单CCD相机的双光路温度测量方法

单 良,杨 鹏,洪 波,孔 明,徐 良,刘 维,郭天太,王道档,赵 军

(1.中国计量大学 信息工程学院 浙江省电磁波信息技术与计量检测重点实验室,浙江 杭州 310018;2.中国计量大学 计量测试工程学院,浙江 杭州 310018)

随着近年来数字图像技术的发展,基于彩色CCD的非接触双色法测温理论成为温度测量领域研究的焦点.国内外学者对此进行了大量研究,孙元等[1]通过研究比较双色法和三色法,发现三色法测温精度比双色法稍高,但是使用R、G双色测温法具有更宽的测温动态范围,具有较强的实用性.ZHOU等[2]使用CCD相机拍摄生物质颗粒炉内燃烧状况,采用双色法进行温度测量,由于双色测温理论中假设所使用的双色波长为固定值,但实际上CCD相机拍摄的单色波长是一段较宽光谱范围内的光线,因此,直接使用CCD拍摄会引入误差.直接使用CCD相机拍摄火焰高温区域时,较高的辐射能易导致CCD图像传感器出现饱和溢出现象,从而对温度测量产生误差.为防止相机拍摄火焰高温部分时彩色图像出现饱和失真,曾志斌[3]在相机前分别试验安装三种不同的中性衰减滤光片进行搭配使用.虽然使用中性衰减滤光片的方法可以避免彩色图像出现饱和失真,但是CCD相机接收的光线仍处于较宽波长范围.邵力成等[4]结合3CCD相机R、G、B通道的曝光时间可各自设定的特点,提出分色曝光双色测温法,并建立3CCD相机各通道信号值和曝光时间的关系,换算得到任意曝光时间下的信号值；该方法可以有效拓宽测温范围,并且现场测温时可自由选择曝光时间,不必重复黑体炉标定实验.YAMASHITA等[5]的研究中,提出使用一种带有三个滤波片和三个CCD传感器的相机,辐射光线通过相机镜头后被分成三束光分别经过三个滤波片,之后被三个CCD传感器接收；这种光学结构虽然可以实现辐射光线的不同颜色光的分离,但是相机接收到的不同颜色光的图片是分开的.这种方法在测量瞬态变化的燃烧火焰时,如何实现分开不同图片中对应辐射点的匹配是一个难点.李爱莲等[6]提出使用两个CCD相机分开接收经分光镜、反光镜和滤波片分光滤波后的两路光线的方案,由于不同相机存在差异,所以光线接收的同时性难以保证,而且两幅图片对应辐射点的位置匹配问题依旧存在.除此之外,CHENG等[7]提出在两路分光结构中添加使用一个凸透镜,补偿由于两路分光路径长度不同而导致CCD相机分开接收的火焰图像尺寸差异的方法,凸透镜的使用增加了系统的复杂程度,而且仍没有解决两种不同颜色图片中对应像素点匹配问题.HUANG等[8]将两个单色滤波片安装在一个法兰盘上,通过机械进行快速旋转,使用一个相机接收不同滤波片下的辐射图片,这种方法同样存在辐射位置点匹配困难的问题.而由于法兰盘机械旋转的情况导致接收的两张不同颜色的图片不在同一时刻,在检测对实时性要求较高的燃烧火焰温度时,会产生较大误差.

本文设计一种双光路测温系统,使用两个窄带通单色滤波片降低辐射光的强度,并获得两个窄带通单色图片.使用两个半透半反镜和两个反光镜改变光路,分光后的两路光线汇聚,被一个CCD相机接收.以黑体炉作为实验对象,选取不同温度和不同曝光时间进行白平衡参数标定和优化设置,使用双光路结构进行测温实验,通过补偿算法,消除CCD采样中RGB三色宽采样峰交叠对测量的影响.之后,将使用双光路结构和补偿算法的实验结果和未使用双光路结构的结果进行对比分析.

1 原理和方法

1.1 双色测温原理

在任何温度下,可以吸收投射在其表面的全部辐射能的物体,叫做绝对黑体.根据普朗克定律,温度T下的非黑体辐射强度可表示为式(1).

(1)

式(1)中:L(λ,T)表示温度为T,波长为λ时黑体的光谱辐射力,单位W/(m2·μm);T是绝对温度,单位K;C1=3.741 8×10-16W·m2表示第一普朗克常量;C2=1.438 8×10-2m·K是第二普朗克常量[9].ε(λ,T)是实际物体和黑体在温度为T时的单色辐射率的比值,称之为光谱发射率.它和物体的形状、材料、温度和波长等因素有关.

(2)

当温度为T时,波长为λ1和λ2时的单色辐射亮度为L(λ1,T)和L(λ2,T),结合式(2)可得

(3)

(4)

1.2 测温系数标定方法

由于不同CCD相机的CCD传感器性能和参数设置有所差异,而且黑体炉发出的辐射能也不可能完全被CCD相机接收,所以需要对相机进行标定.

本文以红色为基准,标定其他两种颜色[10].修正后的三基色值R′,G′,B′可以表示CCD接收的光辐射能量,如式(5).

R′=R,G′=cg×G,B′=cb×B.

(5)

式(5)中:cg和cb分别是G和B的标定系数.

结合式(4)和式(5),可获得火焰中任意一点温度,如式(6).

(6)

此处的标定系数cg可以根据黑体炉标定实验获得.

2 测温系统设计

2.1 双光路结构

双光路光学结构如图1,由2个半透半反镜、2个反光镜和两个窄带通单色滤波片构成.辐射光经半透半反镜1分成两束,第一束通过单色滤波片5由反光镜3反射至半透半反镜4；第二束由反光镜2反射通过单色滤波片6至半透半反镜4与第一束光汇合射入CCD相机,CCD相机连接计算机.半透半反镜与火焰距离为215 mm,这个距离既可以保护半透半反镜1不会因火焰高温而损坏,又可以让整个火焰图像进入半透半反镜1.两个单色滤波片放置在半透半反镜和反光镜中间,既保证两路光线都可以完整通过单色滤波片,又可以分别被半透半反镜4和反光镜3接收.CCD相机与半透半反镜之间的距离是55 mm,保证两路汇聚后的光线可以完整进入CCD相机.

图1 双光路结构示意图Figure 1 Structure of the double optical paths

由于高温时蓝色灰度值较低,容易引入误差[11],使用红、绿双色测温法具有更宽的测温动态范围,所以本文选用的窄带通单色滤波片是红色和绿色的窄带通单色滤波片,中心波长分别为637 nm和541 nm,半带宽分别为13 nm和12 nm.

在光学结构设计中,半透半反镜和反光镜近似为平行平板.若以Δl′表示光线经过平行平板后像相对于物的距离[12],则有

(7)

式(7)中:n是折射率,d是平行平板的厚度.所用半透半反镜和反射镜的厚度为25 mm,折射率为1.5.因此,像相对于物的距离是8.33 mm.根据平行平板成像原理,火焰在第一个半透半反镜中成的像向着镜头方向移动了8.33 mm.以此类推,蜡烛光线通过两个半透半反镜和一个反光镜之后,最终成像向着镜头方向移动了25 mm.火焰和相机镜头之间的距离是585 mm,经过光学系统,火焰和光学镜头之间的距离是560 mm.在光学结构中,视场大小50 mm,CCD传感器高度3.6 mm,根据式(8)可得镜头焦距.

(8)

式(8)中：FOV表示视场,f表示焦距,WD是工作距离,SCCD是CCD传感器的尺寸,经过计算镜头焦距是40.32 mm.根据实际情况,选用8～50 mm变焦镜头,调节镜头焦距获得最佳拍摄效果.

2.2 测温系统

温度测量系统由三个部分组成：图像采集系统、光学结构和黑体炉标定装置,如图2.光学结构和CCD相机固定在0.6 m×1.2 m的光学平板上.采用球形黑体炉,型号为ISOTECH Cyclops Model 878,可达到的最大温度值是1 573.5 K,精度是0.1 K,辐射率为0.999.黑体炉的前端有一个辐射窗口,通过这个窗口可以获得黑体炉设定温度下的辐射图片.双光路结构如2.1节所述,光学结构放置在黑体炉和CCD相机中间,与黑体炉辐射窗口保持在同一个高度.图像采集系统包括一个CCD彩色相机和一台便携式计算机,相机和计算机之间通过电缆线连接.相机型号MER-132-30GC,分辨率1 292×964像素.

图2 系统整体示意图Figure 2 The overall experimental system

3 结果和讨论

3.1 相机参数选取

由于火焰中各波段的光能差异大,红色(R)分量很容易出现饱和,如果减少曝光时间,减少进光亮,使红色(R)分量不饱和,则在其他区域,由于进光量的减少,绿色(G)和蓝色(B)的光量就很少,难以获得理想的绿色(G)和蓝色(B);反之若获得理想的绿色(G)和蓝色(B),又会导致红色(R)出现饱和.这使得测量温度在一个较窄的范围内[13].通过实验方法优化CCD相机的R通道和B通道的白平衡增益参数设置,可以扩大图像探测器的测温范围.

为了优化白平衡和曝光时间设置,利用黑体炉,从1 173.5～1 473.5 K,间隔50 K测量一个数据点;同一温度下,在保证图片不出现饱和像素点的情况下,根据实际实验情况选择两组不同的曝光时间.其中相机白平衡各通道参数设置分为如下四组进行实验，如表1.

表1 白平衡增益参数设置Table 1 Settings of white balance gains

拍摄的图片中间部位是黑体炉的辐射窗口的位置,图中辐射窗口的中心区域亮度分布较为均匀,表示黑体炉设定温度下被相机接收的光能.由于窗口的内壁被照亮,采集RGB信息时,只需采用中心均匀部位即可.

对于辐射窗口图像采用自动识别.先对图片进行二值化处理,然后选择图片中面积最大的八连通区域,计算得出最大八连通体的质心坐标,即辐射窗口的质心位置,如图3.最后根据辐射窗口的质心坐标截取辐射窗口的中心区域图片.

采用上述方法提取图片中的RGB信息,以及计算1.2节所提到的标定参数,部分实验数据如表2.

表2 几组标定结果Table 2 Several sets of calibration results

续表2

根据表2可知,第一组白平衡增益设置的R值较大,部分数据接近灰度值上限255,图片中可能会存在一些饱和像素点,所以该设置不适合.其余三组中,第三组的R和B灰度值适中,具有较宽的测温范围[14],故在后续的实验中,采用第三组白平衡增益设置.还需要说明的是,白平衡增益设置只是改变了R、B通道的增益值,没有改变G通道的增益值,所以同一温度同一曝光时间下不同增益比的图片的G值基本没有变化.而且同一温度,同一白平衡增益,不同曝光时间下的标定系数cg几乎没有改变.

图3 自动识别图像中心区域Figure 3 The center area of the image identified automatically

3.2 系数补偿

尽管采用单色滤波片后能获得红色和绿色的单色光,但是由于CCD相机R和G通道测量的光信号具有一定的波长范围,使得单波长的红光会在G通道成像,单波长的绿光会在R通道上成像,这将对双色测温的精度带来影响,这也是目前图像双色测温方法中主要的误差来源.本文对红色单色光滤波片滤过的波对R通道和G通道的影响及绿色单色光滤波片滤过的波对R通道和G通道的影响进行补偿系数标定.

辐射光经过分光后分为两束分光.第一束分光通过红色窄带通滤波片,分离出来红色滤镜下绿色基量灰度值R_G和红色滤镜下红色基量灰度值R_R,二者之比为R_G/R_R,记作KR_GR.第二束分光通过绿色窄带通滤波片,分离出来绿色滤镜下红色基量灰度值G_R和绿色滤镜下绿色基量灰度值G_G,二者之比为G_R/G_G,记作KG_RG.采集从1 173.5 K到1 473.5 K的辐射图片,当只使用红色滤波片时,分别计算图片的R值和G值,即表中R_R和R_G.当只使用绿色滤波片时,分别计算图片的R值和G值,即表中G_R和G_G.部分实验数据如表3.

表3 只使用红色滤波片时的RGB数据信息Table 3 RGB data and information when only red filter was used

根据表3,不同温度段内的KR_GR、KG_RG值不同.图片中的红色基量灰度值记为Ired,包括:红色滤镜下红色基量灰度值R_R和绿色滤镜下的红色基量灰度值G_R.同理,辐射图片中的绿色基量灰度值记为Igreen,包括:绿色滤镜下绿色基量灰度值G_G和红色滤镜下绿色基量灰度值R_G.它们之间的关系为

Ired=R_R+G_R,Igreen=G_G+R_G.

(9)

代入使用滤镜时的补偿系数KG_RG和KR_GR为

Ired=R_R+KG_RG×G_G,Igreen=G_G+KR_GR×R_R.

(10)

将辐射图片中红色滤镜下的红色分量的灰度值表示为R,绿色滤镜下的绿色分量的灰度值表示为G,得到式(11):

(11)

将式(11)结果代入双色法测温公式(6),经计算可得温度.

3.3 黑体炉测温实验

利用黑体炉对本设计系统和方法进行实验研究,在1 173.5 K到1 473.5 K每隔100 K进行一次测温实验,利用双色测温方法对温度进行计算,并与传统单CCD相机的双色测温方法进行对比,其测量结果见表4.

表4 使用双光路结构进行补偿修正的实验结果Table 4 Results of correction experiments using the dual optical paths structure

由表4可见,采用双光路结构的双色测温法其测量的最大误差为0.48%,而传统方法测量的最大误差为2.18%,本方法的精度明显高于传统的双色测温方法.对比文献[4]浙江大学邵力成等人的3CCD测温方法,其测量最大相对误差为0.88%,测量精度有所提高,但本方法由于只用了1个CCD,所以整体成本较低,更利于工业在线应用.

4 结语

设计了一个使用单CCD相机的双光路测温装置,火焰光线先通过一个半透半反镜被分成两路光线,两路光线分别进入两个窄带通滤波片,最后两路光线经过一个半透半反镜汇聚成一路光线,被CCD接受,通过双色测温法实现温度测量.在窄带通单色滤波的基础上,提出一种系数补偿方法,准确从图片中分离两个单色分量的亮度值,实现温度的准确测量.之后使用本文设计双光路结构进行实验,与未使用双光路结构进行比较,测温精度明显提高.