CN113375815A - Ccd和红外热像仪相结合的物体表面温度测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种CCD和红外热像仪相结合的物体表面温度测量方法和系统，方法包括步骤：S1，确定CCD相机中修正参数K值的大小；S2，分别获得第一背景和第二背景下的目标物体和参考体的图像的单通道辐射灰度图的平均灰度值；S3，得到第一背和第二背景目标物体和参考体温度；S4，得到目标物体的初始发射率；S5，进行目标温度的校正，得到测量物体表面真实温度。系统包括：测温设备、物体加热设备和终端设备；测温设备包括基座、红外热像仪、CCD相机；加热设备包括陶瓷加热炉和外加辐射源；终端设备，用于接收CDD相机传送的数据并进行数据处理。本发明克服了红外热像仪测温过程中受物体表面发射率变化的影响以及CCD测温结果误差过大问题，提高了测温精确性。
Description
技术领域
本发明涉及红外测温领域，特别是涉及一种CCD和红外热像仪相结合的物体表面温度测量方法及系统。
背景技术
在红外测温领域中，发射率的测量占据着重要的地位，是表征物体表面热辐射能力的一项重要参数，发射率的微小变化就能导致较大的测量温度误差。一个物体的发射率与它的材料、形状、表面粗糙度、氧化程度、颜色、厚度等因素有关，并且在不同的温度和波长有不同的值。因此，发射率的研究状况水平也成了红外辐射技术应用发展的重要标志。随着科技的进步，红外测量在测温、红外成像、红外隐身和太空遥测等重要领域有了快速发展。一方面对材料发射率的精度控制提出了新的要求；另一方面，也推动了发射率测量精度的提高。红外测温技术是红外测量应用最早的领域之一，其测量精度水平与材料的发射率密切相关。
在红外测温领域中，为了提高红外测温精度，提出了很多获取物体表面发射率的方法。根据他们的测量原理和方法各不相同，目前主要分为能量法、量热法和多波长法。能量法的优点是能够快速、直观的测量出发射率的大小，但是其测量精度和系统性能仍不够完善；量法简单、准确、应用广泛，但被测物体表面不均匀的温度分布会导致计算得到的发射率存在较大误差，且对实验环境要求较高；多波长法不需要特制试样、测量速度快、可现场测量，但是由于理论不够成熟，模型对材料的适用性较差，所以待测精度有待提高。因此，如何准确获取物体表面发射率，提高测温精度成为红外测温领域中的重中之重。
发明内容
针对红外测温过程中物体表面温度受发射率影响测量精度低的问题，本发明提供一种CCD和红外热像仪相结合的物体表面温度测量方法与系统。
本发明提出的一种CCD和红外热像仪相结合的物体表面温度测量方法，其包括以下步骤：
S1，确定CCD相机中修正参数K值的大小，具体步骤包括：
(1)启动黑体炉，CCD相机的镜头瞄准黑体炉的靶子，使得黑体空腔的数字图像成像在计算机显示器的中心，然后，设置CCD相机的增益为自动增益控制，关闭白平衡开关；
(2)安装好黑体炉控温系统；
(3)确定CCD相机的测温范围，在温差范围内每隔A度标定一次，共标定S个标定测温点，通常S≥15；将黑体炉控温系统的温度当做CCD测温仪器测得的温度，设定控温系统一个温度T，CCD输出一组R、G、B值，当达到稳定状态时，读取R、G、B值和温度T；
(4)获取标定后的K值：
对每一个标定测温点，获取CCD相机中的K值：
其中，KR，KG，KB为红、绿、蓝三路信号每次测量的增益系数，通过黑体标定得到；
(5)同时，对每一个标定测温点，根据CCD相机输出的R、G、B值，计算ln(RB/G2) 的值；
对每一个标定测温点，得到一个(ln(RB/G2)，K)的坐标点，其中ln(RB/G2)为横坐标，K值为纵坐标，根据1n(RB/G2)和K值进行拟合出CCD相机的K值标定曲线图；
S2，CCD相机分别获得第一背景和第二背景下的目标物体和参考体的图像，并通过图像处理分别得到四张图像的单通道辐射灰度图的平均灰度值；
S3，使用三基色测温法的辐射温度计算模型，分别得到第一背景目标物体温度Tr1、第一背景参考体温度Tr2、第二背景目标物体温度Tr3和第二背景参考体温度Tr4；
S4，根据三基色测温法和双背景辐射原理，得到目标物体的初始发射率；
所述目标物体的初始发射率模型为：
其中，L(Tr1)为第一背景下目标物体的辐射出射度，L(Tr2)为第二背景下目标物体的辐射出射度，L(Tr3)为第一背景下参考体的辐射出射度，L(Tr4)为第二背景下参考体的辐射出射度；εm(T0)是目标物体的初始发射率；εR是参考体的表面法向发射率；
S5，将构建发射率校正后的红外测温模型，进行目标温度的校正，得到测量物体表面真实温度；
关闭外加辐射源，待环境温度恢复稳定后，将红外热像仪移动到CCD相机测量目标物体的测量位置，测出目标物体的准确温度，根据红外热辐射原理可得：
式中，其中T0为待测物体真实表面温度，Tr为红外热像仪校正前测量的物体表面温度，εm(T0)是目标物体的初始发射率，εR为参考体的表面法向发射率，n表示开方，当红外热像仪使用短波时取2，长波段时取4。
优选的，所述步骤S2，CCD相机分别获得第一背景和第二背景下的目标物体和参考体的图像，并通过图像处理分别得到四张图像的单通道辐射灰度图的平均灰度值；具体包括以下步骤：
(1)准备一个表面结构与待测物体相似的材料，在准备的材料上涂上已知发射率的黑漆作为参考体；
(2)将参考体与目标物体平行放置，目标物体需放置在陶瓷加热炉上，在第一背景下用陶瓷加热炉加热目标物体，待温度稳定后用CCD相机分别采集第一背景目标物体图像和第一背景参考体图像；
(3)关闭陶瓷加热炉，等目标物体温度稳定后，通过改变环境辐射来改变第一背景得到第二背景，通过外加辐射源对目标物体和参考体同时进行投射，辐射一段时间后，待目标物体和参考体温度稳定后再分别用CCD相机分别采集第二背景目标物体图像和第二背景参考体图像；
(4)分别对CCD相机采集到的第一背景目标物体图像、第一背景参考体图像、第二背景目标物体图像和第二背景参考体图像进行图像处理，将每个采集的图像进行R、G、B 单通道分离，分别得到单色辐射图像，将单色辐射图像灰度化处理得到三通道的灰度图进行单通道辐射灰度图的灰度值提取，得到每个像素点的灰度值，算出平均灰度值，对单通道辐射灰度图根据每个像素点的灰度值计算得到平均灰度值。
优选的，所述步骤S3，使用三基色测温法的辐射温度计算模型，分别得到第一背景目标物体温度Tr1、第一背景参考体温度Tr2、第二背景目标物体温度Tr3和第二背景参考体温度Tr4；具体为：
利用彩色CCD相机输出的三个等效波长，R、G、B三个通道的信息，经过数据处理得到物体的温度，三基色测温法的辐射温度计算模型为：
其中，K为根据CCD相机输出的R、G、B值从步骤S5中K值标定曲线中获取的标定后的K值，Re，Ge和Be分别为根据获取的红、绿、蓝单通道辐射灰度图的平均灰度值；λR、λG和λB为彩色CCD相机红、绿、蓝三基色对应的代表性波长；C2为第二辐射常数；
根据步骤S2中第一背景目标物体图像、第一背景参考体图像、第二背景目标物体图像和第二背景参考体图像的红、绿、蓝单通道辐射灰度图的平均灰度值分别计算得到第一背景目标物体温度Tr1、第一背景参考体温度Tr2、第二背景目标物体温度Tr3和第二背景参考体温度Tr4。
优选的，所述步骤S4中目标物体的表面发射率模型推导过程如下：
根据双背景辐射法，在第一背景下目标物体和参考体的辐射出射度计算公式分别为：
L(Tr1)＝τa{εm(T0)L(T0)+[1-εm(T0)]L(TB1)}+(1-τa)L(Ta) (3)
L(Tr3)＝τa[εRL(TR)+(1-εR)L(TB1)]+(1-τa)L(Ta) (4)
改变环境辐射后在第二背景下，目标和参考体的辐射出射度计算公式分别为：
L(Tr2)＝τα{εm(T0)L(T0)+[1-εm(T0)]L(TB2)}+(1-τα)L(Tα) (5)
L(Tr4)＝τα{εRL(TR)+[1-εR]L(TB2)}+(1-τα)L(Tα) (6)
其中，L(Tr1)为第一背景下目标物体的辐射出射度，L(Tr2)为第二背景下目标物体的辐射出射度，L(Tr3)为第一背景下参考体的辐射出射度，L(Tr4)为第二背景下参考体的辐射出射度；τα为大气透射率；εm(T0)是目标物体的初始发射率；L(T0)为目标物体表面辐射出射度；L(TB1)为第一背景下的环境辐射出射度；L(Tα)为大气辐射出射度；εR是参考体的表面法向发射率；L(TR)为参考体表面辐射出射度；L(TB2)为第二背景下的环境辐射出射度；TB1为第一背景下等效环境辐射温度，TB2为第二背景下的等效环境辐射温度；
根据式(3)-(6)四式，可以化简推导出：
因此，得到目标物体的表面发射率模型为：
其中，采用双背景辐射法和采用三基色测温法对相同的物体在相同温度下得到的辐射出射度是相同的，三基色测温法中辐射出射度表达式如下：
因此：
其中，Tr1为第一背景目标物体温度、Tr2为第一背景参考体温度、Tr3为第二背景目标物体温度和Tr4为第二背景参考体温度；λ为三基色中的代表性波长RGB中的任一个，公式(10)-(13)中所选择的λ为同一基色的代表性波长，ε(λ，Tr1)为第一背景目标物体温度发射率；ε(λ，Tr2)为第一背景参考体温度发射率，ε(λ，Tr3)为二背景目标物体温度发射率，ε(λ，Tr4)为第二背景参考体温度发射率；c1为第一辐射常数；c2为第二辐射常数，T为温度。
优选的，CCD相机的红、绿、蓝三基色的代表性波长分别为λR＝620nm，λG＝545nm，λB＝470nm；CCD相机的测温范围为573.16K-783.16K，在温差范围内每隔10K标定一次，共22个标定测温点。
本申请还公开了一种CCD和红外热像仪相结合的物体表面温度测量系统，其包括测温设备、物体加热设备和终端设备；
所述测温设备包括基座、红外热像仪、CCD相机；所述基座由导轨和支架组成，导轨安装在支架上，支架对导轨起支撑作用，CCD相机和红外热像仪安装在导轨上并且可以水平移动；红外热像仪用于直接测量物体表面温度；CCD相机用于拍摄物体图像，包括镜头，CCD，CCD触发线和千兆网线组成，所述镜头用于调焦，方便获取更为清晰的图像；所述CCD用于采集图片信息；所述CCD触发线，为CCD相机供电；所述千兆网线，用于数据传输；所述加热设备包括陶瓷加热炉和外加辐射源，所述陶瓷加热炉，为物件提供加热条件，且温度可控；所述外加辐射源，为目标提供双背景环境，改变环境背景辐射；所述终端设备，用于接收CDD相机传送的数据并进行数据处理。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明解决了单红外测温系统对发射率的依赖性，提高了系统的实用性、热像仪的图像质量和测温精度。
2、本发明克服了红外热像仪测温过程中受物体表面发射率变化的影响以及CCD测温结果误差过大的问题，保证了测温模型的稳定性和测温的精确性。
3、避免了使用热电偶进行接触式测量，对目标物体造成损伤。
附图说明
图1为本发明CCD和红外热像仪相结合的物体表面温度测量方法的流程图；
图2为本发明CCD和红外热像仪相结合的物体表面温度测量系统的结构示意图；
图3为本发明中CCD相机的感光区间波形图；
图4为基于红外测温系统的CCD相机的K值标定曲线图；
图5为基于红外测温系统的航空铝的发射率和温度的变化曲线图；
图6为基于红外测温系统的航空铝的温度变化曲线图；
图7为基于红外测温系统的的温度差值大小变化曲线图。
附图标记说明：
支架1 导轨2 陶瓷加热炉3
外加辐射源4 CCD相机5 红外热像仪6
目标物体7 参考体8
具体实施方式
为更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本申请首先使用CCD(Charge-coupled Device,:电荷耦合元件)相机，根据三基色测温法和双背景辐射原理，在现有的背景下用CCD相机分别测量待测物和参考体的辐射温度，分别得到Tr1和Tr3。改变环境辐射，其方法为外加一个辐射源对目标进行投射，再分别用CCD相机测量待测物和参考体的辐射温度，分别得到Tr2和Tr4，结合发射率测量模型，得到目标物体的表面发射率，然后再使用红外热像仪测量物体的温度，根据目标物体的表面发射率对红外热像仪测量到的目标物体温度进行校正，最终得到测量物体表面真实温度。
本发明公开的根据CCD和红外热像仪相结合的物体表面温度测量的方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1，确定CCD相机中修正参数K值的大小。
首先对CCD相机进行标定。彩色CCD相机的红、绿、蓝三基色的代表性波长是通过CCD相机的感光区间波形图中三种基色所对应的曲线波峰值确定的。图3为本实施例中 CCD相机的感光区间波形图，以图中3条曲线的波峰值作为对应基色下的代表性波长，则：λR＝620nm，λG＝545nm，λB＝470nm。通常彩色CCD相机红、绿、蓝三基色对应的代表性波长可以根据厂家给出的说明手册直接确定。
用黑体炉对300到510度的CCD相机进行灰度值标定，用黑体炉对300度到510度的红外热像仪进行温度标定。根据从CCD相机标定提取到的RGB值与温度T建立一一对应的关系，从而确定CCD相机中修正参数K值的大小。CCD相机的标定步骤如下：
(1)启动黑体炉，CCD相机的镜头瞄准黑体炉的靶子，镜头中心应与黑体空腔同轴，CCD相机按输出标准视频信号的要求设置参数，使得黑体空腔的数字图像成像在计算机显示器的中心。然后，设置增益为AGC(自动增益控制)，关闭白平衡开关。
(2)安装好黑体炉控温系统。
(3)确定CCD相机的测温范围，在温差范围内每隔A度标定一次，共标定S个标定测温点，通常S≥15。本实施例中，CCD相机的测温范围为573.16K-783.16K，在温差范围内每隔10K标定一次，共22个标定测温点。
将黑体炉控温系统的温度当做CCD测温仪器测得的温度。设定控温系统一个温度T， CCD输出一组R、G、B值，当达到稳定状态时，读取R、G、B值和温度T。
(4)获取标定后的K值：
对每一个标定测温点，获取CCD相机中的K值：
其中，KR，KG，KB为红、绿、蓝三路信号每次测量的增益系数，通过黑体标定得到。
(5)同时，对每一个标定测温点，根据CCD相机输出的R、G、B值，计算ln(RB/G2) 的值；
对每一个标定测温点，得到一个(ln(RB/G2)，K)的坐标点，其中ln(RB/G2)为横坐标，K值为纵坐标，根据ln(RB/G2)和K值进行拟合出CCD相机的K值标定曲线图。
本实施例中K值标定曲线图如附图4所示，通过图像可以看出，不同的ln(RB/G2)对应不同的K值。虽然K值得变化不大但是其变化规律十分明显，随着ln(RB/G2)值的增大，K值逐渐减小。这是由物体的热辐射定律决定的，当温度升高时，辐射量的峰值向短波方向移动，这就导致RB/G2的数值越来越大。虽然K值的变化不大，我们还是不能够选择一个固定的K值来计算温度场，K值任何比较微小的变化都会导致较大的温度误差。因此，在计算温度的过程中，我们必须采用标定后的K值，才能提高测温的准确性。
S2，CCD相机分别获得现有环境辐射下第一背景目标物体图像和第一背景参考体图像改变环境辐射后、以及改变环境辐射后第二背景目标物体图像和第二背景参考体图像，并通过图像处理分别得到四张图像的单通道辐射灰度图的平均灰度值，具体步骤如下：
(1)准备一个表面结构与待测物体相似的材料，在准备的材料上涂上已知发射率的黑漆作为参考体,即参考体为黑体。本实施例中因为待测物体为铝合金板，因此需要准备一个表面结构与待测物体相似的铝合金板，将准备的铝合金板涂上已知发射率的黑漆作为参考体。
(2)将参考体与目标物体平行放置，目标物体需放置在陶瓷加热炉上，在第一背景下(即现有背景)，用陶瓷加热炉加热目标物体，待温度稳定后用CCD相机分别采集第一背景目标物体图像和第一背景参考体图像。本实施例中的第一背景为：白天，室温20度，相对湿度80％。
(3)关闭陶瓷加热炉，等目标物体温度稳定后，通过改变环境辐射来改变第一背景得到第二背景，通过外加辐射源对目标物体和参考体同时进行投射，辐射一段时间后，待目标物体和参考体温度稳定后再分别用CCD相机分别采集第二背景目标物体图像和第二背景参考体图像。本实施例中，外加辐射源为一个400W辐射源，辐射时间为2min。
(4)用MATLAB分别对CCD相机采集到的第一背景目标物体图像、第一背景参考体图像、第二背景目标物体图像和第二背景参考体图像进行图像处理，将每个采集的图像进行R、G、B单通道分离，分别得到单色辐射图像，将单色辐射图像灰度化处理得到三通道的灰度图进行单通道辐射灰度图的灰度值提取，得到每个像素点的灰度值，算出平均灰度值，对单通道辐射灰度图根据每个像素点的灰度值计算得到平均灰度值。
S3，使用三基色测温法的辐射温度计算模型，分别计算第一背景目标物体图像、第一背景参考体图像、第二背景目标物体图像和第二背景参考体图像拍摄时目标物体和参考体的温度。
由CCD的光电转换特性和光谱特性可知，被测表面的色度和亮度信息可以通过CCD图像传感器的R、G、B三通道输出值反映出来。即利用彩色CCD相机输出的三个等效波长，R、G、B三个通道的信息，经过数据处理得到物体的温度，三基色测温法的辐射温度计算模型为：
其中，K为根据CCD相机输出的R、G、B值从步骤S5中K值标定曲线中获取的标定后的K值，Re，Ge和Be分别为根据获取的红、绿、蓝单通道辐射灰度图的平均灰度值。λR、λG和λB为彩色CCD相机红、绿、蓝三基色对应的代表性波长；C2为第二辐射常数。
根据步骤S2中第一背景目标物体图像、第一背景参考体图像、第二背景目标物体图像和第二背景参考体图像的红、绿、蓝单通道辐射灰度图的平均灰度值分别计算得到第一背景目标物体温度Tr1、第一背景参考体温度Tr2、第二背景目标物体温度Tr3和第二背景参考体温度Tr4。
S4，根据三基色测温法和双背景辐射原理，得到目标物体的初始发射率表面发射率。
本发明中采用双背景辐射法时，其背景的改变不是通过改变环境温度，而是通过在自然条件下背景本身的变化或者外加一个辐射源的方法得到的。在现有的背景下用CCD相机分别测量目标物体和参考体的辐射温度，分别得到Trl和Tr3。改变环境辐射，其方法为外加一个辐射源对目标进行投射。再分别用CCD相机测量待测物体和参考体的辐射温度，分别得到Tr2和Tr4。
根据双背景辐射法，在第一背景下目标物体和参考体的辐射出射度计算公式分别为：
L(Tr1)＝τa{εm(T0)L(T0)+[1-εm(T0)]L(TB1)}+(1-τa)L(Ta) (3)
L(Tr3)＝τa[εRL(TR)+(1-εR)L(TB1)]+(1-τa)L(Ta) (4)
改变环境辐射后在第二背景下，目标和参考体的辐射出射度计算公式分别为：
L(Tr2)＝τα{εm(T0)L(T0)+[1-εm(T0)]L(TB2)}+(1-τα)L(Tα) (5)
L(Tr4)＝τα{εRL(TR)+[1-εR]L(TB2)}+(1-τα)L(Tα) (6)
其中，L(Tr1)为第一背景下目标物体的辐射出射度，L(Tr2)为第二背景下目标物体的辐射出射度，L(Tr3)为第一背景下参考体的辐射出射度，L(Tr4)为第二背景下参考体的辐射出射度；τα为大气透射率；εm(T0)是目标物体的初始发射率；L(T0)为目标物体表面辐射出射度；L(TB1)为第一背景下的环境辐射出射度；L(Tα)为大气辐射出射度；εR是参考体的表面法向发射率；L(TR)为参考体表面辐射出射度；L(TB2)为第二背景下的环境辐射出射度；TB1为第一背景下等效环境辐射温度，TB2为第二背景下的等效环境辐射温度。
根据式(3)-(6)四式，可以化简推导出：
因此，得到目标物体的初始发射率模型为：
根据三基色测温法可知，物体的辐射出射度为：
理论上，采用双背景辐射法和采用三基色测温法对相同的物体在相同温度下得到的辐射出射度是相同的，由此可知：
其中，Tr1为第一背景目标物体温度、Tr2为第一背景参考体温度、Tr3为第二背景目标物体温度和Tr4为第二背景参考体温度；λ为三基色中的代表性波长RGB中的任一个，只需保证公式(10)-(13)中所选择的λ为同一基色的代表性波长即可，ε(λ，Tr1)为第一背景目标物体温度发射率；ε(λ，Tr2)为第一背景参考体温度发射率，ε(λ，Tr3)为二背景目标物体温度发射率，ε(λ，Tr4)为第二背景参考体温度发射率；c1为第一辐射常数； c2为第二辐射常数。目标物体温度发射率和参考体温度发射率通过使用热像仪和热电偶分别测量后的温度比值获得，如果有历史数据也可直接通过查找历史数据获得。
S5，将得到的目标物体的表面发射率和红外测温原理相结合，构建发射率校正后的红外测温模型，进行目标温度的校正，得到测量物体表面真实温度。
关闭外加辐射源，待环境温度恢复稳定后，将红外热像仪移动到CCD相机测量目标物体的测量位置，测出目标物体的准确温度。根据红外热辐射原理可得：
式中，其中T0为待测物体真实表面温度，Tr为红外热像仪校正前测量的物体表面温度，εm(T0)是目标物体的初始发射率，εR为参考体的表面法向发射率，n表示开方，当红外热像仪使用短波时取2，长波段时取4。在使用红外热像仪进行测量时，通常高温物体用长波段，低温物体用短波段。本实施例中测量的温度在300度以上，因此n取4。
本实施例还公开了一种CCD和红外热像仪相结合的物体表面温度测量系统。如附图2 所示，一种新型的红外测温系统，包括测温设备、物体加热设备和终端设备；
测温设备包括基座、红外热像仪、CCD相机。基座由导轨和支架组成，导轨安装在支架上，支架对导轨起支撑作用，CCD相机和红外热像仪安装在导轨上并且可以水平移动，CCD相机和红外热像仪通过导轨移动是为了确保测量距离和测量位置的一致性，减少测量误差，这样就能得到更真实的物体表面温度。红外热像仪用于直接测量物体表面温度。 CCD相机用于拍摄物体图像，包括镜头，CCD(charge coupled device电荷耦合器件)， CCD触发线和千兆网线组成，镜头用于调焦，方便获取更为清晰的图像；CCD用于采集图片信息；CCD触发线，为CCD相机供电；千兆网线，用于数据传输。
加热设备包括陶瓷加热炉和外加辐射源，陶瓷加热炉，为物件提供加热条件，且温度可控；外加辐射源，为目标提供双背景环境，改变环境背景辐射。
终端设备(未在图2中示出)，用于接收CDD相机传送的数据并进行数据处理，具体包括用于CCD相机在不同温度下的黑体温度进行标定；用于记录数据建立测温模型；进行目标温度的计算和输出。
为研究本发明的有效性，采用三种方式得到待测物体的表面温度：直接使用红外热像仪进行测量得到校正前温度T1，使用本发明提出CCD和红外热像仪相结合的物体表面温度测量方法的到校正后温度T0；使用热电偶直接测量待测物体的表面温度T，此表面温度可以认为就是待测物的真实温度。
为了避免在近距离对准被测人员，带来设备使用者和被测者之间的传染风险，本实施例中所设计的红外热像仪和CCD相机为非接触式测温设备，为保证热电偶直接测量值的准确性，测量在待测物体表面大致均匀分布的5个点的温度，取平均值作为待测物体的表面温度T；改变加热炉的温度，重复试验，记录下30组实验，实验结果如表1所示。
表1
对表1中热电偶直接测量的待测物的真实温度T和发射率ε进行曲线拟合(拟合系数R2＝0.995)，结果如图5所示，铝合金的表面温度对发射率的影响较大，整体呈现出随着温度的升高发射率逐渐降低的趋势，这和一般金属的发射率变化趋势相同。在 300-500℃下航空铝合金的发射率变化大约是0.03。发射率曲线整体分为三个阶段： 300-375℃时，发射率下降趋势明显且逐步趋缓；375-450℃时，发射率下降趋势几乎与X 轴保持平行；450-500℃时，发射率下降趋势开始变强。
表1中30组待测物的真实温度T、校正前T1和校正后T0进行直线拟合，结果如图6 所示，T1表示设定红外热像仪初始发射率为1时测得的航空铝合金的温度变化曲线，T0表示进行发射率修正后的航空铝合金的温度变化曲线，T表示用接触式K型热电偶测量航空铝合金的温度变化曲线。从图中可以看出，未经过修正发射率的温度与接触式测温仪测得的温度相差很大，最小偏差为220.70℃，最大偏差为363.68℃，最大误差为73.54％，并且随着温度的升高偏差越来越大。由此可见发射率对红外测温的影响十分明显。经过发射率修正后红外热像仪测得的物体表面温度与真实温度吻合的较好，最小偏差为 1.81℃，最大偏差为5.22℃，最大误差为1.18％。并且误差比较稳定。这说明经过发射率修正的红外辐射测温法可以较准确地测量物体表面温度，其误差满足测量需求。
表1中30组待测物的真实温度T和校正前T1、校正后T0温度差值的绝对值进行直线拟合，结果如图7所示，纵坐标表示温度差△T，曲线△T1为热电偶测量的真实值与未校正前红外热像仪得出温度值差值的绝对值，曲线△T0表示热电偶测量的真实值与校正后红外热像仪得出温度值差值的绝对值。校正前的最小温度差为220.70℃、最大温度差为 363.92℃。可以很明显的看出，未校正的红外热像仪由于铝合金发射率的影响，温度差值越来越大，最小误差为70.11％，最大误差为73.54％，误差基本稳定在72.00％附近。这是由于温度升高，铝合金的发射率降低的缘故，导致温度差值会越来越大。矫正后的最小温度差值分别为1.81℃、最大温度误差为5.22℃，平均温度误差为3.21℃。最小误差为0.45％，最大误差为1.18％，平均误差为0.98％。由此说明矫正后的热像仪测量温度数值精确且稳定度较好，误差较小。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种CCD和红外热像仪相结合的物体表面温度测量方法，其特征在于：其包括以下步骤：
S1，确定CCD相机中修正参数K值的大小，具体步骤包括：
(1)启动黑体炉，CCD相机的镜头瞄准黑体炉的靶子，使得黑体空腔的数字图像成像在计算机显示器的中心，然后，设置CCD相机的增益为自动增益控制，关闭白平衡开关；
(2)安装好黑体炉控温系统；
(3)确定CCD相机的测温范围，在温差范围内每隔A度标定一次，共标定S个标定测温点，通常S≥15；将黑体炉控温系统的温度当做CCD测温仪器测得的温度，设定控温系统一个温度T，CCD输出一组R、G、B值，当达到稳定状态时，读取R、G、B值和温度T；
(4)获取标定后的K值：
对每一个标定测温点，获取CCD相机中的K值：
其中，KR，KG，KB为红、绿、蓝三路信号每次测量的增益系数，通过黑体标定得到；
(5)同时，对每一个标定测温点，根据CCD相机输出的R、G、B值，计算ln(RB/G2)的值；
对每一个标定测温点，得到一个(ln(RB/G2)，K)的坐标点，其中ln(RB/G2)为横坐标，K值为纵坐标，根据ln(RB/G2)和K值进行拟合出CCD相机的K值标定曲线图；
S2，CCD相机分别获得第一背景和第二背景下的目标物体和参考体的图像，并通过图像处理分别得到四张图像的单通道辐射灰度图的平均灰度值；
S3，使用三基色测温法的辐射温度计算模型，分别得到第一背景目标物体温度Tr1、第一背景参考体温度Tr2、第二背景目标物体温度Tr3和第二背景参考体温度Tr4；
4，根据三基色测温法和双背景辐射原理，得到目标物体的初始发射率；
所述目标物体的初始发射率模型为：
其中，L(Tr1)为第一背景下目标物体的辐射出射度，L(Tr2)为第二背景下目标物体的辐射出射度，L(Tr3)为第一背景下参考体的辐射出射度，L(Tr4)为第二背景下参考体的辐射出射度；εm(T0)是目标物体的初始发射率；εR是参考体的表面法向发射率；
S5，将构建发射率校正后的红外测温模型，进行目标温度的校正，得到测量物体表面真实温度；
关闭外加辐射源，待环境温度恢复稳定后，将红外热像仪移动到CCD相机测量目标物体的测量位置，测出目标物体的准确温度，根据红外热辐射原理可得：
式中，其中T0为待测物体真实表面温度，Tr为红外热像仪校正前测量的物体表面温度，εm(T0)是目标物体的初始发射率，εR为参考体的表面法向发射率，n表示开方，当红外热像仪使用短波时取2，长波段时取4。
2.根据权利要求1所述的CCD和红外热像仪相结合的物体表面温度测量方法，其特征在于：所述步骤S2，CCD相机分别获得第一背景和第二背景下的目标物体和参考体的图像，并通过图像处理分别得到四张图像的单通道辐射灰度图的平均灰度值；具体包括以下步骤：
(1)准备一个表面结构与待测物体相似的材料，在准备的材料上涂上已知发射率的黑漆作为参考体；
(2)将参考体与目标物体平行放置，目标物体需放置在陶瓷加热炉上，在第一背景下用陶瓷加热炉加热目标物体，待温度稳定后用CCD相机分别采集第一背景目标物体图像和第一背景参考体图像；
(3)关闭陶瓷加热炉，等目标物体温度稳定后，通过改变环境辐射来改变第一背景得到第二背景，通过外加辐射源对目标物体和参考体同时进行投射，辐射一段时间后，待目标物体和参考体温度稳定后再分别用CCD相机分别采集第二背景目标物体图像和第二背景参考体图像；
(4)分别对CCD相机采集到的第一背景目标物体图像、第一背景参考体图像、第二背景目标物体图像和第二背景参考体图像进行图像处理，将每个采集的图像进行R、G、B单通道分离，分别得到单色辐射图像，将单色辐射图像灰度化处理得到三通道的灰度图进行单通道辐射灰度图的灰度值提取，得到每个像素点的灰度值，算出平均灰度值，对单通道辐射灰度图根据每个像素点的灰度值计算得到平均灰度值。
3.根据权利要求1所述的CCD和红外热像仪相结合的物体表面温度测量方法，其特征在于：所述步骤S3，使用三基色测温法的辐射温度计算模型，分别得到第一背景目标物体温度Tr1、第一背景参考体温度Tr2、第二背景目标物体温度Tr3和第二背景参考体温度Tr4；具体为：
利用彩色CCD相机输出的三个等效波长，R、G、B三个通道的信息，经过数据处理得到物体的温度，三基色测温法的辐射温度计算模型为：
其中，K为根据CCD相机输出的R、G、B值从步骤S5中K值标定曲线中获取的标定后的K值，Re，Ge和Be分别为根据获取的红、绿、蓝单通道辐射灰度图的平均灰度值；λR、λG和λB为彩色CCD相机红、绿、蓝三基色对应的代表性波长；C2为第二辐射常数；
根据步骤S2中第一背景目标物体图像、第一背景参考体图像、第二背景目标物体图像和第二背景参考体图像的红、绿、蓝单通道辐射灰度图的平均灰度值分别计算得到第一背景目标物体温度Tr1、第一背景参考体温度Tr2、第二背景目标物体温度Tr3和第二背景参考体温度Tr4。
4.根据权利要求1所述的CCD和红外热像仪相结合的物体表面温度测量方法，其特征在于：所述步骤S4中目标物体的表面发射率模型推导过程如下：
根据双背景辐射法，在第一背景下目标物体和参考体的辐射出射度计算公式分别为：
L(Tr1)＝τa{εm(T0)L(T0)+[1-εm(T0)]L(TB1)}+(1-τa)L(Ta) (3)
L(Tr3)＝τa[εRL(TR)+(1-εR)L(TB1)]+(1-τa)L(Ta) (4)
改变环境辐射后在第二背景下，目标和参考体的辐射出射度计算公式分别为：
L(Tr2)＝τα{εm(T0)L(T0)+[1-εm(T0)]L(TB2)}+(1-τα)L(Tα) (5)
L(Tr4)＝τα{εRL(TR)+[1-εR]L(TB2)}+(1-τα)L(Tα) (6)
其中，L(Tr1)为第一背景下目标物体的辐射出射度，L(Tr2)为第二背景下目标物体的辐射出射度，L(Tr3)为第一背景下参考体的辐射出射度，L(Tr4)为第二背景下参考体的辐射出射度；τα为大气透射率；εm(T0)是目标物体的初始发射率；L(T0)为目标物体表面辐射出射度；L(TB1)为第一背景下的环境辐射出射度；L(Tα)为大气辐射出射度；εR是参考体的表面法向发射率；L(TR)为参考体表面辐射出射度；L(TB2)为第二背景下的环境辐射出射度；TB1为第一背景下等效环境辐射温度，TB2为第二背景下的等效环境辐射温度；
根据式(3)-(6)四式，可以化简推导出：
因此，得到目标物体的表面发射率模型为：
其中，采用双背景辐射法和采用三基色测温法对相同的物体在相同温度下得到的辐射出射度是相同的，因此：
其中，Tr1为第一背景目标物体温度、Tr2为第一背景参考体温度、Tr3为第二背景目标物体温度和Tr4为第二背景参考体温度；λ为三基色中的代表性波长RGB中的任一个，公式(10)-(13)中所选择的λ为同一基色的代表性波长，ε(λ，Tr1)为第一背景目标物体温度发射率；ε(λ，Tr2)为第一背景参考体温度发射率，ε(λ，Tr3)为二背景目标物体温度发射率，ε(λ，Tr4)为第二背景参考体温度发射率；c1为第一辐射常数；c2为第二辐射常数。
5.根据权利要求1所述的CCD和红外热像仪相结合的物体表面温度测量方法，其特征在于：所述CCD相机的红、绿、蓝三基色的代表性波长分别为λR＝620nm，λG＝545nm，λB＝470nm；CCD相机的测温范围为573.16K-783.16K，在温差范围内每隔10K标定一次，共22个标定测温点。
6.一种使用权利要求所述CCD和红外热像仪相结合的物体表面温度测量方法的系统，其特征在于：其包括以下装置：测温设备、物体加热设备和终端设备；
所述测温设备包括基座、红外热像仪、CCD相机；所述基座由导轨和支架组成，导轨安装在支架上，支架对导轨起支撑作用，CCD相机和红外热像仪安装在导轨上并且可以水平移动；红外热像仪用于直接测量物体表面温度；CCD相机用于拍摄物体图像，包括镜头，CCD，CCD触发线和千兆网线组成，所述镜头用于调焦，方便获取更为清晰的图像；所述CCD用于采集图片信息；所述CCD触发线，为CCD相机供电；所述千兆网线，用于数据传输；
所述加热设备包括陶瓷加热炉和外加辐射源，所述陶瓷加热炉，为物件提供加热条件，且温度可控；所述外加辐射源，为目标提供双背景环境，改变环境背景辐射；
所述终端设备，用于接收CDD相机传送的数据并进行数据处理。
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