基于ARM的火焰溫度圖像測量系統

孔 明， 楊 明， 郭天太， 趙 軍

(中國計量大學，浙江 杭州 310018)

0 引 言

溫度監測對于控制燃燒、減少因燃燒效率低造成的環境污染、保證發電站的鍋爐燃燒安全起著重要作用，與造紙、冶金等產業關系緊密[1-6]。溫度監測技術可以總結為接觸式測溫和非接觸式測溫兩大方向。其中，接觸式測溫以在鍋爐中投放感溫元件為主要技術手段，這種測溫方式只能進行短時間的溫度監測，并且由于數量的限制，只能達到點和局部的溫度測量。非接觸式測溫方法主要是包括光學技術方式和聲學技術方式，聲學技術方式測溫在國外研究起步較早，已經開發出了商業應用的產品，但多限于發達國家；并且聲學測量溫度應用產業范圍有限，采用聲學測量溫度在施工中需要安裝較多聲波發射和接收裝置，阻礙了這項技術的進一步發展和大面積應用[7-9]。

隨著計算機技術和CCD的飛速發展[10]，基于計算機的圖像處理技術[11]在火焰溫度監測中的應用日益廣泛，并且該項技術對燃燒不會產生影響，能夠達到實時在線監測的效果。利用工控機搭建溫度測量系統占用場地大并且不易安裝調試，ARM的出現可以完美解決該問題，其性能也足夠完成數據處理工作；并且利用ARM搭建系統成本和功耗更低，測量結果可實時準確傳輸到顯示界面。在此理論基礎上，提出并設計一套基于ARM平臺的火焰溫度圖像測量系統。本文主要介紹了圖像溫度測量系統所涉及的溫度測量原理、雙光路圖像采集設計，并對系統可行性進行了實驗驗證。

1 測量原理及光路設計

1.1 雙色測溫法

本系統在雙色測溫技術[12-17]的基礎上進行改進，將原本的雙色測溫公式簡化為如下式所示：

從式(1)可以看出，溫度分布可以通過圖像中各點的單色輻射亮度能量的比率計算。

通常CCD采集到的蠟燭火焰圖像的藍色光分量信號較弱，信噪比低，因此系統測溫時采用了R和G兩個通道的光分量來計算蠟燭火焰的輻射溫度。由此原理推出最終蠟燭火焰溫度的計算公式為

式中：ET(λR)、ET(λG)——火焰單色輻射能，W/m2；

λR、λG——火焰R和G光分量的固定波長，nm；

T——蠟燭火焰溫度，K；

C2——第二輻射常數，值為14.388 mW·K。

由式(2)可以看出，在計算火焰溫度時，采用的λG和λR的值為固定值，但是實際這兩種波長都是在一定范圍內有效，如果采用CCD相機直接進行圖像采集，得到的圖像波長也是在一定范圍內，最后的計算結果誤差會較大；因此，需要加入一套光路圖像采集系統，使λG和 λR的值盡量接近計算時采用的值，以減少系統誤差。

1.2 圖像采集光路設計

CCD相機采集到的彩色圖像是由RGB 3個顏色通道組成，每個通道接收的是一個波段的光能信號總和，而不是單波長光強信號。為了使測量方案更符合雙色測溫法測量原理，減少測量誤差，設計了如圖1所示的光路方案。此光路作為CCD相機前端的光能信號處理單元，通過濾光片和分光棱鏡的組合，使采集圖像的R和G分光量盡可能符合雙色測溫法的理論要求。

圖1 光路設計圖

圖像采集光路模塊由4個分光棱鏡和2個濾光片組成，中心波長分別為637 nm和541 nm，半寬分別為13 nm和12 nm。根據光學元件和機架的物理尺寸，分光棱鏡在水平軸和垂直軸上的最小距離分別設置為200 mm和100 mm。濾光片沿水平軸放置在兩個分光棱鏡的中間。火焰A的光通過1號分光棱鏡形成透射光B和反射光C。反射光C通過2號分光棱鏡和6號濾光片，從反射光D轉換為濾光F。同樣地，透射光B依次通過5號濾光片和3號分光棱鏡形成濾光E和反射光G。最后，將光F和G合并到4號分光棱鏡中，形成由CCD攝像機接收的光H，以形成濾波圖像。

1.3 相機分辨率及鏡頭選擇

圖像的分辨率會影響整幅圖像的顯示效果，分辨率的大小以水平分辨率與垂直分辨率的乘積表示。一般大的圖像分辨率表示更高的清晰度，但是高分辨率會降低圖像處理速度，所以根據實際需要本實驗選用的相機分辨率為1 292×964。

在上述圖像采集的雙光路設計中，分光棱鏡的形狀大致是平行板。以Δl′代表圖像和物體之間的距離，Δl′的計算方程為

式中n、d分別為分光棱鏡的折射率與寬度，n=1.5，d=25 mm，將值帶入式(3)，得到圖像和物體之間的距離是8.33 mm。

為了確定攝像機鏡頭的焦距，1號分光棱鏡中的蠟燭圖像向鏡頭移動8.33 mm，2號棱鏡中1號分光棱鏡的圖像朝著透鏡移動8.33 mm。依此類推，經過3個分光棱鏡后，圖像移向鏡頭的距離為25 mm。蠟燭和相機鏡頭之間的距離是645 mm，在光學系統之后，兩者之間的距離為620 mm，即相機鏡頭的實際工作距離為620 mm。CCD相機視場角為50 mm，傳感器高度為3.6 mm，攝像機鏡頭的焦距公式為

式中：f——焦距；

SCCD——CCD尺寸；

WD——工作距離；

FOV——視場角。

將上述SCCD、WD和FOV的值帶入式(4)得到f值為50 mm，因此系統選擇攝像頭焦距為50 mm的鏡頭。

2 ARM系統設計

本系統由ARM處理機構硬件部分和基于Linux-QT操作系統的軟件部分共同構成，此外還包括可觸摸顯示屏幕、攝像頭和圖像采集光路系統等主要部件。系統的工作原理如下:由可觸摸顯示屏上的軟件來控制相機進行拍照，相機鏡頭前的圖像采集光路系統負責濾除不必要的圖像部分，采集到的照片經網線由以太網口傳輸到ARM開發板中，由ARM板中的集成雙色測溫軟件對圖片進行圖像預處理、溫度計算等圖像處理操作，最后由可觸摸顯示屏顯示處理得到的蠟燭火焰溫度分布圖。

2.1 硬件平臺設計

硬件平臺的總體框圖如圖2所示。

圖2 硬件平臺總體框圖

溫度測量系統的ARM平臺硬件部分是由ARM核心板與電源模塊、HDMI接口、以太網口和串口接口等主要外圍電路模塊共同構成。其中，ARM核心板為ARM平臺的最小系統，電源模塊負責給整個ARM板提供最高為5 V的電源，HDMI接口模塊負責ARM板與觸摸屏幕的連接，以太網口控制相機開啟、關閉并進行圖像的傳輸，可以通過以太網口將相機采集到的圖像傳遞到ARM板中，串口則是負責與PC機進行通信和數據的傳遞，可以通過串口模塊將采集到的圖像和處理之后的圖像傳遞至電腦[9-10]。整個ARM板搭建起軟件運行的硬件環境，硬件部分完成照片的拍攝以及為照片處理軟件起到平臺支撐作用。

2.2 圖像處理軟件流程

圖像處理軟件流程圖如圖3所示，經CCD相機拍攝的圖片傳送至ARM板，程序運行開始，首先將指定位置的圖片讀入，根據OpenCV庫中提供的API接口函數將圖像轉換為灰度圖，然后對圖像中RGB 3個通道的灰度值進行分離提取。雖然加入圖像采集光路設計，但是經由相機A/D轉換后仍會出現一些不符合蠟燭火焰溫度分布規律的點，需將其濾除，本文定義為圖像的失真校正過程。提取R通道和G通道光分量的值，并根據雙色測溫公式計算對應的火焰溫度分布的值，最后根據計算結果，將顏色映射到灰度圖中，得到火焰溫度分布圖。

3 實驗研究

為了保證實驗環境不受外界光照和氣流影響，搭建如圖4所示的實驗平臺，實驗平臺外部由一個黑箱體及實驗底座構成。將被測蠟燭放入黑箱中點燃，采用MER-132-30 GC相機搭配120萬像素鏡頭采集火焰圖像，相機最高的采樣頻率為30 張/s，由于采用接觸式傳感器的數據作為對比參考，接觸式傳感器溫度測量反應時間相對較長，因此將系統相機設定為每30 s拍攝一張蠟燭火焰圖像。采集到的火焰圖片通過ARM處理單元處理后獲得火焰溫度二維分布信息，信息可以在與ARM板相連的顯示器上顯示，也可以通過USB串口傳送到電腦，由電腦顯示器將最終準確的測量結果顯示出來。

圖3 火焰溫度分布計算流程圖

圖4 ARM視覺測量系統實驗平臺

3.1 火焰溫度計算

從一系列圖片中選取一張測量圖像為例，圖像經過灰度、去噪、矯正、灰度圖映射等處理后獲得蠟燭火焰的溫度分布，如圖5所示。由火焰溫度分布圖可以看出蠟燭火焰的外焰區域為高溫區，最高溫度達到691℃；內焰區域為低溫區，最低溫度為598℃，整個火焰的平均溫度為638.4℃。由一系列火焰圖片可以畫出蠟燭火焰在實驗測量前5 min時間內的最高溫度曲線和平均溫度曲線，如圖6所示。其中，曲線1為最高溫度隨時間的變化，曲線2為平均溫度隨時間的變化。由圖可以看出，蠟燭火焰的最高溫度與平均溫度在這5 min之內均穩定在600～700℃之間，蠟燭火焰的溫度跳動在可以接受的范圍內，因此，火焰溫度分布的測量結果在誤差允許范圍內。

3.2 測量實驗數據分析

為了驗證本測溫系統結果的正確性，在目標火焰的外焰和內焰分別選取均勻分布的10個測溫采樣點，采樣點的選取是根據火焰內焰和外焰的各個區域均要覆蓋的原則，用經過標定的SA-K06熱電偶測量采樣點的溫度，最后將本視覺測量系統測得的溫度與SA-K06熱電偶測量得到的溫度值進行對比。SA-K06熱電偶的測溫范圍為0～1 400℃，精密度為0.3%，熱電偶的長度為310 mm，直徑約3 mm。

圖5 蠟燭火焰溫度分布圖

圖6 最高溫度曲線和平均溫度曲線

接觸式熱電偶在火焰的內、外焰溫度測量數據結果如表1、表2所示，其中每兩個時刻之間的間隔為0.5 s，每個采樣點進行3次溫度采集。

由雙色測溫法得到的最高、最低和平均溫度的對比如表3所示。雙色測溫法是采用遍歷像素的方式找到的最高溫度與最低溫度，而接觸式測溫法是將熱電偶的10個測量點的外焰與內焰溫度采用求平均值的方法得出最高溫度、最低溫度與平均溫度。從得到的兩種測溫方法的結果來看，采用接觸式測溫方法測出的內焰溫度高于雙色測溫法，測出的外焰溫度低于雙色測溫法，其原因是由于接觸法的物理測頭具有一定的尺寸，其測量結果是在物理探頭周圍一定區域的火焰的平均溫度，故其溫度會有些偏差；同時接觸式測溫法測量的溫度點有限，不能對全部空間的火焰溫度同時進行測量，也會對火焰場帶來影響，而本系統為二維平面式測量，可以實時監測整個視場內火焰像素點溫度。通過對比可見本系統通過雙色測溫法測量蠟燭火焰溫度具有較好的實用性，測量范圍更廣。兩者的差距在可以接受的范圍內，因此本系統的測溫方式可行。

表1 內焰溫度測量數據℃

表2 外焰溫度測量數據℃

表3 接觸測溫與非接觸測溫數據對比℃

4 結束語

溫度監測直接關系到整個燃燒過程的判斷，對燃燒的安全、燃燒效率的提高和減少污染物的排放有著重要的指導作用。通過對國內外溫度監測技術現狀的調研研究，本文提出并設計了一套基于ARM的火焰溫度圖像測量系統，重點介紹了本系統中加入的雙光路圖像采集模塊，能夠有效減少圖像采集的系統誤差。以蠟燭火焰為對象進行試驗研究，通過與接觸式熱電偶溫度測量結果對比驗證其測量準確性。本系統可以廣泛應用于發電廠、冶金制造和造紙等行業，并且具有良好的通用性，造價低，對燃燒過程沒有干擾。但是此系統的處理效率依賴于圖像采集光路的設計、相機的成像素質、傳輸效率和相機鏡頭分辨率等因素。由于精力有限，本系統中更強調于系統的搭建和功能實現，對于光路中元件之間的距離設計、相機鏡頭的選擇有待于進一步提高，從而達到更好的效果和更低的誤差。