CN112834051A - 一种基于多光谱相机的辐射测温法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于多光谱相机的辐射测温法。包括以下步骤：1、对多光谱相机进行标定，将该多光谱相机固定于黑体炉前，调整好曝光时间、光圈大小后进行黑、白对照的拍摄；2、在800℃与1700℃之间间隔50℃进行标定；3、标定结束后，对多光谱相机响应值与黑体炉绝对辐射强度进行拟合，获得相机16波段下的标定系数；4、将相机置于被测火焰前，调整好曝光时间、光圈大小后进行拍摄，获得被测目标的16波段下的灰度信息，根据步骤3中拟合系数计算得到16波段下每一波段的被测目标在成像空间内各点的辐射强度；5、利用Hottel和Broughton发光火焰模型对被测目标的投影温度二维分布进行计算，并得到被测目标在16波段下的发射率分布。
Description
技术领域
本发明涉及辐射测温领域，是一种基于多光谱相机的辐射测温法。
背景技术
火焰温度和辐射介质的辐射特性是反映燃烧过程的重要参数，对这两个参数的准确测量可以更好的指导对燃烧机理的研究。对于火焰这种抗扰动性差、温度高的被测对象来说，辐射测温就极具优越性。
本发明中采用多光谱相机获得火焰的投影辐射强度，相比于无法获得空间维度火焰辐射强度信息的光谱仪以及无法获得多光谱辐射强度信息的彩色相机来说，多光谱成像系统可以同时获得空间维度和光谱维度的投影信息，这对于获得火焰温度以及与波长相关的发射率的二维分布具有至关重要的作用。
发明内容
本发明改善了使用传统辐射强度的获取方法，采用多光谱成像系统来获取被测对象的多波段辐射强度信息，本发明包含以下步骤：
步骤1：将多光谱相机置于黑体炉前，调整好相机的光圈大小、曝光时间后进行相机黑、白对照的拍摄；
步骤2：将黑体炉由1700℃间隔50℃进行降温至800℃，每个温度点下在合理的曝光时间下进行标定拍摄；
步骤3：获取黑体炉16波段下的灰度值数据矩阵，并将不同温度点下每一波段的灰度值数据在成像空间内的平均值与该温度下黑体炉的绝对辐射强度进行拟合，获得16波段的灰度值与绝对辐射强度的对应关系曲线与标定系数；
步骤4：将多光谱相机置于被测目标前，保证光圈大小与标定时一致，调整曝光时间进行黑、白平衡的拍摄；
步骤5：调整好曝光时间，对被测目标进行拍摄，获得被测目标同时包含16个波段的初始灰度图像，利用Matlab软件分离初始灰度图像，从而获得16波段下成像空间内的投影灰度值数据矩阵，由步骤3中所得的标定系数获得16波段下成像空间内的投影辐射强度数据矩阵；
步骤6：基于Hottel和Broughton发光火焰模型，结合所得到的投影辐射强度矩阵数据，对成像空间的每一点进行温度与发射率的计算，得到投影温度的二维空间分布与发射率的随空间、波长的二维分布。
优选的，所属多光谱相机所获得的初始灰度图像矩阵是分辨率为2048×1088，包含相机所成16波段全部信息，因此需要对所获得的初始灰度值信息按照所述多光谱相机的成像规则进行波段信息分离后，可以获得16(4×4)波段的灰度值信息，分辨率为单波段512×272，所得的灰度值数据为0-1023。
优选的，步骤3中不同温度下相机所得灰度值与黑体炉绝对辐射强度的拟合关系通过下式获得：
式中：I为黑体炉绝对辐射强度，E为多光谱相机得到的灰度值，t为曝光时间。这个过程是在16个波段下分别进行的，最终应获得16组对应不同波段的标定系数。
优选的，由获得的16个波段下的灰度值图像以及标定系数得到对应的辐射强度数据依据如下式：
式中，
为第k波段的标定系数集[a0,a1,a2,a3,a4]，
为第k波段相机成像空间内第i行j列的成像点的辐射强度，
为第k波段相机成像空间内第i行j列的成像点的灰度值与积分时间的商，函数对应关系为
优选的，在对多光谱相机进行黑体炉拍摄与实际应用的过程中，曝光时间选取时，相机成像空间内不应有饱和的数据点。
优选的，在利用所述多光谱相机进行实际拍摄时，曝光时间是一个十分重要的参数，同一被测对象在不同的曝光时间下会得到不同响应值对应的灰度图像，但由于所述多光谱相机设备的响应值和曝光时间呈线性关系，所以可以排除曝光时间的影响。
优选的，获得火焰在成像空间内各点的光谱辐射强度后，依据Hottel和Broughton发光火焰模型求解温度与发射率，主要思路为在不同的假定温度与假定火焰吸收能力下根据发光火焰模型获得光谱辐射强度，由实测所得光谱辐射强度与其比较，找到残差平方和最小时对应的假定温度与假定火焰吸收能力，此时的假定温度为求解温度，假定火焰吸收能力可由下式计算得求解光谱发率：
ε(λi)＝1-exp(-κL/λi 1.39)
附图说明
图1为本发明的总体流程图。
图2为本发明实例对应的灰度图像。
图3为本发明实例对应灰度图像成像单元中不同波段分布位置。
图4为本发明实例所获得的不同波段下的辐射强度图像。
图5为本发明实例所获得的二维投影温度图像。
图6为本发明实例所获得的16波段下的发射率图像。
具体实施方式
以下结合具体实例，对本发明进行详细说明。
结合图1所示的总体流程图，利用黑体炉在800℃与1700℃之间间隔50℃进行标定，获得16波段下多光谱相机响应值与绝对黑体辐射强度的拟合系数，利用多光谱相机对实例中的被测对象进行拍摄，利用计算机获得16波段下的投影灰度值图像，由多光谱相机响应值与绝对黑体辐射强度的拟合系数得到16波段下的辐射强度图像，对16波段下多光谱相机成像空间内各点基于Hottel和Broughton发光火焰模型进行计算便可以得到被测对象的温度分布与发射率分布。
在本发明实例中，首先假定火焰温度范围为1000-2000K，步长为1；假定火焰吸收能力为0.05-1.5，步长为0.001。在各假定温度与假定火焰吸收能力下，计算不同火焰吸收能力下的光谱辐射强度，计算式如下：
式中：C1为普朗克第一辐射常数，C2为普朗克第二辐射常数，κL为火焰吸收能力，T为火焰温度。
在不同温度不同火焰吸收能力下计算得到所求空间点的光谱辐射强度，再由下式与实测辐射强度相比较，计算其对应的残差平方和平方和。
式中：I(λ)为实测辐射强度，n为波段数目。
找到残差平方和最小时对应的温度与火焰吸收能力，此时的温度为求解温度，发射率可由下式计算得到：
ε(λi)＝1-exp(-κL/λi 1.39)
在对多光谱相机进行标定以及实际应用的选择曝光时间时，需要注意曝光时间不易过大造成出现饱和数据点；同时也需要注意在完成相机标定后，相机的光圈不应再变化，否则需要重新进行标定。
本发明中所述多光谱相机获得的灰度值数据是经由计算机以图2灰度图像呈现出来，该灰度图像数据矩阵是包含全16波段的信息的，每一波段的信息在灰度图像成像单元中的分布情况由图3所示。
图4为16波段下的辐射强度图像，该图像是依据图3中16波段的灰度信息分布情况将图2灰度图像分离，并利用16波段下的标定系数计算所得，具体计算式：
式中：I为实例中需要计算的辐射强度，E为灰度图像矩阵中各点的响应值，a0、a1、a2、a3、a4为相应波段下的标定系数，t为曝光时间。
如图5为经由上述过程并基于Hottel和Broughton发光火焰模型获得的二维投影温度图像,其温度场中各点的温度都是基于上述方法经过迭代后获得的求解温度。
如图6为经由上述过程并基于Hottel和Broughton发光火焰模型获得的发射率图像。
Claims (8)
1.一种基于多光谱相机的辐射测温法，其特征是包含如下几个步骤：
步骤1：对多光谱相机进行标定，将多光谱相机固定于黑体炉前，将相机镜头正对于黑体炉光路出口，调整好光圈与曝光时间后进行黑、白平衡的对照拍摄；
步骤2：将黑体炉由1700℃间隔50℃进行降温至800℃，每个温度点下选取合理的曝光时间进行标定；
步骤3：将拍摄获得的灰度值与相应温度下的黑体炉绝对辐射强度进行拟合，获得多光谱相机16波段下的各个波段的标定系数；
步骤4：将多光谱相机固定于被测目标前，调整好曝光时间，光圈大小应与相机标定时保持一致；
步骤5：对被测目标进行拍摄，获得初始灰度图像矩阵信息，并利用计算机分离获得16个波段下各个波段的灰度图像矩阵信息，由步骤3获得的16波段下的标定系数计算得到被测目标的光谱辐射强度；
步骤6：基于Hottel和Broughton发光火焰模型，由步骤5中获得的被测目标的辐射强度矩阵得到被测目标投影温度的二维空间分布与16波段下的发射率分布。
2.根据权利要求1中基于多光谱相机的辐射测温法，其特征在于，所述多光谱相机获得的初始灰度图像分辨率为2048×1088，其中包含有512×272个成像单元，即每个成像单元中包含有16个波段灰度信息。
3.根据权利要求1中基于多光谱相机的辐射测温法，其特征在于：所述的多光谱相机可获得595nm-860nm波段范围内的16个波段单波段下512×272分辨率的灰度图像，每个波段的灰度信息是由初始灰度图像分离所得，在相机未饱和情况下，所得到的被测对象的灰度值矩阵中每个像素点的灰度值为0-1023。
4.根据权利要求1中基于多光谱相机的辐射测温法，其特征在于：在步骤2，步骤4中对曝光时间进行选择时，应保证所获得的灰度数据中不出现饱和的数据点。
5.根据权利要求1中基于多光谱相机的辐射测温法，其特征在于：在步骤3对多光谱相机进行标定过程中，多光谱相机得到的响应值与黑体炉绝对辐射强度采用的拟合关系为：
式中：I为黑体炉绝对辐射强度，E为多光谱相机得到的灰度值，t为曝光时间；
采取的拟合方式为四次多项式拟合。
6.根据权利要求1中基于多光谱相机的辐射测温法，其特征在于：在步骤5中使用多光谱相机对被测对象进行拍摄的过程中，所选用的曝光时间可以与标定时不一致，这是因为多光谱相机所记录的灰度值在同一温度下对不同曝光时间是线性变化的。
7.根据权利要求1中基于多光谱相机的辐射测温法，其特征在于：在步骤5中由16波段中任一波段下的灰度信息获得辐射强度处理方法如下式：
式中，
为第k波段的标定系数集[a0,a1,a2,a3,a4]，
为第k波段相机成像空间内第i行j列的成像点的辐射强度，
为第k波段相机成像空间内第i行j列的成像点的灰度值与积分时间的商，函数对应关系为
8.根据权利要求1中基于多光谱相机的辐射测温法，其特征在于：步骤6中有如下几个子步骤：
步骤6.1根据被测火焰对象，预估火焰温度范围与火焰吸收能力κL的范围；
步骤6.2在不同温度与不同火焰吸收能力下依据Hottel和Broughton发光火焰模型计算光谱辐射强度，计算公式如下：
式中：C1为普朗克第一辐射常数，C2为普朗克第二辐射常数，κL为火焰吸收能力，T为火焰温度；
步骤6.3评估测量辐射强度与计算辐射强度的偏差，判别式如下：
式中：I(λi)为实测辐射强度，n为波段数目；
选取偏差最小时对应的温度作为测量火焰温度，选取偏差最小时的火焰吸收能力κL,并通过下式计算火焰的光谱发射率。
ε(λi)＝1-exp(-κL/λi 1.39) 。
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