[发明专利]一种热分布图像在线预测方法

摘要

一种热分布图像在线预测方法，属于故障检测与诊断技术领域，其特征在于是一种基于红外成像技术，利用有限元分析手段，对数字图像处理、热力学理论和热成像模拟，在热源参数不确定的条件下，对热分布的变化进行热力学分析并给出预测，进而合成逼真热分布图像的方法，该方法充分利用热分布图像内部的热学动态特征在红外成像技术中得到广泛的应用,在温度监测预警领域，对温度变化的趋势进行预测，甚至通过热分布图中的动态数值特征定量的给出未来时域内的温度变化特性，那么温度预警时间会更进一步提前，为设备抢修争取宝贵的时间，生产安全受到更进一步的保障，为企业带来可观的经济效益，为国家解决发展做出一定贡献。

主权项

1.一种热分布图像在线预测方法，其特征在于是一种基于红外成像技术，利用有限元分析手段，对数字图像处理、热力学理论和热成像模拟，在热源参数不确定的条件下，对热分布的变化进行热力学分析并给出预测，进而合成逼真热分布图像的方法，该方法是对红外热图像中的信息进行动态特征提取、数值计算分析、拟合生成二维函数、构建三维特征数组、依系统输入时间参数对三维特征数组进行数值提取以合成热分布灰度图和模拟红外色彩还原，整个过程针对硬件性能进行自动适配以保证实时性，输出结果是未来时间区域内的标准热分布图像，通过计算机处理模拟热分布图像的运动过程，实现了对热分布图像在线预测，具体步骤为：（1）在热感目标前方安装一台红外热像仪，热像仪具有定时捕捉热图像并传输到计算机中心的功能，热像仪的安装位置以能够使热像仪成像的范围包括热感目标与靠近热感目标的周围空气环境为标准，热像仪对热感目标以ΔT为时间周期进行捕捉并传输到计算机中心上，若T₁时刻完成第一幅热图像采集，当T₂=T₁+ΔT时刻完成第二幅热图像采集，此时对2幅热图像抽样采集样点温度，抽样原则是在保证图像处理的实时性前提下，尽可能减少热图像中有效信息的损失，以确保最终由抽样点拟合出的预测热图像在细节上更细腻准确，此处采用隔c行隔r列的抽样原则，并对此抽样点集合进行计算处理；（2）由第一幅热图像抽样点的灰度值计算出温度值t_1i，其中i=0,1,2,…n，第二幅热图像采样点的灰度值计算出温度值t_2i,其中i=0,1,2,…n，取热图像中靠近热感目标的周围空气温度t_c，计算采样点的平均温度变化速率和计算采样点以热对流、热辐射、热传导三种形式吸收与损失的能量流速，计算每一个采样点与周围空气的热对流能量流速，使用牛顿热对流换热公式：q_c=h_c(t_s-t₀)，其中h_c是对流换热系数,t_s高温体表温度,t₀空气温度，这里h_c是已知常量，t₀即是热感目标周围空气温度t_c，t_s即是热感目标表面的点温度t_2i。将各参数带入公式可求得采样点与周围空气的热对流能量流速q_ci；接下来使用斯特藩-玻尔兹曼黑体热辐射定律：Mbλ(T)=C1λ5[exp(C2λT)-1]]]>公式中λ为辐射到环境中波的波长，C₁=2πhc²，c为光的传播速度，T为黑体绝对温度，σ为常数称为斯特藩-玻尔兹曼常数。对M_bλ(T)在全部波长区间积分得出一个采样点单位时间辐射到周围环境的热能量公式：Mb(T)=∫0∞Mbλ(T)dλ=∫0∞C1dλλ5[exp(C2λT)-1]=σT4]]>在具体实施时，还需要与热感目标的辐射系数作积，辐射系数可查表获得。将t_2i代入公式可以计算出每一个采样点通过热辐射的形式流失到周围环境的热能量流速M_bi。再通过比热容公式Q_吸=cmΔt计算出此点的温度升高所吸收的净能量值。最后依据能量守恒定律求出热感目标内部的热传导能量总流速q₀=q_吸+q_c+M_b。由于热感目标的导热率相对很大，此处在热感目标内部温度相对稳定的条件下，q值可以认为是恒值。依能量守恒定律有经过积分可以得到一个温度T_i与时间t的一个函数关系集合，因为T₂时刻每一个采样点的温度值是已经条件，将(T₂,t_2i)作为特解代入通解中最终计算出T₂时刻之后任一时间采样点的温度值。按照以上原理针对每一个采样点进行计算，在计算机中将各采样点的温度函数合成三维数组t[c][r][T],其表示的意义是c行r列的采样点在T=T₂+ΔT时刻的温度值。若令零，通过计算得出的t_2i就是各采样点在达到温度稳定状态时的温度值；由第一幅热图像抽样点的灰度值计算出温度值t_1i，其中i=0,1,2,…n。第二幅热图像采样点的灰度值计算出温度值t_2i,其中i=0,1,2,…n。取热图像中靠近热感目标的周围空气温度t_c。计算采样点的平均温度变化速率计算采样点以热对流、热辐射、热传导三种形式吸收与损失的能量流速：计算每一个采样点与周围空气的热对流能量流速，使用牛顿热对流换热公式：q_c=h_c(t_s-t₀)，其中h_c是对流换热系数,t_s高温体表温度,t₀空气温度。这里h_c是已知常量，t₀即是热感目标周围空气温度t_c，t_s即是热感目标表面的点温度t_2i。将各参数带入公式可求得采样点与周围空气的热对流能量流速q_ci；（3）接下来使用斯特藩-玻尔兹曼黑体热辐射定律：Mbλ(T)=C1λ5[exp(C2λT)-1]]]>公式中λ为辐射到环境中波的波长，C₁=2πhc²，c为光的传播速度，T为黑体绝对温度，σ为常数称为斯特藩-玻尔兹曼常数。对M_bλ(T)在全部波长区间积分得出一个采样点单位时间辐射到周围环境的热能量公式：Mb(T)=∫0∞Mbλ(T)dλ=∫0∞C1dλλ5[exp(C2λT)-1]=σT4]]>将t_2i代入公式可以计算出每一个采样点通过热辐射的形式流失到周围环境的热能量流速M_bi；（4）再通过比热容公式Q_吸=cmΔt计算出此点的温度升高所吸收的净能量值。最后依据能量守恒定律求出热感目标内部的热传导能量总流速q₀=q_吸+q_c+M_b，由于热感目标的导热率相对很大，此处在热感目标内部温度相对稳定的条件下，q值可以认为是恒值，依能量守恒定律有经过积分可以得到一个温度T_i与时间t的一个函数关系集合，因为T₂时刻每一个采样点的温度值是已经条件，将(T₂,t_2i)作为特解代入通解中最终计算出T₂时刻之后任一时间采样点的温度值，针对每一个采样点进行计算，在计算机中将各采样点的温度函数合成三维数组t[c][r][T],其表示的意义是c行r列的采样点在T=T₂+ΔT时刻的温度值，若令为零，通过计算得出的t_2i就是各采样点在达到温度稳定状态时的温度值；（5）关于提取任意时刻热感目标的热图像分布方法，将T确定条件下的所有t[c][r]数组项提取，通过重建平滑处理即得到一张表现T时刻的热分布灰度图，依热学图像的成像规则，对此灰度图进行模拟色彩还原最后合成一幅标准色彩的T时刻热感目标的热分布图像，再通过计算机实现模拟热分布图像的动态显示。