火焰图像温度场测量的灰度拟合方法研究

　　1　引　言

　　工业燃烧火焰温度是极其重要的参数,对于安全生产、节能减排具有重要意义[1~4]。近年来,基于CCD相机的温度场测量方法受到广泛关注[5, 6]。该方法具有成本低、分辨率高、可实时图像监视等优点,但测温范围和测量准确性仍有待提高。主要原因之一是由于CCD获取的辐射图像的灰度值范围和准确性影响了温度的计算结果。为了扩大温度场测量范围,在火焰图像中显示出更多的温度点,提出了彩色图像灰度拟合方法,建立了灰度拟合关系式用于温度场计算。在实际的工业测量中,通过分析灰度比曲线剔除信噪比低的数据的干扰,提高了灰度拟合和温度场计算的准确性。

　　2　CCD温度测量原理

　　CCD温度场测量方法是基于维恩辐射定律发展出的比色测温方法,当温度在800℃~2000℃可见光范围内,可视辐射体为灰体[7],双色测温公式为:

式中:T是被测量对象的绝对温度/K;c2为普朗克第二常数;λ1和λ2为某单色光波长;s(λ1,T)和s(λ2,T)是某波长下的灰度值,原理上与相应波长下的辐射能成正比;K为系统标定因子,与测量系统的辐射衰减、测量距离、CCD参数等有关,用于校正灰度与温度的关系,可通过黑体炉标定得出。

　　3　测温系统模型及问题分析

　　为了实现温度场测量且便于误差分析,设计了如图1所示的测温系统。系统主要由温控装置、实验炉、滤光单元、CCD相机和计算机组成。其中温控装置用于监控实验炉温度,为灰度经验公式的获取和误差分析提供依据。

　　比色公式成立的条件是物体辐射能与CCD接收图像的灰度成正比,而CCD光谱响应的非窄带复杂特性必然带来测量误差。为了提高测量的准确性,在CCD前加载窄带滤光系统,对采集到的光束进行衰减过滤,CCD接收后传入计算机进行图像的分析处理。

　　存贮在计算机内的每幅辐射图像是由3幅不同颜色(RGB)的灰度图像组成。每幅单色图像中的每个像素由0~255的灰度级表示,利用某像素任意两个颜色的灰度比,即可求得该点的温度值,进而获得整幅图像的温度场分布。公式(1)是以灰体假设为前提的,但实际上火焰的辐射特性不完全等同于灰体。为了满足两个波长下的发射率近似相等,波长λ1、λ2需选的较为靠近。文献[8]指出,Δλ在0·05~0·1μm之间较为理想。但受CCD感光特性的限制,波长组合只能在R、G、B中进行选择。由于获取的B分量辐射能较低,因此选取R、G分量进行温度场测量。

　　随着温度的升高,物体的辐射能会逐渐增大,表现在辐射图像上的灰度值便逐渐增大。由于CCD对R、G的光谱响应不同导致了它们的灰度值r、g随温度变化呈现不同的趋势,以致当温度较低时,r较理想而g偏低;随着温度的升高,g达到理想范围时r可能已经饱和。也就是说,r、g同在理想状态的温度域较窄,导致了温度测量范围较窄。图2曲线①、②显示了在黑体炉上,炉温从1 050℃缓慢升至1 250℃时,g、r随温度变化的情况。