CN102634632B - 一种转炉火焰温度检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转炉火焰温度检测系统和方法，所述系统包括图像获取模块、图像处理模块和计算模块，其中所述图像获取模块，用于获取转炉炉口的火焰图像信息；所述图像处理模块，用于对所述火焰图像信息进行预处理，得到火焰图像；所述计算模块，用于依据物体的辐射光谱与物体温度存在非线性的关系计算所述火焰图像中各个像素的温度值，并依据所述各个像素的温度值获取转炉炉口的火焰温度。由于该系统对转炉炉口火焰温度的检测是在对转炉炉口火焰图像信息分析的基础上进行，图像获取模块可以实时连续获取火焰图像，故本发明可实现对转炉炉口的火焰温度的连续检测。

Description

一种转炉火焰温度检测系统和方法

技术领域

本发明属于炼钢自动化控制领域，尤其涉及一种转炉火焰温度检测系统和方法。

背景技术

炼钢终点控制是转炉炼钢的关键技术之一，而由于终点钢水温度的高低对钢的质量有重要的影响，对终点钢水温度的测量成为炼钢终点控制的重要技术。而火焰温度与钢水温度有极大的相关性、是钢水温度的重要标志，因此可通过对转炉炉口的火焰温度的测量来获取钢水温度。

目前，对转炉炉口的火焰温度的测量有两种方式，一种方式为人工经验看火，即通过转炉炉口火焰的亮度和形状，人工推断火焰的温度，但是该方式无法实现连续看火，且检测过程易受人的工作状态的影响，检测结果的准确度低。另一种方式为采用热电偶装置，上述热电偶装置利用热电动势与温度的函数关系,制成热电偶分度表，且其将两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，其中直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端），冷端与上述热电偶分度表相连。其工作原理为：当测量物体温度时，会导致上述接合的接合点温度不同，从而在回路中就会产生电动势，即热电动势，继而可根据热电动势与温度的函数关系通过上述热电偶分度表显示所测物体的温度。但是热电偶装置自身是消耗型装置，且其只能点测，不能实现对转炉炉口的火焰温度的连续检测。

可见，上述方法在对转炉炉口的火焰温度进行测量时，均存在不能连续检测的缺点，故研究并提供一种能够对转炉炉口的火焰温度进行连续检测的系统和方法成为本领域亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种转炉火焰温度检测系统和方法，以解决上述问题，实现对转炉炉口的火焰温度进行连续检测的目的。

为此，本发明采用的技术方案如下：

一种转炉火焰温度检测系统，包括图像获取模块、图像处理模块以及计算模块，其中：

所述图像获取模块，用于获取转炉炉口的火焰图像信息；

所述图像处理模块，用于对所述火焰图像信息进行预处理，得到火焰图像；

所述计算模块，用于依据物体的辐射光谱与物体温度存在非线性的关系计算所述火焰图像中各个像素的温度值，并依据所述各个像素的温度值获取转炉炉口的火焰温度。

优选的，所述图像获取模块包括滤光镜片、电动变焦镜头和彩色电荷耦合元件CCD相机，其中：

所述滤光镜片，安装在所述电动变焦镜头上；

所述电动变焦镜头，安装在所述彩色CCD相机上；

所述彩色CCD相机，用于采集转炉炉口的火焰图像信息。

优选的，所述滤光镜片为中性衰减片。

优选的，所述电动变焦镜头为6-10倍变焦镜头。

优选的，所述图像处理模块包括：

图像采集卡，用于将图像获取模块中获取的火焰图像信息转换为红绿蓝RGB三色矩阵存储模式的火焰图像信息；

存储单元，用于接收所述RGB三色矩阵存储模式的火焰图像信息并保存；

灰度单元，用于对所述存储单元中保存的RGB三色矩阵存储模式的火焰图像信息对应的彩色图像进行灰度处理；

噪声滤除单元，用于对经过所述灰度处理后的图像进行噪声滤除；

分割单元，用于对经过所述噪声滤除后的图像进行图像分割，得到火焰图像。

优选的，所述计算模块具体用于依据公式 $T=\frac{C_2}{\ln (G/R)+5\ln ({\mathrm{\λ}}_G/{\mathrm{\λ}}_R)+\mathrm{\δ}1}(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_R}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_G})$ 计算火焰图像中各个像素的温度值，其中，C₂表示第二辐射常数，C₂=1.4388×10^-2m·K；

R、G分别表示所述像素的红色R分量值、绿色G分量值；

λ_R、λ_G分别表示所述像素的R分量、G分量所对应的波长；

δ1为单色发射率ε_R、ε_G及R、G颜色通道的响应系数K_R、K_G共同作用的常数。

优选的，所述图像获取模块还包括机械保护箱，其用于封装所述滤光镜片、所述电动变焦镜头和所述彩色CCD相机。

优选的，所述图像获取模块还包括视镜，所述视镜安装于所述机械保护箱上，用于方便所述彩色CCD相机透过其拍摄转炉炉口的火焰图像信息。

优选的，所述图像获取模块还包括镜头吹扫装置，其安装于所述机械保护箱内，用于对所述视镜表面的灰尘进行吹扫。

优选的，所述图像获取模块还包括备用电源，所述备用电源用于当外接电源出现故障时，对所述系统临时供电。

相应地，本发明还提供了一种转炉火焰温度检测方法，包括：

获取转炉炉口的火焰图像信息；

对所述火焰图像信息进行预处理，得到火焰图像；

计算所述火焰图像中各个像素的温度值，并依据所述各个像素的温度值获取转炉炉口的火焰温度。

优选的，获取转炉炉口的火焰图像信息包括：

采用滤光镜片均匀衰减火焰的光强；

利用电动变焦镜头调整彩色CCD相机的焦距；

利用所述彩色CCD相机采集转炉炉口的火焰图像信息。

优选的，所述预处理包括：

将图像获取模块中获取的火焰图像信息转换为红绿蓝RGB三色矩阵存储模式的火焰图像信息；

接收所述RGB三色矩阵存储模式的火焰图像信息并保存；

对所述保存的RGB三色矩阵存储模式的火焰图像信息对应的彩色图像进行灰度处理；

对经过所述灰度处理后的图像进行噪声滤除；

对经过所述噪声滤除后的图像进行图像分割，得到火焰图像。

优选的，所述计算所述火焰图像中各个像素的温度值包括：依据公式 $T=\frac{C_2}{\ln (G/R)+5\ln ({\mathrm{\λ}}_G/{\mathrm{\λ}}_R)+\mathrm{\δ}1}(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_R}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_G})$ 计算火焰图像中各个像素的温度值，其中，

C₂表示第二辐射常数，C₂=1.4388×10^-2m·K；

R、G分别表示所述像素的红色R分量值、绿色G分量值；

λ_R、λ_G分别表示所述像素的R分量、G分量所对应的波长；

δ1为单色发射率ε_R、ε_G及R、G颜色通道的响应系数K_R、K_G共同作用的常数。

本发明实施例提供的转炉火焰温度检测系统中由图像获取模块获取转炉炉口火焰图像信息，进而所述图像处理模块，对所述火焰图像信息进行预处理，得到火焰图像；最终所述计算模块依据物体的辐射光谱与物体温度存在非线性的关系计算所述火焰图像中各个像素的温度值，并依据所述各个像素的温度值获取转炉炉口的火焰温度。由于该系统对转炉炉口火焰温度的检测是在对转炉炉口火焰图像信息分析的基础上进行，图像获取模块可以实时连续获取火焰图像，故本发明可实现对转炉炉口的火焰温度的连续检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的转炉火焰温度检测系统的一种结构示意图；

图2是本发明实施例提供的图像获取模块的一种结构示意图；

图3是本发明实施例提供的图像处理模块的一种结构示意图；

图4是本发明实施例提供的图像处理模块中利用FPGA进行图像处理的逻辑结构图；

图5是本发明实施例提供的图像处理模块中利用DSP对图像进行处理的逻辑结构图；

图6是本发明实施例提供的转炉火焰检测方法流程示意图；

图7是本发明实施例提供的利用转炉火焰温度检测方法对转炉火焰温度进行检测的流程图；

图8是本发明实施例提供的炉口火焰强时的图像在分割处理前后的效果对比图；

图9是本发明实施例提供的炉口火焰弱时的图像在分割处理前后的效果对比图；

图10是本发明实施例提供的所测得的转炉炉口火焰在某段时间内的温度图；

图11是本发明实施例提供的利用转炉火焰温度检测方法对转炉火焰温度进行检测的另一种流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种转炉火焰温度检测系统，用于对转炉炉口的火焰温度进行检测。请参见图1，其示出了上述转炉火焰温度检测系统的一种结构，上述转炉火焰温度检测系统可包括图像获取模块100、图像处理模块200以及计算模块300，其中

图像获取模块100，用于获取转炉炉口的火焰图像信息。

具体地，在本发明实施例中，图像获取模块100的结构示意图请参阅图2，其可包括滤光镜片（图中未画出）、彩色CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件）相机1和电动变焦镜头2，其中：

彩色CCD相机1，用于采集转炉炉口的火焰图像信息。

具体地，在本发明实施例中，彩色CCD相机1为高分辨彩色CCD相机。

上述滤光镜片，安装在电动变焦镜头2上，用于均匀衰减火焰的光强；

由于彩色CCD相机1中所包括的CCD图像传感器在设计时，并非专门用于温度测量，其非饱和区宽度较窄，测温范围难以达到高温检测的要求。当光积分时间过长或者光强度过高时，势阱中的电荷会出现饱和溢出现象，干扰相邻位置的电容器的信号，破坏单色辐射亮度与彩色CCD相机1的三色通道输出信号的一一对应关系。此时彩色CCD相机1工作于饱和区，其输出信号不再与光信号成正比例增加，进而导致测温曲线波动剧烈，测量失真。

针对上述情况，本发明实施例中，采用滤光镜片均匀的衰减火焰光强，既可避免彩色CCD相机1过饱和，又可保证对各种波长光的能量按同样比例进行衰减，从而不影响后续对火焰温度的计算。

具体地，本发明实施例中，上述滤光镜片采用中性衰减片。

电动变焦镜头2，安装在彩色CCD相机1上，用于调整彩色CCD相机1的焦距。

具体地，在本发明实施例中，电动变焦镜头2为6-10倍变焦镜头，其与彩色CCD相机1匹配，用于当彩色CCD相机1远距离采集转炉炉口火焰的图像信息时调整焦距，使画面清晰。

图像处理模块200，用于对上述火焰图像信息进行预处理，得到火焰图像。

具体地，在本发明实施例中，图像处理模块200包括图像采集卡、存储单元、灰度单元、噪声滤除单元以及分割单元，其中：

上述图像采集卡，用于将图像获取模块中获取的火焰图像信息转换为RGB（red，green，blue，红绿蓝）三色矩阵存储模式的火焰图像信息。具体地，图像采集卡可以通过A/D（Analog/Digital，模/数）转换将采集的火焰图像信息转换为RGB三色矩阵存储模式的火焰图像信息。在本实施例中，图像采集卡可采用SAA7111_3芯片，利用芯片中的A/D转换对火焰图像信息进行转换。

存储单元，用于接收上述RGB三色矩阵存储模式的火焰图像信息并保存。

具体地，上述存储单元可为计算机，上述计算机可根据实际需要选择便携式电脑或者工控机。

相应地，上述图像采集卡可安装在彩色CCD相机1中，也可安装在工控机、计算机中，具体实施时，可根据图像采集卡的类型选择其需要安装的设备的类型，如需要安装在彩色CCD相机1上还是计算机上。

灰度单元，用于对上述存储单元中保存的RGB三色矩阵存储模式的火焰图像信息对应的彩色图像进行灰度处理。

噪声滤除单元，用于对经过上述灰度处理后的图像进行噪声滤除。

分割单元，用于对经过上述噪声滤除后的图像进行图像分割，得到火焰图像。

由于在图像处理中，底层信号与对应的处理算法要处理的数据量很大，速度要求高，但处理算法（包括灰度处理和噪声滤除处理）结构相对比较简单，为兼顾灵活性及处理速度，采用FPGA（Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）实现上述灰度处理和噪声滤除处理是一种有效的方法。而图像分割、匹配等高层图像处理算法的特点是所处理的数据量较底层算法少，但算法的控制结构复杂，适于用运算速度快、寻址方式灵活、通信机制强大的DSP（Digital Signal Processing，数字信号处理）芯片来实现。故具体地，本实施例中，对火焰图像信息的灰度处理、噪声滤除处理即通过FPGA实现，而分割处理具体通过DSP实现。

具体地，本实施例中，FPGA可以采用Altera公司的ACEX1K100芯片，DSP采用TI公司的TMS320C6201芯片，请参见图3，其为本实施例提供的图像处理模块的逻辑结构。其包括用于A/D转换的SAA7111_3芯片70、作为FPGA的ACEX1K100芯片71、作为DSP的TMS320C6201芯片72、用于对火焰图像信息进行D/A(Digital/Analog，数/模)转换的DAC1221芯片73，以及用以对上述各部件进行控制的控制模块74，控制模块74同样可以采用Altera公司的ACEX1K100芯片。其工作过程为：彩色CCD相机采集的火焰图像信息经SAA7111_3芯片70进行模数转换后，被传输至作为FPGA的ACEX1K100芯片71中，在控制模块74的控制下，ACEX1K100芯片71对火焰图像信息进行灰度处理和噪声滤除处理，进而火焰图像信息被传输至作为DSP的TMS320C6201芯片72中进行图像分割，得到数字信号形式的火焰图像。数字信号形式的火焰图像再经DAC1221芯片73进行数模转换后转换为模拟信号形式的火焰图像，即上述火焰图像，则下述计算模块可根据该火焰图像对转炉炉口的火焰温度进行计算。

上述ACEX1K100芯片配置有EEPROM（Electrically ErasableProgrammable Read-Only Memory，电可擦可编程只读存储器），其具体采用Altera公司的EPC2芯片。请参见图4，由于SAA7111_3芯片输出的是隔行视频信号，则一帧图像需要传送两次，分别记为奇数场信号和偶数场信号。因此一帧图像，即连续的奇数场信号、偶数场信号，经采集、合成并由FPGA预处理后，DSP才能进行后续处理。

为了向DSP提供连续的图像信号，本实施例采用两个图像帧存储器A和B分别对经过ACEX1K100芯片的灰度处理和噪音滤除处理后的帧图像的奇数场信号和偶数场信号进行缓存，同时利用A7111_3的同步信号作为ACEX1K100芯片的乒乓开关的控制信号，以对上述两个图像帧存储器A和B进行存储控制，上述图像帧存储器A和B在乒乓开关的控制下，进行交替存储。在FPGA和DSP间用FIFO（First Input First Output，先入先出队列）作为两者间接口，实现数据位数的转换，FIFO具体采用TI公司的SN74ACT7804芯片。

具体地，利用上述部件对一帧图像数据的处理和存储的原理如下：利用SAA7111_3芯片提供的同步信号RTS0、VREF、HREF控制采集过程的起止点，即RTS0的上升沿标识一帧图像的采集的起点，VREF为高电平的时间段对应图像场正程扫描时的有效像素行时间，在有效像素行期间，HREF为高电平的时间段对应像素的有效采样时间，在上述有效采样时间内，VREF第一次出现低电平则表明奇数场图像采集过程结束，第二次出现低电平则表明偶数场图像采集过程结束，此时也表明一帧图像采集结束；SAA7111_3芯片输出的数据经ACEX1K100芯片预处理即灰度处理和噪声滤除处理后写入图像帧存储器A和B，当一帧图像存储结束后，控制模块的ACEX1K100芯片发出控制信号并控制图像帧存储器A和B将一帧图像逐行写入FIFO中，写入完毕后，控制模块的ACEX1K100芯片即发出READY信号，并通知DSP将其中的数据取走。

请参见图5，当DSP收到取出FIFO中数据的控制信号时，其读出FIFO中的行数据并将读出的数据存入外部的SDRAM（Synchronous Dynamic RandomAccess Memory，同步动态随机存储器）中，一帧图像中有512行，在读取完最后一行时DSP会收到ACEX1K100芯片的帧中断信息，之后，DSP对一帧图像数据进行处理，并将处理后的一帧图像数据逐行送入输出帧存储器IDT71V424中。在控制模块的ACEX1K100芯片的控制下，输出帧存储器中的数据由32bit转换为16bit，然后逐行输出到FIFO进行缓存。

需要指出的是：虽然TMS320C6201片内带有可供DSP进行无等待访问的1Mb高速内存，但这远不能满足实时图像处理过程中大数据量缓存的要求。因此，本实施例中，为DSP配置了高性能的SDRAM，以弥补片内数据存储器容量有限的不足。本实施例采用Winbond公司的两片128Mbit的W981216BH SDRAM芯片，用以存储运行过程中的临时数据。此外，为DSP还配置有FLASH（闪存）存储器,用作存放开机自举的程序机器码以及有关数据参数。上述FLASH存储器采用AMD公司生产的8Mbit的AM29LV800B。

计算模块300，用于依据物体的辐射光谱与物体温度存在非线性的关系计算上述火焰图像中各个像素的温度值，并依据上述各个像素的温度值获取转炉炉口的火焰温度。

具体地，本实施例中，计算模块300依据公式 $T=\frac{C_2}{\ln (G/R)+5\ln ({\mathrm{\λ}}_G/{\mathrm{\λ}}_R)+\mathrm{\δ}1}(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_R}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_G})$ 计算火焰图像中各个像素的温度值。

其中，

C₂表示第二辐射常数，C₂=1.4388×10^-2m·K；

R、G分别表示上述像素的红色R分量值、绿色G分量值；

λ_R、λ_G分别表示上述像素的R分量、G分量所对应的波长；

δ1为单色发射率ε_R、ε_G及R、G颜色通道的响应系数K_R、K_G共同作用的常数。

本发明实施例提供的转炉火焰温度检测系统中由图像获取模块100获取转炉炉口的火焰图像信息，进而图像处理模块200，对上述火焰图像信息进行预处理，得到火焰图像；最终计算模块300依据物体的辐射光谱与物体温度存在非线性的关系计算上述火焰图像中各个像素的温度值，并依据上述各个像素的温度值获取转炉炉口的火焰温度。由于该系统对转炉炉口火焰温度的检测是在对转炉炉口火焰图像信息分析的基础上进行，图像获取模块100可以实时连续获取火焰图像，故本发明可实现对转炉炉口的火焰温度的连续检测。

在本发明其他实施例中，也可采用其他相机采集转炉炉口的火焰图像信息，对相机的选择应尽量使其在采集火焰图像信息时，火焰图像的亮度、色度不失真为准。

在本发明其他实施例中，仍请参见图2，图像获取模块100还可包括机械保护箱3，其用于封装上述滤光镜片、电动变焦镜头2和彩色CCD相机1，并可对其起到保护作用。具体地，机械保护箱3可由金属材料制成。

在本发明其他实施例中，仍请参见图2，图像获取模块100还可包括视镜4，其安装于机械保护箱3上，用于方便彩色CCD相机1透过其拍摄转炉炉口的火焰图像信息。

在本发明其他实施例中，仍请参见图2，图像获取模块100还可包括镜头吹扫装置5，其安装于机械保护箱3内，用于对视镜4表面的灰尘进行吹扫；且由于该镜头吹扫装置5可提供冷风，故其同时也起到了对机械保护箱3的箱体内部的温度进行调节的作用。

在本发明其他实施例中，仍请参见图2，图像获取模块100还可包括备用电源6，其用于当外接电源出现故障时，对系统临时供电。

与上述系统实施例相对应，本发明实施例还提供一种转炉火焰温度检测方法，请参见图6，其可包括：

T1：获取转炉炉口的火焰图像信息。

T2：对上述火焰图像信息进行预处理，得到火焰图像。

T3：计算上述火焰图像中各个像素的温度值，并依据上述各个像素的温度值获取转炉炉口的火焰温度。

具体地，本实施例中，获取转炉炉口的火焰图像信息包括：

采用滤光镜片均匀衰减火焰的光强。

利用电动变焦镜头调整彩色CCD相机的焦距。

利用上述彩色CCD相机采集转炉炉口的火焰图像信息。

具体地，本实施例中，上述预处理包括：

将图像获取模块中获取的火焰图像信息转换为红绿蓝RGB三色矩阵存储模式的火焰图像信息；

接收上述RGB三色矩阵存储模式的火焰图像信息并保存。

对上述保存的RGB三色矩阵存储模式的火焰图像信息对应的彩色图像进行灰度处理。

对经过上述灰度处理后的图像进行噪声滤除。

对经过上述噪声滤除后的图像进行图像分割，得到火焰图像。

具体地，本实施例中，上述计算上述火焰图像中各个像素的温度值包括：依据公式

$T=\frac{C_2}{\ln (G/R)+5\ln ({\mathrm{\λ}}_G/{\mathrm{\λ}}_R)+\mathrm{\δ}1}(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_R}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_G})$ 计算火焰图像中各个像素的温度值，其中，

C₂表示第二辐射常数，C₂=1.4388×10^-2m·K；

R、G分别表示上述像素的红色R分量值、绿色G分量值；

λ_R、λ_G分别表示上述像素的R分量、G分量所对应的波长；

δ1为单色发射率ε_R、ε_G及R、G颜色通道的响应系数K_R、K_G共同作用的常数。

以下为本发明实施例提供的利用上述转炉火焰温度检测方法对转炉火焰温度进行检测的一具体实例，请参见图7，其可包括如下步骤：

S1：初始化彩色CCD相机和图像采集卡，进入采集模式。

S2：拍摄转炉炉口的火焰图像信息并保存。

具体地，在拍摄之前可根据分析精度要求对彩色CCD相机的拍摄频率进行设定，如可根据实际需要将上述拍摄频率设定为每秒1张、5张或10张等。

S3：将上述火焰图像信息通过上述图像采集卡转换为RGB三色矩阵的存储模式并保存至计算机。

S4：将上述计算机中的火焰图像信息进行灰度处理、噪声滤除及图像分割处理，得到火焰图像。

具体地，步骤S4可包括：

S41、将上述火焰图像信息进行灰度处理。

彩色图像中的每个像素的颜色由R、G、B三个分量决定，而每个分量的有效值在0～255之间，有256个值可取，这样一个像素点可以有1600多万（256*256*256）种颜色的取值；而灰度图像是R、G、B三个分量取值相同时的一种特殊的彩色图像，其一个像素点的取值可以有256种，相对于彩色图像其像素点的颜色种类较少，相应地，在对其进行图像处理时，处理过程也较为简单，但灰度图像的描述与彩色图像一样仍然反映了整幅图像的整体和局部的色度和亮度等级的分布和特征。因此，在图像处理中，为了使后续的图像的计算量更为简洁，通常先将彩色图像通过灰度处理变为灰度图像。

本实施例中，上述灰度处理采用的方法具体为加权平均法，即将R、G、B三个分量以不同的权值进行加权平均，由于人眼对绿色的敏感度最高，对蓝色敏感度最低，因此，可按以下公式对R、G、B三分量进行加权平均得到较合理的灰度图像：Y=0.30R+0.59G+0.11B，其中，Ｙ表示图像的灰度值。

S42、将灰度处理后的火焰图像信息进行噪声滤除处理。

图像信息在采集过程中往往受到各种噪声源的噪声干扰，这些噪声干扰在图像上常常表现为一些孤立的像素点，而上述孤立像素点如不经过滤波处理，会对以后的图像分割、分析和判断带来影响。具体地，对受到噪声干扰的图像可采用线性滤波的方法来处理，但很多线性滤波的方法具有低通性，在去噪声干扰的同时也使得边缘模糊了。

故本实施例中，为了避免上述问题，采用一种非线性的滤波方法去除噪声，具体地，采用中值滤波的方法，其可在实现去除噪声的同时，又保护图像的边缘。上述中值滤波的实现原理是把图像中的某一像素的灰度值用该像素的一个区域的各像素灰度值的中值代替，上述中值的定义如下：

数值X1、X2、X3…Xn假如其排序如下：Xi1≤Xi2≤Xi3≤…≤Xin，则

$M=\mathrm{Med}\{X1,X2,X3...\mathrm{Xn}\}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Xi}((1+n)/2)& n=2m-1\\ (\mathrm{Xi}(n/2)+\mathrm{Xi}(1+n/2))/2& n=2m\end{array}\right.$

其中，m为正自然数，Ｍ为X1、X2、X3…Xn的中值，如有一个序列（10，20，30，40，50，60，70），则中值为40。

S43、将经过噪声滤除处理后的火焰图像信息进行图像分割处理，得到火焰图像。

本实施例中，对火焰图像信息中的图像分割具体采用的是阈值分割法。上述阈值分割法是一种简单的基于区域的分割技术，其利用图像中要提取的目标和背景在灰度特性上的差异，把图像视为具有不同灰度级的两类区域的组合，选取一个合适的阈值，以确定图像中每个像素点是属于目标还是属于背景。上述方法的具体过程为：首先确定一个处于图像灰度级范围内的灰度阈值T；然后将图像中每个像素的灰度值都与这个阈值T比较，根据上述灰度值是否超过阈值T而将图像分割成大于阈值T的像素群(目标)和小于阈值T(背景)的像素群两部分。若输入图像为F（x，y），输出图像为B（x，y），则上述方法可用函数表述为：

$B(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}1& F(x,y)>T\\ 0& F(x,y)<T\end{array}\right.,$ 其中，1表示目标，0表示背景。

请参见图8和图9，该两图分别为本发明实施例提供的炉口火焰强时和弱时的图像在分割处理前后的效果对比图，由上述两图可知，无论火焰强度大或小，上述分割处理的方法都可以准确从图像中分割出所需的火焰图像。

S5：依据上述处理后的火焰图像的R、G、B值计算火焰图像中各像素的温度值。

在高频低温的情况下，普朗克黑体辐射定理可由维恩定理近似而来，则黑体的辐射功率为：

$M_{\mathrm{\&lambda;}}\left(T\right)=C_1{\mathrm{\&lambda;}}^{-5}{e}^{-\frac{C_2}{\mathrm{\&lambda;T}}}---\left(1\right),$

其中，C₁表示第一辐射常数，C₁=3.7418×10^-16W·m²；

C₂表示第二辐射常数，C₂=1.4388×10^-2m·K。

依据公式（1），在某特定波长下，单色辐照度为：

$E_{\mathrm{\&lambda;}}\left(T\right)=C_1{\mathrm{\&lambda;}}^{-5}{e}^{-\frac{C_2}{\mathrm{\&lambda;T}}}{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{\&lambda;}}---\left(2\right),$

其中，ε_λ表示单色发射率。

由于黑体在不同波长下单色发射率都相同，则若在波长λ₁和λ₂下测得同一点的单色辐照度

和

并将上述

和

带入公式（2），即可根据上述单色辐照度

和

之比求出物体的温度T：

$T=\frac{C_2}{\ln (E_{{\mathrm{\&lambda;}}_1}/E_{{\mathrm{\&lambda;}}_2})+5\ln ({\mathrm{\&lambda;}}_1/{\mathrm{\&lambda;}}_2)}(\frac{1}{{\mathrm{\&lambda;}}_2}-\frac{1}{{\mathrm{\&lambda;}}_1})---\left(3\right).$

本实施例中，可依据上述公式（1）、（2）、（3）对转炉炉口的火焰温度进行计算，其中，对某一像素的单色辐照度的测量具体通过该像素单色通道采集值与单色辐照度的关系得出，由于所采集的转炉炉口的火焰图像在计算机中按照RGB三色矩阵的存储模式存储，即可知其在计算机中按照红色（R）、绿色（G）和蓝色（B）三个颜色通道存储，上述单色通道采集值即为单色分量值（如R、G、B三分量值）。具体地，某一像素处的上述单色通道采集值正比于单色辐照度，且其正比关系符合如下公式：

$\begin{array}{c}R=K_R{E}_{{\mathrm{\&lambda;}}_R}\left(T\right)\\ G=K_G{E}_{{\mathrm{\&lambda;}}_G}\left(T\right)\\ B=K_B{E}_{{\mathrm{\&lambda;}}_B}\left(T\right)\end{array}---\left(4\right),$

其中，K_R、K_G、K_B分别为三个颜色通道的响应系数。

将λ_G和λ_R分别作为上述λ₁和λ₂，进而将公式（4）中的

和

带入公式（3）可得该像素的温度T为：

$T=\frac{C_2}{\ln (G/R)+5\ln ({\mathrm{\&lambda;}}_G/{\mathrm{\&lambda;}}_R)+\mathrm{\&delta;}1}(\frac{1}{{\mathrm{\&lambda;}}_R}-\frac{1}{{\mathrm{\&lambda;}}_G})---\left(5\right),$

其中，δ1为单色发射率ε_R、ε_G及响应系数K_R、K_G共同作用的常数。

具体地，公式（5）中的该像素处的R、G分量值可根据经过步骤S4处理后的火焰图像得出。

上述方法通过R、G、B中任意两个颜色通道均可计算得出某一像素的温度，如公式（5）即为通过R、G两个颜色通道（R、G分量）计算得出的对应像素的温度值，且理论上通过任意两颜色通道计算得出的温度值相等，但由于各种偏差及模型与实物的区别，实际测量时，针对不同的两个分量的组合，其测量结果往往不相等，针对上述情况，本发明实施例采用如下公式得到某一像素的更为接近实际温度的值：

$T=\frac{a_1{T_1}^2+a_2{T_2}^2+a_3{T_3}^2}{3(a_1{T}_1+a_2{T}_2+a_3{T}_3)}---\left(6\right)$ ，其中，

$a_1=\frac{1}{{\mathrm{\&lambda;}}_R}-\frac{1}{{\mathrm{\&lambda;}}_G},a_2=\frac{1}{{\mathrm{\&lambda;}}_G}-\frac{1}{{\mathrm{\&lambda;}}_B},a_3=\frac{1}{{\mathrm{\&lambda;}}_B}-\frac{1}{{\mathrm{\&lambda;}}_R};$

T₁为根据R、G分量计算得出的温度值；

T₂为根据G、B分量计算得出的温度值；

T₃为根据B、R分量计算得出的温度值。

具体地，本实施例通过上述计算方法可计算出上述处理后的火焰图像中各个像素对应的温度值。

S6：依据上述各像素的温度值获取转炉炉口的火焰温度。

具体地，对转炉炉口的火焰温度的获取是通过对上述各像素的温度值进行算术平均得出的。

请参见图10，其为利用本发明实施例提供的系统所测得的转炉炉口火焰在某段时间内的温度图，其中，横坐标表示时间，单位为min；纵坐标表示温度，单位为℃。由于火焰温度与钢水温度变化过程是一致的，故对本图中火焰温度的变化可通过对钢水温度的变化来说明：在前2-5min，由于钢水中硅锰与氧反应剧烈，温度快速上升，随后进入C（Carbon，碳）反应期，即碳与氧的反应期，温度上升趋势逐渐变缓，参见图3中圈中部分。由图3可知，终点火焰温度为1850℃，与热电偶所测温度1845℃相一致，误差5℃，达到钢厂使用要求。

在本发明其他实施例中，请参见图11，利用上述转炉火焰温度检测方法对转炉火焰温度进行检测的流程还可包括如下步骤：

S7：判断是否完成一炉次的温度检测，若完成，则结束；否则，转至步骤S2。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

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 (10)

1.一种转炉火焰温度检测系统，用于对转炉炉口的火焰温度进行检测，其特征在于，包括图像获取模块、图像处理模块以及计算模块，其中：

所述图像获取模块，用于获取转炉炉口的火焰图像信息；

所述图像获取模块包括滤光镜片、电动变焦镜头和彩色CCD相机，其中：

所述滤光镜片为中性衰减片，安装在所述电动变焦镜头上；

所述电动变焦镜头为6-10倍变焦镜头，安装在所述彩色CCD相机上；

所述彩色CCD相机，用于采集转炉炉口的火焰图像信息；

所述图像处理模块，用于对所述火焰图像信息进行预处理，得到火焰图像；

所述计算模块，用于依据物体的辐射光谱与物体温度存在非线性的关系计算所述火焰图像中各个像素的温度值，并依据所述各个像素的温度值获取转炉炉口的火焰温度。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述图像处理模块包括：

图像采集卡，用于将图像获取模块中获取的火焰图像信息转换为红绿蓝RGB三色矩阵存储模式的火焰图像信息；

存储单元，用于接收所述RGB三色矩阵存储模式的火焰图像信息并保存；

灰度单元，用于对所述存储单元中保存的RGB三色矩阵存储模式的火焰图像信息对应的彩色图像进行灰度处理；

噪声滤除单元，用于对经过所述灰度处理后的图像进行噪声滤除；

分割单元，用于对经过所述噪声滤除后的图像进行图像分割，得到火焰图像。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述计算模块具体用于依据公式 $T=\frac{C_2}{\ln (G/R)+5\ln ({\mathrm{\&lambda;}}_G/{\mathrm{\&lambda;}}_R)+\mathrm{\&delta;}1}(\frac{1}{{\mathrm{\&lambda;}}_R}-\frac{1}{{\mathrm{\&lambda;}}_G})$ 计算火焰图像中各个像素的温度值，其中，C₂表示第二辐射常数，C₂=1.4388×10^-2m·K；

R、G分别表示所述像素的红色R分量值、绿色G分量值；

λ_R、λ_G分别表示所述像素的R分量、G分量所对应的波长；

δ1为单色发射率ε_R、ε_G及R、G颜色通道的响应系数K_R、K_G共同作用的常数。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述图像获取模块还包括机械保护箱，其用于封装所述滤光镜片、所述电动变焦镜头和所述彩色CCD相机。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述图像获取模块还包括视镜，所述视镜安装于所述机械保护箱上，用于方便所述彩色CCD相机透过其拍摄转炉炉口的火焰图像信息。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述图像获取模块还包括镜头吹扫装置，其安装于所述机械保护箱内，用于对所述视镜表面的灰尘进行吹扫。

7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述图像获取模块还包括备用电源，所述备用电源用于当外接电源出现故障时，对所述系统临时供电。

8.一种转炉火焰温度检测方法，基于如权利要求1所述的转炉火焰温度检测系统，用于对转炉炉口的火焰温度进行检测，其特征在于，包括：

采用中性衰减的滤光镜片均匀衰减火焰的光强；

利用具备6-10倍变焦镜头的电动变焦镜头调整彩色CCD相机的焦距；

利用所述彩色CCD相机采集转炉炉口的火焰图像信息；

对所述火焰图像信息进行预处理，得到火焰图像；

计算所述火焰图像中各个像素的温度值，并依据所述各个像素的温度值获取转炉炉口的火焰温度。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预处理包括：

将图像获取模块中获取的火焰图像信息转换为红绿蓝RGB三色矩阵存储模式的火焰图像信息；

接收所述RGB三色矩阵存储模式的火焰图像信息并保存；

对所述保存的RGB三色矩阵存储模式的火焰图像信息对应的彩色图像进行灰度处理；

对经过所述灰度处理后的图像进行噪声滤除；

对经过所述噪声滤除后的图像进行图像分割，得到火焰图像。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述计算所述火焰图像中各个像素的温度值包括：依据公式

$T=\frac{C_2}{\ln (G/R)+5\ln ({\mathrm{\&lambda;}}_G/{\mathrm{\&lambda;}}_R)+\mathrm{\&delta;}1}(\frac{1}{{\mathrm{\&lambda;}}_R}-\frac{1}{{\mathrm{\&lambda;}}_G})$ 计算火焰图像中各个像素的温度值，其中，

C₂表示第二辐射常数，C₂=1.4388×10^-2m·K；

R、G分别表示所述像素的红色R分量值、绿色G分量值；

λ_R、λ_G分别表示所述像素的R分量、G分量所对应的波长；

δ1为单色发射率ε_R、ε_G及R、G颜色通道的响应系数K_R、K_G共同作用的常数。

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