單CCD相機(jī)的雙光路溫度測(cè)量方法

單 良,楊 鵬,洪 波,孔 明,徐 良,劉 維,郭天太,王道檔,趙 軍

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 信息工程學(xué)院 浙江省電磁波信息技術(shù)與計(jì)量檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310018;2.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

隨著近年來數(shù)字圖像技術(shù)的發(fā)展,基于彩色CCD的非接觸雙色法測(cè)溫理論成為溫度測(cè)量領(lǐng)域研究的焦點(diǎn).國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究,孫元等[1]通過研究比較雙色法和三色法,發(fā)現(xiàn)三色法測(cè)溫精度比雙色法稍高,但是使用R、G雙色測(cè)溫法具有更寬的測(cè)溫動(dòng)態(tài)范圍,具有較強(qiáng)的實(shí)用性.ZHOU等[2]使用CCD相機(jī)拍攝生物質(zhì)顆粒爐內(nèi)燃燒狀況,采用雙色法進(jìn)行溫度測(cè)量,由于雙色測(cè)溫理論中假設(shè)所使用的雙色波長(zhǎng)為固定值,但實(shí)際上CCD相機(jī)拍攝的單色波長(zhǎng)是一段較寬光譜范圍內(nèi)的光線,因此,直接使用CCD拍攝會(huì)引入誤差.直接使用CCD相機(jī)拍攝火焰高溫區(qū)域時(shí),較高的輻射能易導(dǎo)致CCD圖像傳感器出現(xiàn)飽和溢出現(xiàn)象,從而對(duì)溫度測(cè)量產(chǎn)生誤差.為防止相機(jī)拍攝火焰高溫部分時(shí)彩色圖像出現(xiàn)飽和失真,曾志斌[3]在相機(jī)前分別試驗(yàn)安裝三種不同的中性衰減濾光片進(jìn)行搭配使用.雖然使用中性衰減濾光片的方法可以避免彩色圖像出現(xiàn)飽和失真,但是CCD相機(jī)接收的光線仍處于較寬波長(zhǎng)范圍.邵力成等[4]結(jié)合3CCD相機(jī)R、G、B通道的曝光時(shí)間可各自設(shè)定的特點(diǎn),提出分色曝光雙色測(cè)溫法,并建立3CCD相機(jī)各通道信號(hào)值和曝光時(shí)間的關(guān)系,換算得到任意曝光時(shí)間下的信號(hào)值；該方法可以有效拓寬測(cè)溫范圍,并且現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫時(shí)可自由選擇曝光時(shí)間,不必重復(fù)黑體爐標(biāo)定實(shí)驗(yàn).YAMASHITA等[5]的研究中,提出使用一種帶有三個(gè)濾波片和三個(gè)CCD傳感器的相機(jī),輻射光線通過相機(jī)鏡頭后被分成三束光分別經(jīng)過三個(gè)濾波片,之后被三個(gè)CCD傳感器接收；這種光學(xué)結(jié)構(gòu)雖然可以實(shí)現(xiàn)輻射光線的不同顏色光的分離,但是相機(jī)接收到的不同顏色光的圖片是分開的.這種方法在測(cè)量瞬態(tài)變化的燃燒火焰時(shí),如何實(shí)現(xiàn)分開不同圖片中對(duì)應(yīng)輻射點(diǎn)的匹配是一個(gè)難點(diǎn).李愛蓮等[6]提出使用兩個(gè)CCD相機(jī)分開接收經(jīng)分光鏡、反光鏡和濾波片分光濾波后的兩路光線的方案,由于不同相機(jī)存在差異,所以光線接收的同時(shí)性難以保證,而且兩幅圖片對(duì)應(yīng)輻射點(diǎn)的位置匹配問題依舊存在.除此之外,CHENG等[7]提出在兩路分光結(jié)構(gòu)中添加使用一個(gè)凸透鏡,補(bǔ)償由于兩路分光路徑長(zhǎng)度不同而導(dǎo)致CCD相機(jī)分開接收的火焰圖像尺寸差異的方法,凸透鏡的使用增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度,而且仍沒有解決兩種不同顏色圖片中對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)匹配問題.HUANG等[8]將兩個(gè)單色濾波片安裝在一個(gè)法蘭盤上,通過機(jī)械進(jìn)行快速旋轉(zhuǎn),使用一個(gè)相機(jī)接收不同濾波片下的輻射圖片,這種方法同樣存在輻射位置點(diǎn)匹配困難的問題.而由于法蘭盤機(jī)械旋轉(zhuǎn)的情況導(dǎo)致接收的兩張不同顏色的圖片不在同一時(shí)刻,在檢測(cè)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的燃燒火焰溫度時(shí),會(huì)產(chǎn)生較大誤差.

本文設(shè)計(jì)一種雙光路測(cè)溫系統(tǒng),使用兩個(gè)窄帶通單色濾波片降低輻射光的強(qiáng)度,并獲得兩個(gè)窄帶通單色圖片.使用兩個(gè)半透半反鏡和兩個(gè)反光鏡改變光路,分光后的兩路光線匯聚,被一個(gè)CCD相機(jī)接收.以黑體爐作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,選取不同溫度和不同曝光時(shí)間進(jìn)行白平衡參數(shù)標(biāo)定和優(yōu)化設(shè)置,使用雙光路結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)溫實(shí)驗(yàn),通過補(bǔ)償算法,消除CCD采樣中RGB三色寬采樣峰交疊對(duì)測(cè)量的影響.之后,將使用雙光路結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和未使用雙光路結(jié)構(gòu)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析.

1 原理和方法

1.1 雙色測(cè)溫原理

在任何溫度下,可以吸收投射在其表面的全部輻射能的物體,叫做絕對(duì)黑體.根據(jù)普朗克定律,溫度T下的非黑體輻射強(qiáng)度可表示為式(1).

(1)

式(1)中:L(λ,T)表示溫度為T,波長(zhǎng)為λ時(shí)黑體的光譜輻射力,單位W/(m2·μm);T是絕對(duì)溫度,單位K;C1=3.741 8×10-16W·m2表示第一普朗克常量;C2=1.438 8×10-2m·K是第二普朗克常量[9].ε(λ,T)是實(shí)際物體和黑體在溫度為T時(shí)的單色輻射率的比值,稱之為光譜發(fā)射率.它和物體的形狀、材料、溫度和波長(zhǎng)等因素有關(guān).

(2)

當(dāng)溫度為T時(shí),波長(zhǎng)為λ1和λ2時(shí)的單色輻射亮度為L(zhǎng)(λ1,T)和L(λ2,T),結(jié)合式(2)可得

(3)

(4)

1.2 測(cè)溫系數(shù)標(biāo)定方法

由于不同CCD相機(jī)的CCD傳感器性能和參數(shù)設(shè)置有所差異,而且黑體爐發(fā)出的輻射能也不可能完全被CCD相機(jī)接收,所以需要對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定.

本文以紅色為基準(zhǔn),標(biāo)定其他兩種顏色[10].修正后的三基色值R′,G′,B′可以表示CCD接收的光輻射能量,如式(5).

R′=R,G′=cg×G,B′=cb×B.

(5)

式(5)中:cg和cb分別是G和B的標(biāo)定系數(shù).

結(jié)合式(4)和式(5),可獲得火焰中任意一點(diǎn)溫度,如式(6).

(6)

此處的標(biāo)定系數(shù)cg可以根據(jù)黑體爐標(biāo)定實(shí)驗(yàn)獲得.

2 測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 雙光路結(jié)構(gòu)

雙光路光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1,由2個(gè)半透半反鏡、2個(gè)反光鏡和兩個(gè)窄帶通單色濾波片構(gòu)成.輻射光經(jīng)半透半反鏡1分成兩束,第一束通過單色濾波片5由反光鏡3反射至半透半反鏡4；第二束由反光鏡2反射通過單色濾波片6至半透半反鏡4與第一束光匯合射入CCD相機(jī),CCD相機(jī)連接計(jì)算機(jī).半透半反鏡與火焰距離為215 mm,這個(gè)距離既可以保護(hù)半透半反鏡1不會(huì)因火焰高溫而損壞,又可以讓整個(gè)火焰圖像進(jìn)入半透半反鏡1.兩個(gè)單色濾波片放置在半透半反鏡和反光鏡中間,既保證兩路光線都可以完整通過單色濾波片,又可以分別被半透半反鏡4和反光鏡3接收.CCD相機(jī)與半透半反鏡之間的距離是55 mm,保證兩路匯聚后的光線可以完整進(jìn)入CCD相機(jī).

圖1 雙光路結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Structure of the double optical paths

由于高溫時(shí)藍(lán)色灰度值較低,容易引入誤差[11],使用紅、綠雙色測(cè)溫法具有更寬的測(cè)溫動(dòng)態(tài)范圍,所以本文選用的窄帶通單色濾波片是紅色和綠色的窄帶通單色濾波片,中心波長(zhǎng)分別為637 nm和541 nm,半帶寬分別為13 nm和12 nm.

在光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,半透半反鏡和反光鏡近似為平行平板.若以Δl′表示光線經(jīng)過平行平板后像相對(duì)于物的距離[12],則有

(7)

式(7)中:n是折射率,d是平行平板的厚度.所用半透半反鏡和反射鏡的厚度為25 mm,折射率為1.5.因此,像相對(duì)于物的距離是8.33 mm.根據(jù)平行平板成像原理,火焰在第一個(gè)半透半反鏡中成的像向著鏡頭方向移動(dòng)了8.33 mm.以此類推,蠟燭光線通過兩個(gè)半透半反鏡和一個(gè)反光鏡之后,最終成像向著鏡頭方向移動(dòng)了25 mm.火焰和相機(jī)鏡頭之間的距離是585 mm,經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng),火焰和光學(xué)鏡頭之間的距離是560 mm.在光學(xué)結(jié)構(gòu)中,視場(chǎng)大小50 mm,CCD傳感器高度3.6 mm,根據(jù)式(8)可得鏡頭焦距.

(8)

式(8)中：FOV表示視場(chǎng),f表示焦距,WD是工作距離,SCCD是CCD傳感器的尺寸,經(jīng)過計(jì)算鏡頭焦距是40.32 mm.根據(jù)實(shí)際情況,選用8～50 mm變焦鏡頭,調(diào)節(jié)鏡頭焦距獲得最佳拍攝效果.

2.2 測(cè)溫系統(tǒng)

溫度測(cè)量系統(tǒng)由三個(gè)部分組成：圖像采集系統(tǒng)、光學(xué)結(jié)構(gòu)和黑體爐標(biāo)定裝置,如圖2.光學(xué)結(jié)構(gòu)和CCD相機(jī)固定在0.6 m×1.2 m的光學(xué)平板上.采用球形黑體爐,型號(hào)為ISOTECH Cyclops Model 878,可達(dá)到的最大溫度值是1 573.5 K,精度是0.1 K,輻射率為0.999.黑體爐的前端有一個(gè)輻射窗口,通過這個(gè)窗口可以獲得黑體爐設(shè)定溫度下的輻射圖片.雙光路結(jié)構(gòu)如2.1節(jié)所述,光學(xué)結(jié)構(gòu)放置在黑體爐和CCD相機(jī)中間,與黑體爐輻射窗口保持在同一個(gè)高度.圖像采集系統(tǒng)包括一個(gè)CCD彩色相機(jī)和一臺(tái)便攜式計(jì)算機(jī),相機(jī)和計(jì)算機(jī)之間通過電纜線連接.相機(jī)型號(hào)MER-132-30GC,分辨率1 292×964像素.

圖2 系統(tǒng)整體示意圖Figure 2 The overall experimental system

3 結(jié)果和討論

3.1 相機(jī)參數(shù)選取

由于火焰中各波段的光能差異大,紅色(R)分量很容易出現(xiàn)飽和,如果減少曝光時(shí)間,減少進(jìn)光亮,使紅色(R)分量不飽和,則在其他區(qū)域,由于進(jìn)光量的減少,綠色(G)和藍(lán)色(B)的光量就很少,難以獲得理想的綠色(G)和藍(lán)色(B);反之若獲得理想的綠色(G)和藍(lán)色(B),又會(huì)導(dǎo)致紅色(R)出現(xiàn)飽和.這使得測(cè)量溫度在一個(gè)較窄的范圍內(nèi)[13].通過實(shí)驗(yàn)方法優(yōu)化CCD相機(jī)的R通道和B通道的白平衡增益參數(shù)設(shè)置,可以擴(kuò)大圖像探測(cè)器的測(cè)溫范圍.

為了優(yōu)化白平衡和曝光時(shí)間設(shè)置,利用黑體爐,從1 173.5～1 473.5 K,間隔50 K測(cè)量一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn);同一溫度下,在保證圖片不出現(xiàn)飽和像素點(diǎn)的情況下,根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況選擇兩組不同的曝光時(shí)間.其中相機(jī)白平衡各通道參數(shù)設(shè)置分為如下四組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如表1.

表1 白平衡增益參數(shù)設(shè)置Table 1 Settings of white balance gains

拍攝的圖片中間部位是黑體爐的輻射窗口的位置,圖中輻射窗口的中心區(qū)域亮度分布較為均勻,表示黑體爐設(shè)定溫度下被相機(jī)接收的光能.由于窗口的內(nèi)壁被照亮,采集RGB信息時(shí),只需采用中心均勻部位即可.

對(duì)于輻射窗口圖像采用自動(dòng)識(shí)別.先對(duì)圖片進(jìn)行二值化處理,然后選擇圖片中面積最大的八連通區(qū)域,計(jì)算得出最大八連通體的質(zhì)心坐標(biāo),即輻射窗口的質(zhì)心位置,如圖3.最后根據(jù)輻射窗口的質(zhì)心坐標(biāo)截取輻射窗口的中心區(qū)域圖片.

采用上述方法提取圖片中的RGB信息,以及計(jì)算1.2節(jié)所提到的標(biāo)定參數(shù),部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2.

表2 幾組標(biāo)定結(jié)果Table 2 Several sets of calibration results

續(xù)表2

根據(jù)表2可知,第一組白平衡增益設(shè)置的R值較大,部分?jǐn)?shù)據(jù)接近灰度值上限255,圖片中可能會(huì)存在一些飽和像素點(diǎn),所以該設(shè)置不適合.其余三組中,第三組的R和B灰度值適中,具有較寬的測(cè)溫范圍[14],故在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中,采用第三組白平衡增益設(shè)置.還需要說明的是,白平衡增益設(shè)置只是改變了R、B通道的增益值,沒有改變G通道的增益值,所以同一溫度同一曝光時(shí)間下不同增益比的圖片的G值基本沒有變化.而且同一溫度,同一白平衡增益,不同曝光時(shí)間下的標(biāo)定系數(shù)cg幾乎沒有改變.

圖3 自動(dòng)識(shí)別圖像中心區(qū)域Figure 3 The center area of the image identified automatically

3.2 系數(shù)補(bǔ)償

盡管采用單色濾波片后能獲得紅色和綠色的單色光,但是由于CCD相機(jī)R和G通道測(cè)量的光信號(hào)具有一定的波長(zhǎng)范圍,使得單波長(zhǎng)的紅光會(huì)在G通道成像,單波長(zhǎng)的綠光會(huì)在R通道上成像,這將對(duì)雙色測(cè)溫的精度帶來影響,這也是目前圖像雙色測(cè)溫方法中主要的誤差來源.本文對(duì)紅色單色光濾波片濾過的波對(duì)R通道和G通道的影響及綠色單色光濾波片濾過的波對(duì)R通道和G通道的影響進(jìn)行補(bǔ)償系數(shù)標(biāo)定.

輻射光經(jīng)過分光后分為兩束分光.第一束分光通過紅色窄帶通濾波片,分離出來紅色濾鏡下綠色基量灰度值R_G和紅色濾鏡下紅色基量灰度值R_R,二者之比為R_G/R_R,記作KR_GR.第二束分光通過綠色窄帶通濾波片,分離出來綠色濾鏡下紅色基量灰度值G_R和綠色濾鏡下綠色基量灰度值G_G,二者之比為G_R/G_G,記作KG_RG.采集從1 173.5 K到1 473.5 K的輻射圖片,當(dāng)只使用紅色濾波片時(shí),分別計(jì)算圖片的R值和G值,即表中R_R和R_G.當(dāng)只使用綠色濾波片時(shí),分別計(jì)算圖片的R值和G值,即表中G_R和G_G.部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3.

表3 只使用紅色濾波片時(shí)的RGB數(shù)據(jù)信息Table 3 RGB data and information when only red filter was used

根據(jù)表3,不同溫度段內(nèi)的KR_GR、KG_RG值不同.圖片中的紅色基量灰度值記為Ired,包括:紅色濾鏡下紅色基量灰度值R_R和綠色濾鏡下的紅色基量灰度值G_R.同理,輻射圖片中的綠色基量灰度值記為Igreen,包括:綠色濾鏡下綠色基量灰度值G_G和紅色濾鏡下綠色基量灰度值R_G.它們之間的關(guān)系為

Ired=R_R+G_R,Igreen=G_G+R_G.

(9)

代入使用濾鏡時(shí)的補(bǔ)償系數(shù)KG_RG和KR_GR為

Ired=R_R+KG_RG×G_G,Igreen=G_G+KR_GR×R_R.

(10)

將輻射圖片中紅色濾鏡下的紅色分量的灰度值表示為R,綠色濾鏡下的綠色分量的灰度值表示為G,得到式(11):

(11)

將式(11)結(jié)果代入雙色法測(cè)溫公式(6),經(jīng)計(jì)算可得溫度.

3.3 黑體爐測(cè)溫實(shí)驗(yàn)

利用黑體爐對(duì)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)和方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,在1 173.5 K到1 473.5 K每隔100 K進(jìn)行一次測(cè)溫實(shí)驗(yàn),利用雙色測(cè)溫方法對(duì)溫度進(jìn)行計(jì)算,并與傳統(tǒng)單CCD相機(jī)的雙色測(cè)溫方法進(jìn)行對(duì)比,其測(cè)量結(jié)果見表4.

表4 使用雙光路結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)償修正的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of correction experiments using the dual optical paths structure

由表4可見,采用雙光路結(jié)構(gòu)的雙色測(cè)溫法其測(cè)量的最大誤差為0.48%,而傳統(tǒng)方法測(cè)量的最大誤差為2.18%,本方法的精度明顯高于傳統(tǒng)的雙色測(cè)溫方法.對(duì)比文獻(xiàn)[4]浙江大學(xué)邵力成等人的3CCD測(cè)溫方法,其測(cè)量最大相對(duì)誤差為0.88%,測(cè)量精度有所提高,但本方法由于只用了1個(gè)CCD,所以整體成本較低,更利于工業(yè)在線應(yīng)用.

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一個(gè)使用單CCD相機(jī)的雙光路測(cè)溫裝置,火焰光線先通過一個(gè)半透半反鏡被分成兩路光線,兩路光線分別進(jìn)入兩個(gè)窄帶通濾波片,最后兩路光線經(jīng)過一個(gè)半透半反鏡匯聚成一路光線,被CCD接受,通過雙色測(cè)溫法實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量.在窄帶通單色濾波的基礎(chǔ)上,提出一種系數(shù)補(bǔ)償方法,準(zhǔn)確從圖片中分離兩個(gè)單色分量的亮度值,實(shí)現(xiàn)溫度的準(zhǔn)確測(cè)量.之后使用本文設(shè)計(jì)雙光路結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),與未使用雙光路結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較,測(cè)溫精度明顯提高.