一种基于多传感器阵列的三维红外温度测量方法技术

本发明专利技术提出一种基于多传感器阵列的三维红外温度测量方法，本方法以红外热像仪、三维激光雷达形成多个传感器节点，利用红外与三维激光雷达的数据融合，建立具有温度信息的三维模型，在此基础上，利用多个节点的视场重叠与衔接，将多个携带温度信息的三维点云模型进行拼接融合，解决单红外传感器视场小、覆盖存在盲区的问题，可以逼真、完整地反映伪装评估对象的外观信息、温度信息和三维结构，快速实现伪装物在长时间过程中的温度分布及其动态变化的测量，更好地为红外伪装性能的评估提供数据支撑。据支撑。据支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多传感器阵列的三维红外温度测量方法


[0001]本专利技术涉及工程红外伪装技术，具体是一种基于多传感器阵列的三维红外温度测量方法。

技术介绍

[0002]输油管道、高温气体排放管道等垂直地埋热管道，可以有效遮蔽其可见光特征，具有一定的防护伪装能力。但直埋管道的热扩散会影响地面的温度均匀性，引起红外特征的暴露。为有效评估不同热红外伪装措施的效果，在理论模拟计算的基础上，应建立局部试验环境模拟野外环境，实际获取伪装物的三维温度实时数据，从而发现物体表面的高温异常点，快速验证伪装存在的短板，具有十分重要的工程应用价值。
[0003]热红外成像作为一种非接触式、图形化的测温技术，可以获得物体的二维平面温度，但由于视角单一、缺少三维信息，传统的热像仪测温方式不能适应红外伪装三维温度分析与可视化的需求。目前，随着三维重构技术的快速发展，使得采用组合传感器实现三维热成像重构成为可能。有学者利用机器人或无人机平台搭载激光雷达/深度相机等点云采集设备以及红外热像仪，通过平台运动连续采集数据实现热红外三维场景建模。而红外伪装评估需要长时间对伪装物进行大区域、无死角覆盖测温，平台运动的模式配准难度大、精度低、时效性慢，显然无法满足同一时刻对整个区域的长时间覆盖测温，因此，现有的三维红外测温技术在工程红外伪装领域无法应用。

技术实现思路

[0004]针对
技术介绍
中存在的问题，本专利技术的目的是提出一种基于多传感器阵列的三维红外温度测量方法，以解决现有技术中无法实现同时刻全视角的覆盖测量的问题，本方法以红外热像仪、三维激光雷达形成多个传感器节点，利用红外与三维激光雷达的数据融合，建立具有温度信息的三维模型，在此基础上，利用多个节点的视场重叠与衔接，将多个携带温度信息的三维点云模型进行拼接融合，解决单红外传感器视场小、覆盖存在盲区的问题，可以逼真、完整地反映伪装评估对象的外观信息、温度信息和三维结构，快速实现伪装物在长时间过程中的温度分布及其动态变化的测量，更好地为红外伪装性能的评估提供数据支撑。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种基于多传感器阵列的三维红外温度测量方法，具体包括如下步骤：
[0007]步骤S1：构建传感器节点，所述传感器节点由红外热像仪和三维激光雷达组成，红外热像仪用于采集被测伪装物的温度信息，三维激光雷达用于采集被测伪装物的三维点云信息；
[0008]步骤S2：对方形网格标定板进行加热，利用红外热像仪从不同角度对加热后的标定板进行拍摄，要求覆盖完整的标定板，通过内参标定程序进行红外热像仪内参标定；
[0009]步骤S3：对三维激光雷达与红外热像仪进行外参标定；首先，将含ArUco码图案的
方形金属板进行加热；然后，采用红外热像仪与三维激光雷达同时进行采集数据，利用2D
‑
3D点对配准求解两者之间的旋转与平移矩阵；
[0010]步骤S4：根据被测伪装物的大小，在试验区域适当高度固定安装传感器节点阵列，每个传感器节点的视场与相邻传感器节点的视场具有重叠的区域；
[0011]步骤S5：将步骤S2中使用的标定板置于相邻两个红外热像仪重叠的视场区域内，利用双目标定原理进行红外热像仪外参的交叉标定；
[0012]步骤S6：重复步骤S5，依次逐对实现所有相邻红外热像仪的外参交叉标定工作；直至完成整个多传感器节点阵列的标定；
[0013]步骤S7：将被测对象置于试验区，使用红外热像仪与三维激光雷达采集数据；
[0014]步骤S8：利用标定好的多传感器节点阵列，将步骤S7获取的点云数据与红外温度数据进行融合。
[0015]所述步骤S1中，构成同一传感器节点的红外热像仪和三维激光雷达固定连接。
[0016]所述步骤S2中，采用的内参标定板为定制的Hermann网格标定板，通过内参标定得到内参矩阵[f
x
,f
y
,γ,c
x
,c
y
]，其中,f
x
为x方向焦距,f
y
为y方向焦距，由于一般相机f
x
＝f
y
,为简单起见，用f
x
代表f
y
；γ为x,y不垂直时的扭曲系数；c
x
、c
y
光轴对于投影平面坐标中心的偏移量。
[0017]所述步骤S3中，采用的方形金属板采用碳钢板材料，表面做镀锌处理，然后在其左下角喷涂黑色哑光漆，形成ArUco码图案，以达到方形金属板表面具有不同红外发射率的目的；在金属板加热后，在红外热像仪图像中形成ArUco码热图，同时从三维激光雷达点云数据中标记方板3D角点；由于方板的尺寸以及ArUco码的物理位置是已知的，利用提取的2D
‑
3D特征点对，求解红外热像仪与三维三维激光雷达坐标系的旋转矩阵R与平移矩阵t，属于Perspective
‑
n
‑
Point问题，2D与3D特征点的转换关系如下：
[0018][0019]其中，u，v表示的是图像像素坐标(u，v)，x,y,z表示的是世界坐标系坐标(x，y，z)；P为3D
‑
2D的投影操作,表示取x，y分量；T表示从世界坐标系转为图像坐标系的转换矩阵，这里定义转换矩阵T＝[R t]；
[0020][0021]其中，r表示矩阵中的元素，下角标表示在元素基于0索引的在矩阵中的位置，第一个数为行号，第二数为列号，下同；
[0022]选择Lepetit2009年发表的“EPnP:Efficient Perspective
‑
n
‑
Point Camera Pose Estimation”论文中的EPnP方法进行求解，如下式，
[0023][0024]其中，argmin表示求得误差最小化时的R、t矩阵；表示3D点，表示2D点。
[0025]所述步骤S5中，双目标定原理为：设定相邻的两个红外热像仪分别为红外热像仪Ⅰ和红外热像仪Ⅱ，根据2D
‑
2D特征点对，求解红外热像仪Ⅰ和红外热像仪Ⅱ的单应性矩阵H，得到转换关系如下：
[0026][0027]其中，u1、v1表示的是红外热像仪Ⅰ的图像坐标(u1，v1)，u2、v2表示的是与其相邻的红外热像仪Ⅱ的图像坐标(u2，v2)，单应性矩阵H描述了两个相邻的红外热像仪的坐标变换关系。
[0028]6、所述步骤S8中，将步骤S7获取的点云数据与红外温度数据融合的具体方法为：
[0029]设定相邻的两个传感器节点分别为节点Ⅰ和节点Ⅱ，则节点Ⅰ包括红外热像仪Ⅰ和三维激光雷达Ⅰ，节点Ⅱ包括红外热像仪Ⅱ和三维激光雷达Ⅱ；
[0030]利用步骤S5与步骤S3中的标定参数，将相邻三维激光雷达的3D点云数据进行拼接，同时，将点云数据携带的温度数据投影到三维模型上，如下式：
[0031][0032]其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多传感器阵列的三维红外温度测量方法，其特征是：包括如下步骤：步骤S1：构建传感器节点，所述传感器节点由红外热像仪和三维激光雷达组成，红外热像仪用于采集被测伪装物的温度信息，三维激光雷达用于采集被测伪装物的三维点云信息；步骤S2：对方形网格标定板进行加热，利用红外热像仪从不同角度对加热后的标定板进行拍摄，要求覆盖完整的标定板，通过内参标定程序进行红外热像仪内参标定；步骤S3：对三维激光雷达与红外热像仪进行外参标定；首先，将含ArUco码图案的方形金属板进行加热；然后，采用红外热像仪与三维激光雷达同时进行采集数据，利用2D
‑
3D点对配准求解两者之间的旋转与平移矩阵；步骤S4：根据被测伪装物的大小，在试验区域适当高度固定安装传感器节点阵列，每个传感器节点的视场与相邻传感器节点的视场具有重叠的区域；步骤S5：将步骤S2中使用的标定板置于相邻两个红外热像仪重叠的视场区域内，利用双目标定原理进行红外热像仪外参的交叉标定；步骤S6：重复步骤S5，依次逐对实现所有相邻红外热像仪的外参交叉标定工作；直至完成整个多传感器节点阵列的标定；步骤S7：将被测对象置于试验区，使用红外热像仪与三维激光雷达采集数据；步骤S8：利用标定好的多传感器节点阵列，将步骤S7获取的点云数据与红外温度数据进行融合。2.根据权利要求1所述的一种基于多传感器阵列的三维红外温度测量方法，其特征是：所述步骤S1中，构成同一传感器节点的红外热像仪和三维激光雷达固定连接。3.根据权利要求1所述的一种基于多传感器阵列的三维红外温度测量方法，其特征是：所述步骤S2中，采用的内参标定板为定制的Hermann网格标定板，通过内参标定得到内参矩阵[f
x
,f
y
,γ,c
x
,c
y
]，其中,f
x
为x方向焦距,f
y
为y方向焦距，f
x
＝f
y
；γ为x,y不垂直时的扭曲系数；c
x
、c
y
为光轴对于投影平面坐标中心的偏移量。4.根据权利要求1所述的一种基于多传感器阵列的三维红外温度测量方法，其特征是：所述步骤S3中，外参标定的具体方法为：采用的方形金属板为碳钢板材料，表面做镀锌处理，其左下角喷涂黑色哑光漆，形...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏荣华，李玉鹏，王吉军，孙云厚，邓非凡，吴华杰，高琳，徐明新，崔远，曹移明，张璐，刘胜超，
申请(专利权)人：上海炬通实业有限公司，
类型：发明
国别省市：