基于彩色CCD三基色的溫度圖像檢測方法研究

李躍華

摘 要：隨著科技的發展和環境要求的提高，對爐膛火焰的檢測也越來越高。通過對普通彩色CCD攝像機獲取的火焰圖像進行研究，建立了一種不需要參考點的火焰投影溫度場三色測量法。不但能顯示爐內火焰燃燒的實時圖像，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。

關鍵詞：爐膛火焰 溫度 圖像 三色測量

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1578（2017）09-0028-03

在我國電力工業中，火電裝機總量在2011年達到了全國發電機組裝機總量的72.50%，其中燃煤發電是主要方式，針對越來越多的大容量機組，僅對單燃燒器進行檢測已經不能滿足實際生產的需要，必須對全爐膛進行全方位的檢測， 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，因此對爐膛火焰檢測的要求越來越高。在現實生產過程中，通過對爐膛火焰進行更精確的定量分析，計算出其溫度場和輻射信號，為提高爐膛環保和經濟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某一個或某幾個物理化學性質和溫度之間存在一定的關系，通過研究物體這些性質和溫度之間的關系，總結出各種測溫方法，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。在發展非接觸式測溫時，常常通過接觸式測溫方法，對溫度進行標定。在高溫測量中，主要應用傳統的熱電偶溫度計和黑體腔溫度計進行測溫。其最大的缺點就是響應速度慢、誤差較大、難以實現溫度場的測量。所以接觸式測溫一般只在鍋爐熱態特性實驗中，利用測槍進行一次較全面的多點測量，而在實際生產中，僅在鍋爐內的關鍵位置進行局部測量，作為溫度場的一個參考值。

非接觸式測溫方法由于測溫元件不需要放置在被測介質之中，對于被測介質不會產生影響，也降低了對測溫介質的材料要求，在高溫測量中相比接觸式測溫法更具有優勢。非接觸式測量方法分為兩大類，一類是通過對被測燃燒介質的熱力學性質進行研究，推導出其溫度場，比如基于聲學的聲波法測溫；另一類是通過對火焰的輻射特性進行研究，推導出溫度場，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，并且燃燒情況復雜，輻射法相比其他方法具有明顯的優勢。經過實踐驗證，雙色法完全能滿足爐膛火焰溫度場測量的要求，并且研究者們已經設計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

根據熱力學第三定律，自然界中任何物體的溫度都高于絕對零度，所以都能產生熱輻射，并且都以它的特有的頻譜特性向外界輻射能量。

一般物體發出的光譜輻射亮度可以用它的表面溫度T和表觀發射率ε（λ，T）及周圍環境溫度，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，其值分別為3.742×10-16W·m2和1.4388×10-2m·k。ε為物體表觀發射率，λ為波長，T為輻射體溫度，TE為環境溫度。

在煤粉燃燒火焰輻射的波長范圍300-1000nm及溫度范圍800-2000K內，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，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，這就決定了煤粉燃燒火焰輻射特性的復雜性。

式（1-2），Wien輻射定律，就是雙色法測溫的理論依據。[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用于實際生產中，并且表現出了極大的優勢。比較常用的有：

方法一：依據式（1-2）對火焰輻射溫度進行檢測時，為了避免標定的困難，大多數研究者都選擇了標定相對簡單的雙色法進行檢測，該方法對溫度測量的精度是由兩個或多個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，就必須獲取兩個波長下火焰的單色輻射能圖像。在兩個波長λ1、λ2下若同時測量到由同一點發出的單色輻射能E（λ1，T）、E（λ2，T）的測量值S1、S2，則當忽略不同波長下輻射率的變化時兩者的比值為：

= = exp- （ - ） 1-3

式中，因為忽略了波長變化引起的輻射率變化，并且保證在圖像采集時對于兩個通道的增益也相同，所以有相等的系數k，對（1-3）進行求解，則可以得到溫度T：

T= 1-4

采用這種方法時，對于采集到的圖像信息，必須保證是從同一點的輻射信號中采集的兩個不同波長λ1、λ2，下的單色輻射能，這需要復雜精密的光、機、電系統。而且，因為忽略了不同波長對于輻射率的影響，所以在要求這兩個波長比較接近，而由式（1-4）可知，兩個波長的選擇又不能太接近，這就對實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發出的三個工作波長λ1、λ2、λ3，以及其對應的單色輻射能E （T）、E （T）、E （T），代入式（1-2）中，得到三個方程組，聯立求解可得：

T= 1-5

令k= ，并且設三個信號通道的信號輸出為：R、G、B。設一個以R、G、B為參數的函數關系式：

f（R、G、B）= 1-6

對 f（R、G、B）進行擬合：

f（R、G、B）=aR+bG+cB 1-7

則可以得到：

T= 1-8

其中，因為研究對象為人工黑體，輻射率近似為1，所以k也近似于1。然后對一幅火焰圖像，假設其中N個像素點的溫度值。根據各點的溫度和對應的RGB值，代入到（1-8）中，利用待定系數法求出a、b、c的值，從而擬合出函數f（R、G、B）=aR+bG+cB，然后再對于不同的圖像，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，雖然不需要設定參考點，但是其標定過程過于復雜，當外界環境發生變化時，精確度將大幅下降，不便于實際運用。

上述兩種方法，經過實踐證明，都能較為準確快速地測出爐膛火焰溫度場的分布，但是其缺點也十分明顯，兩種方法對整個系統的要求很高，第一種方法對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（B）三個通道的信號組成，對于某一個像素，取其RG兩個值，可以看作是該點的紅色和綠色兩種單色輻射能量。彩色CCD攝像機參數的差異導致所得到的彩色圖像的三個分量并不能完全準確的還原其所對應的單色輻射能，所以在計算溫度之前，必須對彩色圖像進行處理，即標定，從彩色圖像得到所測對象的單色輻射強度。

圖2-1 標定系統示意圖 圖2-2 測溫儀

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

度。[4]

在標定系統中，對于爐膛，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。我們將這樣一個爐膛可以叫做黑體爐膛。當測量波長小于780nm，溫度小于3400K時，通過Wien輻射定律可知，黑體爐膛的單色輻射強度如下：

E （T）= exp（- ）ε（λT） 2-1

式中Eλ（T）為單色輻射強度，ε（λ）為黑體的單色輻射率，幾乎與波長無關，且近似于1。當圖像探測器與黑體輻射表面很近時，因為空氣對可見光波段的輻射減弱系數很低，抵達圖像探測器表面的單色輻射強度可近似等于黑體輻射的單色輻射強度。標定系數kr、kg、kb分別來修正三個分量R、G、B，分別得到在RGB三基色波長下的單色輻射強度：

Eλr=krR Eλg=kgG Eλb=kbB 2-2

結合式（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，對其他兩個基色G、B的數據進行修正，使得修正后的紅藍綠三基色R1、G1、B1之間的相對大小正確地反映火焰的相對光譜分布特性：

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。

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式：

T= 2-6

對（2-6）進行變形，就可以得到參數cg的表達式：

cg= 2-7

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

一幅彩色圖像中三個通道的分量反應了輻射能力的大小，根據式（2-6）計算得到的溫度T，再結合式（2-1），對圖像中任意像素點，采用其紅色分量或者綠色分量就可以計算該點的輻射率：

ε= exp（ ） 2-8

這樣，就建立了一套完整的火焰圖像標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，這里根據彩色火焰圖像計算獲得的輻射率，只是火焰在可見光區域的輻射率，火焰中氣體輻射主要在紅外區域，因此火焰在紅外區域的輻射率的監測需要利用紅外傳感器進行。

2.2 彩色CCD三基色的溫度圖像檢測法的步驟

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

（2）需要對參數cg進行標定。圖2-2所示，為爐膛實際生產的測溫儀器，明確給出了一區和二區兩個區域的溫度值，以此作為標定溫度。對這兩個區域分別求出紅（R）、綠（G）兩個分量的平均值R、G，再將R、G和標定溫度T代入式（2-8）中，就可以求出參數cg。經過多次計算，發現cg的值，在區間（6，7）之內變動，設式（2-6）的分母部分為M，則有：

M=ln（ ）=lncg+ln（ ）

其中，兩個標定區域內：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

又設式（2-6）的分子部分為z，則有：z=-C2（ - ）

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

當cg時，可以通過單調函數的原理求出T∈（1484.0， 1512.6），由此可見誤差已經在可接受范圍之內。再通過多幅圖像中兩個區標定值的求解，取其算數平均值，則誤差進一步減小，一般能控制在。完全滿足生產需要。

（3）將cg代入式（2-6）中，就可以對圖像中任一像素點進行計算，得到其溫度值T，這樣就可以方便快捷的計算出圖像中任一一點的溫度。

（4）繪制關于溫度值的灰度圖。通過之前的計算，圖中每一個像素點都對應一個溫度值T，和灰度圖極其相似（灰度圖中每一像素點對應的是該點的灰度值），所以可以將測得的溫度場分布用灰度圖的形式表現出來。所測爐膛火焰溫度為1000K—1800K，而灰度圖中每一像素點的灰度值范圍為0—255，所以構建一張與原火焰圖像大小相同的灰度圖，構建函數：

H=

其中H為新建灰度圖中任一一點的灰度值，T為該點對應的溫度。這樣，火焰圖像就轉換為一張灰度圖，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，需要對第四步中獲得的灰度圖進行偽彩色處理，使圖中不同溫度點的對比更加明顯。同時在繪圖時，以原火焰圖像的長和寬為x，y軸，溫度T為Z軸。在三維坐標系中明確直觀的顯示整個火焰圖像的溫度場分布。

3 結論

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，對于整個圖像采集系統的要求更低，對波長也沒有嚴格的要求；和方法二相比，標定更加簡單，精度也完全能滿足實際生產的要求。并且對于近似滿足黑體輻射的圖像，就能很快的計算出其溫度場。而在計算過程中，通過計算運行時間，一般在1.2秒左右，完全能達到要求。

參考文獻：

[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[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黑體爐標定[J].杭州電子工業學院學報，2002，22（1）：44-47.