CN111397759A - 一种基于rgb三基色的温度测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于RGB三基色的温度测试方法，依据高速相机感光靶面成像灰度值和波长的关系，利用彩色高速相机输出R、G、B基色的灰度值进行温度的测量。本发明采用基于热辐射理论，建立非接触测量方法，适应于复杂恶劣工况下对高压和高速气流复杂物质组成的爆炸场火球温度测试；动态响应快，适应火球温度高、变化极快、持续时间短的特点；适用于野外试验环境下完成战斗部、弹药、温压弹等爆炸场火球温度实际测试。

Description

一种基于RGB三基色的温度测试方法

技术领域

本发明属于测试技术领域，主要涉及爆炸场火球温度测试，建立基于黑体辐射的温度测试方法，满足试验中对战斗部、弹药、温压弹等爆炸时火球温度的测试需求。

背景技术

弹药爆炸火球温度，是衡量弹药热毁伤威力和热毁伤效能的一项重要指标，包括温度峰值、持续时间等参数，这些参数为热灼伤效应评估提供支撑。在弹药的爆轰过程中，温度变化极快，在达到最大值后在极短的时间内迅速下降，伴随着爆轰的破坏效应，使得爆炸火球温度的测试十分困难。爆炸时火球温度高，持续时间短，且具有很强的破坏作用，爆炸火球温度测试成为研究热点和难点。爆炸温度在2300度以上，同时伴有高压和高速气流，使得爆炸温度参数的实验测定比较困难。对温压炸药爆炸温度的测量属于瞬态温度测量范畴。早期大多采取理论计算方法得到爆温，如通过爆轰产物的各种状态方程来计算爆炸反应温度，这种方法只能给出爆温的大概范围，并且当所选状态方程不同时，计算的爆温偏差很大。对于非理想炸药，由于爆炸机理和反应过程尚不清楚，采用理论计算的方法显然不太可行。

目前，对瞬态温度的测量主要采用两种方法：接触式测温法与非接触式测温法。接触式测温主要采用带防护设计的热电偶丝进行测试，这种方法受限于热电偶丝的响应时间，对于高动态的爆炸火球温度测试不适用。非接触测温方法大都采用辐射测温法，与实际温度进行比对提高测量精度，这种方法适用于固态物体温度测试，对于爆炸场火球温度测试还存在标定等技术难点。

中国专利CN104535211A公开了一种适用于爆炸场火球响应温度测试的热电偶保护装置，通过将热电偶与保护壳体通过安装孔连接、热电偶丝置于保护壳体凹形结构内等措施，改善热电偶的环境适应能力，这种方法能够完成单点测试，但响应时间受限于热电偶丝的响应时间，并不适用于火球温度高、变化极快、持续时间短的爆炸场温度测试。中国专利CN106679814A公开了一种微秒红外实时测温系统，该系统由高速冲击系统、光学增强系统、探测器系统、采集系统组成，主要用来实现高速冲击载荷下材料及结构表面的红外温度信号的采集，分析材料及结构的破坏演化过程，该方法适用于对固态材料的测试，不能用于爆炸场火球温度测试。中国专利CN103439003A公开了一种提高红外测温精度的方法，利用水银温度计测量被测物体表面温度和环境温度，对红外测温结果进行修正，该方法只适用于固态物体、较低温度下的测试，不能用于靶场爆炸场火球温度测试。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于RGB三基色的温度测试方法，依据高速相机感光靶面成像灰度值和波长的关系，利用彩色高速相机输出R、G、B基色的灰度值进行温度的测量，能够有效测量火球温度，为武器系统毁伤评估、威力试验鉴定、改进设计等提供支撑。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：基于维恩公式的波长、温度关系，通过建模分析得到相机感光靶面上成像的照度

其中，a为入射光瞳孔径，f表征像方焦距，λ₁、λ₂分别为窄波段带宽的上限和下限，K_T(λ)是相机镜头光学系数在波长λ处的透光率，C₁为第一辐射常数，C₁＝3.742×10^-16Wm²；C₂为第二辐射常数，C₂＝1.4388×10^-2K；在相机镜头前加装一个工作波长为λ_c的理想冲击函数型的滤光片，λ_c为已知波长，得到该波长下相机输出图像的灰度值

其中，η为相机感光芯片输出电流与图像灰度值之间的转换系数，μ是相机的光电转换系数，t是曝光时间；利用相机的每个像素点输出的三个灰度值R、G、B与被测温物体温度T之间的关系，建立彩色相机三色测温模型

其中，K`为灰度温度系数，λ<sub>r</sub>、λ<sub>g</sub>和λ<sub>b</sub>分别为红色光波长、绿色光波长、蓝色光波长；通过实验标定灰度温度系数K`，由彩色高速相机输出的R、G、B信号计算出温度T。

所述的灰度温度系数K`的标定方法是给定黑体炉一个标定温度T，得到一个对应数组

其中

由相机输出信号给出，灰度温度系数K`由实验标定；不同的标定温度给出不同的若干组

在相机测温范围[T_min,T_max]内，选择n个温度节点进行标定，计算出n个节点上的数组值；对n个数组值

进行数值拟合，求出函数关系式

本发明的有益效果是：

1)适用于野外试验环境下完成战斗部、弹药、温压弹等爆炸场火球温度实际测试；

2)采用基于热辐射理论，建立非接触测量方法，适应于复杂恶劣工况下对高压和高速气流复杂物质组成的爆炸场火球温度测试；

3)建立彩色相机灰度值模型和彩色相机三色测温模型，动态响应快，适应火球温度高、变化极快、持续时间短的特点；

4)建立彩色相机三色测温的标定模型，减少高速相机三色测温方法中由带宽非理想性等因素带来的测温误差；

5)适用性强，利用彩色高速相机搭建测试系统，适应野外环境下战斗部爆炸场恶劣工况下火球温度测试。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图；

图2是本发明的方法步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明采用的技术方案包括以下步骤：

步骤一：建立彩色相机灰度值模型；基于维恩公式的波长、温度关系，通过建模分析可以得到高速相机感光靶面上成像的照度E，在高速相机前加装一个工作波长为λ_c的理想冲击函数型的滤光片，得到该波长下高速相机输出图像的灰度值；

步骤二：建立彩色相机三色测温模型；彩色高速相机的每个像素点输出的三个灰度值R，G，B与被测温物体温度之间的关系，推导出公式消除焦距、孔径、曝光时间等的影响，测量精度得到提升；

步骤三：建立彩色相机三色测温的标定模型。高速相机三色测温方法的测温误差由被测物体的灰度变化、高速相机响应的非理想性和其他因素等三部分组成。为减少高速相机三色测温方法中由彩色高速相机的响应波长带宽的非理想性等因素带来的测温误差，可以把这些因素引起的误差归结到测温公式的K`值中，利用标定实验数据对K`值进行修正。

如图2所示，本发明的实施例具体步骤如下：

第一步：建立彩色相机灰度值模型

任何物质在绝对零度以上都能发出电磁辐射，而热辐射是指物质发射波长0.1～1000um的辐射热射线在空间传递的现象，热辐射的光谱辐射量是波长和温度的函数，基于维恩公式的波长、温度关系，利用辐射测温的主要理论依据是普朗克黑体辐射理论，其数学模型为

式中，L(λ,T)表示黑体的光谱辐射亮度；λ为黑体热辐射的波长；ε(λ,T)为非黑体的光谱发射率；T为黑体温度；C₁为第一辐射常数，C₁＝3.742×10^-16Wm²；C₂为第二辐射常数，C₂＝1.4388×10^-2K；dλ为包含波长λ的窄波段带宽。当λT<<1时，可以简化为维恩公式：

基于维恩公式的波长、温度关系，通过建模分析可以得到高速相机感光靶面上成像的照度E，在此直接给出，推导略：

式(3)中，a为入射光瞳孔径，f表征像方焦距，λ₁、λ₂分别为窄波段带宽的上限和下限，K_T(λ)是高速相机摄像机镜头光学系数在λ处的透光率。

根据的高速相机工作原理，高速相机感光器件是积分型器件，其输出电流信号不仅和光敏面上的照度E有关，而且还和曝光时间t有关，若以I代表高速相机感光芯片输出的电流信号，则在高速相机感光芯片的非饱和区内有：

I＝μEt (4)

式中，μ是高速相机器件的光电转换系数；I是高速相机光生电荷的输出电流，结合式(3)可以得到：

彩色高速摄像机的工作波段主要在可见光(波长在380nm—780nm之间)范围内，假设在可见光范围内黑白高速相机的光谱响应函数是Y(λ)(对彩色高速相机而言，有红r(λ)、绿g(λ)、蓝b(λ)三个光谱响应函数)，则高速相机输出的与各像素点对应的灰度值H为：

式中，η为高速相机感光芯片输出电流与图像灰度值之间的转换系数。

在高速相机前加装一个工作波长为λ_c的理想冲击函数型的滤光片，λ_c为已知波长，如红色光范围为662nm～770nm，取中间值为716nm，可得到该波长下高速相机输出图像的灰度值：

式中，K_T(λ_c)是高速相机镜头光学系数在λ_c处的透光率。式(7)中，

和t可由高速相机设定，乘积η·μ·t·K_T(λ_c)·Y(λ_c)可由黑体炉标定实验得到。

第二步：建立彩色相机三色测温模型

高速相机像素点输出的灰度值H和被测温物体的温度T之间有一一对应的关系，由于K_T(λ)近似为常数，因此式(7)可以改写为：

式中，

可推出彩色高速相机的每个像素点输出的三个灰度值R，G，B与被测温物体温度之间的关系分别为：

式中，r(λ)、g(λ)、b(λ)分别为高速相机的红、绿、蓝三基色信号的光谱响应特性函数，λ_r、λ_g和λ_b分别为红色光波长、绿色光波长、蓝色光波长，k₁，k₂，k₃分别为三个波长的灰度温度系数。利用彩色高速相机输出R、G、B基色的灰度值与温度的关系，考虑同时利用三基色信息进行温度的测量，即采用三色测温法对爆炸温度进行测量。

设温度为T的非黑体在波长λ_r、λ_g和λ_b下的光谱辐射亮度分别为L(λ_r,T)、L(λ_g,T)和L(λ_b,T)，由维恩公式：

三基色辐射亮度的组合关系如下：

整理可得：

式中，T为三色测温时获得的物体的温度，单位为K，实际计算时需要经过开尔文到摄氏度的转换，

式(14)为辐射测温中的三色测温公式，测出亮度比值C就可以计算出物体温度T。测量C值可以通过比较测量黑体的光谱辐射亮度和被测对象的光谱辐射亮度得到。

与单波长的温度-灰度公式相比，三色测温公式去除了干扰，公式消除了焦距、孔径、曝光时间等的影响，测量精度得到提升。基于R、G、B的三色测温公式：

由式(15)，通过实验标定灰度温度系数K`后，就可由彩色高速相机输出的R、G、B信号计算出温度T。

第三步：建立彩色相机三色测温的标定模型

高速相机三色测温方法的测温误差由被测物体的灰度变化、高速相机响应的非理想性和其他因素等三部分组成。为减少高速相机三色测温方法中由彩色高速相机的响应波长带宽的非理想性等因素带来的测温误差，可以把这些因素引起的误差归结到测温公式的K`值中，利用标定实验数据对灰度温度系数K`值进行修正。同样，比值

与实际物体的温度T之间是一一对应的关系，灰度温度系数K`和

也有一一对应关系。从理论上说，这种标定的高速相机三色测温方法能够有效的减少测温误差，提高测温精度。彩色高速相机三色测温模型的标定方法如下：

给定黑体炉一个标定温度T可得到一个对应数组

其中

由高速相机输出信号给出，灰度温度系数K`由实验标定后结合式(9)-(11)得出；不同的标定温度可以给出不同的数组

在高速相机测温范围[T_min,T_max]内，选择n个节点进行标定，计算出n个节点上的数组值

供拟合计算。

对n个数组值

进行数值拟合，可求出函数关系式：

运用彩色高速相机进行三色测温时，首先根据实验获得的彩色高速相机的R、G、B值得到

然后得到K′值，再由R、G、B、K′值依据式(15)计算出温度T。式(15)和式(16)构成了标定修正的彩色高速相机三色测温的数学模型。彩色高速相机三色测温方法的K′值中包含了除灰度以外的各种因素引起的误差，其测温精度随标定节点间的距离而变，实验标定节点数越多，其精度越高。

实例验证：

(1)测试系统设计

如图1所示为火焰温度场测量系统的组成示意图，测量系统由彩色高速摄像机(含镜头)、图像采集卡、数据处理计算机三部分组成。高速摄像机的镜头将来自温度场的光信号聚集在高速摄影感光靶面上，镜头具有调节焦距和光圈的功能，调节镜头焦距可使目标对象成像于高速摄影靶面上，调节镜头光圈可以控制通过镜头的光通量的大小；高速彩色摄像机完成光电转换过程，输出包含亮度信息的RGB三基色信号，并将其转换为标准视频信号；图像采集卡对彩色摄像机输出的标准视频信号进行实时采集和模数转换，使模拟视频信号转换为数字图像信号，并保存与数据处理计算机中，便于事后的图像分析及处理；数据处理计算机对温度场信号进行存储，完成温度计算和温度场处理，还可以完成一些高级校准任务等。

在具体应用时，将高速摄像机对准火焰温度场，放置于距离火焰温度场合适的距离，使得整个火焰区域覆盖超过摄像机视像范围2/3的区域，但又不超出视像范围。在摄像机完整记录下火焰温度场的产生、变化等过程之后，及时将视频文件保存至计算机中，用于离线的温度场数据处理。

表1为采用火焰进行标定的数据，通过获得的数据反求得到的测量温度。

表1

次数	1	2	3
				T/℃	559.2	501	591
R	254	250	229
				G	126	118	98
B	39	30	28
				<u>lnR</u>/G	0.701	0.751	0.8488
K	6.9308	6.8005	7.7184

实验数据表明，通过RGB可以获得被测火焰的温度。

Claims (2)

1.一种基于RGB三基色的温度测试方法，其特征在于包括以下步骤：基于维恩公式的波长、温度关系，通过建模分析得到相机感光靶面上成像的照度

其中，a为入射光瞳孔径，f表征像方焦距，λ₁、λ₂分别为窄波段带宽的上限和下限，K_T(λ)是相机镜头光学系数在波长λ处的透光率，C₁为第一辐射常数，C₁＝3.742×10^-16Wm²；C₂为第二辐射常数，C₂＝1.4388×10^-2K；在相机镜头前加装一个工作波长为λ_c的理想冲击函数型的滤光片，λ_c为已知波长，得到该波长下相机输出图像的灰度值

其中，η为相机感光芯片输出电流与图像灰度值之间的转换系数，μ是相机的光电转换系数，t是曝光时间；利用相机的每个像素点输出的三个灰度值R、G、B与被测温物体温度T之间的关系，建立彩色相机三色测温模型

其中，K`为灰度温度系数，λ<sub>r</sub>、λ<sub>g</sub>和λ<sub>b</sub>分别为红色光波长、绿色光波长、蓝色光波长；通过实验标定灰度温度系数K`，由彩色高速相机输出的R、G、B信号计算出温度T。

2.根据权利要求1所述的基于RGB三基色的温度测试方法，其特征在于：所述的灰度温度系数K`的标定方法是给定黑体炉一个标定温度T，得到一个对应数组

其中

由相机输出信号给出，灰度温度系数K`由实验标定；不同的标定温度给出不同的若干组

在相机测温范围[T_min,T_max]内，选择n个温度节点进行标定，计算出n个节点上的数组值；对n个数组值

进行数值拟合，求出函数关系式

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