发明内容
本发明旨在提供一种用于对煤垛表面进行远距离红外测温的方法及系统,用以降低天候条件对煤垛表面温度测量结果的影响,提高煤垛表面温度测量精度。
本发明的一方面提供一种用于对煤垛表面进行远距离红外测温的方法,所述方法包括下述步骤1.1至1.5:
步骤1.1:拍摄被测煤垛的红外辐射亮度图;
步骤1.2:计算拍摄时刻被测煤垛的反射强度、大气程辐射亮度和大气透过率;
步骤1.3:根据步骤1.2的结果,从红外亮度图中去除被测煤垛的反射成分和大气程辐射成分,以得到去除天候效应后的红外辐射亮度图;
步骤1.4:确定所述拍摄时刻被测煤垛的发射率数据;和
步骤1.5:根据所述发射率数据以及去除天候效应后的红外辐射亮度图确定煤垛的表面温度。
本发明的另一方面提供一种用于对煤垛表面进行远距离红外测温的系统,包括:
一个拍摄设备,其拍摄被测煤垛的红外辐射亮度图;
一个发射率测量仪器,其用于确定所述拍摄时刻被测煤垛的发射率数据;
一个计算设备,其计算拍摄时刻被测煤垛的反射强度、大气程辐射亮度和大气透过率,从红外亮度图中去除被测煤垛的反射成分和大气程辐射成分,以得到去除天候效应后的红外辐射亮度图;并根据拍摄时刻被测煤垛的发射率数据和去除天候效应后的红外辐射亮度图来计算煤垛的表面温度。
由于本发明考虑了测温时刻的天候条件下,煤垛自身发射率特性及大气传输特性对测温准确度的影响,因此,提高了煤垛测温结果的准确度,同时,本发明还兼具红外测温技术中与物体无接触、可全天候工作、可实现夜视等突出优点,并且可以通过调整测量距离,实现全煤垛测温,这些对于进行煤垛表面温度实时探测,长期变化规律分析以及煤垛内热源查找极为有效。
具体实施方式
以下结合具体实施例及附图来对本发明作进一步的说明,这些说明不用来限制本发明的范围。
图1示出了根据本发明一个实施方案的用于对煤垛表面进行远距离红外测温的方法。如图1所示,所述方法包括下述步骤1.1至1.5:
步骤1.1:拍摄被测煤垛的红外辐射亮度图L0;
步骤1.2:计算拍摄时刻被测煤垛的反射强度Lf、大气程辐射亮度LC和大气透过率τ;
步骤1.3:根据步骤1.2的结果,从红外亮度图中去除被测煤垛的反射成分和大气程辐射成分,以得到去除天候效应后的红外辐射亮度图LM;该步骤1.3包括下述步骤3.1至3.3,其中步骤3.1为:将红外辐射亮度图L0逐像素减去所述大气程辐射亮度Lc,从而得到第一红外辐射亮度图L1;步骤3.2为:将所述第一红外辐射亮度图L1逐像素除以大气透过率,得到第二红外辐射亮度图L2;步骤3.3为:将所述第二红外辐射亮度图L2逐像素减去所述煤垛反射强度Lf,从而得到去除天候效应后的红外辐射亮度图LM;
步骤1.4:确定所述拍摄时刻被测煤垛的发射率数据;
步骤1.5:根据所述发射率数据以及去除天候效应后的红外辐射亮度图LM确定煤垛的表面温度。
发射率,也叫比辐射率,是指该红外目标在指定温度T时的辐射量与同温黑体的相应辐射量的比值,通常用ε表示。对于黑体,ε=1;对于一般物体,ε<1。发射率与红外目标本身的性质、表面粗糙度、温度、辐射波长和方向均有关系。对于不同的目标,发射率是不相同的,这是红外目标本身的一种属性。对于相同的目标,由于不同的天候条件、地理位置、红外成像系统成像角度等影响,目标的发射率也不一样。
由于红外目标的红外辐射在到达成像系统之前会先经过大气的传输,与大气成份相互作用,发生吸收和散射,从而改变辐射的空间、时间和光谱分布特性。大气传输特性对红外成像测温的影响,主要包含以下三方面:1.大气分子和气溶胶粒子的吸收和散射,将导致红外辐射在传播方向上的衰减,降低目标的图像灰度,导致红外图像对比度下降;2.大气分子和气溶胶粒子对红外辐射的散射,将使红外光线偏离光路,对周边像素亮度造成影响,导致图像模糊,边缘不清晰;3.大气因自身温度而产生的热辐射、大气对直接太阳辐射通量由原方向单次散射和多次散射到探测器方向造成的辐射亮度的增加、目标场景周围环境辐射的多次散射影响等。通过本发明,尤其是通过步骤1.3,可以显著降低上述影响。
下面对根据本发明的一个具体实施方案的用于对煤垛表面进行远距离红外测温的方法做详细描述:
步骤1.1可以包括先拍摄被测煤垛的红外热图(步骤1.1.1),然后再将红外热图转换为红外辐射亮度图L0(步骤1.1.2),所用仪器例如可以为红外热像仪。所述转换过程例如可以包括将拍摄得到的红外热图转为灰度图,得到红外热图中每个像素的红外辐射亮度值。
所述步骤1.2可以包括:
步骤2.1:采集拍摄时刻的天候数据;
步骤2.2:确定被测煤垛的地理位置,根据所述地理位置计算被测煤垛的太阳天顶角;
步骤2.3:确定拍摄位置到被测煤垛的距离(即热像仪所处位置到被测煤垛的距离);以及
步骤2.4:根据所述天候数据、太阳天顶角、拍摄位置到被测煤垛的距离,计算被测煤垛的反射强度、被测煤垛的大气程辐射亮度和大气透过率。
另外,可以通过调整远距离拍摄位置与煤垛之间的距离和角度,对整个煤垛进行远距离红外测温。
所述步骤1.4可以包括:
4.1:根据被测煤垛的煤质特性,从已有资料查找煤垛的基本发射率数据;
4.2:测量被测煤垛发射率的温度特性以及光谱特性;
4.3:通过分析所测量的温度特性和光谱特性,对所述基本发射率数据进行校正,从而确定所述拍摄时刻被测煤垛的发射率数据;以及建立不同天候数据下被测煤垛的发射率数据库。
所述已有资料包括相关书籍文献或数据库,所述基本发射率数据指通过先期实验测定所得到的通常情况下被测煤垛的发射率数据。
本发明通过分析发射率的光谱、温度等特性,对发射率进行合理的校正,从而提高红外成像测温系统的检测准确度,降低了由于发射率校正不准而引起的红外热像仪测温误差。
以下进一步介绍根据本发明的一个具体实施方案的用于对煤垛表面进行远距离红外测温的方法。
本实例旨在对薄雾天气条件下某地的一处煤垛进行红外成像表面温度测量。
测量中所用到的红外成像测温设备为远红外热像仪,测量波段为8-14μm,分辨率为320×256。
先用远红外热像仪拍摄被测煤垛的红外辐射亮度图,拍摄时刻的天候数据、地理位置信息以及测量距离(即,拍摄位置到被测煤垛的距离)如下面表1所示:
表1
通过分析发射率的光谱、温度等特性,对发射率进行合理的校正后,获取拍摄时刻的天候条件下的煤垛的发射率数据。经过分析校正后的实施例煤垛的发射率数据ε=0.72。
通过分析发射率的光谱、温度等特性,对发射率进行合理的校正,可以解决由于发射率不准而引起的红外热像仪测温误差问题,从而提高系统检测准确度,增强红外成像测温系统的准确性。
煤垛反射强度Lf采用如下式的方法求解:
其中,K是煤垛的漫反射率,Eenv8-14是到达煤垛表面的太阳和天空背景辐射照度在8-14μm波段内的总量。煤垛的反射强度需要由天候数据和太阳天顶角等参数协同计算得到。
大气透过率τ采用如下式的方法计算:
τ=τ1·τ2·τ3
其中τ1表示大气吸收导致的大气平均透过率,τ2表示大气散射导致的大气平均透过率,τ3表示恶劣天气现象(包括雨雪)时的大气平均透过率。大气透过率需要由测量距离和天候数据协同计算得到。
大气程辐射亮度Lc则来源于以下三个部分:①在大气辐射传输路径上自身的热辐射,用Latm表示;②太阳辐射通量经过单次散射和多次散射到达红外热像仪视场范围内而造成的入瞳处辐射亮度的增加,用Ls表示;③煤垛周围地物的自身辐射经过多次散射到热像仪视场内造成辐射亮度的增加,用Lg表示。
因此,大气程辐射亮度的计算公式为:
Lc=Latm+Ls+Lg
同样地,根据测量距离、天候数据以及太阳天顶角等参数可计算得到大气程辐射的三个组成部分,从而得到大气程辐射亮度Lc。
由上述计算得到的煤垛反射强度Lf,大气透过率τ以及大气程辐射亮度Lc,代入下式即可获得去除天候效应后的煤垛红外辐射亮度图LM。
得到煤垛红外辐射亮度图LM后,结合煤垛的发射率数据ε,由下式即可反向解算得到煤垛的表面温度。
其中,λ1=8μm,λ2=14μm,a、b为辐射常数,ε为煤垛的发射率,T则为煤垛的表面温度。
为了验证本发明方法的有效性,在实施例中,采用表面温度测量仪器对煤垛不同的3个位置进行了温度测量,每个位置测量5次,取平均值作为最终测量温度(或称实际温度)。煤垛表面的实际温度、初始红外测温温度、去除天候影响后红外测温温度的对比结果如下面表2所示:
表2
由表2可见,通过去除天候影响,显著提高了红外测温的准确度,减小了测温误差,证明了本方法的有效性、直观性和实用性。
本发明通过由天候等条件确立煤垛的发射率特性并计算大气传输特性,去除大气传输及发射率对红外成像测温的影响,提高了测温准确度,减小了测温误差,是一种有效、可靠、实用的方法。
本发明还涉及一种用于对煤垛表面进行远距离红外测温的系统,其包括一个拍摄设备,其拍摄被测煤垛的红外辐射亮度图;一个发射率测量仪器,其用于确定所述拍摄时刻被测煤垛的发射率数据;一个计算设备,其计算拍摄时刻被测煤垛的反射强度、大气程辐射亮度和大气透过率,从红外亮度图中去除被测煤垛的反射成分和大气程辐射成分,以得到去除天候效应后的红外辐射亮度图;并根据拍摄时刻被测煤垛的发射率数据和去除天候效应后的红外辐射亮度图来计算煤垛的表面温度。
所述系统还可以包括:一个采集设备,用于采集拍摄时刻的天候数据;一个定位设备,用于确定被测煤垛的地理位置;一个距离测量设备,用于确定拍摄位置到被测煤垛的距离;所述计算设备根据所述地理位置计算被测煤垛的太阳天顶角,并根据太阳天顶角、所述天候数据和所述距离计算被测煤垛的反射强度、大气程辐射亮度和大气透过率。
在所述系统中,所述拍摄设备可以为红外热像仪;所述采集设备可以为气象站;所述定位设备可以为GPS定位设备,其用于确定被测煤垛的经度和纬度;所述距离测量设备可以为激光测距仪;和所述计算设备可以为计算机。
由于前面已经介绍了本发明的远距离红外测温方法的具体实施过程,因此,此处对于各个设备的执行过程不再赘述。