CN111307320B - 一种利用ccd相机测量炉膛温度分布的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用CCD相机测量炉膛温度分布的系统及方法，所述系统包括锅炉、CCD相机、信号采集装置和运算处理系统；CCD相机包括由若干组传感器组成的CCD传感器面阵；传感器包括微镜头、快速移动滤光片组和感光元件；微镜头和感光元件之间设有滤光片盘，快速移动滤光片组按照矩阵形式镶嵌在滤光片盘上，本发明方法利用CCD相机采集信号，信号经过信号采集装置处理进入运算处理系统，生成图像矩阵，形成投影灰度图像，并利用LFBP‑SART算法重建温度场。本发明能够更精确的接收照在传感器上的所有辐射，测量精度高，可以准确的划分火焰边界，获取摄入辐射的有益效果，满足实际生产的要求。

Description

一种利用CCD相机测量炉膛温度分布的系统及方法

技术领域

本发明属于辐射测温领域，具体涉及一种利用CCD相机测量炉膛温度分布的系统及方法。

背景技术

温度是燃烧过程中重要参数之一，随着温度的提高以及科技水平的发展前进，准确测量温度分布在国防、军事、科研及工业生产中的重要性愈加显著。传统的测温方法，如热电偶法，需要与待测目标接触，对待测目标的温度场有一定的干扰，同时接触法测温只能得到某个局部位置的温度信号,无法获取整个燃烧空间的温度分布。

辐射测温法属于非接触测温，在测量过程中，探测器不需要进入炉膛内部，从而减少了对待测目标温度场的干扰，且它具有反应速度快、精度高，热损失小，耐腐蚀、易于控制等优点，而辐射测温法中的比色测温法认为其光谱发射率在一定波段内固定不变，可以不考虑光谱发射率从而更获得其温度分布。然而传统的CCD相机测量方法，在传感器接收辐射信号时，由于受到光不均匀性，边界火焰或者像素尺寸和数量问题的影响，对测量结果造成一定的误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用CCD相机测量炉膛温度分布的系统及方法，以解决现有技术中，传统的CCD相机测量方法，在传感器接收辐射信号时，由于受到光不均匀性，边界火焰或者像素尺寸和数量问题的影响，对测量结果造成误差的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用CCD相机测量炉膛温度分布的系统，包括锅炉、CCD相机、信号采集装置和运算处理系统；所述锅炉顶端设有炉膛探测口，所述CCD相机设置于所述炉膛探测口的上方，信号采集装置分别电连接所述CCD相机和所述运算处理系统；所述运算处理系统由计算机进行图像处理工作，生成图像矩阵，形成投影灰度图像，并重建温度场。

进一步的，所述CCD相机包括沿光路前进的方向依次设置的主镜头和CCD传感器面阵，所述CCD传感器面阵包括若干组传感器；所述主镜头设置于CCD传感器面阵接收光线的一侧，位于光源与CCD传感器面阵之间；

所述传感器包括沿光路前进的方向依次设置的微镜头、快速移动滤光片组和感光元件；所述的微镜头位于主镜头和快速移动滤光片组之间，用来聚焦光线，确定光线发射地点，通过移动CCD相机的位置，获取温度场不同高度位置二维的火焰图像，实现对温度场的三维测定。

进一步的，所述微镜头和感光元件之间设有滤光片盘，所述快速移动滤光片组按照矩阵形式镶嵌在滤光片盘上；所述感光元件用于在曝光时间内，将接收到的光信号转化成电信号并储存起来。

进一步的，所述快速移动滤光片组包括四个小滤光片，分别为呈对角线分布的两个绿色滤光片和两个红色滤光片。

进一步的，所述滤光片盘由连接杆连接在旋转盘上，CCD相机每曝光一次，旋转盘就带动滤光片盘旋转90°，进而带动所有的快速移动滤光片组旋转90°。

进一步的，所述旋转盘与旋转电机连接，所述旋转电机用于带动所述旋转盘旋转。

进一步的，所述CCD相机通过数据线与信号采集装置相连；所述信号采集装置通过BNC线连接运算处理系统，将从CCD相机收集到的信号经过处理后通过BNC线输入运算处理系统，所述运算处理系统用于对图像进行处理与记录。

进一步的，所述信号采集器包括信号采集卡和信号转换器，所述信号采集卡进行数据采集工作，所述信号转换器进行数模转换工作；所述信号转换器将电信号转换成数字信号，由BNC线送入运算处理系统。

进一步的，所述CCD相机还包括驱动器、时序发生器、控制电路、传输接口电路及电源；

所述驱动器与所述时序发生器和控制电路分别连接，时序发生器由计算机编程控制CCD相机曝光时间，时序发生器产生驱动时序信号输出到驱动器；驱动器将驱动时序信号转换为CCD相机所需的高低电压，为感光元件提供所需的脉冲驱动信号，完成光电荷的转换、存储、转移和读取过程，从而将二维的光学信息转换为一维的电信号输出，同时还为控制电路提供钳位、复合同步、复合消隐及采样/保持的脉冲信号；

所述传输接口电路，将来自计算机的控制信号转换为相应的相机控制信号，并反馈至时序发生器、控制电路，对相机的工作状态进行控制。

本发明的另一个技术方案是，一种测量炉膛温度分布的方法，利用所述的系统，具体步骤如下：

锅炉内的辐射信号由炉膛探测口射出进入CCD相机中转换为电信号，所述电信号经过信号采集装置进行数据采集与数模转换的处理后变为数字信号，所述数字信号进入运算处理系统，用计算机进行图像处理工作，生成图像矩阵，形成投影灰度图像，并利用算法重建温度场；

所述重建温度场算法采用LFBP-SART联合算法，将投影灰度图像，运行LFBP算法，提取出火焰的外部轮廓，再运行SART算法，生成火焰三维投影，通过火焰投影的再分配，得出重建的温度场；

所述LFBP算法重建方程为：

式中：

待重建图像，

Q_θi滤波投影图像，

M_proj投影总数，

垂直于投影束的单位法向量，

投影向量，

式中的逻辑运算定义为：

C＝AΘB,其中，

所述SART算法的迭代公式为：

K迭代次数，

N图像单元格总个数，

λ松弛因子，0＜λ＜2，

p_i测量得到的投影数据，

W_ij权因子，根据投影射线几何结构与像素布置得到。

本发明的有益效果为：

1、本发明系统中的CCD相机、数据转换器、数据采集卡及计算机系统组件可以放置到远离炉膛的地方，使其在高温、腐蚀性等恶劣环境下，仍可完成精确测量，同时，避免了设备损坏与污染，满足经济性与实用性的要求，灵活的满足了不同探测目的需求；

2、本发明系统采用电机带动旋转盘旋转，能够精确的控制旋转盘的旋转角度，实现自动化的精密控制；

3、本发明系统采用快速移动滤光片组，当辐射中的三原色分布不均，或者火焰存在边界问题时，快速移动滤光片组的移动可以更精确的接收照在传感器上的所有辐射，不会由于单色滤光片的问题滤除所需的辐射，造成温度场测量的不准确性，因此本发明具有测量精度高，可以准确的划分火焰边界，获取摄入辐射的有益效果，满足实际生产的要求；

4、本发明系统采用的快速移动滤光片组，因其采用了四个滤光片，在保证因感光元件较大而感光性能较好的同时，提高了像素，减小了因曝光不足导致的测量不准确问题；

5、本发明系统采用的快速移动滤光片组，可以根据实际需要更换滤光片来更改所选波长，扩大了测量的温度范围，提高实际测量的准确性；

6、本发明系统采用的微镜头，位于主镜头和快速移动滤光片组之间，可以根据光线汇聚情况，聚焦光线，确定光源发射地，实现对火焰的三维切片采集，实现了对温度场的三维测定；

7、本发明方法，利用所述系统进行测量炉膛温度分布测量，锅炉内的辐射信号由炉膛探测口射出进入CCD相机中，由光信号转换为电信号，所述电信号经过信号采集装置进行数据采集与数模转换的处理后变为数字信号，所述数字信号进入运算处理系统，用计算机进行图像处理工作，生成图像矩阵，形成投影灰度图像，并利用算法重建温度场；所述重建温度场算法采用LFBP-SART联合算法，将投影灰度图像，运行LFBP算法，提取出火焰的外部轮廓，再运行SART算法，生成火焰三维投影，通过火焰投影的再分配，得出重建的温度场；LFBP-SART算法相对于其他光学层析成像方法有着自己的独特优势，适用于投影数据有限的火焰温度场重建问题中，避免了因投影数据不足而无法进行温度场重建问题的发生；另外，先使用LFBP算法处理投影数据可以得到分辨率更高的重建图像效果，得到的外部轮廓信息还能提供给后续SART算法运行使用；加上SART算法可以在保证收敛速度的同时大幅提高重建精度，减少了重建过程中误差对最终结果的影响。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明系统的结构示意图；

图2是本发明系统的CCD相机的传感器中滤光片分布示意图；

图3是本发明系统的CCD相机的传感器结构示意图；

图4是本发明系统的CCD相机的光路示意图；

其中：1-锅炉；2-炉膛探测口；3-CCD相机；4-数据线；5-信号采集装置；6-BNC线；7-运算处理系统；8-微镜头；9-快速移动滤光片组；10-滤光片盘；11-感光元件；12-连接杆；13-旋转盘；14-旋转电机；15-主镜头；16-光源。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

如图1所示，一种利用CCD相机测量炉膛温度分布的系统，根据光路前进方向依次包括：锅炉1、炉膛探测口2、CCD相机3、数据线4、信号采集装置5、BNC线6和运算处理系统7。所述锅炉1顶端设有炉膛探测口2，所述CCD相机3设置于所述炉膛探测口2的上方，信号采集装置5分别电连接所述CCD相机3和所述运算处理系统7。所述运算处理系统7由计算机进行图像处理工作，生成图像矩阵，形成投影灰度图像，并重建温度场。

具体的，所述CCD相机3通过数据线4与信号采集装置5相连；所述信号采集装置5通过BNC线6连接运算处理系统7，将从CCD相机3收集到的信号经过处理后通过BNC线6输入运算处理系统7，所述运算处理系统7用于对图像进行处理与记录。

如图2、3、4所示，所述CCD相机3包括沿光路前进的方向依次设置的主镜头15和CCD传感器面阵，所述CCD传感器面阵包括若干组传感器；所述主镜头15设置于CCD传感器面阵接收光线的一侧，位于光源16与CCD传感器面阵之间；所述传感器包括沿光路前进的方向依次设置的微镜头8、快速移动滤光片组9和感光元件11；所述的微镜头8位于主镜头15和快速移动滤光片组9之间，用来聚焦光线，确定光线发射地点，通过移动CCD相机的位置，获取温度场不同高度位置二维的火焰图像，温度场的三维测定。

进一步的，所述微镜头8和感光元件11之间设有滤光片盘10，所述快速移动滤光片组9按照矩阵形式可拆卸的镶嵌在滤光片盘10上；所述感光元件11用于在曝光时间内，将接收到的光信号转化成电信号并储存起来。

具体的，所述快速移动滤光片组9包括四个小滤光片，分别为呈对角线分布的两个绿色滤光片和两个红色滤光片；所述绿色滤光片为λ＝550nm的滤光片，所述红色滤光片为λ＝650nm的滤光片。

如图3所示，所述滤光片盘10由连接杆12连接在旋转盘13上，CCD相机每曝光一次，旋转盘13就带动滤光片盘10旋转90°，进而带动所有的快速移动滤光片组9旋转90°。所述旋转盘13与旋转电机14连接，所述旋转电机14用于带动所述旋转盘13旋转。

具体的，所述信号采集器5包括信号采集卡和信号转换器，所述信号采集卡进行数据采集工作，所述信号转换器进行数模转换工作；所述信号转换器将电信号转换成数字信号，由BNC线6送入运算处理系统7。

进一步的，所述CCD相机3还包括驱动器、时序发生器、控制电路、传输接口电路及电源；所述驱动器与所述时序发生器和控制电路分别连接，时序发生器由计算机编程控制CCD相机曝光时间，时序发生器产生驱动时序信号输出到驱动器；驱动器将驱动时序信号转换为CCD相机所需的高低电压，为感光元件11提供所需的脉冲驱动信号，完成光电荷的转换、存储、转移和读取过程，从而将二维的光学信息转换为一维的电信号输出，同时还为控制电路提供钳位、复合同步、复合消隐及采样/保持的脉冲信号；所述传输接口电路，将来自计算机的控制信号转换为相应的相机控制信号，并反馈至时序发生器、控制电路，对相机的工作状态进行控制。

本发明系统的工作原理如下所述：

锅炉1内的辐射信号由炉膛探测口2射出进入CCD相机3中，在信号经过信号采集装置5进行数据采集与数模转换的处理后，信号进入运算处理系统7，用计算机进行图像处理工作，生成图像矩阵，形成投影灰度图像，并利用算法重建温度场。

CCD相机3每曝光一次，旋转电机14带动旋转盘13旋转90°，进而带动滤光片盘10旋转90°，进而带动所有的快速移动滤光片组9旋转90°。快速移动滤光片组9的移动可以更精确的接收照在传感器上的所有辐射，不会由于单色滤光片的问题滤除所需的辐射，造成温度场测量的不准确性。

本发明测量炉膛温度分布的方法，利用所述系统，具体步骤如下：

锅炉1内的辐射信号由炉膛探测口2射出进入CCD相机3中转换为电信号，所述电信号经过信号采集装置5进行数据采集与数模转换的处理后变为数字信号，所述数字信号进入运算处理系统7，用计算机进行图像处理工作，生成图像矩阵，形成投影灰度图像，并利用算法重建温度场；

所述重建温度场算法采用LFBP-SART联合算法，将投影灰度图像，运行LFBP算法，提取出火焰的外部轮廓，再运行SART算法，生成火焰三维投影，通过火焰投影的再分配，得出重建的温度场；

其中LFBP(逻辑滤波反投影)算法重建方程为：

式中：

待重建图像，

Q_θi滤波投影图像，

M_proj投影总数，

垂直于投影束的单位法向量，

投影向量，

其中逻辑运算定义为：

C＝AΘB,其中，

所述SART算法的迭代公式为：

K迭代次数，

N图像单元格总个数，

λ松弛因子(0＜λ＜2)，

p_i测量得到的投影数据，

W_ij权因子(可根据投影射线几何结构与像素布置得到)。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (6)

1.一种利用CCD相机测量炉膛温度分布的系统，其特征在于，包括锅炉(1)、CCD相机(3)、信号采集装置(5)和运算处理系统(7)；所述锅炉(1)顶端设有炉膛探测口(2)，所述CCD相机(3)设置于所述炉膛探测口(2)的上方，信号采集装置(5)分别连接所述CCD相机(3)和所述运算处理系统(7)；所述运算处理系统(7)由计算机进行图像处理工作，生成图像矩阵，形成投影灰度图像，并重建温度场；

所述CCD相机(3)包括沿光路前进的方向依次设置的主镜头(15)和CCD传感器面阵，所述CCD传感器面阵包括若干组传感器；所述主镜头(15)设置于CCD传感器面阵接收光线的一侧，位于光源(16)与CCD传感器面阵之间；

所述传感器包括沿光路前进的方向依次设置的微镜头(8)、快速移动滤光片组(9)和感光元件(11)；所述的微镜头(8)位于主镜头(15)和快速移动滤光片组(9)之间，用来聚焦光线，确定光线发射地点，通过移动CCD相机的位置，获取温度场不同高度位置二维的火焰图像，实现对温度场的三维测定；

所述微镜头(8)和感光元件(11)之间设有滤光片盘(10)，所述快速移动滤光片组(9)按照矩阵形式镶嵌在滤光片盘(10)上；所述感光元件(11)用于在曝光时间内，将接收到的光信号转化成电信号并储存起来；

所述快速移动滤光片组(9)包括四个小滤光片，分别为呈对角线分布的两个绿色滤光片和两个红色滤光片；

所述滤光片盘(10)由连接杆(12)连接在旋转盘(13)上，CCD相机每曝光一次，旋转盘(13)就带动滤光片盘(10)旋转90°，进而带动所有的快速移动滤光片组(9)旋转90°。

2.根据权利要求1所述的利用CCD相机测量炉膛温度分布的系统，其特征在于，所述旋转盘(13)与旋转电机(14)连接，所述旋转电机(14)用于带动所述旋转盘(13)旋转。

3.根据权利要求1所述的利用CCD相机测量炉膛温度分布的系统，其特征在于，所述CCD相机(3)通过数据线(4)与信号采集装置(5)相连；所述信号采集装置(5)通过BNC线(6)连接运算处理系统(7)，将从CCD相机(3)收集到的信号经过处理后通过BNC线(6)输入运算处理系统(7)，所述运算处理系统(7)用于对图像进行处理与记录。

4.根据权利要求1所述的利用CCD相机测量炉膛温度分布的系统，其特征在于，所述信号采集装置(5)包括信号采集卡和信号转换器，所述信号采集卡进行数据采集工作，所述信号转换器进行数模转换工作；所述信号转换器将电信号转换成数字信号，由BNC线(6)送入运算处理系统(7)。

5.根据权利要求1所述的利用CCD相机测量炉膛温度分布的系统，其特征在于，所述CCD相机(3)还包括驱动器、时序发生器、控制电路、传输接口电路及电源；

所述驱动器与所述时序发生器和控制电路分别连接，时序发生器由计算机编程控制CCD相机曝光时间，时序发生器产生驱动时序信号输出到驱动器；驱动器将驱动时序信号转换为CCD相机所需的高低电压，为感光元件(11)提供所需的脉冲驱动信号，完成光电荷的转换、存储、转移和读取过程，从而将二维的光学信息转换为一维的电信号输出，同时还为控制电路提供钳位、复合同步、复合消隐及采样/保持的脉冲信号；

所述传输接口电路，将来自计算机的控制信号转换为相应的相机控制信号，并反馈至时序发生器、控制电路，对相机的工作状态进行控制。

6.一种测量炉膛温度分布的方法，利用权利要求1～5任一项所述的系统，其特征在于，

具体步骤如下：

锅炉(1)内的辐射信号由炉膛探测口(2)射出进入CCD相机(3)中转换为电信号；所述电信号经过信号采集装置(5)进行数据采集与数模转换的处理后变为数字信号；所述数字信号进入运算处理系统(7)，用计算机进行图像处理工作，生成图像矩阵，形成投影灰度图像，并利用算法重建温度场；

所述重建温度场算法采用LFBP-SART联合算法，将投影灰度图像，运行LFBP算法，提取出火焰的外部轮廓，再运行SART算法，生成火焰三维投影，通过火焰投影的再分配，得出重建的温度场；

所述LFBP算法重建方程为：

式中：

待重建图像，

Q_θi滤波投影图像，

M_proj投影总数，

垂直于投影束的单位法向量，

投影向量，

式中的逻辑运算定义为：

C＝AΘB,其中，

所述SART算法的迭代公式为：

K迭代次数，

N图像单元格总个数，

λ松弛因子，0＜λ＜2，

p_i测量得到的投影数据，

W_ij权因子，根据投影射线几何结构与像素布置得到。

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