CN110954222B - 一种基于单相机比色测温系统的优化测温方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单相机比色测温系统的优化测温方法，涉及标定分光强度比例分布；优化像素单元温度计算公式；标定与优化像素单元温度计算公式参数；标定分光强度比例分布包括滤光片选取、单相机比色测温系统位置固定、第一波段图像和第二波段位置标定与子图像匹配、第一波段和第二波段双通道图像采集、参考目标点分光强度比例计算和待测区域分光强度比例分布计算；优化像素单元温度计算公式包括将获取的参考目标点分光强度比例作为优化参数带入测温系统的温度计算公式，标定与优化像素单元温度计算公式参数包括滤光片选取、参考温度点选取、黑体炉升温，图像采集、标定公式推导和多参数协同优化。通过优化测温方法使测量的温度更准确。
Description
技术领域
本发明涉及红外高温测量技术领域，更具体地，涉及一种基于单相机比色测温系统的优化测温方法。
背景技术
在金属增材制造过程中，金属粉末熔化后形成的熔池温度通常在1000℃以上，而成型件的质量和熔池的温度的分布密切相关，近年来科研人员通常通过测量熔池温度场来在线监测打印质量；在航空发动机涡轮高速运行过程中，航空发动机涡轮叶片表面的局部温度高达1600℃，准确测量其表面温度可以为航空发动机评估性能，改进结构设计提供重要参考。
目前在高速高温非接触测量领域，双波段比色测温法是一种常用的方法，通常利用两台高速相机同步采集图像，例如文献《Melt pool temperature and cooling ratesin laser powder bed fusion》(Paul A.Hooper,Imperial College London,2018)中使用两台高速相机同步采集图像，但是控制双高速相机同步采集图像增加了实验难度，而且同步误差将对测量精度产生较大影响，单相机比色测温系统的研制克服了这个难题，但是目前单相机比色测温系统的标定方法发展还不完善。
在专利号为ZL201810769907.2的中国专利中，公开了一种基于单相机的温度场测量系统及方法，系统利用分光元件将物体辐射光分成两束，仅设置一台相机就能获取两个波段的图像，由于分光元件的分束比例受光线的入射角影响，不同的分束比例对测温系统具有较大的影响，因此，有必要对单相机的温度场测量系统进行全场分光比例分布标定。此外，分光元件的透过率与反射率、窄带滤光片的透过率、相机对两个波段的光谱响应系数、反射镜的反射率等都是未知参数，需要利用标定实验得到；在双波段比色测温法的实际应用过程中，许多学者将波长参数λ1’和λ2’选取为窄带滤光片的中心透过波长，然而从理论上讲，λ1’和λ2’确切的取值范围是窄带滤光片的工作波段，也就是说在工作波段范围内选取中心透过波长以外的值也具有合理性，因此，有必要单相机的温度场测量系统中温度测量公式中的参数进行优化。
目前，已有部分学者通过黑体炉标定的方法来定比色测温系统的系数K，例如专利号为ZL201810769907.2的中国专利，以及《一种新型红外测温方法研究》(李响等，天津理工大学，2010)，上述文献提供了标定系数K的方法以避免“辐射率测量困难”的难题，在一定程度上提高了比色测温系统的测量精度，但是所提供的方法仅仅单独标定了系数K，而忽略了K、λ1’和λ2’三个系统参数关联性，λ1’和λ2’选取不恰当将会给温度测量结果带来不可忽略的误差。
另外，虽然目前有较多学者研究双波段比色测温法中双波段的选择问题，但是当双波段确定后，如何在计算温度时确定比色测温计算公式中的波长参数λ1’和λ2’的具体数值还未发现有相关研究的先例。例如文献《比色测温双波长的选择及滤波片最小带宽的计算》(吴海滨等，安徽大学，2006)以及文献《比色测温的波长选择》(冯驰，哈尔滨工程大学，2013)，以上文献均讨论了比色测温法中双波段的选取方法，当确定了两个测温波段后，一般需要利用窄带滤光片来获取这两个波段，由于窄带滤光片所获取的光是一个波段而不是单波长，但是比色测温公式中的参数λ1’和λ2’均为单波长，大部分学者一般是将滤光片工作波段的中心波长当做参数λ1’和λ2’进行计算，例如《利用图像比色法进行激光熔池温度场实时检测的研究》(姜淑娟等，中国科学院沈阳自动化研究所先进制造技术重点实验室，2008)这样选取容易引起较大误差，所以需要进一步解决这两个参数在滤光片的工作波段范围内的选取问题，对于这个问题并未发现有学者有过相关研究。
综上所述，上述类型的单相机比色测温系统亟需通过分光比例分布标定及系统参数K、λ1’和λ2’的精确标定提高系统测温精度。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于单相机比色测温系统的分光强度比例分布标定方法，其中，通过对基于单相机比色测温系统的分光强度比例分布标定的过程中，将获取的固定位置单相机比色测温系统中分光强度比例作为像素单元温度计算公式的参数，此外，通过黑体炉和经过校准的标准光电测温仪获取K、λ1’和λ2’的最优标定结果，完成像素单元温度计算公式的参数标定。
本申请提供的一种基于单相机比色测温系统的优化测温方法，单相机比色测温系统基于双波段比色测温原理测温，双波段包括第一波段和第二波段，单相机比色测温系统利用分光元件将待测试件的辐射光束分成两束且分别进入通道一和通道二，优化测温方法包括：标定分光强度比例分布；优化像素单元温度计算公式；标定与优化像素单元温度计算公式参数；
其中，标定分光强度比例分布的步骤为：
在通道一设置中心波长为λ1、带宽为δ的滤光片；在通道二设置中心波长为λ2、带宽为δ的滤光片；
将单相机比色测温系统固定在指定位置；
将待测试件替换为散斑标定板，进行第一波段图像位置标定与子图像匹配，得到与第一波段对应的子图像匹配数据；进行第二波段图像位置标定与子图像匹配，得到与第二波段对应的子图像匹配数据；
将散斑标定板替换为白色标定板，获取第一波段的通道一光强分布图像和通道二光强分布图像；获取第二波段的通道一光强分布图像和通道二光强分布图像；
第一波段和第二波段参考目标点灰度值获取，利用第一波段的子图像匹配数据对第一波段的通道一光强分布图像和通道二光强分布图像进行图像匹配，获取第一波段的通道一子图像中所选第一目标点的灰度值g1和通道二子图像中所选第二目标点的灰度值g2；利用第二波段的子图像匹配数据对第二波段的通道一光强度分布图像和通道二光强度分布图像进行图像匹配，获取第二波段的通道一子图像中所选第三目标点的灰度值g1'和通道二子图像中所选第四目标点的灰度值g2'；第一目标点、第二目标点、第三目标点和第四目标点对应待测区域中同一个点，该点为参考目标点；
参考目标点分光强度比例计算，根据第一目标点的灰度值g1、第二目标点的灰度值g2、第三目标点的灰度值g1'和第四目标点的灰度值g2'，计算参考目标点的分光强度比例η；
待测区域分光强度比例分布计算，将待测区域内的所有的点设置为参考目标点，并逐点计算不同参考目标点的分光强度比例，获取待测区域分光强度比例分布；
优化像素单元温度计算公式的步骤为：将标定分光强度比例分布过程中获取的参考目标点分光强度比例η作为优化参数带入测温系统的温度计算公式，标定后测温系统的温度计算公式为
其中，T为开尔文温度，h为普朗克常数，c为光速，k为玻尔兹曼常数，K为常数，G1为通道一子图像中像素点的灰度值，G2为通道二子图像中像素点的灰度值，λ1’为通道一中的波长参数，λ2’为通道二中的波长参数；
标定与优化像素单元温度计算公式参数的步骤为：通过黑体炉和经过校准的标准光电测温仪获取K、λ1’和λ2’的最优标定结果；
滤光片选取，通道一选取中心波长为λ1，带宽为δ的滤光片，通道二选取中心波长为λ2，带宽也为δ的滤光片；
参考温度点选取，设置温度范围为t1～tn(℃)，在温度范围内均匀选取n个温度点t1，t2，…，tn(℃)作为温度参考点，其中，温度参考点的单位为℃；
黑体炉升温，加热黑体炉，并用标准光电测温仪监测黑体炉炉底中心点的温度，当温度达到ti(i＝1,2,…,n)且稳定后，记录参考点温度为ti；
图像采集，当温度为ti时，获取黑体炉炉底中心点在通道一和通道二子图像的灰度值分别为
和
重复黑体炉升温和图像采集步骤，直至获取n组温度参考点的值ti，以及对应的黑体炉炉底中心点在通道一和通道二子图像的灰度值分别为
和
将标定后测温系统的温度计算公式作恒等变形并将T＝t+273.15℃带入
得到
令
得到y＝Kx，其中，t为摄氏温度；
多参数协同优化，在第一波段和第二波段波长范围内，设定λ1’和λ2’的初始值，计算出n个温度参考点处对应的yi和xi(i＝1,2,…,n)，利用最小二乘法对y的值和x的值进行线性拟合，线性相关系数为z(0＜z≤1)，拟合方程为y＝Kx+b，利用数值优化迭代算法，不断在第一波段和第二波段的波长范围内迭代更新λ1’和λ2’的值，给定误差判据为α，线性相关系数判据为β(0<β<1)，当b≤α且z≤β时，通过迭代获取K、λ1’和λ2’的值即是最优值。
可选地，第一波段图像位置标定与子图像匹配的过程为：将通道二中的滤光片替换为与通道一相同的滤光片，获取第一波段的通道一子图像和通道二子图像，并对第一波段的通道一子图像和通道二子图像进行像素坐标位置标定，再利用相关性计算公式对第一波段的通道一子图像和通道二子图像进行亚像素精度的图像匹配。
可选地，第二波段图像位置标定与子图像匹配的过程为：将通道一中滤光片替换为与通道二相同的滤光片，获取第二波段的通道一子图像和通道二子图像，并对第二波段的通道一子图像和通道二子图像进行像素坐标位置标定，再利用相关性计算公式对第二波段的通道一子图像和通道二子图像进行亚像素精度的图像匹配。
可选地，获取第一波段的通道一光强分布图像和通道二光强分布图像的过程为：将通道二中的滤光片替换为与通道一相同的滤光片，并用特定光源补光，获取与第一波段对应的通道一光强分布图像和通道二光强分布图像。
可选地，获取第二波段的通道一光强分布图像和通道二光强分布图像的过程为：将通道一中滤光片替换为与通道二相同的滤光片，获取与第二波段对应的通道一光强度分布图像和通道二光强度分布图像。
可选地，散斑标定板和白色标定板为表面对入射光线具有漫反射效果的平板，散斑标定板的表面设置有纹理。
可选地，相关性计算公式为：
其中，C为相关性系数，f(x,y)为通道一内的像素点的坐标，g(x',y')为通道二内的像素点的坐标，fm为通道一内的像素点的平均灰度值，gm为目通道二内的像素点的平均灰度值，M为区域边界的坐标。
可选地，参考目标点分光强度比例的计算公式为
其中，a1(θ,λ)为通道一的光强衰减系数且
a2(θ,λ)为通道二的光强衰减系数且
通过计算通道一的光强衰减系数和通道二的光强衰减系数，计算参考目标点分光强度比例，其中，g1为第一波段的分光强度图像中所选第一目标点在通道一子图像中的灰度值，g2为第一波段的分光强度图像中所选第二目标点在通道二子图像中的灰度值，g1'为第二波段的分光强度图像中所选第三目标点在通道一子图像中的灰度值，g2'为第二波段的分光强度图像中所选第四目标点在通道二子图像中的灰度值，m为常数，θ为入射光线与分光元件的夹角。
可选地，通过控制特定光源补光，保持光强，使第一波段图像和第二波段图像中所有参考目标点的灰度值均小于其预设范围的最大值。
可选地，数值优化迭算代法包括但不限于梯度下降法、牛顿迭代法、拉格朗日乘数法。
与现有技术相比，本发明提供的一种基于单相机比色测温系统的分光强度比例分布标定方法，至少实现了如下的有益效果：
1、本发明的一种基于单相机比色测温系统的优化测温方法，实现了单相机比色测温系统的目标区域内分光比例分布标定，避免了单相机比色测温系统对待测区域内不同点的分光比例不同所引起的测温误差；
2、本发明的一种基于单相机比色测温系统的优化测温方法，创造性地提出K、λ1’和λ2’三个参数的协同标定方法，仅需一次标定实验，同时完成三个参数的协同标定，进一步提高测温精度，同时，对λ1’和λ2’的标定消除了滤光片带宽的影响；
3、本发明的一种基于单相机比色测温系统的优化测温方法，其中，标定分光强度比例分布，优化像素单元温度计算公式和标定优化与像素单元温度计算公式参数是应用单相机比色测温系统测温不可或缺的关键步骤，能够将单相机测温系统的温度测量误差有效地降低。
当然，实施本发明的任一产品必不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1示出了本申请实施例所提供的标定分光比例强度分布流程图；
图2示出了本申请实施例所提供的标定像素单元温度计算公式参数流程图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
以下将结合附图和具体实施例进行详细说明。
单相机比色测温系统基于双波段比色测温原理测温，双波段包括第一波段和第二波段，单相机比色测温系统利用分光元件将待测试件的辐射光束分成两束且分别进入通道一和通道二，优化测温方法包括：标定分光强度比例分布；优化像素单元温度计算公式；标定与优化像素单元温度计算公式参数。
具体地，单相机比色测温系统的测温原理为双波段比色测温，仅需一台相机就能够同时获得计算温度分布所需的两个波段的图像，单相机比色测温系统利用分光元件将物体辐射光束分成两束，分别进入通道一和通道二，然后利用窄带滤光片获取两个波段的窄带光。
其中，请参见图1，图1为本申请实施例所提供的标定分光比例强度分布流程图，标定分光强度比例分布的步骤为：
S101、在通道一设置中心波长为λ1、带宽为δ的滤光片；在通道二设置中心波长为λ2、带宽为δ的滤光片；
具体地，在单相机比色测温系统中，通道一选用中心波长为790nm、带宽为20nm的滤光片，通道二选用中心波长为900nm，带宽也为20nm的滤光片；
S102、将单相机比色测温系统固定在指定位置；
具体地，将单相机比色测温系统固定在指定的位置上，指定的位置是经过选取的固定单相机比色测温系统的合适位置，在整个分光强度比例分布标定过程中，单相机比色测温系统位置固定不变；
S103、将待测试件替换为散斑标定板，进行第一波段图像位置标定与子图像匹配，得到与第一波段对应的子图像匹配数据；进行第二波段图像位置标定与子图像匹配，得到与第二波段对应的子图像匹配数据；
具体地，匹配数据指通道一的子图像和通道二的子图像的相对位移场，位移场的单位是像素；
S104、将散斑标定板替换为白色标定板，获取第一波段的通道一光强分布图像和通道二光强分布图像；获取第二波段的通道一光强分布图像和通道二光强分布图像；
具体地，利用第一波段的匹配数据对第一波段的通道一和通道二的光强分布图像进行匹配，利用第二波段的匹配数据对第二波段的通道一和通道二的光强分布图像进行匹配；
S105、第一波段和第二波段目标点灰度值获取，利用第一波段的子图像匹配数据对第一波段的通道一光强分布图像和通道二光强分布图像进行图像匹配，获取第一波段的通道一子图像中所选第一目标点的灰度值g1和通道二子图像中所选第二目标点的灰度值g2；利用第二波段的子图像匹配数据对第二波段的通道一光强度分布图像和通道二光强度分布图像进行图像匹配，获取第二波段的通道一子图像中所选第三目标点的灰度值g1'和通道二子图像中所选第四目标点的灰度值g2'；第一目标点、第二目标点、第三目标点和第四目标点对应待测区域中同一个点，该点为参考目标点；
具体地，参考目标点位于散斑标定板和白色标定板上相同位置处，通过获取同一点在第一波段和第二波段中的灰度值，进一步计算第一波段和第二波段的分光强度比例；
S106、参考目标点分光强度比例计算，根据第一目标点的灰度值g1、第二目标点的灰度值g2、第三目标点的灰度值g1'和第四目标点的灰度值g2'，计算参考目标点的分光强度比例η；
具体地，获取的参考目标点的分光强度比例仅为步骤S102中单相机比色测温系统固定位置的分光强度比例分布，当单相机比色测温系统的位置发生改变时，需要进行重新标定；
S107、待测区域分光强度比例分布计算，将待测区域内的所有的点设置为参考目标点，并逐点计算不同参考目标点的分光强度比例，获取待测区域分光强度比例分布；
具体地，获取的待测区域分光强度比例分布仅为步骤S102中单相机比色测温系统固定位置的待测区域分光强度比例分布，当单相机比色测温系统的位置发生改变时，需要进行重新标定。
优化像素单元温度计算公式的步骤为：将标定分光强度比例分布过程中获取的参考目标点分光强度比例η作为优化参数带入测温系统的温度计算公式，标定后测温系统的温度计算公式为
其中，T为开尔文温度，h为普朗克常数，c为光速，k为玻尔兹曼常数，K为常数，G1为通道一子图像中像素点的灰度值，G2为通道二子图像中像素点的灰度值，λ1’为通道一中的波长参数，λ2’为通道二中的波长参数。
具体地，未经过分光强度比例标定的温度计算公式为
经过分光强度比例标定的公式在分母中添加了一项lnη，其中，η为分光强度比例标定过程中获取的系数，能够更准确的计算出单相机比色测温系统中的温度值。
请参见图2，图2示出了本申请实施例所提供的标定像素单元温度计算公式参数流程图，标定与优化像素单元温度计算公式参数的步骤为：通过黑体炉和经过校准的标准光电测温仪获取K、λ1’和λ2’的最优标定结果。
S201、滤光片选取，通道一选取中心波长为λ1，带宽为δ的滤光片，通道二选取中心波长为λ2，带宽也为δ的滤光片；
具体地，在单相机比色测温系统中，通道一选用中心波长为790nm，带宽为20nm的滤光片，通道二选用中心波长为900nm，带宽也为20nm的滤光片；
S202、参考温度点选取，设置温度范围为t1～tn，在温度范围内均匀选取n个温度点t1,t2,…,tn作为温度参考点；
具体地，设定的温度范围为800℃～1200℃，并且在温度范围内均匀地选取9个温度点作为温度参考点，其中，温度点为800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃和1200℃；
S203、黑体炉升温，加热黑体炉，并用标准光电测温仪监测黑体炉炉底中心点的温度，当温度达到ti(i＝1,2,…,n)且稳定后，记录参考点温度为ti；
具体地，黑体炉可以有其他具有相同功能的热源代替，经过校准的标准光电测温仪可以由具有相同功能的测温设备代替；
S204、图像采集，当温度为ti时，获取黑体炉炉底中心点在通道一和通道二子图像的灰度值分别为
和
具体地，单相机比色测温系统在采集图像的过程中可以移动，进一步获取图像；
S205、重复S203和S204，直至获取n组温度参考点的值ti，以及对应的黑体炉炉底中心点在通道一和通道二子图像的灰度值分别为
和
具体地，重复S203和S204，直至得到9组温度参考点的数据ti，
和
S206、多参数标定公式推导，将标定后测温系统的温度计算公式作恒等变形并将T＝t+273.15℃带入
得到
令
得到y＝Kx，其中，t为摄氏温度；
具体地，多参数标定公式的推导基于优化后的像素单元温度计算公式，能够更精确的测量温度；
S207、多参数协同优化，在第一波段和第二波段波长范围内，设定λ1’和λ2’的初始值，计算出n个温度参考点处对应的yi和xi(i＝1,2,…,n)，利用最小二乘法对y的值和x的值进行线性拟合，线性相关系数为z(0＜z≤1)，拟合方程为y＝Kx+b，利用数值优化迭代算法，不断在第一波段和第二波段的波长范围内迭代更新λ1’和λ2’的值，给定误差判据为α，线性相关系数判据为β(0<β<1)，当b≤α且z≤β时，通过迭代获取K、λ1’和λ2’的值即是最优值；
具体地，在滤光片的工作波段范围内给定λ1’和λ2’一组初始值,从而可以计算出9个参考温度点800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃和1200℃处对应的y与x的数值分别为yi和xi(i＝1，2，…，9)。
可选地，第一波段图像位置标定与子图像匹配的过程为：将通道二中的滤光片替换为与通道一相同的滤光片，获取第一波段的通道一子图像和通道二子图像，并对第一波段的通道一子图像和通道二子图像进行像素坐标位置标定，再利用相关性计算公式对第一波段的通道一子图像和通道二子图像进行亚像素精度的图像匹配。
具体地，将通道二中的滤光片更换成与通道一中滤光片相同，目的是获取第一波段中通道一和通道二中的子图像。
可选地，第二波段图像位置标定与子图像匹配的过程为：将通道一中滤光片替换为与通道二相同的滤光片，获取第二波段的通道一子图像和通道二子图像，并对第二波段的通道一子图像和通道二子图像进行像素坐标位置标定，再利用相关性计算公式对第二波段的通道一子图像和通道二子图像进行亚像素精度的图像匹配。
具体地，将通道一中的滤光片更换成与通道二中滤光片相同，目的是获取第二波段中通道一和通道二中的子图像。
可选地，获取第一波段的通道一光强分布图像和通道二光强分布图像的过程为：将通道二中的滤光片替换为与通道一相同的滤光片，并用特定光源补光，获取与第一波段对应的通道一光强分布图像和通道二光强分布图像。
具体地，特定光源是照明波段包含标定过程中所需的第一波段的光源，并且在补光过程中。
可选地，获取第二波段的通道一光强分布图像和通道二光强分布图像的过程为：将通道一中滤光片替换为与通道二相同的滤光片，获取与第二波段对应的通道一光强度分布图像和通道二光强度分布图像。
具体地，特定光源是照明波段包含标定过程中所需的第二波段的光源，并且在补光过程中。
可选地，散斑标定板和白色标定板均为表面对入射光线具有漫反射效果的平板，散斑标定板的表面设置有纹理。
具体地，散斑标定板和白色标定板的材质包括但不限于塑料、金属、陶瓷和木材，散斑标定板表面具有适当密度的斑点或纹理特征，白色标定板表面不具有斑点或纹理特征，漫反射材质能够更好地识别标定板图案细节信息从而达到更高的标定精度和测量精度。
可选地，相关性计算公式为：
其中，C为相关性系数，f(x,y)为通道一内的像素点的坐标，g(x',y')为通道二内的像素点的坐标，fm为通道一内的像素点的平均灰度值，gm为通道二内的像素点的平均灰度值，M为区域边界的坐标。
具体地，C的值越小，表示通道一子图像和通道二中子图像相关性越强。
可选地，参考目标点分光强度比例的计算公式为
其中，a1(θ,λ)为通道一的光强衰减系数且
a2(θ,λ)为通道二的光强衰减系数且
通过计算通道一的光强衰减系数和通道二的光强衰减系数，计算参考目标点分光强度比例，其中，g1为第一波段的分光强度图像中所选第一目标点在通道一子图像中的灰度值，g2为第一波段的分光强度图像中所选第二目标点在通道二子图像中的灰度值，g1'为第二波段的分光强度图像中所选第三目标点在通道一子图像中的灰度值，g2'为第二波段的分光强度图像中所选第四目标点在通道二子图像中的灰度值，m为常数，θ为入射光线与分光元件的夹角。
具体地，通过计算目标区域内每一像素点的分光强度比例，进而获取目标区域内所有像素点的分光强度比例，获取目标区域内像素点的分光强度比例分布。
可选地，通过控制特定光源补光，保持光强，使第一波段图像和第二波段图像中所有参考目标点的灰度值均小于其预设范围的最大值。
具体地，目标参考点的灰度值范围受限于灰度值本身所限定的阈值，灰度值的范围是0～255。
可选地，数值优化迭代算法包括但不限于梯度下降法、牛顿迭代法、拉格朗日乘数法。
综上，本发明提供的一种基于单相机比色测温系统的分光强度比例分布标定方法，至少实现了如下的有益效果：
1、本发明的一种基于单相机比色测温系统的优化测温方法，实现了单相机比色测温系统的待测区域分光比例分布标定，避免了单相机比色测温系统对待测区域内不同点的分光比例不同所引起的测温误差；
2、本发明的一种基于单相机比色测温系统的优化测温方法，创造性地提出K、λ1’和λ2’三个参数的协同标定方法，仅需一次标定实验，同时完成三个参数的协同标定，进一步提高测温精度，同时，对λ1’和λ2’的标定消除了滤光片带宽的影响；
3、本发明的一种基于单相机比色测温系统的优化测温方法，其中，标定分光强度比例分布，优化像素单元温度计算公式和标定优化与像素单元温度计算公式参数是应用单相机比色测温系统测温不可或缺的关键步骤，能够将单相机测温系统的温度测量误差有效地降低。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种基于单相机比色测温系统的优化测温方法，其特征在于，所述单相机比色测温系统基于双波段比色测温原理测温，所述双波段包括第一波段和第二波段，所述单相机比色测温系统利用分光元件将待测试件的辐射光束分成两束且分别进入通道一和通道二，所述优化测温方法包括：标定分光强度比例分布；优化像素单元温度计算公式；标定与优化像素单元温度计算公式参数；
其中，所述标定分光强度比例分布的步骤为：
在通道一设置中心波长为λ1、带宽为δ的滤光片；在通道二设置中心波长为λ2、带宽为δ的滤光片；
将单相机比色测温系统固定在指定位置；
将待测试件替换为散斑标定板，进行第一波段图像位置标定与子图像匹配，得到与所述第一波段对应的子图像匹配数据；进行第二波段图像位置标定与子图像匹配，得到与所述第二波段对应的子图像匹配数据；
将散斑标定板替换为白色标定板，获取第一波段的通道一光强分布图像和通道二光强分布图像；获取第二波段的通道一光强分布图像和通道二光强分布图像；
第一波段和第二波段参考目标点灰度值获取，利用所述第一波段的子图像匹配数据对第一波段的通道一光强分布图像和通道二光强分布图像进行图像匹配，获取第一波段的通道一子图像中所选第一目标点的灰度值g1和通道二子图像中所选第二目标点的灰度值g2；利用第二波段的子图像匹配数据对第二波段的通道一光强度分布图像和通道二光强度分布图像进行图像匹配，获取第二波段的通道一子图像中所选第三目标点的灰度值g1'和通道二子图像中所选第四目标点的灰度值g2'；所述第一目标点、第二目标点、第三目标点和第四目标点对应待测区域中同一个点，该点为参考目标点；
参考目标点分光强度比例计算，根据第一目标点的灰度值g1、第二目标点的灰度值g2、第三目标点的灰度值g1'和第四目标点的灰度值g2'，计算参考目标点的分光强度比例η；
待测区域分光强度比例分布计算，将待测区域内的所有的点设置为参考目标点，并逐点计算不同参考目标点的分光强度比例，获取待测区域分光强度比例分布；
所述优化像素单元温度计算公式的步骤为：将标定分光强度比例分布过程中获取的参考目标点分光强度比例η作为优化参数带入测温系统的温度计算公式，标定后测温系统的温度计算公式为
其中，T为开尔文温度，h为普朗克常数，c为光速，k为玻尔兹曼常数，K为常数，G1为通道一子图像中像素点的灰度值，G2为通道二子图像中像素点的灰度值，λ1’为通道一中的波长参数，λ2’为通道二中的波长参数；
所述标定与优化像素单元温度计算公式参数的步骤为：通过黑体炉和经过校准的标准光电测温仪获取K、λ1’和λ2’的最优标定结果；
滤光片选取，通道一选取中心波长为λ1，带宽为δ的滤光片；通道二选取中心波长为λ2，带宽也为δ的滤光片；
参考温度点选取，设置温度范围为t1～tn，在温度范围内均匀选取n个温度点t1，t2，…，tn作为温度参考点，其中，温度参考点的温度单位为℃；
黑体炉升温，加热黑体炉，并用标准光电测温仪监测黑体炉炉底中心点的温度，当温度达到ti且稳定后，记录参考点温度为ti，其中，i＝1，2，…，n；
图像采集，当温度为ti时，获取的黑体炉炉底中心点在通道一和通道二子图像的灰度值分别为
和
重复黑体炉升温和图像采集步骤，直至获取n组温度参考点的值ti，以及对应的黑体炉炉底中心点在通道一和通道二子图像的灰度值分别为
和
i＝1，2，…，n；
将标定后测温系统的温度计算公式作恒等变形并将T＝t+273.15℃带入
得到
令
得到y＝Kx，其中，t为摄氏温度；
多参数协同优化，在第一波段和第二波段波长范围内，设定λ1’和λ2’的初始值，计算出n个温度参考点处对应的yi和xi，i＝1,2,···,n，利用最小二乘法对y的值和x的值进行线性拟合，线性相关系数为z，0＜z≤1，拟合方程为y＝Kx+b，利用数值优化迭代算法，不断在第一波段和第二波段的波长范围内迭代更新λ1’和λ2’的值，给定误差判据为α，线性相关系数判据为β，0<β<1，当b≤α且z≤β时，通过迭代获取K、λ1’和λ2’的值即是最优值。
2.根据权利要求1所述的一种基于单相机比色测温系统的优化测温方法，其特征在于，所述第一波段图像位置标定与子图像匹配的过程为：将通道二中的滤光片替换为与通道一相同的滤光片，获取第一波段的通道一子图像和通道二子图像，并对第一波段的通道一子图像和通道二子图像进行像素坐标位置标定，再利用相关性计算公式对第一波段的通道一子图像和通道二子图像进行亚像素精度的图像匹配。
3.根据权利要求1所述的一种基于单相机比色测温系统的优化测温方法，其特征在于，所述第二波段图像位置标定与子图像匹配的过程为：将通道一中滤光片替换为与通道二相同的滤光片，获取第二波段的通道一子图像和通道二子图像，并对第二波段的通道一子图像和通道二子图像进行像素坐标位置标定，再利用相关性计算公式对第二波段的通道一子图像和通道二子图像进行亚像素精度的图像匹配。
4.根据权利要求1所述的一种基于单相机比色测温系统的优化测温方法，其特征在于，获取第一波段的通道一光强分布图像和通道二光强分布图像的过程为：将通道二中的滤光片替换为与通道一相同的滤光片，并用特定光源补光，获取与所述第一波段对应的通道一光强分布图像和通道二光强分布图像。
5.根据权利要求1所述的一种基于单相机比色测温系统的优化测温方法，其特征在于，获取第二波段的通道一光强分布图像和通道二光强分布图像的过程为：将通道一中滤光片替换为与通道二相同的滤光片，获取与所述第二波段对应的通道一光强度分布图像和通道二光强度分布图像。
6.根据权利要求1所述的一种基于单相机比色测温系统的优化测温方法，其特征在于，所述散斑标定板和所述白色标定板为表面对入射光线具有漫反射效果的平板，所述散斑标定板的表面设置有纹理。
7.根据权利要求1所述的一种基于单相机比色测温系统的优化测温方法，其特征在于，所述相关性计算公式为：
其中，C为相关性系数，f(x,y)为通道一内的像素点的坐标，g(x',y')为通道二内的像素点的坐标，fm为通道一内的像素点的平均灰度值，gm为目通道二内的像素点的平均灰度值，M为区域边界的坐标。
8.根据权利要求1所述的一种基于单相机比色测温系统的优化测温方法，其特征在于，所述参考目标点分光强度比例的计算公式为
其中，a1(θ,λ)为通道一的光强衰减系数且
a2(θ,λ)为通道二的光强衰减系数且
通过计算通道一的光强衰减系数和通道二的光强衰减系数，计算参考目标点分光强度比例，其中，g1为第一波段的分光强度图像中所选第一目标点在通道一子图像中的灰度值，g2为第一波段的分光强度图像中所选第二目标点在通道二子图像中的灰度值，g1'为第二波段的分光强度图像中所选第三目标点在通道一子图像中的灰度值，g2'为第二波段的分光强度图像中所选第四目标点在通道二子图像中的灰度值，m为常数，θ为入射光线与分光元件的夹角。
9.根据权利要求4所述的一种基于单相机比色测温系统的优化测温方法，其特征在于，通过控制所述特定光源补光，保持光强，使第一波段图像和第二波段图像中所有参考目标点的灰度值均小于其预设范围的最大值。
10.根据权利要求1所述的一种基于单相机比色测温系统的优化测温方法，其特征在于，所述数值优化迭代算法包括梯度下降法、牛顿迭代法、拉格朗日乘数法。
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