專利名稱：基于單臺彩色ccd攝像機的雙波段比色測溫方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種比色測溫方法，特別是一種基于單臺彩色CCD攝像機的雙波段比色測溫方法。

背景技術(shù)：
目前溫度測量主要利用以下幾種原理(1)電阻測溫方法利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻率隨溫度變化的物理特性來測溫，如鉑電阻溫度計，熱敏電阻溫度計等；(2)膨脹式溫度測量方法利用物質(zhì)熱膨脹性質(zhì)與溫度的關(guān)系進(jìn)行測溫，如水銀、酒精溫度計，氣體壓力式溫度計，雙金屬溫度計等；(3)熱電偶測溫原理利用一對一端連接的不同材料導(dǎo)體在受熱后產(chǎn)生熱電勢的塞貝克效應(yīng)進(jìn)行測溫；(4)輻射測溫原理通過探測器將被測物體的熱輻射轉(zhuǎn)換為對溫度變化的光電信號，然后利用黑體輻射理論測溫。
上述方法(4)中的輻射測溫法作為一種非接觸測量方法，具有以下優(yōu)點探測器不會破壞物體的溫度分布；不必與被測區(qū)域達(dá)到熱平衡；探測器采用光電敏感元件，靈敏度高，反應(yīng)快，動態(tài)響應(yīng)好；能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離自動測溫；理論上具有無限溫度測量上限。
輻射測溫法還可分為(a)亮度測溫法對應(yīng)產(chǎn)品為光學(xué)高溫計和光電高溫計等；(b)全輻射測溫法對應(yīng)產(chǎn)品為全輻射溫度計等；(c)比色測溫法對應(yīng)產(chǎn)品為比色溫度計；(d)紅外測溫法對應(yīng)產(chǎn)品為紅外溫度計和紅外熱像儀等；(e)光纖測溫法對應(yīng)產(chǎn)品為光纖溫度計。
其中的比色測溫法，它根據(jù)黑體理論利用同一被測物體在兩個波長下的單色輻射亮度之比隨溫度變化這一特性來測量溫度，基本原理如普朗克公式所示，絕對黑體在溫度為T時，波長為λ的單色輻射亮度為 式中c1＝2πhc2＝3.7418×10-16[W·m2]，稱為第一輻射常數(shù)。
c2＝hc/k＝1.4388×10-2[m·K]，稱為第二輻射常數(shù)。
λ為波長[m] T為開氏溫度[K] 當(dāng)c2/λT＞＞1時，普朗克(Planck)公式(1)可用維恩(wien)近似公式代替 考慮具有熱輻射的實際物體，則需引入光譜發(fā)射率ε(λ，T)，即實際物體在溫度為T時，波長為T的單色輻射亮度為 ε(λ，T)為光譜發(fā)射率，c1、c2定義同上，T為實際物體的開氏溫度[K]。
若測得實際物體在溫度為T時，在波長λ1，λ2下，同一點發(fā)出的單色輻射亮度值L1，L2，則可以得到 則溫度T為 由此公式可知，在兩個波長確定的情況下，已知單色輻射亮度之比，光譜發(fā)射率之比就可以計算出被測物體溫度。此外還有基于三波長，多波長的比色測溫法。
比色測溫方法具有以下優(yōu)點(a)在測量實際物體的溫度時，只需知道兩個波長下的光譜發(fā)射率的比值即可，不需要精確的知道被測物體的光譜發(fā)射率。一般測量光譜發(fā)射率比值比測量絕對值簡便和精確；(b)大多數(shù)實際物體的顏色溫度要比亮度溫度和輻射溫度更接近于實際溫度。當(dāng)ε(λ1，T)＝ε(λ2，T)時，實際物體的顏色溫度就是它的真實溫度。(c)顏色測溫法受物體光譜發(fā)射率的影響較小。同一物體的ε(λ1，T)和ε(λ2，T)的比值變化是很小的。合理選擇兩個波長可以大大減小因被測物體光譜發(fā)射率變化而引起的顏色溫度誤差。(d)基于此方法而設(shè)計的比色測溫計可自動記錄、控制、調(diào)節(jié)和遠(yuǎn)傳。
比色測溫法廣泛應(yīng)用于冶金、水泥、輕工業(yè)等部門，用來測量鐵液鋼水溶渣溫度、爐膛火焰溫度和金屬表面溫度等。
目前的商用比色測溫計主要分以下幾種類型，按分光形式和信號檢測方法，可分為單通道和雙通道兩大類。當(dāng)被測對象的輻射能量經(jīng)分光后，分別通過各自的濾光片再到兩個檢測元件上，依據(jù)兩個元件的電信號來確定溫度的儀表稱為雙通道型。采用一個檢測元件的儀表稱為單通道型。單通道比色溫度計又可分為單光路式和雙光路式。雙通道式比色溫度計又分為調(diào)制式和非調(diào)制式。調(diào)制系統(tǒng)用來減小檢測元件本身的溫漂影響，提高比色測溫計的測量精度。比色溫度計常用檢測元件有光電型和熱電型兩類，如光電池，電荷耦合器件(CCD)等。

近年來，隨著電荷耦合器件CCD應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，利用CCD攝像機測量高溫物體溫度的技術(shù)成為了研究熱點，參見文獻(xiàn)楊經(jīng)國，杜定旭，冉瑞江，薛康，張立志，熱輻射譜的多道式采集及高精度雙色高溫測量.光譜學(xué)與光譜分析，1996(05)；衛(wèi)成業(yè)等，高溫火焰圖像處理比色測溫法的數(shù)值方法研究.燃燒科學(xué)與技術(shù)，1998(03)；王飛等，運用彩色CCD雙色信息測量燃燒火焰的溫度場.發(fā)電設(shè)備，1998(06)；李少輝，高岳和高稚允，圖像比色法在爐膛火焰溫度場實時監(jiān)測的研究.光學(xué)技術(shù)，2002(02)；衛(wèi)成業(yè)等，利用面陣CCD進(jìn)行火焰溫度分布測量——二維投影溫度場的測量.熱能動力工程，2002(01)；李漢舟等，基于面陣CCD圖像的溫度場測量研究.儀器儀表學(xué)報，2003(06)；田辛等，用雙色法研究進(jìn)氣道噴射乙醇柴油引燃時的燃燒過程.內(nèi)燃機學(xué)報，2004(01)；孫皆宜，蘇占遠(yuǎn)，基于比色法測量高溫水泥熟料的溫度場.硅酸鹽通報，2006(01)；王麗雯等，用雙色法研究汽油機燃燒火焰的溫度分布.燃燒科學(xué)與技術(shù)，2007(04)。其中多利用雙色比色法。在實際使用時，單色輻射亮度很難獲取，CCD接收的能量實際上是經(jīng)過某一濾光片后的輻射能，是單色輻射亮度關(guān)于某一波長區(qū)間、立體角和面積的積分值，所以對于公式(5)要做如下修正。根據(jù)輻射能的傳播，可以列出如下方程式 其中λHR，λLR分別是紅色干涉濾光片光譜響應(yīng)的波長上下限。
λHB，λLB分別是藍(lán)色干涉濾光片光譜響應(yīng)的波長上下限。
文章王飛等，運用彩色CCD雙色信息測量燃燒火焰的溫度場.發(fā)電設(shè)備，1998(06)中已經(jīng)說明，選用紅藍(lán)兩色進(jìn)行比色，可以有效的減小溫度誤差) I(λ，T)為絕對黑體的單色輻射亮度。
ε(λ，T)為光譜發(fā)射率，它與I(λ，T)的乘積代表著實際輻射源的光譜輻射亮度。
TR(λ，T)，TB(λ，T)分別為外加濾光片后彩色CCD紅藍(lán)兩色等效光譜響應(yīng)函數(shù)。若不外加濾光片，則就是彩色CCD紅藍(lán)兩色的光譜響應(yīng)函數(shù)。
S為彩色CCD像元接受的輻射強度所對應(yīng)的發(fā)射源的面積。
Ω為彩色CCD像元接受的輻射強度從發(fā)射源看對應(yīng)的立體角。
AR，AB分別為紅色和藍(lán)色光通道的通道增益。
VR，VB分別是CCD感應(yīng)的電壓對應(yīng)的數(shù)字量。
若ΔλR＝λHR-λLR，ΔλB＝λHB-λLB，以及S和Ω很小，則可以對公式(6)作如下簡化，波長差Δλ，面積S和立體角Ω可分別近似看為常數(shù) 其中λB，λR分別為濾光片的中心波長。即 其中則 溫度 從以上推導(dǎo)可知，濾光片的光譜響應(yīng)上下限波長區(qū)間很小是能夠做簡化的條件之一，如果波長區(qū)間很大的話，就不能做類似的化簡，否則就會帶來很大誤差。
而比色測溫雙中心波長的選擇要結(jié)合被測物體的發(fā)射光譜和電荷耦合器件的光譜響應(yīng)特性進(jìn)行，濾光片的帶寬在滿足實際要求的前提下，應(yīng)該是越小越好，干涉濾光片的帶寬很小，因此也成為了使用比色法的常用濾光片。參見文獻(xiàn)李海濱，王曉霞，劉彬，CCD比色測溫中工作波長與帶寬的選擇.光學(xué)技術(shù)，2005(01)；吳海斌，陳軍，張杰，曾偉，比色測溫雙波長的選擇及濾波片最小帶寬的計算，量子電子學(xué)報，2006(04)。
雙色比色法的運用，按照測溫裝置結(jié)構(gòu)的不同分以下幾種 (1)以雙路單色CCD攝像機為檢測和模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備，結(jié)構(gòu)如錯誤！未找到引用源。所示，參見李少輝，高岳，高稚允，圖像比色法在爐膛火焰溫度場實時監(jiān)測的研究.光學(xué)技術(shù)，2002(02).及李海濱，張文明，劉彬，CCD比色測溫系統(tǒng)在水泥篦冷機中的應(yīng)用.中國測試技術(shù)，2005(06)。其中灰色為發(fā)光被測物體，虛框內(nèi)為光學(xué)系統(tǒng)，如中性濾光片、物鏡等。中心波長分別為λ1和λ2的干涉濾光片1和濾光片2放在光路中，經(jīng)過這些光學(xué)透鏡之后的窄帶光分別進(jìn)入兩臺CCD內(nèi)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后可以得到對應(yīng)輻射強度的數(shù)字量，利用標(biāo)準(zhǔn)輻射源校準(zhǔn)系統(tǒng)，再根據(jù)式(9)便可以得到被測物體的溫度。該設(shè)備的優(yōu)點系統(tǒng)容易搭建，系統(tǒng)各部分的設(shè)計相對獨立。干涉濾光片的帶寬很小，CCD接收的是很窄的波長區(qū)域內(nèi)輻射能量的積分值容易做簡化，溫度計算較為方便。但該設(shè)備需要兩臺CCD攝像機，系統(tǒng)較為復(fù)雜，實際運用時不夠方便；且兩臺攝像機存在分散性，有像差，需要單獨校準(zhǔn)。
(2)以彩色CCD為主要檢測和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)備，其測量方式如錯誤！未找到引用源。所示，參見衛(wèi)成業(yè)等，高溫火焰圖像處理比色測溫法的數(shù)值方法研究.燃燒科學(xué)與技術(shù)，1998(03)及王飛等，運用彩色CCD雙色信息測量燃燒火焰的溫度場.發(fā)電設(shè)備，1998(06)。彩色CCD在制作時，是在原來的單色CCD的基礎(chǔ)上，感光單元上添加濾光片，濾光片分為紅色(R)、綠色(G)、藍(lán)色(B)三種，一種典型的濾光片添加方式如圖1所示，目前市面上的CCD多為此種，稱為BAYER格式，其每個像元上只有一種濾光片。濾光片本身具有光學(xué)帶通濾波效應(yīng)，如錯誤！未找到引用源。a和圖4b所示CCD芯片的光譜響應(yīng)曲線。不同公司的彩色CCD芯片紅綠藍(lán)三色的感光特性不同。
被測物體所發(fā)出的光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后(物鏡、中性濾光片等)，進(jìn)入照射在彩色CCD像機的上。經(jīng)過不同的濾光片后，會在CCD上感應(yīng)出不同的電壓，經(jīng)過后面的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置后就可以讀出每個像元對應(yīng)不同濾光片的數(shù)字量，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)輻射源的校準(zhǔn)，再根據(jù)式(9)，就可以得到被測物體的溫度。該設(shè)備雖然易搭建，成本較低，易于在測量現(xiàn)場使用，但不同公司所產(chǎn)的彩色攝像機的RGB三色的光譜響應(yīng)曲線不同。需要測出其曲線，否則會帶來很大誤差；相比干涉濾光片的窄帶濾光效果，商用CCD芯片的濾光片帶寬太大，CCD像元接收的是很寬的波長區(qū)域內(nèi)輻射能量的積分值，很難簡化。同時光譜響應(yīng)曲線有交疊，測量精度上很難保證，同時數(shù)據(jù)處理上比第一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于單臺彩色CCD攝像機的雙波段比色測溫方法，該方法只需一臺攝像機既可獲取兩個窄帶波段的輻射強度值，避免了兩臺攝像機存在的分散性問題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案利用干涉濾光片的窄帶濾波效應(yīng)，將兩塊不同中心波長的干涉濾光片拼為一塊整圓或者直接利用雙波段干涉濾光片，將全波段光濾波成為在兩個波段內(nèi)的窄帶光，再照射在彩色CCD攝像機的感光單元上，CCD中每個像元感應(yīng)出的紅藍(lán)兩色的電壓數(shù)值就是對應(yīng)波段輻射強度值，這樣經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)輻射源校正后，根據(jù)公式(9) 即可以求出被測物體溫度T，式中ε(λ，T)為光譜發(fā)射率，c1為稱為第一輻射常數(shù)，c2稱為第二輻射常數(shù)定義，VB/KB、VR/KR分別是在波長λ1，λ2下同一點發(fā)出的單色輻射亮度值。
所述的雙波段干涉濾光片的波長選擇原則如下根據(jù)彩色CCD攝像機的光譜曲線，選擇交疊現(xiàn)象小的藍(lán)色B區(qū)域某個波長，若全色光在經(jīng)過以此波長為中心波長的干涉濾光片后每個像元的紅色感光數(shù)值最小，同時保證每個像元的藍(lán)色感光數(shù)值盡量大，則將此波長定為雙波段干涉濾光片的其中一個波長；同理，選擇交疊現(xiàn)象小的紅色R區(qū)域某個波長，保證紅色響應(yīng)大的情況下藍(lán)光響應(yīng)最弱，則此波長定為雙波段干涉濾光片的另一個波長。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于 (1)本發(fā)明只需一臺攝像機既可獲取兩個窄帶波段的輻射強度值，避免了兩臺攝像機存在的分散性問題。
一臺彩色攝像機添加如本發(fā)明所述的雙波段干涉濾光片后，可以起到如雙色比色法中第一種方法的效果。彩色攝像機的紅色像元和藍(lán)色像元將分別感應(yīng)紅色波段和藍(lán)色波段的窄帶光。而最終拍攝的彩色圖像中每個像素點的紅色分量和藍(lán)色分量便對應(yīng)著彩色攝像機紅色像元和藍(lán)色像元感應(yīng)的光譜輻射強度值。這樣一臺彩色攝像機就能起到分別添加單波長干涉濾光片的兩臺單色攝像機的效果。避免了由于不同攝像機像元感光特性有差別而引起的誤差。
(2)和第二種方法相比，避免了整條彩色CCD光譜響應(yīng)曲線的獲取，只需要測一下特定波長段的CCD響應(yīng)就可。
和雙色比色法中第二種方法比較，由于每臺彩色CCD攝像機的感光特性是未知的，而且不同廠家的彩色CCD感光特性不同，如果直接利用積分方法分別求紅色像元和藍(lán)色像元在其感光特性對應(yīng)波長內(nèi)的輻射強度積分值，則會由于無法準(zhǔn)確知道積分的上下限而使得計算很難進(jìn)行。而且即時知道了上下限也會由于帶寬太寬而影響精度。而本發(fā)明所述方法只需要利用若干單波段干涉濾光片對其感光特性進(jìn)行測試，就能夠得到如權(quán)利要求2所述的兩個特定波長。
(3)最大限度的避免了光譜響應(yīng)曲線交疊帶來的誤差?，F(xiàn)有的雙色比色法中第二種方法中，由于彩色CCD感光特性曲線是交疊的，這樣使得在分別計算輻射強度積分值時，引入了誤差。而本發(fā)明所述方法只需要積分兩個窄帶范圍內(nèi)輻射強度就可，最大限度的避免了曲線交疊所帶來的誤差，便于利用式(6)-式(9)的數(shù)值方法處理。
(4)數(shù)據(jù)處理上，本發(fā)明所述方法與雙色比色法第一種方法類似，只需要積分兩個窄帶范圍內(nèi)的輻射強度，利用式(6)-(9)就能算出溫度。
(5)系統(tǒng)容易搭建，且成本不高，方便工業(yè)現(xiàn)場使用。一臺彩色攝像機加雙波長干涉濾光片就可以實現(xiàn)溫度的測量，而且溫度測量精度上也得到了保證，又避免了購置多臺相機，成本上也得到了控制，便于應(yīng)用在工程現(xiàn)場。



圖1為現(xiàn)有的雙路單色CCD比色測溫法中雙路單色CCD攝像機為檢測和模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為現(xiàn)有的單路彩色CCD比色測溫法中以彩色CCD為主要檢測和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為現(xiàn)有的一種BAYER格式的彩色CCD濾光片分布方式示意圖； 圖4為典型的彩色CCD光譜響應(yīng)曲線，其中圖4a為Toshiba公司TCD2558D芯片的光譜響應(yīng)曲線，圖4b為Sony公司的ICX205AK芯片的光譜響應(yīng)曲線； 圖5為本發(fā)明的基于單臺彩色CCD攝像機的雙波段比色測溫方法示意圖； 圖6本發(fā)明加雙波段干涉濾光片后的彩色CCD光譜響應(yīng)曲線圖。

具體實施例方式 如圖5所示，本發(fā)明的方法具體如下首先確定彩色CCD攝像機雙色比色測溫的兩個波長，然后選擇分別以這兩個波長為中心波長的單波長干涉濾光片兩個，將它們拼接成一個整圓，或者直接選擇一個以這兩個波長為中心波長的雙波長干涉濾光片，將其加在彩色CCD攝像機的透鏡前，則此雙波段濾光片就能夠?qū)⑦M(jìn)入彩色CCD攝像機的全波長范圍光濾為在所選波段范圍內(nèi)的窄帶光，并照射在攝像機的感光單元上，CCD中感應(yīng)紅藍(lán)兩色的像元輸出的電壓數(shù)值對應(yīng)紅藍(lán)兩窄帶波段輻射強度值，這樣經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)輻射源的校正，根據(jù)式(9)，就可以求得被測物體溫度T。
雙波段干涉濾光片的波長選擇原則如下彩色CCD攝像機的光譜曲線如錯誤！未找到引用源。所示，選擇交疊現(xiàn)象較小的藍(lán)色B區(qū)域某個波長，若全色光在經(jīng)過以此波長為中心波長的干涉濾光片后每個像元的紅色感光數(shù)值最小，同時保證每個像元的藍(lán)色感光數(shù)值盡量大。則將此波長定為雙波段干涉濾光片的其中一個波長。同理，選擇交疊現(xiàn)象較小的紅色R區(qū)域某個波長，保證紅色響應(yīng)較大的情況下藍(lán)光響應(yīng)最弱。則此波長定為雙波段干涉濾光片的另一個波長。
這樣一來，光譜總響應(yīng)函數(shù)分別為式(6)所示 利用上面的雙波長選擇法，就可以使 從而使光譜總響應(yīng)函數(shù)得到了簡化，如式(8) 其中TB和TR分別為外加濾光片后彩色CCD紅藍(lán)兩色等效光譜響應(yīng)函數(shù) fB(λ)和fR(λ)分別對應(yīng)藍(lán)光區(qū)域和紅光區(qū)域的CCD像元光譜響應(yīng)函數(shù)

和

分別對應(yīng)中心波長為λ1和λ2的干涉濾光片光譜響應(yīng)函數(shù) 被測物體發(fā)出的光經(jīng)過雙半波干涉濾光片后，無論是拼接的還是整圓的，都會在彩色CCD上成完整被測物體的像，而這個像僅包括所選兩個所選窄帶波段內(nèi)的光強。每個像元感應(yīng)出的紅藍(lán)兩色的電壓數(shù)值就是對應(yīng)波段輻射強度的輻射強度值，這樣經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)輻射源校正后，根據(jù)式(9)，就可以求出被測物體溫度T。
權(quán)利要求
1、一種基于單臺彩色CCD攝像機的雙波段比色測溫方法，其特征在于利用干涉濾光片的窄帶濾波效應(yīng)，將兩塊不同中心波長的干涉濾光片拼為一塊整圓或者直接利用雙波段干涉濾光片，將全波段光濾波成為在兩個波段內(nèi)的窄帶光，再照射在彩色CCD攝像機的感光單元上，CCD中感應(yīng)紅藍(lán)兩色的像元輸出的電壓數(shù)值對應(yīng)紅藍(lán)兩窄帶波段輻射強度值，這樣經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)輻射源校正后，根據(jù)公式(9)
即可以求出被測物體溫度T，式中ε(λ，T)為光譜發(fā)射率，c1為稱為第一輻射常數(shù)，c2稱為第二輻射常數(shù)，VB/KB、VR/KR分別是在波長為λ1，λ2的下被測物體發(fā)出的單色輻射亮度值。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單臺彩色CCD攝像機的雙波段比色測溫方法，其特征在于所述的雙波段干涉濾光片的波長選擇原則如下根據(jù)彩色CCD攝像機的光譜曲線，選擇紅藍(lán)兩色光譜曲線交疊現(xiàn)象小的藍(lán)色B區(qū)域某個波長，若全色光在經(jīng)過以此波長為中心波長的干涉濾光片后每個像元的紅色感光數(shù)值最小，同時保證每個像元的藍(lán)色感光數(shù)值盡量大，則將此波長定為雙波段干涉濾光片的其中一個波長；同理，選擇紅藍(lán)兩色光譜曲線交疊現(xiàn)象小的紅色R區(qū)域某個波長，保證紅色響應(yīng)大的情況下藍(lán)光響應(yīng)最弱，則此波長定為雙波段干涉濾光片的另一個波長。
全文摘要
一種基于單臺彩色CCD攝像機的雙波段比色測溫方法，利用干涉濾光片的窄帶濾波效應(yīng)，將兩塊不同中心波長的干涉濾光片拼為一塊整圓或者直接利用雙波段干涉濾光片，將全波段光濾波成為在兩個波段內(nèi)的窄帶光，再照射在彩色CCD攝像機的感光單元上，CCD中感應(yīng)紅藍(lán)兩色的像元輸出的電壓數(shù)值對應(yīng)紅藍(lán)兩窄帶波段輻射強度值，這樣經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)輻射源校正后，根據(jù)比色法溫度計算公式即可得出溫度值。本發(fā)明只需一臺攝像機既可獲取兩個窄帶波段的輻射強度值，避免了兩臺攝像機存在的分散性問題。
文檔編號G01J5/60GK101358881SQ200810115098
公開日2009年2月4日 申請日期2008年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月16日
發(fā)明者武建文, 景 王 申請人:北京航空航天大學(xué)