粉尘环境中高精度红外测温方法、装置、设备及存储介质与流程

本发明实施例涉及温度检测技术领域，尤其涉及一种粉尘环境中高精度红外测温方法、装置、设备及存储介质。

背景技术：

温度是钢铁流程中至关重要的参数之一，在钢铁制造过程中检测并调控温度可以避免产品缺陷从而保证产品质量。在温度检测设备中，非制冷焦平面红外热像仪是一种常用的测温设备，具有非接触、非侵入和实时连续测温等优点。然而，红外热像仪的测温结果容易受到各种各样的环境因素的影响，尤其是在工业过程中，现场环境复杂且多变，存在高温、高粉尘、多振动等扰动，对红外热像仪的测温结果造成较大的误差，限制了红外热像仪的广泛应用。

针对环境因素对于红外测温精确度的影响，可以通过温度补偿的方式来提高红外测温的精确度，补偿方式可以分为两大类：硬件补偿和软件补偿。硬件补偿的方式包括设计补偿电路或者自动调节红外镜头，这些补偿手段主要是为了克服红外设备工作温度对测温结果的影响。软件补偿的方式通常利用数值拟合、神经网络等算法，定量预测需要补偿的温度值，主要解决测温距离环境温度对红外测温结果的影响。上述补偿方法只是针对一些影响因素进行补偿，难以解决其他环境因素的干扰。在钢铁冶炼过程中，红外热像仪通常安装在某一固定位置且工作温度变化不大，影响红外测温准确度的主要因素是生产现场中存在的粉尘，因此，如何克服粉尘对测温准确度的影响，在粉尘环境下仍然能够测量并得到高精度的红外测温数据，就成为业界亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题，本发明实施例提供了一种粉尘环境中高精度红外测温方法、装置、设备及存储介质。

一方面，本发明实施例提供了一种粉尘环境中高精度红外测温方法，包括：根据粉尘透射率模型、粉尘作用下的大气透射率模型及被测物体表面的真实温度模型，建立粉尘环境中红外测温补偿模型；采用所述粉尘环境中红外测温补偿模型，测量并得到粉尘环境中的高精度温度数据。

另一方面，本发明实施例提供了一种主动交互设备及一种非暂态可读存储介质。所述一种主动交互设备包括：至少一个处理器；以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行所述一种粉尘环境中高精度红外测温方法。所述一种非暂态可读存储介质存储程序指令，用于执行所述一种粉尘环境中高精度红外测温方法。

最后，本发明实施例提供了一种粉尘环境中高精度红外测温装置，其特征在于，包括：粉尘辐射能获取模块、红外辐射能计算模块、被测物体真实温度计算模块及红外测温补偿模型建立模块；

所述粉尘辐射能获取模块，用于获取红外热像仪接收到的粉尘的辐射能并发送至所述红外辐射能计算模块；

所述红外辐射能计算模块，用于根据所述粉尘的辐射能，计算粉尘环境下红外热像仪接收到的红外辐射能并发送至所述被测物体真实温度计算模块；

所述被测物体真实温度计算模块，用于根据所述红外辐射能，计算粉尘环境下红外热像仪测得被测物体的真实温度并发送至所述红外测温补偿模型建立模块；

所述红外测温补偿模型建立模块，用于根据所述粉尘环境下红外热像仪测得被测物体的真实温度，并建立粉尘环境下的红外测温补偿模型。

本发明实施例提供了一种粉尘环境中高精度红外测温方法、装置、设备及存储介质，通过在粉尘环境下建立红外测温的补偿模型，可以获取高精度的红外测温的温度数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中粉尘环境中高精度红外测温方法的整体流程图；

图2是本发明实施例中建立粉尘环境中红外测温补偿模型示意图；

图3是现有技术中粉尘环境下红外热像仪测温结果示意图；

图4是本发明实施例中粉尘环境下补偿后的红外测温结果示意图；

图5是本发明实施例中对测温结果补偿后的红外热像仪误差示意图；

图6是本发明实施例的硬件设备工作示意图；

图7是本发明实施例中粉尘环境中高精度红外测温装置示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种粉尘环境中高精度红外测温方法、装置、设备及存储介质。参见图1，图1是本发明实施例中粉尘环境中高精度红外测温方法的整体流程图，包括：

s101：根据粉尘透射率模型、粉尘作用下的大气透射率模型及被测物体表面的真实温度模型，建立粉尘环境中红外测温补偿模型。

其中，所述粉尘透射率模型、粉尘作用下的大气透射率模型及被测物体表面的真实温度模型的实现方案如下：

(1)建立粉尘透射率模型并计算粉尘作用下的大气透射率

红外辐射在大气中的传输能力可以用透射率来表征。被测目标的红外辐射在光路上传播时会衰减，主要是大气中存在的水蒸气、二氧化碳等的吸收以及云雾等微粒的散射。当被测目标和红外镜头的光路中存在粉尘时，会严重影响到红外测温的精度。光谱透射率τ(λ)可以基于布盖尔-朗伯定律描述：

τ(λ)＝i(λ)/i0(λ)＝exp[-k(v,n)·c·l](1)

式中，τ(λ)为粉尘透过率，i(λ)为透射辐射强度，i0(λ)为入射辐射强度，k(v,n)为粉尘的质量消光系数，c为粉尘的质量浓度，l粉尘的厚度，也就是红外辐射通道长度。粉尘对不同波长的红外光的消减也符合lambert-beer定律。

由式(1)可知，当质量浓度、质量消光系数、辐射通道长度确定后，就可以计算出粉尘的透过率。由于粉尘的反射系数可以忽略不计，因此，质量消光系数主要由吸收系数和散射系数组成，即：

k(v,n)＝α(v,n)+δ(v,n)(2)

式中α(v,n)为粉尘的吸收系数，δ(v,n)为粉尘的散射系数。n＝nr-ini为粉尘的复数折射率，nr表征粉尘散射部分，ni表征粉尘吸收部分。

粉尘微粒的粒径总有一个分布,典型的有对数分布、正态分布、威布尔分布和洛森-莱姆莱尔分布等。本文实验中的高炉粉尘微粒符合对数分布:

式中，r为粉尘微粒半径；rg为粉尘微粒的集合平均半径；σ为粉尘半径的标准差；β为拟合参量。

对于吸收系数α(v,n)和散射系数δ(v,n)，可按照下面公式计算：

式中，qa(v,n)为粉尘的吸收因子；qs(v,n)为粉尘的散射因子；qa(v,n)、qs(v,n)与粉尘的衰减因子qe(v,n)之间存在如下关系：

qe(v,n)＝qa(v,n)+qs(v,n)(5)

qa(v,n)和qe(v,n(可按常用的vanderhulst近似计算：

式中，k＝2v(nr-1),b＝arctan[ni/(ni-1)]。

联立式(2)～(6)可得粉尘的质量消光系数k(v,n)，再将k(v,n)带入式(1)中，即可求得粉尘的透射率。

在钢铁冶炼工厂中，不存在云雾等气象环境，因此，在计算钢铁冶炼工业现场中的大气透射率时，忽略云雾等微粒的影响，只考虑大气中影响红外辐射的三个最重要的因素：水蒸气、二氧化碳和粉尘。当被测目标与红外镜头之间的光路上不存在粉尘时，影响大气透射率的因素主要是水蒸气和二氧化碳，大气透射率的计算公式如式(7)所示。

式中和分别为水蒸气和二氧化碳单独作用下的透射率。当被测目标与红外镜头之间的光路上存在粉尘时，影响大气透射率的因素主要是水蒸气、二氧化碳和粉尘。红外辐射的大气透射率是这三个因素共同作用的结果，因此，大气透射率应由式(8)计算。

式中τdust表示烟尘透射率，可以由所建烟尘透射率模型求得。

红外热像仪一般工作在长红外波段，将其工作波段记为[λ1,λ2]。为便于后续计算，用表示该工作波段内的平均大气透射率。将该波段平均分为n个长度为dλ的小波段，n为正整数，即

利用等面积原则可计算平均大气透射率，具体见公式(9)

在后续的红外测温机理模型推导过程中，使用的是平均大气透射率。

(2)建立红外测温模型

假设光谱吸收率αλ、光谱反射率ρλ和光谱透射率τλ。一般来说，在一定温度下，入射到一个物体表面的红外辐射，一部分能量被吸收，一部分能量被反射，还有一部分能量经过物体透射过去，即会发生吸收、反射、透射三种物理现象。假设投射到物体表面上的辐射能量为1，按能量守恒定理，有光谱吸收率αλ、光谱反射率ρλ和光谱透射率τλ之和为1，即

αλ+ρλ+τλ＝1(10)

默认被测物体是不透明物体，故其透过率τλ＝0，根据式(10)可知

ρλ＝1-αλ(11)

根据基尔霍夫定律，在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐射出射度与单色吸收比之比值都相等，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。即

ελ＝αλ(12)

所以光谱反射率为

ρλ＝1-ελ(13)

对于大气，认为其反射率ρa＝0，则大气的吸收率可以表示为

αa＝1-τa(14)

同理，根据基尔霍夫定律可得，εa＝αa，

εa＝1-τa(15)

设t0被测物体表面真实温度，tr红外热像仪的辐射温度，ta大气温度，te环境温度，ε被测物体表面发射率，εa为大气的发射率，τa大气透射率，wλ表示红外热像仪接收到的辐射能，w0被测物体自身辐射能，we被测物体反射周围环境的辐射能，wa大气辐射能。

图2描述了光路上不存在粉尘时红外热像仪接收到的红外辐射能量。用wλ表示红外热像仪接收到的红外辐射能量，它由三个部分构成，来自被测物体自身辐射能、被测物体反射的周围环境的辐射能和大气的辐射能，见公式(16)。

wλ＝ετaw0+ρλτawe+εawa(16)

设a0为红外热像仪最小空间张角所对应的目标的可视面积，d为被测目标到红外热像仪之间的距离，s为红外热像仪透镜的面积，r为红外探测器的光谱响应度，表示红外探测器把红外辐射能转变为电信号的能力。

则与辐射能量相对应的红外热像仪信号电压可以表示为

vs＝sa0d^-2{τa[ε∫δλw0(λ，,t)rdλ+ρλ∫δλwe(λ,t)rdλ]+εa∫δλwa(λ,t)rdλ}(17)

通常情况下a0d^-2为常数。

令k＝sa0d^-2，f(t)＝∫δλw(λ,t)rdλ，则

vs＝k{τa[εf(t0)+ρλf(te)]+εaf(ta)}(18)

又因为ρλ＝1-ελ，εa＝1-τa，所以式(18)可以改写为式(19)。

vs＝k{τa[εf(t0)+(1-ελf(te)]+(1-τa)f(ta)}(19)

令vs/k＝f(tr)，则式(19)可变换为式(20)

f(tr)＝τa[εf(t0)+(1-ελf(te)]+(1-τa)f(ta)(20)

当被测物体为黑体，即ελ＝1，且大气透射率τa＝1时，则

f(tr)＝f(t0)(21)

即红外热像仪测得的辐射温度等于被测物体的真实温度。

当被测物体不是黑体，即ελ＜1，且大气透射率τa＜1时，则

f(tr)≠f(t0)(22)

红外热像仪测得的辐射温度不等于被测物体的真实温度。

根据普朗克定律可知，

当探测器的光谱响应度r不随波长λ变化时，对式(23)积分可得到

f(t)＝ctⁿ(24)

式中c为常值，n取决于不同的探测元材料，对于hgcdte(8～13μm)探测器，n＝4.09，对于insb(2～5μm)探测器，n＝8.68。

将式(24)代入式(20)，可得辐射温度的计算公式，见式(25)。

trⁿ＝τa[εt0ⁿ+(1-ελ)teⁿ]+(1-τa)taⁿ(25)

对式(25)进行变换，可得被测物体表面的真实温度计算公式(26)。

s102：采用所述粉尘环境中红外测温补偿模型，测量并得到粉尘环境中的高精度温度数据。

在钢铁冶炼过程应用红外热像仪检测温度时，当红外热像仪的安装参数固定后，影响红外测温精度的主要是粉尘，而粉尘的存在导致大气透射率τa变小，因此，需要分析大气透射率对测温精确度的影响。

图3描述了光路上存在粉尘时红外热像仪接收到的红外辐射能量。

先对式(26)进行对数变换，求其关于大气透射率τa的偏微分，可得当大气透射率变化时，造成的红外测温误差。

设τd是光路上存在粉尘时的大气透射率，trd是粉尘影响下的红外热像仪的辐射温度，t0d是被测物体的真实温度。

其中，所述粉尘环境中红外测温补偿模型根据粉尘环境下红外热像仪接收到的红外辐射能、粉尘环境下红外热像仪测得的物体表面温度及粉尘透射率，对被测物体的表面温度进行修正补偿，得到高精度红外测温数据

参见图2，图2是本发明实施例中建立粉尘环境中红外测温补偿模型示意图，包括：

s201：获取红外热像仪接收到的粉尘的辐射能，包括：

获取粉尘透射率、粉尘影响下的大气透射率及粉尘辐射能；

根据所述粉尘透射率、粉尘影响下的大气透射率及粉尘辐射能，获取红外热像仪接收到的粉尘的辐射能。

当红外热像仪与被测对象之间的光路存在粉尘时，粉尘除了影响大气透射率外，粉尘自身也有一定温度，因此，红外热像仪也会接收到来自粉尘的辐射能。设粉尘的温度为td，粉尘的发射率为εdust，粉尘的影响下的大气透射率为τd，粉尘的辐射能为wd，则红外热像仪接收到的粉尘的辐射能可以表示为

wλd＝εdustτdwd(28)

s202：根据所述粉尘的辐射能，计算粉尘环境下红外热像仪接收到的红外辐射能，包括：获取被测物体自身辐射能、被测物体反射的周围环境的辐射能及大气的辐射能；

根据所述被测物体自身辐射能、被测物体反射的周围环境的辐射能、大气的辐射能及粉尘的辐射能，计算粉尘环境下红外热像仪接收到的红外辐射能。

设wλ表示红外热像仪接收到的红外辐射能量，τd为粉尘影响下的大气透射率。当红外热像仪与被测对象的光路间存在粉尘时，它由四个部分构成，来自被测物体自身辐射能w0、被测物体反射的周围环境的辐射能we、大气的辐射能wa以及粉尘的辐射能wd，原始的计算红外辐射能的式(16)应修正为式(29)。

wλ＝ετdw0+εdustτdwd+ρτdwe+εawa(29)

式中ε为被测物体表面发射率，εa为大气的发射率，ρ为被测对象的光谱反射率，τd粉尘影响下的大气透射率。

s203：根据所述红外辐射能，计算粉尘环境下的被测物体的真实温度，包括：

采用电压信号描述所述红外辐射能，计算粉尘环境下的被测物体的真实温度。所述红外辐射能包括：被测对象的表面温度、粉尘自身温度、大气温度及周围环境温度。

设a0为红外热像仪最小空间张角所对应的目标的可视面积，d为被测目标到红外热像仪之间的距离，s为红外热像仪透镜的面积，r为红外探测器的光谱响应度，表示红外探测器把红外辐射能转变为电信号的能力。根据红外辐射能的计算公式(29)，与红外热像仪接收到的辐射能量相对应的红外热像仪信号电压vs可以表示为

式中通常情况下a0d^-2为常数。令k＝sa0d^-2，f(t)＝∫δλw(λ，,t)rdλ，则

vs＝k{τd[εf(t0)+εdustf(td)+ρf(te)]+εaf(ta)}(31)

又因为ρ＝1-ε，εa＝1-τa，所以式(31)可以改写为式(32)。

vs＝k{τd[εf(t0)+εdustf(td)+(1-ε)f(te)]+(1-τa)f(ta)}(32)

令vs/k＝f(trd)，则式(32)可变换为式(33)

f(trd)＝τd[εf(t0)+εdustf(td)+(1-ελ)f(te)]+(1-τa)f(ta)(33)

式(33)描述了存在粉尘时红外辐射温度与被测对象的表面温度、粉尘自身温度、大气温度、周围环境温度之间的关系。

设αdust为粉尘的光谱吸收率，ρdust为粉尘的光谱反射率，τdust为粉尘的光谱透射率。由公式(10)可知，αdust+ρdust+τdust＝1，同时可以忽略粉尘的光谱反射率ρdust，可以算得粉尘的光谱吸收率为

αdust＝1-τdust

又因为εdust＝αdust，所以εdust＝1-τdust,再根据普朗克定律式(23)和式(24)，同理可推导出式(34)。

trdⁿ＝τd[εt0dⁿ+(1-τdust)tdⁿ+(1-ε)teⁿ]+(1-τa)taⁿ(34)

求解式(34)可知，被测物体的真实温度t0d应该表示为：

式中trd为红外辐射温度，t0d为粉尘影响下的被测对象的表面真实温度，td为粉尘的温度，te为周围环境温度，ta为大气温度，ε为被测对象的表面发射率，τd为粉尘影响下的大气透射率，τdust为粉尘透射率，n取决于不同的探测元材料。

s204：根据所述真实温度，建立粉尘环境下的红外测温补偿模型，包括：

获取粉尘影响下的红外热像仪的辐射温度；

根据所述被测物体的真实温度及所述粉尘影响下的红外热像仪的辐射温度，建立粉尘环境下的红外测温补偿模型。

红外热像仪在测温应用中，当被测物体与红外镜头之间存在粉尘时，依旧采用原始的大气透射率，按式(26)计算被测物体的温度，即

式中t′0表示当光路上存在粉尘时红外热像仪测得的被测物体的真实温度。

由式(35)和(36)可知，当利用红外热像仪检测被测物体的温度时，粉尘导致的大气透射率的改变会造成较大的测温误差，因此，需要对原始的红外测温结果进行补偿。

红外热像仪的辐射温度反映了红外镜头接收到红外辐射能量，而粉尘的存在导致大气透射率减小，使红外镜头接收到红外辐射能量减小。根据粉尘影响下红外热像仪测得的温度t′0，由式(36)可推导出粉尘影响下的红外热像仪的辐射温度。

trdⁿ＝τa[ε0t0^'n+(1-ε0)teⁿ]+(1-τa)taⁿ(37)

在研究粉尘对红外测温结果的影响时，认为环境温度te、大气温度ta和被测物体的发射率ε是已知的，并且当红外热像仪选定后，n就是常数。当测量光路上存在粉尘时，应按照式(35)计算被测物体的真实温度。因此，将式(37)代入式(35)中，可得

由式(7)和(8)可知，

故式(39)可化简为

式中t0'表示当光路上存在粉尘时红外热像仪测得的被测物体的表面真实温度，t0d为粉尘影响下的被测对象的表面真实温度

式(40)便是红外热像仪测温的补偿公式。当被测物体与红外镜头之间存在粉尘时，根据红外热像仪的测温结果，采用式(40)对粉尘影响下的红外测温结果进行补偿。

当被测对象与红外测温镜头的光路间存在粉尘时，若已知被测物体的发射率ε、环境温度te、大气温度ta和红外热像仪的检测温度t0'，且τdust可根据粉尘透射率模型求得，依据式(40)可以实时地对红外热像仪的测温结果进行补偿，从机理上克服粉尘造成的误差，提高红外热像仪的测温精确度。

参见图3，图3是现有技术中粉尘环境下红外热像仪测温结果示意图，包括：

粉尘环境下温度301、无粉尘环境下温度302及黑体温度303。由图中可见，未采用本发明技术方案的前提下，测量到的温度误差较大。

参见图4，图4是本发明实施例中粉尘环境下补偿后的红外测温结果示意图，包括：

无粉尘温度401、粉尘环境下补偿后温度402及黑体温度403。由图中可见，通过采用本发明的技术方案，可以显著缩小测量到的温度误差。

参见图5，图5是本发明实施例中对测温结果补偿后的红外热像仪误差示意图，包括：

有粉尘误差501、补偿后误差502及无粉尘误差503。由图中可见，通过采用本发明的技术方案，补偿后误差502与无粉尘误差503十分接近，在初始阶段甚至出现补偿后误差502比无粉尘误差503更低的情况。

参见图6，图6是本发明实施例的硬件设备工作示意图，所述硬件设备包括：一种粉尘环境中高精度红外测温设备601、处理器602及存储介质603。

粉尘环境中高精度红外测温设备601：所述一种粉尘环境中高精度红外测温设备601实现所述一种粉尘环境中高精度红外测温方法。

处理器602：所述处理器602加载并执行所述存储介质603中的指令及数据用于实现所述的一种粉尘环境中高精度红外测温方法。

存储介质603：所述存储介质603存储指令及数据；所述存储介质603用于实现所述的一种粉尘环境中高精度红外测温方法。

参见图7，图7是本发明实施例中粉尘环境中高精度红外测温装置示意图，包括：

粉尘辐射能获取模块701、红外辐射能计算模块702、被测物体真实温度计算模块703及红外测温补偿模型建立模块704；

所述粉尘辐射能获取模块701，用于获取红外热像仪接收到的粉尘的辐射能并发送至所述红外辐射能计算模块702；

所述红外辐射能计算模块702，用于根据所述粉尘的辐射能，计算粉尘环境下红外热像仪接收到的红外辐射能并发送至所述被测物体真实温度计算模块703；

所述被测物体真实温度计算模块703，用于根据所述红外辐射能，计算粉尘环境下红外热像仪测得被测物体的真实温度并发送至所述红外测温补偿模型建立模块704；

所述红外测温补偿模型建立模块704，用于根据所述粉尘环境下红外热像仪测得被测物体的真实温度，并建立粉尘环境下的红外测温补偿模型。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。