一种基于红外热成像的高精度快速目标测温方法与流程

1.本发明涉及一种基于红外热成像的对快速目标进行测温的方法。


背景技术：

2.城市轨道交通列车是一个非常复杂的体系，车辆运行安全及稳定性至关重要。该系统旨在通过安装位于轨道两侧及轨道中间的温度采集箱体，利用高速工业红外热像仪来实现列车车侧轴箱及车底走行部的关键部件的自动化目标识别及温度监测，利用区域定位算法将轴箱、齿轮箱、电机及联轴节等部件识别定位后，输出其温度最大值。
3.红外热成像是通过接收目标物向外辐射的热能，并以热图的方式直观呈现温度分布的技术。静态测量条件下，通常测温精度往往会受到大气传输及物距的变化影响而下降。如果目标物处于高速运动中时，其辐射热能会被大量耗散，同时，距离红外热像仪的位置不断变化会引起目标物占据视场面积的变化，从而使得红外热像仪捕获目标的辐射热能减少，误差也随之增大。为了减小误差，通常的做法是用线性或非线性拟合、多项式拟合或者插值拟合、既定函数拟合等。往往在抉择过程中增加了数据拟合的难度，特定的数据呈现出的规律往往需要特定的拟合方式，也很难找到一种普适的方法实现高精度的拟合。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种基于红外热成像的高精度快速目标测温方法，采用普适的通用数据拟合算法，应用于走行部动态温度监测结果的误差分析及温度动态补偿。
5.为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种基于红外热成像的高精度快速目标测温方法，包括：s1获取标准辐射热源在不同速度下的温度与静止状态温度的温度差；s2利用不同速度下的温度差拟合温度补偿函数；s3调用温度补偿函数对采集到的目标物温度进行补偿，使得补偿后的温度更加接近目标物实际温度。
6.作为一种改进，所述获取标准辐射热源在不同速度下的温度与静止状态温度的温度差包括：s11将标准辐射热源以不同的速度通过红外热像仪探测区；s12对通过红外热像仪探测区的标准辐射热源进行温度采集；s13将所述标准辐射热源静止状态下的温度和不同速度移动下的实际采集的温度相减得到不同速度下的温度差。
7.作为一种改进，所述标准热辐射热源为辐射率为1的热源。
8.作为一种改进，所述利用不同速度下的温度差拟合温度补偿函数包括：s21将速度和温度差分别合并成速度数组x和温度差数组y，并且对应的速度和温度差在两个数组中的位置也对应；s22设定拟合精度e以及阶次n；s23确定阶次n下数组y关于数组x的拟合数组p；s24确定速度数组x关于数组p的函数值数组y’；s25对数组y和数组y’中所有对应项的差的绝对值的平方求和得到e；s26将e和拟合精度e进行对比,若e≥e则设定阶次n＝n+1后重复步骤s23～s26直到e＜e为止；当e＜e时，将符合精度要求的多项式转换为高阶函数作为温度补偿函数。
9.作为一种优选，调用polyfit函数确定阶次n下数组y关于数组x的拟合数组p以及
速度数组x关于数组p的函数值数组y’。
10.作为一种优选，调用poly2str函数将符合精度要求的多项式转换为高阶函数。
11.作为一种改进，所述调用温度补偿函数对采集到的目标物温度进行补偿包括：s31计算目标物通过红外热像仪探测区的速度；s32利用所述红外热像仪采集目标物的温度；s33调用温度补偿函数，将移动目标物经过红外热像仪探测区的速度及采集到的温度带入温度补偿函数中进行补偿。
12.作为一种进一步的改进，所述计算目标物通过红外热像仪探测区的速度包括：s311在红外热像仪探测区布置前后两个车轮传感器，两个车轮传感器的间距为l；s312记录车轮通过前方车轮传感器的时刻t1和通过后方车轮传感器的时刻t2；s313获得该车轮的速度v＝l/(t2-t1)，并将速度v作为该车轮所承载的目标物的速度。
13.本发明的有益之处在于：
14.1、普适的高精度拟合算法能够通过控制拟合精度并不断迭代至标准要求以下，来保障拟合的最佳效果，对于有限数据量的规律总结具有帮助；
15.2、运用到动态测温系统中，能够充分降低高速运动物体及热像仪响应时间不足等因素引起的测温误差，并以速度作为自变量，进行运动温度补偿，有效保证数据的真实性。
附图说明
16.图1为本发明的流程图。
17.图2为标准辐射热源在不同速度下测量到的温度曲线。
18.图3为利用不同速度下的温度差拟合成的温度补偿函数的曲线图。
具体实施方式
19.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
20.如图1所示，本发明提供一种基于红外热成像的高精度快速目标测温方法，包括：
21.s1获取标准辐射热源在不同速度下的温度与静止状态温度的温度差；
22.s2利用不同速度下的温度差拟合温度补偿函数；
23.s3调用温度补偿函数对采集到的目标物温度进行补偿，使得补偿后的温度更加接近目标物实际温度。
24.步骤s1具体包括：
25.s11将标准辐射热源以不同的速度通过红外热像仪探测区；所述标准热辐射热源即黑体为辐射率为1的热源。当然实际工作中是不可能做到绝对为1，只能无限接近1。
26.s12对通过红外热像仪探测区的标准辐射热源进行温度采集；
27.s13将所述标准辐射热源的实际真实温度和不同速度移动下的实际采集的温度相减得到不同速度下的误差数据，所述误差数据包括速度和温度差。图2展示了标准辐射热源在不同速度下测量到的温度曲线，可见速度对温度的影响。
28.为了后期更加精准的进行温度补偿，应该尽可能的多采集多种速度下的标准热辐射热源的温度以覆盖检测过程中不同车速，例如采集速度为5～60km/h下标准辐射热源通过红外热像仪探测区的速度，并每隔1km/h采集一次。
29.步骤s2具体又包括：
30.s21将速度和温度差合并成速度数组x＝[x1 x2 x3 x4
…
xi](i＝1～n)和温度差数组y＝[y1 y2 y3 y4
…
yi](i＝1～n)，n为误差数据的数量；并且对应的速度和温度差在两个数组中的位置也对应；
[0031]
s22设定拟合精度e以及阶次n；本实施例中初始阶级n＝1
[0032]
s23在matlab下调用函数polyfit，确定阶次n下数组y关于数组x的拟合数组p＝[p1 p2 p3 p4
…
pn]；
[0033]
s24再次调用函数polyfit确定速度数组x关于数组p的函数值数组y’＝[y’1 y’2 y
’3…
y’n]；
[0034]
s25对数组y和数组y’中所有对应项的差的绝对值的平方求和得到e,即
[0035][0036]
s26将e和拟合精度e进行对比,若e≥e则设定阶次n＝n+1后重复步骤s23～s26直到e＜e为止；当e＜e时，调用poly2str函数将符合精度要求的多项式转换为高阶函数作为温度补偿函数。
[0037]
图3展示了利用不同速度下的温度差拟合而成的温度补偿函数的曲线图，利用图3中的温度差，按照步骤s21～26最终拟合成的温度补偿函数为：
[0038]
f(x)＝p1*x4+p2*x3+p3*x2+p4*x+p5
[0039]
其中，
[0040]
p1＝7.619e-06,p2＝0.0001786,p3＝-0.02829,p4＝0.8904,p5＝1.372,x为车轮经过的速度，f(x)为对应速度下的补偿温度值。
[0041]
步骤s3具体包括：
[0042]
s31计算目标物通过红外热像仪探测区的速度；
[0043]
s32利用所述红外热像仪采集目标物的温度；
[0044]
s33调用温度补偿函数，将移动目标物经过红外热像仪探测区的速度及采集到的温度带入温度补偿函数中进行补偿。
[0045]
如果要将本发明运用到列车车侧轴箱及车底走行部的关键部件的自动化目标识别及温度监测，可以采用下述方法计算目标物通过红外热像仪探测区的速度：
[0046]
s311在红外热像仪探测区布置前后两个车轮传感器，前后两个车轮传感器之间的间距为l；
[0047]
s312记录车轮通过前方车轮传感器的时刻t1和通过后方车轮传感器的时刻t2；
[0048]
s313获得该车轴的速度v＝l/(t2-t1)，并将速度v作为该车轴所承载的目标物的速度。
[0049]
以下通过实例展示本发明消除温度误差的效果。
[0050]
下表展示了列车5～15轴的三个主要部件(齿轮箱、电机、联轴节)通过温度补偿函数补偿后的温度，其中数据单位为℃。如下表所示，同一趟车不同轴位的三个部件的温度差别控制在合理区间，符合真实的温度情况。
[0051] 5轴6轴7轴8轴9轴10轴11轴12轴13轴14轴15轴齿轮箱5453535453535152515251
电机5858575957585657555656联轴节4646494949484944444448
[0052]
实际上，列车到达温度采集区域时是需要刹车减速的，也就是说5～15轴是由快到慢依次通过温度采集区域。当速度较快时，被测目标物表面会受到气流环境影响，加速热辐射的扩散消耗，降低红外热像仪对能量的捕捉，因此测量温度与5～15轴的速度成反比会越来越高，显然是不符合真实情况，因此通过温度补偿函数的补偿后，5～15轴的温度趋于一致，也从侧面反应了本发明在消除温度误差方面的贡献。
[0053]
通过上述操作，充分解决了不同速度运动物体的热成像测温误差问题，保证了数据的一致性。
[0054]
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，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。