一種火焰可見光輻射標定方法技術

本發明專利技術提出一種火焰可見光輻射標定方法，包括圖像采集步驟、圖像處理步驟、輻射強度計算步驟和數據擬合步驟。本發明專利技術利用影像采集設備良好的光強線性響應特性，借助高溫黑體爐得到各溫度和曝光時間下的黑體爐溫度圖像，擬合得到三個通道輻射強度與各通道顏色值和曝光時間比值間的函數關系式，從而建立起影像采集設備輸出的火焰圖像與其接收到的火焰可見光輻射能之間的定量關系。本發明專利技術采取了分段標定擬合，將圖像顏色值與曝光時間相結合，并考慮了設備的光譜響應特性，克服了傳統方法用三基色代表性波長代替設備的整個響應譜帶對精度的影響。本發明專利技術提出的標定方法具有簡單易行、工作量小、精度高的優點，科研與工業應用前景廣闊。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于影像采集設備的火焰可見光輻射標定方法，具體涉及建立影像采集設 備輸出的火焰圖像與其接收到的火焰可見光輻射能之間的定量關系，這種定量關系在基于 火焰圖像處理計算火焰溫度中至關重要。
技術介紹
火焰溫度是反映燃燒狀態的一個重要參數，其準確測量對于了解燃燒過程和完善 燃燒理論具有重要指導意義。火焰溫度的測量技術大致分為接觸式和非接觸式兩大類。在 非接觸測溫中，近年來隨著成像技術的發展，影像采集設備配置參數逐漸提高，且其在工業 應用中具有壽命長、耐灼傷、高清晰度、抗震動及體積小等優點，國內外越來越多的研究者 開始利用火焰圖像開展溫度和輻射特性測量研究，并且取得了長足的進展。火焰圖像能夠 最直接最真實的反映火焰的燃燒狀況，可以提供豐富的燃燒信息。基于火焰圖像法的計算 機圖像處理測溫技術即利用影像采集設備獲取燃燒火焰的彩色圖像，經過圖像采集卡量化 后送入計算機，再由計算機圖像處理技術進行相應的處理與計算，最后獲得火焰溫度及輻 射特性。 在利用火焰圖像法進行溫度及輻射特性測量時，由于影像采集設備要經過光電轉 換、模數轉換等一系列中間過程，最后進入計算機內的火焰圖像已有一定程度的失真，圖像 R、G、B三通道的顏色值（R、G、B值）已不能完全反映火焰輻射對象的輻射能量，因此必須對 所得圖像進行修正即可見光輻射的標定。對其進行標定的依據是恢復火焰輻射對象的光譜 特性。通過標定，找到圖像各通道顏色值與對應通道相對光譜響應波長范圍內輻射強度之 間的函數關系，這為探索利用不同波長的光信號檢測火焰溫度及輻射特性提供了可能。 現有標定方法對多個快門進行標定，工業應用不便，且現有標定方法用三基色代 表性波長代替影像采集設備的整個響應譜帶，忽略了帶寬對精度的影響。
技術實現思路
針對現有技術的以上問題，本專利技術提出了，該方法 考慮了影像采集設備的光譜響應特性，并將曝光時間與各通道顏色值相結合，解決了現有 標定方法中精度較低，工業應用不便的技術難題。 本專利技術實施步驟為： (1)圖像采集步驟：開啟黑體爐，從所需標定溫度范圍的最低值開始標定；在每一 標定溫度點，在黑體爐溫度穩定后，利用影像采集設備，以曝光時間t從小到大的順序，依 次獲取各曝光時間t下的黑體爐靶面圖像，直到該圖像R值飽和，得到該溫度點各曝光時間 t下的標定圖像，完成該溫度點的圖像采集；所述影像采集設備的日夜轉換模式設置為白 天，光圈和白平衡固定，并關閉自動增益功能，所述影像采集設備曝光時間t間隔的選取原 貝1J，以使在該溫度點相鄰兩個曝光時間t的R值相差10-20為準； (2)將黑體爐按標定溫度間隔，升溫至下一個標定溫度點，重復步驟（1)，直到完 成所有標定溫度點圖像數據的采集；所述標定溫度間隔根據標定精度確定； (3)圖像處理步驟：取第i個標定溫度點的圖像數據，提取其中的R、G、B通道顏色 值R(i)、G(i)、B(i);濾除該溫度點系統誤差后，將各R(i)、G(i)、B(i)除以其對應曝光時 間t，得到的R。⑴、G。⑴、Bji)，將R。⑴、G。⑴、B。⑴分別取算術平均，剔除大誤差數據點 后，再取算術平均，得到札（i)、A (i)、(i);如此得到其它所有標定溫度點的札(i)、& (i)、 Bi (i)，i = 1. . N，N為根據標定精度確定的標定溫度點總數； (4)輻射強度計算步驟：根據下式，計算出各標定溫度點的輻射強度E力）、Eg(i)、 Eb(i)： ιλ是絕對黑體的單色輻射強度，由普朗克輻射定律得到；η n gj、nbj分別 為根據成像系統的R、G、B通道相對光譜響應效率曲線擬合出的光譜響應函數，λ 2、λ i分別 為R通道響應波長上、下限值，λ 4、λ 3分別為G通道響應波長上、下限值，λ 6、λ 5分別為B 通道響應波長上、下限值； (5)數據擬合步驟：將步驟⑶求出的各溫度下的札⑴、Gi⑴、⑴和根據步驟 (4)求出的對應溫度下的輻射強度艮(i)、Eg(i)、Eb(i)進行擬合，得到火焰可見光輻射的標 定公式。 進一步的，所述的火焰可見光輻射標定方法中，步驟（5)所述的擬合是指多項式 擬合，也可以是其它擬合方式，多項式擬合階數根據精度要求確定，階數越高，精度越高。 進一步的，所述的火焰可見光輻射標定方法中，所述的影像采集設備包括數碼攝 像機、數碼照相機等。 進一步的，所述的火焰可見光輻射標定方法中，步驟（2)中的標定溫度間隔為 10-50°C。間隔太小則無實際意義（黑體爐溫度分辨率一般為1°C左右），間隔太大則標定 精度較差。 進一步的，所述的火焰可見光輻射標定方法中，所述步驟（5)中，在標定溫度范圍 內，選擇100-200°C的溫度間隔進行分段擬合。分段間隔太小，則標定公式較為繁瑣；間隔 過大，則標定公式精度降低。 進一步的，所述的火焰可見光福射標定方法中，所述步驟（3)中，RQ(i)、GQ(i)、 BQ(i)以大于平均值的3%為大誤差點。在該標定溫度點，各曝光時間下的圖像數量較多時， 大誤差點閾值可以適當減小，數量較少時閾值可以適當增大。 進一步的，所述的火焰可見光輻射標定方法中，所述步驟（3)中所求各標定溫度 下的RiahGjihBia)取常用對數處理；步驟（4)所求各標定溫度下的輻射強度艮(i)、 Eg(i)、Eb(i)取自然對數處理。將數據取對數處理，可以縮小標定公式中自變量和因變量的 數量級差異，提高擬合精度。 本專利技術提出的方法，在火焰溫度及輻射特性檢測中，建立起影像采集設備輸出的 火焰圖像與其接收到的火焰可見光輻射能之間的定量關系。本專利技術利用影像采集設備良好 的光強線性響應特性，借助高溫黑體爐得到各溫度和曝光時間下的黑體爐溫度圖像，提取 出R、G、B值，擬合得到三通道（實際應用時只需其中兩通道即可，一般選取R、G通道）光 譜響應范圍內的輻射強度與各通道顏色值和曝光時間比值間的函數關系式。 本專利技術將圖像顏色值與曝光時間相結合，采取分段標定擬合，并考慮了影像采集 設備的光譜響應特性，得到一種全新的標定方法。此標定方法具有簡單易行、工作量小、精 度高的優點，科研與工業應用前景廣闊。【附圖說明】 圖1是實施例標定實驗示意圖； 圖2是實施例標定步驟流程框圖； 圖3是實施例標定溫度在1200°C時各曝光時間t下的標定圖像； 圖4是實施例標定溫度在1200°(：時札(i)、Gi⑴與曝光時間t的關系圖； 圖5是實施例成像系統R、G、B三通道相對光譜響應效率曲線； 圖6是實施例分段擬合的標定函數Er = f(R3)，Eg = f (G3)的關系圖。【具體實施方式】 為了使本專利技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本專利技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本專利技術，并 不用于限定本專利技術。此外，下面所描述的本專利技術各個實施方式中所涉及到的技術特征只要 彼此之間未構成沖突就可以相互組合。 本實施例下面結合附圖對本專利技術做進一步說明。 圖1是標定系統的示意圖。該系統由數字式彩色攝像機，計算機，高溫黑體爐，數 據線組成。用于標定的設備為數字式彩色攝像機，攝像機需對光線強度線性響應良好。 圖2是實施例標定步驟流程框圖。以本實施例所采用MER-200-14GC數字式彩色 CCD攝像機為本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種火焰可見光輻射標定方法，其特征在于，包括如下步驟：(1)圖像采集步驟：開啟黑體爐，從所需標定溫度范圍的最低值開始標定；在每一標定溫度點，在黑體爐溫度穩定后，利用影像采集設備，以曝光時間t從小到大的順序，依次獲取各曝光時間t下的黑體爐靶面圖像，直到該圖像R值飽和，得到該溫度點各曝光時間t下的標定圖像，完成該溫度點的圖像采集；所述影像采集設備的日夜轉換模式設置為白天，光圈和白平衡固定，并關閉自動增益功能，所述影像采集設備曝光時間t間隔的選取原則，以使在該溫度點相鄰兩個曝光時間t的R值相差10?20為準；(2)將黑體爐按標定溫度間隔，升溫至下一個標定溫度點，重復步驟(1)，直到完成所有標定溫度點圖像數據的采集；所述標定溫度間隔根據標定精度確定；(3)圖像處理步驟：取第i個標定溫度點的圖像數據，提取其中的R、G、B通道顏色值R(i)、G(i)、B(i)；濾除該溫度點系統誤差后，將各R(i)、G(i)、B(i)除以其對應曝光時間t，得到的R0(i)、G0(i)、B0(i)，將R0(i)、G0(i)、B0(i)分別取算術平均，剔除大誤差數據點后，再取算術平均，得到R1(i)、G1(i)、B1(i)；如此得到其它所有標定溫度點的R1(i)、G1(i)、B1(i)，i＝1..N，N為根據標定精度確定的標定溫度點總數；(4)輻射強度計算步驟：根據下式，計算出各標定溫度點的輻射強度Er(i)、Eg(i)、Eb(i)：Er(i)=∫λ1λ2ηr,λIλdλEg(i)=∫λ3λ4ηg,λIλdλEb(i)=∫λ5λ6ηb,λIλdλ]]>Iλ是絕對黑體的單色輻射強度，由普朗克輻射定律得到；ηr,λ、ηg,λ、ηb,λ分別為根據成像系統的R、G、B通道相對光譜響應效率曲線擬合出的光譜響應函數，λ2、λ1分別為R通道響應波長上、下限值，λ4、λ3分別為G通道響應波長上、下限值，λ6、λ5分別為B通道響應波長上、下限值；(5)數據擬合步驟：將步驟(3)求出的各溫度下的R1(i)、G1(i)、B1(i)和根據步驟(4)求出的對應溫度下的輻射強度Er(i)、Eg(i)、Eb(i)進行擬合，得到火焰可見光輻射的標定公式。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：婁春，劉建浩，
申請(專利權)人：華中科技大學，
類型：發明
國別省市：湖北;42