JP2015045614A - 空間温度推定方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空間内の温度を推定する方法及び装置を提供する。【解決手段】予め計測された温度と煙霧体の密度との関係を求めておき、煙霧体に照射されて反射されたレーザ光線の撮像データを得て、撮像データからレーザ光線の強度を推定し、推定した強度から当該レーザ光線が反射された煙霧体の密度を推定し、推定した煙霧体の密度及び予め計測された温度と煙霧体の密度との関係に基づいて、前記空間の温度分布を推定するように構成した。【選択図】図２

Description

本発明は、空間の温度を推定する空間温度推定方法および装置に関する、より詳細には、空間中の煙霧体（aerosol：エアロゾル）にレーザ光線を照射し、煙霧体（煙霧体中の微粒子（煙霧質または気膠質））により反射したレーザ光線の撮像し、当該レーザ光線の像を用いて前記空間における温度を推定する方法および装置に関する。

実空間内の気流の特徴を計測して知ることは、空調機やサーバ等における消費エネルギーを削減していく上で必要かつ重要である。気流の基本特性として温度、速度および圧力があり、それらの３次元空間分布の計測には特殊な計測器を用いることができる（非特許文献１参照）。

鈴木康利著、車載半導体センサ技術の動向、デンソーテクニカルレビュー、Ｖｏｌ．９、Ｎｏ．２、Ｐ１０〜１８、２００４年

しかしながら、空間温度測定において、空間解像度（或いは分解能）を高めるためには、多くの計測器を配置することが求められ、コストの増大を招くという問題が指摘されてきた。温度分布については床や天井、あるいは筐体表面付近で計測することが広くなされてきているが、空間分布における計測については特殊な実験環境に限られることが多かった。温度センサについては単体当り、廉価なものを入手することができるが、空間内の１軸に沿って１０個ずつ配置しようとするだけで、１０００個も必要となる。また、センサの電源やＩＰ（インターネットプロトコル）接続の場合は、イーサケーブルが空間内において気流の流れを変えてしまう問題や設置の煩雑さの問題を伴う。また、センサ数の増加による消費電力が増大してしまう問題も生じる。そのため、空間内へのセンサ設置についてはなるべく少なくする場合がある。しかし、空間解像度の低下につながり、気流の細部にわたる動態を知ることが難しくなる。熱流体現象については不均一な温度分布を示すことが多いため、単純な線形補間などによる少数のセンサデータを用いることには精度上、限界があった。

以上述べたように、空間温度測定においては、以下の問題があった。
第１の問題点は、３次元の温度を少ないセンサ数で高分解能に計測することができなかった。
第２の問題点は、高精度な計測には、特殊な装置が必要であった。
第３の問題点は、少ない配線数、電力で広範囲に計測することが難しかった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、特殊な装置を用いることなく、少ない数のセンサを用い、少ない配線数および電力で、空間中の広範囲の温度を高分解能に推定する方法および装置を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、カメラ等の撮像装置により得られる撮像データを画像処理を介して広い空間内の温度計測（推定）する方法において、温度と煙霧体（本明細書中、単に煙ともいう。）の見かけの密度との関係から温度を推定する。より具体的には、広範囲を効率よく計測するために光学モデルを適用すること、温度と煙の関係性を利用すること、非線形にデータ補間をすること、および／または撮像データを介して画像処理を施すことを含む。

本発明の一態様である空間内の３次元温度分布を推定する装置は、予め計測された温度と煙霧体の密度との関係を記憶した記憶手段と、煙霧体を発生する煙霧体発生手段と、煙霧体にレーザ光線照射するレーザ光線照射手段と、煙霧体により反射されたレーザ光線を撮像し、撮像データを出力する撮像手段と、撮像データから前記反射されたレーザ光線の強度を推定する手段と、前記推定されたレーザ光の強度から当該レーザ光を反射した前記空間における煙霧体の密度を推定する手段と、前記推定された煙霧体の密度と、前記記憶手段に記憶された予め計測された温度と煙霧体の密度との関係とに基づいて、前記空間の温度分布を推定する手段とを備える。

一実施形態では、前記レーザ光線照射手段は、マトリック状に配置された複数のレーザ光源とすることができる。また、前記撮像データに対して非線形関数を用いた非線形補間法処理を行う補間処理手段を備える。

本発明の他の態様である空間内の３次元温度分布を推定する方法は、予め計測された温度と煙霧体の密度との関係を記憶した記憶手段と、煙霧体を発生する煙霧体発生手段、前記煙霧体にレーザ光線照射するレーザ光線照射手段と、撮像手段と、処理手段を備えた装置において、空間内の３次元温度分布を推定する方法である。該方法は、前記撮像手段が、前記煙霧体により反射されたレーザ光線を撮像し、撮像データを出力することと、前記処理手段が、前記撮像データから前記反射されたレーザ光線の強度を推定するステップと、前記処理手段が、前記推定されたレーザ光の強度から当該レーザ光を反射した前記空間における煙霧体の密度を推定するステップと、前記処理手段が、前記推定された煙霧体の密度と、前記記憶手段に記憶された予め計測された温度と煙霧体の密度との関係とに基づいて、前記空間の温度分布を推定するステップとを含む。一実施形態では、前記撮像データに対して非線形関数を用いた非線形補間法処理を行うステップをさらに備える。

以上説明したように、本発明によれば、特殊な装置を用いることなく、少ない数のセンサを用い、少ない配線数および電力で、空間中の広範囲の温度を高分解能に推定する方法および装置を提供することが可能となる。

本発明の一実施形態にかかる空間温度推定方法に用いるための、煙霧体の空間密度を温度との関係を事前に求める方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態にかかるに空間温度推定方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態にかかる空間温度推定方法および装置を説明するための図であり、（ａ）は測定環境に配置された空間温度推定装置の概略構成を示す図、（ｂ）はレーザ光線照射装置の概略構成を示す図、（ｃ）は撮像装置により撮像されたレーザ光線の像を示す図である。 煙霧体の密度を温度の関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態にかかる空間温度推定方法および装置により推定された温度を表示するユーザインタフェースを例示する図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
図３（ａ）は、一実施形態にかかる空間温度推定装置の概略構成を示す図である。本実施形態の空間温度推定装置は、暗室３００内に設置された、レーザ光線３０４を発射するレーザ光線照射装置３０２と、煙霧体３１０を発生する煙霧体発生装置３０８と、前記煙霧体中の煙霧質により反射されたレーザ光線を撮像し撮像データを出力する撮像装置３０６とを含む。図３（ａ）において、レーザ光線照射装置３０２がレーザ光線を発射する方向をｘ軸とし、ｘ軸を含む水平面のｘ軸に直交する方向をｙ軸とし、水平面（ｘ−ｙ面）に垂直な方向をｚ軸としている。

図３（ｂ）は、レーザ光線照射装置３０２の概略構成を示す図である。レーザ光線照射装置３０２にはｙ−ｚ面内に格子状に配列された５×５個のレーザ光源が配設されている。レーザ光線照射装置３０２および煙霧体発生装置３０８は、レーザ光線照射装置が発射したレーザ光線が、煙霧体発生装置が発生する煙霧体３１０に照射されるように、位置を調整して配置される。レーザ光線照射装置３０２に配設されるレーザ光源の数は５×５個に限られず、また、配列方法は格子状に限られない。煙霧体発生装置３０８は、ｚ軸方向に煙霧体は発生する。煙霧体発生装置３０８は、板状（あるいは帯状または棒状）の煙霧体を発生する。煙霧体発生装置３０８は、反射されたレーザ光線の像が撮像装置３０６により撮像される程度の幅（空間における密度（濃度））を有する煙霧体を発生するのが望ましい。

撮像装置３０６は、煙霧体３１０に照射され、煙霧体の煙霧質により反射されたレーザ光線を撮像し、撮像データを出力する。図３（ａ）においては、撮像装置３０６が、レーザ光線の発射する方向に直交する方向における煙霧体発生装置３０８に隣接する位置に配置される例を示しているが、これに限られるものではない。撮像装置３０６は、５×５本のレーザ光線の像が重ならない位置およびアングルで、煙霧体の煙霧質により反射されたレーザ光線を撮像できる位置に配置すればよい。撮像装置３０６には、データベースおよび処理装置（プロセッサー）を備えたコンピュータ（図示しない）が接続されている。撮像装置は、時間的に連続してあるいは所定間隔で、煙霧体の煙霧質により反射されたレーザ光線を撮像して、撮像データを該コンピュータへ出力する。

図３（ｃ）は、撮像装置３０６から出力された撮像データにより表された、煙霧体の煙霧質により反射されたレーザ光線の像の一例を示す。図３（ｃ）に示すように、空間に分布する煙霧質により反射したレーザ光線の像は、ｘ軸方向に延びる直線状に撮像される。空間に分布する煙霧質の密度（濃度）が十分に低い場合には、本実施形態では、最大で５×５本の線状の像を観測することができる。他方、レーザ光線が反射した位置と撮像装置との間に分布する煙霧質の量が多い場合（高密度の煙霧質が局所的に存在する場合や、反射したレーザ光の光路上の広範囲に渡って低密度の煙霧質が存在する場合）には、反射したレーザ光は吸収、反射（分散）により減衰し、撮像装置により撮像される前に消光する。図３（ｃ）において、ｘ軸方向に延びる線状の撮像の一部が途中で切れて見えるのは、このためである。

空間に分布する煙霧体中を進行する光の吸収、反射、減衰は、光学モデルを用いて表現できることが知られている。したがって、この光学モデルを用いることで撮像装置により撮像されたレーザ光線の像からレーザ光線の強度や煙霧体の密度を推定することができる。

本願発明の実施形態においては、実測した煙霧質で反射したレーザ光の像から、光学モデルを用いて煙霧体の密度を推定する。他方、温度をパラメータとして、煙霧体の密度と温度との関係を予め測定し、データベースに格納しておく。実測において得たレーザ光の像から推定された煙霧体の密度とマッチするデータベースに格納された煙霧体の密度を決定し、決定した煙霧体の密度に対応付けられている温度を、実測した空間の温度の推定値とする。

図１は、煙霧体の密度と温度とを予め測定しこれらの関係をデータベースに格納するための方法を説明するための図である。この方法は、図３を参照して説明した空間温度推定装置を用いて実施することができる。

ステップ１０２において、煙霧体発生装置３０８により発生された煙霧体３１０へレーザ光線照射装置３０２からのレーザ光線を照射し、撮像装置３０６により煙霧体中の煙霧質により反射されたレーザ光線を撮像し撮像データをコンピュータへ出力してデータベースへ格納して記憶する。このとき、煙霧体の温度の分布を温度計により測定し、データベースへ格納して記憶する。煙霧体の温度の分布は、煙霧体の周囲を含めて測定するのが望ましい。

ステップ１０４において、撮像データから反射されたレーザ光線（光強度）を推定する。

ステップ１０６において、推定されたレーザ光線（光強度）に光学モデルを適用して、空間における煙霧体の密度を推定する。

ステップ１０８において、推定した煙霧体の密度と測定した温度とを関連付けてデータベースに記憶する。

ステップ１０２から１０８を複数回繰り返した後、推定されたレーザ光線（光強度）と測定した温度との関係を統計処理することが望ましい。また、必要に応じて，補間関数により撮像データを平滑化、補間、外挿してもよい。種々の温度に対して、煙霧体の密度と温度との関係を求めデータベースへ格納し記憶しておくことが望ましい。

図４は、図１を参照して説明した方法により得られた煙霧体の密度と温度との関係を示す図である。煙霧体の空間密度と温度との関係は不均一な関係である。図４には、非線形関数を非線形最小二乗法でプロットされた点に当てはめを行った例を示している。

次に図２を参照して、本実施形態の空間温度推定方法を説明する。図３を参照して説明した空間温度推定装置を用いて実施することができる。

ステップ２０２において、ステップ１０２と同様に、煙霧体発生装置３０８により発生された煙霧体３１０へレーザ光線照射装置３０２からのレーザ光線を照射し、撮像装置３０６により煙霧体中の煙霧質により反射されたレーザ光線を撮像し撮像データをコンピュータへ出力してデータベースへ格納して記憶する。このとき、温度計による温度の実測は行わない。

ステップ２０４において、ステップ１０４と同様に、撮像データから反射されたレーザ光線（光強度）を推定する。撮像データにおいて、見かけの空間解像度を上げるために，非線形関数を用いた非線形補間法を適用してもよい。

ステップ２０６において、ステップ１０６と同様に、推定されたレーザ光線（光強度）に光学モデルを適用して、空間における煙霧体の密度を推定する。

ステップ２０８において、ステップ２０６で推定した空間における煙霧体の密度と、ステップ１０８においてデータベースに記憶した煙霧体の密度とのマッチング処理を行う。

ステップ２１０において、ステップ２０６で推定した空間における煙霧体の密度とマッチしたデータベースに記憶した煙霧体の密度に関連付けられた温度を、ステップ２０４において推定されたレーザ光線が煙霧質で反射された位置における温度として決定する。

ステップ２０２において出力された撮像データの各ピクセルについて、ステップ２０４乃至２１０を実行することで、空間内の温度の分布を決定することができる。

また、撮像装置３０６から時間的に連続してあるいは所定間隔で出力される撮像データについて、ステップ２０４乃至２１０を実施することにより、空間内における温度分布の時間変化を推定することもできる。

図５は、本実施形態の空間温度推定方法および装置により推定された温度を表示するユーザインタフェース（ＧＵＩ）の一例を示す。空間中の任意の点における推定された温度を選択的に、及び／又は時系列的に表示することができる。図５の例は、ＧＵＩは、５×５のレーザ光線の内の選択された４つについて、それぞれ任意に選択したｘ座標における点（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４）の推定温度を表示している。しかし、温度を推定する位置や位置の数は、これに限られず、任意の点について推定することができる。

３００ 暗室
３０２ レーザ光線照射装置
３０４ レーザ光線
３０６ 撮像装置
３０８ 煙霧体発生装置
３１０ 煙霧体

Claims (5)

1. 空間内の３次元温度分布を推定する装置であって、
   予め計測された温度と煙霧体の密度との関係を記憶した記憶手段と、
   煙霧体を発生する煙霧体発生手段と、
   煙霧体にレーザ光線照射するレーザ光線照射手段と、
   煙霧体により反射されたレーザ光線を撮像し、撮像データを出力する撮像手段と、
   撮像データから前記反射されたレーザ光線の強度を推定する手段と、
   前記推定されたレーザ光の強度から当該レーザ光を反射した前記空間における煙霧体の密度を推定する手段と、
   前記推定された煙霧体の密度と、前記記憶手段に記憶された予め計測された温度と煙霧体の密度との関係とに基づいて、前記空間の温度分布を推定する手段と
   を備えたことを特徴とする装置。
2. 前記レーザ光線照射手段は、マトリック状に配置された複数のレーザ光源であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記撮像データに対して非線形関数を用いた非線形補間法処理を行う補間処理手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 予め計測された温度と煙霧体の密度との関係を記憶した記憶手段と、煙霧体を発生する煙霧体発生手段、前記煙霧体にレーザ光線照射するレーザ光線照射手段と、撮像手段と、処理手段を備えた装置において、空間内の３次元温度分布を推定する方法であって、
   前記撮像手段が、前記煙霧体により反射されたレーザ光線を撮像し、撮像データを出力することと、
   前記処理手段が、前記撮像データから前記反射されたレーザ光線の強度を推定するステップと、
   前記処理手段が、前記推定されたレーザ光の強度から当該レーザ光を反射した前記空間における煙霧体の密度を推定するステップと、
   前記処理手段が、前記推定された煙霧体の密度と、前記記憶手段に記憶された予め計測された温度と煙霧体の密度との関係とに基づいて、前記空間の温度分布を推定するステップと
   を含むことを特徴とする方法。
5. 前記撮像データに対して非線形関数を用いた非線形補間法処理を行うステップを備えたことを特徴とする請求項４に記載の方法。

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