热成像系统是集红外热成像技术、红外测温标定技术和计算机图象处理技术等多种高技术的综合体。它借助于红外热成像技术将目标的热辐射转化成二维可视图象, 利用计算机图象处理技术和红外测温标定技术实现对物体表面温度场分布的显示、分析和精确测量。北方工大“智能自动化与计算机应用研究所”从事热成像的系列产品开发研制和推广应用已近十年，研制成功的ＢＲ型工业热像仪、ＪＲＤ型高温在线监测近红外热电视和用于监测多台回转窑窑壳温度的热释电型热电视系统均已通过部级鉴定，并在冶金工业系统中取得良好的应用效果［1］［2］。 任何温度高于绝对温度零度的物体都有热辐射，即辐射红外波长的电磁波，热成像系统就是通过测定物体的热辐射，用二维可视图象显示物体的热状态分布，并进行温度测量的。著名的斯蒂芬——玻尔兹曼定律是热辐射的理论依据，根据这一理论，物体的全波段辐射度 M 与其绝对温度 T 的四次方成正比，即：M=σ×ε× 樝4 其中 σ=5.7×10-8瓦/米2 °K: 斯蒂芬——玻尔兹曼比例系数；ε≤1: 物体的发射率，当物体为绝对黑体时 ε= 1。 因此，可以通过测定目标的辐射度确定其温度。热成像系统就是通过测定目标的辐射度实现用二维图像表示物体表面温度分布的。 红外辐射是波长为 0.75——1000μM 的电磁波，物体热辐射的总能量中包含各个波长的成分，而且不同波段的辐射能量大小也不同，对应于辐射能量最大的波长称为峰值波长，一般用 λmax表示。根据维恩位移定律:λmax = 2897 / T式中 Ｔ- 为绝对温度 （ °K ） ； λmax - 辐射峰值波长 （ 微米 ）。在热成像系统的设计中，要选择与测温范围相适应的波段，使探测器在该波段内响应最灵敏。 由于大气的吸收作用，红外线在大气中的传输会产生衰减，其衰减的程度与波长有关。大气中的水蒸气、二氧化碳、臭氧和氧化氮等对红外线的吸收对一定波长的吸收具有选择性。能够顺利通过大气的红外辐射主要有三个波段,它们是 0.7——2.5μM （短波近红外）、3——5μM （中波红外） 和 8——14μM （长波红外）。大气对这三个波段的热辐射接近于透明，故把它们称为大气窗口，这三个大气窗口正好分别适于测量高温、中温和低温范围。红外热成像系统的工作波长大都选择在大气窗口内，由此，在一定距离（小于300米）内测量结果受大气吸收的影响很小，可以忽略不计。 热成像系统一般由红外摄像头、图象监视器、接口电路板、微型计算机、图象处理软件和彩色打印机等组成 （ 见图 1 ） 。不同类型热成像系统的摄象头工作原理、性能和特点有很大差别，下面分别予以简要介绍。ＢＲ型工业热像仪采用单元锑镉汞元件，光机扫描成像，需用液氮制冷；其特点是温差分辨率极高（可达0．1℃），但是仪器比较娇贵，不宜作在线测温用。工作波长８～１２μM ，测温基本量程0～１００℃（可扩展到８００℃）。仪器设计成便携式结构，可由
蓄电池供电，它特别适于用于电力和电器设备的故障诊断。 ＪＲＤ型在线监测热电视的摄像头采用近红外固体电荷耦合器件 （ ＣＣＤ ）将被测目标的热辐射变成电信号，它提供的是每秒２５帧的标准电视制式信号，可以象有线电视信号那样用
电缆长距离传输；工作波长为0.8～1.4 μM近红外波段，适于测量８００—２４００℃的高温对象；摄像头不需致冷；能抗强磁场干扰；能工作于恶劣环境，适用于对高温对象的非接触测温、温度在线监测或为过程控制系统提供温度信息。例如轧制着的热钢锭、漂浮不定的炉内火焰、回转窑中的热熟料、流动着的熔融金属的测温，由于测量对象在快速运动着，不能采用接触式的测温方法；再者，因测量环境恶劣（高温、烟尘、水汽）和被测对象温度分布情况复杂，用通常的红外测温仪很难保证测量精度，用ＪＲＤ热电视能完满地完成上述任务。ＪＲＤ的摄像头外加铠装保护外壳，并用正压气幕保护镜头，以防烟尘沾染镜头，影响精度。对于工作环境高于45℃的场合，保护壳外加冷却水套。为适应不同现场的要求，用户可选用不同视场角的镜头。 热释电型热电视系统摄像头的核心是热释电型摄像管，它有用硫酸三甘肽（TGS）制成的靶面，并高度真空，利用红外辐射引起靶面温度变化而产生的热释电效应，通过电子束扫描读取信号。工作波长08～14 μM，量程由室温～5００℃，不需要致冷。用于在线监测回转窑窑壳温度分布，诊断窑衬耐火材料烧蚀产生的故障，如局部掉砖、剥落等等。若将摄像头置于遥控云台上，由计算机遥控扫描，可实现对安装于同一现场的多台回转窑壳温的在线监测。 热成像摄像头提供的电信号经过接口电路板进入ＩＢＭ—ＰＣ４８６（或３８６）微型计算机，并在图象监视器上显示出被测对象表面热辐射强弱分布的黑白图象。借助于热辐射标定技术和计算机的运算能力，把热辐射的黑白图象在计算机屏幕上变成温度分布的伪彩色图象，一般用暖色表示高温，用冷色表示低温。借助于图象处理功能得到一般测温仪表不可能得到的结果，例如用图象滤波功能消除干扰影响，求某一指定区域的最高、最低、平均温度和温度分布值方图等等。还可以用彩色打印机打印出该热像图。热成像系统的关键之一是热像图处理软件。我们自行开发了基于ＤＯＳ环境的和基于Ｗｉｎｄｏｗｓ 环境下（多媒体）的两种版本红外热像图处理软件，该软件的特点是图象处理功能很丰富，例如可对图象进行虑波、增强、剪裁、放大等处理，能显示等温区和进行区域分析等，记录图象上多达十个不同位置的温度值，可存储、记录、打印报表等等，从而保证了系统有良好的性能。操作者可用鼠标器或键盘输入命令，以选择图形标识或下拉式多级菜单的方式进行，简化了操作。配有提示行，在线帮助和信息窗口，大大增加了其实用性。模快化软件结构，易于扩展。软件用Ｃ语言编程，充分利用了Ｃ语言的软件资源，具有良好的移植性。我们开发的热像图处理软件不仅用于上述三种自行开发的热成像系统，还曾经为国内外生产的多种热成像系统配套。 热成像系统是以图象的形式显示出温度场的测量结果，它能提供的信息很丰富。但是一帧大小为２５６×２５６的热像图由6万5千多个像素组成，需占用很大的计算机存贮空间。因此，需要解决有效的图象压缩和恢复方法，不仅要有较大的压缩比，而且其结果不应影响热像图的测温精度。近年来，基于小波（Wavelet）的图象压缩方法受到国内外广泛重视。小波之所以能应用于热像图压缩而获得高压缩比，主要是在于通过对热像图进行小波塔式分解能把热像图分解成不同方向和不同频率下的分量，能使我们能有效地对各分量进行处理，从而获得高压缩比。小波理论的核心是多分辨分析，多分辨分析方法为信号分析提供了一种重要途径［4］。它的快速算法—MALLAT算法在信号分析、图像压缩等各方面已得到广泛应用。MALLAT算法实际上为信号分析提供了一种具体的分解算法［5］，它可表示如下： 这里的 和 分别是低通滤波器和高通滤波器。上面的分解算法有精确的重构算法： 我们很容易把上面的算法推广到高维的情形，其中二维的情形是我们图像压缩的基础。二维图像的小波分解具体实施时可如下进行：先分别用低通滤波器和高通滤波器对每一行作滤波，并作隔点抽样；再分别用低通滤波器和高通滤波器对得到的图像每一列作滤波并作隔点抽样，最后得到如图一所示的图像的第一层分解.它是由四个子图像组成的，它们分别代表原图像不同频率特性与方向特性的滤波。我们首先对它进行三层小波分解，然后对分解后的各子图像进行量化，本文采用的量化手段是一种迭代算法［6］，并采用如下几种性能指标对压缩结果进行评价：（1）压缩比;（2）信噪比;（3）压缩前后图像最高最低温度的之间的差值；（4）平均温度误差。我们研究的工作表明［3］，通过对热像图进行小波塔式分解的方法能获得高压缩比（可达1：20～1：50），而且其结果产生的测温附加误差很小。上述成果已被包含到我们开发的图象处理软件中，由此大大降低了贮存图象所占用的存储空间。 ＢＲ型工业热像仪于91年6月通过部级鉴定，已拥有一批用户，并取得良好应有效果。例如1991年在某氧化铝厂的15天测试，取得68张很有意义的热像图，共查找出15处故障隐患（图２），其中一例是测出该厂核心变电站直配母线
刀闸穿心
绝缘子下部压线螺丝温度高达166℃，经及时处理，避免了一起重大故障。又如，某冶金机电设备诊断中心１９９４年用ＢＲ热像仪对上海市的八家冶金企业电气设备进行了检测，取得明显效果。共发现电气
接头有过热现象的将近50处，其中较严重的发热10处。由于检测时负荷不满，有的隐患点的温度并不太高，但是三相接点间温差较大，从而发现隐患处。热像仪的温差分辨率很高，图象清晰，便于发现电气故障隐患。ＪＲＤ型近红外高温电视系统于１９９４年初研制成功，并通过部级鉴定。研究过程中曾在钢铁企业的热连轧在线测温（对象快速运动）、氧化铝回转窑熟料测温（运动对象环境恶劣,图3）和铝电解槽火眼测温（强磁场干扰环境）等用常规测温方法很难工作的场合进行实验，测试效果良好。该系统已在某大型钢铁联合企业的“八．五”重点攻关项目中得到正式应用。通过风口直径为１０厘米的视孔监测燃烧过程的温度，以达到改进工况、节能降耗的目的。由于被测温度近２０００℃，同时存在固、液、气三相高速回旋运动，环境恶劣，给测量带来极大困难。测量结果表明：ＪＲＤ系统测量响应速度快，分辨率高，温度图象提供的信息量大，能真实反映燃烧的动态过程。得到用户高度评价。ＪＲＤ备有Ｄ／Ａ接口，能为工业过程控制系统提供温度信号。ＪＲＤ系统可用于冶金、建材、电气、机械加工等工业高温非接触测温，特别适合对运动对象和恶劣环境（高温、粉尘、水汽）的测量，如热轧、冶炼、焊接、淬火、退火、连铸和炉窑观火
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•。ＪＲＤ能实现在线监测、故障报警和为过程控制提供温度信号。 “氧化铝熟料烧成窑壳温度在线监测红外热电视系统（ＲＳＤ）”是国家“八
•五”开发项目，该系统由计算机控制热电视摄像头对并列安装的六台大型回转窑烧成带壳温进行巡回检测，由监视器显示窑壳体温度分布，能记录、存储、打印、报警。其用途是用于及时发现窑衬局部脱落，预防烧坏壳体，避免发生事故；连续监测窑壳体温度，防止因操作不当，造成烧成温度过高，烧坏窑衬；通过窑壳温度变化掌握耐火砖的烧损情况，合理安排检修计划（图４）。该系统已于１９９４年投入运行，１９９６年春通过部级鉴定。 红外热成像系统是多种高新技术的综合体，它为冶金工业自动化提供了全新的手段，在工业故障诊断、复杂环境的非接触测温、和过程控制等方面有很广泛的用途。 转自：中国工控网
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