CN113899457B - 一种采用光谱检测的火焰彩色图像标定及温度图像检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用光谱检测的火焰彩色图像标定及温度图像检测方法，包括以下步骤：(1)设定火焰温度图像上有M×N个像素点，任意一点表示为(i,j)，i的取值范围为从1到M的整数，j的取值范围为从1到N的整数，将针对火焰中心方向对应的像素点设为(i0,j0)。本发明中，利用光谱仪获得火焰中心点的辐射强度，再利用彩色CCD相机获得二维温度彩色图像，建立R、G、B值与辐射强度之间的关系，求得火焰中心点的标定系数，利用标定系数标定二维图像上的每一个像素点，采用迭代的方法求得每一个像素点的温度与发射率，完成二维火焰彩色图像标定，本方法设定辐射率是波长的一阶函数，能够实时检测出每个波长下的辐射率，提高测温结果的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及热工测试技术领域，尤其涉及一种采用光谱检测的火焰彩色图像标定及温度图像检测方法。
背景技术
火焰温度和发射率是反映燃烧进程的两个重要参数，准确测量这两个参数对深入燃烧机理研宄具有指导作用，同时也对监控燃烧过程具有重要意义。现有技术中，通过双色法温度检测方法进行测定，这种方法操作简单，是目前利用火焰图像进行温度场重建的常用测量方法，这种方法通过忽略火焰黑度随波长变化，假设火焰满足灰性来测量火焰温度，根据辐射定律，利用两个波长下的单色辐射强度可以计算得到被测对象的温度，但是利用这种方法检测温度的前提是假设待测火焰满足灰性条件，事实上火焰的辐射率是随波长变化的，因此，得到的检测结果并不准确，目前，许多学者使用黑体炉对温度场进行标定，也是近几十年来在温度检测领域对温度进行标定的常用方法，但是黑体炉体积大，控温时间长，升温元件容易受到损伤，大多数情况下都是在实验室中进行应用，很难实现现场的、实时的标定。而工程中的探测器不可避免的会积灰，导致信号偏差，为了保证长时间的测量精度就需要周期性的标定，工程应用给传统的黑体炉标定带来了困难。所以，使用黑体炉对彩色火焰图像传感器进行标定的方法具有一定的局限性，发展一种采用光谱检测的火焰彩色图像标定及温度图像检测方法具有现实意义。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决上述问题，而提出的一种采用光谱检测的火焰彩色图像标定及温度图像检测方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种采用光谱检测的火焰彩色图像标定及温度图像检测方法，包括以下步骤：
(1)设定火焰温度图像上有M×N个像素点，任意一点表示为(i,j)，i的取值范围为从1到M的整数，j的取值范围为从1到N的整数，将针对火焰中心方向对应的像素点设为(i0,j0)；
(2)利用光谱仪对准火焰中心方向，获得火焰光谱辐射强度Iλ(i0,j0)；
(3)利用彩色CCD相机在与光谱仪相同方向上获得的红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色值分别为R(i0,j0)、G(i0,j0)、B(i0,j0)；设CCD传感器R、G、B三基色代表性波长分别为λR、λG、λB，则火焰中心方向图像像素R(i0,j0)、G(i0,j0)、B(i0,j0)对应的在其代表性波长λR、λG、λB下的火焰辐射强度IR(i0，j0)、IG(i0，j0)、IB(i0，j0)根据光谱仪检测结果直接获得；
(4)引入修正系数，cR为对R值的修正系数，cG为对G值的修正系数，cB为对B值的修正系数，建立图像中心像素点三基色信息R(i0,j0)、G(i0,j0)、B(i0,j0)与相应的辐射强度IR(i0，j0)、IG(i0，j0)、IB(i0，j0)之间的线性关系：
IR(i0，j0)＝cR·R(i0,j0) (1)
IG(i0，j0)＝cG·G(i0,j0) (2)
IB(i0，j0)＝cB·B(i0,j0) (3)
获得修正系数cR、cG、cB:
cR＝IR(i0，j0)/R(i0,j0) (4)
cG＝IG(i0，j0)/G(i0,j0) (5)
cB＝IB(i0，j0)/B(i0,j0) (6)；
(5)根据维恩定律，将发射率表示为波长的一阶函数辐，射强度的计算公式为：
式中，I为辐射强度，λ为波长，T为温度，ε为发射率，Ib为黑体辐射强度，a0、a1表示未知的多项式系数，c1和c2为普朗克常数；在工程实际中，碳氢火焰温度校正只需将发射率函数表达为一阶函数即可满足测量、标定精度要求；
(6)由式(10)，得到；
(7)三个方程中含有三个未知数，所以将式(11)和(12)联立求得：
(8)将式(14)、(15)带入式(16)中
采用迭代算法求出温度T(i,j)和发射率ε(i,j)＝a0(i,j)+a1(i,j)λ，完成对二维彩色温度图像的标定以及温度和辐射率图像的检测，同时得到二维温度图像T(i,j)和辐射率图像ε(i,j)。
优选地，所述步骤(4)中用修正系数cR、cG、cB将火焰图像全部像素的三基色信息转化为三个代表性波长下单色辐射强度分布图像IR(i，j)、IG(i，j)、IB(i，j)；
IR(i，j)＝cR·R(i,j) (7)
IG(i，j)＝cG·G(i,j) (8)
IB(i，j)＝cB·B(i,j) (9)。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本申请中，首先利用光谱仪对准火焰中心点，获得火焰中心点的辐射强度，再利用彩色CCD相机获得二维温度彩色图像，建立R、G、B值与辐射强度之间的关系，求得火焰中心点的标定系数，由于火焰表面并不严格满足灰体条件，发射率随火焰温度变化而变化，利用标定系数标定二维图像上的每一个像素点，采用迭代的方法求得每一个像素点的温度与发射率，从而完成二维火焰彩色图像标定，本方法设定辐射率是波长的一阶函数，能够实时检测出每个波长下的辐射率，提高测温结果的准确性。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例提供的光谱仪标定结构示意图；
图2示出了根据本发明实施例提供的方法总体流程图；
图3示出了根据本发明实施例提供的火焰原始图像示意图；
图4示出了根据本发明实施例提供的CCD的R、G、B图像示意图；
图5示出了根据本发明实施例提供的CCD的IR、IG、IB图像示意图；
图6示出了根据本发明实施例提供的温度分布图；
图7示出了根据本发明实施例提供的发射率分布图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：
1.一种采用光谱检测的火焰彩色图像标定及温度图像检测方法，包括以下步骤：
(1)设定火焰温度图像上有M×N个像素点，任意一点表示为(i,j)，i的取值范围为从1到M的整数，j的取值范围为从1到N的整数，将针对火焰中心方向对应的像素点设为(i0,j0)；
(2)利用光谱仪对准火焰中心方向，获得火焰光谱辐射强度Iλ(i0,j0)；
(3)利用彩色CCD相机在与光谱仪相同方向上获得的红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色值分别为R(i0,j0)、G(i0,j0)、B(i0,j0)；设CCD传感器R、G、B三基色代表性波长分别为λR、λG、λB，则火焰中心方向图像像素R(i0,j0)、G(i0,j0)、B(i0,j0)对应的在其代表性波长λR、λG、λB下的火焰辐射强度IR(i0，j0)、IG(i0，j0)、IB(i0，j0)根据光谱仪检测结果直接获得；
(4)引入修正系数，cR为对R值的修正系数，cG为对G值的修正系数，cB为对B值的修正系数，建立图像中心像素点三基色信息R(i0,j0)、G(i0,j0)、B(i0,j0)与相应的辐射强度IR(i0，j0)、IG(i0，j0)、IB(i0，j0)之间的线性关系：
IR(i0，j0)＝cR·R(i0,j0) (1)
IG(i0，j0)＝cG·G(i0,j0) (2)
IB(i0，j0)＝cB·B(i0,j0) (3)
获得修正系数cR、cG、cB:
cR＝IR(i0，j0)/R(i0,j0) (4)
cG＝IG(i0，j0)/G(i0,j0) (5)
cB＝IB(i0，j0)/B(i0,j0) (6)；
(5)根据维恩定律，将发射率表示为波长的一阶函数辐，射强度的计算公式为：
式中，I为辐射强度，λ为波长，T为温度，ε为发射率，Ib为黑体辐射强度，a0、a1表示未知的多项式系数，c1和c2为普朗克常数；在工程实际中，碳氢火焰温度校正只需将发射率函数表达为一阶函数即可满足测量、标定精度要求；
(6)由式(10)，得到；
(7)三个方程中含有三个未知数，所以将式(11)和(12)联立求得：
(8)将式(14)、(15)带入式(16)中
采用迭代算法求出温度T(i,j)和发射率ε(i,j)＝a0(i,j)+a1(i,j)λ，完成对二维彩色温度图像的标定以及温度和辐射率图像的检测，同时得到二维温度图像T(i,j)和辐射率图像ε(i,j)。
具体的，如图3至图5所示，步骤(4)中用修正系数cR、cG、cB将火焰图像全部像素的三基色信息转化为三个代表性波长下单色辐射强度分布图像IR(i，j)、IG(i，j)、IB(i，j)；
IR(i，j)＝cR·R(i,j) (7)
IG(i，j)＝cG·G(i,j) (8)
IB(i，j)＝cB·B(i,j) (9)。
采用光谱仪测量某电厂90％负荷下的火焰辐射能量，如表1；采用CCD相机获取火焰原始图像，如图3；火焰R、G、B图像如图4；根据中心点计算标定系数为：CR＝IR(i0,j0)/R(i0,j0)＝6.8936e+05，CG＝IG(i0，j0)/G(i0,j0)＝1.3350e+05，CB＝IB(i0，j0)/B(i0,j0)＝2.3761e+04；将中心点标定系数应用于所有像素，得到IR、IG、IB图像如图5，其中，三个代表性波长：λR＝0.6108um，λG＝0.5108um
λB＝0.4358um；温度分布如图6；发射率分布如图7。
表1实施例数据
综上所述，本实施例所提供的一种采用光谱检测的火焰彩色图像标定及温度图像检测方法，首先利用光谱仪对准火焰中心点，获得火焰中心点的辐射强度，再利用彩色CCD相机获得二维温度彩色图像，建立R、G、B值与辐射强度之间的关系，求得火焰中心点的标定系数，由于火焰表面并不严格满足灰体条件，发射率随火焰温度变化而变化，利用标定系数标定二维图像上的每一个像素点，采用迭代的方法求得每一个像素点的温度与发射率，从而完成二维火焰彩色图像标定。
实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (2)
1.一种采用光谱检测的火焰彩色图像标定及温度图像检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)设定火焰温度图像上有M×N个像素点，任意一点表示为(i,j)，i的取值范围为从1到M的整数，j的取值范围为从1到N的整数，将针对火焰中心方向对应的像素点设为(i0,j0)；
(2)利用光谱仪对准火焰中心方向，获得火焰光谱辐射强度Iλ(i0,j0)；
(3)利用彩色CCD相机在与光谱仪相同方向上获得的红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色值分别为R(i0,j0)、G(i0,j0)、B(i0,j0)；设CCD传感器R、G、B三基色代表性波长分别为λR、λG、λB，则火焰中心方向图像像素R(i0,j0)、G(i0,j0)、B(i0,j0)对应的在其代表性波长λR、λG、λB下的火焰辐射强度IR(i0，j0)、IG(i0，j0)、IB(i0，j0)根据光谱仪检测结果直接获得；
(4)引入修正系数，cR为对R值的修正系数，cG为对G值的修正系数，cB为对B值的修正系数，建立图像中心像素点三基色信息R(i0,j0)、G(i0,j0)、B(i0,j0)与相应的辐射强度IR(i0，j0)、IG(i0，j0)、IB(i0，j0)之间的线性关系：
IR(i0，j0)＝cR·R(i0,j0) (1)
IG(i0，j0)＝cG·G(i0,j0) (2)
IB(i0，j0)＝cB·B(i0,j0) (3)
获得修正系数cR、cG、cB:
cR＝IR(i0，j0)/R(i0,j0) (4)
cG＝IG(i0，j0)/G(i0,j0) (5)
cB＝IB(i0，j0)/B(i0,j0) (6)；
(5)根据维恩定律，将发射率表示为波长的一阶函数辐，射强度的计算公式为：
式中，I为辐射强度，λ为波长，T为温度，ε为发射率，Ib为黑体辐射强度，a0、a1表示未知的多项式系数，c1和c2为普朗克常数；在工程实际中，碳氢火焰温度校正只需将发射率函数表达为一阶函数即可满足测量、标定精度要求；
(6)由式(10)，得到；
(7)三个方程中含有三个未知数，所以将式(11)和(12)联立求得：
(8)将式(14)、(15)带入式(16)中
采用迭代算法求出温度T(i,j)和发射率ε(i,j)＝a0(i,j)+a1(i,j)λ，完成对二维彩色温度图像的标定以及温度和辐射率图像的检测，同时得到二维温度图像T(i,j)和辐射率图像ε(i,j)。
2.根据权利要求1所述的一种采用光谱检测的火焰彩色图像标定及温度图像检测方法，其特征在于，所述步骤(4)中用修正系数cR、cG、cB将火焰图像全部像素的三基色信息转化为三个代表性波长下单色辐射强度分布图像IR(i，j)、IG(i，j)、IB(i，j)；
IR(i，j)＝cR·R(i,j) (7)
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| GR01 | Patent grant | ||
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