一种基于改进三色法的高炉燃烧带温度场检测方法

摘要

本发明提供一种基于改进三色法的高炉燃烧带温度场检测方法，属于检测方法技术领域。本发明事先经过黑体炉标定CCD检测系统，拟合得出所选的五个波长灰度与温度之间的函数关系式；该方法主要步骤如下：(1)获得一个彩色图像和两个黑白图像；(2)获得图像的五个波长对应的灰度值；(3)获得两组基于改进的三色法的燃烧带温度图像；(4)通过均值算法求出最终的燃烧带温度图像。本发明对检测对象的环境无干扰，能够减小彩色CCD相机采用比色法检测中双基色波长选择不合理造成的测量误差。

说明书

技术领域

本发明涉及检测方法技术领域，特别是指一种基于改进三色法的高炉燃烧带温度场检测方法。

背景技术

将辐射图像处理技术与计算机技术应用于煤粉燃烧的高炉温度场检测，是近年来出现的一种新技术。由于其具有测温范围广、非接触测量、对被测火焰无干扰等特点，目前受到了国内外学者的重视。理论研究与实验室实验已经开展了多年。

目前，国内外广泛采用的基本方法是基于普朗克辐射定律的双色法。现已开发了在高炉风口窥视孔上使用基于彩色CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)相机的检测系统，该系统能够同时提供煤粉燃烧的实时视频，还能够利用图像RGB(Red-gree-bule，光的三原色)值与温度的对应关系，建立火焰图像的温度场曲线，以此显示出温度场分布。由于比色法中波长的选取对测量结果的影响较大，而彩色CCD工业相机的RGB波长是固定的，无法通过算法来消除硬件带来的测量不准确的误差。

为此，马钢又尝试采用分光系统，使用彩色CCD与高温近红外CCD的双CCD的复合摄像探头，通过变送转换单元、图像信息分析系统以此连接，将摄取的图像传输到高炉操作室，同时提供对应的温度分布热图像及温度曲线。该分光系统在面对燃烧带视角范围内燃烧带温度变化较大时，CCD辐射摄像探头容易出现过饱和现象。且在采用比色法计算温度曲线时，没有对采集系统的复合摄像探头进行黑体炉标定，没有有效的选择比色法所需的单波长辐射图像，因此无法解决温度场分布测量不准确的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于改进三色法的高炉燃烧带温度场检测方法，其目的在于通过合理的波长选择，同时减少检测系统设备构成的情况下，提高高炉燃烧带温度场检测的精度。

该方法包括如下步骤：

(1)获取辐射图像：将分光系统放置于高炉燃烧带窥视孔前端，采用图像采集系统获取燃烧带辐射图像，得到燃烧带的彩色图像和黑白图像；

(2)获取图像的灰度值：从步骤(1)所得彩色图像中得到各像素红、绿、蓝三个波长的灰度值R_ij，G_ij，B_ij，分别从步骤(1)所得的两个黑白图像中获得对应波长的灰度值C_ij，D_ij；

(3)计算温度图像：选择R_ij，G_ij，C_ij三个波长对应的灰度值，根据黑体炉标定的结果，采用改进三色法计算出第一组燃烧带温度场图像，计算得到的各像素温度为T_1，ij；选择G_ij，B_ij，D_ij三个波长对应的灰度值，采用改进三色法计算出第二组燃烧带温度场图像，得到各像素温度T_2，ij；

(4)计算最终的燃烧带温度场：通过均值算法求出最终的燃烧带温度图像T_ij。

该方法涉及的装置包括分光系统、图像采集系统、传输系统和计算机数据储存及处理系统，其中，分光系统包括分光镜一、分光镜二和反射镜，图像采集系统包括黑白CCD工业相机一、黑白CCD工业相机二和彩色CCD工业相机，分光镜一置于黑白CCD工业相机一前端，分光镜二置于黑白CCD工业相机二前端，反射镜置于彩色CCD工业相机前端；分光系统和图像采集系统位于风口套管内，图像采集系统采集到的图像经过传输系统传到计算机数据储存及处理系统，图像采集系统由同步触发器控制。

黑白CCD工业相机一和黑白CCD工业相机二前端安装不同波长的窄带通滤光片，窄带通滤光片波长的选择，主要是基于前期的实验研究，并通过计算得出合理的波长。

改进三色法是指计算模型所用到的灰度值是通过一个彩色CCD工业相机和一个安装有窄带通滤光片的黑白CCD工业相机所拍摄的图像提供，同时针对不同高炉的冶炼特点，使用不同波长的窄带通滤光片。

黑白CCD工业相机一、黑白CCD工业相机二和彩色CCD工业相机采用相同的曝光时间、光圈大小、增益，传输系统中以24位图文件格式传输图像到计算机数据储存及处理系统，彩色图像各像素的灰度值及黑白图像的灰度值各以8位字节形式存储在位图文件中，通过编程读取位图文件中相应的数据得到图像中各像素的灰度值。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

通过改进的三色法，减少了传统的基于比色法及三色法计算模型的波长选择限制所带来的计算误差，同时能够针对不同的高炉燃烧带工况，选择不同波长的窄带通滤光片以提高检测的精确度。通过对两组三色法计算出的温度图像进行均值处理后得到最终的温度图像，进一步减小了温度场检测的误差。

附图说明

图1为本发明的基于改进三色法的高炉燃烧带温度场检测方法所涉及装置结构示意图。

其中：1-风口本体；2-窥视孔；3-风口套管；4-光学玻璃；5-分光镜一；6-黑白CCD工业相机一；7-分光镜二；8-黑白CCD工业相机二；9-反射镜；10-彩色CCD工业相机；11-传输系统；12-同步触发器；13-计算机数据储存及处理系统。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种基于改进三色法的高炉燃烧带温度场检测方法，如图1所示，为该方法涉及装置的结构示意图，图1为简化的示意图，并以示意方式说明本发明的基本结构，因此仅显示了与本发明相关的构成。

如图1所示，该装置包括分光系统、图像采集系统、传输系统、计算机数据储存及处理系统。高炉燃烧带的辐射光通过风口本体1从风口窥视孔2经由光学玻璃4进入检测装置，检测装置中的分光系统和图像采集系统位于风口套管3内，该光被分光镜一5、分光镜二7及反射镜9分为三路均匀的光束，其中两路光束分别经过窄带通滤光片、镜头，最终到达黑白CCD工业相机一6、黑白CCD工业相机二8，一路光束经过镜头进入彩色CCD工业相机10，经过三个CCD工业相机的内部光电转换模块将光信号转变为电信号，并将该电信号输出至传输系统11。传输系统11将电信号传输至计算机数据储存及处理系统13。需要注意的是，在采集辐射光束之前，应设置好三个相机的参数，通过同步触发器12同步控制三个相机的采集时间。

该方法包括如下步骤：

(1)获取辐射图像：将分光系统放置于高炉燃烧带窥视孔2前端，采用图像采集系统获取燃烧带辐射图像，得到燃烧带的彩色图像和黑白图像；

(2)获取图像的灰度值：从步骤(1)所得彩色图像中得到各像素红、绿、蓝三个波长的灰度值R_ij，G_ij，B_ij，分别从步骤(1)所得的两个黑白图像中获得对应波长的灰度值C_ij，D_ij；

(3)计算温度图像：选择R_ij，G_ij，C_ij三个波长对应的灰度值，根据黑体炉标定的结果，采用改进三色法计算出第一组燃烧带温度场图像，计算得到的各像素温度为T_1，ij；选择G_ij，B_ij，D_ij三个波长对应的灰度值，采用改进三色法计算出第二组燃烧带温度场图像，得到各像素温度T_2，ij；

(4)计算最终的燃烧带温度场：通过均值算法求出最终的燃烧带温度图像T_ij。

具体过程如下：

对遵守普朗克辐射定律的一般物体，当高炉燃烧带温度T下发出彩色光时，彩色CCD工业相机10采集到的各像素红、绿、蓝三个波长的灰度值R_ij，G_ij，B_ij可以表示为

式(1)中，N_R、N_G、N_B分别为λ_R、λ_G、λ_B三个波长的相关系数，通过同黑体炉标定得到；ε(λ_R,T)、ε(λ_G,T)、ε(λ_B,T)分别为燃烧带的辐射光束在λ_R、λ_G、λ_B三个波长的发射率；C₁、C₂分别为普朗克第一、二常数；

其中

式(2)中，τ为窥视孔光学材料的透过率；K_R、K_G、K_B分别为λ_R、λ_G、λ_B三个波长的CCD摄像机镜头光学系统的透过率；μ_R、μ_G、μ_B为光电转换系数；t_R、t_G、t_B为曝光时间；η_R、η_G、η_B为CCD光敏单元输出电流和图像灰度值之间的转换系数；V(λ_R)、V(λ_G)、V(λ_B)为光谱响应函数；D为光学系统出瞳面积；f为焦距。

两个黑白CCD工业相机采集到的各像素两个波长λ_C、λ_D的灰度值C_ij，D_ij可以表示为

根据改进的三色法计算得出两个温度T_1，ij、T_2，ij为

式(5)中，由于所选择的三个波长λ_R、λ_C、λ_G相近，因此可认为则，式(5)可简化为

同理式(6)可简化为

最终，通过均值算法求出最终的燃烧带温度图像T_ij为

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。