一种基于辐射高温的消减水雾对辐射干扰的校正方法

1.本发明涉及辐射高温测量领域，具体涉及一种基于辐射高温的消减水雾对辐射干扰的校正方法。


背景技术：

2.在辐射高温测量中，准确测取铸坯表面温度不仅是评价二冷制度合理与否的主要手段，还是优化拉坯速度、判断液相穴深度的重要判据之一，因此在连铸过程中亟待需要对铸坯表面温度及其温度梯度分布进行实时连续监测，以提高钢坯的质量和连铸生产率。在连铸过程中，从结晶器拉出的铸坯表面形成很薄的一个外壳，但其内部仍然为液态钢水，形成一个很长的液相穴，因此需要在二冷区继续冷却，才能使铸坯完全凝固。二冷区喷水冷却对铸机产量和铸坯质量都有很大影响。冷却强度不适合，会出现铸坯表面裂纹、内部裂纹、铸坯鼓肚、中心偏析和中心裂纹等缺陷。喷嘴喷出的水雾对红外辐射有着较强的衰减作用，从而干扰了红外相机对钢坯辐射温度的监测。这就需要一种能够去除图像水雾的方法。为此本发明将根据现场实际工作情况建立水雾状态模型，计算水雾对红外辐射的消光系数，从而得到校正因子。由接收到的红外辐射能量推算出钢坯原的红外辐射能量，从而得到对钢坯监测的去雾的图像，以此对冷却过程中的钢坯辐射温度进行更为精确的测量。


技术实现要素：

3.为了解决由ccd红外相机拍摄到的图像受水雾影响而产生的信息退化问题，本发明提供一种基于辐射高温的消减水雾对辐射干扰的校正方法。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于辐射高温的消减水雾对辐射干扰的校正方法，包括以下步骤：步骤一，计算水雾雾滴密度：由喷嘴喷出的雾滴半径不会有明显变化，但是雾滴浓度会随雾滴的空间位置变化而变化，通过高斯扩散函数来对雾滴密度进行计算；步骤二，求消光系数，由于由喷嘴产生的水雾常常服从正态分布，分布函数采用正态分布模型；消光系数计算为：；上式，为水雾雾滴密度；为消光系数；为半径；为雾滴半径的分布函数；为雾滴截面消光系数；正态分布函数的表达式为：；
上式，为半径；为雾滴半径的标准差；为雾滴的平均半径；exp为自然常数e为底的指数函数；雾滴截面消光系数计算方法如下:；上式，，为电磁波的波长；，为米氏系数，其与波长及雾滴半径有关；n为任意数值；re为雷诺数；步骤三，建立红外辐射受水雾衰减模型，利用朗伯比尔定律得到红外辐射衰减的校正因子，通过校正因子对得到的含雾红外辐射图像进行修正；其中，红外辐射受水雾衰减模型中，经过水雾区后，入射强度为的电磁波强度衰减为：；其中为消光系数；e为自然常数；为入射强度；为红外辐射经过水雾区域的距离。
5.作为本发明进一步的方案，在步骤一中，高斯扩散函数可以用于描述物质在空间中的扩散行为，其特点是：从扩散源开始，物质的浓度随着距离的增加而逐渐降低；扩散效应随着时间的增加而增强，但降低速度逐渐减缓。喷嘴喷出的水雾大致为圆锥形，利用高斯公式结合圆锥几何与密度公式，可以建立高斯正态型浓度与雾滴密度之间的关系：；上式为空间坐标中处水雾的雾滴密度；为空间坐标；为空间坐标中处的初始雾滴密度；为雾滴密度；为圆锥底面半径；为圆锥的高；为水雾释放速率；为释放水雾时喷嘴口的雾滴喷出平均速度；为水雾对红外辐射衰减的有效高度；和为y方向和z方向的大气扩散方差，与大气稳定度及地形参数有关。
6.作为本发明进一步的方案，在步骤三中，雾滴形状假设为圆球状，当红外辐射穿过水雾区时，水雾会引起红外辐射的衰减；其中散射是红外辐射能量衰减的主要原因；当红外辐射的波长等于或小于雾滴的直径时，这种衰减效果将会更加明显。
7.作为本发明进一步的方案，通过用高斯扩散模型进行计算可知，处于雾区不同位置上的水雾的消光系数也是不同的，为了精确计算水雾的红外辐射透过率，我们把雾区平均分成多个体积相同的长方体；在每个长方体的内部，水雾的雾滴密度等参数不再发生变化，而其水雾参数则由长方体中心点的水雾特性参数决定；因此，经过水雾区后，入
射强度为的电磁波强度衰减为： ；式中，为红外辐射所穿过的长方体个数；表示第个长方体方体内水雾的消光系数；表示在第个长方体内目标红外辐射穿过的距离；t为温度；则目标物的初始红外辐射为：；表示第个长方体方体内水雾的消光系数；表示在第个长方体内目标红外辐射穿过的距离；t为温度。
8.本发明的一种基于辐射高温的消减水雾对辐射干扰的校正方法的技术效果和优点：本发明对拍摄到的含雾图像进行去雾处理，通过高斯扩散函数来对雾滴密度进行计算，设计并求出消光截面和消光系数，进而分析红外辐射受水雾衰减模型，得到了电磁波强度衰减量，实验数据表明补偿后的实验数据已经能满足工业生产的需求，提高了工业生产的安全性。
附图说明
9.图1在水雾发射器开启前采集到黑体温度分别在900度、1000度、1100度时的辐射图像。
10.图2在水雾发射器开启后采集到黑体温度分别在900度、1000度、1100度时的辐射图像。
11.图3黑体温度分别在900度、1000度、1100度时复原出的去雾图像。
12.图4部分测温采样点数据对比。
具体实施方式
13.下面将结合本发明实施例中的附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
14.一种基于辐射高温的消减水雾对辐射干扰的校正方法，包括以下步骤：步骤一，计算水雾雾滴密度：由喷嘴喷出的雾滴半径不会有明显变化，但是雾滴浓度会随雾滴的空间位置变化而变化，通过高斯扩散函数来对雾滴密度进行计算；高斯扩散函数可以用于描述物质在空间中的扩散行为，其特点是：从扩散源开始，物质的浓度随着距离的增加而逐渐降低；扩散效应随着时间的增加而增强，但降低速度逐渐减缓。喷嘴喷出的水雾大致为圆锥形，利用高
斯公式结合圆锥几何与密度公式，可以建立高斯正态型浓度与雾滴密度之间的关系：；上式为空间坐标中处水雾的雾滴密度；为空间坐标；为空间坐标中处的初始雾滴密度；为雾滴密度；为圆锥底面半径；为圆锥的高；为水雾释放速率；为释放水雾时喷嘴口的雾滴喷出平均速度；为水雾对红外辐射衰减的有效高度；和为y方向和z方向的大气扩散方差，与大气稳定度及地形参数有关；步骤二，求消光系数，由于由喷嘴产生的水雾常常服从正态分布，分布函数采用正态分布模型；消光系数计算为：；上式，为水雾雾滴密度；为消光系数；为半径；为雾滴半径的分布函数；为雾滴截面消光系数；正态分布函数的表达式为：；上式，为半径；为雾滴半径的标准差；为雾滴的平均半径；exp为自然常数e为底的指数函数；雾滴截面消光系数计算方法如下：；上式，，为电磁波的波长；，为米氏系数，其与波长及雾滴半径有关；n为任意数值；re为雷诺数；步骤三，建立红外辐射受水雾衰减模型，利用朗伯比尔定律得到红外辐射衰减的校正因子,通过校正因子对得到的含雾红外辐射图像进行修正；其中，红外辐射受水雾衰减模型中，经过水雾区后，入射强度为的电磁波强度衰减为：；其中为消光系数；e为自然常数；为入射强度；为红外辐射经过水雾区域的距离。
15.通过用高斯扩散模型进行计算可知，处于雾区不同位置上的水雾的消光系数也是不同的，为了精确计算水雾的红外辐射透过率，我们把雾区平均分成多个体积相同的
长方体；在每个长方体的内部，水雾的雾滴密度等参数不再发生变化，而其水雾参数则由长方体中心点的水雾特性参数决定；因此，经过水雾区后，入射强度为的电磁波强度衰减为： ；式中，为红外辐射所穿过的长方体个数；表示第个长方体方体内水雾的消光系数；表示在第个长方体内目标红外辐射穿过的距离；t为温度；则目标物的初始红外辐射为：；表示第个长方体方体内水雾的消光系数；表示在第个长方体内目标红外辐射穿过的距离；t为温度。
16.在本实施例中，开启高温黑体炉后，在水雾发射器开启前后，分别采集高温黑体经过水雾区域后观测到的辐射图像，图1为在水雾发射器开启前采集到黑体温度分别在900度、1000度、1100度时的辐射图像；图2为在水雾发射器开启后采集到黑体温度分别在900度、1000度、1100度时的辐射图像。
17.由图2可以看出，红外辐射经过水雾区域后发生了很强的衰减作用，工业生产中这将会对数据造成较大影响，甚至会对工业生产造成安全隐患。
18.在本实施例中，实验环境为：红外辐射波长；雾滴平均半径；雾滴半径标准差取；雾滴密度取；水雾释放速率 ；释放水雾时喷嘴口的雾滴喷出平均速度 ；水雾对红外辐射衰减的有效高度。设雾区体积为；每个长方体体积为；仿真时光程分为段。
19.将以上数据代入式，可复原出去雾后的图像，如图3分别是在黑体温度分别在900度、1000度、1100度时复原出的去雾图像。
20.在本实施例中，为了进一步验证去雾效果，将得到的去雾图像导入测温系统，实验数据如图4所述。
21.在本实施例中，使用近红外非接触式测温仪测得的结果与黑体炉显示温度存在较大差异,但校正后的温度值与黑体炉显示温度基本一致,能够满足实际生产中的温度测量需求。
22.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
23.最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明
的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于辐射高温的消减水雾对辐射干扰的校正方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，计算水雾雾滴密度：由喷嘴喷出的雾滴半径不会有明显变化，但是雾滴浓度会随雾滴的空间位置变化而变化，通过高斯扩散函数来对雾滴密度进行计算；步骤二，求消光系数，由于由喷嘴产生的水雾常常服从正态分布，分布函数采用正态分布模型；消光系数计算为：；上式，为水雾雾滴密度；为消光系数；为半径；为雾滴半径的分布函数；为雾滴截面消光系数；正态分布函数的表达式为：；上式，为半径；为雾滴半径的标准差；为雾滴的平均半径；exp为自然常数e为底的指数函数；雾滴截面消光系数计算方法如下：；上式，，为电磁波的波长；，为米氏系数，其与波长及雾滴半径有关；n为任意数值；re为雷诺数；步骤三，建立红外辐射受水雾衰减模型，利用朗伯比尔定律得到红外辐射衰减的校正因子,通过校正因子对得到的含雾红外辐射图像进行修正；其中，红外辐射受水雾衰减模型中，经过水雾区后，入射强度为的电磁波强度衰减为：；其中为消光系数；e为自然常数；为入射强度；为红外辐射经过水雾区域的距离。2.根据权利要求1所述的一种基于辐射高温的消减水雾对辐射干扰的校正方法，其特征在于，在步骤一中，高斯扩散函数用于描述物质在空间中的扩散行为，从扩散源开始，物质的浓度随着距离的增加而逐渐降低；扩散效应随着时间的增加而增强，但降低速度逐渐减缓；喷嘴喷出的水雾为圆锥形，利用高斯公式结合圆锥几何与密度公式，建立高斯正态型浓度与雾滴密度之间的关系： ；
上式为空间坐标中处水雾的雾滴密度；为空间坐标；为空间坐标中处的初始雾滴密度；为雾滴密度；为圆锥底面半径；为圆锥的高；为水雾释放速率；为释放水雾时喷嘴口的雾滴喷出平均速度；为水雾对红外辐射衰减的有效高度；和为y方向和z方向的大气扩散方差，与大气稳定度及地形参数有关。3.根据权利要求1所述的一种基于辐射高温的消减水雾对辐射干扰的校正方法，其特征在于，在步骤三中，雾滴形状假设为圆球状，当红外辐射穿过水雾区时，水雾会引起红外辐射的衰减；当红外辐射的波长等于或小于雾滴的直径时，衰减效果更加明显。4.根据权利要求1所述的一种基于辐射高温的消减水雾对辐射干扰的校正方法，其特征在于，把雾区平均分成多个体积相同的长方体，经过水雾区后，入射强度为的电磁波强度衰减为： ；式中, 为红外辐射所穿过的长方体个数；为入射强度；表示第个长方体方体内水雾的消光系数；表示在第个长方体内目标红外辐射穿过的距离；t为温度。5.根据权利要求4所述的一种基于辐射高温的消减水雾对辐射干扰的校正方法，其特征在于，目标物的初始红外辐射为：；表示第个长方体方体内水雾的消光系数；表示在第个长方体内目标红外辐射穿过的距离；t为温度。

技术总结
本发明涉及辐射高温测量领域，具体公开了一种基于辐射高温的消减水雾对辐射干扰的校正方法，本发明通过计算水雾粒子的散射系数，消光系数并建立水雾模型；利用朗伯比尔定律得到红外辐射衰减的校正因子，利用得到的校正因子对得到的含雾红外辐射图像进行修正；在实验室环境中模拟了水雾环境，分析水雾对辐射高温的衰减特性。的衰减特性。的衰减特性。


技术研发人员：吴海滨 陈华涛
受保护的技术使用者：安徽大学
技术研发日：2023.09.01
技术公布日：2023/10/8