CN101620010A

CN101620010A - Ccd测温范围扩增技术

Info

Publication number: CN101620010A
Application number: CN200910043665A
Authority: CN
Inventors: 彭小奇; 孙元; 严军
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-06-10
Filing date: 2009-06-10
Publication date: 2010-01-06

Abstract

本发明涉及一种CCD图像传感器应用于高温温度检测时的测温范围扩增技术。当CCD工作在线性工作状态时，辐射体单色辐射亮度与CCD三色通道输出信号有一一对应关系，可以利用CCD输出的图像信号计算辐射体的表面温度场，从而实现高温测量。本发明方案在进行高温检测时，通过自动检测CCD传感器的进光量来实时动态选择光圈快门组合，从而保证CCD始终工作于线性工作状态。为保证测温结果的准确性，通过标定实验确定不同光圈快门组合下的CCD器件响应特性校正系数曲线，并利用校正系数曲线对测温结果进行误差补偿。

Description

CCD测温范围扩增技术

技术领域

本发明涉及一种CCD图像传感器应用于高温温度检测时的测温范围扩增技术。

背景技术

由CCD的光谱响应特性和光电转换特性可知，彩色CCD图像传感器的R、G、B三基色输出值反映了被测对象表面辐射光的亮度和色度信息，而物体的辐射光与物体温度有着特定的关系。根据热辐射理论，当CCD工作在线性工作状态时，辐射体单色辐射亮度与CCD三色通道输出信号有一一对应关系，可以利用CCD输出的图像信号计算辐射体的表面温度场，即可进行温度测量。因工业用CCD并非专为辐射测温研制，其动态范围较窄，不能满足高温测量对测温范围的要求，使基于CCD的辐射测温技术的应用受到严重限制。有人提出在CCD镜头前加高衰减率的中性滤光片来防止CCD出现饱和失真，以此扩大CCD的测温范围。研究表明，该方法虽能扩大测温范围，但其效果有限，仍难以满足高温测量的应用要求。工程中常用的自动调节光圈或者快门的技术在CCD高温检测中也并不适用，这是因为CCD图像传感器在进行温度测量时必须先进行标定，以校正CCD光谱响应特性非理想引入的测量误差，而CCD的校正系数与光圈和快门有关，所以测温时选择的光圈快门组合和标定时的光圈快门组合必须一致，才能够利用校正系数实现误差补偿。在常用的自动调节光圈或快门的技术中，光圈和快门往往是连续变化且难以控制的，这就导致无法保证标定和测温时采用的是同一种光圈快门组合，因此难以保证对测温误差进行正确校正。

目前尚没有实用的CCD图像传感器应用于高温检测时的测温范围扩增技术。

发明内容

在实际的高温测量中发现，CCD采集的图像中红色分量容易饱和，绿、蓝色分量容易因曝光不足而导致输出信号过低。当红色输出饱和时，辐射体红色辐射亮度与CCD红色通道输出信号的线性对应关系被破坏；当绿色输出过低时，绿色信号受热噪声、暗电流等干扰影响很大，两者均会导致测量结果失真。而CCD应用于辐射测温时通常要求有较宽的测温范围，因此，必须扩大CCD的测温范围以达到高温测量领域的应用要求。

本发明的技术方案是：在进行高温检测时，采用动态改变光圈快门组合的方法来控制CCD的进光量，从而保证CCD工作于线性工作状态。在标定时，先调节快门时间，当快门时间已经调到最小但CCD仍然曝光过度时再改变光圈，从而保证CCD始终工作于线性工作状态。利用标定公式计算出CCD的器件响应特性校正系数，记录下每一系数所对应的光圈和快门组合。在测温时，首先由测温系统自动选择一组在标定时记录下的光圈快门组合，以保证CCD工作于线性工作状态，然后读取与该组光圈快门组合相对应的器件响应特性校正系数，最后利用该系数对测温中由CCD光谱响应特性非理想造成的误差进行校正，从而得到准确的测温结果。

本发明提出的CCD测温范围扩增技术标定步骤简单实用，能够有效地扩大CCD的测温范围，使其能够满足高温检测领域的应用要求，从而显著提高了基于CCD图像传感器的高温温度检测技术的实用性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明提出的测温范围扩增技术的标定步骤。

图2是本发明提出的测温范围扩增技术的测温步骤。

具体实施方式

CCD输出信号的大小与入射光瞳孔径(光圈)和曝光时间(快门)有关。当CCD曝光过度导致势阱中的电荷饱和并出现电荷“溢出”现象时，减小曝光时间或者减小光圈均可降低进光量；当CCD曝光不足导致成像过暗时，增加曝光时间或者增大光圈均可增加进光量。因此，可以通过调节光圈或者快门来控制CCD的进光量，从而保证CCD工作于线性工作状态。

图1所示为测温范围扩增技术的标定步骤，具体流程如下：

(1)调节黑体炉温度到测温下限，将快门调到最大，调节光圈到所采集的高温辐射体图像中的绿色值G刚好大于绿色阈值，将标定用测温仪表检测到的实际温度值与高温辐射体图像中红、绿色值R、G代入标定公式，计算出CCD器件响应特性校正系数，记录下此时的光圈快门组合。

标定公式如下：

T_{b} = \frac{5.7925 \times 10^{3}}{\ln \frac{R}{G} + K + 1.2414}

式中，R、G为CCD输出的红、绿基色值，K为CCD光谱响应特性校正系数，T_b为辐射体温度。

(2)固定光圈快门组合不变，按照设定步长升高炉温，首先检测CCD采集到的高温辐射体图像中红色值R，如果R值小于设定阈值，则重复上述步骤，计算出CCD器件响应特性校正系数。

(3)当温度升高到红色值R大于设定阈值时，先减小快门时间直至绿色值G刚好大于设定阈值，固定并记录这一光圈快门组合，再按照步骤(1)～(2)继续进行标定。如果快门时间已经减至最小，则将快门调到最大，然后减小光圈到绿色值G刚好大于设定阈值，再按照步骤(1)～(2)继续进行标定。

(4)重复步骤(1)～(3)，直至黑体炉的温度升高到测温上限即完成标定。

标定结束后，对标定实验得到的各组光圈快门组合下的校正系数与温度值进行曲线拟合，从而得到CCD器件响应特性校正系数曲线。

图2所示为测温范围扩增技术的测温步骤，具体流程为：

(1)将标定中所有的光圈快门组合按照大小编号。开始测温时，首先选择最小的一个光圈快门组合，如果该光圈快门组合可以保证进光量满足设定条件，就利用此光圈快门组合对应的响应特性校正系数曲线来校正测温结果；如果不能使进光量满足设定条件，则逐步选择更大的光圈快门组合，直至进光量满足测温条件时，再利用此时的光圈快门组合所对应的响应特性校正系数曲线来校正测温结果。在测量过程中，被测辐射体的温度是不断变化的，因此在每次测量前必须先自动检测图像的曝光情况，如果出现曝光过度或者曝光不足，就由系统自动选择适当的光圈快门组合。如果所有的光圈快门组合都无法保证进光量满足测量条件，就说明此时辐射体温度不在CCD高温温度场测量仪的测温范围内，测温软件自动报警。

Claims

1.利用动态选择光圈快门组合的方式来扩增CCD测温范围的方法。其特征是：通过标定实验确定不同光圈快门组合下的CCD器件响应特性校正系数曲线。标定时通过调节光圈快门时间来保证CCD始终工作于线性工作状态，记录下每一组光圈快门组合和该组合下CCD的器件响应特性校正系数。测温时系统自动选择合适的光圈快门组合，利用与该组光圈快门组合相对应的器件响应特性校正系数对由CCD光谱响应特性非理想造成的误差进行校正，从而得到准确的测温结果。