专利名称：一种确定红外热像仪镜头平面与被测平面之间夹角的方法
技术领域：
本发明涉及一种角度测量方法，尤其是涉及一种确定红外热像仪镜头平面(焦平 面)与被测平面之间测量角度的方法。
背景技术：
红外热像仪以其非接触、快速、大面积测量温度的优点已被广泛的应用于工业现 场关键点的温度测量和监测。红外热像仪镜头与被测平面之间的夹角，即红外热像仪的测 量角度直接影响着红外热像仪的测温精度。但是由于工业现场的具体环境比较复杂，无法 保证红外热像仪正对目标平面进行测量，从而产生热像仪测量角度引起的误差。现有的红 外热像仪不具备测量热像仪与被测平面夹角的功能，传统的接触式测量方法也不适用于工 业现场的角度测量，因此不能得到热像仪的测量角度，进而补偿测量角度引起的误差。本发 明涉及测量红外热像仪与目标平面之间夹角的测量方法。
发明内容
鉴于上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种测量红外热像仪镜头平面与被 测平面之间所成的测量角度的方法。本发明的主要原理是基于几何光学的原理。在镜头与规则图形图靶(圆形或正多 边形)所在的被测平面成α角度测量时，规则图形图靶所成的像会发生形变。所成像的形 变程度随着测量角度的变化而变化。通过检测像的形变程度确定热像仪镜头平面与被测平 面所成的测量角度。本发明采用的技术方案是该方法依次包含以下步骤1)将规则图形图靶贴在被测平面测量区域；2)将红外热像仪安装在三脚架上，放置于被测平面前方，规则图形图靶材料发射 率与被测平面发射率不同，对准规则图形图靶对被测平面测量区域进行测量，并储存红外 图像；3)通过图像检测方法，得到红外图像中的六个特殊点；4)由检测到的六个特殊点求出一个椭圆的方程；5)将椭圆做旋转运算，将旋转后的椭圆整理成椭圆的标准方程形式，求出椭圆的 长轴、短轴的值；6)由椭圆短轴与长轴之比计算热像仪镜头平面与被测平面的夹角。所述的规则图形图靶为多于六边的正多边形或圆形。所述的通过图像检测方法，得到红外图像中的六个特殊点，若所述的规则图形图 靶为多于六边的正多边形，则通过图像检测方法，检测得到多边形的任意六个顶点坐标；若 所述的规则图形图靶为圆形，则通过图像检测方法，检测得到图形边缘上的任意六个点的 坐标。所述的由检测到的六个特殊点求出一个椭圆方程，该椭圆方程由六个公式Ax2+2Bxy+Cy2+Dx+Ey+F = O组成的线性方程组求出，其中A、B、C、D、E、F均为椭圆方程系数。所述的将椭圆做旋转运算包含以下步骤；确定旋转角度φ，旋转角度通过如下公式计算，
tan (2φ) =2B/ (A-C)其中，A、B、C为第4)步骤中求出的椭圆方程的系数，若B为0，则φ为0，不需要进行旋转；若B不为0，将椭圆方程做如下变换
Jx = χ Costp- y Sin^ [^少 二少 Cos 炉 + χ Sin^得到旋转后的椭圆方程。第5)步骤中椭圆的标准方程形式为+= l a2 b2其中χ'、y'为变换后的坐标；u、v为椭圆的中心；a、b分别为椭圆的长轴或短轴， 由a、b的长短决定哪个是长轴，由椭圆方程系数A、B、C、D、E、F及φ表示。热像仪镜头平面与被测平面的夹角α根据下式计算得到Cos α = a/b,当a为短轴，b为长轴；Cosa =b/a，当b为短轴，a为长轴。本发明具有的有益效果是1.本发明采用非接触方式进行测量，无需对现有红外热像仪装置进行改造，可确 定红外热像仪与被测物表面的测量角度；2.本发明利用被测物表面特点，以几何光学为理论基础，在红外热像仪测温的同 时测量其与被测物平面的角度关系，快速简易。
图1是热像仪测量示意图。图2是热像仪镜头平面与被测平面相对位置示意图。图3是正六边形图靶及其像的示意图。图4是圆形图靶及其像的示意图。图中1-红外热像仪，2-被测平面，3-三脚架，4-规则图形图靶，5-正六边形图 靶，6-正六边形图靶的外接圆，7-正六边形图靶在红外图像中的像，8-正六边形图靶在红 外热像中的像的外接椭圆，9-圆形图靶，10-圆形图靶在红外热像中的像。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步说明。如图1所示，红外热像仪1安装在三脚架3上，对附着在被测平面2上的规则图形 图靶4进行测量。图2所示为红外热像仪镜头平面与被测平面相对位置的示意图，红外热 像仪1与被测平面2之间的夹角为α。图3所示为红外热像仪镜头平面与被测平面成α角度测量时，规则图形图靶4在红外图像中的像。其中，图3a所示，正六边形图靶5具有唯 一的外接圆6，正六边形图靶5在红外图像中的像如图3b所示，正六边形图靶在红外图像中 的像7具有唯一的正六边形图靶在红外热像中的像的外接椭圆8 ；图4为圆形图靶及其像 的示意图，图4a所示为圆形图靶9，图4b所示为圆形图靶在红外热像中的像10为椭圆形。实施例1 规则图型图靶为正六边形当红外热像仪镜头平面与被测平面成α角度测量时，此测量角度α由以下步骤 确定第一、将正六边形图靶粘贴在被测平面测量区域。第二、将红外热像仪安装在三脚架上，使热像仪镜头对准被测平面上的正六边形 图靶，对被测平面进行测量，并存储下红外图像。第三、通过图像检测方法，检测红外图像中正六边形图靶的像7的六个顶点的坐 标(X1, Yi)，(χ2，Y2)，(χ3' y3)，(χ4，y》，(χ5，y5)，(χ6，y6) °第四、由检测到的红外图像中正六边形图靶的像7的六个顶点的坐标，求出正六边 形图靶的像的唯一外接椭圆8的椭圆方程，该椭圆方程的一般形式AX2+2BXy+Cy2+DX+Ey+F =0根据下列六个方程求出
Ax12 + IBx1J1 + Qy12 + Dx1 + E^1 + F = 0 Ax22 + 2Qx2y2 + Qy22 + Dx2 + Ey2 +F = O
Ajc32 + 2Bx3y3 + Qy32 + Dx3 + Ey3 +F = O,.
Ax42 + 2Bx4y4 + Cy42 +Dx4 +Ey4 +F = O
Ax52 + 2Bx5y5 + Cy52 + Dx5 + Ey5 + F = 0 Ax62 + 2Βχ6Λ + Qy62 +Djc6+E^6+F = O其中A、B、C、D、Ε、F均为椭圆方程系数，由上式求出。第五、旋转椭圆运算，Ax2+2Bxy+Cy2+Dx+Ey+F = 0为椭圆的一般方程，若B不为0， 设椭圆旋转的角度为φ，按照式tan (2φ) =2B/ (A—C)求出旋转角φ，将椭圆做旋转运算，即椭圆方程坐标做如下变换
(χ = x'Cos 识-ySinp y - >> Cos^ + χ Sin^得到旋转后的椭圆方程。若B为0，则不需要进行旋转。第六、将旋转后的椭圆整理成标准形式，即fc^ + i^ll = !的形式，
ab其中χ'、y'为变换后的坐标；u、v为椭圆的中心；a、b分别为椭圆的长轴或短轴， 由a、b的长短决定哪个是长轴，可由椭圆方程系数A、B、C、D、E、F及φ表示。第七、计算夹角值，热像仪镜头平面与被测平面的夹角α可根据下式计算得到Cos α = a/b,当a为短轴，b为长轴；Cosa = b/a，当b为短轴，a为长轴。
实施例2 规则图型图靶为圆形当红外热像仪镜头平面与被测平面成α角度测量时，此测量角度α由以下步骤 确定第一、将圆形图靶粘贴在被测平面测量区域。第二、将红外热像仪安装在三脚架上，使热像仪镜头对准被测平面上的圆形图靶， 对被测平面进行测量，并存储下红外图像。第三、通过图像检测方法，检测红外图像中圆形图靶的像10的边缘曲线，此边缘 曲线为椭圆曲线。取曲线上的任意六个点，坐标分别为(Xl，yi)，(x2，y2)，(x3，y3)，(x4，y4)， (x5, y5), (x6, y6)。第四、由上述第三步中的得到的六个点的坐标，求出圆形图靶的像10的椭圆方 程，该椭圆方程的一般形式AX2+2BXy+Cy2+DX+Ey+F = 0根据下列六个方程求出
Axr12 + 2Bx1>'1 + Cyl2 + Dx1 + Ey1 + F = 0 Ax22 + 2Bx2y2 + Cy22 + Dx2 + Ey2 +F = O
Ax32 + 2Bx3y3 + Cy32 + Dx3 + Ey3 + F = 0< ,.
Ax42 + 2Bx4y4 + Cy/ +Dx4 +E^4 +F = O
Ax52 + 2Bx5_y5 + Qy52 + Dx5 + Ej5 + F = 0 Ax62 + 2Bx6y6 + Cy62 +Dx6+Ej6 +F = O其中A、B、C、D、E、F均为椭圆方程系数，由上式求出。第五、旋转椭圆运算，Ax2+2Bxy+Cy2+Dx+Ey+F = 0为椭圆的一般方程，若B不为0， 设椭圆旋转的角度为φ，按照式tan (2φ) =2B/ (A_C)求出旋转角φ，将椭圆做旋转运算，即椭圆方程坐标做如下变换
Ix = χ Cos^ — ySin 炉 = yCosp + χ Sin^得到旋转后的椭圆方程。若B为0，则不需要进行旋转。第六、将旋转后的椭圆整理成标准形式，即6^￡ + ￥ = 1的形式，
a2b2其中χ'、y'为变换后的坐标；u、v为椭圆的中心；a、b分别为椭圆的长轴或短轴， 由a、b的长短决定哪个是长轴，可由椭圆方程系数A、B、C、D、E、F及φ表示。第七、计算夹角值，热像仪镜头平面与被测平面的夹角α可根据下式计算得到Cos α = a/b,当a为短轴，b为长轴；Cosa = b/a，当b为短轴，a为长轴。上述描述仅为本发明的具体实施例，本发明不限于上述实施例。
权利要求
一种确定红外热像仪镜头平面与被测平面之间夹角的方法，其特征在于，该方法依次包含以下步骤1)将规则图形图靶贴在被测平面测量区域；2)将红外热像仪安装在三脚架上，放置于被测平面前方，规则图形图靶材料发射率与被测平面发射率不同，对准规则图形图靶对被测平面测量区域进行测量，并储存红外图像；3)通过图像检测方法，得到红外图像中的六个特殊点；4)由检测到的六个特殊点求出一个椭圆的方程；5)将椭圆做旋转运算，将旋转后的椭圆整理成椭圆的标准方程形式，求出椭圆的长轴、短轴的值；6)由椭圆短轴与长轴之比计算热像仪镜头平面与被测平面的夹角。
2.根据权利要求1所述的一种确定红外热像仪镜头平面与被测平面之间夹角的方法， 其特征在于所述的规则图形图靶为多于六边的正多边形或圆形。
3.根据权利要求1或2所述的一种确定红外热像仪镜头平面与被测平面之间夹角的方 法，其特征在于所述的通过图像检测方法，得到红外图像中的六个特殊点，若所述的规则 图形图靶为多于六边的正多边形，则通过图像检测方法，检测得到多边形的任意六个顶点 坐标；若所述的规则图形图靶为圆形，则通过图像检测方法，检测得到图形边缘上的任意六 个点的坐标。
4.根据权利要求1所述的一种确定红外热像仪镜头平面与被测平面之间夹角的方 法，其特征在于所述的由检测到的六个特殊点求出一个椭圆方程，该椭圆方程由六个公式 Ax2+2Bxy+Cy2+Dx+Ey+F = O组成的线性方程组求出，其中A、B、C、D、E、F均为椭圆方程系数。
5.根据权利要求1所述的一种确定红外热像仪镜头平面与被测平面之间夹角的方法， 其特征在于所述的将椭圆做旋转运算包含以下步骤；确定旋转角度φ，旋转角度通过如下公式计算，<formula>formula see original document page 2</formula>其中，A、B、C为第4)步骤中求出的椭圆方程的系数，若B为0，则φ为0，不需要进行旋转；若B不为0，将椭圆方程做如下变换<formula>formula see original document page 2</formula>得到旋转后的椭圆方程。
6.根据权利要求1所述的一种确定红外热像仪镜头平面与被测平面之间夹角的方法， 其特征在于第5)步骤中椭圆的标准方程形式为<formula>formula see original document page 2</formula>其中X' >y'为变换后的坐标；U、ν为椭圆的中心；a、b分别为椭圆的长轴或短轴，由 a、b的长短决定哪个是长轴，由椭圆方程系数A、B、C、D、E、F及φ表示。
7.根据权利要求1所述的一种确定红外热像仪镜头平面与被测平面之间夹角的方法， 其特征在于热像仪镜头平面与被测平面的夹角α根据下式计算得到Cos α = a/b,当a为短轴，b为长轴； Cosa =b/a，当b为短轴， a为长轴。
全文摘要
本发明公开了一种确定红外热像仪镜头平面与被测平面之间夹角的方法。本发明主要原理是基于几何光学。在镜头与规则图形所在平面成角度测量时，规则图形所成的像会发生形变。所成像的形变程度随着测量角度的变化而变化。通过检测像的形变程度确定热像仪镜头平面与被测平面所成的测量角度。通过本发明使规则图形图靶附着在待测区域附近，用热像仪进行温度测量并存储下热像，检测热像上规则图形所成的像，得到规则图形的像的形变程度，进而得出热像仪与被测平面间的角度关系，以便对热像仪在一定角度上测量被测表面的情况进行角度补偿。测量时无需接触被测物表面，并且与热像仪测量温度同时进行，可以简单快速的确定热像仪的测量角度。
文档编号G01B11/26GK101825448SQ20101013673
公开日2010年9月8日 申请日期2010年3月30日 优先权日2010年3月30日
发明者吴娟, 孙坚, 富雅琼, 杭庆彪, 郑恩辉, 陈乐 申请人:中国计量学院