加权实时数据融合在线阵CCD测温中的应用研究
1 引 言
工业热处理过程中温度是一个及其重要的待测参量,传统接触式测温方法存在着许多局限性。近年来,基于面阵图像传感器的温度场测量已受到人们的广 泛关注,日本、芬兰等国开发出的火焰识别系统已投入电厂运行[1,2],我国华中科技大学、浙江大学也开展了该项研究并取得了一定的成果[3,4]。但面 阵彩色CCD只能获取可见光内的三个波段(RGB)的光谱响应值,且对硬件系统要求苛刻,传输复杂,数据处理量大,不便于现场调试。而线阵CCD波长选择 范围宽,通信快捷,外围电路简单,易于工程的实现。本文基于比色测温原理提出了一种线阵CCD温度测量方法。为减少误差,采用了信息融合技术,对来自多个 传感器的多源信息进行相关和结合以达到精确的估计[5]。实验时选择了多个波长组合,并通过比较融合前后的估计值,证明了该方法的可行性。
2 测温系统的组成及其原理
实验采用了高灵敏度TCD1206SUP线阵CCD和2.5kW热处理炉,采用标准铂铑热电偶做同步温度监测。系统示意图如图1所示。
被测目标经光学系统成像在CCD上,首先通过窄带滤光片可得到单色辐射图像,然后经图像采集卡和高速A/D转换后送入计算机进行处理。
当物体的辐射波长范围为400~750nm,温度范围为3000K以下时,Plank辐射定律可由Wein辐射定律取代。假设被测目标为灰体,则由比色法得到的某点的温度值为
式中:c1和c2分别为Plank第一常数和第二常数;λ为波长;M为在某波长和温度下的单色辐射出射度。CCD摄像机将来自炉膛内的热辐射能转化为与之成正比的电信号,利用式(1)可得到CCD双色测温公式:
式中:S表示波长为λ、温度为T下的光强值;k是与λ有关的而与T无关的常数,它与测量系统的光谱响应率、光学元件透射比、光电转换系数等有关,可通过黑体炉标定出来。
从式(2)可以看出,只要在同一点获得任意两个波长下的辐射光强比,即可求出该点的温度。从理论上讲,无论波长取何值,求得的温度值都应该是相 等的,但在实际测量过程中,由于受多种因素的影响,比如灰体假设、测温系统的误差、周围环境的干扰等,使各温度值之间偏差较大,因此需要做融合处理。
3 基于自适应加权的数据融合算法
传统的数据融合方法大多采用算术均值法,该方法是按等精度测量来考虑的,即认为在测量过程中采样数据的可靠性相同且具有同样的精度。但在测量过 程中复杂的现场环境和人为等因素都会构成不等精度测量。基于自适应加权的数据融合算法不要求测量数据的任何先验知识,仅依据各传感器的测量值以自适应的方 式寻找相应的权数,在总均方误差最小的条件下使融合后的估计值得到优化,其原理图如图2所示。
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