专利名称：一种用于对煤垛表面进行远距离红外测温的方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用对煤垛表面进行远距离红外测温的方法及系统。
背景技术：
红外成像测温技术的实质是由于红外目标(如，煤垛)在不断地向外辐射和反射能量，其辐射和反射的能量经过大气辐射传输，到达红外成像系统，红外成像系统利用红外探测器和光学成像物镜接收红外目标的辐射图像，并将辐射能量转换为电信号，然后通过后续成像电子学系统转换成与红外目标辐射分布相对应的数字图像，再经过红外辐射亮度与温度的转换，则可计算得到红外目标的表面温度。目前的红外成像测温技术往往关注于红外成像系统本身的特性，以及关注于对数字红外图像的处理，而当成像距离较大，进行远距离成像测温时，如大于10米时，随着红外 辐射传输的路径的加长，天候对红外成像测温的影响将变大。
发明内容
本发明旨在提供一种用于对煤垛表面进行远距离红外测温的方法及系统，用以降低天候条件对煤垛表面温度测量结果的影响，提高煤垛表面温度测量精度。本发明的一方面提供一种用于对煤垛表面进行远距离红外测温的方法，所述方法包括下述步骤I. I至I. 5 :步骤I. I :拍摄被测煤垛的红外辐射亮度图；步骤I. 2 :计算拍摄时刻被测煤垛的反射强度、大气程辐射亮度和大气透过率；步骤I. 3 :根据步骤I. 2的结果，从红外亮度图中去除被测煤垛的反射成分和大气程辐射成分，以得到去除天候效应后的红外辐射亮度图；步骤I. 4 :确定所述拍摄时刻被测煤垛的发射率数据；和步骤I. 5 :根据所述发射率数据以及去除天候效应后的红外辐射亮度图确定煤垛的表面温度。本发明的另一方面提供一种用于对煤垛表面进行远距离红外测温的系统，包括一个拍摄设备，其拍摄被测煤垛的红外辐射亮度图；一个发射率测量仪器，其用于确定所述拍摄时刻被测煤垛的发射率数据；一个计算设备，其计算拍摄时刻被测煤垛的反射强度、大气程辐射亮度和大气透过率，从红外亮度图中去除被测煤垛的反射成分和大气程辐射成分，以得到去除天候效应后的红外辐射亮度图；并根据拍摄时刻被测煤垛的发射率数据和去除天候效应后的红外辐射亮度图来计算煤垛的表面温度。由于本发明考虑了测温时刻的天候条件下，煤垛自身发射率特性及大气传输特性对测温准确度的影响，因此，提高了煤垛测温结果的准确度，同时，本发明还兼具红外测温技术中与物体无接触、可全天候工作、可实现夜视等突出优点，并且可以通过调整测量距离，实现全煤垛测温，这些对于进行煤垛表面温度实时探测，长期变化规律分析以及煤垛内热源查找极为有效。
图I示出了根据本发明的用于对煤垛表面进行远距离红外测温的方法。
具体实施例方式·以下结合具体实施例及附图来对本发明作进一步的说明，这些说明不用来限制本发明的范围。图I示出了根据本发明一个实施方案的用于对煤垛表面进行远距离红外测温的方法。如图I所示，所述方法包括下述步骤I. I至I. 5 :步骤I. I :拍摄被测煤垛的红外辐射亮度图LO ；步骤I. 2 :计算拍摄时刻被测煤垛的反射强度Lf、大气程辐射亮度L。和大气透过率τ ;步骤I. 3 :根据步骤I. 2的结果，从红外亮度图中去除被测煤垛的反射成分和大气程辐射成分，以得到去除天候效应后的红外辐射亮度图Lm ;该步骤I. 3包括下述步骤3. I至3. 3，其中步骤3. I为将红外辐射亮度图Ltl逐像素减去所述大气程辐射亮度L。，从而得到第一红外辐射亮度图L1 ;步骤3. 2为将所述第一红外辐射亮度图L1逐像素除以大气透过率，得到第二红外辐射亮度图L2 ;步骤3. 3为将所述第二红外辐射亮度图L2逐像素减去所述煤垛反射强度Lf，从而得到去除天候效应后的红外辐射亮度图Lm ；步骤I. 4 :确定所述拍摄时刻被测煤垛的发射率数据；步骤I. 5 :根据所述发射率数据以及去除天候效应后的红外辐射亮度图Lm确定煤垛的表面温度。发射率，也叫比辐射率，是指该红外目标在指定温度T时的辐射量与同温黑体的相应辐射量的比值，通常用ε表示。对于黑体，ε=1;对于一般物体，ε〈1。发射率与红外目标本身的性质、表面粗糙度、温度、辐射波长和方向均有关系。对于不同的目标，发射率是不相同的，这是红外目标本身的一种属性。对于相同的目标，由于不同的天候条件、地理位置、红外成像系统成像角度等影响，目标的发射率也不一样。由于红外目标的红外辐射在到达成像系统之前会先经过大气的传输，与大气成份相互作用，发生吸收和散射，从而改变辐射的空间、时间和光谱分布特性。大气传输特性对红外成像测温的影响，主要包含以下三方面1.大气分子和气溶胶粒子的吸收和散射，将导致红外辐射在传播方向上的衰减，降低目标的图像灰度，导致红外图像对比度下降；2.大气分子和气溶胶粒子对红外辐射的散射，将使红外光线偏离光路，对周边像素亮度造成影响，导致图像模糊，边缘不清晰；3.大气因自身温度而产生的热辐射、大气对直接太阳辐射通量由原方向单次散射和多次散射到探测器方向造成的辐射亮度的增加、目标场景周围环境辐射的多次散射影响等。通过本发明，尤其是通过步骤I. 3，可以显著降低上述影响。下面对根据本发明的一个具体实施方案的用于对煤垛表面进行远距离红外测温的方法做详细描述步骤I. I可以包括先拍摄被测煤垛的红外热图(步骤I. I. 1)，然后再将红外热图转换为红外辐射亮度图Ltl (步骤I. I. 2)，所用仪器例如可以为红外热像仪。所述转换过程例如可以包括将拍摄得到的红外热图转为灰度图，得到红外热图中每个像素的红外辐射亮度值。所述步骤I. 2可以包括
步骤2. I :采集拍摄时刻的天候数据；步骤2. 2 :确定被测煤垛的地理位置，根据所述地理位置计算被测煤垛的太阳天顶角；步骤2. 3 :确定拍摄位置到被测煤垛的距离(即热像仪所处位置到被测煤垛的距离)；以及步骤2. 4:根据所述天候数据、太阳天顶角、拍摄位置到被测煤垛的距离，计算被测煤垛的反射强度、被测煤垛的大气程辐射亮度和大气透过率。另外，可以通过调整远距离拍摄位置与煤垛之间的距离和角度，对整个煤垛进行远距离红外测温。所述步骤I. 4可以包括4. I:根据被测煤垛的煤质特性，从已有资料查找煤垛的基本发射率数据；4. 2:测量被测煤垛发射率的温度特性以及光谱特性；4. 3:通过分析所测量的温度特性和光谱特性，对所述基本发射率数据进行校正，从而确定所述拍摄时刻被测煤垛的发射率数据；以及建立不同天候数据下被测煤垛的发射率数据库。所述已有资料包括相关书籍文献或数据库，所述基本发射率数据指通过先期实验测定所得到的通常情况下被测煤垛的发射率数据。本发明通过分析发射率的光谱、温度等特性，对发射率进行合理的校正，从而提高红外成像测温系统的检测准确度，降低了由于发射率校正不准而引起的红外热像仪测温误差。以下进一步介绍根据本发明的一个具体实施方案的用于对煤垛表面进行远距离红外测温的方法。本实例旨在对薄雾天气条件下某地的一处煤垛进行红外成像表面温度测量。测量中所用到的红外成像测温设备为远红外热像仪，测量波段为8-14 μ m，分辨率为 320X256。先用远红外热像仪拍摄被测煤垛的红外辐射亮度图，拍摄时刻的天候数据、地理位置信息以及测量距离(即，拍摄位置到被测煤垛的距离)如下面表I所示
权利要求
1.一种用于对煤垛表面进行远距离红外测温的方法，所述方法包括下述步骤1.1至I. 5 步骤I. I :拍摄被测煤垛的红外辐射亮度图； 步骤I. 2 :计算拍摄时刻被测煤垛的反射强度、大气程辐射亮度和大气透过率； 步骤I. 3 :根据步骤I. 2的结果，从红外亮度图中去除被测煤垛的反射成分和大气程辐射成分，以得到去除天候效应后的红外辐射亮度图； 步骤I. 4 :确定所述拍摄时刻被测煤垛的发射率数据；和 步骤I. 5 :根据所述发射率数据以及去除天候效应后的红外辐射亮度图确定煤垛的表面温度。
2.根据权利要求I所述的用于对煤垛表面进行远距离红外测温的方法，其中所述步骤I. 2包括下述步骤2. I至2.4 : 步骤2. I :采集拍摄时刻的天候数据； 步骤2. 2 :确定被测煤垛的地理位置，根据所述地理位置计算被测煤垛的太阳天顶角； 步骤2. 3 :确定拍摄位置到被测煤垛的距离；以及 步骤2. 4:根据所述天候数据、太阳天顶角、拍摄位置到被测煤垛的距离，计算被测煤垛的反射强度、被测煤垛的大气程辐射亮度和大气透过率。
3.根据权利要求I或2所述的用于对煤垛表面进行远距离红外测温的方法，其中步骤I. 3包括下述步骤3. I至3. 3 : 步骤3. I :将红外辐射亮度图逐像素减去所述大气程辐射亮度，从而得到第一红外辐射亮度图； 步骤3. 2 :将所述第一红外辐射亮度图逐像素除以大气透过率，得到第二红外辐射亮度图； 步骤3. 3 :将所述第二红外辐射亮度图逐像素减去所述煤垛反射强度，从而得到去除天候效应后的红外辐射亮度图。
4.根据权利要求I或2所述的用于对煤垛表面进行远距离红外测温的方法，其中所述步骤I. 4包括下述步骤4. I至4. 3 : 步骤4. I :根据被测煤垛的煤质特性，从已有资料查找煤垛的基本发射率数据； 步骤4. 2 :测量被测煤垛发射率的温度特性以及光谱特性； 步骤4. 3 :通过分析所测量的温度特性和光谱特性，对所述基本发射率数据进行校正，从而确定所述拍摄时刻被测煤垛的发射率数据；以及建立不同天候数据下被测煤垛的发射率数据库。
5.根据权利要求2所述的用于对煤垛表面进行远距离红外测温的方法，其中步骤2.2中的确定被测煤垛的地理位置包括通过GPS定位设备来确定被测煤垛的经度和纬度；以及在步骤2. 3中用激光测距仪测量所述拍摄位置到被测煤垛的距离。
6.根据权利要求2所述的用于对煤垛表面进行远距离红外测温的方法，其中通过气象站来实施所述步骤2. I的采集过程；所述天候数据包括风速、大气压力、空气湿度、大气温度、大气能见度、太阳和天空背景辐射照度以及雨雾状况。
7.根据权利要求I或2所述的用于对煤垛表面进行远距离红外测温的方法，其中还包括调整拍摄位置与煤垛之间的距离和角度，对整个煤垛进行远距离红外测温。
8.一种用于对煤垛表面进行远距离红外测温的系统，包括 一个拍摄设备，其拍摄被测煤垛的红外辐射亮度图； 一个发射率测量仪器，其用于确定所述拍摄时刻被测煤垛的发射率数据； 一个计算设备，其计算拍摄时刻被测煤垛的反射强度、大气程辐射亮度和大气透过率，从红外亮度图中去除被测煤垛的反射成分和大气程辐射成分，以得到去除天候效应后的红外辐射亮度图；并根据拍摄时刻被测煤垛的发射率数据和去除天候效应后的红外辐射亮度图来计算煤垛的表面温度。
9.根据权利要求8所述的用于对煤垛表面进行远距离红外测温的系统，还包括 一个采集设备，用于采集拍摄时刻的天候数据； 一个定位设备，用于确定被测煤垛的地理位置； 一个距离测量设备，用于确定拍摄位置到被测煤垛的距离； 所述计算设备根据所述地理位置计算被测煤垛的太阳天顶角，并根据所述天候数据、太阳天顶角、拍摄位置到被测煤垛的距离，计算被测煤垛的反射强度、被测煤垛的大气程辐射亮度和大气透过率。
10.根据权利要求9所述的用于对煤垛表面进行远距离红外测温的系统，其中， 所述拍摄设备为红外热像仪； 所述采集设备为气象站； 所述定位设备为GPS定位设备，其用于确定被测煤垛的经度和纬度； 所述距离测量设备为激光测距仪；和 所述计算设备为计算机。
全文摘要
本发明提供了一种用于对煤垛表面进行远距离红外测温的方法及系统，所述方法包括下述步骤1.1至1.5步骤1.1拍摄被测煤垛的红外辐射亮度图；步骤1.2计算拍摄时刻被测煤垛的反射强度、大气程辐射亮度和大气透过率；步骤1.3根据步骤1.2的结果，从红外亮度图中去除被测煤垛的反射成分和大气程辐射成分，以得到去除天候效应后的红外辐射亮度图；步骤1.4确定所述拍摄时刻被测煤垛的发射率数据；和步骤1.5根据所述发射率数据以及去除天候效应后的红外辐射亮度图确定煤垛的表面温度。通过本发明可以提高煤垛测温结果的准确度。
文档编号G01J5/00GK102853916SQ201210363659
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月26日 优先权日2012年9月26日
发明者谷红伟, 许文海, 梁建兵, 董丽丽, 杨精志, 李瑛 , 王淑英, 缪希伟, 高广亮, 白增辉, 石磊 申请人:中国神华能源股份有限公司, 神华销售集团有限公司, 北京神华昌运高技术配煤有限公司