CN201464053U - 一种基于双ccd的四通道温度场测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于双CCD的四通道温度场测量装置，包括：光学镜头，用于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，将投射的辐射分解为近红外波段辐射及可见光波段辐射，分别从两个出射面出射；黑白CCD面阵传感器，对近红外波段辐射进行成像，获取近红外波段辐射信号；彩色CCD面阵传感器，对可见光波段辐射进行成像，并分解转换为红、绿、蓝三路波段辐射信号；数据采集分析单元，同时采集近红外波段辐射信号及红、绿、蓝三路波段辐射信号共四路测量信号，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

一种基于双CCD的四通道温度场测量装置

技术领域

本实用新型涉及光学测温技术，尤其涉及一种基于双CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)融合的四通道辐射温度场测量装置。

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，现有技术已有的应用与研究现状可概括如下：

一种是以点测量的光电/热释电传感器作为光学测温设备的探测传感器，通过在多个特定波长下的辐射强度测量，基于比色测温原理、多波长测温原理，实现高温物体的单点温度测量。例如，孙利群等人提出一种基于黑体辐射的双波长光电测温仪(公开号CN1687722)，其应用于金属冶炼测温领域，利用和钢水达到热平衡的石英玻璃作为发光体，通过透镜、分光滤光片、窄带滤光片和光电转换器件实现两路波长信号的传输采集和转换，结合比色测温原理，以实现温度测量；刘玉芳等人提出了一种利用钽酸锂热释电探测器实现的实用化双波长光纤测温仪(光学技术，31(1)：142-145，2005)；戴景民等人先后建立了多波长辐射测温仪、便携式比色高温计(红外与毫米波学报，14(6)：461-466，1995；热能动力工程，14(3)：185-187，1999)。然而，上述几种设备都仅能实现单点温度测量，难于对具有一定几何形状的物体进行空间温度分布的测量。

另一种方案是以CCD等面阵传感器作为光学测温设备的探测传感器，通过对物体进行光学成像的手段，实现高温物体二维成像温度场的测量。例如，王飞等人利用单个彩色CCD，基于彩色CCD红、绿、蓝三通道信息，结合比色测温法，获得了二维温度场的分布(中国电机工程学报，20(1)：70-72，2000)；吴海滨等人提出了一种基于彩色和近红外双CCD的图像测温装置(公开号CN1553157A)，该装置包括双光路光学镜头、一个彩色CCD摄像机、一个近红外CCD摄像机等，利用它们分别感应的红光与红外光进行比色测量。上述具有代表性的温度场测量设备，均是以比色法为测温的基本原理，无法更好地适用于非灰体温度场测量。

上述第二种方案中所述的基于CCD面阵传感器的温度场测量设备，较之第一种方案中所述的非成像点测温设备，由于获得了更多的空间温度信息，将有更大的应用优势与应用前景，但无论是采用单CCD或是双CCD的温度场测量设备，目前大都是以比色测温法的原理为基础进行温度计算的，仅适用于灰体或具有单参数发射率表现的物体温度测量。因而，针对具有连续辐射性质的实际高温物体(非灰体、发射率表现复杂的物体)，例如炉膛燃烧火焰、高温叶片、烧蚀材料等，如何在方法和技术上实现高温温度场的测量将是很有意义的工作，同时也是难点问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于双CCD的四通道温度场测量装置，以克服现有技术中温度场测量技术仅适用于灰体或具有单参数发射率物体的局限性。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案提出一种基于双CCD的四通道温度场测量装置，该装置包括：光学镜头、分光棱镜组、黑白CCD面阵传感器、彩色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，将投射的辐射分解为近红外波段辐射及可见光波段辐射，分别从两个出射面出射；

所述黑白CCD面阵传感器，对所述分光棱镜组出射的近红外波段辐射进行成像，获取待测物体的近红外波段辐射信号；

所述彩色CCD面阵传感器，对所述分光棱镜组出射的可见光波段辐射进行成像，并分解转换为待测物体的红、绿、蓝三路波段辐射信号；

所述数据采集分析单元，采集所述近红外波段辐射信号及红、绿、蓝三路波段辐射信号共四路测量信号，并利用多光谱测温法进行温度场计算。

上述的基于双CCD的四通道温度场测量装置中，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。

上述的基于双CCD的四通道温度场测量装置中，所述近红外波段为800nm～900nm，所述可见光波段为400nm～700nm。

本实用新型的技术方案通过双CCD融合采集四通道辐射强度信息，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为本实用新型基于双CCD的四通道温度场测量装置的实施例结构图。

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为本实用新型基于双CCD的四通道温度场测量装置的实施例结构图，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、黑白CCD面阵传感器13、彩色CCD面阵传感器14及数据采集分析单元15。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是一个常用的光学器件，其呈正方体结构，通过棱镜镀膜设计，将投射的辐射分解为λ_min2～λ_max2(本实施例取为800nm～900nm)的近红外波段辐射及λ_min1～λ_max1(本实施例取为400nm～700nm)的可见光波段辐射，分别从两个出射面出射.黑白CCD面阵传感器13与彩色CCD面阵传感器14为具有同一型号CCD芯片的传感器；黑白CCD面阵传感器13置于分光棱镜组12出射辐射为800nm～900nm一侧的出射面上，对出射的近红外波段辐射进行成像，获取待测物体10的近红外波段辐射信号；彩色CCD面阵传感器14则置于分光棱镜组12出射辐射为400nm～700nm一侧的出射面上，对出射的可见光波段辐射进行成像，并利用内嵌的红、绿、蓝三个波段感应单元将其分解转换为待测物体10的红、绿、蓝三路波段辐射信号.数据采集分析单元15，以个人电脑为平台，通过CCD传感器的数据输出接口采集近红外波段辐射信号及红、绿、蓝三路波段辐射信号共四路测量信号，并利用多光谱测温法进行温度场计算.

上述的待测物体是指温度范围在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。通常在有限的波段区间内，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2阶多项式函数的表述形式(灰体、线性发射率函数均是其的特例形式)，发射率函数中共有三个待定系数，通过4路信号测量方程的反演计算，可以同时求得温度及3个待定系数。然而，任何包含三个或小于三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4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双CCD的四通道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通过镀膜的反射和透射将投射辐射分解为400nm～700nm和800nm～900nm两个波段辐射；直接透射的400nm～700nm可见光波段辐射成像在分光棱镜组12右侧的彩色CCD面阵传感器14上，反射的800nm～900nm近红外波段辐射成像在分光棱镜组12下侧的黑白CCD面阵传感器13上。

其次，分光棱镜组12、黑白CCD面阵传感器13、彩色CCD面阵传感器14构成的光学成像系统，需进行必要的光路校正，使其可对物体清晰成像，并且两个传感器获得的图像能够点点对应，实现非失真的融合匹配。

然后，彩色CCD面阵传感器14内嵌有红、绿、蓝三个不同的波段感应单元，因此将400nm～700nm可见光辐射分解转换为红、绿、蓝三路窄波段的辐射信号，并传输至数据采集分析系统15；同时黑白CCD面阵传感器13的一路辐射信号也传输至数据采集分析系统15。综上所述，通过双CCD传感器的融合，将获得高温待测物体10辐射的四路不同光谱分布的测量图像信号。

最后，四路图像信号传输至数据采集分析系统15，依据以下a)～e)所述的原理实现温度场的计算反演。

a).通过分光棱镜后，彩色CCD面阵传感器14输出的三路辐射信号及黑白CCD面阵传感器13输出的一路辐射信号分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_R^{i,j}={\mathrm{\Φ}}_1^{i,j}\·{\∫}_{400\mathrm{nm}}^{700\mathrm{nm}}{S}_R\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ}\\ V_G^{i,j}={\mathrm{\Φ}}_1^{i,j}\·{\∫}_{400\mathrm{nm}}^{700\mathrm{nm}}{S}_G\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ}\\ V_B^{i,j}={\mathrm{\Φ}}_1^{i,j}\·{\∫}_{400\mathrm{nm}}^{700\mathrm{nm}}{S}_B\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ}\\ V_{\mathrm{IR}}^{i,j}={\mathrm{\Φ}}_2^{i,j}\·{\∫}_{800\mathrm{nm}}^{900\mathrm{nm}}{S}_{\mathrm{IR}}\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\·I_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ}\end{array}\right.---\left(1\right)$

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分别表示彩色CCD面阵传感器14在点(i，j)上的红、绿、蓝三路辐射强度输出值，V_IR ^i，j表示黑白CCD面阵传感器13在点(i，j)上的一路辐射强度输出值，V_R ^i，j、V_G ^i，j、V_B ^i，j、V_IR ^i，j可分别根据四路测量信号得到。Φ₁ ^i，j为彩色CCD面阵传感器14测量的非光谱因子，Φ₂ ^i，j为黑白CCD面阵传感器13测量的非光谱因子；Φ₁ ^i，j、Φ₂ ^i，j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，Φ₁ ^i，j、Φ₂ ^i，j的相对大小关系，一般可以通过光路校正、调节使二者相等，后文中均用Φ^i，j表示。S_R(λ)、S_G(λ)、S_B(λ)分别表示彩色CCD面阵传感器14的红、绿、蓝三个不同光谱响应与光学镜头11、分光棱镜组12光谱响应的综合光谱分布曲线，S_IR(λ)为黑白CCD面阵传感器13的光谱响应与光学镜头11、分光棱镜组12光谱响应的综合光谱分布曲线，S_R(λ)、S_G(λ)、S_B(λ)、S_IR(λ)均为已知量。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，其仅与温度T^i，j相关。

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的光谱发射率在数学上通常可以用多项式函数予以描述，然而在一个有限的波段内(例如400nm～900nm)，采用公式(2)的二阶多项式函数表征光谱发射率具有很高的精度。

ε_λ(T^i，j)＝a₀+a₁·λ+a₂·λ²    (2)

光谱发射率函数中共有三个待定系数(a₀，a₁，a₂)，合并变量，方程组(1)中的四个方程中共有(T^i，j，Φ·a₀，Φ·a₁，Φ·a₂)四个未知量，因此温度的数学求解是封闭

从而能够继续实现基于4通道的多光谱辐射测温。

实际上，黑体、灰体假设以及线性发射率模型，均是光谱发射率函数(2)的特例形式，对于这些特例形式，利用四个通道测量量(V_R ^i，j，V_G ^i，j，V_B ^i，j，V_IR ^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。本实用新型中的光谱发射率函数用二阶多项式予以表述，但不局限于此，任何包含三个或小于三个待定参数的光谱发射率函数，均可以通过本实用新型获得的四路信号测量方程组(1)，计算求解逐点温度场T^i，j。

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)：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{IR}}^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·a_0{\∫}_{800\mathrm{nm}}^{900\mathrm{nm}}{S}_{\mathrm{IR}}\left(\mathrm{\λ}\right)\·I_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ}+{\mathrm{\Φ}}^{i,j}{a}_1\·{\∫}_{800\mathrm{nm}}^{900\mathrm{nm}}{S}_{\mathrm{IR}}\left(\mathrm{\λ}\right)\·\mathrm{\λ}\·I_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ}\\ +{\mathrm{\Φ}}^{i,j}{a}_2\·{\∫}_{800\mathrm{nm}}^{900\mathrm{nm}}{S}_{\mathrm{IR}}\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\mathrm{\λ}}^2\·I_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ};\\ V_n^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·a_0{\∫}_{400\mathrm{nm}}^{700\mathrm{nm}}{S}_n\left(\mathrm{\λ}\right)\·I_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ}+{\mathrm{\Φ}}^{i,j}{a}_1\·{\∫}_{400\mathrm{nm}}^{700\mathrm{nm}}{S}_n\left(\mathrm{\λ}\right)\·\mathrm{\λ}\·I_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ}\\ +{\mathrm{\Φ}}^{i,j}{a}_2\·{\∫}_{400\mathrm{nm}}^{700\mathrm{nm}}{S}_n\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\mathrm{\λ}}^2\·I_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ};n=R,G,B\end{array}\right.---\left(3\right)$

d).定义公式中的12个积分量为β_IR，0、β_IR，1、β_IR，2、β_R，0、β_R，1、β_R，2、β_G，0、β_G，1、β_G，2、β_B，0、β_B，1、β_B，2，表述如下：

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{IR},0}={\∫}_{800\mathrm{nm}}^{900\mathrm{nm}}{S}_{\mathrm{IR}}\left(\mathrm{\λ}\right)\·I_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ};$

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{IR},1}={\∫}_{800\mathrm{nm}}^{900\mathrm{nm}}{S}_{\mathrm{IR}}\left(\mathrm{\λ}\right)\·\mathrm{\λ}\·I_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ};$

${\mathrm{\β}}_{\mathrm{IR},2}={\mathrm{\λ}}_{800\mathrm{nm}}^{900\mathrm{nm}}{S}_{\mathrm{IR}}\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\mathrm{\λ}}^2\·I_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ};$

${\mathrm{\β}}_{n,0}={\∫}_{400\mathrm{nm}}^{700\mathrm{nm}}{S}_n\left(\mathrm{\λ}\right)\·I_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ},$ n＝R，G，B；

${\mathrm{\β}}_{n,1}={\∫}_{400\mathrm{nm}}^{700\mathrm{nm}}{S}_n\left(\mathrm{\λ}\right)\·\mathrm{\λ}\·I_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ},$ n＝R，G，B；

${\mathrm{\β}}_{n,2}={\∫}_{400\mathrm{nm}}^{700\mathrm{nm}}{S}_n\left(\mathrm{\λ}\right)\·{\mathrm{\λ}}^2\·I_{b,\mathrm{\λ}}\left(T^{i,j}\right)\mathrm{d\λ},$ n＝R，G，B；

则将方程组(3)改写为方程组(4)，

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{IR}}^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·a_0\·{\mathrm{\β}}_{\mathrm{IR},0}+{\mathrm{\Φ}}^{i,j}{a}_1\·{\mathrm{\β}}_{\mathrm{IR},1}+{\mathrm{\Φ}}^{i,j}{a}_2\·{\mathrm{\β}}_{\mathrm{IR},2};\\ V_n^{i,j}={\mathrm{\Φ}}^{i,j}\·a_0\·{\mathrm{\β}}_{n,0}+{\mathrm{\Φ}}^{i,j}{a}_1\·{\mathrm{\β}}_{n,1}+{\mathrm{\Φ}}^{i,j}{a}_2\·{\mathrm{\β}}_{n,2};\end{array}\right.$ n＝R，G，B       (4)

e).从d)中可以看出，积分运算仅与温度相关。因此，可以预先对于每个温度求解12个积分量并建立存储温度与12个积分量对应关系的测温数据库。在温度计算时，可省去积分运算的步骤，直接在测温数据库中进行温度查询，之后利用查询得到的积分值和四个已知量V_R ^i，j、V_G ^i，j、V_B ^i，j、V_IR ^i，j对方程组(4)进行迭代运算，从而反演得到温度T^i，j。

上述本实用新型实施例建立的基于双CCD融合的四通道辐射温度场测量技术，具有以下优点：

(1)与现有技术中非成像的单点辐射测温技术相比，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；此外，二维场测量区域的对准比点测量区域的对准容易，在测量使用时将更为方便。

(2)与现有技术中成像式温度场测量方法和技术相比，在测量时利用了分光棱镜及彩色CCD分光的处理方式，同时获取了四路不同波段响应的辐射强度信号，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，因而应用范围更为广泛，具有更大的通用性。

(3)采用了测温数据库，提高了温度求解速度，可应用于实时在线温度计算。

(4)技术实现方案较为简单，分光棱镜的光学加工并不复杂，CCD面阵传感器是非常成熟的商业产品，因此集成系统的成本不高、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)

1.一种基于双CCD的四通道温度场测量装置，其特征在于，该装置包括：光学镜头、分光棱镜组、黑白CCD面阵传感器、彩色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，将投射的辐射分解为近红外波段辐射及可见光波段辐射，分别从两个出射面出射；

所述黑白CCD面阵传感器，对所述分光棱镜组出射的近红外波段辐射进行成像，获取待测物体的近红外波段辐射信号；

所述彩色CCD面阵传感器，对所述分光棱镜组出射的可见光波段辐射进行成像，并分解转换为待测物体的红、绿、蓝三路波段辐射信号；

所述数据采集分析单元，同时采集所述近红外波段辐射信号及红、绿、蓝三路波段辐射信号共四路测量信号，并利用多光谱测温法进行温度场计算。

2.如权利要求1所述的基于双CCD的四通道温度场测量装置，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所述的基于双CCD的四通道温度场测量装置，其特征在于，所述近红外波段为800nm～900nm，所述可见光波段为400nm～700nm。