CN201464047U - 一种基于三ccd集成的温度场测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种三CCD集成的温度场测量装置，包括：光学镜头，用于光学成像，将待测物体的辐射聚焦在分光棱镜组的入射面上；分光棱镜组，起到分光的作用，将投射的辐射分为三束不同方向、不同波长的单色辐射，分别从三个出射面出射；三个CCD面阵传感器，与分光棱镜组共同集成，分别设置于分光棱镜组的三个出射面处，对三路不同波长的出射辐射进行成像，获得三路光谱非相关的CCD图像；数据采集分析单元，对三路CCD图像数据进行采集，并利用多光谱测温法进行温度场计算。本实用新型的技术方案可以实现温度场测量，应用范围广泛；且技术方案实现简单，在高温检测等工业生产领域易于推广应用。

Description

一种基于三CCD集成的温度场测量装置

技术领域

涉及光学测温技术，尤其涉及一种基于三个CCD(ChargeCoupled Device，电荷耦合器件)面阵传感器光谱融合的温度场测量装置。

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。

随着图像光电传感器CCD不断地更新发展，基于CCD面阵传感器的光学测温方法与技术，在温度场测量方面展现出了极大的优势。许多科研机构应用CCD传感器开展了高温辐射温度场的测量研究工作，CCD传感器在辐射测温仪器研制领域展现了很好的应用前景，现有技术已有的应用与研究现状如下所述。

一种是采用单个彩色CCD相机(或摄像机)作为光学测温仪器，利用内嵌的RGB彩色滤色器阵列实现彩色复现，提供红、绿、蓝三个颜色通道：a、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)。b、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)，即将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；然而，实际上有效波长并非一个常量，其是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。上述方案a和b的应用均体现了一个主要局限性，即内嵌RGB彩色滤色器阵列提供三个颜色通道实现色彩的真实复现，其是基于标准人眼的光谱三刺激值进行设计的，因此，三个通道的波段响应特性一般是固定不变的，这往往会限制仪器测温的应用，从而无法自主选择合适的三个波段光谱响应函数以实现温度的优化测量。

另一种方案是采用单个黑白CCD作为光学测温传感器，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 TRANS-ACTIONS ON 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，但需要满足在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的条件，对于瞬态温度场测量这种要求往往难以满足，从而具有应用上的局限性。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于三CCD集成的温度场测量装置，以克服现有技术中基于单CCD温度场测量技术在应用上的局限性。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案提出一种基于三CCD集成的温度场测量装置，该装置包括：光学镜头、分光棱镜组、三个CCD面阵传感器及数据采集分析单元，

所述光学镜头，用于光学成像，将待测物体的辐射聚焦在所述分光棱镜组的入射面上；

所述分光棱镜组，将投射的辐射分为三束不同方向、不同波长的单色辐射，分别从三个出射面出射；

所述三个CCD面阵传感器，相同型号，分别设置于所述分光棱镜组的三个出射面处；

所述三个CCD面阵传感器，分别对三路不同波长的出射辐射进行成像，获得三路光谱非相关的CCD图像；

所述数据采集分析单元，对三路CCD图像数据进行采集，并利用多光谱测温法进行温度场计算。

上述的基于三CCD集成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。

上述的基于三CCD集成的温度场测量装置中，所述分光棱镜组出射的三束不同波长的单色辐射的波长范围为400nm～1100nm。

本实用新型的技术方案通过三CCD光谱融合采集待测物辐射强度信息，并利用适用性更强的多光谱测温法，可以实现温度场测量，应用范围更为广泛；通过采用测温数据库，提高了温度求解速度，可应用于实时在线温度计算；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为本实用新型基于三CCD集成的温度场测量装置实施例结构图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

图1为本实用新型三CCD温度场测量装置实施例结构图，如图所示，本实施例的温度场测量装置包括：光学镜头11、分光棱镜组12、三个CCD面阵传感器131～133及数据采集分析单元14。其中，光学镜头11用于光学成像，将待测物体10的辐射聚焦在分光棱镜组12的入射面上，其可设计为定焦距或是变焦距的镜头。分光棱镜组12是由多个棱镜拼接而成，通过棱镜镀膜设计，使入射辐射在不同的棱镜结合面上经由透射和反射，最终分解为三束不同方向、不同波长的单色辐射，分别由棱镜的三个不同侧面出射出去；三束射出单色辐射的波长范围为400nm～1100nm。三个波长的具体选择可根据实际测量的需要进行设计，即考虑温度测量范围、分辨精度、测温误差、优化测量等诸多因素。三个CCD面阵传感器131～133为同一型号的黑白CCD传感器，分别设置于分光棱镜组12的三个出射面处。三个CCD面阵传感器131～133的曝光时间设置相同，并且通过硬件帧采集控制保障传感器同步采集，从而分别对三路不同波长的出射辐射进行成像，获得三路光谱非相关的CCD图像。数据采集分析单元14则对三路CCD图像数据进行采集，并利用多光谱测温法进行温度场计算。

上述实施例中，分光棱镜组12、CCD面阵传感器131～133构成的分光成像系统，还需要进行光路校正，使得三个CCD面阵传感器131～133可对物体清晰成像，获得的图像能够点点对应，共同反应同一测量目标物体.至于所述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.

上述的多光谱测温法为一种常用的辐射测温方法，通用的表述如下：具有连续辐射特性的物体发射率用一个关于波长的多项式函数予以描述，在多个波长下测量物体的辐射强度，结合光谱发射率模型，可以求得物体的温度。通常在有限的波长区间内，常用0阶(灰体)、1阶(线性)、2阶(二次函数)形式。在后续本实施例中将采用线性发射率函数的表述形式(灰体是其的特例形式)，发射率函数中共有两个待定系数，通过3路信号测量方程的反演计算，可以同时求得温度及两个待定系数。然而，任何包含两个或小于两个待定参数的发射率函数，均可以通过本实用新型技术方案获得的3路信号测量方程，计算温度数值，其仍然也归为多光谱测温法。

继续参考图1所示，应用上述本实用新型基于三CCD集成的温度场测量装置实施例的测量方法过程具体如下所述。

首先，高温待测物体10的辐射通过光学镜头11，投射在分光棱镜组12上，分光棱镜组12将投射辐射分为三束不同方向、不同波长的单色辐射，波长范围为400nm～1100nm。

接续，在三束分光光束的三个出射面处(棱镜上侧、下侧、右侧)，分别放置三个相同型号的、具有数字传输接口的黑白CCD面阵传感器131～133，三束分光光束分别成像在CCD面阵传感器131～133上。在400nm～1100nm波长区间，三个波长的具体选择可根据实际测量的需要进行设计，即考虑温度测量范围、分辨精度、测温误差、优化测量等诸多因素。例如，本实施例可以选择设计三个波长分别为600nm、700nm、800nm，半宽度均为10nm，。

接续，CCD传感器131～133的曝光时间设置相同，并且通过帧控制保证三路CCD传感器同步采集。CCD面阵传感器131～133将同时获得三路光谱非相关的CCD成像图像，图像灰度代表了目标物体相对辐射强度信息。

另外，分光棱镜组12、黑白CCD面阵传感器131～133共同构成的光学成像系统，需进行必要的光路校正，使得CCD面阵传感器131～133可对物体清晰成像，并且使获得的图像能够点点对应，实现非失真的融合匹配。

最后，三路图像信号传输至数据采集分析系统14，依据以下a)～e)所述的原理实现温度场的计算反演。

a).通过分光棱镜组后，三路黑白CCD面阵传感器输出的辐射信号为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_1^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·{\mathrm{\τ}}_{{\mathrm{\λ}}_1}\·\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_1,T^{i,j})\·I_b({\mathrm{\λ}}_1,T^{i,j})\\ V_2^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·{\mathrm{\τ}}_{{\mathrm{\λ}}_2}\·\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_2,T^{i,j})\·I_b({\mathrm{\λ}}_2,T^{i,j})\\ V_3^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·{\mathrm{\τ}}_{{\mathrm{\λ}}_3}\·\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_3,T^{i,j})\·I_b({\mathrm{\λ}}_3,T^{i,j})\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，上角标(i，j)表示传感器成像焦平面上任一点的坐标；V₁ ^i，j、V₂ ^i，j、V₃ ^i，j分别表示所述三个CCD面阵传感器的相对辐射强度输出值，为已知量；Φ^i，j为所述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，为未知量；

分别表示光学镜头、分光棱镜组以及CCD面阵传感器合并而成的不同出射面处、三个不同波长(λ₁，λ₂，λ₃)下的光谱透过率，为已知量；T^i，j表示待测物体在点(i，j)上的温度，为未知量；I_b(λ，T^i，j)为与待测物体相同温度T^i，j下的黑体光谱功率分布函数，I_b(λ₁，T^i，j)、I_b(λ₂，T^i，j)、I_b(λ₃，T^i，j)则分别代表三个不同波长下的黑体光谱功率。

b).以上方程组(1)中，ε(λ，T^i，j)为待测物体的光谱发射率函数。具有连续辐射特性的物体光谱发射率在数学上通常可以用多项式函数予以描述，一般而言，在一个有限的波长区间内应用时，采用线性函数表征光谱发射率具有很高的精度，如下式所示：

ε(λ，T^i，j)＝A+B·λ        (2)

光谱发射率函数中共有两个待定系数(A，B)，合并变量，方程组(1)中的三个方程中共有(T^i，j，Φ^i，j·A，Φ^i，j·B)三个未知量，因此温度的数学求解是封闭

从而能够继续实现基于3通道的多光谱辐射测温。

基于上述原理，在求解过程中，可继续如c)～e)所述建立测温数据库，以满足实时温度计算的需要。

c).将光谱发射率函数(2)代入方程组(1)，得到新的方程组(3)：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_1^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·{\mathrm{\τ}}_{{\mathrm{\λ}}_1}\·A\·I_b({\mathrm{\λ}}_1,T^{i,j})+{\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·{\mathrm{\τ}}_{{\mathrm{\λ}}_1}\·B\·{\mathrm{\λ}}_1\·I_b({\mathrm{\λ}}_1,T^{i,j})\\ V_2^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·{\mathrm{\τ}}_{{\mathrm{\λ}}_2}\·A\·I_b({\mathrm{\λ}}_2,T^{i,j})+{\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·{\mathrm{\τ}}_{{\mathrm{\λ}}_2}\·B\·{\mathrm{\λ}}_2\·I_b({\mathrm{\λ}}_2,T^{i,j})\\ V_3^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·{\mathrm{\τ}}_{{\mathrm{\λ}}_3}\·A\·I_b({\mathrm{\λ}}_3,T^{i,j})+{\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·{\mathrm{\τ}}_{{\mathrm{\λ}}_3}\·B\·{\mathrm{\λ}}_3\·I_b({\mathrm{\λ}}_3,T^{i,j})\end{array}\right.---\left(3\right)$

d).定义公式中仅与温度T^i，j相关的6个量为β_1，0、β_1，1、β_2，0、β_2，1、β_3，0、β_3，1，其中

${\mathrm{\β}}_{m,n}={\mathrm{\τ}}_{{\mathrm{\λ}}_m}\·{\mathrm{\λ}}_m^n\·I_b({\mathrm{\λ}}_m,T^{i,j}),$ m＝1，2，3；n＝0，1.    (4)

则将方程组(3)改写为方程组(5)，

$\left\{\begin{array}{c}{V}_1^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·A\·{\mathrm{\β}}_{\mathrm{1,0}}+{\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·B\·{\mathrm{\β}}_{\mathrm{1,1}}\\ V_2^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·A\·{\mathrm{\β}}_{\mathrm{2,0}}+{\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·B\·{\mathrm{\β}}_{\mathrm{2,1}}\\ V_3^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·A\·{\mathrm{\β}}_{\mathrm{3,0}}+{\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·B\·{\mathrm{\β}}_{\mathrm{3,1}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

e).从d)中可以看出，6个量的运算仅与温度相关。因此，可以预先对于每个温度求解上述6个量并建立存储温度与6个量对应关系的测温数据库，之后利用所述测温数据库及三个已知量V₁ ^i，j、V₂ ^i，j、V₃ ^i，j对方程组(5)进行迭代运算，反演得到温度T^i，j。

参考上述实施例关于b)的描述，本领域的技术人员同时可以知悉，黑体、灰体测量情形(如ε(T^i，j)＝A)，均是光谱发射率函数式(2)的特例形式，这时式(1)的测量方程组写为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_1^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·{\mathrm{\τ}}_{{\mathrm{\λ}}_1}\·A\·I_b({\mathrm{\λ}}_1,T^{i,j})\\ V_2^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·{\mathrm{\τ}}_{{\mathrm{\λ}}_2}\·A\·I_b({\mathrm{\λ}}_2,T^{i,j})\\ V_3^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·{\mathrm{\τ}}_{{\mathrm{\λ}}_3}\·A\·I_b({\mathrm{\λ}}_3,T^{i,j})\end{array}\right.---\left(6\right)$

在式(6)中，仅有两个未知量(T^i，j，Φ^i，j·A)，利用三个通道测量量(V₁ ^i，j，V₂ ^i，j，V₃ ^i，j)数学求解时，未知量的数目小于方程组的数目，运用最小二乘法，可以使温度的求解误差更小。

由上述实施例可知，本实用新型中的光谱发射率函数用线性函数予以表述，但也不局限于此，任何包含两个或小于两个待定参数的发射率函数，均可以通过本实用新型获得的3路信号测量方程，计算求解逐点温度场T^i，j。例如，对于发光火焰温度场测量，具有一个待定参数的Hottel模型也已被广泛使用，用以表征火焰光谱发射率：

ε_λ＝1-exp(-KL/λ^α)          (7)

式(7)是一个半经验公式，其中，α是常数，系数K正比于粒子浓度，L是光程，其乘积KL可作为综合表征浓度的变量。这时式(1)的测量方程组可写为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_1^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·{\mathrm{\τ}}_{{\mathrm{\λ}}_1}\·(1-\exp (-\mathrm{KL}/{\mathrm{\λ}}_1^{\mathrm{\α}}))\·I_b({\mathrm{\λ}}_1,T^{i,j})\\ V_2^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·{\mathrm{\τ}}_{{\mathrm{\λ}}_2}\·(1-\exp (-\mathrm{KL}/{\mathrm{\λ}}_2^{\mathrm{\α}}))\·I_b({\mathrm{\λ}}_2,T^{i,j})\\ V_3^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·{\mathrm{\τ}}_{{\mathrm{\λ}}_3}\·(1-\exp (-\mathrm{KL}/{\mathrm{\λ}}_3^{\mathrm{\α}}))\·I_b({\mathrm{\λ}}_3,T^{i,j})\end{array}\right.---\left(8\right)$

在式(8)中，同样也仅有两个未知量(T，KL)，利用三个通道测量量(V₁ ^i，j，V₂ ^i，j，V₃ ^i，j)可以迭代求解出温度值。具体过程与上述本实用新型的实施例类似，此处不再加以赘述。

综上所述，本实用新型基于三CCD融合的温度场测量技术，具有以下优点：

(1)与现有技术中非成像的单点辐射测温方法相比，本实用新型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。

(2)与现有技术中CCD成像式温度场测量方法相比，本实用新型在测量时利用了三通道分光成像处理方式，可以同时获取三路光谱非相关的辐射强度成像数据，三个测量通道的具体波长选择可以根据需要进行设计，以更好地满足温度优化测量等多方面的要求。

(3)采用了适用性更强的多光谱测温法，测量物体不仅仅局限于传统的比色测温法所适用的范围，因而本实用新型的应用范围将更为广泛，具有更大的通用性。

(4)技术实现方案较为简单，三通道分光棱镜易于光学加工，CCD面阵传感器是成熟的商业产品，因此系统集成成本不高、性能稳定等，在高温检测等工业生产领域易于推广应用。

以上为本实用新型的最佳实施方式，依据本实用新型公开的内容，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，均应落入本实用新型保护的范围。

Claims (3)

1.一种基于三CCD集成的温度场测量装置，其特征在于，该装置包括：光学镜头、分光棱镜组、三个CCD面阵传感器及数据采集分析单元，

所述光学镜头，用于光学成像，将待测物体的辐射聚焦在所述分光棱镜组的入射面上；

所述分光棱镜组，将投射的辐射分为三束不同方向、不同波长的单色辐射，分别从三个出射面出射；

所述三个CCD面阵传感器，分别设置于所述分光棱镜组的三个出射面处；

所述三个CCD面阵传感器，分别对三路不同波长的出射辐射进行成像，获得三路光谱非相关的CCD图像；

所述数据采集分析单元，对三路CCD图像数据进行采集，并利用多光谱测温法进行温度场计算。

2.如权利要求1所述的基于三CCD集成的温度场测量装置，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所述的基于三CCD集成的温度场测量装置，其特征在于，所述分光棱镜组出射的三束不同波长的单色辐射的波长范围为400nm～1100nm。

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