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在微波冶金或食品加工过程中，常常需要对反应腔内的温度场分布进行实时检测。本研究以微波反应腔的温度分布检测为研究对象，通过红外传感器获取加热过程中的实时图像数据。对红外图像数据进行二维离散小波变换得到温度场的多尺度、多子带表征。通过隐马尔科夫树模型对小波系数跨尺度依赖性进行表征，迭代推理得到精细尺度六个区域的温度场分布，并计算得到L*和a*通道的平均亮度以及各个温度分布区域的大小。这项研究表明，微波加热过程中物料温度分布并不均匀，多尺度分割方法能够较好的识别三帧图像中不同的温度区域，这对于微波加热过程中物料表面温度高点和低点识别以及在线微波调控具有重要的应用价值。