基于多傳感器圖像融合的溫度場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)的測(cè)試是指對(duì)壁面溫度與高溫燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的熱端部件的測(cè)量。發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的使用壽命的長(zhǎng)短與熱端部件溫度場(chǎng)的分布是否均勻有密切關(guān)系，因此必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確地測(cè)試。

1 研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)和修理企業(yè)測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)某些零部件的溫度場(chǎng)主要有直接接觸法和人工判讀法。直接接觸法是用熱電偶來(lái)直接測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件溫度，如圖1(a)所示。但用該方法測(cè)量誤差大，且只能對(duì)某些點(diǎn)的溫度進(jìn)行測(cè)量，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)溫度場(chǎng)的測(cè)量。人工判讀法是指發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)和修理企業(yè)利用示溫漆的顏色溫度特性來(lái)間接地人工判讀發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的溫度，如圖1(b)所示。目前大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家采用示溫漆來(lái)間接地測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)部件的溫度場(chǎng)，示溫漆是一種溫度傳感器，它能在不同的溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)出不同的顏色，將其涂在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試件表面，根據(jù)被測(cè)件表面示溫漆的顏色來(lái)判斷其溫度。

用示溫漆來(lái)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的溫度場(chǎng)具有測(cè)量面積大、測(cè)溫范圍廣、使用方便、操作簡(jiǎn)單、不破壞物體表面形狀等優(yōu)點(diǎn)，因此能夠得到比較廣泛的使用，但這種方法易受環(huán)境光的影響，存在誤差大、效率低等缺點(diǎn)。為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)的測(cè)試精度、測(cè)試效率和魯棒性，本文首次提出了一種基于多傳感器圖像融合發(fā)動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)是由光源、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)測(cè)試的零部件、鏡頭、CCD圖像傳感器、圖像采集卡、圖像融合處理和溫度識(shí)別計(jì)算機(jī)5 大部分組成。光源的作用就是在昏暗的環(huán)境下或是需要單獨(dú)光線的特殊照射下提供足以實(shí)現(xiàn)圖像采集的光線;鏡頭的作用是通過(guò)自身的調(diào)節(jié)保證圖像傳感器可以采集到大小合適、清晰度高的目標(biāo)圖像;圖像傳感器是通過(guò)CCD或CMOS感光元件將圖像轉(zhuǎn)化為信號(hào)進(jìn)行采集;圖像采集卡主要是為了把圖像傳感器獲取的目標(biāo)圖像采集并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行圖像融合、處理和溫度識(shí)別。整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)整體框圖如圖2所示。

整個(gè)系統(tǒng)的工作工程如下：首先當(dāng)測(cè)試目標(biāo)接近到CCD 圖像傳感器視角中心時(shí)，圖像采集卡分別向CCD圖像傳感器和照明設(shè)備發(fā)出啟動(dòng)脈沖啟動(dòng)圖像傳感器和照明設(shè)備工作，CCD圖像傳感器進(jìn)行一幀圖像的掃描和輸出;接著圖像采集卡把從CCD 圖像傳感器采集過(guò)來(lái)的模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化變成數(shù)字信號(hào);圖像采集卡將圖像信號(hào)送到圖像處理和溫度識(shí)別計(jì)算機(jī)內(nèi)，進(jìn)行圖像融合以及溫度識(shí)別等處理，最后計(jì)算機(jī)對(duì)圖像處理、分析、目標(biāo)溫度識(shí)別的結(jié)果進(jìn)行顯示。

2.2 光源

在測(cè)試系統(tǒng)過(guò)程中，光源選擇的目的是為了獲得高對(duì)比度的目標(biāo)信息和背景信息的目標(biāo)圖像，以突出感興趣的目標(biāo)特征、抑制不感興趣的背景特征，從而大大地減少目標(biāo)圖像處理的難度，提高系統(tǒng)的魯棒性和測(cè)量精度，因此光源的選擇應(yīng)該遵循對(duì)比度大、亮度適中、光源均勻、魯棒性高等原則，同時(shí)還有兼顧使用壽命、溫度影響以及價(jià)格成本、設(shè)計(jì)難度等因素。常用的光源有LED燈、鹵素?zé)?、熒光燈和激光光源等，這里選擇LED燈，因?yàn)長(zhǎng)ED燈具有穩(wěn)定、節(jié)能且亮度可調(diào)、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 圖像傳感器

圖像傳感器是測(cè)試系統(tǒng)獲取圖像的關(guān)鍵部件，他將測(cè)試目標(biāo)光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)再經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換成為數(shù)字圖像信號(hào)之后，就可以在計(jì)算機(jī)里進(jìn)行數(shù)字圖像處理了。目前圖像傳感器主要有CCD 和CMOS 兩種。CCD圖像傳感器[1]是一種新型的半導(dǎo)體固態(tài)圖像傳感器，它由CCD 電荷耦合器件制成，它具有集成度高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐沖擊、壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定、成像質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用。CMOS圖像傳感器是利用CMOS型光電轉(zhuǎn)換器件制成的，這種傳感器價(jià)格便宜但成像質(zhì)量不高?？紤]到測(cè)試系統(tǒng)對(duì)圖像質(zhì)量要求比較高，這里選用了CCD圖像傳感器。本系統(tǒng)安裝多個(gè)CCD圖像傳感器，從不同角度獲得測(cè)試目標(biāo)的圖像。采用多傳感器冗余結(jié)構(gòu)，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的魯棒性。

2.4 鏡頭

鏡頭是測(cè)試系統(tǒng)的重要組件，它把測(cè)試目標(biāo)成像在CCD圖像傳感器的光敏感面上，其質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)部件溫度場(chǎng)圖像的采集質(zhì)量，也直接影響到整體系統(tǒng)的性能。本測(cè)試系統(tǒng)中，本測(cè)試系統(tǒng)中鏡頭的選取遵循了以下3個(gè)原則：

(1)遵循分辨率高;

(2)成像尺寸應(yīng)不小于CCD 圖像傳感器的靶面尺寸;

(3)根據(jù)CCD 圖像傳感器與被測(cè)試目標(biāo)之間距離來(lái)選擇鏡頭的焦距。這里使用多個(gè)鏡頭，每個(gè)鏡頭對(duì)準(zhǔn)一個(gè)CCD圖像傳感器。

2.5 圖像采集卡

圖像采集卡是將CCD圖像傳感器獲得的目標(biāo)模擬圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)，圖像采集卡帶有外接的信號(hào)接口與CCD 圖像傳感器相連，圖像采集卡裝在計(jì)算機(jī)