一种金属表面辐射光谱重建数据处理方法与流程

1.本发明涉及光谱重建数据处理的技术领域，尤其涉及一种金属表面辐射光谱重建数据处理方法。


背景技术：

2.在转炉、aod炉等的精炼熔融金属的炉中，熔融金属的温度被精度良好地连续测量，如把它作为操作信息，对于提高精炼效率、改善质量及提高操作上的成品率、诸单位消费资源的消减等，是极为有用的。连续地掌握熔融金属温度，将其控制为对每个钢种设定的温度推移图形，对于有效地进行精炼是很重要的。
3.而当前业界许多测温技术仍然停留在单点或有限多点测量阶段,如红外热像仪虽可以快速测得固体目标的温度分布图像,但是传统光纤光谱仪仅可单点或逐行测量有限点位的光谱以反演温度,这已难以满足当前实际需求，并且在对光谱数据进行采集处理过程中光谱分析由于样品大小、仪器背景及其他相关因素所导致基线倾斜以及漂移问题，且熔融金属存在干扰信息等导致光谱谱线产生重叠等现象，为此，我们提出一种金属表面辐射光谱重建数据处理方法来解决上述提出的问题。


技术实现要素：

4.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
5.鉴于上述现有金属表面辐射光谱重建数据处理方法存在的问题，提出了本发明。
6.因此，本发明目的是提供一种金属表面辐射光谱重建数据处理方法，其针利用光谱图像重建方法进行光谱重建并利用集成光谱相机测温模型实现温度反演；相比于当前多种温度场重建算法,本发明所提出的多光谱相机辐射测温方法能够在保证温度反演准确程度的前提下实现较高的稳定性,同时能较好地反映实际真实温度分布情况。
7.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种金属表面辐射光谱重建数据处理方法，包括以下步骤：
8.s1、首先对熔融金属表面温度进行光谱数据采集，运用到光谱芯片相机和光纤光谱仪，采集过程包括：通过对光路的调节实现采集过程中所有器件同轴同高，同时保证光谱相机探测点所在位置是熔融金属轴对称方向的对称轴，然后利用光谱相机对光谱数据进行热噪声减弱处理并对熔融金属进行拍摄抓取光谱图像，供计算机采集；
9.s2、随后对所采集的光谱数据进行预处理并提高测量精度；
10.s3、对所得到光谱数据进行背景与修正，采用光谱raw图像重建的方式实现光谱重建；
11.s4、再次利用光谱仪光纤探头进行光谱数据采集，并做温度反演，以验证光谱相机所反演温度的准确度并确定误差。
12.作为本发明所述金属表面辐射光谱重建数据处理方法的一种优选方案，其中：所述步骤s2中光谱数据预处理过程中采用导数算法对采集的光谱谱线的重叠现象进行处理：
[0013][0014][0015]
其中，si为所采集原始样本中对应光谱第i点的光谱值大小；si′
与si″
分别为对原光谱值的一阶导数及二阶导数；w为当前光谱谱区波长的宽度值。
[0016]
作为本发明所述金属表面辐射光谱重建数据处理方法的一种优选方案，其中：所述导数算法处理后进行多元散射校正过程，对所取得的各位置光谱进行平均化处理；随即将每个位置上的光谱数据与平均光谱进行一元线性回归操作以求得其回归系数及回归常数；再将各初始光谱回归常数做相减并除以其回归系数。
[0017]
作为本发明所述金属表面辐射光谱重建数据处理方法的一种优选方案，其中：所述步骤s3中光谱raw图像重建的方式包括：将领域采样点所包含的图像梯度相关参数扩展至光谱图像中未进行采样的点，设未被采样光谱图像点所在位置为b，其对应领域中所包含的采样点为a，基于将已知梯度信息由a点扩展至b点，对未采样点进行估计：
[0018][0019]
式中：fn(x)为当前函数表达式的n阶导数；rn(x)为拉格朗日型余项。
[0020]
作为本发明所述金属表面辐射光谱重建数据处理方法的一种优选方案，其中：所述二维光谱图像能够利用已被采样的光谱图像点的梯度相关信息进行图像重建，将a至b的方向向量定义为：
[0021][0022]
式中：|ab|表示a与b在当前二维空间中的距离值大小，由此能够得到其方向导数为：
[0023][0024]
能够根据方向导数及梯度在已知a的情况下对b进行估计：
[0025][0026]
根据已知采样点a来对其邻域中未采样点b进行重建，重建未被采样点b的过程表示为：
[0027][0028]
式中：ai∈ws为光谱图像中窗口ws内已采样点；为未采样点ai所在位置的二进制掩码且制掩码且为ai所在位置的核权重值；为从ai到b的贡献值，其中核权重表示为：
[0029][0030]
选取几何距离作为权重来进行计算。
[0031]
作为本发明所述金属表面辐射光谱重建数据处理方法的一种优选方案，其中：所述步骤s4中，针对待测熔融金属表面向外辐射能量，当其通过不同中心波长的滤光片后被捕捉形成图像信号，得到特定波长下的辐射信息并将所得信号传入计算机中经过标定和计算得出待测熔融金属表面的温度分布；与此同时利用光纤光谱仪直接测量熔融金属光谱，进行温度反演得到实际温度数据，验证光谱相机温度场重建方法的测温准确程度。
[0032]
本发明的有益效果：本发明针利用光谱图像重建方法进行光谱重建并利用集成光谱相机测温模型实现温度反演；相比于当前多种温度场重建算法,本发明所提出的多光谱相机辐射测温方法能够在保证温度反演准确程度的前提下实现较高的稳定性,同时能较好地反映实际真实温度分布情况。
附图说明
[0033]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0034]
图1为本发明金属表面辐射光谱重建数据处理方法的方法步骤结构示意图。
具体实施方式
[0035]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
[0036]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0037]
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0038]
再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0039]
参照图1，提供了一种金属表面辐射光谱重建数据处理方法，包括以下步骤：
[0040]
s1、首先对熔融金属表面温度进行光谱数据采集，运用到光谱芯片相机和光纤光谱仪，采集过程包括：通过对光路的调节实现采集过程中所有器件同轴同高，同时保证光谱相机探测点所在位置是熔融金属轴对称方向的对称轴，然后利用光谱相机对光谱数据进行热噪声减弱处理并对熔融金属进行拍摄抓取光谱图像，供计算机采集；
[0041]
s2、随后对所采集的光谱数据进行预处理并提高测量精度；
[0042]
s3、对所得到光谱数据进行背景与修正，采用光谱raw图像重建的方式实现光谱重建；
[0043]
s4、再次利用光谱仪光纤探头进行光谱数据采集，并做温度反演，以验证光谱相机所反演温度的准确度并确定误差。
[0044]
其中，所述步骤s2中光谱数据预处理过程中采用导数算法对采集的光谱谱线的重叠现象进行处理：
[0045][0046][0047]
其中，si为所采集原始样本中对应光谱第i点的光谱值大小；s
′i与s
″i分别为对原光谱值的一阶导数及二阶导数；w为当前光谱谱区波长的宽度值；
[0048]
其中，所述导数算法处理后进行多元散射校正过程，对所取得的各位置光谱进行平均化处理；随即将每个位置上的光谱数据与平均光谱进行一元线性回归操作以求得其回归系数及回归常数；再将各初始光谱回归常数做相减并除以其回归系数，
[0049]
进一步的，所述步骤s3中光谱raw图像重建的方式包括：将领域采样点所包含的图像梯度相关参数扩展至光谱图像中未进行采样的点，设未被采样光谱图像点所在位置为b，其对应领域中所包含的采样点为a，基于将已知梯度信息由a点扩展至b点，对未采样点进行估计：
[0050][0051]
式中：fn(x)为当前函数表达式的n阶导数；rn(x)为拉格朗日型余项，所述二维光谱图像能够利用已被采样的光谱图像点的梯度相关信息进行图像重建，将a至b的方向向量定义为：
[0052][0053]
式中：|ab|表示a与b在当前二维空间中的距离值大小，由此能够得到其方向导数为：
[0054][0055]
能够根据方向导数及梯度在已知a的情况下对b进行估计：
[0056][0057]
根据已知采样点a来对其邻域中未采样点b进行重建，重建未被采样点b的过程表示为：
[0058][0059]
式中：ai∈ws为光谱图像中窗口ws内已采样点；为未采样点ai所在位置的二进制掩码且制掩码且为ai所在位置的核权重值；为从ai到b的贡献值，其中核权重表示为：
[0060][0061]
选取几何距离作为权重来进行计算，
[0062]
其中，所述步骤s4中，针对待测熔融金属表面向外辐射能量，当其通过不同中心波长的滤光片后被捕捉形成图像信号，得到特定波长下的辐射信息并将所得信号传入计算机中经过标定和计算得出待测熔融金属表面的温度分布；与此同时利用光纤光谱仪直接测量熔融金属光谱，进行温度反演得到实际温度数据，验证光谱相机温度场重建方法的测温准确程度
[0063]
具体实施例：
[0064]
选取61.20、47.34、38.51和16.30mm这4个高度对应温度点来对多光谱条件下辐射温度测试进行多次实验对比，当高度为38.51mm时,火焰中心温度最高，从相对测温误差上来看，与光谱仪反演测温结果相比,本方法测得温度的误差总体上低于0.6％，本方案针利用光谱图像重建方法进行光谱重建并利用集成光谱相机测温模型实现温度反演；相比于当前多种温度场重建算法,本方案所提出的多光谱相机辐射测温方法能够在保证温度反演准确程度的前提下实现较高的稳定性,同时能较好地反映实际真实温度分布情况。
[0065]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种金属表面辐射光谱重建数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、首先对熔融金属表面温度进行光谱数据采集，运用到光谱芯片相机和光纤光谱仪，采集过程包括：通过对光路的调节实现采集过程中所有器件同轴同高，同时保证光谱相机探测点所在位置是熔融金属轴对称方向的对称轴，然后利用光谱相机对光谱数据进行热噪声减弱处理并对熔融金属进行拍摄抓取光谱图像，供计算机采集；s2、随后对所采集的光谱数据进行预处理并提高测量精度；s3、对所得到光谱数据进行背景与修正，采用光谱raw图像重建的方式实现光谱重建；s4、再次利用光谱仪光纤探头进行光谱数据采集，并做温度反演，以验证光谱相机所反演温度的准确度并确定误差。2.根据权利要求1所述的金属表面辐射光谱重建数据处理方法，其特征在于：所述步骤s2中光谱数据预处理过程中采用导数算法对采集的光谱谱线的重叠现象进行处理：s2中光谱数据预处理过程中采用导数算法对采集的光谱谱线的重叠现象进行处理：其中，s
i
为所采集原始样本中对应光谱第i点的光谱值大小；s
i
′
与s
i
″
分别为对原光谱值的一阶导数及二阶导数；w为当前光谱谱区波长的宽度值。3.根据权利要求2所述的金属表面辐射光谱重建数据处理方法，其特征在于：所述导数算法处理后进行多元散射校正过程，对所取得的各位置光谱进行平均化处理；随即将每个位置上的光谱数据与平均光谱进行一元线性回归操作以求得其回归系数及回归常数；再将各初始光谱回归常数做相减并除以其回归系数。4.根据权利要求1所述的金属表面辐射光谱重建数据处理方法，其特征在于：所述步骤s3中光谱raw图像重建的方式包括：将领域采样点所包含的图像梯度相关参数扩展至光谱图像中未进行采样的点，设未被采样光谱图像点所在位置为b，其对应领域中所包含的采样点为a，基于将已知梯度信息由a点扩展至b点，对未采样点进行估计：式中：f
n
(x)为当前函数表达式的n阶导数；r
n
(x)为拉格朗日型余项。5.根据权利要求4所述的金属表面辐射光谱重建数据处理方法，其特征在于：所述二维光谱图像能够利用已被采样的光谱图像点的梯度相关信息进行图像重建，将a至b的方向向量定义为：式中：|ab|表示a与b在当前二维空间中的距离值大小，由此能够得到其方向导数为：能够根据方向导数及梯度在已知a的情况下对b进行估计：
根据已知采样点a来对其邻域中未采样点b进行重建，重建未被采样点b的过程表示为：式中：a
i
∈w
s
为光谱图像中窗口w
s
内已采样点；为未采样点a
i
所在位置的二进制掩码且码且为a
i
所在位置的核权重值；为从a
i
到b的贡献值，其中核权重表示为：选取几何距离作为权重来进行计算。6.根据权利要求5所述的金属表面辐射光谱重建数据处理方法，其特征在于：所述步骤s4中，针对待测熔融金属表面向外辐射能量，当其通过不同中心波长的滤光片后被捕捉形成图像信号，得到特定波长下的辐射信息并将所得信号传入计算机中经过标定和计算得出待测熔融金属表面的温度分布；与此同时利用光纤光谱仪直接测量熔融金属光谱，进行温度反演得到实际温度数据，验证光谱相机温度场重建方法的测温准确程度。

技术总结
本发明公开了一种金属表面辐射光谱重建数据处理方法，包括以下步骤：首先对熔融金属表面温度进行光谱数据采集，运用到光谱芯片相机和光纤光谱仪，采集过程包括：通过对光路的调节实现采集过程中所有器件同轴同高，同时保证光谱相机探测点所在位置是熔融金属轴对称方向的对称轴，然后利用光谱相机对光谱数据进行热噪声减弱处理并对熔融金属进行拍摄抓取光谱图像，供计算机采集。本发明针利用光谱图像重建方法进行光谱重建并利用集成光谱相机测温模型实现温度反演；相比于当前多种温度场重建算法,本发明所提出的多光谱相机辐射测温方法能够在保证温度反演准确程度的前提下实现较高的稳定性,同时能较好地反映实际真实温度分布情况。度分布情况。度分布情况。


技术研发人员：冯鑫 李舒
受保护的技术使用者：南京市计量监督检测院
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/9/20