CN106290464A - 一种基于红外成像的沥青混合料温度离析评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于红外成像的沥青混合料温度离析评价方法，用以评价沥青路面或机场沥青道面的混合料摊铺温度离析程度，包括以下步骤：1)校准红外热像仪，并对目标区域的沥青混合料进行拍摄，生成红外图像；2)获取红外图像中各个像素点的温度值；3)计算目标区域的沥青混合料的温度离析指数并构建温度离析评价标准，根据温度离析评价标准对目标区域的沥青混合料温度离析进行评价。与现有技术相比，本发明具有红外成像、简单方便、考虑全面、评价准确等优点。

Description

一种基于红外成像的沥青混合料温度离析评价方法

技术领域

本发明涉及一种沥青混合料温度离析分析方法，尤其是涉及一种基于红外成像的沥青混合料温度离析评价方法。

背景技术

沥青作为一种热塑性材料，其性能受温度影响较大，在高温条件下具有显著的黏性流动变形特性，低温下则表现较强的变形抵抗能力。依赖于沥青对温度的依赖性，沥青混合料需要在适当高温下碾压才能获得较好的压实度，当碾压温度较低时容易造成压实不足，造成混合料较大的孔隙率，在水分和荷载作用下容易造成路面或道面的早期损害，影响使用寿命。

目前在沥青道路或机场沥青道面施工中，传统的温度监测方法主要有插入式温度计和红外测温仪。前者通过将测温探头插入到混合料内部，通过热胀冷缩原理进行温度测量，需要与混合料充分接触，而且需要较长的稳定时间才能读取温度；后者采用红外传感器对混合料的红外辐射能力进行测量，从而确定其温度，无需与混合料接触，但是与插入式温度计一样只能对单点温度进行测量。传统测量方法由于只能进行单点测量，具有很大的随机性，往往难以反映整个摊铺面的温度状况。

红外成像测温利用红外阵列探测器上光敏元件，将测量目标区域由于发射的红外辐射分布转换成电信号进行温度测量，通过图像处理可以生成彩虹色图像或者灰度图像，直观表征物体的温度状况，如图1所示。

红外成像测温作为一种非接触式的方法，可以快速测量沥青混合料的摊铺温度，而且相比于传统的点式的测量手段，红外成像可以测量大范围摊铺平面的温度场，具有快速、直观、全面的特点。

1996年Steve Read采用红外热像仪跟踪沥青摊铺过程，首先提出温度差别引起的早期破坏问题；2000年奥本大学国家沥青技术研究中心(NCAT)在NCHRPReport441中提出利用摊铺时混合料的温差大小划分不同离析程度的标准，如表1所示。NCAT的温度离析评价标准存在许多问题，1)采用相对温差作为评价标准，忽略了沥青混合料的绝对温度，相对温差较小但总体温度较低的压实度，不一定比相对温差较大但总体温度高的沥青混合料好；2)没有考虑低温区域的面积的大小，低温区域的面积大小也影响沥青混合料的压实效果。

表1 NCAT温度离析评价分类标准

温度离析程度	无	轻度	中度	重度
					温差(℃)	＜10	10～16	17～25	＞25

我国现行的公路沥青路面施工技术规范(JTG F40-2004)提出了沥青混合料的温度要求，提出沥青混合料出厂、到场、以及摊铺、碾压过程中的温度要求，但缺少对摊铺后的混合料温度离析状况的评定，而且采用传统的点式的温度测量方法，难以对确定混合料的温度极值点位置进行测量，而且无法评价沥青混合料整体的温度分布情况以及离析状况。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种红外成像、简单方便、考虑全面、评价准确的基于红外成像的沥青混合料温度离析评价方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于红外成像的沥青混合料温度离析评价方法，用以评价沥青路面或机场沥青道面的混合料摊铺温度离析程度，包括以下步骤：

1)校准红外热像仪，并对目标区域的沥青混合料进行拍摄，生成红外图像；

2)获取红外图像中各个像素点的温度值；

3)计算目标区域的沥青混合料的温度离析指数并构建温度离析评价标准，根据温度离析评价标准对目标区域的沥青混合料温度离析进行评价。

所述的步骤1)中，校准红外热像仪包括以下步骤：

采用插入式温度计测量目标区域的沥青混合料中测量温度，并在距离插入式温度计测量点一定距离处采用红外热像仪对测量点进行对焦，根据插入式温度计的温度读数修改红外热像仪的发射率，直到红外热像仪的读数与插入式温度计的读数相同，以此发射率作为测量时的目标体发射率。

所述的步骤2)具体包括以下步骤：

21)获取目标区域的沥青混合料中的最高温度T_max与最低温度T_min以及红外图像的最大会度值Gs_max和最小灰度值Gs_min；

22)建立目标区域的沥青混合料温度与红外图像灰度间的函数关系；

23)根据函数关系和红外图像的灰度计算红外图像其余各点的温度值。

所述的步骤22)中目标区域的沥青混合料温度与红外图像灰度间的函数关系表达式为：

$T=T_{max}+\frac{T_{min}-T_{max}}{{\mathrm{Gs}}_{\max }-{\mathrm{Gs}}_{min}}\·(Gs-{\mathrm{Gs}}_{min})$

其中，T为目标区域内任意一像素点的温度，Gs为红外图像灰度。

$TSI=100\×\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{SI}}_{ij}$

${\mathrm{SI}}_{ij}=\left\{\begin{array}{cc}0& {\mathrm{\&Delta;T}}_{ij}<T_1\\ \frac{1}{m\&times;n}\&CenterDot;w_{ij}& T\&le;{\mathrm{\&Delta;T}}_{ij}<T_2\\ \frac{1}{m\&times;n}& T_2\&le;{\mathrm{\&Delta;T}}_{ij}\end{array}\right.$

ΔT_ij＝T₀-T_ij

$w_{ij}=\frac{1}{T_2-T_1}\&CenterDot;(T_{ij}-T_1)$

其中，SI_ij为红外热像仪拍摄目标区域的沥青混合料温度形成的m×n维的温度矩阵中第i行第j列温度元素T_ij的离析因子，w_ij为权重函数，T₀为施工要求的最低摊铺温度，T₁和T₂分别为温度界点。

所述的T₁和T₂根据施工要求严格程度，按道路路面和机场道面沥青道面施工可设定为：

铺面类型	T1(℃)	T2(℃)
			沥青路面	10	20
沥青道面	5	15

所述的步骤3)中，温度离析评价标准为：

所述的红外热像仪为采用非制冷焦平面阵列探测器的红外热像仪。

所述的红外热像仪的拍摄距离目标区域1～5m。

所述的沥青混合料为新建或加铺的沥青混合料。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、红外成像、简单方便:本发明利用红外成像代替原有插入式温度计的方式的进行测量，能够很好的反映整个摊铺面的温度状况，具有简单方便的特点；

二、考虑全面、评价准确：传统评价方法只考虑了混合料的温差，本方法还考虑了混合料的绝对温度以及温度差，以及低温区域的大小和分布，可以较为全面准确地评价沥青混合料的温度离析状况。

附图说明

图1为红外热像仪成像原理图。

图2为实施例1中现场拍摄的红外图像，其中，图(2a)为现场第一处拍摄的红外图像，图(2b)为现场第二处拍摄的红外图像，图(2c)为现场第三处拍摄的红外图像。

图3为实施例1中采用SmartView软件处理红外图像得到的灰度图像，其中，图(3a)为现场第一处拍摄红外图像的灰度图像，图(3b)为现场第二处拍摄红外图像的灰度图像，图(3c)为现场第三处拍摄红外图像的灰度图像。

图4为实施例2中现场拍摄的红外图像，其中，图(4a)为现场第一处拍摄的红外图像，图(4b)为现场第二处拍摄的红外图像，图(4c)为现场第三处拍摄的红外图像，图(4d)为现场第四处拍摄的红外图像。

图5为实施例2中采用SmartView软件处理红外图像得到的灰度图像，其中，图(5a)为现场第一处拍摄红外图像的灰度图像，图(5b)为现场第二处拍摄红外图像的灰度图像，图(5c)为现场第三处拍摄红外图像的灰度图像，图(5d)为现场第四处拍摄红外图像的灰度图像。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

实施例1：

某机场跑道道面进行加铺，原道面结构为水泥混凝土，其上上加铺沥青混合料，加铺层的下面层采用改性AC-20，上面层采用SMA-13，施工的摊铺温度要求不低于160℃，初压温度要求不低于155℃。现场采用FLUKE TIX560红外热像仪对现场施工温度进行测量，图2所示为现场某几处拍摄的红外图像，其红外图像像素点为320×240。

采用SmartView软件处理得到其灰度图像如图3所示。其中a区域最高温度为159.56℃，最低温度为153.61℃；b区域最高温度为153.64℃，最低温度为142.63℃；c区域最高温度为147.93℃，最低温度为141.58℃。通过MATLAB处理得到灰度图像，并提取其灰度最大值和最小值，其中a的灰度最小值为5，最大值为236；b的灰度最小值为0，最大值为255；c的灰度最小值为4，最大值为253。建立灰度与与温度之间的函数分别为：

a：T＝159.6887879-17/660·Gs；

b：T＝153.64-367/8500·Gs；

c：T＝148.032008-127/4980·Gs。

通过MATLAB迭代计算得到红外图各个像素点的灰度值，并代入温度-灰度关系函数得到各像素点的温度。

以160℃作为最低温度要求，SI_ij计算中取T₁为5℃，T₂为15℃，通过MATLAB编程计算得到a处的TSI值为0.051，温度离析状况为轻度离析，b处的TSI值为58.434，为中度温度离析，c处的TSI值为95.355，为重度温度离析。

实施例2：

某高速公路路面采用沥青混凝土结构，沥青面层为三层结构，上面层为5cm的AC-10，中面层为7cm的AC-16，下面层为9cm的AC-25。施工时间为夏季，按《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中5.6要求，摊铺温度不低于140℃。采用红外热像仪测量摊铺温度，图4所示为现场某几处拍摄的红外图像，其灰度图像如图5所示。

其中a区域最高温度为143.61℃，最低温度为136.00℃；b区域最高温度为131.23℃，最低温度为124.84℃；c区域最高温度为130.01℃，最低温度为120.80℃；d区域最高温度为124.82℃，最低温度为119.31℃。通过MATLAB处理得到灰度图像，并提取其灰度最大值和最小值，其中a的灰度最小值为1，最大值为241；b的灰度最小值为5，最大值为253；c的灰度最小值为0，最大值为229；d的灰度最小值为2，最大值为253。建立灰度与与温度之间的函数分别为：

a：T＝143.6417083-761/24000·Gs；

b：T＝131.3588306-639/24800·Gs；

c：T＝130.01-921/22900·Gs；

d：T＝124.8639044-551/25100·Gs。

通过MATLAB迭代计算得到红外图各个像素点的灰度值，并代入温度-灰度关系函数得到各像素点的温度。以140℃作为最低温度要求，SI_ij计算中取T₁为10℃，T₂为20℃，通过MATLAB编程计算得到a处的TSI值为0，无温度离析状况，b处的TSI值为18.015，为轻度温度离析，c处的TSI值为35.850，为中度温度离析，d处的TSI值为74.987，为重度温度离析。

Claims (9)

1.一种基于红外成像的沥青混合料温度离析评价方法，用以评价沥青路面或机场沥青道面的混合料摊铺温度离析程度，其特征在于，包括以下步骤：

1)校准红外热像仪，并对目标区域的沥青混合料进行拍摄，生成红外图像；

2)获取红外图像中各个像素点的温度值；

3)计算目标区域的沥青混合料的温度离析指数并构建温度离析评价标准，根据温度离析评价标准对目标区域的沥青混合料温度离析进行评价。

2.根据权利要求1所述的一种基于红外成像的沥青混合料温度离析评价方法，其特征在于，所述的步骤1)中，校准红外热像仪包括以下步骤：

采用插入式温度计测量目标区域的沥青混合料中测量温度，并在距离插入式温度计测量点一定距离处采用红外热像仪对测量点进行对焦，根据插入式温度计的温度读数修改红外热像仪的发射率，直到红外热像仪的读数与插入式温度计的读数相同，以此发射率作为测量时的目标体发射率。

3.根据权利要求1所述的一种基于红外成像的沥青混合料温度离析评价方法，其特征在于，所述的步骤2)具体包括以下步骤：

21)获取目标区域的沥青混合料中的最高温度T_max与最低温度T_min以及红外图像的最大会度值Gs_max和最小灰度值Gs_min；

22)建立目标区域的沥青混合料温度与红外图像灰度间的函数关系；

23)根据函数关系和红外图像的灰度计算红外图像其余各点的温度值。

4.根据权利要求3所述的一种基于红外成像的沥青混合料温度离析评价方法，其特征在于，所述的步骤22)中目标区域的沥青混合料温度与红外图像灰度间的函数关系表达式为：

$T=T_{max}+\frac{T_{min}-T_{max}}{{\mathrm{Gs}}_{max}-{\mathrm{Gs}}_{min}}\&CenterDot;(Gs-{\mathrm{Gs}}_{\min })$

其中，T为目标区域内任意一像素点的温度，Gs为红外图像灰度。

5.根据权利要求1所述的一种基于红外成像的沥青混合料温度离析评价方法，其特征在于，所述的步骤3)中，目标区域的沥青混合料的温度离析指数TSI的计算式为：

$TSI=100\&times;\underset{i=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}\underset{j=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\mathrm{SI}}_{ij}$

${\mathrm{SI}}_{ij}=\left\{\begin{array}{cc}0& {\mathrm{\&Delta;T}}_{ij}<T_1\\ \frac{1}{m\&times;n}\&CenterDot;w_{ij}& T_1\&le;{\mathrm{\&Delta;T}}_{ij}<T_2\\ \frac{1}{m\&times;n}& T_2\&le;{\mathrm{\&Delta;T}}_{ij}\end{array}\right.$

ΔT_ij＝T₀-T_ij

$w_{ij}=\frac{1}{T_2-T_1}\&CenterDot;(T_{ij}-T_1)$

其中，SI_ij为红外热像仪拍摄目标区域的沥青混合料温度形成的m×n维的温度矩阵中第i行第j列温度元素T_ij的离析因子，w_ij为权重函数，T₀为施工要求的最低摊铺温度，T₁和T₂分别为温度界点。

6.根据权利要求1所述的一种基于红外成像的沥青混合料温度离析评价方法，其特征在于，所述的步骤3)中，温度离析评价标准为：

7.根据权利要求1所述的一种基于红外成像的沥青混合料温度离析评价方法，其特征在于，所述的红外热像仪为采用非制冷焦平面阵列探测器的红外热像仪。

8.根据权利要求1所述的一种基于红外成像的沥青混合料温度离析评价方法，其特征在于，所述的红外热像仪的拍摄距离目标区域1～5m。

9.根据权利要求1所述的一种基于红外成像的沥青混合料温度离析评价方法，其特征在于，所述的沥青混合料为新建或加铺的沥青混合料。