[發明專利]一種熱分布圖像在線預測方法

無效

• 申請號: 201310090292.8
• 申請日: 2013-03-20
• 公開（公告）號: CN103226731A
• 公開（公告）日: 2013-07-31
• 發明（設計）人: 喬鐵柱;張洺棋;喬葳
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04;G01J5/00
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 盧茂春

1.一種熱分布圖像在線預測方法，其特征在于是一種基于紅外成像技術，利用有限元分析手段，對數字圖像處理、熱力學理論和熱成像模擬，在熱源參數不確定的條件下，對熱分布的變化進行熱力學分析并給出預測，進而合成逼真熱分布圖像的方法，該方法是對紅外熱圖像中的信息進行動態特征提取、數值計算分析、擬合生成二維函數、構建三維特征數組、依系統輸入時間參數對三維特征數組進行數值提取以合成熱分布灰度圖和模擬紅外色彩還原，整個過程針對硬件性能進行自動適配以保證實時性，輸出結果是未來時間區域內的標準熱分布圖像，通過計算機處理模擬熱分布圖像的運動過程，實現了對熱分布圖像在線預測，具體步驟為：

（1）在熱感目標前方安裝一臺紅外熱像儀，熱像儀具有定時捕捉熱圖像并傳輸到計算機中心的功能，熱像儀的安裝位置以能夠使熱像儀成像的范圍包括熱感目標與靠近熱感目標的周圍空氣環境為標準，熱像儀對熱感目標以ΔT為時間周期進行捕捉并傳輸到計算機中心上，若T₁時刻完成第一幅熱圖像采集，當T₂=T₁+ΔT時刻完成第二幅熱圖像采集，此時對2幅熱圖像抽樣采集樣點溫度，抽樣原則是在保證圖像處理的實時性前提下，盡可能減少熱圖像中有效信息的損失，以確保最終由抽樣點擬合出的預測熱圖像在細節上更細膩準確，此處采用隔c行隔r列的抽樣原則，并對此抽樣點集合進行計算處理；

（2）由第一幅熱圖像抽樣點的灰度值計算出溫度值t_1i，其中i=0,1,2,…n，第二幅熱圖像采樣點的灰度值計算出溫度值t_2i,其中i=0,1,2,…n，取熱圖像中靠近熱感目標的周圍空氣溫度t_c，計算采樣點的平均溫度變化速率和計算采樣點以熱對流、熱輻射、熱傳導三種形式吸收與損失的能量流速，計算每一個采樣點與周圍空氣的熱對流能量流速，使用牛頓熱對流換熱公式：q_c=h_c(t_s-t₀)，其中h_c是對流換熱系數,t_s高溫體表溫度,t₀空氣溫度，這里h_c是已知常量，t₀即是熱感目標周圍空氣溫度t_c，t_s即是熱感目標表面的點溫度t_2i。將各參數帶入公式可求得采樣點與周圍空氣的熱對流能量流速q_ci；

接下來使用斯特藩-玻爾茲曼黑體熱輻射定律：

Mbλ(T)=C1λ5[exp(C2λT)-1]]]>

公式中λ為輻射到環境中波的波長，C₁=2πhc²，c為光的傳播速度，T為黑體絕對溫度，σ為常數稱為斯特藩-玻爾茲曼常數。對M_bλ(T)在全部波長區間積分得出一個采樣點單位時間輻射到周圍環境的熱能量公式：

Mb(T)=∫0∞Mbλ(T)dλ=∫0∞C1dλλ5[exp(C2λT)-1]=σT4]]>

在具體實施時，還需要與熱感目標的輻射系數作積，輻射系數可查表獲得。將t_2i代入公式可以計算出每一個采樣點通過熱輻射的形式流失到周圍環境的熱能量流速M_bi。

再通過比熱容公式Q_吸=cmΔt計算出此點的溫度升高所吸收的凈能量值。最后依據能量守恒定律求出熱感目標內部的熱傳導能量總流速q₀=q_吸+q_c+M_b。

由于熱感目標的導熱率相對很大，此處在熱感目標內部溫度相對穩定的條件下，q值可以認為是恒值。依能量守恒定律有經過積分可以得到一個溫度T_i與時間t的一個函數關系集合，因為T₂時刻每一個采樣點的溫度值是已經條件，將(T₂,t_2i)作為特解代入通解中最終計算出T₂時刻之后任一時間采樣點的溫度值。按照以上原理針對每一個采樣點進行計算，在計算機中將各采樣點的溫度函數合成三維數組t[c][r][T],其表示的意義是c行r列的采樣點在T=T₂+ΔT時刻的溫度值。若令零，通過計算得出的t_2i就是各采樣點在達到溫度穩定狀態時的溫度值；

由第一幅熱圖像抽樣點的灰度值計算出溫度值t_1i，其中i=0,1,2,…n。第二幅熱圖像采樣點的灰度值計算出溫度值t_2i,其中i=0,1,2,…n。取熱圖像中靠近熱感目標的周圍空氣溫度t_c。

計算采樣點的平均溫度變化速率

計算采樣點以熱對流、熱輻射、熱傳導三種形式吸收與損失的能量流速：

計算每一個采樣點與周圍空氣的熱對流能量流速，使用牛頓熱對流換熱公式：q_c=h_c(t_s-t₀)，其中h_c是對流換熱系數,t_s高溫體表溫度,t₀空氣溫度。這里h_c是已知常量，t₀即是熱感目標周圍空氣溫度t_c，t_s即是熱感目標表面的點溫度t_2i。將各參數帶入公式可求得采樣點與周圍空氣的熱對流能量流速q_ci；

（3）接下來使用斯特藩-玻爾茲曼黑體熱輻射定律：

Mbλ(T)=C1λ5[exp(C2λT)-1]]]>

公式中λ為輻射到環境中波的波長，C₁=2πhc²，c為光的傳播速度，T為黑體絕對溫度，σ為常數稱為斯特藩-玻爾茲曼常數。對M_bλ(T)在全部波長區間積分得出一個采樣點單位時間輻射到周圍環境的熱能量公式：

Mb(T)=∫0∞Mbλ(T)dλ=∫0∞C1dλλ5[exp(C2λT)-1]=σT4]]>

將t_2i代入公式可以計算出每一個采樣點通過熱輻射的形式流失到周圍環境的熱能量流速M_bi；

（4）再通過比熱容公式Q_吸=cmΔt計算出此點的溫度升高所吸收的凈能量值。最后依據能量守恒定律求出熱感目標內部的熱傳導能量總流速q₀=q_吸+q_c+M_b，由于熱感目標的導熱率相對很大，此處在熱感目標內部溫度相對穩定的條件下，q值可以認為是恒值，依能量守恒定律有經過積分可以得到一個溫度T_i與時間t的一個函數關系集合，因為T₂時刻每一個采樣點的溫度值是已經條件，將(T₂,t_2i)作為特解代入通解中最終計算出T₂時刻之后任一時間采樣點的溫度值，針對每一個采樣點進行計算，在計算機中將各采樣點的溫度函數合成三維數組t[c][r][T],其表示的意義是c行r列的采樣點在T=T₂+ΔT時刻的溫度值，若令為零，通過計算得出的t_2i就是各采樣點在達到溫度穩定狀態時的溫度值；

（5）關于提取任意時刻熱感目標的熱圖像分布方法，將T確定條件下的所有t[c][r]數組項提取，通過重建平滑處理即得到一張表現T時刻的熱分布灰度圖，依熱學圖像的成像規則，對此灰度圖進行模擬色彩還原最后合成一幅標準色彩的T時刻熱感目標的熱分布圖像，再通過計算機實現模擬熱分布圖像的動態顯示。