基于彩色CCD三基色的温度图像检测方法研究

李跃华

摘 要：随着科技的发展和环境要求的提高，对炉膛火焰的检测也越来越高。通过对普通彩色CCD摄像机获取的火焰图像进行研究，建立了一种不需要参考点的火焰投影温度场三色测量法。不但能显示炉内火焰燃烧的实时图像，还能直观的输出温度场分布图，为控制燃烧提供了有力的保障。

关键词：炉膛火焰 温度 图像 三色测量

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1672-1578（2017）09-0028-03

在我国电力工业中，火电装机总量在2011年达到了全国发电机组装机总量的72.50%，其中燃煤发电是主要方式，针对越来越多的大容量机组，仅对单燃烧器进行检测已经不能满足实际生产的需要，必须对全炉膛进行全方位的检测， 炉膛火焰检测不仅要保证燃烧器安全正常工作，还要尽量减少污染物的排放、降低能源损耗，因此对炉膛火焰检测的要求越来越高。在现实生产过程中，通过对炉膛火焰进行更精确的定量分析，计算出其温度场和辐射信号，为提高炉膛环保和经济效益提供有力的保障。[1]

常用的温度测量方法种类繁多，各种测温法都是基于测温介质某一个或某几个物理化学性质和温度之间存在一定的关系，通过研究物体这些性质和温度之间的关系，总结出各种测温方法，温度测量方法主要分为接触式温度测量和非接触式温度测量。

接触式测温，具有测量精度高、使用方便的特点。在发展非接触式测温时，常常通过接触式测温方法，对温度进行标定。在高温测量中，主要应用传统的热电偶温度计和黑体腔温度计进行测温。其最大的缺点就是响应速度慢、误差较大、难以实现温度场的测量。所以接觸式测温一般只在锅炉热态特性实验中，利用测枪进行一次较全面的多点测量，而在实际生产中，仅在锅炉内的关键位置进行局部测量，作为温度场的一个参考值。

非接触式测温方法由于测温元件不需要放置在被测介质之中，对于被测介质不会产生影响，也降低了对测温介质的材料要求，在高温测量中相比接触式测温法更具有优势。非接触式测量方法分为两大类，一类是通过对被测燃烧介质的热力学性质进行研究，推导出其温度场，比如基于声学的声波法测温；另一类是通过对火焰的辐射特性进行研究，推导出温度场，一般称之为辐射法测温。

1 基于双色法的炉膛火焰温度场测量

在众多的温度测量方法中，由于电厂锅炉往往尺寸较大，并且燃烧情况复杂，辐射法相比其他方法具有明显的优势。经过实践验证，双色法完全能满足炉膛火焰温度场测量的要求，并且研究者们已经设计出多种基于双色法的温度测量方法。

1.1 双色法测温的基本原理

根据热力学第三定律，自然界中任何物体的温度都高于绝对零度，所以都能产生热辐射，并且都以它的特有的频谱特性向外界辐射能量。

一般物体发出的光谱辐射亮度可以用它的表面温度T和表观发射率ε（λ，T）及周围环境温度，TE表示：

L（λ，T）= +1-ε（λ，T） 1-1

式1-1就是黑体辐射的Planck定律，其中C1、C2、被称为第一、第二辐射常数，其值分别为3.742×10-16W·m2和1.4388×10-2m·k。ε为物体表观发射率，λ为波长，T为辐射体温度，TE为环境温度。

在煤粉燃烧火焰辐射的波长范围300-1000nm及温度范围800-2000K内，由此可知λT<

Eλ（T）= exp（- ）ε（λ，T） 1-2

上式中，Eλ（T）为燃烧火焰的单色辐射能W/sr/m3，为人工黑体辐射率，λ为辐射波长，C1、C2为Plank常数，其值分别为3.742×10-16W·m2和1.4388×10-2m·k。其中，ε（λ，T）是波长的函数，这就决定了煤粉燃烧火焰辐射特性的复杂性。

式（1-2），Wien辐射定律，就是双色法测温的理论依据。[2]

1.2 两种常用的双色法测温度

目前，双色法测温广泛的应用于实际生产中，并且表现出了极大的优势。比较常用的有：

方法一：依据式（1-2）对火焰辐射温度进行检测时，为了避免标定的困难，大多数研究者都选择了标定相对简单的双色法进行检测，该方法对温度测量的精度是由两个或多个波长下辐射率的相近度决定的。为了获得燃烧火焰的温度图像，就必须获取两个波长下火焰的单色辐射能图像。在两个波长λ1、λ2下若同时测量到由同一点发出的单色辐射能E（λ1，T）、E（λ2，T）的测量值S1、S2，则当忽略不同波长下辐射率的变化时两者的比值为：

= = exp- （ - ） 1-3

式中，因为忽略了波长变化引起的辐射率变化，并且保证在图像采集时对于两个通道的增益也相同，所以有相等的系数k，对（1-3）进行求解，则可以得到温度T：

T= 1-4

采用这种方法时，对于采集到的图像信息，必须保证是从同一点的辐射信号中采集的两个不同波长λ1、λ2，下的单色辐射能，这需要复杂精密的光、机、电系统。而且，因为忽略了不同波长对于辐射率的影响，所以在要求这两个波长比较接近，而由式（1-4）可知，两个波长的选择又不能太接近，这就对实际测量中的精度造成了一定的影响。

方法二：通过检测元件测得同一点发出的三个工作波长λ1、λ2、λ3，以及其对应的单色辐射能E （T）、E （T）、E （T），代入式（1-2）中，得到三个方程组，联立求解可得：

T= 1-5

令k= ，并且设三个信号通道的信号输出为：R、G、B。设一个以R、G、B为参数的函数关系式：

f（R、G、B）= 1-6

对 f（R、G、B）进行拟合：

f（R、G、B）=aR+bG+cB 1-7

则可以得到：

T= 1-8

其中，因为研究对象为人工黑体，辐射率近似为1，所以k也近似于1。然后对一幅火焰图像，假设其中N个像素点的温度值。根据各点的温度和对应的RGB值，代入到（1-8）中，利用待定系数法求出a、b、c的值，从而拟合出函数f（R、G、B）=aR+bG+cB，然后再对于不同的图像，不断的修改此式，直到其能满足测定要求。

此方法，最后使用了直线拟合，虽然不需要设定参考点，但是其标定过程过于复杂，当外界环境发生变化时，精确度将大幅下降，不便于实际运用。

上述两种方法，经过实践证明，都能较为准确快速地测出炉膛火焰温度场的分布，但是其缺点也十分明显，两种方法对整个系统的要求很高，第一种方法对波长选取的要求也很高，这就影响了其测温的精确性；第二种方法通过直线拟合，得到最终方程，也影响了其测温的精确性。[3]

2 基于彩色CCD三基色的溫度图像检测方法

2.1 彩色CCD三基色的温度图像检测法原理

彩色CCD获取的图像总是由红（R）、绿（G）、蓝（B）三个通道的信号组成，对于某一个像素，取其RG两个值，可以看作是该点的红色和绿色两种单色辐射能量。彩色CCD摄像机参数的差异导致所得到的彩色图像的三个分量并不能完全准确的还原其所对应的单色辐射能，所以在计算温度之前，必须对彩色图像进行处理，即标定，从彩色图像得到所测对象的单色辐射强度。

图2-1 标定系统示意图 图2-2 测温仪

首先，为了保证测温的精度，必须对彩色火焰图像进行标定，标定的目的主要是校正RGB三基色值，使之正确反映辐射对象光谱特性在RGB代表性波长下的光谱强度的大小。标定系统如图2-1所示。测温仪采用图2-2所示仪器，作为标定温

度。[4]

在标定系统中，对于炉膛，我们只要开孔孔径足够小、腔体足够大，并且保持被测腔壁近似的等温。这样就能保证能完全吸收外界的辐射能量并且无任何反射的物体，即吸收比接近于1。我们将这样一个炉膛可以叫做黑体炉膛。当测量波长小于780nm，温度小于3400K时，通过Wien辐射定律可知，黑体炉膛的单色辐射强度如下：

E （T）= exp（- ）ε（λT） 2-1

式中Eλ（T）为单色辐射强度，ε（λ）为黑体的单色辐射率，几乎与波长无关，且近似于1。当图像探测器与黑体辐射表面很近时，因为空气对可见光波段的辐射减弱系数很低，抵达图像探测器表面的单色辐射强度可近似等于黑体辐射的单色辐射强度。标定系数kr、kg、kb分别来修正三个分量R、G、B，分别得到在RGB三基色波长下的单色辐射强度：

Eλr=krR Eλg=kgG Eλb=kbB 2-2

结合式（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分别为RGB三基色光的代表波长，分别为700nm、546.1nm和435.8nm；T为黑体炉温度，单位为K。

将R作为一种基色保持不变，对其他两个基色G、B的数据进行修正，使得修正后的红蓝绿三基色R1、G1、B1之间的相对大小正确地反映火焰的相对光谱分布特性：

R1=R G1=cgG B1=cbB 2-4

其中，cg和cb分别为分量G和B的修正系数。

由式（2-3）和式（2-4）可得：

cg= cb= 2-5

由此可以得到温度的表达式：

T= 2-6

对（2-6）进行变形，就可以得到参数cg的表达式：

cg= 2-7

其中，R和G分别是被测图像辐射区域内各像素红色分量R和绿色分量G的平均值。这样，通过标定系统得到的温度值，就可以求出参数cg。

一幅彩色图像中三个通道的分量反应了辐射能力的大小，根据式（2-6）计算得到的温度T，再结合式（2-1），对图像中任意像素点，采用其红色分量或者绿色分量就可以计算该点的辐射率：

ε= exp（ ） 2-8

这样，就建立了一套完整的火焰图像标定方法和火焰图像分析方法，以便于从火焰图像中获取更丰富的信息。这样在火焰具有黑体辐射特性的前提下，可以基于双色法获得火焰温度图像T和辐射率（火焰黑度）ε。需要指出，这里根据彩色火焰图像计算获得的辐射率，只是火焰在可见光区域的辐射率，火焰中气体辐射主要在红外区域，因此火焰在红外区域的辐射率的监测需要利用红外传感器进行。

2.2 彩色CCD三基色的温度图像检测法的步骤

（1）首先，需要对火焰图像进行平滑处理，使用中值滤波法对图像进行处理，消除其噪声。

（2）需要对参数cg进行标定。图2-2所示，为炉膛实际生产的测温仪器，明确给出了一区和二区两个区域的温度值，以此作为标定温度。对这两个区域分别求出红（R）、绿（G）两个分量的平均值R、G，再将R、G和标定温度T代入式（2-8）中，就可以求出参数cg。经过多次计算，发现cg的值，在区间（6，7）之内变动，设式（2-6）的分母部分为M，则有：

M=ln（ ）=lncg+ln（ ）

其中，两个标定区域内：R的值一般为255，G一般为115，λr，λg分别为700nm和546.1nm，所以可以得到：

M=lncg+2.03772255

又设式（2-6）的分子部分为z，则有：z=-C2（ - ）

式中这三个数都是已知量，可以得出z=5.7925369×103。这样，式（2-6）就可以化为：T=

当cg时，可以通过单调函数的原理求出T∈（1484.0， 1512.6），由此可见误差已经在可接受范围之内。再通过多幅图像中两个区标定值的求解，取其算数平均值，则误差进一步减小，一般能控制在。完全满足生产需要。

（3）将cg代入式（2-6）中，就可以对图像中任一像素点进行计算，得到其温度值T，这样就可以方便快捷的计算出图像中任一一点的温度。

（4）绘制关于温度值的灰度图。通过之前的计算，图中每一个像素点都对应一个温度值T，和灰度图极其相似（灰度图中每一像素点对应的是该点的灰度值），所以可以将测得的温度场分布用灰度图的形式表现出来。所测炉膛火焰温度为1000K—1800K，而灰度图中每一像素点的灰度值范围为0—255，所以构建一张与原火焰图像大小相同的灰度图，构建函数：

H=

其中H为新建灰度图中任一一点的灰度值，T为该点对应的温度。这样，火焰图像就转换为一张灰度图，通过此灰度图就可以迅速的得到任一一点的温度。

（5）绘制温度场分布图。为了让温度场更加直观的显示，需要对第四步中获得的灰度图进行伪彩色处理，使图中不同温度点的对比更加明显。同时在绘图时，以原火焰图像的长和宽为x，y轴，温度T为Z轴。在三维坐标系中明确直观的显示整个火焰图像的温度场分布。

3 结论

基于彩色CCD三基色的温度图像检测方法的这一算法，和上文提到的方法一相比，对于整个图像采集系统的要求更低，对波长也没有严格的要求；和方法二相比，标定更加简单，精度也完全能满足实际生产的要求。并且对于近似满足黑体辐射的图像，就能很快的计算出其温度场。而在计算过程中，通过计算运行时间，一般在1.2秒左右，完全能达到要求。

参考文献：

[1] 国家能源局电力可靠性管理中心.2011年全国电力可靠性指标[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] 徐江荣，胡建人.火焰辐射温度场测量系统黑体炉标定[J].杭州电子工业学院学报，2002，22（1）：44-47.