CN109444134A - 基于光谱分析的熔池视觉最佳成像波段选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光谱分析的熔池视觉最佳成像波段选择方法，包括以下步骤：1)、依据相机的光谱响应，模拟不同黑体温度下，相机在不同波长下的响应强度，得到相机光谱图并进行归一化；用光谱仪采集焊接过程的熔池自身辐射光谱图，并将采集到的熔池自身辐射光谱图的相应强度归一化；2)、将不同的波长下的归一化的熔池自身辐射光谱图的相对强度与归一化的相机光谱图的相对强度做差，得到差值；3)、选择差值大于等于0.4的波段为熔池视觉最佳成像波段。本发明的基于光谱分析的熔池视觉最佳成像波段选择方法得到的熔池视觉最佳成像波段的电弧光较弱且相机光谱响应较强，且该成像波段较宽，可以有效提高熔池的辐射量。

Description

基于光谱分析的熔池视觉最佳成像波段选择方法

技术领域

本发明属于熔池视觉领域，涉及一种基于光谱分析的熔池视觉最佳成像波段选择方法。

背景技术

焊接是制造业的重要加工技术，随着现代工艺的不断发展，传统的焊接完再观察焊缝成型质量已不能满足制造业的需求。焊接实时智能监控变得越来越重要，已经成为人们研究的重点。可以通过视觉信息、声信息、电信息等了解熔池的焊接状态，而熔池视觉因其包含信息量多，已经成为焊接质量监控的主要研究方向。其中熔池图像的采集是熔池视觉处理的基础。

熔池视觉采集可分为主动式和被动式两种，其中主动视觉采集主要用外加强光源抑制电弧光的干扰，以熔池对该光源的反射光作为信号源。而被动视觉法主要利用熔池自身的辐射和熔池表面对弧光的反射光作为信号源，被动视觉法因其便捷和成本低等优势，已经成为现在熔池图像采集的主要方法。研究表明滤光片波段的选择会严重地影响熔池的成像质量。但是滤光片波段的选择更多的是基于实验效果的总结，没有给出***和科学的理论分析。不同研究者提出的视觉波段选择方法差异较大，没有理论统一；针对不同工艺、材料没有最佳熔池成像波段选择方法。

因此，需要一种新的熔池视觉最佳成像波段选择方法以解决上述问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种的基于光谱分析的熔池视觉最佳成像波段选择方法。

为了解决上述技术问题，本发明的基于光谱分析的熔池视觉最佳成像波段选择方法采用的技术方案如下。

一种基于光谱分析的熔池视觉最佳成像波段选择方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)、依据相机的光谱响应，模拟不同黑体温度下，相机在不同波长下的响应强度，得到相机光谱图并进行归一化；用光谱仪采集焊接过程的熔池自身辐射光谱图，并将采集到的熔池自身辐射光谱图的相应强度归一化，；

2)、将不同的波长下的归一化的熔池自身辐射光谱图的相对强度与归一化的相机光谱图的相对强度做差，得到差值；

3)、选择差值大于等于0.4的波段为熔池视觉最佳成像波段。

更进一步的，所述熔池视觉最佳成像波段为600～700nm波段和大于850nm 的波段。通过对电弧光谱和熔池自身辐射光谱分析可知，根据本方法选出最佳成像波段主要集中在600～700nm与850nm之后的波段。

更进一步的，所述熔池视觉最佳成像波段为660nm和850nm。本发明选取了图像灰度均值、信噪比、对比度、熵、清晰度5种经典的图像质量客观评价方法评价采集到的熔池图像。通过这些客观指标的评价可知，850nm高通和660nm带通采集的熔池图像各项参数较高，整体成像质量较好。

更进一步的，步骤1)中相机在不同波长下的对熔池自身辐射的响应强度通过下式计算得到：

C(λ)∝L(λ)·η(λ)

式中：C(λ)为相机在波长λ时，对熔池自身辐射的响应强度，L(λ)表示黑体光谱辐射度，η(λ)表示相机的光谱响应。

实际焊接过程中的熔池可以在一定程度上认为是黑体。在实验条件固定的情况下，假设目标的光谱反射(或辐射)系数每次实验变化不大，可以视为常数，光学***的通过率保持不变，也为常数，此时相机对熔池自身辐射的响应强度应与相机的光谱响应和黑体辐射度正相关。

有益效果：本发明的基于光谱分析的熔池视觉最佳成像波段选择方法得到的熔池视觉最佳成像波段的电弧光较弱且相机光谱响应较强，且该成像波段较宽，可以有效提高熔池的辐射量。

附图说明

图1黑体光谱辐射度曲线；

图2相机光谱响应曲线；

图3相机对熔池自身辐射的相对响应强度曲线；

图4光谱仪光谱响应曲线；

图5熄弧瞬间熔池的自身辐射光谱曲线；

图6接收到电弧光谱归一化曲线和接收到熔池自身辐射归一化曲线；

图7为焊接实验***的原理示意图；

图8为620低通波段基值时刻的熔池图像；

图9为660带通波段基值时刻的熔池图像；

图10为750带通波段基值时刻的熔池图像；

图11为810窄带波段基值时刻的熔池图像；

图12为850高通波段基值时刻的熔池图像；

图13为1050高通波段基值时刻的熔池图像。

具体实施方式

下文是举实施例配合附图方式进行详细说明，但所提供的实施例并非用以限制本发明所涵盖的范围，而结构运作的描述非用以限制其执行的顺序，任何由组件重新组合的结构，所产生具有均等功效的装置，皆为本发明所涵盖的范围。

本发明提出了一种选取熔池视觉最佳成像波段的选择方法：

一、熔池成像影响因素分析

拍摄熔池图像时，相机采集到的光信号由两部分构成,一是电弧、熔池自身热辐射发光,被相机直接接收；二是电弧光照射到熔池,熔池对其反射进入相机。如何提高熔池的信号源，同时抑制干扰源是提高熔池图像的关键。其本质是提高熔池图像的对比度，增大其信噪比。熔池图像的信噪比定性公式如下：

式中：——∑J金属特征谱总和

——∑F熔池对电弧反射总和

——∑Z熔池自身辐射总和

——∑Q保护气和杂质特征谱总和

——∑L电弧连续谱总和

当选取金属特征谱作为取像波段时，∑J很大，但∑L也会相应的增大，整体的熔池信噪比并不会提升。熔池对电弧光的反射大部分为镜面反射，需要合适的入射角度和表面曲率才能被相机所获取，所以∑F对信噪比的影响不大。因此提高熔池自身辐射，降低电弧光干扰，尽量避免气体和杂质的特征波段是提高熔池图像信噪比的主要手段。

1)、熔池热辐射特性

熔池中液态金属的热辐射直接影响了熔池视觉成像的质量。根据黑体辐射定律，任何热力学温度高于0K的物体都会向外发出热辐射，焊接熔池为高温液态金属，其辐射特性与黑体类似。根据普朗克辐射定律，单位时间内,单位波长范围内,黑体的单位表面积向半球空间发射的光谱辐射度为

式中：λ为辐射波长，T为绝对温度，c为光速(2.998×10^8m/s)，h为普朗克常数，6.626×10^-34J·S，K为玻尔兹曼常数(Boltzmann)，1.380*10^-23J/K。

纯铁的熔点为1538℃(1811K)，使用MATLAB对1700～2100K的黑体光谱辐射度进行仿真，结果如下图1所示

图中辐射能量最大的波长λ_m随温度的变化关系符合维恩定律

λ_mT＝2.8976*10^-3m*K (3)

从维恩定律可以看到熔池温度越高，λ_m越小。常用304不锈钢的熔点为 1398℃～1454℃(1700K左右)，不锈钢焊接熔池温度大概为1800～2500K，由公式3可以算出λ_m的变化范围为1610nm～1160nm，因此熔池自身辐射在普通可见光相机的响应波段(300～1100nm)随波段的增加而增加。

2)、相机的光谱响应

熔池图像的拍摄，需要相机在对应的取像窗口敏感。常用的可见光工业相机的光谱响应类似，在长波方向都是随着波长的增加而明显衰减，本文使用Basler acA1920-155um相机的相对光谱响应如图2所示。

从图中可以看出相机在520nm左右光谱响应率最大，在近红外波段的光谱响应率随波长的增加而急剧降低。

3)、熔池视觉最佳成像波段选择原理

成像***的成像过程是成像器件对景物的反射(或辐射)能通过光学***后，在其敏感光谱范围内积分的过程，可近似表示如下:

式中：B表示成像信号强度，L(λ)表示外界光谱辐射特性，ρ(λ)表示目标的光谱反射(或辐射)系数，τ(λ)表示光学***透过率，η(λ)表示成像器件的光谱响应，λ₁、λ₂表示成像器件敏感范围下、上限波长。

实际焊接过程中的熔池可以在一定程度上认为是黑体。在实验条件固定的情况下，假设公式4中ρ(λ)每次实验变化不大，可以视为常数，光学***的通过率τ(λ)保持不变，也为常数，此时相机对熔池自身辐射的响应强度应与相机的光谱响应和黑体辐射度正相关。可以表示为 C(λ)∝L(λ)·η(λ) (5)

式中：C(λ)为相机在波长λ时，对熔池自身辐射的响应强度，L(λ)表示黑体光谱辐射度，η(λ)表示相机的光谱响应。

使用MATLAB对1700～2100K的黑体进行仿真，本文使用的相机对熔池自身辐射的相对响应强度曲线如下图3所示

根据图3可以分析得到，在同一温度下，相机对熔池自身辐射的响应强度有一个峰值(800nm左右)，在500nm之前和1000nm之后，相机对熔池自身辐射的响应强度极小。因此在不考虑其他因素的情况下，为了增大相机的响应强度，应该加大滤光片的带宽。使用海洋光学USB2000+光纤光谱仪在熄弧瞬间获取熔池的自身辐射光谱。该光谱仪的光谱响应如图4所示。

采集的光谱归一化结果如图5所示。由于光谱仪未做光谱响应的校正，其光谱响应与所用相机的光谱响应接近，可近似认为该曲线为实际相机接收到的响应强度曲线，可以看出，图5曲线的变化趋势类似于图4的仿真结果，充分证明了上文提出理论的准确性。

在实际的不锈钢GMAW焊接过程中，除了熔池自身辐射之外主要是电弧光。这些光会对图像采集产生强烈的干扰，从而会影响采集到图像的质量，典型焊接情况下归一化的电弧光的光谱如图6中绿色曲线所示。为了降低电弧光的影响，应避开电弧光辐射较强的波段(300～600nm与700～840nm)。因此熔池视觉最佳成像波段选择依据为：应尽量选择电弧光较弱且相机光谱响应较强的波段作为最终图像采集的成像波段,且该成像波段应尽可能宽，从而提高熔池的辐射量。即图6中两条曲线相对强度差值较大的波段。主要集中在600～700nm与850nm之后的波段。

本发明的基于光谱分析的熔池视觉最佳成像波段选择方法，包括以下步骤：

步骤1，首先依据所使用的相机的光谱响应，模拟不同黑体温度下，相机在不同波段下的响应强度，如图3所示。使用海洋光学USB2000+光纤光谱仪在熄弧瞬间获取熔池的自身辐射光谱。采集的光谱归一化结果如图5所示，可以看出，图3曲线的变化趋势类似于图5的仿真结果，充分证明了仿真的准确性。

步骤2，用光谱仪采集焊接过程的光谱图。将采集到的光谱图的响应强度归一化，如图6所示。提高熔池自身辐射，同时抑制电弧光谱辐射是提高熔池图像信噪比和质量的关键。于是提出了熔池视觉最佳成像波段选择方法：选择电弧光较弱且相机光谱响应较强的波段作为最终图像采集的成像波段,且该成像波段应尽可能宽，从而提高熔池的辐射量。从图6可知，主要集中 600～700nm与850nm之后的波段。

步骤3，为了验证不同波段的滤光片对于相机采集熔池图像质量的影响。本文搭建了如图7所示的实验***。焊接电源为FRONIUS TPS4000，图像采集***包括BASLER的acA1920-155um相机、保护玻璃和滤光片。利用建立的GMAW焊接试验***，在304不锈钢平板上进行平板焊试验。焊接工艺为冷金属过渡复合脉冲焊接(Cold Metal Transfer PlusPulse，CMT+P)，由于熔池基值时刻和峰值时刻的图像质量相差较大，焊接电流的基值时刻电弧光干扰较小，图像质量较好。为了控制实验变量，提高实验对比性，本文相机曝光时间统一采用500us，且通过FPGA板检测焊接电流参数，控制相机采集基值时刻的熔池图像。本发明设计620nm低通、660nm带通、750nm带通、810nm 窄带、850nm高通、1050nm高通共6组对比实验，采集到的熔池图像如图8、 9、10、11、12和13所示。

步骤4，本发明从客观和主观两方面评价熔池图像，选取图像灰度均值、信噪比、对比度、熵、清晰度5种经典的图像质量客观评价方法。各组实验图像取100张，计算5种客观指标,其均值结果如表1所示，从表1可知，660nm 和850nm各项评价参数都较好，熔池图像整体质量较好。而620nm低通和 750nm带通虽然亮度、清晰度、对比度、熵等客观指标都较高，但是信噪比较低，存在强烈的电弧光干扰，不利于后续处理。810nm窄带清晰度和信噪比都较低，图像不清楚，且存在电弧特征谱干扰。1050nm高通，虽然熔池图像信噪比很高，但是亮度极低，不利于观察熔池的瞬态信息，造成熔池信息极少，对比度和清晰度极低。从图8、9、10、11、12和13中可以看出，850nm 高通采集的熔池图像质量最好，图像亮度高，熔池的流动纹理和焊丝及熔池轮廓清晰可见。并且没有电弧光的干扰，整体信噪比非常高，能够为之后的熔池视觉处理提供良好的原始图像。660nm带通采集到的熔池图像质量也比较好，由于带宽限制，图像亮度一般，但是依然能清晰的看见熔池的流动纹理和焊丝,并且没有弧光的干扰。而620nm低通熔池采集到的熔池图像的信噪比较低，电弧光干扰严重，熔池内部的流动细节较少，清晰度一般。750nm 带通和810nm窄带采集到的熔池图像质量较差，电弧光干扰严重，其中810nm 窄带半带宽较窄，熔池整体图像比较暗，由于750nm和810nm附近电弧特征谱较多，受激辐射较强，造成熔池轮廓和流动细节等有用信息基本被电弧光掩盖，熔池图像的信噪极低。而1050nm高通，虽然信噪比较高，但是相机的光谱响应率极低，固熔池图像非常暗，不适合作为熔池图像的采集波段。通过评价可知，660nm带通和850高通采集到的熔池图像清晰、纹理丰富、质量好。验证了本发明熔池视觉最佳成像波段选取方法的可行性。

表1熔池图像客观评价结果

Claims (4)

1.一种基于光谱分析的熔池视觉最佳成像波段选择方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)、依据相机的光谱响应，模拟不同黑体温度下相机在不同波长下的对熔池自身辐射的响应强度，得到相机光谱图并进行归一化；用光谱仪采集焊接过程的熔池自身辐射光谱图，并将采集到的熔池自身辐射光谱图的响应强度归一化，；

2)、将不同的波长下的归一化的熔池自身辐射光谱图的相对强度与归一化的相机光谱图的相对强度做差，得到差值；

3)、选择差值大于等于0.4的波段为熔池视觉最佳成像波段。

2.如权利要求1所述的基于光谱分析的熔池视觉最佳成像波段选择方法，其特征在于：所述熔池视觉最佳成像波段为600～700nm波段和大于850nm的波段。

3.如权利要求1所述的基于光谱分析的熔池视觉最佳成像波段选择方法，其特征在于，所述熔池视觉最佳成像波段为660nm和850nm。

4.如权利要求1所述的基于光谱分析的熔池视觉最佳成像波段选择方法，其特征在于，步骤1)中相机在不同波长下的对熔池自身辐射的响应强度通过下式计算得到：

C(λ)∝L(λ)·η(λ)

式中：C(λ)为相机在波长λ时，对熔池自身辐射的响应强度，L(λ)表示黑体光谱辐射度，η(λ)表示相机的光谱响应。