基于彩色CCD三基色的溫度圖像檢測方法研究

李躍華

摘 要：隨著科技的發(fā)展和環(huán)境要求的提高，對(duì)爐膛火焰的檢測也越來越高。通過對(duì)普通彩色CCD攝像機(jī)獲取的火焰圖像進(jìn)行研究，建立了一種不需要參考點(diǎn)的火焰投影溫度場三色測量法。不但能顯示爐內(nèi)火焰燃燒的實(shí)時(shí)圖像，還能直觀的輸出溫度場分布圖，為控制燃燒提供了有力的保障。

關(guān)鍵詞：爐膛火焰 溫度 圖像 三色測量

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-1578（2017）09-0028-03

在我國電力工業(yè)中，火電裝機(jī)總量在2011年達(dá)到了全國發(fā)電機(jī)組裝機(jī)總量的72.50%，其中燃煤發(fā)電是主要方式，針對(duì)越來越多的大容量機(jī)組，僅對(duì)單燃燒器進(jìn)行檢測已經(jīng)不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要，必須對(duì)全爐膛進(jìn)行全方位的檢測， 爐膛火焰檢測不僅要保證燃燒器安全正常工作，還要盡量減少污染物的排放、降低能源損耗，因此對(duì)爐膛火焰檢測的要求越來越高。在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)過程中，通過對(duì)爐膛火焰進(jìn)行更精確的定量分析，計(jì)算出其溫度場和輻射信號(hào)，為提高爐膛環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益提供有力的保障。[1]

常用的溫度測量方法種類繁多，各種測溫法都是基于測溫介質(zhì)某一個(gè)或某幾個(gè)物理化學(xué)性質(zhì)和溫度之間存在一定的關(guān)系，通過研究物體這些性質(zhì)和溫度之間的關(guān)系，總結(jié)出各種測溫方法，溫度測量方法主要分為接觸式溫度測量和非接觸式溫度測量。

接觸式測溫，具有測量精度高、使用方便的特點(diǎn)。在發(fā)展非接觸式測溫時(shí)，常常通過接觸式測溫方法，對(duì)溫度進(jìn)行標(biāo)定。在高溫測量中，主要應(yīng)用傳統(tǒng)的熱電偶溫度計(jì)和黑體腔溫度計(jì)進(jìn)行測溫。其最大的缺點(diǎn)就是響應(yīng)速度慢、誤差較大、難以實(shí)現(xiàn)溫度場的測量。所以接觸式測溫一般只在鍋爐熱態(tài)特性實(shí)驗(yàn)中，利用測槍進(jìn)行一次較全面的多點(diǎn)測量，而在實(shí)際生產(chǎn)中，僅在鍋爐內(nèi)的關(guān)鍵位置進(jìn)行局部測量，作為溫度場的一個(gè)參考值。

非接觸式測溫方法由于測溫元件不需要放置在被測介質(zhì)之中，對(duì)于被測介質(zhì)不會(huì)產(chǎn)生影響，也降低了對(duì)測溫介質(zhì)的材料要求，在高溫測量中相比接觸式測溫法更具有優(yōu)勢。非接觸式測量方法分為兩大類，一類是通過對(duì)被測燃燒介質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，推導(dǎo)出其溫度場，比如基于聲學(xué)的聲波法測溫；另一類是通過對(duì)火焰的輻射特性進(jìn)行研究，推導(dǎo)出溫度場，一般稱之為輻射法測溫。

1 基于雙色法的爐膛火焰溫度場測量

在眾多的溫度測量方法中，由于電廠鍋爐往往尺寸較大，并且燃燒情況復(fù)雜，輻射法相比其他方法具有明顯的優(yōu)勢。經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，雙色法完全能滿足爐膛火焰溫度場測量的要求，并且研究者們已經(jīng)設(shè)計(jì)出多種基于雙色法的溫度測量方法。

1.1 雙色法測溫的基本原理

根據(jù)熱力學(xué)第三定律，自然界中任何物體的溫度都高于絕對(duì)零度，所以都能產(chǎn)生熱輻射，并且都以它的特有的頻譜特性向外界輻射能量。

一般物體發(fā)出的光譜輻射亮度可以用它的表面溫度T和表觀發(fā)射率ε（λ，T）及周圍環(huán)境溫度，TE表示：

L（λ，T）= +1-ε（λ，T） 1-1

式1-1就是黑體輻射的Planck定律，其中C1、C2、被稱為第一、第二輻射常數(shù)，其值分別為3.742×10-16W·m2和1.4388×10-2m·k。ε為物體表觀發(fā)射率，λ為波長，T為輻射體溫度，TE為環(huán)境溫度。

在煤粉燃燒火焰輻射的波長范圍300-1000nm及溫度范圍800-2000K內(nèi)，由此可知λT<

Eλ（T）= exp（- ）ε（λ，T） 1-2

上式中，Eλ（T）為燃燒火焰的單色輻射能W/sr/m3，為人工黑體輻射率，λ為輻射波長，C1、C2為Plank常數(shù)，其值分別為3.742×10-16W·m2和1.4388×10-2m·k。其中，ε（λ，T）是波長的函數(shù)，這就決定了煤粉燃燒火焰輻射特性的復(fù)雜性。

式（1-2），Wien輻射定律，就是雙色法測溫的理論依據(jù)。[2]

1.2 兩種常用的雙色法測溫度

目前，雙色法測溫廣泛的應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，并且表現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢。比較常用的有：

方法一：依據(jù)式（1-2）對(duì)火焰輻射溫度進(jìn)行檢測時(shí)，為了避免標(biāo)定的困難，大多數(shù)研究者都選擇了標(biāo)定相對(duì)簡單的雙色法進(jìn)行檢測，該方法對(duì)溫度測量的精度是由兩個(gè)或多個(gè)波長下輻射率的相近度決定的。為了獲得燃燒火焰的溫度圖像，就必須獲取兩個(gè)波長下火焰的單色輻射能圖像。在兩個(gè)波長λ1、λ2下若同時(shí)測量到由同一點(diǎn)發(fā)出的單色輻射能E（λ1，T）、E（λ2，T）的測量值S1、S2，則當(dāng)忽略不同波長下輻射率的變化時(shí)兩者的比值為：

= = exp- （ - ） 1-3

式中，因?yàn)楹雎粤瞬ㄩL變化引起的輻射率變化，并且保證在圖像采集時(shí)對(duì)于兩個(gè)通道的增益也相同，所以有相等的系數(shù)k，對(duì)（1-3）進(jìn)行求解，則可以得到溫度T：

T= 1-4

采用這種方法時(shí)，對(duì)于采集到的圖像信息，必須保證是從同一點(diǎn)的輻射信號(hào)中采集的兩個(gè)不同波長λ1、λ2，下的單色輻射能，這需要復(fù)雜精密的光、機(jī)、電系統(tǒng)。而且，因?yàn)楹雎粤瞬煌ㄩL對(duì)于輻射率的影響，所以在要求這兩個(gè)波長比較接近，而由式（1-4）可知，兩個(gè)波長的選擇又不能太接近，這就對(duì)實(shí)際測量中的精度造成了一定的影響。

方法二：通過檢測元件測得同一點(diǎn)發(fā)出的三個(gè)工作波長λ1、λ2、λ3，以及其對(duì)應(yīng)的單色輻射能E （T）、E （T）、E （T），代入式（1-2）中，得到三個(gè)方程組，聯(lián)立求解可得：

T= 1-5

令k= ，并且設(shè)三個(gè)信號(hào)通道的信號(hào)輸出為：R、G、B。設(shè)一個(gè)以R、G、B為參數(shù)的函數(shù)關(guān)系式：

f（R、G、B）= 1-6

對(duì) f（R、G、B）進(jìn)行擬合：

f（R、G、B）=aR+bG+cB 1-7

則可以得到：

T= 1-8

其中，因?yàn)檠芯繉?duì)象為人工黑體，輻射率近似為1，所以k也近似于1。然后對(duì)一幅火焰圖像，假設(shè)其中N個(gè)像素點(diǎn)的溫度值。根據(jù)各點(diǎn)的溫度和對(duì)應(yīng)的RGB值，代入到（1-8）中，利用待定系數(shù)法求出a、b、c的值，從而擬合出函數(shù)f（R、G、B）=aR+bG+cB，然后再對(duì)于不同的圖像，不斷的修改此式，直到其能滿足測定要求。

此方法，最后使用了直線擬合，雖然不需要設(shè)定參考點(diǎn)，但是其標(biāo)定過程過于復(fù)雜，當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，精確度將大幅下降，不便于實(shí)際運(yùn)用。

上述兩種方法，經(jīng)過實(shí)踐證明，都能較為準(zhǔn)確快速地測出爐膛火焰溫度場的分布，但是其缺點(diǎn)也十分明顯，兩種方法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的要求很高，第一種方法對(duì)波長選取的要求也很高，這就影響了其測溫的精確性；第二種方法通過直線擬合，得到最終方程，也影響了其測溫的精確性。[3]

2 基于彩色CCD三基色的溫度圖像檢測方法

2.1 彩色CCD三基色的溫度圖像檢測法原理

彩色CCD獲取的圖像總是由紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）三個(gè)通道的信號(hào)組成，對(duì)于某一個(gè)像素，取其RG兩個(gè)值，可以看作是該點(diǎn)的紅色和綠色兩種單色輻射能量。彩色CCD攝像機(jī)參數(shù)的差異導(dǎo)致所得到的彩色圖像的三個(gè)分量并不能完全準(zhǔn)確的還原其所對(duì)應(yīng)的單色輻射能，所以在計(jì)算溫度之前，必須對(duì)彩色圖像進(jìn)行處理，即標(biāo)定，從彩色圖像得到所測對(duì)象的單色輻射強(qiáng)度。

圖2-1 標(biāo)定系統(tǒng)示意圖 圖2-2 測溫儀

首先，為了保證測溫的精度，必須對(duì)彩色火焰圖像進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定的目的主要是校正RGB三基色值，使之正確反映輻射對(duì)象光譜特性在RGB代表性波長下的光譜強(qiáng)度的大小。標(biāo)定系統(tǒng)如圖2-1所示。測溫儀采用圖2-2所示儀器，作為標(biāo)定溫

度。[4]

在標(biāo)定系統(tǒng)中，對(duì)于爐膛，我們只要開孔孔徑足夠小、腔體足夠大，并且保持被測腔壁近似的等溫。這樣就能保證能完全吸收外界的輻射能量并且無任何反射的物體，即吸收比接近于1。我們將這樣一個(gè)爐膛可以叫做黑體爐膛。當(dāng)測量波長小于780nm，溫度小于3400K時(shí)，通過Wien輻射定律可知，黑體爐膛的單色輻射強(qiáng)度如下：

E （T）= exp（- ）ε（λT） 2-1

式中Eλ（T）為單色輻射強(qiáng)度，ε（λ）為黑體的單色輻射率，幾乎與波長無關(guān)，且近似于1。當(dāng)圖像探測器與黑體輻射表面很近時(shí)，因?yàn)榭諝鈱?duì)可見光波段的輻射減弱系數(shù)很低，抵達(dá)圖像探測器表面的單色輻射強(qiáng)度可近似等于黑體輻射的單色輻射強(qiáng)度。標(biāo)定系數(shù)kr、kg、kb分別來修正三個(gè)分量R、G、B，分別得到在RGB三基色波長下的單色輻射強(qiáng)度：

Eλr=krR Eλg=kgG Eλb=kbB 2-2

結(jié)合式（1-8）和式（2-1），得到：

kr= ε（λ ） exp（- ）kg= ε（λ ） exp（- ）kb= ε（λ ） exp（- ） 2-3

式中，λr，λg，λb分別為RGB三基色光的代表波長，分別為700nm、546.1nm和435.8nm；T為黑體爐溫度，單位為K。

將R作為一種基色保持不變，對(duì)其他兩個(gè)基色G、B的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，使得修正后的紅藍(lán)綠三基色R1、G1、B1之間的相對(duì)大小正確地反映火焰的相對(duì)光譜分布特性：

R1=R G1=cgG B1=cbB 2-4

其中，cg和cb分別為分量G和B的修正系數(shù)。

由式（2-3）和式（2-4）可得：

cg= cb= 2-5

由此可以得到溫度的表達(dá)式：

T= 2-6

對(duì)（2-6）進(jìn)行變形，就可以得到參數(shù)cg的表達(dá)式：

cg= 2-7

其中，R和G分別是被測圖像輻射區(qū)域內(nèi)各像素紅色分量R和綠色分量G的平均值。這樣，通過標(biāo)定系統(tǒng)得到的溫度值，就可以求出參數(shù)cg。

一幅彩色圖像中三個(gè)通道的分量反應(yīng)了輻射能力的大小，根據(jù)式（2-6）計(jì)算得到的溫度T，再結(jié)合式（2-1），對(duì)圖像中任意像素點(diǎn)，采用其紅色分量或者綠色分量就可以計(jì)算該點(diǎn)的輻射率：

ε= exp（ ） 2-8

這樣，就建立了一套完整的火焰圖像標(biāo)定方法和火焰圖像分析方法，以便于從火焰圖像中獲取更豐富的信息。這樣在火焰具有黑體輻射特性的前提下，可以基于雙色法獲得火焰溫度圖像T和輻射率（火焰黑度）ε。需要指出，這里根據(jù)彩色火焰圖像計(jì)算獲得的輻射率，只是火焰在可見光區(qū)域的輻射率，火焰中氣體輻射主要在紅外區(qū)域，因此火焰在紅外區(qū)域的輻射率的監(jiān)測需要利用紅外傳感器進(jìn)行。

2.2 彩色CCD三基色的溫度圖像檢測法的步驟

（1）首先，需要對(duì)火焰圖像進(jìn)行平滑處理，使用中值濾波法對(duì)圖像進(jìn)行處理，消除其噪聲。

（2）需要對(duì)參數(shù)cg進(jìn)行標(biāo)定。圖2-2所示，為爐膛實(shí)際生產(chǎn)的測溫儀器，明確給出了一區(qū)和二區(qū)兩個(gè)區(qū)域的溫度值，以此作為標(biāo)定溫度。對(duì)這兩個(gè)區(qū)域分別求出紅（R）、綠（G）兩個(gè)分量的平均值R、G，再將R、G和標(biāo)定溫度T代入式（2-8）中，就可以求出參數(shù)cg。經(jīng)過多次計(jì)算，發(fā)現(xiàn)cg的值，在區(qū)間（6，7）之內(nèi)變動(dòng)，設(shè)式（2-6）的分母部分為M，則有：

M=ln（ ）=lncg+ln（ ）

其中，兩個(gè)標(biāo)定區(qū)域內(nèi)：R的值一般為255，G一般為115，λr，λg分別為700nm和546.1nm，所以可以得到：

M=lncg+2.03772255

又設(shè)式（2-6）的分子部分為z，則有：z=-C2（ - ）

式中這三個(gè)數(shù)都是已知量，可以得出z=5.7925369×103。這樣，式（2-6）就可以化為：T=

當(dāng)cg時(shí)，可以通過單調(diào)函數(shù)的原理求出T∈（1484.0， 1512.6），由此可見誤差已經(jīng)在可接受范圍之內(nèi)。再通過多幅圖像中兩個(gè)區(qū)標(biāo)定值的求解，取其算數(shù)平均值，則誤差進(jìn)一步減小，一般能控制在。完全滿足生產(chǎn)需要。

（3）將cg代入式（2-6）中，就可以對(duì)圖像中任一像素點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，得到其溫度值T，這樣就可以方便快捷的計(jì)算出圖像中任一一點(diǎn)的溫度。

（4）繪制關(guān)于溫度值的灰度圖。通過之前的計(jì)算，圖中每一個(gè)像素點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)溫度值T，和灰度圖極其相似（灰度圖中每一像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是該點(diǎn)的灰度值），所以可以將測得的溫度場分布用灰度圖的形式表現(xiàn)出來。所測爐膛火焰溫度為1000K—1800K，而灰度圖中每一像素點(diǎn)的灰度值范圍為0—255，所以構(gòu)建一張與原火焰圖像大小相同的灰度圖，構(gòu)建函數(shù)：

H=

其中H為新建灰度圖中任一一點(diǎn)的灰度值，T為該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度。這樣，火焰圖像就轉(zhuǎn)換為一張灰度圖，通過此灰度圖就可以迅速的得到任一一點(diǎn)的溫度。

（5）繪制溫度場分布圖。為了讓溫度場更加直觀的顯示，需要對(duì)第四步中獲得的灰度圖進(jìn)行偽彩色處理，使圖中不同溫度點(diǎn)的對(duì)比更加明顯。同時(shí)在繪圖時(shí)，以原火焰圖像的長和寬為x，y軸，溫度T為Z軸。在三維坐標(biāo)系中明確直觀的顯示整個(gè)火焰圖像的溫度場分布。

3 結(jié)論

基于彩色CCD三基色的溫度圖像檢測方法的這一算法，和上文提到的方法一相比，對(duì)于整個(gè)圖像采集系統(tǒng)的要求更低，對(duì)波長也沒有嚴(yán)格的要求；和方法二相比，標(biāo)定更加簡單，精度也完全能滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。并且對(duì)于近似滿足黑體輻射的圖像，就能很快的計(jì)算出其溫度場。而在計(jì)算過程中，通過計(jì)算運(yùn)行時(shí)間，一般在1.2秒左右，完全能達(dá)到要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 國家能源局電力可靠性管理中心.2011年全國電力可靠性指標(biāo)[Z].2012.

[2] Modest M F. Radiative heat transfer，second edition[M]. San Diego： Academic Press，2003.13-16.

[3] Modest M F. Radiative heat transfer， second edition[M]. San Diego：Academic Press，2003：13-16.

[4] 徐江榮，胡建人.火焰輻射溫度場測量系統(tǒng)黑體爐標(biāo)定[J].杭州電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，22（1）：44-47.