所提出的方法可以推广到更广泛的结构光视觉应用中。未来的研究可以进一步优化光束整形技术，提升投影光图案的信号强度，并探索更多编码策略，以应对不同高温检测场景的需求。