CN105910712A - 五通道自适应二维温度场测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃烧领域和光学测量技术，具体为五通道自适应二维温度场测量装置及其测量方法，由工业窥镜和准直物镜组成的组合镜片后面为平片分光镜，平片分光镜的一个分光方向上安装分光镜组，另一分光方向上安装有彩色CCD相机；分光镜组的两个分光方向上分别安装有黑白近红外CCD相机，分光镜组与黑白近红外CCD相机之间有滤光片；各个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。该测量装置采用镜前分光，黑白CCD成像的测量方式，采用四通道分光和两CCD相机的测量方式，采集的图像分割、区域分块后组合的图像处理方法，提高了测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及燃烧领域和光学测量技术，具体为五通道自适应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。
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，不容易同时满足光程和清晰度，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。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出三CCD、五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测量。
具体的技术方案为：
五通道自适应二维温度场测量装置包括，由工业窥镜和准直物镜组成的组合镜片、平片分光镜、分光镜组、同步数据图像采集卡、图像处理系统；
所述的组合镜片后面为平片分光镜，平片分光镜的一个分光方向上安装有分光镜组，另一分光方向上安装有彩色CCD相机，彩色CCD相机上安装有第一光学近摄镜头；分光镜组的一个分光方向上安装有第一黑白近红外CCD相机，分光镜组与第一黑白近红外CCD相机之间有第一滤光片和第二滤光片；分光镜组的另一个分光方向上安装有第二黑白近红外CCD相机，分光镜组与第二黑白近红外CCD相机之间有第三滤光片和第四滤光片；第一黑白近红外CCD相机、第二黑白近红外CCD相机分别安装有第二光学近摄镜头、第三光学近摄镜头；彩色CCD相机、第一黑白近红外CCD相机、第二黑白近红外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。
分光镜组包括三片直角棱镜，每个直角棱镜包括两个直角面和一个斜面；第一直角棱镜斜面与第二直角棱镜斜面同向并且平行，第三直角棱镜的斜面与第一直角棱镜的斜面相对并平行；入射光线进入第一直角棱镜的斜面，光线与第一直角棱镜斜面成45度角，部分光线从第一直角棱镜的一个直角面透射后，进入第二直角棱镜的斜面，与第二直角棱镜斜面成45度角；部分入射光线在第一直角棱镜的斜面反射后进入第三直角棱镜的斜面，并与第三直角棱镜的斜面成45度。
工业窥镜为光学硬管工业窥镜或光学光纤工业窥镜；
工业窥镜及准直物镜，组成一个独立的成像装置，用于提供位于无限远的火焰像，将目标的辐射平行导入并聚焦于所述分光镜组的入射面上；
光学近摄镜头，用于分光后的火焰图像聚焦于彩色CCD相机、第一黑白近红外CCD相机、第二黑白近红外CCD相机，缩小焦距，减小装置尺寸；
平片分光镜和分光镜组，用于光束分光、改变出射光方向和改变影像能量的大小，将入射的辐射分为五路，分别从五个出射面出射；五个出射面的影像的光强能量按一定比例分配；
彩色CCD相机、第一黑白近红外CCD相机、第二黑白近红外CCD相机分别设置于五个出射面处；其中第一黑白近红外CCD相机、第二黑白近红外CCD相机与分光镜组出射面间设置独立滤光片；滤光片为带通型干涉滤光片，用于获得一定波长及带宽的光束；
彩色CCD相机、第一黑白近红外CCD相机、第二黑白近红外CCD相机分别对所述五路通道的被测目标图像成像，获得相应的CCD图像；
同步数据图像采集卡对五路三CCD图像数据进行采集，经过图像分割、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、比色法等方法进行温度场计算和实时监视。
同步数据图像采集卡采集的图像分为燃烧监视图像和温度场计算图像；燃烧监视图像可实现观测区域的视频、图像的实时采集和存储；温度场计算图像可实现采集区域图像的实时采集和分析计算并存储；温度场计算图像为四个通道的第一黑白近红外CCD相机、第二黑白近红外CCD相机的目标图像。
五通道自适应二维温度场测量装置的测量方法：
利用光学窥镜将待测目标的图像变为平行光，通过准直物镜汇聚在平片分光镜和分光镜组入射面上，将投射的目标图像按比例分为五路，分别从五个出射面出射；
利用所述的彩色CCD相机获得目标的实时图像；利用第一黑白近红外CCD相机、第二黑白近红外CCD相机，经过四个独立滤光片的通道后获得四路CCD图像；
利用所述数据采集分析单元对四路CCD图像数据进行采集，分割，分割处理后得到四幅大小相同的同一目标的图像，分析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判断后，利用比色法或多光谱测温法进行温度场计算。
其中，四幅同时刻采集的目标图像，进行图像的区域分割，分别得到每幅图像区域分割后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)将四幅图像各分成四个区域，每个区域大小相同，并且相互对应；
(2)判断每个区域的图像像素的灰度值；
(3)如果区域的图像像素的最高灰度值为最大灰度，通常用8位灰度图像的灰度值255，并且占有效像素的比例超过值a后，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超过值b后，则认为该区域本次采集的图像所对应的温度超出了测量范围，本通道该区域的采集视为无效；
(4)如果四幅图像中有三幅及以上对应区域的灰度值显示超出了测量范围，则本此采集视为无效；
(5)如果图像像素的背景灰度值占该区域图像像素的比例超过值c后，则认为本通道该区域的本次采集的图像所对应的温度低于测量范围，本通道该区域的采集视为无效；
(6)如果四幅图像中有三幅及以上对应区域的灰度值显示低于测量范围，则本次采集视为无效；
(7)除无效之外的即为有效采集；
(8)对应有效采集，确定超过有效像素的比例为d的该区域图像的数量；
(9)如出现四幅图像的对应区域的有效采集如(8)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；
(10)如出现三幅图像的对应区域的有效采集如(8)所述，则以该区域的三幅进行温度场计算；
(11)如出现两幅图像的对应区域的有效采集如(8)所述，则以该区域的两幅图像进行温度场计算；
(12)如只出现一幅或没有图像的对应该区域的有效采集如(8)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。
其中，测量范围为600-3000℃的具有连续辐射特性的高温燃烧场。
所述的a、b、c、d为预设值。
本发明提供的五通道自适应二维温度场测量装置及其测量方法，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；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；采用四通道分光和两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，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；该装置的成本低，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。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的分光镜组结构示意图；
图3为本发明的测量方法流程图；
图4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，五通道自适应二维温度场测量装置，包括由工业窥镜和准直物镜组成的组合镜片1、平片分光镜2、分光镜组3、同步数据图像采集卡4、图像处理系统5；
所述的组合镜片1后面为平片分光镜2，平片分光镜2的一个分光方向上安装有分光镜组3，另一分光方向上安装有彩色CCD相机14，彩色CCD相机14上安装有第一光学近摄镜头11；分光镜组3的一个分光方向上安装有第一黑白近红外CCD相机15，分光镜组3与第一黑白近红外CCD相机15之间有第一滤光片101和第二滤光片102；分光镜组3的另一个分光方向上安装有第二黑白近红外CCD相机16，分光镜组3与第二黑白近红外CCD相机16之间有第三滤光片103和第四滤光片104；第一黑白近红外CCD相机15、第二黑白近红外CCD相机16分别安装有第二光学近摄镜头12、第三光学近摄镜头13；彩色CCD相机14、第一黑白近红外CCD相机15、第二黑白近红外CCD相机16分别与同步数据图像采集卡4连接，同步数据图像采集卡4与图像处理系统5连接。
如图2所示，分光镜组3包括三片直角棱镜，每个直角棱镜包括两个直角面和一个斜面；第一直角棱镜31斜面与第二直角棱镜32斜面同向并且平行，第三直角棱镜33的斜面与第一直角棱镜31的斜面相对并平行；入射光线进入第一直角棱镜31的斜面，光线与第一直角棱镜31斜面成45度角，部分光线从第一直角棱镜31的一个直角面透射后，进入第二直角棱镜32的斜面，与第二直角棱镜32斜面成45度角；部分入射光线在第一直角棱镜31的斜面反射后进入第三直角棱镜33的斜面，并与第三直角棱镜33的斜面成45度。
由工业窥镜和准直物镜组成的组合镜片1用于光学成像，将目标火焰的辐射聚焦在平片分光镜2上，准直物镜为变焦镜头，其焦距通过彩色CCD相机14的输出图像调整确定。平片分光镜2的分光比设定为12％/88％,其中12％的光强能量通过第一光学近摄镜头11被彩色CCD相机14接收；另外88％的光强能量通过分光镜组3，将入射光分为四路，分为平行于入射光方向和垂直于入射光方向，两个方向分别有两路，对应四个出射面，此四路光的光强能量相同，都为22％，光强响应范围为可见光和近红外，涵盖本装置的需求波长范围(400-900)，四路出射光分别经过四个独立的滤光片即第一滤光片101、第二滤光片102、第三滤光片103和第四滤光片104后，每个方向的两路分别经过第二光学近摄镜头12、第三光学近摄镜头13被第一黑白近红外CCD相机15、第二黑白近红外CCD相机16接收，光路调试时应保证四路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，目标的图像占CCD相机的像素比尽可能大等条件，其中第一黑白近红外CCD相机15、第二黑白近红外CCD相机16是工业黑白近红外CCD相机，具有近红外特性，其光谱响应区间不小于400-900nm；相应的四个干涉滤光片的中心波长在400-900nm区间；第一黑白近红外CCD相机15、第二黑白近红外CCD相机16可以是同一型号，也可为功能相近的不同型号。四个滤光片为干涉带通型滤光片，其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、第一黑白近红外CCD相机15、第二黑白近红外CCD相机16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。第一黑白近红外CCD相机15、第二黑白近红外CCD相机16的快门速度均为固定曝光模式，相机自动增益为手动方式。彩色CCD相机14、第一黑白近红外CCD相机15、第二黑白近红外CCD相机16通过同步数据图像采集卡4连入图像处理系统5，监视用的彩色CCD相机14也可以单独输出至独立的显示设备，如工业电视或监视器，接入同步数据图像采集卡4不是必须的，计算机5主要实现对第一黑白近红外CCD相机15、第二黑白近红外CCD相机16所采集图像数据的分析处理及温度场计算。
五通道自适应二维温度场测量装置的测量方法流程图如图3所示：
利用光学窥镜将待测目标的图像变为平行光，通过准直物镜汇聚在平片分光镜2和分光镜组3入射面上，将投射的目标图像按比例分为五路，分别从五个出射面出射；
利用所述的彩色CCD相机14获得目标的实时图像；利用第一黑白近红外CCD相机15、第二黑白近红外CCD相机16，经过四个独立滤光片的通道后获得四路CCD图像；
利用所述数据采集分析单元对四路CCD图像数据进行采集，分割，分割处理后得到四幅大小相同的同一目标的图像，分析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判断后，利用比色法或多光谱测温法进行温度场计算。
如图4所示，同时采集的第一黑白近红外CCD相机15、第二黑白近红外CCD相机16的图像I和图像II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，得到四幅大小相同的，同一采集区域的图像A、B、C、D。计算A-D图像的灰度值，如果图像像素的最高灰度值为最大灰度，通常用8位灰度图像的灰度值255，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5％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；如果四幅图像中有三幅及以上如上所述，则本此采集视为无效；同样，如果图像A、B、C、D像素的背景灰度值占该图像像素的比例超过95％，则认为本通道本次采集的目标火焰温度低于本装置的温度测量范围，本通道的采集视为无效；如果A、B、C、D四个图像中有三幅及以上认定为无效，则认为本次采集无效；判定有/无效采集后，对有效采集的图像进行分割，以四幅均为有效采集为例说明，对图像A、B、C、D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，其中A1、B1、C1、D1为相同对应区域，A2、B2、C2、D2为相同对应区域，A3、B3、C3、D3为相同对应区域，A4、B4、C4、D4为相同对应区域。以A1、B1、C1、D1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中有三幅或四幅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 (4)
1.五通道自适应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组合镜片(1)、平片分光镜(2)、分光镜组(3)、同步数据图像采集卡(4)、图像处理系统(5)；
所述的组合镜片(1)后面为平片分光镜(2)，平片分光镜(2)的一个分光方向上安装有分光镜组(3)，另一分光方向上安装有彩色CCD相机(14)，彩色CCD相机(14)上安装有第一光学近摄镜头(11)；分光镜组(3)的一个分光方向上安装有第一黑白近红外CCD相机(15)，分光镜组(3)与第一黑白近红外CCD相机(15)之间有第一滤光片(101)和第二滤光片(102)；分光镜组(3)的另一个分光方向上安装有第二黑白近红外CCD相机(16)，分光镜组(3)与第二黑白近红外CCD相机(16)之间有第三滤光片(103)和第四滤光片(104)；第一黑白近红外CCD相机(15)、第二黑白近红外CCD相机(16)分别安装有第二光学近摄镜头(12)、第三光学近摄镜头(13)；彩色CCD相机(14)、第一黑白近红外CCD相机(15)、第二黑白近红外CCD相机(16)分别与同步数据图像采集卡(4)连接，同步数据图像采集卡(4)与图像处理系统(5)连接。
2.根据权利要求1所述的五通道自适应二维温度场测量装置，其特征在于，所述的分光镜组(3)包括三片直角棱镜，每个直角棱镜包括两个直角面和一个斜面；第一直角棱镜(31)斜面与第二直角棱镜(32)斜面同向并且平行，第三直角棱镜(33)的斜面与第一直角棱镜(31)的斜面相对并平行；入射光线进入第一直角棱镜(31)的斜面，光线与第一直角棱镜(31)斜面成45度角，部分光线从第一直角棱镜(31)的一个直角面透射后，进入第二直角棱镜(32)的斜面，与第二直角棱镜(32)斜面成45度角；部分入射光线在第一直角棱镜(31)的斜面反射后进入第三直角棱镜(33)的斜面，并与第三直角棱镜(33)的斜面成45度。
3.根据权利要求1或2所述的五通道自适应二维温度场测量装置的测量方法，其特征在于，利用光学窥镜将待测目标的图像变为平行光，通过准直物镜汇聚在平片分光镜(2)和分光镜组(3)入射面上，将投射的目标图像按比例分为五路，分别从五个出射面出射；
利用所述的彩色CCD相机(14)获得目标的实时图像；利用第一黑白近红外CCD相机(15)、第二黑白近红外CCD相机(16)，经过四个独立滤光片的通道后获得四路CCD图像；
利用所述数据采集分析单元对四路CCD图像数据进行采集，分割，分割处理后得到四幅大小相同的同一目标的图像，分析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判断后，利用比色法或多光谱测温法进行温度场计算。
4.根据权利要求3所述的五通道自适应二维温度场测量装置的测量方法，其特征在于，所述的四幅目标图像进行图像的区域分割，分别得到每幅图像区域分割后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)将四幅图像各分成四个区域，每个区域大小相同，并且相互对应；
(2)判断每个区域的图像像素的灰度值；
(3)如果区域的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值a后，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超过值b后，则认为该区域本次采集的图像所对应的温度超出了测量范围，本通道该区域的采集视为无效；
(4)如果四幅图像中有三幅及以上对应区域的灰度值显示超出了测量范围，则本此采集视为无效；
(5)如果图像像素的背景灰度值占该区域图像像素的比例超过值c后，则认为本通道该区域的本次采集的图像所对应的温度低于测量范围，本通道该区域的采集视为无效；
(6)如果四幅图像中有三幅及以上对应区域的灰度值显示低于测量范围，则本次采集视为无效；
(7)除无效之外的即为有效采集；
(8)对应有效采集，确定超过有效像素的比例为d的该区域图像的数量；
(9)如出现四幅图像的对应区域的有效采集如(8)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；
(10)如出现三幅图像的对应区域的有效采集如(8)所述，则以该区域的三幅进行温度场计算；
(11)如出现两幅图像的对应区域的有效采集如(8)所述，则以该区域的两幅图像进行温度场计算；
(12)如只出现一幅或没有图像的对应该区域的有效采集如(8)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；
其中，所述的测量范围为600-3000℃；所述的a、b、c、d为预设值。
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