CN117268563B - 一种基于黑体辐射的辐射出射度与灰度关系曲线测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于黑体辐射的辐射出射度与灰度关系曲线测量方法，包括：逐步增加黑体炉温度，通过摄像机对不同温度下的黑体炉炉膛分别进行多次拍摄，直到黑体炉达到温度上限；对拍摄的图片进行边界识别和区域切割，再对其黑体炉范围内进行双色灰度值计算，将黑体炉温度的测量转换为对辐射出射度的测量，并建立辐射出射度与图像灰度的对应关系；根据双色辐射测温法确定测温所需的系数，将对黑体炉温度的测量转换为对黑体炉辐射出射度比值的测量，得到辐射出射度与图像灰度的关系，拟合得到曲线系数。本发明经过标定后的获得曲线系数，可以实现任意曝光时间的温度测量，可实现瞬时、非接触式测温的需求。

Description

一种基于黑体辐射的辐射出射度与灰度关系曲线测量方法

技术领域

本发明涉及辐射学领域，尤其涉及一种基于黑体辐射的辐射出射度与灰度关系曲线测量方法。

背景技术

对于火焰燃烧现象及等离子体放电等近似黑体辐射的现象，基于双色辐射法测量其整体平均温度或者建立温度场，可以满足在非接触的条件下其对火焰发展或辐射功率测量的研究需求。然而在实际应用中，不同的图像采集设备感光效果存在差异，因此在测量前需要对图像采集设备进行标定，其重点在于找到指定图像采集设备对光学信号的捕捉效果，而该捕捉效果通常是以图像灰度的形式进行体现，因此，如何找到指定图像采集设备的目标出射度和目标灰度的相关关系是标定过程中的重点，但是在对目标辐射出射度和采集图像灰度的关系进行标定过程中，摄像机曝光时间、光圈、目标大小以及温度对灰度特性均有影响，进而使标定过程变量过多难以顺利开展，如何解决该问题是目前需要考虑的。

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，提供了一种基于黑体辐射的辐射出射度与灰度关系曲线测量方法，将辐射出射度与灰度关系的评估转化为对黑体辐射源在指定条件下的图像捕捉，通过调节摄像机曝光时间、图像分割、最小二乘法等方法，找到针对指定设备采集到的图像灰度及光源辐射出射度的关系。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于黑体辐射的辐射出射度与灰度关系曲线测量方法，所述测量方法包括：

逐步增加黑体炉温度，通过锁定曝光时间和光圈的摄像机对不同温度下的黑体炉炉膛分别进行多次拍摄，直到黑体炉达到温度上限或者图像灰度饱和；

对每次拍摄的图片进行边界识别和区域切割，再对其黑体炉范围内进行双色灰度值计算，将黑体炉温度的测量转换为对辐射出射度的测量，并建立辐射出射度与图像灰度的对应关系；

根据双色辐射测温法确定测温所需的系数，并将对黑体炉温度的测量转换为对黑体炉辐射出射度比值的测量，得到辐射出射度与图像灰度的关系，并进行曲线拟合得到曲线系数，根据得到的系数实现对目标温度的测量。

所述将黑体炉温度的测量转换为对辐射出射度的测量具体包括以下内容：

根据维恩公式建立温度和辐射出射度的对应关系为将黑体炉温度的测量转换为辐射出射度的测量，其中，M(λ,T)是指定温度和波长的黑体辐射出射度，ε(λ,T)为人工黑体辐射率，λ为波长，C₁、C₂为普朗克常数，T为目标绝对温度。

所述建立辐射出射度与图像灰度的对应关系具体包括以下内容：

根据摄像机拍摄原理，图像灰度与曝光时间成正比，与光圈系数的平方成反比，与黑体炉的辐射出射度成正比，引入截距系数以减小误差，得到图像双色灰度对应的辐射出射度关系为其中，R、G分别为红绿双色光灰度值，k^′ _r，k_g ^′为比例系数，b_r，b_g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)分别为红绿双色单位球面角的辐射亮度，数值与M(λ_r,T),M(λ_g,T)相等，M(λ_r,T),M(λ_g,T)为双色辐射出射度，λ_r、λ_g表示R、G双色光谱响应曲线峰值对应的波长。

所述根据双色辐射测温法确定测温所需的系数，计算得到黑体炉的温度，并将对黑体炉温度的测量转换为对黑体炉辐射出射度比值的测量具体包括以下内容：

将对黑体炉温度的测量转换为对黑体炉辐射出射度比值的测量，得到锁定曝光时间和光圈系数不变，仅调整黑体炉温度，将图像双色灰度对应的辐射出射度关系变换为R＝k_rM(λ_r,T)+b_r；G＝k_gM(λ_g,T)+b_g，根据图像双色灰度R、G和双色辐射出射度M(λ_r,T),M(λ_g,T)确定此时的比例系数k_r，k_g；

根据双色辐射侧测温原理，将此时的比例系数k_r，k_g代入公式 实现对待测目标温度T1的测量。

所述测量方法还包括准备步骤，所述准备步骤具体包括以下内容：

搭建辐射出射度标定平台，调整摄像机与黑体炉相对位置及焦距，使其可以清晰拍摄黑体炉炉膛图片；

选择待标定温度的下限，锁定光圈不变，调整曝光时间使所拍摄的图像灰度趋近于0。

本发明具有以下优点：一种基于黑体辐射的辐射出射度与灰度关系曲线测量方法，经过标定后的获得曲线系数，可以实现任意曝光时间的温度测量，可实现瞬时、非接触式测温的需求，对指定设备进行标定，使任意一台图像采集设备均可以具有测温功能，同时支持温度场的建立，获得标定系数后，可针对采集到的图片进行逐个像素的温度计算。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为黑体炉炉膛图片阈值分割后边界识别示意图；

图3为红色辐射出射度与图像灰度关系示意图；

图4为绿色辐射出射度与图像灰度关系示意图。

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，本发明具体涉及一种对黑体炉辐射出射度与图像灰度相关关系曲线系数的测量方法，具体包括以下步骤：。

步骤一：搭建辐射出射度标定平台，调整摄像机与黑体炉相对位置及焦距使其可以清晰拍摄黑体炉炉膛图片；

步骤二：选择待标定温度的下限，锁定光圈不变，调整曝光时间使所拍摄的图像灰度很小但不为0；

步骤三：锁定曝光时间与光圈，以合适的步长增加黑体炉温度，对不同温度下的黑体炉炉膛分别进行拍摄，每次拍摄5张照片，直至黑体炉达到温度上限或图像灰度接近饱和；

步骤四：对每次拍摄到的5张照片进行边界识别和区域切割，再对其黑体炉范围内进行双色灰度值计算，将黑体炉温度的测量转换为对辐射出射度的测量，并建立辐射出射度与图像灰度的对应关系；

进一步地，根据维恩公式建立温度和辐射出射度的对应关系为将黑体炉温度的测量转换为辐射出射度的测量，其中，M(λ,T)是指定温度和波长的黑体辐射出射度，ε(λ,T)为人工黑体辐射率，λ为波长，C₁、C₂为普朗克常数，T为目标绝对温度。

根据摄像机拍摄原理，图像灰度与曝光时间成正比，与光圈系数的平方成反比，与黑体炉的辐射出射度成正比，引入截距系数以减小误差，得到图像双色灰度对应的辐射出射度关系为其中，R、G分别为红绿双色光灰度值，k^′ _r，k_g ^′为比例系数，b_r，b_g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)分别为红绿双色单位球面角的辐射亮度，数值与M(λ_r,T),M(λ_g,T)相等，M(λ_r,T),M(λ_g,T)为双色辐射出射度，λ_r、λ_g表示R、G双色光谱响应曲线峰值对应的波长。

步骤五、根据双色辐射测温法确定测温所需的系数，计算得到黑体炉的温度，并将对黑体炉温度的测量转换为对黑体炉辐射出射度比值的测量，得到辐射出射度与图像灰度的关系，并进行曲线拟合得到曲线系数。

进一步地，将对黑体炉温度的测量转换为对黑体炉辐射出射度比值的测量，得到锁定曝光时间和光圈系数不变，仅调整黑体炉温度，将图像双色灰度对应的辐射出射度关系变换为R＝k_rM(λ_r,T)+b_r；G＝k_gM(λ_g,T)+b_g，根据图像双色灰度R、G和双色辐射出射度M(λ_r,T),M(λ_g,T)确定此时的比例系数k_r，k_g；

根据双色辐射侧测温原理，将此时的比例系数k_r，k_g代入公式 实现对待测目标温度T1的测量。

其中，步骤四中通过最大类间方差阈值分割确定黑体炉边界，处理得到图像红绿色灰度，得到分割后的图像如图2所示。

如图3和图4所示，最后将图像双色灰度与对应的辐射出射度进行线性拟合，得到相应的曲线系数。

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)

1.一种基于黑体辐射的辐射出射度与灰度关系曲线测量方法，其特征在于：所述测量方法包括：

逐步增加黑体炉温度，通过锁定曝光时间和光圈的摄像机对不同温度下的黑体炉炉膛分别进行多次拍摄，直到黑体炉达到温度上限或者图像灰度饱和；

对每次拍摄的图片进行边界识别和区域切割，再对其黑体炉范围内进行双色灰度值计算，将黑体炉温度的测量转换为对辐射出射度的测量，并建立辐射出射度与图像灰度的对应关系；

根据双色辐射测温法确定测温所需的系数，并将对黑体炉温度的测量转换为对黑体炉辐射出射度比值的测量，得到辐射出射度与图像灰度的关系，并进行曲线拟合得到曲线系数，根据得到的系数实现对目标温度的测量；

所述将黑体炉温度的测量转换为对辐射出射度的测量具体包括以下内容：

根据维恩公式建立温度和辐射出射度的对应关系为将黑体炉温度的测量转换为辐射出射度的测量，其中，M(λ,T)是指定温度和波长的黑体辐射出射度，ε(λ,T)为人工黑体辐射率，λ为波长，C₁、C₂为普朗克常数，T为目标绝对温度；

所述建立辐射出射度与图像灰度的对应关系具体包括以下内容：

根据摄像机拍摄原理，图像灰度与曝光时间成正比，与光圈系数的平方成反比，与黑体炉的辐射出射度成正比，引入截距系数以减小误差，得到图像双色灰度对应的辐射出射度关系为其中，R、G分别为红绿双色光灰度值，k^′ _r，k_g ^′为比例系数，b_r，b_g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)分别为红绿双色单位球面角的辐射亮度，数值与M(λ_r,T),M(λ_g,T)相等，M(λ_r,T),M(λ_g,T)为双色辐射出射度，λ_r、λ_g表示R、G双色光谱响应曲线峰值对应的波长；

所述根据双色辐射测温法确定测温所需的系数，将对黑体炉温度的测量转换为对黑体炉辐射出射度比值的测量具体包括以下内容：

将对黑体炉温度的测量转换为对黑体炉辐射出射度比值的测量，得到锁定曝光时间和光圈系数不变，仅调整黑体炉温度，将图像双色灰度对应的辐射出射度关系变换为R＝k_rM(λ_r,T)+b_r；G＝k_gM(λ_g,T)+b_g，根据图像双色灰度R、G和双色辐射出射度M(λ_r,T),M(λ_g,T)确定此时的比例系数k_r，k_g；

根据双色辐射测温原理，将此时的比例系数k_r，k_g代入公式 实现对待测目标温度T1的测量。

2.根据权利要求1所述的一种基于黑体辐射的辐射出射度与灰度关系曲线测量方法，其特征在于：所述测量方法还包括准备步骤，所述准备步骤具体包括以下内容：

搭建辐射出射度标定平台，调整摄像机与黑体炉相对位置及焦距，使其可以清晰拍摄黑体炉炉膛图片；

选择待标定温度的下限，锁定光圈不变，调整曝光时间使所拍摄的图像灰度趋近于0。