劉 爽

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150028）

隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、視覺傳感器技術(shù)和圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展，采用圖像處理技術(shù)對(duì)高溫溫源進(jìn)行測(cè)量的軟硬件基礎(chǔ)也越來越完備，因此加速了基于圖像處理的溫度測(cè)量技術(shù)的形成和發(fā)展[1]。這是一種典型的非接觸溫度測(cè)量方法，采用視覺傳感器拍攝火焰等高溫溫源的圖像，由視頻傳輸線路和圖像采集卡將現(xiàn)場(chǎng)情況轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)可處理的數(shù)字圖像，再采用圖像處理技術(shù)分析溫源圖像，從而確定所須檢測(cè)點(diǎn)的具體溫度[2]。基于圖像的高溫溫度測(cè)量包括單色測(cè)量技術(shù)、三色測(cè)量技術(shù)和比色測(cè)量技術(shù)。該文針對(duì)火焰這類具體高溫溫源對(duì)象，對(duì)基于圖像處理技術(shù)的高溫測(cè)量方法和火焰溫度測(cè)量進(jìn)行研究[3]。對(duì)比并判別更有效的基于圖像的測(cè)溫方法，為普遍高溫測(cè)量問題提供思路。該文研究對(duì)很多工業(yè)工程應(yīng)用都有理論價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。

1 熱輻射基本理論分析

幾乎所有物質(zhì)都存在輻射現(xiàn)象，因此輻射也可以看作物質(zhì)的基本屬性。當(dāng)物體被加熱時(shí)，構(gòu)成該物體的各種物質(zhì)原子和分子的運(yùn)動(dòng)都會(huì)發(fā)生改變且隨溫度升高而逐漸劇烈。在溫度升高的過程中，構(gòu)成物體的各類基本微粒會(huì)因吸收能量而產(chǎn)生能級(jí)躍遷，當(dāng)躍遷后的微?；謴?fù)原能級(jí)時(shí)，會(huì)釋放吸收的能量，形成各色頻率的輻射能，這就是熱輻射的原理。

熱輻射現(xiàn)象隨處可見，只要不是絕對(duì)零度的物體，都存在熱輻射效應(yīng)。當(dāng)物質(zhì)熱輻射時(shí)，還會(huì)發(fā)射電磁波。根據(jù)相關(guān)的物理試驗(yàn)測(cè)定，熱輻射形成的電磁波波長(zhǎng)范圍很廣，從0.1μm～1000μm。該波長(zhǎng)范圍也包括可見光、紅外線以及紫外線在內(nèi)的光學(xué)譜區(qū)，因?yàn)樽贤饩€的波長(zhǎng)通常小于0.4μm、可見光的波長(zhǎng)約0.4μm～0.7μm、紅外線的波長(zhǎng)約0.7μm～1000μm。

因此基于圖像處理的溫度測(cè)量才成為可能。當(dāng)物體受熱輻射時(shí)，向外發(fā)射光學(xué)譜區(qū)的電磁波，采用各種光學(xué)射線捕捉設(shè)備捕捉這些電磁波，再分析其和溫度的關(guān)系，就可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)測(cè)溫。紅外測(cè)溫、紫外測(cè)溫和圖像測(cè)溫都是基于該思路。各種光學(xué)射線的波長(zhǎng)和溫度的關(guān)系，準(zhǔn)確測(cè)溫的關(guān)鍵是黑體輻射理論。

2 黑體輻射理論分析

為闡明黑體輻射理論，需要先分析輻射的能量會(huì)產(chǎn)生哪些變化。一般情況下，當(dāng)熱輻射的能量照射其他物體時(shí)，總能量會(huì)分為3 個(gè)部分：透過物體繼續(xù)向下輻射的透射能；進(jìn)入物體被物體吸收的吸收能；被物體表面反射的反射能。，如公式（1）所示。

式中：Q、Q1、Q2、Q3分別為輻射總能量、透射能量、吸收能量和反射能量，如圖1 所示。

圖1 輻射能量分配

透射能量、吸收能量、反射能量的大小，分別取決于該物體的透射系數(shù)、吸收系數(shù)和反射系數(shù)。這三種系數(shù)都是0～1 的無單位常數(shù)，值的大小與物體的物質(zhì)屬性有關(guān)。

極限情況包括以下3 種：1）當(dāng)反射系數(shù)為1 且透射系數(shù)和吸收系數(shù)為0 時(shí)，熱輻射的能量全部被輻射的物體反射回來，沒有任何能量被物體吸收和穿過物體透射，該物體為“白體”。2）當(dāng)吸收系數(shù)為1 且透射系數(shù)和反射系數(shù)為0 時(shí)，熱輻射的能量全部被輻射的物體吸收，沒有任何能量被物體反射和穿過物體透射，該物體為“黑體”。3）當(dāng)透射系數(shù)為1 且吸收系數(shù)和反射系數(shù)為0 時(shí)，熱輻射的能量全部經(jīng)過輻射物體透射，沒有任何能量被物體吸收或反射，為透明體。

通常采用黑體輻射理論推導(dǎo)輻射電磁波波長(zhǎng)和溫度的關(guān)系。因?yàn)檩椛潆姶挪òǘ喾N波長(zhǎng)成分，所以物體的總輻射出射度如公式（2）所示。

式中：總輻射出射度M（T）和輻射形成的亮度L（T）的聯(lián)系如公式（3）所示。

每種波長(zhǎng)成份的輻射出射度，可以根據(jù)普朗克定律進(jìn)行計(jì)算，如公式（2）～公式（4）所示。

式中：λ為波長(zhǎng)；T為溫度；C1、C2為兩個(gè)輻射常數(shù)。通過公式（2）～公式（4），建立輻射亮度和溫度的關(guān)系。這是基于圖像測(cè)溫的理論基礎(chǔ)。

3 基于圖像比色的測(cè)溫方法

比色測(cè)溫技術(shù)是用2 個(gè)波長(zhǎng)的光波輻射強(qiáng)度的比值與被測(cè)物體溫度的數(shù)學(xué)聯(lián)系實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的技術(shù)。

根據(jù)大量實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知，當(dāng)物體的絕對(duì)溫度在3000K以下時(shí)，普朗克輻射理論的計(jì)算公式可用威恩公式代替。用威恩公式計(jì)算，當(dāng)光譜波長(zhǎng)不大于700nm 時(shí)，測(cè)量誤差約0.1%。

基于以上理論，設(shè)定溫度為T，灰體被兩個(gè)波長(zhǎng)分別為λ1、λ2的光譜輻射后產(chǎn)生的亮度用L（λ1，T）、L（λ2，T）表示，根據(jù)灰體的威恩計(jì)算理論計(jì)算，如公式（5）所示。

式中：e（λ1，T）、e（λ2，T）分別為兩種波長(zhǎng)的光譜發(fā)射效率。當(dāng)兩種波長(zhǎng)差別不大時(shí)，e（λ1，T）、e（λ2，T）的數(shù)值非常接近，可以認(rèn)為二者相等，得出結(jié)論，如公式（6）所示。

由上述推導(dǎo)過程可知，比色測(cè)溫?zé)o須確定被測(cè)物體的光譜發(fā)射效率，只須了解不同波長(zhǎng)光線照射所形成的發(fā)射效率比值，兩種光譜波長(zhǎng)接近時(shí)不用物體的發(fā)射效率。

與單色測(cè)溫、三色測(cè)溫相比，比色測(cè)溫有2 個(gè)優(yōu)勢(shì)：1）比色測(cè)溫應(yīng)用在高溫度場(chǎng)中且實(shí)際應(yīng)用的效果非常接近理論推導(dǎo)的理想值。一般情況下，比色測(cè)溫的測(cè)量結(jié)果與被測(cè)物體溫度的實(shí)際結(jié)果基本一致。2）根據(jù)不同波長(zhǎng)光譜發(fā)射效率的比值進(jìn)行測(cè)溫，測(cè)溫誤差小，適用于現(xiàn)場(chǎng)有大量煙霧粉塵等雜質(zhì)的情況。

4 基于圖像比色的測(cè)溫試驗(yàn)與結(jié)果分析

闡述基于圖像的高溫度場(chǎng)測(cè)溫理論，完成處理溫度圖像的工作后，可以測(cè)量基于圖像的火焰溫度。構(gòu)建火焰溫度測(cè)量的硬件系統(tǒng)，選用比色測(cè)溫技術(shù)實(shí)現(xiàn)火焰溫度測(cè)量。

4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)硬件

基于圖像的測(cè)溫系統(tǒng)主要包括圖像采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制測(cè)溫系統(tǒng)。圖像采集系統(tǒng)包括鏡頭、CCD 和圖像采集卡，計(jì)算機(jī)控制測(cè)溫系統(tǒng)主要是以計(jì)算機(jī)處理器為核心的相關(guān)設(shè)施。

4.1.1 鏡頭

基于圖像測(cè)溫的系統(tǒng)中，圖像信息是最終解算溫度信息的唯一途徑，因此圖像處理程序所用的圖像采集結(jié)果需要盡可能準(zhǔn)確。如果圖像采集的結(jié)果誤差較大，后期很難校正或消除。在CCD 陣列成像前，光學(xué)鏡頭是成像必備的器件之一。最終的成像結(jié)果都會(huì)被鏡頭引入一定畸變導(dǎo)致圖像失真。因此，在選擇用于溫度測(cè)量的圖像采集系統(tǒng)光學(xué)鏡頭的過程中，要選擇畸變誤差小的型號(hào)，需要重點(diǎn)考慮孔徑和視場(chǎng)角等參數(shù)。鏡頭的選取還要與CCD 選型充分結(jié)合，例如焦距和成像面大小等，都要充分考慮。

4.1.2 CCD 陣列

上文詳細(xì)介紹了CCD 的相關(guān)原理，CCD 陣列是整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)的最核心部件。它是系統(tǒng)中最關(guān)鍵的傳感器，用于光信息到電信息的轉(zhuǎn)換并最終形成圖像信息的中心樞紐。

在CCD 選型的過程中，除了要考慮和鏡頭以及圖像采集卡的配套問題外，對(duì)技術(shù)指標(biāo)來說，要格外注意其光譜響應(yīng)曲線、響應(yīng)過程的線性度、靈敏度和輸出幀頻等。

4.1.3 圖像采集卡

圖像采集卡是連接CCD 陣列和計(jì)算機(jī)的重要部件，用于實(shí)現(xiàn)從CCD 的模擬信號(hào)到計(jì)算機(jī)所需的數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)變。圖像采集卡在實(shí)現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換的過程中，還負(fù)責(zé)整定CCD 進(jìn)入采集卡的電平信號(hào)、對(duì)CCD 輸送的信號(hào)進(jìn)行采樣、量化和編碼等操作，最終以計(jì)算機(jī)可以識(shí)別和處理的格式向計(jì)算機(jī)傳遞圖像文件。

現(xiàn)在的圖像采集卡通常都配置了功能強(qiáng)大的圖像處理庫和相關(guān)函數(shù)，并為計(jì)算機(jī)調(diào)用提供了簡(jiǎn)單接口，便于編程過程中對(duì)圖像采集卡進(jìn)行通道選擇控制、幀頻控制、圖像大小控制和圖像格式控制等。

4.1.4 計(jì)算機(jī)

目前計(jì)算機(jī)是各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)控制的數(shù)字設(shè)備，應(yīng)用于圖像測(cè)溫的計(jì)算機(jī)是核心的中央處理環(huán)節(jié)，所以地位非常重要。所有圖像信息采集結(jié)果都在這里中轉(zhuǎn)，所有標(biāo)定算法和測(cè)溫方法都在這里運(yùn)行，所有測(cè)溫結(jié)果和誤差評(píng)價(jià)也都從這里輸出。

4.2 測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定

按照比色測(cè)溫的基本原理進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定。如果CCD 成像積分時(shí)間過長(zhǎng)，就會(huì)導(dǎo)致彩色CCD 的某通道溢出，從而影響標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，該文選用紅色通道和藍(lán)色通道作為比色測(cè)量的輸入，最終得到的標(biāo)定數(shù)據(jù)如圖2 所示。根據(jù)圖2 可知，該文所建立的基于圖像比色測(cè)溫的系統(tǒng)相對(duì)誤差在±1.4%以內(nèi)。

圖2 標(biāo)定結(jié)果擬合曲線豎軸

4.3 火焰溫度測(cè)量結(jié)果

以酒精燈的溫度場(chǎng)為測(cè)量對(duì)象，采用該文提出的各項(xiàng)方法進(jìn)行處理，并測(cè)量實(shí)際的酒精燈火焰溫度。試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 試驗(yàn)結(jié)果

由圖3 可知，圖3（a）～圖3（d）分別代表火焰原圖、灰度處理后的效果、分割后的效果和偽彩色處理效果。該圖像處理結(jié)果結(jié)合比色測(cè)溫的相關(guān)方法，測(cè)得酒精燈火焰的外焰溫度為460℃～492℃，符合酒精燈的相關(guān)特性。

5 結(jié)論

該文研究了基于圖像測(cè)溫的基礎(chǔ)理論，參考了相關(guān)技術(shù)的數(shù)學(xué)依據(jù)，例如熱輻射理論、黑體輻射理論、火焰特性以及CCD 工作原理等，重點(diǎn)闡述了比色測(cè)溫這種基于圖像的測(cè)溫技術(shù)，為構(gòu)建測(cè)溫系統(tǒng)做出鋪墊。建立圖像比色測(cè)溫的硬件系統(tǒng)，根據(jù)比色測(cè)溫原理進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，以酒精燈火焰為實(shí)測(cè)對(duì)象進(jìn)行了溫度測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果表明，該文所建立的測(cè)溫系統(tǒng)和采用的測(cè)溫方法，可以測(cè)量火焰溫度。