基于彩色CCD的火焰温度检测算法研究

　　1 引言

　　炉内火焰温度是窑炉生产过程中最重要的指标之一，直接关系到窑炉的安全与经济运行。目前国内外已开始利用计算机图像处理技术检测炉膛火焰温度场。这种测温方法方便、可行，具有非接触测温法的所有优点，以它为核心的火焰图像监测系统正日益成为火焰检测系统发展的主流。

　　2测量原理

　　燃烧过程的温度测量一般基于普朗克辐射定律，当辐射波长小于 1 m 及温度小于 3000K 的范围内时，普朗克公式可由维恩公式代替:

　　式中:E (T) 为火焰的单色辐射能;

　　为单色辐射率(又称发射率);

　　T 为绝对温度;

　　a为波长;

　　c1和 c2为物理常数。

　　若在两个波长1、2下同时测量到由同一点发出的单色辐射能为 E1(T) 和 E2(T)，则:

　　于是，温度 T 为:

　　常用的彩色CCD摄像机具有 3 个CCD图像传感器，分别接收从分光棱镜分出的 R、G、B 三基色光信号。由 CCD 获取的彩色火焰图像在计算机内是以象素为单位逐点存储的，每一点存储的信息都包括了该点的 R、G、B 亮度值 Re、Ge、Be。根据 1931 年国际照明技术委员会(C. I. E.)的标准，R、G、B分别为700nm、546.1nm、435.8nm。若在式(3)中 取1、2为R、G、B中的两个，这种组合共有 3 种，即 R、G组合，G、B 组合，B、R 组合。以 B、G 组合为例，假设1=2(火焰灰体假设)，即，B=G, 将 Be、Ge代入式(3)，有:

　　式(4)即为三色测温法的计算公式。

　　3误差分析

　　一般认为，火焰的光强与辐射能成正比，因此两种波长下的辐射能之比可以由光强之比来代替。但考虑到火焰本身到摄像机的光路系统辐射能的流失和衰减，以及 CCD 摄像机在成像过程中所经过的光电、数模转换等一系列中间过程的变换后，最后进入计算机内的火焰图像中象素的三基色值(Re、Ge、Be)已不能完全反应相应的辐射能的大小，必须进行误差校正。

　　文献 2 提出使用光强之比来代替辐射能之比时，引入一个由 Re、G、Be象素值确定的修正系数 (LR，LG，LB)，即：

　　式中：E1(T)、E2(T) 为两种波长下的辐射能;

　　L1、L2为两种波长的亮度(即 Re、G、Be中任意两个)(LR, LG, LB)是根据标准黑体炉标定的修正系数，由 Re、Ge、Be值和具体光路系统确定

　　校正后的测温公式为：

　　4 图像噪声的滤除

　　在炉膛内部、摄像、信号传送中，会有各种干扰，造成图像带有各种噪声，为了更准确地获取燃烧火焰的特性，有必要清除噪声。由于图像的噪声常常表现为孤立的象素点，象素灰度和周围点有显著差别，灰度的陡性变化比较大，所以可用中值滤波来抑制噪声。中值滤波不仅能有效滤除图像中的孤立噪声点，与邻域平均法相比还能有效保护边界信息。