CN101329411B - 一种高温热源的检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温热源的检测方法，包括将待检测目标的入射辐射分解为可见光光谱辐射和近红外光谱辐射；采集所述可见光光谱辐射和近红外光谱辐射的图像；根据所述采集的可见光光谱辐射和近红外光谱辐射的图像，判断所述待检测目标中是否含有高温热源。本发明还公开了一种高温热源的检测装置，包括分光棱镜、第一黑白CCD传感器、第二黑白CCD传感器和高温热源诊断单元。本发明通过双路CCD和分光棱镜的技术方案，在温度范围800K～2000K高温热源的辐射与背景噪声辐射在传感器响应区间的表现强度相近时，能有效地检测出待检测目标的高温热源。

Description

一种高温热源的检测方法和装置

技术领域

本发明涉及检测技术领域，特别是涉及一种高温热源的检测方法和装置。

背景技术

在电力系统、消防系统、石化系统、冶金系统等许多领域的相关环节，均有高温热源点诊断的需求，例如火灾火焰、设备高温热异常等。高温热源往往是引发各种故障、灾害事故的重要原因，因此进行高温热源区域的智能诊断是很有必要的。高温热源的红外辐射光谱分布特征及辐射能量大小分析，是诊断的重要手段。相比于接触式监测手段而言，基于高温热源辐射信息的非接触式、场监测将更具有更大的应用优势。目前，主要应用研究现状如下：

(1)红外热像仪作为成熟的产品在工业领域中被采用，例如ThermaCAMP30红外热像仪、IRI热成像仪、VarioCAM热像仪等，其通过单通道红外传感器非接触探测目标红外能量，将探测到的能量精确量化，转换生成热图像，进而获得目标温度场。红外热像仪具有出色的辐射能量测量功能，尤其是在常温、中低温范围内，但对于高温热源测量与诊断而言，出于性能、价格等因素考虑，价格较贵的热像仪并非是首选的监测仪器，不易于在诸多工业领域推广应用。

(2)采用依据CCD(Charge-Couple Device，电荷耦合器件)传感器实现高温热源监测的方法与仪器，以取代红外热像仪在工业中的应用，并且在应用中展现了良好的前景。例如，在CCD摄像监控中，考虑CCD的近红外响应特性，理论论证了红外波段适用于高温热源与背景的分离辨识，利用液晶光阀亮/暗态光谱透过在可见光波段的强烈改变以及在红外波段的变化不大的特性，形成既能正常监视、又可对影像中高温目标实现实时甄别的液晶光阀型CCD监控设备；但这种基于液晶光阀及单CCD的监控系统，需要在工作状态通过液晶光阀的不断切换来实现高温诊断，牺牲了监控时间的连续性，同时液晶光阀的制备较为复杂，往往不易达到理想状态。在火灾监控中，也有学者建立了基于CCD双波段图象识别火灾探测方法，双波段探测器包括一对并列排布的CCD摄像装置，其中一个CCD摄像装置前安装红外滤光片，形成近红外图像和彩色图像两种不同波段的视频信号，分别将两种图像的颜色值或灰度值与各自的阈值进行比较，判断的重合区域即视为火灾区域；但这种处理中，对可见光彩色信息与红外信息的相关性并没有很好的说明，同时也缺少阈值的分析描述。

尽管依据CCD传感器进行高温热源的诊断呈现出了良好的应用前景，目前研究与应用中存在上述一些问题，因而，如何通过方法和技术上的改进实现更有效的高温热源诊断是很有意义的工作。高温热源诊断的困难在于：在温度范围800K～2000K高温热源的辐射与背景噪声辐射在传感器响应区间的表现强度相近时，例如CCD摄像机的光谱响应区间，无法有效区别。

发明内容

本发明实施例要解决的问题是提供一种高温热源的检测方法和装置，以实现高温热源的动态智能诊断，并确定高温热源诊断的阈值，而且可以克服现有技术中在温度范围800K～2000K高温热源的辐射与背景噪声辐射在传感器响应区间的表现强度相近时，无法有效区别的缺陷。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案提供一种高温热源的检测方法，包括以下步骤：将待检测目标的入射辐射分解为可见光光谱辐射和近红外光谱辐射；采集所述可见光光谱辐射的图像和近红外光谱辐射的图像；根据所述采集的可见光光谱辐射的图像和近红外光谱辐射的图像，判断所述待检测目标中是否含有高温热源。

其中，所述判断待检测目标中是否含有高温热源，具体包括：将所述可见光光谱辐射的图像中每一帧图像的各个像素的灰度值，与所述近红外光谱辐射的图像中对应帧的对应像素的灰度值做比值处理，获取比灰度值图像数据；将所述比灰度值图像中每个像素的比灰度值与比灰度值阈值进行比较，当所述像素的比灰度值大于所述比灰度值阈值时，所述像素为高温热源像素；当所述像素的比灰度值小于所述比灰度值阈值时，所述像素为背景噪音像素。

其中，当所述像素的比灰度值与所述比灰度值阈值接近时，丢弃所述像素。

其中，在所述获取比灰度值图像数据之后，还包括根据800K～2000K温度范围内比灰度值的变化规律以及背景噪声比值，确定比灰度值阈值β，令

T_i∈(800K～2000K)，则β＝max(β₁，β₂)，其中：V_h1、V_h2分别为CCD传感器在可见光和近红外光谱区间所获得的高温目标的辐射强度输出值；V_n1、V_n2分别为CCD传感器在可见光和近红外光谱区间所获得的背景噪声的辐射强度输出值；Ti为温度值；β₁、β₂分别为定义的两个比灰度值阈值。

其中，所述将比灰度值图像中每个像素的比灰度值与比灰度值阈值进行比较的步骤中，进一步包括：对预先设定时间内的所述比灰度值图像进行逐帧比较，如果每帧都有高温热源像素出现，则判定所述检测目标中存在高温热源。

其中，在所述判断待检测目标中是否含有高温热源之后，还包括：将所述高温热源像素与背景噪音像素以不同颜色显示。

其中，在所述采集可见光光谱辐射的图像和近红外光谱辐射的图像的步骤中，包括将所述可见光光谱辐射的图像和近红外光谱辐射的图像的像素一一对应的光路校正过程。

本发明实施例的技术方案还提供了一种高温热源的检测装置，所述装置包括：分光棱镜，用于将待检测目标的入射辐射分解为可见光光谱辐射和近红外光谱辐射；第一黑白CCD传感器，用于采集所述可见光光谱辐射的图像；第二黑白CCD传感器，用于采集所述近红外光谱辐射的图像；高温热源诊断单元，用于根据所述第一黑白CCD传感器采集的可见光光谱辐射的图像，和第二黑白CCD传感器采集的近红外光谱辐射的图像，判断所述待检测目标中是否含有高温热源。

其中，所述高温热源诊断单元包括：比灰度值图像获取子单元，用于将所述可见光光谱辐射的图像中每一帧图像的各个像素的灰度值，与所述近红外光谱辐射的图像中对应帧的对应像素的灰度值做比值处理，获取比灰度值图像数据；比灰度值阈值确定子单元，用于根据800K～2000K温度范围内比灰度值的变化规律以及背景噪声比值，确定比灰度值阈值β，令

T_i∈(800K～2000K)，则β＝max(β₁，β₂)，其中：V_h1、V_h2分别为CCD传感器在可见光和近红外光谱区间所获得的高温目标的辐射强度输出值；V_n1、V_n2分别为CCD传感器在可见光和近红外光谱区间所获得的背景噪声的辐射强度输出值；Ti为温度值；β₁、β₂分别为定义的两个比灰度值阈值；比较子单元，用于将所述比灰度值图像中每个像素的比灰度值与比灰度值阈值进行比较，当所述像素的比灰度值大于所述比灰度值阈值时，所述像素为高温热源像素；当所述像素的比灰度值小于所述比灰度值阈值时，所述像素为背景噪音像素。

其中，所述装置还包括显示单元，用于将所述高温热源像素与背景噪音像素以不同颜色显示。

上述技术方案仅是本发明的一个优选技术方案，具有如下优点：

(1)本发明建立的基于双路CCD的高温热源的检测方法，避免了仅利用可见光或近红外的单路CCD测量的局限性，使得高温热源的在线动态智能诊断更加有效。

(2)本发明建立的基于双路CCD的高温热源的检测方法，采用双光谱图像的灰度值比值处理，并通过双光路辐射强度的比值分析确定高温热源诊断的阈值，该阈值是相对量，不依赖于测量的几何条件，具有很好的应用性。

(3)本发明建立的基于双路CCD的高温热源的检测方法，采用双路CCD和分光棱镜的技术方案，技术实现较为简单、成本不高，适用于在工业领域推广应用。

附图说明

图1是本发明实施例的一种高温热源的检测装置的结构图；

图2是本发明实施例的一种高温热源的检测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明高温热源的检测方法依据的是如下原理：

本发明采用分光棱镜把高温热源和背景噪声的入射辐射分解成可见光光谱辐射(400nm～780nm)和近红外光谱辐射(780nm～1100nm)两部分，分别同时聚焦至两个黑白CCD传感器。CCD传感器的光路经过对准校正，以保证两个CCD传感器所获得图像具有一致性，即像素一一对应。

高温目标的辐射由其自身发射辐射和反射辐射构成，通常反射辐射可以忽略，在可见光和近红外光谱区间，CCD传感器所获得的高温目标的辐射强度输出值分别为V_h1、V_h2(即为输出图像的逐点灰度值)，

$V_{h1}={\mathrm{\Φ}}_h\·{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{11}}^{{\mathrm{\λ}}_{12}}F\left(\mathrm{\λ}\right)\·\mathrm{\ϵ}(\mathrm{\λ},T_h)\·I_b(\mathrm{\λ},T_h)\mathrm{d\λ}$

$V_{h2}={\mathrm{\Φ}}_h\·{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{21}}^{{\mathrm{\λ}}_{22}}F\left(\mathrm{\λ}\right)\·\mathrm{\ϵ}(\mathrm{\λ},T_h)\·I_b(\mathrm{\λ},T_h)\mathrm{d\λ}$

其中T_h为高温目标的热力学温度；λ为波长；ε(λ，T_h)为高温目标的光谱发射率；I_b(λ，T_h)为相同热力学温度下的黑体辐射强度；(λ₁₁，λ₁₂)＝(400nm，780nm)；(λ₂₁，λ₂₂)＝(780nm，1100nm)；F(λ)为CCD传感器和光学器件的综合光谱响应函数；Φ_h为测量的非光谱因子，与距离、角度、光电转换系数等变量相关。

背景噪声辐射包括自身发射辐射和反射辐射，通常自身发射辐射可以忽略，在可见光和近红外光谱区间，CCD传感器所获得的背景噪声的辐射强度输出值分别为V_n1、V_n2(即为输出图像的逐点灰度值)，

$V_{n1}={\mathrm{\Φ}}_n\·{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{11}}^{{\mathrm{\λ}}_{12}}F\left(\mathrm{\λ}\right)\·\mathrm{\ρ}\·I_b(\mathrm{\λ},T_n)\mathrm{d\λ}$

$V_{n2}={\mathrm{\Φ}}_n\·{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{21}}^{{\mathrm{\λ}}_{22}}F\left(\mathrm{\λ}\right)\·\mathrm{\ρ}\·I_b(\mathrm{\λ},T_n)\mathrm{d\λ}$

其中ρ为背景反射率；Φ_n为测量的非光谱因子，与衰减系数、距离、角度、光电转换系统等相关；I_b(λ，T_n)为照明辐射的光谱功率分布，可看作温度为T_n的黑体辐射强度；(λ₁₁，λ₁₂)＝(400nm，780nm)；(λ₂₁，λ₂₂)＝(780nm，1100nm)；F(λ)为CCD传感器和光学器件的综合光谱响应函数。

温度范围800K～2000K高温目标光谱辐射峰值一般在1400nm～3000nm之间，因此，在CCD传感器的光谱响应范围内(400nm～1100nm)光谱辐射强度I_b(λ，T_h)随着波长的增加而增加；而背景噪声光谱辐射峰值多在500nm左右，在CCD传感器的光谱响应范围内(400nm～1100nm)光谱辐射强度I_b(λ，T_n)随着波长的增加而开始有缓慢增加，而后下降。基于上述分析可知，如下关系式是成立的，

$\frac{V_{h2}}{V_{h1}}>\frac{V_{n2}}{V_{n1}}$

上式意味着高温目标在两个不同光谱下的强度比值要大于背景噪声的比值，这也就是高温目标甄别的判别式。

由于

其值与测量的非光谱因子无关，仅与CCD的特性参数以及目标的辐射特性有关，因此结合800K～2000K温度范围内

的变化规律以及背景噪声比值

可以确定阈值β，只要测量目标在两个不同光谱下所成图像的灰度比值大于β，就可以在干扰背景的情况下对高温目标做出正确诊断。

将双光谱图像的每一个像素点的灰度值进行比值处理，即把两路测量图像经过比值处理合成一路输出图像，将该数值分布用伪彩色表示，以在背景噪声中突出显示高温热源的辐射信息。

因此，当在V_h1≈V_n1或V_h2≈V_n2的情形下，通过常规的单光谱CCD测量无法有效甄别高温目标时，本发明所提出的高温热源的检测方法，可以实现高温目标的检测。

本发明实施例的一种高温热源的检测装置的结构如图1所示，包括：分光棱镜11、第一黑白CCD传感器12、第二黑白CCD传感器13、高温热源获取单元14和显示单元15。其中分光棱镜11分别与第一黑白CCD传感器12和第二黑白CCD传感器13连接，高温热源获取单元14分别与第一黑白CCD传感器12、第二黑白CCD传感器13和显示单元15连接。

分光棱镜11用于将待检测目标的入射辐射分解为可见光光谱辐射和近红外光谱辐射；第一黑白CCD传感器12用于采集所述可见光光谱辐射的图像；第二黑白CCD传感器13用于采集所述近红外光谱辐射的图像；高温热源获取单元14用于根据第一黑白CCD传感器12采集的可见光光谱辐射的图像，和第二黑白CCD传感器13采集的近红外光谱辐射的图像，获取所述待检测目标的高温热源。

高温热源获取单元14包括比灰度值图像获取子单元141、比灰度值阈值确定子单元142和比较子单元143，其中比较子单元143分别与比灰度值图像获取子单元141和比灰度值阈值确定子单元142连接。比灰度值图像获取子单元141用于将可见光光谱辐射的图像中每一帧图像的各个像素的灰度值，与近红外光谱辐射的图像中对应帧的对应像素的灰度值做比值处理，获取比灰度值图像数据；比灰度值阈值确定子单元142用于；比较子单元143用于将所述比灰度值图像中每个像素的比灰度值与比灰度值阈值进行比较，当所述像素的比灰度值大于所述比灰度值阈值时，所述像素为高温热源像素；当所述像素的比灰度值小于所述比灰度值阈值时，所述像素为背景噪音像素。

显示单元15用于将所述高温热源像素与背景噪音像素以不同颜色显示。

当采用图1所示高温热源的检测装置时，本发明实施例的一种高温热源的检测方法如图2所示，包括以下步骤：

步骤s201，将待检测目标的入射辐射分解为可见光光谱辐射和近红外光谱辐射。本实施例采用分光棱镜11将待检测目标的入射辐射分解成可见光光谱辐射(400nm～780nm)和近红外光谱辐射(780nm～1100nm)两部分。

步骤s202，采集可见光光谱辐射和近红外光谱辐射的图像。本实施例中，分光棱镜11分解的可见光光谱辐射(400nm～780nm)聚焦至第一黑白CCD传感器12，近红外光谱辐射(780nm～1100nm)聚焦至第二黑白CCD传感器13。然后进行光路校正：对CCD传感器进行光学配准，以保证两个CCD传感器的像素一一对应，即所获得图像具有一致性。第一黑白CCD传感器12和第二黑白CCD传感器13通过其数字接口将两路图像视频信号同时传输至高温热源获取单元14，高温热源获取单元14可以采用计算机。

步骤s203，获取比灰度值图像数据。比灰度值图像获取子单元141利用图像处理程序，读取两路图像中每帧图像中各个像素的灰度值，将可见光光谱辐射的图像中每一帧图像的各个像素的灰度值，与近红外光谱辐射的图像中对应帧的对应像素的灰度值做比值处理，将两路图像数据合成一路比灰度值图像数据。

步骤s204，确定比灰度值阈值。比灰度值阈值确定子单元142根据CCD传感器的特性参数，分析

在温度范围800K～2000K的变化规律以及背景噪声比值的数值，确定

的阈值β。令

T_i∈(800K～2000K)，

则β＝max(β₁，β₂)。其中目标发射率可近似地按照灰体来处理。

步骤s205，将所述比灰度值图像中每个像素的比灰度值与比灰度值阈值进行比较。当所述像素的比灰度值大于所述比灰度值阈值时，转步骤s206，当所述像素的比灰度值小于所述比灰度值阈值时，转步骤s208，当所述像素的比灰度值与所述比灰度值阈值接近时，转步骤s207。通过此步分析，可以知晓每帧图像中是否存在高温热源点。

步骤s206，判定所述像素为高温热源像素，并转步骤s209。

步骤s207，不做出判断，丢弃所述像素，并转步骤s209。

步骤s208，判定所述像素为背景噪音像素，并转步骤s209。

步骤s209，对预先设定时间内的所述比灰度值图像进行逐帧比较。如果每帧都有高温热源像素出现，则判定所述检测目标中存在高温热源。本实施例中，采用步骤s205～步骤s208的处理步骤，对视频图像进行逐帧分析，如在监测的2～5s内，均有高温热源点出现，则可断定监测区域内存在高温热源目标，这样可以有效地避免CCD传感器测量误差等引起的高温热源“伪诊断”。

步骤s210，将高温热源像素与背景噪音像素以不同颜色显示。本实施例中，显示单元15将基于比灰度值的图像数据，用伪彩色予以表示，形成伪彩色图像，高温热源和背景噪声表示为不同的颜色用以区别显示，以使得高温热源诊断结果更直观。

本发明实施例建立的基于双路CCD的高温热源的检测方法，避免了仅利用可见光或近红外的单路CCD测量的局限性，使得高温热源的在线动态智能诊断更加有效；该方法采用双光谱图像的灰度值比值处理，并通过双光路辐射强度的比值分析确定高温热源诊断的阈值，该阈值是相对量，不依赖于测量的几何条件，具有很好的应用性；而且，该方法采用双路CCD和分光棱镜的技术方案，技术实现较为简单、成本不高，适用于在工业领域推广应用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高温热源的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

将待检测目标的入射辐射分解为可见光光谱辐射和近红外光谱辐射；

采集所述可见光光谱辐射的图像和近红外光谱辐射的图像；

根据所述采集的可见光光谱辐射的图像和近红外光谱辐射的图像，判断所述待检测目标中是否含有高温热源；

所述判断待检测目标中是否含有高温热源，具体包括：

将所述可见光光谱辐射的图像中每一帧图像的各个像素的灰度值，与所述近红外光谱辐射的图像中对应帧的对应像素的灰度值做比值处理，获取比灰度值图像数据；

将所述比灰度值图像中每个像素的比灰度值与比灰度值阈值进行比较，当所述像素的比灰度值大于所述比灰度值阈值时，所述像素为高温热源像素；当所述像素的比灰度值小于所述比灰度值阈值时，所述像素为背景噪音像素；

当所述像素的比灰度值与所述比灰度值阈值接近时，丢弃所述像素；

在所述获取比灰度值图像数据之后，还包括根据800K～2000K温度范围内比灰度值的变化规律以及背景噪声比值，确定比灰度值阈值β，令

T_i∈(800K～2000K)，

则β＝max(β₁，β₂)，其中：V_h1、V_h2分别为CCD传感器在可见光和近红外光谱区间所获得的高温目标的辐射强度输出值；V_n1、V_n2分别为CCD传感器在可见光和近红外光谱区间所获得的背景噪声的辐射强度输出值；Ti为温度值；β₁、β₂分别为定义的两个比灰度值阈值。

2.如权利要求1所述高温热源的检测方法，其特征在于，所述将比灰度值图像中每个像素的比灰度值与比灰度值阈值进行比较的步骤中，进一步包括：

对预先设定时间内的所述比灰度值图像进行逐帧比较，如果每帧都有高温热源像素出现，则判定所述检测目标中存在高温热源。

3.如权利要求1所述高温热源的检测方法，其特征在于，在所述判断待检测目标中是否含有高温热源之后，还包括：将所述高温热源像素与背景噪音像素以不同颜色显示。

4.如权利要求1所述高温热源的检测方法，其特征在于，在所述采集可见光光谱辐射的图像和近红外光谱辐射的图像的步骤中，包括将所述可见光光谱辐射的图像和近红外光谱辐射的图像的像素一一对应的光路校正过程。

5.一种高温热源的检测装置，其特征在于，所述装置包括：

分光棱镜，用于将待检测目标的入射辐射分解为可见光光谱辐射和近红外光谱辐射；

第一黑白CCD传感器，用于采集所述可见光光谱辐射的图像；

第二黑白CCD传感器，用于采集所述近红外光谱辐射的图像；

高温热源诊断单元，用于根据所述第一黑白CCD传感器采集的可见光光谱辐射的图像，和第二黑白CCD传感器采集的近红外光谱辐射的图像，判断所述待检测目标中是否含有高温热源；

所述高温热源诊断单元包括：

比灰度值图像获取子单元，用于将所述可见光光谱辐射的图像中每一帧图像的各个像素的灰度值，与所述近红外光谱辐射的图像中对应帧的对应像素的灰度值做比值处理，获取比灰度值图像数据；

比灰度值阈值确定子单元，用于根据800K～2000K温度范围内比灰度值的变化规律以及背景噪声比值，确定比灰度值阈值β，令T_i∈(800K～2000K)，

则β＝max(β₁，β₂)，其中：V_h1、V_h2分别为CCD传感器在可见光和近红外光谱区间所获得的高温目标的辐射强度输出值；V_n1、V_n2分别为CCD传感器在可见光和近红外光谱区间所获得的背景噪声的辐射强度输出值；Ti为温度值；β₁、β₂分别为定义的两个比灰度值阈值；

比较子单元，用于将所述比灰度值图像中每个像素的比灰度值与比灰度值阈值进行比较，当所述像素的比灰度值大于所述比灰度值阈值时，所述像素为高温热源像素；当所述像素的比灰度值小于所述比灰度值阈值时，所述像素为背景噪音像素。

6.如权利要求5所述高温热源的检测装置，其特征在于，所述装置还包括显示单元，用于将所述高温热源像素与背景噪音像素以不同颜色显示。

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