CN117268562B - 一种基于双色测温的瞬时热辐射功率测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双色测温的瞬时热辐射功率测定方法，包括：通过高速摄像机对拍摄逐渐增大或减小搭建链路输入参数，直至达到图像灰度边界或现象消失的整个过程，得到瞬态目标图像；对瞬态目标图像进行边界识别和阈值切割，得到目标红绿双色图像灰度R、G，以及目标尺寸，根据目标尺寸得到目标辐射区域面积；根据目标红绿双色图像灰度R、G与目标瞬时温度的关系通过双色测温法计算得到目标瞬时温度；根据目标瞬时温度和目标瞬时辐射功率的关系以及目标辐射区域面积计算得到目标瞬时功率。本发明能够针对微秒级、纳秒级瞬时温度变化进行标定，完成对瞬态目标辐射功率的有效评估。

Description

一种基于双色测温的瞬时热辐射功率测定方法

技术领域

本发明涉及辐射功率测量技术领域，尤其涉及一种基于双色测温的瞬时热辐射功率测定方法。

背景技术

对于空气放电及强迫引燃等瞬态火花、火焰发展现象，目标的瞬时功率积累是一种测定能量的有效手段；其中，除了便于观测的反射率外，等离子体与温度场耦合导致的传热现象同样是目标净积累功率评估不可忽视的能量损耗途径；等离子体与温度场的热传导方式包括传导散热、对流散热和辐射散热，针对火花、火焰等瞬态过程，由于时间跨度极小，辐射散热是目标传热的主要方式，现有光谱法由于需要足够的时间积累，导致其不适用于瞬时辐射功率的测量，因此，如何测量瞬时辐射功率是目前需要考虑的问题。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息只用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种基于双色测温的瞬时热辐射功率测定方法，解决了现有光谱法难以测量目标瞬态能量的问题。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于双色测温的瞬时热辐射功率测定方法，所述测定方法包括：

通过高速摄像机对拍摄逐渐增大或减小搭建链路输入参数，直至达到图像灰度边界或现象消失的整个过程，得到瞬态目标图像；

对瞬态目标图像进行边界识别和阈值切割，得到目标红绿双色图像灰度R、G，以及目标尺寸，根据目标尺寸得到目标辐射区域面积S；

根据目标红绿双色图像灰度R、G与目标瞬时温度的关系通过双色测温法计算得到目标瞬时温度T；

根据目标瞬时温度T和目标瞬时辐射功率的关系以及目标辐射区域面积S计算得到目标瞬时功率P_r。

所述根据目标红绿双色图像灰度R、G与目标瞬时温度的关系通过双色测温法计算得到目标瞬时温度T包括：

建立目标瞬时温度和图像灰度的关系将目标瞬时温度的测量转换为红绿双色图像灰度比值的测量，根据公式计算得到目标瞬时温度，其中，λ_r、λ_g分别为红绿光波长，C₂为普朗克常数，k_r，k_g为比例系数，b_r，b_g为截距系数。

所述根据目标瞬时温度T和目标瞬时辐射功率的关系以及目标辐射区域面积S计算得到目标瞬时功率P_r包括：

建立目标瞬时辐射功率和瞬时温度关系将目标瞬时辐射功率的测量转换目标瞬时温度的测量，根据公式计算得到目标瞬时辐射功率，其中，S为目标辐射区域面积，ε(λ，T)为人工黑体辐射率，λ为波长，C₁、C₂为普朗克常数。

所述建立目标瞬时温度和图像灰度的关系具体包括：

根据CMOS感光相机原理在光圈系数固定曝光时间不固定时，三色灰度和可见光波段下的辐射亮度关系为R＝k_rL(λ_r，T)t+b_r；G＝k_gL(λ_g，T)t+b_g；B＝k_bL(λ_b，T)t+b_b，其中，R、G、B分别为红绿蓝三色光灰度值，k_r、k_g、k_b为比例系数，b_r，b_g，b_b分别为截距系数，t为曝光时间，F为光圈系数，L(λ_r，T)，L(λ_g，T)，L(λ_b，T)分别为三色辐射亮度；

单位球面角下三色光辐射亮度分别为 和

针对高温目标，选择将红绿色辐射亮度L(λ_r，T)，L(λ_g，T)作比得到辐射亮度比值与温度的关系

由于高温目标辐射成分是辐射光谱连续的固体颗粒，因此将目标当作灰体处理，则ε(λ_r，T)＝ε(λ_g，T)，此时

根据可将目标瞬时温度公式转换为/>通过获得目标红色与绿色灰度值即可计算得到目标瞬时温度。

所述建立目标瞬时辐射功率和瞬时温度关系具体包括：

在瞬态过程中目标热辐射波长λ与温度T的乘积远小于普朗克常数C₂，则根据普朗克定律将普朗克公式简化为维恩公式M(λ，T)为单色辐射出射度，C₁、C₂为普朗克常数；

根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律通过对普朗克定律在全波长上积分得到σ＝5.67×10^-8w/(m²K⁴)，则通过某点温度进而得出该点辐射出射度；

根据辐射学概念，单位球面度的辐射亮度L(λ)和辐射出射度M(λ)数值相等，则单位球面角下单色光辐射亮度L(λ，T)为ε(λ，T)为人工黑体辐射率，对于特征尺度为r的目标区域，辐射强度和辐射亮度的关系为I＝L(λ，T)r²，其中，L(λ，T)与M_B数值相等；

则根据几何关系，球面整体包含4π个单位球面度，则总辐射功率为P_r＝4πI＝4πr²L(λ，T)，其中，4πr²即为目标辐射面面积S，因此瞬时辐射功率P_r与温度T关系可表示为

所述搭建链路包括：

搭建微波放电链路，设置微波放电频率f，选择预设注入功率触发放电现象，通过高速摄像机进行拍摄；

或者搭建静电放电链路，参考静电扩展时间选取设置的曝光时间，通过高速摄像机进行拍摄；

或者搭建点火链路参考瞬态火焰扩展时间选取设置的曝光时间，通过高速摄像机进行拍摄。

本发明具有以下优点：一种基于双色测温的瞬时热辐射功率测定方法，能够针对微秒级、纳秒级瞬时温度变化进行标定，完成对瞬态目标辐射功率的有效评估；不仅能进行瞬时温度和热辐射功率测定，而且能够通过控制曝光时间进行图像灰度积累，完成一定时间区间的平均辐射功率计算；不仅能针对完整目标区域进行平均温度标定，而且通过图像像素灰度的阈值识别和切割，能够进行目标区域温度的标定；通过获得的目标瞬时温度参数，能完成瞬态目标辐射功率的标定，标定结果重复性高，且采用红绿双色图像灰度比值方法保证结果更加准确。

附图说明

图1为本发明实施方式1的流程示意图；

图2为实施方式1中摄像机拍摄的火花图片示意图；

图3为实施方式1中火花阈值分割后的图片示意图；

图4为实施方式1中拟合圆的示意图；

图5为本发明实施方式2的流程示意图；

图6为本发明实施方式3的流程示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示，本发明其中一种实施方式涉及一种微波放电火花热辐射功率的测定方法，用于评估微波放电火花瞬时辐射功率，具体包括以下步骤：

步骤一：搭建微波放电链路，设置微波放电频率f，选取合适注入功率触发放电现象，应用高速摄像机拍摄5张照片；

步骤二：选取合适步长，逐渐增大或减小输入功率，直至到达图像灰度边界或放电现象消失，记录球形放电火花图像；

步骤三：针对火花图像进行边界识别和区域切割，获取火花半径r和火花图像红绿色灰度R、G；

步骤四：通过红绿色图像灰度比值，重复双色测温法步骤即可完成火花温度T标定，进一步基于火花温度进行瞬时辐射功率计算，即可完成辐射功率的等效评估。

进一步地，步骤三通过最大类间方差阈值分割确定火花边界，处理得到红绿色图像灰度，得到分割后结果如图2和图3所示，由于微波放电火花呈圆球状，因此通过最小二乘法拟合圆，逐点计算使公式最小，式中，图像边界像素点坐标为(x_i，y_i)，共N_b个边界像素点，(x₀，y₀)为圆心坐标，r为半径，计算时以图像上每一点坐标均作为圆心(x₀，y₀)参与计算找到r取特定值时的上式最小值，最终找到最合理的圆心坐标即拟合圆半径如图4所示，对同一时刻5张图片火花像素半径取平均值，根据相机视距关系获得火花半径r，则此时目标辐射面面积表示为：S＝4πr²，随后，对火花范围内像素进行均方根计算，对同一时刻5张图片灰度取平均值，得到该条件下火花灰度R、G。

最终，步骤四将火花红绿双色灰度带入双色测温原理比值计算式即可得到该条件下火花瞬时温度，最后利用火花温度即可算得辐射亮度及辐射功率，完成对瞬时辐射功率的等效评估。

其中，利用火花温度即可算得辐射亮度及辐射功率具体包括以下内容：

建立火花瞬时功率和瞬时温度关系，如下所示：

式中，S为火花辐射区域面积，ε(λ，T)为人工黑体辐射率，λ为波长，C₁、C₂为普朗克常数，T为火花瞬时温度，即绝对温度，由此，完成火花瞬时辐射功率向温度测定的转化。

进一步地，普朗克定律是黑体辐射领域中最根本的理论，在真空或者空气中的温度为T的理想黑体，它的辐射出射度可以表示为：

式中，M(λ，T)为单色辐射出射度，单位为W/m2，T为绝对温度，λ为波长，C₁、C₂为普朗克常数，分别为3.742×10^-16W·m²和1.4388×10^-2m·K。由于瞬态过程火花热辐射波长λ与温度T的乘积远小于C₂，则普朗克公式可简化为维恩公式：

斯蒂芬-玻尔兹曼定律是用于描述黑体单位表面积向整个半球空间发射的全波长范围内的总辐射出射度M_B与温度的T关系的公式，通过对普朗克定律在全波长上积分即可得到：

式中，σ＝5.67×10^-8W/(m²K⁴)，则根据上式可以通过某点温度进而得出该点辐射出射度。

根据辐射学概念：单位球面度，辐射亮度L(λ)和辐射出射度M(λ)数值相等，则对于人工黑体，单位球面角下单色光辐射亮度L(λ，T)为：

式中，ε(λ，T)为人工黑体辐射率。以球面目标为例，对于特征尺度为r的目标区域，总辐射强度和总辐射亮度有如下关系：

I＝L(λ，T)r²

其中L(λ，T)与M_B数值相等，I为辐射强度。根据几何关系，球面整体包含4π个单位球面度，则总辐射功率可表示为：

P_r＝4πI＝4πr²L(λ，T)

其中，4πr²即为目标辐射面面积S，因此瞬时辐射功率P_r与温度T关系可表示为：

建立火花瞬时温度和图像灰度的关系，如下所示：

式中，λ_r、λ_g分别为红绿光波长，L(λ，T)为火花辐射亮度，其中，红绿光辐射亮度比值为：

式中，k、b为红绿光温度曲线标定的比例系数和截距系数，R、G则为火花图像的红绿色灰度，由此，完成火花瞬时温度到红绿双色图像灰度比值问题的转化。

进一步地，根据CMOS感光相机原理，三色灰度和可见光波段下的辐射亮度关系表示为：

式中，R、G、B分别为红绿蓝三色光灰度值，k′_r，k′_g，k′_b为比例系数，b_r，b_g，b_b分别为截距系数，t为曝光时间，F为光圈系数，L(λ_r，T)，L(λ_g，T)，L(λ_b，T)分别为三色辐射亮度。单位球面角下单色光辐射亮度L(λ，T)为：

式中，λ_r、λ_g、λ_b表示R、G、B三色光谱响应曲线峰值对应的波长，分别对应700nm、546.1nm、435.8nm，ε(λ_r，T)、ε(λ_g，T)、ε(λ_b，T)分别为三色人工黑体辐射率

根据上式，在曝光时间、光圈系数与拍摄环境不变的情况下，曝光量将只与拍摄物体的亮度相关，单色灰度与对应的单位球面角辐射亮度呈线性对应关系，本测试方法中光圈系数固定但曝光时间不固定，故采用关系为：

R＝k_rL(λ_r，T)t+b_r；G＝k_gL(λ_g，T)t+b_g；B＝k_bL(λ_b，T)t+b_b

式中，k_r、k_g、k_b为比例系数。

基于单色光辐射亮度L(λ，T)表达式，对于任意两色辐射亮度做比即可得到辐射亮度比值与温度关系，针对1000k及以上高温目标，蓝光辐射亮度随温度变化不明显，因此选择红绿色辐射亮度L(λ_r，T)，L(λ_g，T)作比，得到：

由于高温目标辐射成分是辐射光谱连续的固体颗粒，因此将目标当作灰体处理，此时ε(λ_r，T)＝ε(λ_g，T)，则有：

因此测量目标瞬时温度时，只需测出目标即可，其比值表示为：

由此，只需要得到目标红色与绿色灰度值即可计算得到目标瞬时温度。

如图5所示，本发明的另一种实施方式涉及一种非接触式静电放电火花热辐射功率的测定方法，用于评估静电放电火花瞬时辐射功率，具体包括以下步骤：

步骤一：搭建静电放电链路，根据静电的柱形电弧触发放电现象，参考静电发展时间选取合适的曝光时间，应用高速摄像机拍摄5张照片；

步骤二：选取合适步长，逐渐增大或减小放电电压直至到达图像灰度边界或放电现象消失，记录圆柱状空气放电电弧图像；

步骤三：针对电弧图像进行边界识别和区域切割，获取电弧特征长度l、高度h，以及电弧图像红绿色灰度R、G；

步骤四：此时圆柱状电弧辐射面积为S＝πhl，通过红绿色图像灰度比值，重复双色测温法步骤即可完成电弧温度T标定，进一步基于电弧温度进行瞬时辐射功率计算即可完成辐射功率的等效评估。

其中，基于电弧温度进行瞬时辐射功率计算的具体内容与实施方式1中的内容一样。

如图6所示，本发明的又一种实施方式涉及一种火焰热辐射功率的测定方法，用于评估火焰瞬时辐射功率，具体包括以下步骤：

步骤一：搭建点火链路，参考瞬态火焰扩展时间选取合适的曝光时间应用高速摄像机拍摄5张照片；

步骤二：选取合适步长，逐渐增大或减小点火能量，直至到达图像灰度边界或火焰消失，记录火焰图像；

步骤三：针对火焰目标整个图像进行边界识别和区域切割，获取火焰特征尺度以及图像红绿色灰度R、G；

步骤四：通过红绿色图像灰度比值，重复双色测温法步骤即可完成火焰平均温度T_total标定，进一步基于火焰温度进行瞬时辐射功率计算，即可完成瞬时火焰的平均热辐射功率等效评估。

其中，基于区域温度进行瞬时辐射功率计算的具体内容与实施方式1中的内容一样。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和完善，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于双色测温的瞬时热辐射功率测定方法，其特征在于：所述测定方法包括：

通过高速摄像机对拍摄逐渐增大或减小搭建链路输入参数，直至达到图像灰度边界或现象消失的整个过程，得到瞬态目标图像；

对瞬态目标图像进行边界识别和阈值切割，得到目标红绿双色图像灰度R、G，以及目标尺寸，根据目标尺寸得到目标辐射区域面积S；

根据目标红绿双色图像灰度R、G与目标瞬时温度的关系通过双色测温法计算得到目标瞬时温度T；

根据目标瞬时温度T和目标瞬时辐射功率的关系以及目标辐射区域面积S计算得到目标瞬时功率P_r；

所述根据目标红绿双色图像灰度R、G与目标瞬时温度的关系通过双色测温法计算得到目标瞬时温度T包括：

建立目标瞬时温度和图像灰度的关系将目标瞬时温度的测量转换为红绿双色图像灰度比值的测量，根据公式计算得到目标瞬时温度，其中，λ_r、λ_g分别为红绿光波长，C₂为普朗克常数，k_r，k_g为比例系数，b_r，b_g为截距系数；

所述根据目标瞬时温度T和目标瞬时辐射功率的关系以及目标辐射区域面积S计算得到目标瞬时功率P_r包括：

建立目标瞬时辐射功率和瞬时温度关系将目标瞬时辐射功率的测量转换目标瞬时温度的测量，根据公式计算得到目标瞬时辐射功率，其中，S为目标辐射区域面积，ε(λ,T)为人工黑体辐射率，λ为波长，C₁、C₂为普朗克常数；

所述建立目标瞬时温度和图像灰度的关系具体包括：

根据CMOS感光相机原理在光圈系数固定曝光时间不固定时，三色灰度和可见光波段下的辐射亮度关系为R＝k_rL(λ_r,T)t+b_r；G＝k_gL(λ_g,T)t+b_g；B＝k_bL(λ_b,T)t+b_b，其中，R、G、B分别为红绿蓝三色光灰度值，k_r、k_g、k_b为比例系数，b_r，b_g，b_b分别为截距系数，t为曝光时间，F为光圈系数，L(λ_r,T),L(λ_g,T),L(λ_b,T)分别为三色辐射亮度；

单位球面角下三色光辐射亮度分别为 和

针对高温目标，选择将红绿色辐射亮度L(λ_r,T)，L(λ_g,T)作比得到辐射亮度比值与温度的关系

由于高温目标辐射成分是辐射光谱连续的固体颗粒，因此将目标当作灰体处理，则ε(λ_r,T)＝ε(λ_g,T)，此时

根据可将目标瞬时温度公式转换为/>通过获得目标红色与绿色灰度值即可计算得到目标瞬时温度；

所述建立目标瞬时辐射功率和瞬时温度关系具体包括：

在瞬态过程中目标热辐射波长λ与温度T的乘积远小于普朗克常数C₂，则根据普朗克定律将普朗克公式简化为维恩公式M(λ,T)为单色辐射出射度，C₁、C₂为普朗克常数；

根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律通过对普朗克定律在全波长上积分得到σ＝5.67×10^-8W/(m²K⁴)，则通过某点温度进而得出该点辐射出射度；

根据辐射学概念，单位球面度的辐射亮度L(λ)和辐射出射度M(λ)数值相等，则单位球面角下单色光辐射亮度L(λ,T)为ε(λ,T)为人工黑体辐射率，对于特征尺度为r的目标区域，辐射强度和辐射亮度的关系为I＝L(λ,T)r²，其中，L(λ,T)与M_B数值相等；

则根据几何关系，球面整体包含4π个单位球面度，则总辐射功率为P_r＝4πI＝4πr²L(λ,T)，其中，4πr²即为目标辐射面面积S，因此瞬时辐射功率P_r与温度T关系可表示为

2.根据权利要求1所述的一种基于双色测温的瞬时热辐射功率测定方法，其特征在于：所述搭建链路包括：

搭建微波放电链路，设置微波放电频率f，选择预设注入功率触发放电现象，通过高速摄像机进行拍摄；

或者搭建静电放电链路，参考静电扩展时间选取设置的曝光时间，通过高速摄像机进行拍摄；

或者搭建点火链路，参考瞬态火焰扩展时间选取设置的曝光时间，通过高速摄像机进行拍摄。