CN105784121B - 九通道自适应大范围二维温度场测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃烧可视化检测装置的光学系统，具体为九通道自适应大范围二维温度场测量装置及其测量方法，采用平片分光方式，将投射的辐射分为九束，对应九个通道，其中一个通道采用彩色CCD相机进行采集图像，用于燃烧的可视化监视，另外八个通道采用黑白CCD相机进行采集图像，用于二维燃烧温度场的计算。本发明提供的九通道自适应大范围二维温度场测量装置及其测量方法，为镜前分光、多图像自适应处理的方法，提高了测量精度及测量范围。

Description

九通道自适应大范围二维温度场测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种燃烧可视化检测装置的光学系统，具体为九通道自适应大范围二维温度场测量装置及其测量方法。

背景技术

由于燃烧的复杂性和重要性，燃烧的测量和监控一直是燃烧领域很重要的问题。燃烧场的温度变化范围往往比较大，以电站煤粉锅炉的燃烧为例，燃烧区域最低温度只有600-700℃，而燃烧中心的最高温度甚至可达1500℃以上，同一时刻不同区域的温度差值达到几百度；又如火箭尾喷管的最高温度往往在2000-3000℃，区域温差超过1000℃。

目前，利用火焰图像进行测量的可视化测量系统的通用做法是直接通过彩色CCD获取火焰图像，以CCD相机自有的红、绿、蓝三色波长信号对火焰图像分解，并进行后续处理。该方法可以从一幅彩色图像上获取不同波长的热图像，由于消除了在不同波长下同时获取被测对象多幅热图像的困难，易于系统实现和后期处理。但因三色的波长完全取决于所选用的CCD相机，局限性很大，使较高的彩色图像量化误差带来较大的测量误差；并且红(700nm)、绿(546.1nm)、蓝(435.8nm)三色波长相差较大，不能完全满足比色法测温与发射率无关的近似条件，必须考虑三者之间辐射率对测温的影响；加之测量波长之间相差过大，使采集到的单个波长的热图像信号过强或过弱，表现在图像灰度上既同时存在高波长信号过强(饱和)与低波长信号过弱(接近背景灰度)而无法测量，严重影响比色测温精度及测温范围，难以对燃烧强度等进行准确的检测。

此外，对于采用单个CCD镜前分光的测量系统，被测物发出的光经过透镜和分光镜组后分成多束(2～3束)，通过透过波长不同的滤光组件后，同时成像于同一个单色CCD靶面上。该方法要求同步采集不同中心波长的热辐射图像，要求分光光路光程一致，并清晰成像，对于两分光后成像于同一个CCD，上述条件可以满足，但对于三分光后成像于同一个CCD，上述条件的硬件实现困难，对于分光装置本身及整套系统的连接都提出了很高要求，不适合工业应用场合。

发明内容

针对上述技术问题，本发明是为改变现有燃烧测量中的单一装置温度测量范围小，精度低，不适合超高温燃烧场测量等问题，提出五CCD九波长的温度场监视及测量的装置和方法，自动选择光路以适应燃烧温度的变化，扩大测温范围及测量精度。

本发明基于火焰辐射特性，对具有连续辐射特性的火焰进行采集分析。将火焰目标区域的图像经窥镜及物镜组引导后聚焦于分光面，分光后的光束分别进入同一个或不同的CCD相机，并通过同步图像采集卡采集到计算机进行分析处理，实现燃烧的实时监视和二维温度场的自适应、宽温度范围的测量。

具体的技术方案为：

九通道自适应大范围二维温度场测量装置，包括由工业窥镜和准直物镜组成的镜组、同步数据图像采集卡、图像处理系统、第一初级分光镜、第二初级分光镜、第一分光镜组、第二分光镜组；

第一初级分光镜位于镜组后面的光路上，将入射光路分成两个光路，第一分光镜组位于其中一个光路上，第二初级分光镜位于另外一个光路上；

所述的第一分光镜组包括四个平面分光镜，四个平面分光镜将第一初级分光镜分出的光路再次分成四个光路，四个光路分别经过滤光片后，每两个光路由一台黑白CCD相机采集拍摄，共有两台黑白CCD相机采集拍摄，即第三黑白CCD相机、第四黑白CCD相机；

所述的第二初级分光镜再次将初级分光镜分出的另外一个光线分成两个光路，其中一个光路由彩色CCD相机采集拍摄，第二分光镜组位于另外一个光路上；

所述的第二分光镜组包括四个平面分光镜，四个平面分光镜将第二初级分光镜分出的另外一个光路再次分成四个光路，四个光路分别经过滤光片后，每两个光路由一台近红外黑白CCD相机采集拍摄，共有两台近红外黑白CCD相机采集拍摄，即第一近红外黑白CCD相机、第二近红外黑白CCD相机；

两台黑白CCD相机、彩色CCD相机、两台近红外黑白CCD相机分别与同步数据图像采集卡连接，同步数据图像采集卡与图像处理系统连接。

九通道自适应大范围二维温度场测量装置的测量方法，包括以下过程：

同步数据图像采集卡对九个光路的图像数据进行采集，采集的图像分为燃烧监视图像和温度场计算图像；彩色CCD相机采集图像为燃烧监视图像，用于观测区域的视频、图像的实时采集和存储；其他为温度场计算图像，对采集区域图像实时采集和分析计算并存储；图像处理系统对温度场计算图像进行分割、图像的饱和度和充满度判断后，自动选定其中的三路或二路，并利用多光谱法、比色法方法进行温度场计算和实时监视。

具体的，对温度场计算图像进行分割、图像的饱和度和充满度判断，具体为，黑白CCD相机和近红外黑白CCD相机同时刻采集的八幅温度场计算图像，经过图像分割处理后得到八幅大小相同的同一目标的图像；

分别得到每幅图像的灰度值分布及所占图像有效像素的比例，并以此判断该路通道的图像是否可以用于燃烧温度场计算；其判断标准为：

(1)根据温度标定结果，结合相机特性设置八路图像的背景灰度值，在背景灰度和最大灰度值之间的为有效灰度值；

(2)如果有效灰度所占图像像素的比例小于设定值，本通道采集的图像视为无效图像；

(3)如果图像像素的最高灰度值为最大灰度，并且占有效像素的比例大于设定值(如5％)，则对该图像进行邻域平均处理，处理后的图像如果图像像素的最高灰度值为最大灰度，并且占处理后图像有效像素的比例大于设定值后，则认为本通道采集的图像所对应的温度超出了测量范围，本通道采集的图像视为无效；

(4)排除(2)(3)之外的各通道采集的图像，即为有效采集图像；

(5)如果八幅图像中有七幅及以上为无效采集，则本次采集视为无效；

(6)将有效采集的每幅图像各分成四个区域，每个区域大小相同，并且图像位置相互对应；

(7)判断有效采集图像中各区域有效像素所占该区域图像像素的比例，确定大于比例为一定值的该区域图像的数量；

(8)如出现四幅及以上图像的对应区域的有效采集如(7)所述，则以该区域图像的有效像素的数量占该区域整个图像像素数量的比例为依据，选择其中占比最大的三幅进行温度场计算；

(9)如出现三幅图像的对应区域的有效采集如(7)所述，则以该区域的三幅进行温度场计算；

(10)如出现两幅图像的对应区域的有效采集如(7)所述，则以该区域的两幅图像进行温度场计算；

(11)如只出现一幅或没有图像的对应该区域的有效采集如(7)所述，则以该区域的有效像素占比大的两幅图像进行温度场计算。

本发明提供的九通道自适应大范围二维温度场测量装置及其测量方法，为镜前分光、多图像自适应处理的方法，提高了测量精度及测量范围。

本发明提供的九通道自适应大范围二维温度场测量装置及其测量方法，具有以下优点：

(1)与现有技术的单点辐射测温方法相比，本发明的测温扩展到了二维温度场测量，由点测量扩展到了场测量，极大的丰富了燃烧的温度信息；

(2)与现有单彩色CCD成像方式的温度场测量方法相比，本发明所采用镜前分光，黑白CCD成像的测量方式，可根据目标性质、通光特性以及CCD相机的光谱响应特性，灵活选择滤波的中心波长和带宽，提高测量精度；

(3)本发明采用八通道分光和四CCD相机的测量方式，即可增大温度场测量范围，又可简化测量装置，具有更高的实用性和更低的成本；

(4)本发明采用的图像分割，再区域分块后组合的图像及温度场处理方法，大大的提高了燃烧温度场的测量范围及测量精度，能够更好的满足实际燃烧温度场的测量需求；

(5)本发明具有的燃烧监视和温度场测量功能，同时具有了火焰电视和定量测量的作用，并可作为其中任何一种功能使用；

(6)本技术实现方案较简单，工业窥镜、镜头、CCD相机、图像采集卡等均可选用工业标准产品，光学镜片等易于加工或购买，因此整套装置的集成成本不高，在高温气体燃烧领域易于推广应用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的测量方法流程图；

图3为实施例的图像区域分割示意图。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体实施方式。如图1所示，九通道自适应大范围二维温度场测量装置包括由工业窥镜和准直物镜组成的镜组1、同步数据图像采集卡2、图像处理系统3、第一初级分光镜11、第二初级分光镜12、第一分光镜组、第二分光镜组；

第一初级分光镜11位于镜组1后面的光路上，将入射光路分成两个光路，第一分光镜组位于其中一个光路上，第二初级分光镜12位于另外一个光路上；

所述的第一分光镜组包括四个平面分光镜，即第七分光镜17、第八分光镜18、第九分光镜19、第十分光镜20；第一初级分光镜11分出的光线先进入第七分光镜17分成两个光路，一个光路经过第五滤光片25后由第三黑白CCD相机113采集拍摄；第七分光镜17分出的另外一个光路再经过第八分光镜18分成两个光路，其中一个光路经过第六滤光片26后由第三黑白CCD相机113采集拍摄；第八分光镜18分出的另外一个光路再经过第九分光镜19分成两个光路，其中一个光路经过第七滤光片27后由第四黑白CCD相机114采集拍摄；第九分光镜19分出的另外一个光路再经过第十分光镜20反射后经过第八滤光片28后由第四黑白CCD相机114采集拍摄。

所述的第二初级分光镜12再次将光线分成两个光路，其中一个光路由彩色CCD相机115采集拍摄，第二分光镜组位于另外一个光路上；

所述的第二分光镜组包括四个平面分光镜，即第三分光镜13、第四分光镜14、第五分光镜15、第六分光镜16；第二初级分光镜12分出的光线先进入第三分光镜13分成两个光路，一个光路经过第一滤光片21后由第一近红外黑白CCD相机111采集拍摄；第三分光镜13分出的另外一个光路再经过第四分光镜14分成两个光路，其中一个光路经过第二滤光片22后由第一近红外黑白CCD相机111采集拍摄；第四分光镜14分出的另外一个光路再经过第五分光镜15分成两个光路，其中一个光路经过第三滤光片23后由第二近红外黑白CCD相机112采集拍摄；第五分光镜15分出的另外一个光路再经过第六分光镜16反射后经过第四滤光片24后由第二近红外黑白CCD相机112采集拍摄。

第一近红外黑白CCD相机111、第二近红外黑白CCD相机112、第三黑白CCD相机113、第四黑白CCD相机114、彩色CCD相机115分别与同步数据图像采集卡2连接，同步数据图像采集卡2与图像处理系统3连接。

黑白CCD相机、彩色CCD相机、近红外黑白CCD相机都安装有光学近摄镜头。

镜组1中的工业窥镜和准直物镜，用于光学成像，将目标物体的辐射平行导入并聚焦于第一初级分光镜11的入射面上；准直物镜为变焦镜头，其焦距通过彩色CCD相机的输出图像调整确定。

分光镜采用平片分光形式，利用9片不同反射及投射比的光学平片，将入射的辐射分为九路，并分别从九个出射面出射；

九个出射面的影像能量分配的典型分配形式为平均分配，分配比例分别为12％，11％，11％，11％，11％，11％，11％，11％，11％；

其中12％分配于彩色CCD相机，其他88％分配于两台黑白CCD相机，两台近红外黑白CCD相机；五个CCD相机，分别对所述九路通道的被测目标图像成像，获得相应的CCD图像；

两台黑白CCD相机，两台近红外黑白CCD相机与分光镜组出射面间设置独立的滤光片；滤光片为干涉滤光片，中心波长在400-1100nm之间，半波带宽在1-20nm之间；两台近红外黑白CCD相机有近红外特性，其光谱响应区间不小于400-1100nm。

八个滤光片中心波长和带宽不同，应根据目标火焰的温度范围、光强透射率、相机的光谱响应特性等因素确定，如常用的中心波长为541nm、566nm、578nm、600nm、621nm、633nm、650nm、668nm、702nm、730nm、780nm、808nm、830nm、850nm等，半波带宽常用为10nm左右。

光路调试时应保证所有滤光片的八分光后的目标图像大小相同，成像清晰，并且没有图像像素位置的相对变形，待测火焰的目标图像占CCD相机的像素比尽可能大等条件。

本发明测量方法的流程图如图2所示。九通道自适应大范围二维温度场测量装置其测量方法，包括以下过程：同步数据图像采集卡2对九个光路的图像数据进行采集，采集的图像分为燃烧监视图像和温度场计算图像；彩色CCD相机采集图像为燃烧监视图像，用于观测区域的视频、图像的实时采集和存储；其他为温度场计算图像，对温度场计算图像进行分割、图像的饱和度和充满度判断，具体为，黑白CCD相机和近红外黑白CCD相机同时刻采集的八幅温度场计算图像，经过图像分割处理后得到八幅大小相同的同一目标的图像；分别得到每幅图像的灰度值分布及所占图像有效像素的比例，并以此判断该路通道的图像是否可以用于燃烧温度场计算；其判断标准为：

(1)根据温度标定结果，结合相机特性设置八路图像的背景灰度值，在背景灰度和最大灰度(通常用8位灰度图像的灰度值255)值之间的为有效灰度值；

(2)如果有效灰度所占图像像素的比例小于设定值(如2％)，本通道采集的图像视为无效图像；

(3)如果图像像素的最高灰度值为最大灰度，并且占有效像素的比例大于设定值(如5％)，则对该图像进行邻域平均处理，处理后的图像如果图像像素的最高灰度值为最大灰度，并且占处理后图像有效像素的比例大于设定值(如2％)后，则认为本通道采集的图像所对应的温度超出了测量范围，本通道采集的图像视为无效；

(4)排除(2)(3)之外的各通道采集的图像，即为有效采集图像；

(5)如果八幅图像中有七幅及以上为无效采集，则本次采集视为无效；

(6)将有效采集的每幅图像各分成四个区域，每个区域大小相同，并且图像位置相互对应；

(7)判断有效采集图像中各区域有效像素所占该区域图像像素的比例，确定大于比例为一定值(如50％)的该区域图像的数量；

(8)如出现四幅及以上图像的对应区域的有效采集如(7)所述，则以该区域图像的有效像素的数量占该区域整个图像像素数量的比例为依据，选择其中占比最大的三幅进行温度场计算；

(9)如出现三幅图像的对应区域的有效采集如(7)所述，则以该区域的三幅进行温度场计算；

(10)如出现两幅图像的对应区域的有效采集如(7)所述，则以该区域的两幅图像进行温度场计算；

(11)如只出现一幅或没有图像的对应该区域的有效采集如(7)所述，则以该区域的有效像素占比大的两幅图像进行温度场计算；

适用范围为，待测物体的温度测量范围为600-3000℃的具有连续辐射特性的高温燃烧场。

如图3所示，同时采集的温度场计算图像I-图像IV中各自包含了两路分光的同一目标图像，首先对图像进行预处理并分割，得到八幅大小相同的，同一采集区域的图像A、B、C、D、E、F、G、H。计算A-H图像的灰度值，定义图像的背景灰度和最高灰度，背景灰度根据相机特性、温度标定曲线确定，最高灰度本实施例为255；像素灰度值在背景灰度和最高灰度之间的为有效灰度，如果有效像素的数量占图像像素的数量小于2％，则认为本通道的采集超出了本测量装置的测量范围，本通道的本次采集视为无效；排除上述无效采集的图像后，如果图像像素的最高灰度值为最大灰度，并且占有效像素的比例超过5％，则对该图像进行邻域平均处理，处理后的图像如果图像像素的最高灰度值为最大灰度255，并且占处理后图像有效像素的比例超过2％后，则认为该区域本次采集的图像所对应的温度超出了本测量装置的测量范围，本通道的采集视为无效；如果八个通道中有七个及以上为无效采集，则本次采集视为无效；判定有/无效采集后，对有效采集的图像进行分割，以八幅均为有效采集为例说明，对图像A、B、C、D、E、F、G、H分别分区处理，按像素多少和位置分为A1、A2、A3、A4，B1、B2、B3、B4，C1、C2、C3、C4，D1、D2、D3、D4，E1、E2、E3、E4，F1、F2、F3、F4，G1、G2、G3、G4，H1、H2、H3、H4，其中A1、B1、C1、D1、E1、F1、G1、H1为相同对应区域，A2、B2、C2、D2、E2、F2、G2、H2为相同对应区域，A3、B3、C3、D3、E3、F3、G3、H3为相同对应区域，A4、B4、C4、D4、E4、F4、G4、H4为相同对应区域。以A1、B1、C1、D1、E1、F1、G1、H1为例，判断此区域有效像素所占该区域图像像素的比例是否超过50％，如果A1、B1、C1、D1、E1、F1、G1、H1中有三幅及以上的有效像素比例超过50％，则以该区域图像的有效像素的数量占该区域整个图像像素数量的比例为依据，选择其中占比最大的三幅进行区域温度场计算；如出现两幅图像的对应区域的有效采集的比例超过50％，则以该两幅进行区域温度场计算；如只出现一幅或没有图像的对应该区域的有效采集超过50％，则以该区域的有效像素占比大的两幅图像进行温度场计算，所用计算方法为基于辐射定律的比色法或多光谱测温法；分别对各分区进行温度场计算后，将四个区域的温度场合成整个目标火焰的温度场，并采用伪彩色形式显示，并以数据库形式存储历史数据。

Claims (3)

1.九通道自适应大范围二维温度场测量装置，其特征在于，包括由工业窥镜和准直物镜组成的镜组(1)、同步数据图像采集卡(2)、图像处理系统(3)、第一初级分光镜(11)、第二初级分光镜(12)、第一分光镜组、第二分光镜组；

第一初级分光镜(11)位于镜组1后面的光路上，将入射光路分成两个光路，第一分光镜组位于其中一个光路上，第二初级分光镜(12)位于另外一个光路上；

所述的第一分光镜组包括四个平面分光镜，四个平面分光镜将第一初级分光镜(11)分出的一个光路再次分成四个光路，四个光路分别经过各自滤光片后，每两个光路由一台黑白CCD相机采集拍摄，共有两台黑白CCD相机采集拍摄，即第三黑白CCD相机(113)、第四黑白CCD相机(114)；

所述的第二分光镜组包括四个平面分光镜，四个平面分光镜将第二初级分光镜(12)分出的另外一个光路再次分成四个光路，四个光路分别经过滤光片后，每两个光路由一台近红外黑白CCD相机采集拍摄，共有两台近红外黑白CCD相机采集拍摄，即第一近红外黑白CCD相机(111)、第二近红外黑白CCD相机(112)；

两台黑白CCD相机、彩色CCD相机(115)、两台近红外黑白CCD相机分别与同步数据图像采集卡(2)连接，同步数据图像采集卡(2)与图像处理系统(3)连接。

2.根据权利要求1所述的九通道自适应大范围二维温度场测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下过程：

同步数据图像采集卡(2)对九个光路的图像数据进行采集，采集的图像分为燃烧监视图像和温度场计算图像；彩色CCD相机(115)采集图像为燃烧监视图像，用于观测区域的视频、图像的实时采集和存储；其他为温度场计算图像，对采集区域图像实时采集和分析计算并存储；图像处理系统(3)对温度场计算图像进行分割、图像的饱和度和充满度判断后，自动选定其中的三路或二路，并利用多光谱法、比色法方法进行温度场计算和实时监视。

3.根据权利要求2所述的九通道自适应大范围二维温度场测量装置的测量方法，其特征在于，所述的对温度场计算图像进行分割、图像的饱和度和充满度判断，具体为，黑白CCD相机和近红外黑白CCD相机同时刻采集的八幅温度场计算图像，经过图像分割处理后得到八幅大小相同的同一目标的图像；

分别得到每幅图像的灰度值分布及所占图像有效像素的比例，并以此判断该路通道的图像是否可以用于燃烧温度场计算；其判断标准为：

(1)根据温度标定结果，结合相机特性设置八路图像的背景灰度值，在背景灰度和最大灰度值之间的为有效灰度值；

(2)如果有效灰度所占图像像素的比例小于设定值，本通道采集的图像视为无效图像；

(3)如果图像像素的最高灰度值为最大灰度，并且占有效像素的比例大于设定值，则对该图像进行邻域平均处理，处理后的图像如果图像像素的最高灰度值为最大灰度，并且占处理后图像有效像素的比例大于设定值后，则认为本通道采集的图像所对应的温度超出了测量范围，本通道采集的图像视为无效；

(4)排除(2)(3)之外的各通道采集的图像，即为有效采集图像；

(5)如果八幅图像中有七幅及以上为无效采集，则本次采集视为无效；

(6)将有效采集的每幅图像各分成四个区域，每个区域大小相同，并且图像位置相互对应；

(7)判断有效采集图像中各区域有效像素所占该区域图像像素的比例，确定该比例大于设定值的该区域图像的数量；

(8)如出现四幅及以上图像的对应区域的有效采集如(7)所述，则以该区域图像的有效像素的数量占该区域整个图像像素数量的比例为依据，选择其中占比最大的三幅进行温度场计算；

(9)如出现三幅图像的对应区域的有效采集如(7)所述，则以该区域的三幅进行温度场计算；

(10)如出现两幅图像的对应区域的有效采集如(7)所述，则以该区域的两幅图像进行温度场计算；

(11)如只出现一幅或没有图像的对应该区域的有效采集如(7)所述，则以该区域的有效像素占比大的两幅图像进行温度场计算。