专利名称：一种高温热源的检测方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及检测技术领域，特别是涉及 一 种高温热源的检测方法 和装置。
背景技术：
在电力系统、消防系统、石化系统、冶金系统等许多领域的相关 环节，均有高温热源点诊断的需求，例如火灾火焰、设备高温热异常 等。高温热源往往是引发各种故障、灾害事故的重要原因，因此进行 高温热源区域的智能诊断是很有必要的。高温热源的红外辐射光谱分 布特征及辐射能量大小分析，是诊断的重要手段。相比于接触式监测 手段而言，基于高温热源辐射信息的非接触式、场监测将更具有更大的应用优势。目前，主要应用研究现状如下(1)红外热像仪作为成熟的产品在工业领域中被釆用，例如 ThermaCAMP30红外热像仪、IRI热成像仪、VarioCAM热像仪等， 其通过单通道红外传感器非接触探测目标红外能量，将探测到的能量 精确量化，转换生成热图像，进而获得目标温度场。红外热像仪具有 出色的辐射能量测量功能，尤其是在常温、中低温范围内，但对于高 温热源测量与诊断而言，出于性能、价格等因素考虑，价格较贵的热 像仪并非是首选的监测仪器，不易于在诸多工业领域推广应用。(2 )釆用依据CCD ( Charge-Couple Device,电荷耦合器件)传 感器实现高温热源监测的方法与仪器，以取代红外热像仪在工业中的 应用，并且在应用中展现了良好的前景。例如，在CCD摄像监控中， 考虑CCD的近红外响应特性，理论论证了红外波段适用于高温热源 与背景的分离辨识，利用液晶光阀亮/暗态光谱透过在可见光波段的 强烈改变以及在红外波段的变化不大的特性，形成既能正常监视、又5可对影像中高温目标实现实时甄别的液晶光阀型CCD监控设备；但 这种基于液晶光阀及单CCD的监控系统，需要在工作状态通过液晶 光阀的不断切换来实现高温诊断，牺牲了监控时间的连续性，同时液 晶光阀的制备较为复杂，往往不易达到理想状态。在火灾监控中，也 有学者建立了基于CCD双波段图象识别火灾探测方法，双波段探测 器包括一对并列排布的CCD摄像装置，其中 一个CCD摄像装置前安 装红外滤光片，形成近红外图像和彩色图像两种不同波段的视频信 号，分别将两种图像的颜色值或灰度值与各自的阈值进行比较，判断 的重合区域即视为火灾区域；但这种处理中，对可见光彩色信息与红 外信息的相关性并没有很好的说明，同时也缺少阈值的分析描述。尽管依据CCD传感器进行高温热源的诊断呈现出了良好的应用 前景，目前研究与应用中存在上述一些问题，因而，如何通过方法和 技术上的改进实现更有效的高温热源诊断是很有意义的工作。高温热 源诊断的困难在于在温度范围800K 2000K高温热源的辐射与背 景噪声辐射在传感器响应区间的表现强度相近时，例如CCD摄像机 的光谱响应区间，无法有效区别。发明内容本发明实施例要解决的问题是提供 一 种高温热源的检测方法和 装置，以实现高温热源的动态智能诊断，并确定高温热源诊断的阈值， 而且可以克服现有技术中在温度范围800K-2000K高温热源的辐射 与背景噪声辐射在传感器响应区间的表现强度相近时，无法有效区别 的缺陷。为达到上述目的，本发明实施例的技术方案提供 一 种高温热源的 检测方法，包括以下步骤将待检测目标的入射辐射分解为可见光光 谱辐射和近红外光谱辐射；釆集所述可见光光谱辐射和近红外光谱辐 射的图像；根据所述釆集的可见光光谱辐射和近红外光谱辐射的图 像，判断所述待检测目标中是否含有高温热源。其中，所述判断待检测目标中是否含有高温热源，具体包括将 所述可见光光谱辐射的图像中每一帧图像的各个像素的灰度值，与所 述近红外光谱辐射的图像中对应帧的对应像素的灰度值做比值处理， 获取比灰度值图像数据；将所述比灰度值图像中每个像素的比灰度值 与比灰度值阈值进行比较，当所述像素的比灰度值大于所述比灰度值阈值时，所述像素为高温热源像素；当所述像素的比灰度值小于所述比灰度值阈值时，所述像素为背景噪音像素。其中，当所述像素的比灰度值与所述比灰度值阈值接近时，丢弃 所述像素。其中，在所述获取比灰度值图像数据之后，还包括根据800k~ 2000k温度范围内比灰度值的变化规律以及背景噪声比值，确定比灰 度值阈值。其中，所述将比灰度值图像中每个像素的比灰度值与比灰度值阈 值进行比较的步骤中，进一步包括对预先设定时间内的所述比灰度 值图像进行逐帧比较，如果每帧都有高温热源像素出现，则判定所述 检测目标中存在高温热源。其中，在所述判断待检测目标中是否含有高温热源之后，还包括 将所述高温热源像素与背景噪音像素以不同颜色显示。其中，在所述釆集可见光光谱辐射和近红外光谱辐射的图像的步 骤中，包括将所述可见光光谱辐射和近红外光谱辐射的图像的像素一 一对应的光路校正过程。本发明实施例的技术方案还提供了 一种高温热源的检测装置，所 述装置包括分光棱镜，用于将待检测目标的入射辐射分解为可见光 光谱辐射和近红外光谱辐射；第一黑白ccd传感器，用于釆集所述 可见光光谱辐射的图像；第二黑白ccd传感器，用于釆集所述近红外光谱辐射的图像；高温热源诊断单元，用于根据所述第一黑白ccd传感器采集的可见光光谱辐射的图像，和第二黑白ccd传感器采集的近红外光谱辐射的图像，判断所述待检测目标中是否含有高温热 源。其中，所述高温热源诊断单元包括比灰度值图像获取子单元， 用于将所述可见光光谱辐射的图像中每一帧图像的各个像素的灰度 值，与所述近红外光谱辐射的图像中对应帧的对应像素的灰度值做比 值处理，获取比灰度值图像数据；比灰度值阈值确定子单元，用于根 据800K 2000K温度范围内比灰度值的变化规律以及背景噪声比 值，确定比灰度值阈值；比较子单元，用于将所述比灰度值图像中每 个像素的比灰度值与比灰度值阈值进行比较，当所述像素的比灰度值 大于所述比灰度值阈值时，所述像素为高温热源像素；当所述像素的比灰度值小于所述比灰度值阈值时，所述像素为背景噪音像素。其中，所述装置还包括显示单元，用于将所述高温热源像素与背 景噪音像素以不同颜色显示。上述技术方案仅是本发明的一个优选技术方案，具有如下优点 (1 )本发明建立的基于双路CCD的高温热源的检测方法，避免 了仅利用可见光或近红外的单路CCD测量的局限性，使得高温热源 的在线动态智能诊断更加有效。(2) 本发明建立的基于双路CCD的高温热源的检测方法，采用 双光谱图像的灰度值比值处理，并通过双光路辐射强度的比值分析确 定高温热源诊断的阈值，该阈值是相对量，不依赖于测量的几何条件， 具有很好的应用性。(3) 本发明建立的基于双路CCD的高温热源的检测方法，采用 双路CCD和分光棱镜的技术方案，技术实现较为简单、成本不高， 适用于在工业领域推广应用。
图i是本发明实施例的一种高温热源的检测装置的结构图；图2是本发明实施例的一种高温热源的检测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细 描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。本发明高温热源的检测方法依据的是如下原理 本发明釆用分光棱镜把高温热源和背景噪声的入射辐射分解成 可见光光谱辐射(400nm ~ 780nm )和近红外光谱辐射(780nm ~ 1100nm)两部分，分别同时聚焦至两个黑白ccd传感器。ccd传感 器的光路经过对准校正，以保证两个ccd传感器所获得图像具有一 致性，即像素一一对应。高温目标的辐射由其自身发射辐射和反射辐射构成，通常反射辐 射可以忽略，在可见光和近红外光谱区间，ccd传感器所获得的高 温目标的辐射强度输出值分别为^、 ^ (即为输出图像的逐点灰度值)，4 =①r ￡2尸(义H (M ). A (M )"义其中K为高温目标的热力学温度；A为波长；s(A,7;)为高温目标的光 谱发射率；A(^，K )为相同热力学温度下的黑体辐射强度；(H)-(400鹏,780膽);(4,^2) = (780"m,1100"w); 牟)为ccd传感器和光学器件的综合光谱响应函数；^为测量的非光谱因子，与距 离、角度、光电转换系数等变量相关。背景噪声辐射包括自身发射辐射和反射辐射，通常自身发射辐射 可以忽略，在可见光和近红外光谱区间，ccd传感器所获得的背景 噪声的辐射强度输出值分别为^ 、 4 (即为输出图像的逐点灰度值),其中^为背景反射率；^为测量的非光谱因子，与衰减系数、距离、 角度、光电转换系统等相关；A(A，K)为照明辐射的光谱功率分布，可看作温度为K的黑体辐射强度；(^,A2卜(400,，780,); "p^卜("0臓,1100腦)；F(A)为CCD传感器和光学器件的综合光谱 响应函数。温度范围800K ~ 2000K高温目标光谱辐射峰值 一 般在 1400nm 3000nm之间，因此，在CCD传感器的光谱响应范围内 (400nm~ 1100nm)光谱辐射强度A )随着波长的增加而增加； 而背景噪声光谱辐射峰值多在500nm左右，在CCD传感器的光谱响 应范围内(400nm~ 1100nm)光谱辐射强度A(义, ；)随着波长的增加 而开始有缓慢增加，而后下降。基于上述分析可知，如下关系式是成 立的，、2 、 、2上式意味着高温目标在两个不同光谱下的强度比值要大于背景 噪声的比值，这也就是高温目标甄别的判别式。 y f尸(义H(义,7;)./4义,7;)"由于》=^ , 、 H~~^，其值与测量的非光谱因子无关，仅与CCD的特性参数以及目标的辐射特性有关，因此结合 800K ~ 2000K温度范围内》的变化规律以及背景噪声比值》，可以、1 ^"1确定阈值P，只要测量目标在两个不同光谱下所成图像的灰度比值大于P,就可以在干扰背景的情况下对高温目标做出正确诊断。将双光谱图像的每一个像素点的灰度值进行比值处理，即把两路测量图像经过比值处理合成一路输出图像，将该数值分布用伪彩色表示，以在背景噪声中突出显示高温热源的辐射信息。因此，当在^a^或^a^的情形下，通过常规的单光谱CCD 测量无法有效甄别高温目标时，本发明所提出的高温热源的检测方法，可以实现高温目标的检测。本发明实施例的 一 种高温热源的检测装置的结构如图1所示，包括分光棱镜ll、第一黑白CCD传感器12、第二黑白CCD传感器 13、高温热源获取单元14和显示单元15。其中分光棱镜11分别与 第一黑白CCD传感器12和第二黑白CCD传感器13连接，高温热源 获取单元14分别与第一黑白CCD传感器12、第二黑白CCD传感器 13和显示单元15连接。分光棱镜11用于将待检测目标的入射辐射分解为可见光光谱辐 射和近红外光谱辐射；第一黑白CCD传感器12用于釆集所述可见光 光谱辐射的图像；第二黑白CCD传感器13用于釆集所述近红外光谱 辐射的图像；高温热源获取单元14用于根据第一黑白CCD传感器 12釆集的可见光光谱辐射的图像，和第二黑白CCD传感器13釆集 的近红外光谱辐射的图像，获取所述待检测目标的高温热源。高温热源获取单元14包括比灰度值图像获取子单元141、比灰 度值阈值确定子单元142和比较子单元143,其中比较子单元143分 别与比灰度值图像获取子单元141和比灰度值阈值确定子单元142连 接。比灰度值图像获取子单元141用于将可见光光谱辐射的图像中每 一帧图像的各个像素的灰度值，与近红外光谱辐射的图像中对应帧的 对应像素的灰度值做比值处理，获取比灰度值图像数据；比灰度值阈 值确定子单元142用于；比较子单元143用于将所述比灰度值图像中 每个像素的比灰度值与比灰度值阈值进行比较，当所述像素的比灰度 值大于所述比灰度值阈值时，所述像素为高温热源像素；当所述像素 的比灰度值小于所述比灰度值阈值时，所述像素为背景噪音像素。显示单元15用于将所述高温热源像素与背景噪音像素以不同颜 色显示。当釆用图l所示高温热源的检测装置时，本发明实施例的一种高 温热源的检测方法如图2所示，包括以下步骤步骤s201,将待检测目标的入射辐射分解为可见光光谱辐射和近 红外光谱辐射。本实施例釆用分光棱镜ll将待检测目标的入射辐射分解成可见光光谱辐射(400nm ~ 780nm )和近红外光谱辐射(780nm ~ 1100nm)两部分。步骤s202,采集可见光光谱辐射和近红外光谱辐射的图像。本实 施例中，分光棱镜ll分解的可见光光谱辐射(400nm ~ 780nm )聚焦 至第一黑白CCD传感器12,近红外光谱辐射(780nm~ llOOnm)聚焦 至第二黑白CCD传感器13。然后进行光路校正对CCD传感器进行光 学配准，以保证两个CCD传感器的像素一一对应，即所获得图像具有 一致性。第一黑白CCD传感器12和第二黑白CCD传感器13通过其数字 接口将两路图像视频信号同时传输至高温热源获取单元14,高温热源 获取单元14可以釆用计算机。步骤s203,获取比灰度值图像数据。比灰度值图像获取子单元141 利用图像处理程序，读取两路图像中每帧图像中各个像素的灰度值， 将可见光光谱辐射的图像中每一帧图像的各个像素的灰度值，与近红 外光谱辐射的图像中对应帧的对应像素的灰度值做比值处理，将两路 图像数据合成一路比灰度值图像数据。步骤s204,确定比灰度值阈值，据CCD传感器的特性参数，分析^1 比灰度值闽值确定子单元142根r卞(A)小7;)./4义，7;一'卞(义).+,j;)./"A，7;)"在温度范围800K ~ 2000K的变化规律以及背景噪声比值的数值，确定〃"1^的阈值〃。令",min》(",7; e (800《~ 2000/:), / 2 = ip-max(A,A)。其中目标发射率可近似地按照灰体来处理。步骤s205,将所述比灰度值图像中每个像素的比灰度值与比灰度 值阈值进行比较。当所述像素的比灰度值大于所述比灰度值阔值时，12转步骤S206,当所述像素的比灰度值小于所述比灰度值阈值时，转步骤s208,当所述像素的比灰度值与所述比灰度值阈值接近时，转步骤 s207。通过此步分析，可以知晓每帧图像中是否存在高温热源点。 步骤s206，判定所述像素为高温热源像素，并转步骤s209。 步骤s207，不做出判断，丢弃所述像素，并转步骤s209。 步骤s208,判定所述像素为背景噪音像素，并转步骤s209。 步骤s209，对预先设定时间内的所述比灰度值图像进行逐帧比 较。如果每帧都有高温热源像素出现，则判定所述检测目标中存在高 温热源。本实施例中，采用步骤s205 步骤s208的处理步骤，对视频 图像进行逐帧分析，如在监测的2 5s内，均有高温热源点出现，则 可断定监测区域内存在高温热源目标，这样可以有效地避免CCD传感 器测量误差等引起的高温热源"伪诊断"。步骤s210，将高温热源像素与背景噪音像素以不同颜色显示。本 实施例中，显示单元15将基于比灰度值的图像数据，用伪彩色予以表 示，形成伪彩色图像，高温热源和背景噪声表示为不同的颜色用以区 别显示，以使得高温热源诊断结果更直观。本发明实施例建立的基于双路CCD的高温热源的检测方法，避 免了仅利用可见光或近红外的单路CCD测量的局限性，使得高温热 源的在线动态智能诊断更加有效；该方法釆用双光谱图像的灰度值比 值处理，并通过双光路辐射强度的比值分析确定高温热源诊断的阈 值，该闽值是相对量，不依赖于测量的几何条件，具有很好的应用性； 而且，该方法釆用双路CCD和分光棱镜的技术方案，技术实现较为 简单、成本不高，适用于在工业领域推广应用。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以 做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1、一种高温热源的检测方法，其特征在于，包括以下步骤将待检测目标的入射辐射分解为可见光光谱辐射和近红外光谱辐射；采集所述可见光光谱辐射和近红外光谱辐射的图像；根据所述采集的可见光光谱辐射和近红外光谱辐射的图像，判断所述待检测目标中是否含有高温热源。
2、 如权利要求l所述高温热源的检测方法，其特征在于，所述判断待检测目标中是否含有高温热源，具体包括将所述可见光光谱辐射的图像中每一帧图像的各个像素的灰度 值，与所述近红外光谱辐射的图像中对应帧的对应像素的灰度值做比值处理，获取比灰度值图像数据；将所述比灰度值图像中每个像素的比灰度值与比灰度值阈值进 行比较，当所述像素的比灰度值大于所述比灰度值阈值时，所述像素 为高温热源像素；当所述像素的比灰度值小于所述比灰度值阈值时， 所述像素为背景噪音像素。
3、 如权利要求2所述高温热源的检测方法，其特征在于，当所述像素的比灰度值与所述比灰度值阈值接近时，丢弃所述像素。
4、 如权利要求2或3所述高温热源的检测方法，其特征在于， 在所述获取比灰度值图像数据之后，还包括根据800K-2000K温度 范围内比灰度值的变化规律以及背景噪声比值，确定比灰度值阈值。
5、 如权利要求2或3所述高温热源的检测方法，其特征在于， 所述将比灰度值图像中每个像素的比灰度值与比灰度值阈值进行比 较的步骤中，进一步包括对预先设定时间内的所述比灰度值图像进行逐帧比较，如果每帧 都有高温热源像素出现，则判定所述检测目标中存在高温热源。
6、 如权利要求2或3所述高温热源的检测方法，其特征在于，在所述判断待检测目标中是否含有高温热源之后，还包括将所述高 温热源像素与背景噪音像素以不同颜色显示。
7、 如权利要求1所述高温热源的检测方法，其特征在于，在所述釆集可见光光谱辐射和近红外光谱辐射的图像的步骤中，包括将所 述可见光光谱辐射和近红外光谱辐射的图像的像素一一对应的光路 校正过程。
8、 一种高温热源的检测装置，其特征在于，所述装置包括 分光棱镜，用于将待检测目标的入射辐射分解为可见光光谱辐射和近红外光谱辐射；第一黑白CCD传感器，用于釆集所述可见光光谱辐射的图像； 第二黑白CCD传感器，用于釆集所述近红外光谱辐射的图像； 高温热源诊断单元，用于根据所述第一黑白CCD传感器采集的 可见光光谱辐射的图像，和第二黑白CCD传感器釆集的近红外光谱 辐射的图像，判断所述待检测目标中是否含有高温热源。
9、 如权利要求8所述高温热源的检测装置，其特征在于，所述 高温热源诊断单元包括比灰度值图像获取子单元，用于将所述可见光光谱辐射的图像中 每一帧图像的各个像素的灰度值，与所述近红外光谱辐射的图像中对 应帧的对应像素的灰度值做比值处理，获取比灰度值图像数据；比灰度值阈值确定子单元，用于根据800K-2000K温度范围内 比灰度值的变化规律以及背景噪声比值，确定比灰度值阚值；比较子单元，用于将所述比灰度值图像中每个像素的比灰度值与 比灰度值阈值进行比较，当所述像素的比灰度值大于所述比灰度值阈值时，所述像素为高温热源像素；当所述像素的比灰度值小于所述比灰度值阈值时，所述像素为背景噪音像素。
10、 如权利要求9所述高温热源的检测装置，其特征在于，所述装置还包括显示单元，用于将所述高温热源像素与背景噪音像素以不同颜色显示。
全文摘要
本发明公开了一种高温热源的检测方法，包括将待检测目标的入射辐射分解为可见光光谱辐射和近红外光谱辐射；采集所述可见光光谱辐射和近红外光谱辐射的图像；根据所述采集的可见光光谱辐射和近红外光谱辐射的图像，判断所述待检测目标中是否含有高温热源。本发明还公开了一种高温热源的检测装置，包括分光棱镜、第一黑白CCD传感器、第二黑白CCD传感器和高温热源诊断单元。本发明通过双路CCD和分光棱镜的技术方案，在温度范围800K～2000K高温热源的辐射与背景噪声辐射在传感器响应区间的表现强度相近时，能有效地检测出待检测目标的高温热源。
文档编号G01J1/00GK101329411SQ20081011608
公开日2008年12月24日 申请日期2008年7月2日 优先权日2008年7月2日
发明者杨臧健, 程晓舫, 符泰然 申请人:清华大学