一种旋转曲面红外测温修正的方法与流程

本发明涉及曲面红外测温数据修正领域，尤其涉及了一种旋转曲面红外测温修正的方法，主要针对母线为圆或直线的旋转曲面进行红外测温修正。

背景技术：

红外热像仪可测得物体表面辐射能量的强弱，根据黑体辐射三大定律，辐射能量分布的强弱反映温度分布大小，故热像仪所拍摄的红外热图可用于分析被测物体表面的温度分布情况。由于热像仪结构和测温原理限制，热像仪辐射能采集的镜头与被测物体表面的距离、角度都会影响热像仪测温结果。尤其对曲面测温，热像仪的测量结果存在较大误差。旋转曲面是生活应用中最常见的曲面，尤其母线为圆或直线的旋转曲面最为常见，使用热像仪对该种曲面测温，需要进行有效的误差修正。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种旋转曲面红外测温修正的方法，解决母线为半圆或直线的旋转曲面在红外测温中存在明显误差的问题。

本发明采用的技术方案是：

1)用查表或实验测量方法获得待测旋转曲面表面的发射率ε；

2)将热像仪朝向待测旋转曲面表面进行测温获得红外测温图像，并让热像仪在当前朝向下正对待测旋转曲面的最凸出位置进行测温，记录最凸出位置测温结果为T₀；

3)确定红外测温图像中的待修正区域和旋转半径r，然后针对待修正区域中的每一处根据点测温结果T₀、旋转半径r和发射率ε计算获得补偿温度t，用补偿温度t对红外测温图像进行修正。

本发明适用于的所述的旋转曲面的母线为半圆或者直线。半圆会构成球面。直线包括与旋转轴平行的直线以及与旋转轴不平行的直线，与旋转轴平行的直线会构成圆柱面，与旋转轴不平行的直线会构成锥面。

所述的旋转半径r采用以下方式确定：由热像仪与旋转曲面之间的测量距离根据热像仪参数计算求得红外测温图像中相邻像素间的间距d，采用公式计算得到旋转半径r＝d×n，n表示热像图上待测曲面轮廓上的像素点到旋转轴或者旋转中心的像素个数。

所述的待修正区域为图像中像素点到基准点或者基准线之间距离满足c×r≤x≤r的图像区域，c表示待修正系数，c取0～1。c的选取与要求修正的温度准确度有关，设要求测温准确度的绝对值为Q，根据实际需求选择，选择为c＝0.2×(Q+1)。例如在要求测温准确度≥2℃可选择c＝0.8，此值可满足测温准确度在±2℃所有热像仪。

若旋转曲面的母线为半圆，最凸出位置为图像中旋转轴所在直线和半圆中点所在旋转曲线的交点(即图像中的圆心)，旋转半径r为母线半圆的半径；以圆心为基准点，待修正区域为像素点到圆心之间距离满足c×r≤x≤r的图像区域，c表示待修正系数，c取0～1。

若旋转曲面的母线为直线，最凸出位置为图像中旋转轴所在直线和直线任一一点所在旋转曲线的交点(即图像中旋转轴位于旋转曲面中的线段上的任一一点)，旋转半径r为母线上的点到旋转轴之间的垂直距离；以旋转轴为基准线，待修正区域为像素点到旋转轴之间的垂直距离满足cr≤x≤r的图像区域，c表示待修正系数，c取0～1。

所在旋转曲线指的是点绕旋转轴形成的圆。

所述步骤3)针对待修正区域中的每一处计算获得补偿温度t具体是：根据待测表面发射率ε和旋转半径r计算获得两个系数a和b，再用两个系数a和b根据温度补偿公式计算获得补偿温度t。

所述步骤3)针对待修正区域中的每一处计算获得补偿温度t具体是：

3.1)先采用以下公式计算获得第一系数a：

其中，K表示线性关系斜率，K与最凸出位置温度值呈线性关系，K与发射率ε有关；对于生产生活最常见的发射率为0.95的情况下，线性关系斜率K采用以下公式计算：

K＝0.25×T₀-5

其中，T₀为最凸出位置的温度；

3.2)再采用以下公式计算获得第二系数b：

b＝-c×r×a

其中，a表示第一系数，b表示第二系数，c表示待修正系数，

3.3)然后采用以下公式计算获得补偿温度t：

t＝exp(ax+b)-1，其中c×r≤x≤r。

其中，t表示补偿温度，x表示待修正区域的像素点到基准线或者基准点之间的垂直距离。

所述步骤3)用补偿温度t对待修正区域的该处温度进行修正具体是：红外测温图像中，对于待修正区域以外的区域的像素点均保留原值不变，用补偿温度t将待修正区域中补偿温度t对应像素点的该处温度变为T+t，T为红外测温值。

由于采集的红外图像是像素化的，本发明温度补偿公式中的垂直距离x值选择是离散的，每个像素点之间的间隔距离选择由红外图像上被测曲面半径上的有效温度数据个数n决定的，间隔距离d0满足d0×n＝r。

本发明的有益效果是：

本发明实现了物体表面的测温修正，解决母线为半圆或直线的旋转曲面在红外测温中存在明显误差的问题，有效提高了红外测温精度。

本发明能对所得到的红外热图像，在修正温度后，根据红外热图像灰度与温度值的关系，对图像的灰度值修正提供依据，提高红外测量温度场的准确性。

本发明不用测量发射率随测量角度的变化，现场使用方便，并能够用于进一步判断物体表面温度是否均匀。

附图说明

图1所示为热像仪测量母线为圆的一种典型旋转曲面的示意图；

图2所示为热像仪测量母线为圆的一种典型旋转曲面结果分析图；

图3所示为热像仪测量母线为直线的一种典型旋转曲面的示意图；

图4所示为热像仪测量母线为直线的一种典型旋转曲面结果分析图；

图5所示为热像仪测量母线为斜直线的一种典型旋转曲面的示意图；

图6所示为热像仪测量母线为斜直线的一种典型旋转曲面结果分析图；

图7所示为实施例1测温获得红外测温图像；

图8所示为实施例2测温获得红外测温图像；

图9所示为实施例3测温获得红外测温图像。

图中：最凸出位置1，待修正区域2，基准点3。

具体实施方法

为详细说明本发明的技术内容，使用附图中操作示意图与结果分析图进行详细说明。

本发明实施例如下：

实施例1

1)用查表确定表面的发射率ε＝0.95；

2)将热像仪朝向待测旋转曲面表面进行测温获得红外测温图像，如图7，待测旋转曲面的母线为半圆，旋转曲面构成球面。球面表面的温度均匀。

3)让热像仪在当前朝向下正对待测旋转曲面的最凸出位置1进行测温，最凸出位置1为图像中旋转轴所在直线和半圆中点所在旋转曲线的交点(即图像中的圆心)，记录最凸出位置测温结果为T₀＝94.7℃。

4)确定红外测温图像中的待修正区域2和旋转半径r＝91mm，

旋转半径r为母线半圆的半径；以圆心为基准点3，待修正区域2为像素点到圆心之间距离满足c×r≤x≤r的图像区域，实施例所用热像仪测温准确度为±2℃，故取待修正系数c设为0.8。

5)然后针对待修正区域2中的每一处根据(1)点测温结果T₀、旋转半径r和发射率ε计算获得补偿温度t，用补偿温度t对红外测温图像进行修正。

A、先采用以下公式计算获得第一系数a：

线性关系斜率K计算为K＝0.25×T₀-5＝18.7

B、再采用以下公式计算获得第二系数b：

b＝-0.8×r×a＝-11.71

C、然后采用以下公式计算x1＝0.9*r＝81.9mm和x2＝0.95*r＝86.45mm处的补偿温度t1和t2：

t1＝exp(ax1+b)-1＝exp(0.1609*81.9-11.71)-1＝3.3

t2＝exp(ax2+b)-1＝exp(0.1609*86.45-11.71)-1＝8.0

D、最终红外测温图像中，对于待修正区域2以外的区域的像素点均保留原值不变，待修正区域2中的x1和x2两点的补偿温度t1和t2，对应像素点的该处温度修正后变为T1+t1＝90.1+3.3＝93.4和T2+t2＝86.6+8＝94.6。修正后x1点相对误差由4.7％下降到1.4％，x2点相对误差由8.6％下降到0.1％。

实施例2

1)用查表确定表面的发射率ε＝0.95；

2)将热像仪朝向待测旋转曲面表面进行测温获得红外测温图像，如图8，待测旋转曲面的母线为与旋转轴平行的直线，旋转曲面构成圆柱面。圆柱面表面温度均匀。

3)让热像仪在当前朝向下正对待测旋转曲面的最凸出位置1进行测温，如图1所示，最凸出位置1为图像中旋转轴所在直线和直线任一一点所在旋转曲线的交点(即图像中旋转轴位于旋转曲面中的线段上的任一一点)，记录最凸出位置测温结果为T₀＝46.7℃。

4)确定红外测温图像中的待修正区域2和旋转半径r＝34.5mm。

旋转半径r为母线上的点到旋转轴之间的垂直距离；以旋转轴为基准线，待修正区域2为像素点到旋转轴之间的垂直距离满足0.8r≤x≤r的图像区域，实施例所用热像仪测温准确度为±2℃，故取待修正系数c设为0.8。

5)然后针对待修正区域2中的每一处根据(1)点测温结果T₀、旋转半径r和发射率ε计算获得补偿温度t，用补偿温度t对红外测温图像进行修正。

A、先采用以下公式计算获得第一系数a：

线性关系斜率K计算为K＝0.25×T₀-5＝6.675

B、再采用以下公式计算获得第二系数b：

b＝-0.8×r×a＝7.593

C、然后采用以下公式计算x1＝0.9*r＝31.5mm和x2＝0.95*r＝32.78mm处的补偿温度t1和t2：

t1＝exp(ax1+b)-1＝exp(0.2751*31.5-7.593)-1＝1.9

t2＝exp(ax2+b)-1＝exp(0.2793*32.78-7.593)-1＝3.8

D、最终红外测温图像中，对于待修正区域2以外的区域的像素点均保留原值不变，待修正区域2中的x1和x2两点的补偿温度t1和t2，对应像素点的该处温度修正后变为T1+t1＝42.8+1.9＝44.7和T2+t2＝42.1+3.8＝45.9。修正后x1点相对误差由8.4％下降到4.3％，x2点相对误差由9.9％下降到2.2％。

实施例3

1)用查表确定表面的发射率ε＝0.95；

2)将热像仪朝向待测旋转曲面表面进行测温获得红外测温图像，如图9，待测旋转曲面的母线为与旋转轴不平行的直线，旋转曲面构成圆锥。图9为部分圆锥，圆锥表面温度均匀。

3)让热像仪在当前朝向下正对待测旋转曲面的最凸出位置1进行测温，如图1所示，最凸出位置1为图像中旋转轴所在直线和直线任一一点所在旋转曲线的交点(即图像中旋转轴位于旋转曲面中的线段上的任一一点)，记录最凸出位置测温结果为T₀＝79.9℃。

4)确定红外测温图像中的待修正区域2和旋转半径r＝145mm。

旋转半径r为母线上的点到旋转轴之间的垂直距离；以旋转轴为基准线，待修正区域2为像素点到旋转轴之间的垂直距离满足0.8r≤x≤r的图像区域，实施例所用热像仪测温准确度为±2℃，故取待修正系数c设为0.8。

5)然后针对待修正区域2中的每一处根据(1)点测温结果T₀、旋转半径r和发射率ε计算获得补偿温度t，用补偿温度t对红外测温图像进行修正。

A、先采用以下公式计算获得第一系数a：

线性关系斜率K计算为K＝0.25×T₀-5＝14.975

B、再采用以下公式计算获得第二系数b：

b＝-0.8×r×a＝10.83

C、然后采用以下公式计算x1＝0.9*r＝130.5mm和x2＝0.95*r＝137.75mm处的补偿温度t1和t2：

t1＝exp(ax1+b)-1＝exp(0.09332*130.5-10.83-1＝2.9

t2＝exp(ax2+b)-1＝exp(0.09332*137.75-10.83)-1＝6.6

D、最终红外测温图像中，对于待修正区域2以外的区域的像素点均保留原值不变，待修正区域2中的x1和x2两点的补偿温度t1和t2，对应像素点的该处温度修正后变为T1+t1＝76.7+2.9＝79.6和T2+t2＝73.5+6.6＝80.1。修正后x1点绝对相对误差由4％下降到0.4％，x2点绝对相对误差由8％下降到0.3％。

由上述实施例可见，本发明实现了物体表面测温误差的修正，有效提高了红外测温精度，提高红外测量温度场的准确性。