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焊接过程产生的高温等离子体高亮度白光辐射可致盲（饱和）相机，给焊接过程的成像带来巨大的挑战。

当采取恰当的措施对自发射高亮度工艺白光（过热位置的辐射光）进行衰减，同时对自发射较弱部分（温度较低位置的辐射光）进行恰当的补光，可完成整个熔池及周边环境清晰完整的成像过程。

接下来，我们一步步来分析怎样实现，杀富（衰减高温辐射）济贫（增强低温辐射）的衰减和补光过程。

滤波片和照明技术

1. 对工艺白光的衰减成像的技术

焊接过程中会产生高温等离子辐射，根据不同的焊接工艺等离子体温度变化高达6000-20000摄氏度。覆盖了整个可见光范围，产生高强度的白光，可使探测相机饱和，致盲。直觉上，可以对强白光进行衰减以达到普通相机可以探测的程度。我们尝试了中性滤波片对高亮度白光进行线性衰减（线性是：对不同强度和不同光谱成分等比例衰减。一种光学研究中使用较多的滤波片，可保证对光斑衰减过程中，不扭曲光斑的空间能量分布，不破坏宽带光源的光谱成分。）到探测相机饱和阈值以下，以达到清晰成像的目的。我们发现线性衰减导致较低温度的地方、以及较低自发光的背景环境光过度衰减，造成暗点更暗，而自发光较强的位置亮度更亮，类似二值化过程。虽然可以通过算法进行优化，由于是硬伤，优化程度有限，损失焊接过程的细节信息。要想清晰成像，则要求相机具有较高的灵敏度和极大的动态范围，增加了探测部分的成本和技术难度。

2. 自发射窄带光照明技术

工艺白光（高温等离子体自发射白光）照明导致我们需要观察的熔池及其周围环境发光具有极高的空间动态范围，通过线性衰减改变不了动态范围，可以考虑使用非线性滤波片进行动态范围调整。

a. 直觉上我们考虑使用一种对强光衰减系数大，对弱光衰减系数小的滤波片。另外，根据图1的不同温度下热辐射光谱强度图分析，发现不同温度下的短波自发射能量动态范围大，长波动态范围小，可以使用一种对短波衰减大，对长波衰减小的长通滤波片来调整动态范围，需要定义好恰当的截止波长即可。

b. 以上方案解决了空间光强度分布动态范围太大的问题，由于是宽光谱积分，还需要继续解决透过滤波片积分能量太高容易导致饱和的问题，即需要对光强进一步衰减。这样就会导致以上两种衰减技术变得有点复杂。需要特殊的滤波片组合。

c. 根据图1我们进一步考虑了使用带通滤波片技术，通过选择合适的中心波长调节动态范围，选择合适的带宽保证能量的衰减。保证了熔池环境不同位置处达到相机可接受的光强及动态范围。采用带通滤波自发光技术，虽然保证了图像中不同像素感光在相机的动态范围内，但是随时间变化，熔池的不同位置处温度变化导致窄带内光谱成分随时间和空间也在变化。导致图像随时间忽明忽暗的变化，影响成像质量。除此外熔池中或附近始终会有一些我们感兴趣但是无自发光或自发光很弱，我们将在这些区域得不到任何图像信息。

3. 主动激光照明技术

我们尝试了采用主动激光照明技术，对窄带滤波片内的能量进行补充，这样可以照明到熔池及周围环境，从而达到压制过强的等离子体白光以及补充较暗照明区域的作用。

总结：

1. 等离子体工艺光照明+中性滤波片衰减：中性滤波片衰减的话会导致焊接过程中过冷的位置信息丢失，因为过冷位置辐射白光较弱。如果降低衰减，过热部分的辐射白光又变得太强，导致相机饱和致盲，从而丢失过热点的信息。目前相机的动态范围无法满足冷点和热点光强的同时成像。

2. 等离子体工艺光照明+窄带滤波片：窄带内能量不稳定，且只有特定空间位置才存在窄带内能量辐射，导致熔池及周围信息丢失。

3. 窄带滤波片+主动激光照明：滤波片衰减掉等离子体白光大部分能量，使用主动激光照明，对窄带内能量进行补充，可以照明熔池及背景环境。在实际应用中对主动单色光照明功率的要求在百瓦级（峰值功率），和相机参数有关。

相机技术

工业环境中经常需要使用低帧数的相机长时间连续的监测焊接过程。而在科学研究中需要使用高速相机捕捉快速现象，以便进行工艺研究和分析。除了帧数的参数，相机还有个曝光的概念。在使用激光照明时，一般匹配短曝光时间和单色相机（黑白）。

1. 短的曝光时间且满足和脉冲激光同步，降低了相机探测器对透过窄带滤波片的背景白光的积分，提高成像细节的对比度。

2. 同时降低了对激光照明功率的要求，避免照明激光照射样品引起的热效应，简化了照明激光安全的要求。“在实际应用中对主动单色光照明功率的要求在百瓦级（峰值功率），和相机参数有关”。如果我们相机和脉冲激光照明无法做到同步的话，假设在积分时间等于激光脉冲宽度条件下，为了保证每个相机积分时间内能够积分到百瓦级别的峰值功率，那最简单的办法是使用高达百瓦级别的CW激光照明。

照明光源的选择

相较于LED，激光的光谱宽度较窄，所以激光照明最主要的优势是可以使用窄带滤波片可视化在高强度白光照射下的焊接过程。激光只需要在窄带投射范围内的强度高于焊接自身等离子体的辐射。而窄带外的白光亮度被大大降低，通过相机可以捕捉到更多的细节信息。相较于LED，激光具有更高的亮度。

(整理：兴文县焊工培训学校)