專利名稱：一種確定紅外熱像儀鏡頭平面與被測(cè)平面之間夾角的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種角度測(cè)量方法，尤其是涉及一種確定紅外熱像儀鏡頭平面(焦平 面)與被測(cè)平面之間測(cè)量角度的方法。
背景技術(shù)：
紅外熱像儀以其非接觸、快速、大面積測(cè)量溫度的優(yōu)點(diǎn)已被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn) 場(chǎng)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度測(cè)量和監(jiān)測(cè)。紅外熱像儀鏡頭與被測(cè)平面之間的夾角，即紅外熱像儀的測(cè) 量角度直接影響著紅外熱像儀的測(cè)溫精度。但是由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的具體環(huán)境比較復(fù)雜，無法 保證紅外熱像儀正對(duì)目標(biāo)平面進(jìn)行測(cè)量，從而產(chǎn)生熱像儀測(cè)量角度引起的誤差。現(xiàn)有的紅 外熱像儀不具備測(cè)量熱像儀與被測(cè)平面夾角的功能，傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量方法也不適用于工 業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的角度測(cè)量，因此不能得到熱像儀的測(cè)量角度，進(jìn)而補(bǔ)償測(cè)量角度引起的誤差。本發(fā) 明涉及測(cè)量紅外熱像儀與目標(biāo)平面之間夾角的測(cè)量方法。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種測(cè)量紅外熱像儀鏡頭平面與被 測(cè)平面之間所成的測(cè)量角度的方法。本發(fā)明的主要原理是基于幾何光學(xué)的原理。在鏡頭與規(guī)則圖形圖靶(圓形或正多 邊形)所在的被測(cè)平面成α角度測(cè)量時(shí)，規(guī)則圖形圖靶所成的像會(huì)發(fā)生形變。所成像的形 變程度隨著測(cè)量角度的變化而變化。通過檢測(cè)像的形變程度確定熱像儀鏡頭平面與被測(cè)平 面所成的測(cè)量角度。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是該方法依次包含以下步驟1)將規(guī)則圖形圖靶貼在被測(cè)平面測(cè)量區(qū)域；2)將紅外熱像儀安裝在三腳架上，放置于被測(cè)平面前方，規(guī)則圖形圖靶材料發(fā)射 率與被測(cè)平面發(fā)射率不同，對(duì)準(zhǔn)規(guī)則圖形圖靶對(duì)被測(cè)平面測(cè)量區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，并儲(chǔ)存紅外 圖像；3)通過圖像檢測(cè)方法，得到紅外圖像中的六個(gè)特殊點(diǎn)；4)由檢測(cè)到的六個(gè)特殊點(diǎn)求出一個(gè)橢圓的方程；5)將橢圓做旋轉(zhuǎn)運(yùn)算，將旋轉(zhuǎn)后的橢圓整理成橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程形式，求出橢圓的 長軸、短軸的值；6)由橢圓短軸與長軸之比計(jì)算熱像儀鏡頭平面與被測(cè)平面的夾角。所述的規(guī)則圖形圖靶為多于六邊的正多邊形或圓形。所述的通過圖像檢測(cè)方法，得到紅外圖像中的六個(gè)特殊點(diǎn)，若所述的規(guī)則圖形圖 靶為多于六邊的正多邊形，則通過圖像檢測(cè)方法，檢測(cè)得到多邊形的任意六個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)；若 所述的規(guī)則圖形圖靶為圓形，則通過圖像檢測(cè)方法，檢測(cè)得到圖形邊緣上的任意六個(gè)點(diǎn)的 坐標(biāo)。所述的由檢測(cè)到的六個(gè)特殊點(diǎn)求出一個(gè)橢圓方程，該橢圓方程由六個(gè)公式Ax2+2Bxy+Cy2+Dx+Ey+F = O組成的線性方程組求出，其中A、B、C、D、E、F均為橢圓方程系數(shù)。所述的將橢圓做旋轉(zhuǎn)運(yùn)算包含以下步驟；確定旋轉(zhuǎn)角度φ，旋轉(zhuǎn)角度通過如下公式計(jì)算，
tan (2φ) =2B/ (A-C)其中，A、B、C為第4)步驟中求出的橢圓方程的系數(shù)，若B為0，則φ為0，不需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；若B不為0，將橢圓方程做如下變換
Jx = χ Costp- y Sin^ [^少 二少 Cos 爐 + χ Sin^得到旋轉(zhuǎn)后的橢圓方程。第5)步驟中橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程形式為+= l a2 b2其中χ'、y'為變換后的坐標(biāo)；u、v為橢圓的中心；a、b分別為橢圓的長軸或短軸， 由a、b的長短決定哪個(gè)是長軸，由橢圓方程系數(shù)A、B、C、D、E、F及φ表示。熱像儀鏡頭平面與被測(cè)平面的夾角α根據(jù)下式計(jì)算得到Cos α = a/b,當(dāng)a為短軸，b為長軸；Cosa =b/a，當(dāng)b為短軸，a為長軸。本發(fā)明具有的有益效果是1.本發(fā)明采用非接觸方式進(jìn)行測(cè)量，無需對(duì)現(xiàn)有紅外熱像儀裝置進(jìn)行改造，可確 定紅外熱像儀與被測(cè)物表面的測(cè)量角度；2.本發(fā)明利用被測(cè)物表面特點(diǎn)，以幾何光學(xué)為理論基礎(chǔ)，在紅外熱像儀測(cè)溫的同 時(shí)測(cè)量其與被測(cè)物平面的角度關(guān)系，快速簡(jiǎn)易。


圖1是熱像儀測(cè)量示意圖。圖2是熱像儀鏡頭平面與被測(cè)平面相對(duì)位置示意圖。圖3是正六邊形圖靶及其像的示意圖。圖4是圓形圖靶及其像的示意圖。圖中1-紅外熱像儀，2-被測(cè)平面，3-三腳架，4-規(guī)則圖形圖靶，5-正六邊形圖 靶，6-正六邊形圖靶的外接圓，7-正六邊形圖靶在紅外圖像中的像，8-正六邊形圖靶在紅 外熱像中的像的外接橢圓，9-圓形圖靶，10-圓形圖靶在紅外熱像中的像。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。如圖1所示，紅外熱像儀1安裝在三腳架3上，對(duì)附著在被測(cè)平面2上的規(guī)則圖形 圖靶4進(jìn)行測(cè)量。圖2所示為紅外熱像儀鏡頭平面與被測(cè)平面相對(duì)位置的示意圖，紅外熱 像儀1與被測(cè)平面2之間的夾角為α。圖3所示為紅外熱像儀鏡頭平面與被測(cè)平面成α角度測(cè)量時(shí)，規(guī)則圖形圖靶4在紅外圖像中的像。其中，圖3a所示，正六邊形圖靶5具有唯 一的外接圓6，正六邊形圖靶5在紅外圖像中的像如圖3b所示，正六邊形圖靶在紅外圖像中 的像7具有唯一的正六邊形圖靶在紅外熱像中的像的外接橢圓8 ；圖4為圓形圖靶及其像 的示意圖，圖4a所示為圓形圖靶9，圖4b所示為圓形圖靶在紅外熱像中的像10為橢圓形。實(shí)施例1 規(guī)則圖型圖靶為正六邊形當(dāng)紅外熱像儀鏡頭平面與被測(cè)平面成α角度測(cè)量時(shí)，此測(cè)量角度α由以下步驟 確定第一、將正六邊形圖靶粘貼在被測(cè)平面測(cè)量區(qū)域。第二、將紅外熱像儀安裝在三腳架上，使熱像儀鏡頭對(duì)準(zhǔn)被測(cè)平面上的正六邊形 圖靶，對(duì)被測(cè)平面進(jìn)行測(cè)量，并存儲(chǔ)下紅外圖像。第三、通過圖像檢測(cè)方法，檢測(cè)紅外圖像中正六邊形圖靶的像7的六個(gè)頂點(diǎn)的坐 標(biāo)(X1, Yi)，(χ2，Y2)，(χ3' y3)，(χ4，y》，(χ5，y5)，(χ6，y6) °第四、由檢測(cè)到的紅外圖像中正六邊形圖靶的像7的六個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)，求出正六邊 形圖靶的像的唯一外接橢圓8的橢圓方程，該橢圓方程的一般形式AX2+2BXy+Cy2+DX+Ey+F =0根據(jù)下列六個(gè)方程求出
Ax12 + IBx1J1 + Qy12 + Dx1 + E^1 + F = 0 Ax22 + 2Qx2y2 + Qy22 + Dx2 + Ey2 +F = O
Ajc32 + 2Bx3y3 + Qy32 + Dx3 + Ey3 +F = O,.
Ax42 + 2Bx4y4 + Cy42 +Dx4 +Ey4 +F = O
Ax52 + 2Bx5y5 + Cy52 + Dx5 + Ey5 + F = 0 Ax62 + 2Βχ6Λ + Qy62 +Djc6+E^6+F = O其中A、B、C、D、Ε、F均為橢圓方程系數(shù)，由上式求出。第五、旋轉(zhuǎn)橢圓運(yùn)算，Ax2+2Bxy+Cy2+Dx+Ey+F = 0為橢圓的一般方程，若B不為0， 設(shè)橢圓旋轉(zhuǎn)的角度為φ，按照式tan (2φ) =2B/ (A—C)求出旋轉(zhuǎn)角φ，將橢圓做旋轉(zhuǎn)運(yùn)算，即橢圓方程坐標(biāo)做如下變換
(χ = x'Cos 識(shí)-ySinp y - >> Cos^ + χ Sin^得到旋轉(zhuǎn)后的橢圓方程。若B為0，則不需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。第六、將旋轉(zhuǎn)后的橢圓整理成標(biāo)準(zhǔn)形式，即fc^ + i^ll = !的形式，
ab其中χ'、y'為變換后的坐標(biāo)；u、v為橢圓的中心；a、b分別為橢圓的長軸或短軸， 由a、b的長短決定哪個(gè)是長軸，可由橢圓方程系數(shù)A、B、C、D、E、F及φ表示。第七、計(jì)算夾角值，熱像儀鏡頭平面與被測(cè)平面的夾角α可根據(jù)下式計(jì)算得到Cos α = a/b,當(dāng)a為短軸，b為長軸；Cosa = b/a，當(dāng)b為短軸，a為長軸。
實(shí)施例2 規(guī)則圖型圖靶為圓形當(dāng)紅外熱像儀鏡頭平面與被測(cè)平面成α角度測(cè)量時(shí)，此測(cè)量角度α由以下步驟 確定第一、將圓形圖靶粘貼在被測(cè)平面測(cè)量區(qū)域。第二、將紅外熱像儀安裝在三腳架上，使熱像儀鏡頭對(duì)準(zhǔn)被測(cè)平面上的圓形圖靶， 對(duì)被測(cè)平面進(jìn)行測(cè)量，并存儲(chǔ)下紅外圖像。第三、通過圖像檢測(cè)方法，檢測(cè)紅外圖像中圓形圖靶的像10的邊緣曲線，此邊緣 曲線為橢圓曲線。取曲線上的任意六個(gè)點(diǎn)，坐標(biāo)分別為(Xl，yi)，(x2，y2)，(x3，y3)，(x4，y4)， (x5, y5), (x6, y6)。第四、由上述第三步中的得到的六個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，求出圓形圖靶的像10的橢圓方 程，該橢圓方程的一般形式AX2+2BXy+Cy2+DX+Ey+F = 0根據(jù)下列六個(gè)方程求出
Axr12 + 2Bx1>'1 + Cyl2 + Dx1 + Ey1 + F = 0 Ax22 + 2Bx2y2 + Cy22 + Dx2 + Ey2 +F = O
Ax32 + 2Bx3y3 + Cy32 + Dx3 + Ey3 + F = 0< ,.
Ax42 + 2Bx4y4 + Cy/ +Dx4 +E^4 +F = O
Ax52 + 2Bx5_y5 + Qy52 + Dx5 + Ej5 + F = 0 Ax62 + 2Bx6y6 + Cy62 +Dx6+Ej6 +F = O其中A、B、C、D、E、F均為橢圓方程系數(shù)，由上式求出。第五、旋轉(zhuǎn)橢圓運(yùn)算，Ax2+2Bxy+Cy2+Dx+Ey+F = 0為橢圓的一般方程，若B不為0， 設(shè)橢圓旋轉(zhuǎn)的角度為φ，按照式tan (2φ) =2B/ (A_C)求出旋轉(zhuǎn)角φ，將橢圓做旋轉(zhuǎn)運(yùn)算，即橢圓方程坐標(biāo)做如下變換
Ix = χ Cos^ — ySin 爐 = yCosp + χ Sin^得到旋轉(zhuǎn)后的橢圓方程。若B為0，則不需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。第六、將旋轉(zhuǎn)后的橢圓整理成標(biāo)準(zhǔn)形式，即6^￡ + ￥ = 1的形式，
a2b2其中χ'、y'為變換后的坐標(biāo)；u、v為橢圓的中心；a、b分別為橢圓的長軸或短軸， 由a、b的長短決定哪個(gè)是長軸，可由橢圓方程系數(shù)A、B、C、D、E、F及φ表示。第七、計(jì)算夾角值，熱像儀鏡頭平面與被測(cè)平面的夾角α可根據(jù)下式計(jì)算得到Cos α = a/b,當(dāng)a為短軸，b為長軸；Cosa = b/a，當(dāng)b為短軸，a為長軸。上述描述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例。
權(quán)利要求
一種確定紅外熱像儀鏡頭平面與被測(cè)平面之間夾角的方法，其特征在于，該方法依次包含以下步驟1)將規(guī)則圖形圖靶貼在被測(cè)平面測(cè)量區(qū)域；2)將紅外熱像儀安裝在三腳架上，放置于被測(cè)平面前方，規(guī)則圖形圖靶材料發(fā)射率與被測(cè)平面發(fā)射率不同，對(duì)準(zhǔn)規(guī)則圖形圖靶對(duì)被測(cè)平面測(cè)量區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，并儲(chǔ)存紅外圖像；3)通過圖像檢測(cè)方法，得到紅外圖像中的六個(gè)特殊點(diǎn)；4)由檢測(cè)到的六個(gè)特殊點(diǎn)求出一個(gè)橢圓的方程；5)將橢圓做旋轉(zhuǎn)運(yùn)算，將旋轉(zhuǎn)后的橢圓整理成橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程形式，求出橢圓的長軸、短軸的值；6)由橢圓短軸與長軸之比計(jì)算熱像儀鏡頭平面與被測(cè)平面的夾角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種確定紅外熱像儀鏡頭平面與被測(cè)平面之間夾角的方法， 其特征在于所述的規(guī)則圖形圖靶為多于六邊的正多邊形或圓形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種確定紅外熱像儀鏡頭平面與被測(cè)平面之間夾角的方 法，其特征在于所述的通過圖像檢測(cè)方法，得到紅外圖像中的六個(gè)特殊點(diǎn)，若所述的規(guī)則 圖形圖靶為多于六邊的正多邊形，則通過圖像檢測(cè)方法，檢測(cè)得到多邊形的任意六個(gè)頂點(diǎn) 坐標(biāo)；若所述的規(guī)則圖形圖靶為圓形，則通過圖像檢測(cè)方法，檢測(cè)得到圖形邊緣上的任意六 個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種確定紅外熱像儀鏡頭平面與被測(cè)平面之間夾角的方 法，其特征在于所述的由檢測(cè)到的六個(gè)特殊點(diǎn)求出一個(gè)橢圓方程，該橢圓方程由六個(gè)公式 Ax2+2Bxy+Cy2+Dx+Ey+F = O組成的線性方程組求出，其中A、B、C、D、E、F均為橢圓方程系數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種確定紅外熱像儀鏡頭平面與被測(cè)平面之間夾角的方法， 其特征在于所述的將橢圓做旋轉(zhuǎn)運(yùn)算包含以下步驟；確定旋轉(zhuǎn)角度φ，旋轉(zhuǎn)角度通過如下公式計(jì)算，<formula>formula see original document page 2</formula>其中，A、B、C為第4)步驟中求出的橢圓方程的系數(shù)，若B為0，則φ為0，不需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；若B不為0，將橢圓方程做如下變換<formula>formula see original document page 2</formula>得到旋轉(zhuǎn)后的橢圓方程。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種確定紅外熱像儀鏡頭平面與被測(cè)平面之間夾角的方法， 其特征在于第5)步驟中橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程形式為<formula>formula see original document page 2</formula>其中X' >y'為變換后的坐標(biāo)；U、ν為橢圓的中心；a、b分別為橢圓的長軸或短軸，由 a、b的長短決定哪個(gè)是長軸，由橢圓方程系數(shù)A、B、C、D、E、F及φ表示。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種確定紅外熱像儀鏡頭平面與被測(cè)平面之間夾角的方法， 其特征在于熱像儀鏡頭平面與被測(cè)平面的夾角α根據(jù)下式計(jì)算得到Cos α = a/b,當(dāng)a為短軸，b為長軸； Cosa =b/a，當(dāng)b為短軸， a為長軸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種確定紅外熱像儀鏡頭平面與被測(cè)平面之間夾角的方法。本發(fā)明主要原理是基于幾何光學(xué)。在鏡頭與規(guī)則圖形所在平面成角度測(cè)量時(shí)，規(guī)則圖形所成的像會(huì)發(fā)生形變。所成像的形變程度隨著測(cè)量角度的變化而變化。通過檢測(cè)像的形變程度確定熱像儀鏡頭平面與被測(cè)平面所成的測(cè)量角度。通過本發(fā)明使規(guī)則圖形圖靶附著在待測(cè)區(qū)域附近，用熱像儀進(jìn)行溫度測(cè)量并存儲(chǔ)下熱像，檢測(cè)熱像上規(guī)則圖形所成的像，得到規(guī)則圖形的像的形變程度，進(jìn)而得出熱像儀與被測(cè)平面間的角度關(guān)系，以便對(duì)熱像儀在一定角度上測(cè)量被測(cè)表面的情況進(jìn)行角度補(bǔ)償。測(cè)量時(shí)無需接觸被測(cè)物表面，并且與熱像儀測(cè)量溫度同時(shí)進(jìn)行，可以簡(jiǎn)單快速的確定熱像儀的測(cè)量角度。
文檔編號(hào)G01B11/26GK101825448SQ20101013673
公開日2010年9月8日 申請(qǐng)日期2010年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月30日
發(fā)明者吳娟, 孫堅(jiān), 富雅瓊, 杭慶彪, 鄭恩輝, 陳樂 申請(qǐng)人:中國計(jì)量學(xué)院