CN110017904B - 一种基于ccd相机的多光谱辐射测温方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于CCD相机的多光谱辐射测温方法。本发明通过将内部含有多通道分孔径系统的CCD相机进行黑平衡校正，实现多幅图像的初始化；通过黑体炉对CCD相机进行标定；将被测目标固定到距离CCD相机一定位置处进行快速加热，同时使用CCD相机进行不断拍摄以获得不同波长下的多种亮温值；利用多光谱算法，求解出被测目标真温值和发射率。本发明能有效克服利用图像三色值求解高温物体温度场分布易受外界干扰的缺点，提高了测温精度。

Description

一种基于CCD相机的多光谱辐射测温方法

技术领域

本发明涉及光谱辐射测温技术领域，是一种基于CCD相机的多光谱辐射测温方法。

背景技术

电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)是一种以电荷为信号载体的微型图像传感器，CCD传感器光谱响应多在可见光和近红外波段，通过在CCD传感器前加装一些分光、滤光等装置或对CCD传感器进行改造，对进入CCD的信息进行处理，通过对采集的信息进行分析，得到物体表面的温度场分布。

随着计算机和电子技术的不断发展，基于CCD相机的测温方法受到广泛关注。该方法基于自然光可以分解为不同比例混合的三原色(R-红、G-绿、B-蓝)的原理。彩色CCD相机实现对图像的三原色采集，并利用彩色空间插值法进行处理。采用该方法的设备装置简单，可对被测高温物体进行实时测量。

基于CCD相机的测温方法容易在三光谱(RGB)下实现测温，但是现有的基于CCD相机的测温方法应用于多场幅(光谱)测温系统的测温则很难实现，因此，急需一种基于CCD相机的多光谱辐射测温实现方法，用于多场幅(光谱)测温系统的温度测量。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于CCD相机的多光谱辐射测温方法，本发明提供了以下技术方案：

一种基于CCD相机的多光谱辐射测温方法，包括如下步骤：

步骤一：将内部含有多通道孔径系统的CCD相机固定到距离黑体炉14cm至15cm处并打开镜头，调整CCD相机的曝光时间、拍摄速率、分辨率、触发模式，并进行黑平衡校正以实现多幅图像的初始化；

步骤二：对黑体炉进行升温，温度控制在1000K至2000K之间，黑体炉对CCD相机进行标定；

步骤三：标定结束后，获得CCD相机各个通道的标定参数，将被测目标固定到距离CCD相机14cm至15cm处进行加热，同时使用CCD相机进行不断拍摄以获取被测目标的灰度信息，根据被测目标的灰度值进行亮温值计算，以获取多种不同波长下的亮温值；

步骤四：结合不同光谱下的亮温值及其波长值，计算出被测目标真实温度值和发射率。

优选地，所述CCD相机的曝光时间调整为50帧/秒，拍摄速率为1/3410526秒，分辨率为1024×1024，触发模式调整为开始。

优选地，所述步骤三具体为：

第一步：黑体炉标定CCD相机结束后，将被测目标固定到距离CCD相机14cm至15cm处进行加热；

第二步：使用CCD相机进行不断拍摄以获取被测目标的灰度信息，将得到照片进行灰度值与亮温值的转换，得到多光谱下的目标的亮温值，通过下式获取多光谱下的目标的亮温值：

其中，G_n为被测目标在n个通道上的灰度值，n为通道数，n为大于1的整数，A_n和B_n为n个通道的标定参数，T_n为被测目标在n个通道上的亮温值。

优选地，所述的CCD相机中安装有多孔径光学系统，所述的多孔径光学系统中设置有多个通道，以实现不同波长同时成像。

优选地，在所述孔径的光阑处设置了多种不同的滤光片以实现对光谱的分离，将各孔成的像分别呈到CCD相机的不同部分，最终获得同一个目标在不同光谱下的成像。

优选地，所述步骤四具体为：

第一步：建立被测目标的发射率模型，通过下式表示被测目标的发射率模型：

lnε＝a+bλ_n (2)

其中，lnε为n个通道上的光谱发射率，T为被测目标的真实温度，a为发射率模型参数，b为发射路模型参数，λ_n为n个通道时所选用的波长值；

第二步：建立被测目标的真实温度模型，通过下式表示被测目标的真实温度模型：

其中，T为被测目标的真实温度，C₂为常量：C₂＝14388μmk。

本发明具有以下有益效果：

本发明采用一种基于CCD相机的多光谱辐射测温方法，该方法是建立在双色测温基础上的，使用多通道分孔径系统，实现在CCD探测器上成像出同一个目标、不同波长下的图像，通过图像的灰度值来进行温度的求解。结合多光谱辐射测温技术，求得目标真实温度和发射率，采用该方法可以将发射率带来的影响降到最低。

附图说明

图1是一种基于CCD相机的多光谱辐射测温方法流程图。

图2是摄相机镜头光学原理图。

图3是四孔径分幅成像系统图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。

具体实施例一：

根据图1所示，一种基于CCD相机的多光谱辐射测温方法，包括如下步骤：

一种基于CCD相机的多光谱辐射测温方法，包括如下步骤：

步骤一：将内部含有多通道孔径系统的CCD相机固定到距离黑体炉14cm至15cm处并打开镜头，调整CCD相机的曝光时间、拍摄速率、分辨率、触发模式，并进行黑平衡校正以实现多幅图像的初始化；

步骤二：对黑体炉进行升温，温度控制在1000K至2000K之间，黑体炉对CCD相机进行标定；

步骤三：标定结束后，获得CCD相机各个通道的标定参数，将被测目标固定到距离CCD相机14cm至15cm处进行加热，同时使用CCD相机进行不断拍摄以获取被测目标的灰度信息，根据被测目标的灰度值进行亮温值计算，以获取多种不同波长下的亮温值；

具体实施例二：

以四通道为例，其流程框图如图1所示：

S1、将内部含有4通道孔径系统的CCD相机固定到距离黑体炉14cm～15cm处并打开镜头，调整CCD相机的曝光时间、拍摄速率、分辨率、触发模式等参数，并进行黑平衡校正以实现4幅图像的初始化；

S2、对黑体炉进行缓慢升温，温度控制在1000K～2000K之间，开始标定；

S3、标定工作完成后，将被测目标固定到距离CCD相机14～15cm处进行快速加热，同时使用CCD相机进行不断拍摄以获取被测目标的灰度信息，对灰度值进行亮温值计算，以获取4种不同波长下的亮温值；

S4、最后采用多光谱算法，结合4种光谱下的亮温值及其波长值，计算出被测目标真温值和发射率。

结合图2，本发明所述步骤S1中所述的CCD相机中多孔径光学系统中设置有4个通道，以实现4种不同波长同时成像。

结合图3，本发明所述的多光谱成像是指在不同光谱段上对同一目标进行成像，其中最为重要的是如何对光谱进行分离，在本发明中，采用多孔径的方法，即在孔径光阑处设置了4种不同的滤光片以实现对光谱的分离，分别成像到CCD探测器的4个部分，最终获得同一个目标、4种光谱下的图像。

本发明所述步骤S3中黑体炉标定后，对被测目标进行拍摄，将得到照片进行灰度值与亮温值之间进行转换，就可以得到多光谱下的目标亮温。

本发明所述步骤S4中采用多光谱算法求解被测目标的真实温度和其发射率，其求解公式为：

其中T₁,T₂,T₃,T₄分别为被测目标(钨丝灯)的4个通道的亮温值，C₂为常量：C₂＝14388μmk，λ₁,λ₂,λ₃,λ₄为4个通道所选用的波长，四个波长值分别为：460nm、550nm、640nm、750nm，通过进行拟合计算得出被测目标的真实温度和发射率。

以上所述仅是一种基于CCD相机的多光谱辐射测温方法的优选实施方式，一种基于CCD相机的多光谱辐射测温方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于CCD相机的多光谱辐射测温方法，其特征是：包括如下步骤：

步骤一：将内部含有多通道孔径系统的CCD相机固定到距离黑体炉14cm至15cm处并打开镜头，调整CCD相机的曝光时间、拍摄速率、分辨率、触发模式，并进行黑平衡校正以实现多幅图像的初始化；

步骤二：对黑体炉进行升温，温度控制在1000K至2000K之间，黑体炉对CCD相机进行标定；

步骤三：标定结束后，获得CCD相机各个通道的标定参数，将被测目标固定到距离CCD相机14cm至15cm处进行加热，同时使用CCD相机进行不断拍摄以获取被测目标的灰度信息，根据被测目标的灰度值进行亮温值计算，以获取多种不同波长下的亮温值；

所述步骤三具体为：

第一步：黑体炉标定CCD相机结束后，将被测目标固定到距离CCD相机14cm至15cm处进行加热；

第二步：使用CCD相机进行不断拍摄以获取被测目标的灰度信息，将得到照片进行灰度值与亮温值的转换，得到多光谱下的目标的亮温值，通过下式获取多光谱下的目标的亮温值：

其中，G_n为被测目标在n个通道上的灰度值，n为通道数，n为大于1的整数，A_n和B_n为n个通道的标定参数，T_n为被测目标在n个通道上的亮温值；

步骤四：结合不同光谱下的亮温值及其波长值，计算出被测目标真实温度值和发射率。

2.根据权利要求1所述的一种基于CCD相机的多光谱辐射测温方法，其特征是：所述CCD相机的曝光时间调整为50帧/秒，拍摄速率为1/3410526秒，分辨率为1024×1024，触发模式调整为开始。

3.根据权利要求1所述的一种基于CCD相机的多光谱辐射测温方法，其特征是：所述的CCD相机中安装有多孔径光学系统，所述的多孔径光学系统中设置有多个通道，以实现不同波长同时成像。

4.根据权利要求3所述的一种基于CCD相机的多光谱辐射测温方法，其特征是：在所述孔径的光阑处设置了多种不同的滤光片以实现对光谱的分离，将各孔成的像分别呈到CCD相机的不同部分，最终获得同一个目标在不同光谱下的成像。

5.根据权利要求1所述的一种基于CCD相机的多光谱辐射测温方法，其特征是：所述步骤四具体为：

第一步：建立被测目标的发射率模型，通过下式表示被测目标的发射率模型：

lnε＝a+bλ_n (2)

其中，lnε为n个通道上的光谱发射率，T为被测目标的真实温度，a为发射率模型参数，b为发射路模型参数，λ_n为n个通道时所选用的波长值；

第二步：建立被测目标的真实温度模型，通过下式表示被测目标的真实温度模型：

其中，T为被测目标的真实温度，C₂为常量：C₂＝14388μmk。

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