CN101476942B - 一种基于彩色ccd的辐射温度场测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于彩色CCD的温度场测量装置，包括：滤色片，具有两个单峰透过率响应特性，置于光学镜头前，以改变待测物体光学成像的光谱分布；光学镜头，将透过滤色片的待测物体辐射聚焦于彩色CCD面阵传感器的焦平面；彩色CCD面阵传感器，对光学镜头聚焦的待测物体辐射进行成像，获取红、绿、蓝三路光谱响应数据；数据采集分析单元，对三路光谱响应数据进行采集，并利用比色测温法进行温度场的计算。本发明还涉及一种对应的温度场测量方法。本发明的技术方案可以实现温度场测量，能够获取更为丰富的高温物体温度信息；且技术方案实现简单，集成系统的成本不高、性能稳定，在高温检测等工业生产领域易于推广应用。

Description

一种基于彩色CCD的辐射温度场测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光学测温技术，尤其涉及一种改进的基于彩色CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)的辐射温度场测量装置及方法。

背景技术

在石油化工、冶金、钢铁、水泥、玻璃等工业生产行业的高温检测领域，辐射测温仪器具有巨大的市场需求和广阔的应用空间。例如，冶金行业的高温炉膛内部温度测量与控制对于生产过程有着重要的作用。在这些典型的应用领域，传统的热电偶接触式测温手段，由于测量的局限性以及高成本的材料消耗，目前正在逐步被价格较低、性能稳定、低消耗使用、非接触式的光学测温设备所取代。光学测温设备的应用将成为高温测量的主流趋势，现有技术已有的应用与研究现状可概括如下：

1.基于单个彩色CCD传感器的光学测温仪器，内嵌的RGB彩色滤色阵列实现彩色复现，提供了红、绿、蓝三个颜色通道。

1.1直接利用三个颜色通道的波段响应，结合特定的发射率模型，进行温度场的测量计算(中国科学G辑，34(6)：639-647，2004)。应用中的局限性主要是：RGB滤色阵列三个颜色通道的波段响应是基于标准人眼的光谱三刺激值进行设计的，因此光谱响应特性是固定不变的，从而会限制仪器测温的应用，而无法自主选择合适的三个光谱波段或波长，以实现温度的优化测量。

1.2将三个通道的波段响应测量近似地处理为单色响应测量(中国电机工程学报，20(1)：70-72，2000；仪器仪表学报，24(6)：653-656，2003)，即颜色三基色的中心波长作为测量的三个有效波长，进而利用比色测温法，实现温度场的计算。实际上有效波长并非一个常量，随着测量物体的辐射光谱分布不同而不同，这种有效波长的简化处理方法，会给温度计算带来误差；其次，由于RGB滤色阵列是以彩色复现为目的，即便将波段测量简化为了波长测量，也无法从本质上改变已固化的颜色通道的光谱响应特性。

2.基于单个黑白CCD传感器的光学测温仪器，将2个具有不同单色波长的滤色片交替放置于CCD前，测量物体在两个波长下的相对辐射强度值，再根据比色法进行温度计算(IEEE TRANSACTIONSON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT，51(5)：990-995，2002)。这种方法应用时，虽然可以较灵活的选择所需要的波长，但需要在2个单色滤色片交替测量的时间段内物体温度场保持稳定，对于瞬态温度场测量这种要求往往难以满足，这是其应用的主要局限性。

概括而言，上述方法1利用了单个彩色CCD，可以同时获得多通道的辐射光谱信息，但只能实现固定光谱测量；而方法2采用了单个黑白CCD，通过滤色片可以较为灵活的选择相应的光谱/波长，但由于多通道信息不能同时获取，无法更好地应用于瞬态温度场测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于彩色CCD的辐射温度场测量装置及方法，以克服现有技术中基于单个黑白CCD或彩色CCD温度场测量方法应用的局限性。

为了达到上述目的，本发明的技术方案提出一种基于彩色CCD的温度场测量装置，该装置包括：滤色片、光学镜头、彩色CCD面阵传感器及数据采集分析单元，

所述滤色片，具有两个单峰透过率响应特性，置于光学镜头前，以改变待测物体光学成像的光谱分布；

所述光学镜头，将透过所述滤色片的待测物体辐射聚焦于彩色CCD面阵传感器的焦平面；

所述彩色CCD面阵传感器，对所述光学镜头聚焦的待测物体辐射进行成像，获取红、绿、蓝三路光谱响应数据；

所述数据采集分析单元，对所述三路光谱响应数据进行采集，并利用比色测温法进行温度场的计算。

上述的温度场测量装置中，所述数据采集分析单元利用比色测温法进行温度场计算是根据以下步骤完成：

所述待测物体的辐射通过滤色片、光学镜头后，由彩色CCD面阵传感器输出的辐射测量信号为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_R^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{\min }}^{{\mathrm{\λ}}_{\max }}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\·s_R\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ}\\ V_G^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{\min }}^{{\mathrm{\λ}}_{\max }}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\·s_G\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ}\\ V_B^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{\min }}^{{\mathrm{\λ}}_{\max }}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\·s_B\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，上角标(i，j)表示传感器成像焦平面上任一点的坐标；V_R ^i，j、V_G ^i，j、V_B ^i，j分别表示所述彩色CCD面阵传感器红、绿、蓝三个颜色通道的相对辐射强度输出值；Φ^i，j为所述彩色CCD面阵传感器测量的非光谱因子；λ_min～λ_max为所述彩色CCD面阵传感器的波长响应区间范围；τ(λ)为滤色片的光谱透过率函数；s_R(λ)、s_G(λ)、s_B(λ)为所述光学镜头与彩色CCD面阵传感器两者综合的三通道颜色光谱响应函数；I_b，λ(T^i，j )为与物体相同温度T^i,j下的黑体光谱功率分布函数；ε_λ(T^i，j )为物体的光谱发射率函数；

由于滤色片的光谱透过率函数τ(λ)将彩色CCD面阵传感器原有的三通道颜色光谱响应s_R(λ)、s_G(λ)、s_B(λ)改变为新的三通道光谱响应τ(λ)s_R(λ)、τ(λ)s_G(λ)、τ(λ)s_B(λ)；

令F_R，λ＝τ(λ)s_R(λ)，F_G，λ＝τ(λ)s_G(λ)，F_B，λ＝τ(λ)s_B(λ)，并设所述滤色片在CCD波段响应区间内具有两个不同的单峰中心波长λ₁、λ₂，波长半宽度为Δλ₁、Δλ₂，则将式(1)改写为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_R^{i,j}\≈{\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·[\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\·F_{R,{\mathrm{\λ}}_1}\·{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2\·F_{{R,\mathrm{\λ}}_2}\·{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right)]\\ V_G^{i,j}\≈{\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·[\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\·F_{G,{\mathrm{\λ}}_1}\·{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2\·F_{G,{\mathrm{\λ}}_2}\·{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right)]\\ V_B^{i,j}\≈{\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·[\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\·F_{B,{\mathrm{\λ}}_1}\·{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2\·F_{B,{\mathrm{\λ}}_2}\·{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right)]\end{array}\right.---\left(2\right)$

假定所述待测物体在两个波长λ₁、λ₂的光谱发射率函数相等，有 ${\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)\≈{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right),$ 对式(2)的任意两路非零信号进行比值处理可得比色测温方程，例如选取红(R)、绿(G)两路信号：

$\frac{V_R^{i,j}}{V_G^{i,j}}\≈\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\·F_{R,{\mathrm{\λ}}_1}\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2\·F_{R,{\mathrm{\λ}}_2}\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right)}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\·F_{G,{\mathrm{\λ}}_1}\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2\·F_{G,{\mathrm{\λ}}_2}\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right)}---\left(3\right)$

由于式(3)的右边可视为仅有一个未知量T^i，j，从而其求解是封闭的，因此最后可以根据V_R ^i，j/V_G ^i，j的比值利用式(3)确定温度T^i，j。

上述的温度场测量装置中，所述待测物体为温度范围为1000K～3000K的具有连续辐射特性的高温物体。

上述的温度场测量装置中，所述彩色CCD面阵传感器的波长响应区间范围为380nm～700nm。

本发明的技术方案还提出一种应用如上所述装置的基于彩色CCD的辐射温度场测量方法，该方法包括以下步骤：

利用彩色CCD面阵传感器对透过所述滤色片、光学镜头的待测物体辐射进行成像，获取红、绿、蓝三路光谱响应数据；

利用所述数据采集分析单元对三路光谱响应数据进行采集，并根据比色测温法进行温度场的计算。

上述的温度场测量方法中，所述根据比色测温法进行温度场计算是根据以下步骤完成：

所述待测物体的辐射通过滤色片、光学镜头后，由彩色CCD面阵传感器输出的辐射测量信号为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_R^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{\min }}^{{\mathrm{\λ}}_{\max }}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\·s_R\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ}\\ V_G^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{\min }}^{{\mathrm{\λ}}_{\max }}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\·s_G\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ}\\ V_B^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{\min }}^{{\mathrm{\λ}}_{\max }}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\·s_B\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，上角标(i，j)表示传感器成像焦平面上任一点的坐标；V_R ^i，j、V_G ^i，j、V_B ^i，j分别表示所述彩色CCD面阵传感器红、绿、蓝三个颜色通道的相对辐射强度输出值；Φ^i，j为所述彩色CCD面阵传感器测量的非光谱因子；λ_min～λ_max为所述彩色CCD面阵传感器的波长响应区间范围；τ(λ)为滤色片的光谱透过率函数；s_R(λ)、s_G(λ)、s_B(λ)为所述光学镜头与彩色CCD面阵传感器两者综合的三通道颜色光谱响应函数；I_b，λ(T^i，j)为与物体相同温度T^i，j下的黑体光谱功率分布函数；ε_λ(T^i，j)为物体的光谱发射率函数；

由于滤色片的光谱透过率函数τ(λ)将彩色CCD面阵传感器原有的三通道颜色光谱响应s_R(λ)、s_G(λ)、s_B(λ)改变为新的三通道光谱响应τ(λ)s_R(λ)、τ(λ)s_G(λ)、τ(λ)s_B(λ)；

令F_R，λ＝τ(λ)s_R(λ)，F_G，λ＝τ(λ)s_G(λ)，F_B，λ＝τ(λ)s_B(λ)，并设所述滤色片在CCD波段响应区间内具有两个不同的单峰中心波长λ₁、λ₂，波长半宽度为Δλ₁、Δλ₂，则将式(1)改写为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_R^{i,j}\≈{\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·[\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\·F_{R,{\mathrm{\λ}}_1}\·{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2\·F_{{R,\mathrm{\λ}}_2}\·{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right)]\\ V_G^{i,j}\≈{\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·[\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\·F_{G,{\mathrm{\λ}}_1}\·{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2\·F_{G,{\mathrm{\λ}}_2}\·{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right)]\\ V_B^{i,j}\≈{\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·[\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\·F_{B,{\mathrm{\λ}}_1}\·{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2\·F_{B,{\mathrm{\λ}}_2}\·{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right)]\end{array}\right.---\left(2\right)$

假定所述待测物体在两个波长λ₁、λ₂的光谱发射率函数相等，有 ${\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)\≈{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right),$ 对式(2)的任意两路非零信号进行比值处理可得比色测温方程，例如选取红(R)、绿(G)两路信号：

$\frac{V_R^{i,j}}{V_G^{i,j}}\≈\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\·F_{R,{\mathrm{\λ}}_1}\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2\·F_{R,{\mathrm{\λ}}_2}\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right)}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\·F_{G,{\mathrm{\λ}}_1}\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2\·F_{G,{\mathrm{\λ}}_2}\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right)}---\left(3\right)$

最后根据V_R ^i，j/V_G ^i，j的比值利用式(3)确定温度T^i，j。

上述的温度场测量方法中，所述待测物体为温度范围为1000K～3000K的具有连续辐射特性的高温物体。

上述的温度场测量方法中，所述彩色CCD面阵传感器的波长响应区间范围为380nm～700nm。

本发明的技术方案可以实现温度场测量，能够获取更为丰富的高温物体温度信息；其在测量时利用了具有特定光谱分布滤色片的处理手段，可以较为灵活地改变彩色CCD测量时固定的光谱响应特性，同时获取多路不同光谱的测量信号，以更好地满足温度优化测量等多方面的要求；该技术方案在测量时无需交替使用多个滤色片，可以更好地适用于高温瞬态温度场测量；且技术方案实现简单，集成系统的成本不高、性能稳定，在高温检测等工业生产领域易于推广应用。

附图说明

图1为本发明基于彩色CCD的辐射温度场测量装置实施例图；

图2为本发明实施例中滤色片的光谱透过率示意图；

图3为本发明实施例中光学镜头和彩色CCD合成的三通道光谱透过率示意图；

图4为本发明实施例中滤色片、光学镜头和彩色CCD合成的三通道光谱透过率示意图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1为本发明基于彩色CCD的辐射温度场测量装置实施例图，如图所示，本实施例的装置包括：滤色片11、光学镜头12、彩色CCD面阵传感器13及数据采集分析单元14。其中，滤色片11具有两个单峰透过率响应特性，其置于光学镜头前，用于改变待测物体光学成像的光谱分布，所述的两个单峰透过率响应可具有不同的单峰中心波长、半宽度、峰值等。光学镜头12将透过滤色片11的待测物体辐射聚焦于彩色CCD面阵传感器13的焦平面，其可设计为定焦距或是变焦距的镜头。彩色CCD面阵传感器13，对光学镜头12聚焦的待测物体辐射进行成像，获取红、绿、蓝三路光谱响应数据，其波长响应区间为λ_min～λ_max(本实施例取一般值：380nm～700nm)。数据采集分析单元14对三路光谱响应数据进行采集，并利用比色测温法进行温度场的计算。

上述实施例中，彩色CCD面阵传感器13的三通道颜色光谱响应，是以彩色复现为目的，其具体函数形式设计以标准人眼颜色感知特性为基础，不同厂家的彩色CCD传感器，由于技术工艺的差别，其颜色光谱响应曲线会略有不同，所以彩色复现的效果也会略有不同。在成像过程中，滤色片11的光谱响应与彩色CCD面阵传感器13的颜色光谱响应综合作用，将获得不同于原有彩色CCD颜色响应的三通道数据，以实现改变多通道测量光谱的目的。彩色CCD面阵传感器13输出彩色图像，其红(R)、绿(G)、蓝(B)三个通道的量化数值即代表了三个测量信号的大小，反映了三个不同光谱信号的相对辐射强度信息。而数据采集分析单元14用于实现温度场计算反演的比色测温原理为本领域中一种常用的辐射测温原理，其是通过两个不同光谱波段/波长测量信号的比值，消除发射率未知性、测量几何因素等影响，进而求得温度。

上述实施例提及的待测物体则是指温度范围在1000K～3000K之间的具有连续辐射特性的高温物体，其在CCD传感器的波段响应区间内的自发辐射强度要远远大于背景环境反射辐射强度的干扰，使得CCD传感器获得的测量信号能够直接定量反映高温物体自发辐射强度的大小。

继续参考图1所示，应用上述本发明双CCD温度场测量装置的一个测量方法具体实施例如下所述。

1).高温物体1 0的辐射通过滤色片11、光学镜头12，聚焦成像于彩色CCD面阵传感器13的焦平面上，彩色CCD面阵传感器13输出三路测量信号至数据采集分析单元14。

2).滤色片11的光谱透过率特性表现为：在380nm～700nm波段范围内，滤色片具有两个单峰透过率响应，两个单峰透过率响应可具有不同的单峰中心波长、半宽度、峰值等。滤色片的光谱透过率函数用变量τ(λ)表示，在本实施例中，透过率函数的两个单峰的中心波长分别取为560nm和640nm，半宽度5nm，峰值透过率70％，如图2所示。

3).采用某一型号的光学镜头12和彩色CCD面阵传感器13，光学成像时，两者综合的三通道颜色光谱响应函数为s_R(λ)、s_G(λ)、s_B(λ)，该数据可由厂家提供，或者通过光谱测量实验予以标定；三通道颜色光谱响应函数，也称之为三通道光谱透过率，具体分布曲线如图3所示。

4).数据采集分析单元14对彩色CCD面阵传感器13的图像输出信号进行采集、传输、处理，基于比色测温原理实现温度场的计算反演，具体过程如下：

待测物体的辐射通过滤色片、光学镜头后，由彩色CCD面阵传感器输出的辐射测量信号为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_R^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·{\∫}_{380\mathrm{nm}}^{700\mathrm{nm}}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\·s_R\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ}\\ V_G^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·{\∫}_{380\mathrm{nm}}^{700\mathrm{nm}}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\·s_G\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ}\\ V_B^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·{\∫}_{380\mathrm{nm}}^{700\mathrm{nm}}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\·s_B\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，上角标(i，j)表示传感器成像焦平面上任一点的坐标；V_R ^i，j、V_G ^i，j、V_B ^i，j分别表示所述彩色CCD面阵传感器红、绿、蓝三个颜色通道的相对辐射强度输出值；Φ^i，j为所述彩色CCD面阵传感器测量的非光谱因子，与成像距离、角度、光电转换系数以及棱镜分光系数等因素相关；τ(λ)为滤色片的光谱透过率函数(图2)；s_R(λ)、s_G(λ)、s_B(λ)为所述光学镜头与彩色CCD面阵传感器两者综合的三通道颜色光谱响应函数(图3)；I_b，λ(T^i，j)为与物体相同温度T^i，j下的黑体光谱功率分布函数；ε_λ(T^i，j)为物体的光谱发射率函数；

由于滤色片的光谱透过率函数τ (λ)改变了原有的CCD三个颜色通道的信号输出，即原有的三通道颜色光谱响应s_R(λ)、s_G(λ)、s_B(λ)改变为新的三通道光谱响应τ(λ)s_R(λ)、τ(λ)s_G(λ)、τ(λ)s_B(λ)，如图4所示。

令F_R，λ＝τ(λ)s_R(λ)，F_G，λ＝τ(λ)s_G(λ)，F_B，λ＝τ(λ)s_B(λ)，图4所示的新的三通道光谱响应F_R，λ、F_G，λ、F_B，λ表现特性如下：R通道光谱响应为近似的单色响应，中心波长640nm；G通道光谱响应为近似的单色响应，中心波长560nm；B通道光谱响应近似趋于0，可忽略。因此，基于图1～图3，式(1)改写为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_R^{i,j}\≈{\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·5\·[F_{R,560\mathrm{nm}}\·{\mathrm{\ϵ}}_{560\mathrm{nm}}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,560\mathrm{nm}}\left(T^{i,j}\right)+F_{R,640\mathrm{nm}}\·{\mathrm{\ϵ}}_{640\mathrm{nm}}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,640\mathrm{nm}}\left(T^{i,j}\right)]\\ \≈{\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·5\·F_{R,640\mathrm{nm}}\·{\mathrm{\ϵ}}_{640\mathrm{nm}}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,640\mathrm{nm}}\left(T^{i,j}\right)\\ V_G^{i,j}\≈{\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·5\·[F_{G,560\mathrm{nm}}\·{\mathrm{\ϵ}}_{560\mathrm{nm}}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,560\mathrm{nm}}\left(T^{i,j}\right)+F_{G,640\mathrm{nm}}\·{\mathrm{\ϵ}}_{640\mathrm{nm}}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,640\mathrm{nm}}\left(T^{\mathrm{ij}}\right)\\ \≈{\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·5\·F_{G,560\mathrm{nm}}\·{\mathrm{\ϵ}}_{560\mathrm{nm}}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,560\mathrm{nm}}\left(T^{i,j}\right)\\ V_B^{i,j}\≈0\end{array}\right.---\left(4\right)$

比色测温原理为一种常用的辐射测温原理，假定实际物体在两个波长或窄波段内的发射率相等，依据两个波长/波段测量信号的比值，进行温度求解。当两个波长越接近，则发射率相等的假定越合理。对于灰体而言，发射率相等的假定自动满足。因此，对于具有连续辐射的大多数高温物体，有ε_560nm(T^i，j)≈ε_640nm(T^i，j)，式(4)的红(R)、绿(G)两路信号进行比值处理，可得：

$\frac{V_R^{i,j}}{V_G^{i,j}}\≈\frac{F_{R,640\mathrm{nm}}\·I_{b,640\mathrm{nm}}\left(T^{i,j}\right)}{F_{G,560\mathrm{nm}}\·I_{b,560\mathrm{nm}}\left(T^{i,j}\right)}---\left(5\right)$

式(5)中，消除了发射率、测量几何量等诸多影响因素，依据式(5)，通过测量信号的比值V_R ^i，j/V_G ^i，j可以唯一确定温度T^i，j。

综上所述，本发明基于彩色CCD的辐射温度场测量技术，具有以下优点：

a、与现有技术的非成像单点辐射测温方法相比，本发明将点测量扩展到了二维场测量，获得了更为丰富的高温物体温度信息；

b、与现有技术的单个彩色CCD成像式温度场测量方法相比，本发明在测量时利用了具有特定光谱分布滤色片的处理手段，可以较为灵活地改变彩色CCD测量时固定的光谱响应特性，同时获取多路不同光谱的测量信号，以更好地满足温度优化测量等多方面的要求；

c、与现有技术中基于单个黑白CCD与单色滤色片的成像式温度场测量方法相比，本发明在测量时无需交替使用多个滤色片，可以更好地适用于高温瞬态温度场测量；

d、本发明的技术方案以单个彩色CCD和滤色片为核心，实现较为简单，在高温检测等工业生产领域易于推广应用。

以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见地想到一些雷同、替代方案，均应落入本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种基于彩色CCD的温度场测量装置，其特征在于，该装置包括：滤色片、光学镜头、彩色CCD面阵传感器及数据采集分析单元，

所述滤色片，具有两个单峰透过率响应特性，置于光学镜头前，以改变待测物体光学成像的光谱分布；

所述光学镜头，将透过所述滤色片的待测物体辐射聚焦于彩色CCD面阵传感器的焦平面；

所述彩色CCD面阵传感器，对所述光学镜头聚焦的待测物体辐射进行成像，获取红、绿、蓝三路光谱响应数据；

所述数据采集分析单元，对所述三路光谱响应数据进行采集，并利用比色测温法进行温度场的计算；

所述数据采集分析单元利用比色测温法进行温度场计算是根据以下步骤完成：

所述待测物体的辐射通过滤色片、光学镜头后，由彩色CCD面阵传感器输出的辐射测量信号为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_R^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{\min }}^{{\mathrm{\λ}}_{\max }}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\·s_R\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ}\\ V_G^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{\min }}^{{\mathrm{\λ}}_{\max }}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\·s_G\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ}\\ V_B^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{\min }}^{{\mathrm{\λ}}_{\max }}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\·s_B\left(\mathrm{\λ}\right)\·{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)I}_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，上角标(i，j)表示传感器成像焦平面上任一点的坐标；V_R ^i，j、V_G ^i，j、V_B ^i，j分别表示所述彩色CCD面阵传感器红、绿、蓝三个颜色通道的相对辐射强度输出值；Φ^i，j为所述彩色CCD面阵传感器测量的非光谱因子；λ_min～λ_max为所述彩色CCD面阵传感器的波长响应区间范围；τ(λ)为滤色片的光谱透过率函数；s_R(λ)、s_G(λ)、s_B(λ)为所述光学镜头与彩色CCD面阵传感器两者综合的三通道颜色光谱响应函数；I_b，λ(T^i，j)为与物体相同温度T^i，j下的黑体光谱功率分布函数；

ε_λ(T^t，j)为物体的光谱发射率函数；

由于滤色片的光谱透过率函数τ(λ)将彩色CCD面阵传感器原有的三通道颜色光谱响应s_R(λ)、s_G(λ)、s_B(λ)改变为新的三通道光谱响应τ(λ)s_R(λ)、τ(λ)s_G(λ)、τ(λ)s_B(λ)；

令F_R，λ＝τ(λ)s_R(λ)，F_G，λ＝τ(λ)s_G(λ)，F_B，λ＝τ(λ)s_B(λ)，并设所述滤色片在CCD波段响应区间内具有两个不同的单峰中心波长λ₁、λ₂，波长半宽度为Δλ₁、Δλ₂，则将式(1)改写为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_R^{i,j}\≈{\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·[\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\·F_{R,{\mathrm{\λ}}_1}\·{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2\·F_{R,{\mathrm{\λ}}_2}\·{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right)]\\ V_G^{i,j}\≈{\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·[\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\·F_{G,{\mathrm{\λ}}_1}\·{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2\·F_{G,{\mathrm{\λ}}_2}\·{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right)]\\ V_B^{i,j}\≈{\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·[\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\·F_{B,{\mathrm{\λ}}_1}\·{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2\·F_{B,{\mathrm{\λ}}_2}\·{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right)]\end{array}\right.---\left(2\right)$

假定所述待测物体在两个波长λ₁、λ₂的光谱发射率函数相等，有 ${\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)\≈{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right),$ 对式(2)的任意两路非零信号进行比值处理最终确定温度T^i，j。

2.如权利要求1所述的温度场测量装置，其特征在于，所述待测物体为温度范围为1000K～3000K的具有连续辐射特性的高温物体。

3.如权利要求1或2所述的温度场测量装置，其特征在于，所述彩色CCD面阵传感器的波长响应区间范围为380nm～700nm。

4.一种应用如权利要求1所述装置的基于彩色CCD的辐射温度场测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

利用彩色CCD面阵传感器对透过所述滤色片、光学镜头的待测物体辐射进行成像，获取红、绿、蓝三路光谱响应数据；

利用所述数据采集分析单元对三路光谱响应数据进行采集，并根据比色测温法进行温度场的计算；

所述根据比色测温法进行温度场计算是根据以下步骤完成：

所述待测物体的辐射通过滤色片、光学镜头后，由彩色CCD面阵传感器输出的辐射测量信号为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_R^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{\min }}^{{\mathrm{\λ}}_{\max }}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\·s_R\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ}\\ V_G^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{\min }}^{{\mathrm{\λ}}_{\max }}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\·s_G\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ}\\ V_B^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{\min }}^{{\mathrm{\λ}}_{\max }}\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\λ}\right)\·s_B\left(\mathrm{\λ}\right)\·{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)I}_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，上角标(i，j)表示传感器成像焦平面上任一点的坐标；V_R ^i，j、V_G ^i，j、V_B ^i，j分别表示所述彩色CCD面阵传感器红、绿、蓝三个颜色通道的相对辐射强度输出值；Φ^i，j为所述彩色CCD面阵传感器测量的非光谱因子；λ_min～λ_max为所述彩色CCD面阵传感器的波长响应区间范围；τ(λ)为滤色片的光谱透过率函数；s_R(λ)、s_G(λ)、s_B(λ)为所述光学镜头与彩色CCD面阵传感器两者综合的三通道颜色光谱响应函数；I_b，λ(T^i，j)为与物体相同温度T^i，j下的黑体光谱功率分布函数；ε_λ(T^i，j)为物体的光谱发射率函数；

由于滤色片的光谱透过率函数τ(λ)将彩色CCD面阵传感器原有的三通道颜色光谱响应s_R(λ)、s_G(λ)、s_B(λ)改变为新的三通道光谱响应τ(λ)s_R(λ)、τ(λ)s_G(λ)、τ(λ)s_B(λ)；

令F_R，λ＝τ(λ)s_R(λ)，F_G，λ＝τ(λ)s_G(λ)，F_B，λ＝τ(λ)s_B(λ)，并设所述滤色片在CCD波段响应区间内具有两个不同的单峰中心波长λ₁、λ₂，波长半宽度为Δλ₁、Δλ₂，则将式(1)改写为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_R^{i,j}\≈{\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·[\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\·F_{R,{\mathrm{\λ}}_1}\·{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2\·F_{R,{\mathrm{\λ}}_2}\·{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right)]\\ V_G^{i,j}\≈{\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·[\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\·F_{G,{\mathrm{\λ}}_1}\·{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2\·F_{G,{\mathrm{\λ}}_2}\·{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right)]\\ V_B^{i,j}\≈{\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·[\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\·F_{B,{\mathrm{\λ}}_1}\·{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_2\·F_{B,{\mathrm{\λ}}_2}\·{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right)]\end{array}\right.---\left(2\right)$

假定所述待测物体在两个波长λ₁、λ₂的光谱发射率函数相等，有 ${\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_1}\left(T^{i,j}\right)\≈{\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\λ}}_2}\left(T^{i,j}\right),$ 对式(2)的任意两路非零信号进行比值处理最终确定温度T^i，j。

5.如权利要求4所述的温度场测量方法，其特征在于，所述待测物体为温度范围为1000K～3000K的具有连续辐射特性的高温物体。

6.如权利要求4或5所述的温度场测量方法，其特征在于，所述彩色CCD面阵传感器的波长响应区间范围为380nm～700nm。

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