五通道自适应二维温度场测量装置及其测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及燃烧领域和光学测量技术，具体为五通道自适应二维温度场测量装置及其测量方法，由工业窥镜和准直物镜组成的组合镜片后面为平片分光镜，平片分光镜的一个分光方向上安装分光镜组，另一分光方向上安装有彩色CCD相机；分光镜组的两个分光方向上分别安装有黑白近红外CCD相机，分光镜组与黑白近红外CCD相机之间有滤光片；各个相机分别与同步数据图像采集卡连接，同步数据图像采集卡与图像处理系统连接。该测量装置采用镜前分光，黑白CCD成像的测量方式，采用四通道分光和两CCD相机的测量方式，采集的图像分割、区域分块后组合的图像处理方法，提高了测量精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃烧领域和光学测量技术，具体为五通道自适应二维温度场测量装置及其测量方法。
技术介绍
由于燃烧的复杂性和重要性，燃烧的测量和监控一直是燃烧领域很重要的问题。燃烧场的温度变化范围往往比较大，以电站煤粉锅炉的燃烧为例，燃烧区域最低温度只有600-700℃，而燃烧中心的最高温度甚至可达1500℃以上，同一时刻不同区域的温度差值达到几百度。目前，利用火焰图像进行测量的可视化测量系统的通用做法是直接通过彩色CCD获取火焰图像，以CCD相机自有的红、绿、蓝三色波长信号对火焰图像分解，并进行后续处理。该方法可以从一幅彩色图像上获取不同波长的热图像，由于消除了在不同波长下同时获取被测对象多幅热图像的困难，易于系统实现和后期处理。但因三色的波长完全取决于所选用的CCD相机，局限性很大，使较高的彩色图像量化误差带来较大的测量误差；并且红(700nm)、绿(546.1nm)、蓝(435.8nm)三色波长相差较大，不能完全满足比色法测温与发射率无关的近似条件，必须考虑三者之间辐射率对测温的影响；加之测量波长之间相差过大，使采集到的单个波长的热图像信号过强或过弱，表现在图像灰度上既同时存在高波长信号过强(饱和)与低波长信号过弱(接近背景灰度)而无法测量，严重影响比色测温精度及测温范围，难以对燃烧强度等进行准确的检测。此外，对于采用单个CCD镜前分光的测量系统，被测物发出的光经过透镜和分光镜组后分成多束(2～3束)，通过透过波长不同的滤光组件后，同时成像于同一个单色CCD靶面上。该方法要求同步采集不同中心波长的热辐射图像，要求分光光路光程一致，并清晰成像，对于两分光后成像于同一个CCD，上述条件可以满足，但对于三分光后成像于同一个CCD，上述条件的硬件实现困难，不容易同时满足光程和清晰度，对于分光装置本身及整套系统的连接都提出了很高要求，不适合工业应用。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术提出三CCD、五波长的温度场监视及测量的装置
和方法，自动选择光路以适应燃烧温度的变化，扩大测温范围及测量精度。本专利技术基于火焰辐射特性，对具有连续辐射特性的火焰进行采集分析。将火焰目标区域的图像经窥镜及物镜组引导后聚焦于分光面，分光后的光束分别进入同一个或不同的CCD相机，并通过图像采集卡采集到计算机进行分析处理，实现燃烧的实时监视和二维温度场的测量。具体的技术方案为：五通道自适应二维温度场测量装置包括，由工业窥镜和准直物镜组成的组合镜片、平片分光镜、分光镜组、同步数据图像采集卡、图像处理系统；所述的组合镜片后面为平片分光镜，平片分光镜的一个分光方向上安装有分光镜组，另一分光方向上安装有彩色CCD相机，彩色CCD相机上安装有第一光学近摄镜头；分光镜组的一个分光方向上安装有第一黑白近红外CCD相机，分光镜组与第一黑白近红外CCD相机之间有第一滤光片和第二滤光片；分光镜组的另一个分光方向上安装有第二黑白近红外CCD相机，分光镜组与第二黑白近红外CCD相机之间有第三滤光片和第四滤光片；第一黑白近红外CCD相机、第二黑白近红外CCD相机分别安装有第二光学近摄镜头、第三光学近摄镜头；彩色CCD相机、第一黑白近红外CCD相机、第二黑白近红外CCD相机分别与同步数据图像采集卡连接，同步数据图像采集卡与图像处理系统连接。分光镜组包括三片直角棱镜，每个直角棱镜包括两个直角面和一个斜面；第一直角棱镜斜面与第二直角棱镜斜面同向并且平行，第三直角棱镜的斜面与第一直角棱镜的斜面相对并平行；入射光线进入第一直角棱镜的斜面，光线与第一直角棱镜斜面成45度角，部分光线从第一直角棱镜的一个直角面透射后，进入第二直角棱镜的斜面，与第二直角棱镜斜面成45度角；部分入射光线在第一直角棱镜的斜面反射后进入第三直角棱镜的斜面，并与第三直角棱镜的斜面成45度。工业窥镜为光学硬管工业窥镜或光学光纤工业窥镜；工业窥镜及准直物镜，组成一个独立的成像装置，用于提供位于无限远的火焰像，将目标的辐射平行导入并聚焦于所述分光镜组的入射面上；光学近摄镜头，用于分光后的火焰图像聚焦于彩色CCD相机、第一黑白近红外CCD相机、第二黑白近红外CCD相机，缩小焦距，减小装置尺寸；平片分光镜和分光镜组，用于光束分光、改变出射光方向和改变影像能量的大小，将入射的辐射分为五路，分别从五个出射面出射；五个出射面的影像的光
强能量按一定比例分配；彩色CCD相机、第一黑白近红外CCD相机、第二黑白近红外CCD相机分别设置于五个出射面处；其中第一黑白近红外CCD相机、第二黑白近红外CCD相机与分光镜组出射面间设置独立滤光片；滤光片为带通型干涉滤光片，用于获得一定波长及带宽的光束；彩色CCD相机、第一黑白近红外CCD相机、第二黑白近红外CCD相机分别对所述五路通道的被测目标图像成像，获得相应的CCD图像；同步数据图像采集卡对五路三CCD图像数据进行采集，经过图像分割、图像的饱和度和充满度判断后，自动选定其中的三路或二路，并利用多光谱法、比色法等方法进行温度场计算和实时监视。同步数据图像采集卡采集的图像分为燃烧监视图像和温度场计算图像；燃烧监视图像可实现观测区域的视频、图像的实时采集和存储；温度场计算图像可实现采集区域图像的实时采集和分析计算并存储；温度场计算图像为四个通道的第一黑白近红外CCD相机、第二黑白近红外CCD相机的目标图像。五通道自适应二维温度场测量装置的测量方法：利用光学窥镜将待测目标的图像变为平行光，通过准直物镜汇聚在平片分光镜和分光镜组入射面上，将投射的目标图像按比例分为五路，分别从五个出射面出射；利用所述的彩色CCD相机获得目标的实时图像；利用第一黑白近红外CCD相机、第二黑白近红外CCD相机，经过四个独立滤光片的通道后获得四路CCD图像；利用所述数据采集分析单元对四路CCD图像数据进行采集，分割，分割处理后得到四幅大小相同的同一目标的图像，分析每幅图像的灰度值分布及所占图像有效像素的比例，并以此判断该路通道的图像是否可以用于燃烧温度场计算判断后，利用比色法或多光谱测温法进行温度场计算。其中，四幅同时刻采集的目标图像，进行图像的区域分割，分别得到每幅图像区域分割后的灰度值分布及所占图像有效像素的比例，并以此判断该路通道的图像是否可以用于燃烧温度场计算；其判断标准为：(1)将四幅图像各分成四个区域，每个区域大小相同，并且相互对应；(2)判断每个区域的图像像素的灰度值；(3)如果区域的图像像素的最高灰度值为最大灰度，通常用8位灰度图像的灰度值255，并且占有效像素的比例超过值a后，则对该图像进行邻域平均处理，处理后的图像如果图像像素的最高灰度值为最大灰度，并且占处理后图像有效像素的比例超过值b后，则认为该区域本次采集的图像所对应的温度超出了测量范围，本通道该区域的采集视为无效；(4)如果四幅图像中有三幅及以上对应区域的灰度值显示超出了测量范围，则本此采集视为无效；(5)如果图像像素的背景灰度值占该区域图像像素的比例超过值c后，则认为本通道该区域的本次采集的图像所对应的温度低于测量范围，本通道该区域的采集视为无效；(6)如果四幅图像中有三幅及以上对应区域的灰度值显示低于测量范围，则本次采集视为无效；(7)除无效之外的即为有效采集；(8)对应有效采集，确定超过有效像素的比例本文档来自技高网...

【技术保护点】
五通道自适应二维温度场测量装置，其特征在于，包括由工业窥镜和准直物镜组成的组合镜片(1)、平片分光镜(2)、分光镜组(3)、同步数据图像采集卡(4)、图像处理系统(5)；所述的组合镜片(1)后面为平片分光镜(2)，平片分光镜(2)的一个分光方向上安装有分光镜组(3)，另一分光方向上安装有彩色CCD相机(14)，彩色CCD相机(14)上安装有第一光学近摄镜头(11)；分光镜组(3)的一个分光方向上安装有第一黑白近红外CCD相机(15)，分光镜组(3)与第一黑白近红外CCD相机(15)之间有第一滤光片(101)和第二滤光片(102)；分光镜组(3)的另一个分光方向上安装有第二黑白近红外CCD相机(16)，分光镜组(3)与第二黑白近红外CCD相机(16)之间有第三滤光片(103)和第四滤光片(104)；第一黑白近红外CCD相机(15)、第二黑白近红外CCD相机(16)分别安装有第二光学近摄镜头(12)、第三光学近摄镜头(13)；彩色CCD相机(14)、第一黑白近红外CCD相机(15)、第二黑白近红外CCD相机(16)分别与同步数据图像采集卡(4)连接，同步数据图像采集卡(4)与图像处理系统(5)连接。...

【技术特征摘要】
1.五通道自适应二维温度场测量装置，其特征在于，包括由工业窥镜和准直物镜组成的组合镜片(1)、平片分光镜(2)、分光镜组(3)、同步数据图像采集卡(4)、图像处理系统(5)；所述的组合镜片(1)后面为平片分光镜(2)，平片分光镜(2)的一个分光方向上安装有分光镜组(3)，另一分光方向上安装有彩色CCD相机(14)，彩色CCD相机(14)上安装有第一光学近摄镜头(11)；分光镜组(3)的一个分光方向上安装有第一黑白近红外CCD相机(15)，分光镜组(3)与第一黑白近红外CCD相机(15)之间有第一滤光片(101)和第二滤光片(102)；分光镜组(3)的另一个分光方向上安装有第二黑白近红外CCD相机(16)，分光镜组(3)与第二黑白近红外CCD相机(16)之间有第三滤光片(103)和第四滤光片(104)；第一黑白近红外CCD相机(15)、第二黑白近红外CCD相机(16)分别安装有第二光学近摄镜头(12)、第三光学近摄镜头(13)；彩色CCD相机(14)、第一黑白近红外CCD相机(15)、第二黑白近红外CCD相机(16)分别与同步数据图像采集卡(4)连接，同步数据图像采集卡(4)与图像处理系统(5)连接。2.根据权利要求1所述的五通道自适应二维温度场测量装置，其特征在于，所述的分光镜组(3)包括三片直角棱镜，每个直角棱镜包括两个直角面和一个斜面；第一直角棱镜(31)斜面与第二直角棱镜(32)斜面同向并且平行，第三直角棱镜(33)的斜面与第一直角棱镜(31)的斜面相对并平行；入射光线进入第一直角棱镜(31)的斜面，光线与第一直角棱镜(31)斜面成45度角，部分光线从第一直角棱镜(31)的一个直角面透射后，进入第二直角棱镜(32)的斜面，与第二直角棱镜(32)斜面成45度角；部分入射光线在第一直角棱镜(31)的斜面反射后进入第三直角棱镜(33)的斜面，并与第三直角棱镜(33)的斜面成45度。3.根据权利要求1或2所述的五通道自适应二维温度场测量装置的测量方法，其特征在于，利用光学窥镜将待测目标的图像变为平行光，通过准直物镜汇聚在平片分光镜(2)和分光镜组(3)入射面上，将投射的目标图像按比例分为五路，分别从五个出射面出射；利用所述的彩色CCD相机(14)获得目标的实时图像；利用第一黑白近红外CCD相机(15...

【专利技术属性】
技术研发人员：穆怀萍，李志宏，谢雷，雷兢，李惊涛，刘石，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京;11