專利名稱：一種雙ccd溫度場測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)測溫技術(shù)，尤其涉及一種基于雙CCD(ChargeCoupled Device，電荷耦合器件)融合的四通道輻射溫度場測量裝置及方法。

背景技術(shù)：
在石油化工、冶金、鋼鐵、水泥、玻璃等工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)的高溫檢測領(lǐng)域，輻射測溫儀器具有巨大的市場需求和廣闊的應(yīng)用空間。例如，冶金行業(yè)的高溫爐膛內(nèi)部溫度測量與控制對于生產(chǎn)過程有著重要的作用。在這些典型的應(yīng)用領(lǐng)域，傳統(tǒng)的熱電偶接觸式測溫手段，由于測量的局限性以及高成本的材料消耗，目前正在逐步被價格較低、性能穩(wěn)定、低消耗使用、非接觸式的光學(xué)測溫設(shè)備所取代。光學(xué)測溫設(shè)備的應(yīng)用將成為高溫測量的主流趨勢，現(xiàn)有技術(shù)已有的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀可概括如下 一種是以點測量的光電/熱釋電傳感器作為光學(xué)測溫設(shè)備的探測傳感器，通過在多個特定波長下的輻射強度測量，基于比色測溫原理、多波長測溫原理，實現(xiàn)高溫物體的單點溫度測量。例如，孫利群等人提出一種基于黑體輻射的雙波長光電測溫儀(公開號CN1687722)，其應(yīng)用于金屬冶煉測溫領(lǐng)域，利用和鋼水達到熱平衡的石英玻璃作為發(fā)光體，通過透鏡、分光濾光片、窄帶濾光片和光電轉(zhuǎn)換器件實現(xiàn)兩路波長信號的傳輸采集和轉(zhuǎn)換，結(jié)合比色測溫原理，以實現(xiàn)溫度測量；劉玉芳等人提出了一種利用鉭酸鋰熱釋電探測器實現(xiàn)的實用化雙波長光纖測溫儀(光學(xué)技術(shù)，31(1)142-145，2005)；戴景民等人先后建立了多波長輻射測溫儀、便攜式比色高溫計(紅外與毫米波學(xué)報，14(6)461-466，1995；熱能動力工程，14(3)185-187，1999)。然而，上述幾種設(shè)備都僅能實現(xiàn)單點溫度測量，難于對具有一定幾何形狀的物體進行空間溫度分布的測量。
另一種方案是以CCD等面陣傳感器作為光學(xué)測溫設(shè)備的探測傳感器，通過對物體進行光學(xué)成像的手段，實現(xiàn)高溫物體二維成像溫度場的測量。例如，王飛等人利用單個彩色CCD，基于彩色CCD紅、綠、藍三通道信息，結(jié)合比色測溫法，獲得了二維溫度場的分布(中國電機工程學(xué)報，20(1)70-72，2000)；吳海濱等人提出了一種基于彩色和近紅外雙CCD的圖像測溫裝置(公開號CN1553157A)，該裝置包括雙光路光學(xué)鏡頭、一個彩色CCD攝像機、一個近紅外CCD攝像機等，利用它們分別感應(yīng)的紅光與紅外光進行比色測量。上述具有代表性的溫度場測量設(shè)備，均是以比色法為測溫的基本原理，無法更好地適用于非灰體溫度場測量。
上述第二種方案中所述的基于CCD面陣傳感器的溫度場測量設(shè)備，較之第一種方案中所述的非成像點測溫設(shè)備，由于獲得了更多的空間溫度信息，將有更大的應(yīng)用優(yōu)勢與應(yīng)用前景，但無論是采用單CCD或是雙CCD的溫度場測量設(shè)備，目前大都是以比色測溫法的原理為基礎(chǔ)進行溫度計算的，僅適用于灰體或具有單參數(shù)發(fā)射率表現(xiàn)的物體溫度測量。因而，針對具有連續(xù)輻射性質(zhì)的實際高溫物體(非灰體、發(fā)射率表現(xiàn)復(fù)雜的物體)，例如爐膛燃燒火焰、高溫葉片、燒蝕材料等，如何在方法和技術(shù)上實現(xiàn)高溫溫度場的測量將是很有意義的工作，同時也是難點問題。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種雙CCD溫度場測量裝置及方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中溫度場測量技術(shù)僅適用于灰體或具有單參數(shù)發(fā)射率物體的局限性。
為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案提出一種雙CCD溫度場測量裝置，該裝置包括光學(xué)鏡頭、分光棱鏡組、黑白CCD面陣傳感器、彩色CCD面陣傳感器及數(shù)據(jù)采集分析單元， 所述光學(xué)鏡頭，用于光學(xué)成像，將待測物體的輻射聚焦在所述分光棱鏡組的入射面上； 所述分光棱鏡組，將投射的輻射分解為近紅外波段輻射及可見光波段輻射，分別從兩個出射面出射； 所述黑白CCD面陣傳感器，對所述分光棱鏡組出射的近紅外波段輻射進行成像，獲取待測物體的近紅外波段輻射信號； 所述彩色CCD面陣傳感器，對所述分光棱鏡組出射的可見光波段輻射進行成像，并分解轉(zhuǎn)換為待測物體的紅、綠、藍三路波段輻射信號； 所述數(shù)據(jù)采集分析單元，采集所述近紅外波段輻射信號及紅、綠、藍三路波段輻射信號共四路測量信號，并利用多光譜測溫法進行溫度場計算。
上述的雙CCD溫度場測量裝置中，所述數(shù)據(jù)采集分析單元利用多光譜測溫法進行溫度場計算是根據(jù)以下方程組完成 其中，上角標(i，j)表示傳感器成像焦平面上任一點的坐標；


分別表示彩色CCD面陣傳感器在點(i，j)上的紅、綠、藍三路輻射強度輸出值，

表示黑白CCD面陣傳感器在點(i，j)上的一路輻射強度輸出值，為分別根據(jù)所述四路測量信號得到的已知量；

為彩色CCD面陣傳感器測量的非光譜因子，

為黑白CCD面陣傳感器測量的非光譜因子，并且通過光路校正調(diào)節(jié)使為未知量；λmin1～λmax1為可見光波段，λmin2～λmax2為近紅外波段；SR(λ)、SG(λ)、SB(λ)分別表示彩色CCD面陣傳感器的紅、綠、藍三個不同光譜響應(yīng)與所述光學(xué)鏡頭、分光棱鏡組光譜響應(yīng)的綜合光譜分布曲線，SIR(λ)為黑白CCD面陣傳感器的光譜響應(yīng)與所述光學(xué)鏡頭、分光棱鏡組光譜響應(yīng)的綜合光譜分布曲線，均為已知量；Ti，j表示待測物體在點(i，j)上的溫度，為未知量；Ib，λ(Ti，j)為與待測物體相同溫度Ti，j下的黑體光譜功率分布函數(shù)，僅與溫度Ti，j相關(guān)；ελ(Ti，j)為待測物體的光譜發(fā)射率函數(shù)，包含三個以下的待定參數(shù)。
上述的雙CCD溫度場測量裝置中，所述待測物體的光譜發(fā)射率函數(shù)采用二階多項式函數(shù)表征如下 ελ(Ti，j)＝a0+a1·λ+a2·λ2 (2) 則方程組(1)的各方程左邊為四個已知量

右邊包括Ti，j、Φi，j·a0、Φi，j·a1、Φi，j·a2四個未知量，因此方程組(1)的求解是封閉的。
上述的雙CCD溫度場測量裝置中，根據(jù)以下步驟建立測溫數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)溫度場的實時計算 將式(2)代入方程組(1)得到方程組(3)， 定義公式中僅與溫度Ti，j相關(guān)的12個積分量為βIR，0、βIR，1、βIR，2、βR，0、βR，1、βR，2、βG，0、βG，1、βG，2、βB，0、βB，1、βB，2，其中， n＝R，G，B； n＝R，G，B； n＝R，G，B； 則將方程組(3)改寫為方程組(4)， 預(yù)先對于每個溫度求解所述12個積分量并建立存儲溫度與12個積分量對應(yīng)關(guān)系的測溫數(shù)據(jù)庫，之后利用所述測溫數(shù)據(jù)庫及四個已知量

對方程組(4)進行迭代運算，反演得到溫度Ti，j。
上述的雙CCD溫度場測量裝置中，所述待測物體為溫度范圍為1000K～3000K的具有連續(xù)輻射特性的高溫物體。
上述的雙CCD溫度場測量裝置中，所述近紅外波段為800nm～1000nm，所述可見光波段為450nm～750nm。
本發(fā)明的技術(shù)方案還提出一種應(yīng)用如上所述裝置的雙CCD溫度場測量方法，該方法包括 利用所述光學(xué)鏡頭將待測物體的輻射聚焦在所述分光棱鏡組的入射面上； 利用所述分光棱鏡組將投射的輻射分解為近紅外波段輻射及可見光波段輻射，并分別從兩個出射面出射； 利用所述黑白CCD面陣傳感器對分光棱鏡組出射的近紅外波段輻射進行成像，獲取待測物體的近紅外波段輻射信號； 利用所述彩色CCD面陣傳感器對分光棱鏡組出射的可見光波段輻射進行成像，并分解轉(zhuǎn)換為待測物體的紅、綠、藍三路波段輻射信號； 利用所述數(shù)據(jù)采集分析單元采集近紅外波段輻射信號及紅、綠、藍三路波段輻射信號共四路測量信號，并利用多光譜測溫法進行溫度場計算。
上述的雙CCD溫度場測量方法中，所述利用多光譜測溫法進行溫度場計算是根據(jù)以下方程組完成 其中，上角標(i，j)表示傳感器成像焦平面上任一點的坐標；


分別表示彩色CCD面陣傳感器在點(i，j)上的紅、綠、藍三路輻射強度輸出值，

表示黑白CCD面陣傳感器在點(i，j)上的一路輻射強度輸出值，為分別根據(jù)所述四路測量信號得到的已知量；

為彩色CCD面陣傳感器測量的非光譜因子，

為黑白CCD面陣傳感器測量的非光譜因子，并且通過光路校正調(diào)節(jié)使為未知量；λmin1～λmax1為可見光波段，λmin2～λmax2為近紅外波段；SR(λ)、SG(λ)、SB(λ)分別表示彩色CCD面陣傳感器的紅、綠、藍三個不同光譜響應(yīng)與所述光學(xué)鏡頭、分光棱鏡組光譜響應(yīng)的綜合光譜分布曲線，SIR(λ)為黑白CCD面陣傳感器的光譜響應(yīng)與所述光學(xué)鏡頭、分光棱鏡組光譜響應(yīng)的綜合光譜分布曲線，均為已知量；Ti，j表示待測物體在點(i，j)上的溫度，為未知量；Ib，λ(Ti，j)為與待測物體相同溫度Ti，j下的黑體光譜功率分布函數(shù)，僅與溫度Ti，j相關(guān)；ελ(Ti，j)為待測物體的光譜發(fā)射率函數(shù)，包含三個以下的待定參數(shù)。
上述的雙CCD溫度場測量方法中，所述待測物體的光譜發(fā)射率函數(shù)采用二階多項式函數(shù)表征如下 ελ(Ti，j)＝a0+a1·λ+a2·λ2(2) 則方程組(1)的各方程左邊為四個已知量

右邊包括Ti，j、Φi，j·a0、Φi，j·a1、Φi，j·a2四個未知量，因此方程組(1)的求解是封閉的。
上述的雙CCD溫度場測量方法中，根據(jù)以下步驟建立測溫數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)溫度場的實時計算 將式(2)代入方程組(1)得到方程組(3)， 定義公式中僅與溫度Ti，j相關(guān)的12個積分量為βIR，0、βIR，1、βIR，2、βR，2、βR，1、βR，2、βG，0、βG，1、βG，2、βB，0、βB，1、βB，2，其中， 　　　　　n＝R，G，B； n＝R，G，B； n＝R，G，B； 則將方程組(3)改寫為方程組(4)， 預(yù)先對于每個溫度求解所述12個積分量并建立存儲溫度與12個積分量對應(yīng)關(guān)系的測溫數(shù)據(jù)庫，之后利用所述測溫數(shù)據(jù)庫及四個已知量

對方程組(4)進行迭代運算，反演得到溫度Ti，j。
本發(fā)明的技術(shù)方案通過雙CCD融合采集四通道輻射強度信息，并利用適用性更強的多光譜測溫法，可以實現(xiàn)溫度場測量，應(yīng)用范圍更為廣泛；通過采用測溫數(shù)據(jù)庫，提高了溫度求解速度，可應(yīng)用于實時在線溫度計算；且技術(shù)方案實現(xiàn)簡單，集成系統(tǒng)的成本不高、性能穩(wěn)定，在高溫檢測等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域易于推廣應(yīng)用。



圖1為本發(fā)明雙CCD溫度場測量裝置的實施例結(jié)構(gòu)圖。

具體實施例方式 以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
圖1為本發(fā)明雙CCD溫度場測量裝置的實施例結(jié)構(gòu)圖，如圖所示，本實施例的溫度場測量裝置包括光學(xué)鏡頭11、分光棱鏡組12、黑白CCD面陣傳感器13、彩色CCD面陣傳感器14及數(shù)據(jù)采集分析單元15。其中，光學(xué)鏡頭11用于光學(xué)成像，將待測物體10的輻射聚焦在分光棱鏡組12的入射面上，其可設(shè)計為定焦距或是變焦距的鏡頭。分光棱鏡組12是一個常用的光學(xué)器件，其呈正方體結(jié)構(gòu)，通過棱鏡鍍膜設(shè)計，將投射的輻射分解為λmin2～λmax2(本實施例取為800nm～1000nm)的近紅外波段輻射及λmin1～λmax1(本實施例取為450nm～750nm)的可見光波段輻射，分別從兩個出射面出射。黑白CCD面陣傳感器13與彩色CCD面陣傳感器14為具有同一型號CCD芯片的傳感器；黑白CCD面陣傳感器13置于分光棱鏡組12出射輻射為800nm～1000nm一側(cè)的出射面上，對出射的近紅外波段輻射進行成像，獲取待測物體10的近紅外波段輻射信號；彩色CCD面陣傳感器14則置于分光棱鏡組12出射輻射為450nm～750nm一側(cè)的出射面上，對出射的可見光波段輻射進行成像，并利用內(nèi)嵌的紅、綠、藍三個波段感應(yīng)單元將其分解轉(zhuǎn)換為待測物體10的紅、綠、藍三路波段輻射信號。數(shù)據(jù)采集分析單元15，以個人電腦為平臺，通過CCD傳感器的數(shù)據(jù)輸出接口采集近紅外波段輻射信號及紅、綠、藍三路波段輻射信號共四路測量信號，并利用多光譜測溫法進行溫度場計算。
上述的待測物體是指溫度范圍在1000K～3000K之間的具有連續(xù)輻射特性的高溫物體，其在CCD傳感器的波段響應(yīng)區(qū)間內(nèi)的自發(fā)輻射強度要遠遠大于背景環(huán)境反射輻射強度的干擾，使得CCD傳感器獲得的測量信號能夠直接定量反映高溫物體自發(fā)輻射強度的大小。
上述的多光譜測溫法為一種常用的輻射測溫方法，通用的表述如下具有連續(xù)輻射特性的物體發(fā)射率用一個關(guān)于波長的多項式函數(shù)予以描述，在多個波長下測量物體的輻射強度，結(jié)合光譜發(fā)射率模型，可以求得物體的溫度。通常在有限的波段區(qū)間內(nèi)，常用O階(灰體)、1階(線性)、2階(二次函數(shù))形式。在后續(xù)本實施例中將采用2階多項式函數(shù)的表述形式(灰體、線性發(fā)射率函數(shù)均是其的特例形式)，發(fā)射率函數(shù)中共有三個待定系數(shù)，通過4路信號測量方程的反演計算，可以同時求得溫度及3個待定系數(shù)。然而，任何包含三個或小于三個待定參數(shù)的發(fā)射率函數(shù)，均可以通過本發(fā)明技術(shù)方案獲得的4路信號測量方程，計算溫度數(shù)值，其仍然也歸為多光譜測溫法。
繼續(xù)參考圖1所示，應(yīng)用上述本發(fā)明雙CCD溫度場測量裝置實施例的測量方法過程具體如下所述。
首先，高溫待測物體10的輻射通過光學(xué)鏡頭11，投射在分光棱鏡組12上，分光棱鏡組12通過鍍膜的反射和透射將投射輻射分解為450nm～750nm和800nm～1000nm兩個波段輻射；直接透射的450nm～750nm可見光波段輻射成像在分光棱鏡組12右側(cè)的彩色CCD面陣傳感器14上，反射的800nm～1000nm近紅外波段輻射成像在分光棱鏡組12下側(cè)的黑白CCD面陣傳感器13上。
其次，分光棱鏡組12、黑白CCD面陣傳感器13、彩色CCD面陣傳感器14構(gòu)成的光學(xué)成像系統(tǒng)，需進行必要的光路校正，使其可對物體清晰成像，并且兩個傳感器獲得的圖像能夠點點對應(yīng)，實現(xiàn)非失真的融合匹配。
然后，彩色CCD面陣傳感器14內(nèi)嵌有紅、綠、藍三個不同的波段感應(yīng)單元，因此將450nm～750nm可見光輻射分解轉(zhuǎn)換為紅、綠、藍三路窄波段的輻射信號，并傳輸至數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)15；同時黑白CCD面陣傳感器13的一路輻射信號也傳輸至數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)15。綜上所述，通過雙CCD傳感器的融合，將獲得高溫待測物體10輻射的四路不同光譜分布的測量圖像信號。
最后，四路圖像信號傳輸至數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)15，依據(jù)以下a)～e)所述的原理實現(xiàn)溫度場的計算反演。
a).通過分光棱鏡后，彩色CCD面陣傳感器14輸出的三路輻射信號及黑白CCD面陣傳感器13輸出的一路輻射信號分別為 上角標(i，j)表示傳感器成像焦平面上任一點的坐標。


分別表示彩色CCD面陣傳感器14在點(i，j)上的紅、綠、藍三路輻射強度輸出值，

表示黑白CCD面陣傳感器13在點(i，j)上的一路輻射強度輸出值，

可分別根據(jù)四路測量信號得到。

為彩色CCD面陣傳感器14測量的非光譜因子，

為黑白CCD面陣傳感器13測量的非光譜因子；

與成像距離、角度、光電轉(zhuǎn)換系數(shù)以及棱鏡分光系數(shù)等因素相關(guān)，

的相對大小關(guān)系，一般可以通過光路校正、調(diào)節(jié)使二者相等，后文中均用Φi，j表示。SR(λ)、SG(λ)、SB(λ)分別表示彩色CCD面陣傳感器14的紅、綠、藍三個不同光譜響應(yīng)與光學(xué)鏡頭11、分光棱鏡組12光譜響應(yīng)的綜合光譜分布曲線，SIR(λ)為黑白CCD面陣傳感器13的光譜響應(yīng)與光學(xué)鏡頭11、分光棱鏡組12光譜響應(yīng)的綜合光譜分布曲線，SR(λ)、SG(λ)、SB(λ)、SIR(λ)均為已知量。Ti，j表示待測物體在點(i，j)上的溫度，為未知量。Ib，λ(Ti，j)為與待測物體相同溫度Ti，j下的黑體光譜功率分布函數(shù)，其僅與溫度Ti，j相關(guān)。
b).以上方程組(1)中，ελ(Ti，j)為待測物體的光譜發(fā)射率函數(shù)，具有連續(xù)輻射特性的物體的光譜發(fā)射率在數(shù)學(xué)上通?？梢杂枚囗検胶瘮?shù)予以描述，然而在一個有限的波段(450nm～1000nm)內(nèi)，采用公式(2)的二階多項式函數(shù)表征光譜發(fā)射率具有很高的精度。
ελ(Ti，j)＝a0+a1·λ+a2·λ2(2) 光譜發(fā)射率函數(shù)中共有三個待定系數(shù)(a0，a1，a2)，合并變量，方程組(1)中的四個方程中共有(Ti，j，Φ·a0，Φ·a1，Φ·a2)四個未知量，因此溫度的數(shù)學(xué)求解是封閉從而能夠繼續(xù)實現(xiàn)基于4通道的多光譜輻射測溫。
實際上，黑體、灰體假設(shè)以及線性發(fā)射率模型，均是光譜發(fā)射率函數(shù)(2)的特例形式，對于這些特例形式，利用四個通道測量量

數(shù)學(xué)求解時，未知量的數(shù)目小于方程組的數(shù)目，運用最小二乘法，可以使溫度的求解誤差更小。本發(fā)明中的光譜發(fā)射率函數(shù)用二階多項式予以表述，但不局限于此，任何包含三個或小于三個待定參數(shù)的光譜發(fā)射率函數(shù)，均可以通過本發(fā)明獲得的四路信號測量方程組(1)，計算求解逐點溫度場Ti，j。
基于上述原理，在求解過程中，可繼續(xù)如c)～e)所述建立測溫數(shù)據(jù)庫，以滿足實時溫度計算的需要。
c).將光譜發(fā)射率函數(shù)(2)代入方程組(1)，得到新的方程組(3) d).定義公式中的12個積分量為βIR，0、βIR，1、βIR，2、βR，0、βR，1、βR，2、βG，0、βG，1、βG，2、βB，0、βB，1、βB，2，表述如下 　　　　　n＝R，G，B； n＝R，G，B； n＝R，G，B； 則將方程組(3)改寫為方程組(4)， e).從d)中可以看出，積分運算僅與溫度相關(guān)。因此，可以預(yù)先對于每個溫度求解12個積分量并建立存儲溫度與12個積分量對應(yīng)關(guān)系的測溫數(shù)據(jù)庫。在溫度計算時，可省去積分運算的步驟，直接在測溫數(shù)據(jù)庫中進行溫度查詢，之后利用查詢得到的積分值和四個已知量

對方程組(4)進行迭代運算，從而反演得到溫度Ti，j。
上述本發(fā)明實施例建立的基于雙CCD融合的四通道輻射溫度場測量技術(shù)，具有以下優(yōu)點 (1)與現(xiàn)有技術(shù)中非成像的單點輻射測溫技術(shù)相比，將點測量擴展到了二維場測量，獲得了更為豐富的高溫物體溫度信息；此外，二維場測量區(qū)域的對準比點測量區(qū)域的對準容易，在測量使用時將更為方便。
(2)與現(xiàn)有技術(shù)中成像式溫度場測量方法和技術(shù)相比，在測量時利用了分光棱鏡及彩色CCD分光的處理方式，同時獲取了四路不同波段響應(yīng)的輻射強度信號，采用了適用性更強的多光譜測溫法，測量物體不僅僅局限于傳統(tǒng)的比色測溫法所適用的范圍，因而應(yīng)用范圍更為廣泛，具有更大的通用性。
(3)采用了測溫數(shù)據(jù)庫，提高了溫度求解速度，可應(yīng)用于實時在線溫度計算。
(4)技術(shù)實現(xiàn)方案較為簡單，分光棱鏡的光學(xué)加工并不復(fù)雜，CCD面陣傳感器是非常成熟的商業(yè)產(chǎn)品，因此集成系統(tǒng)的成本不高、性能穩(wěn)定等，在高溫檢測等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域易于推廣應(yīng)用。
以上為本發(fā)明的最佳實施方式，依據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠顯而易見地想到一些雷同、替代方案，均應(yīng)落入本發(fā)明保護的范圍。
權(quán)利要求
1、一種雙CCD溫度場測量裝置，其特征在于，該裝置包括光學(xué)鏡頭、分光棱鏡組、黑白CCD面陣傳感器、彩色CCD面陣傳感器及數(shù)據(jù)采集分析單元，
所述光學(xué)鏡頭，用于光學(xué)成像，將待測物體的輻射聚焦在所述分光棱鏡組的入射面上；
所述分光棱鏡組，將投射的輻射分解為近紅外波段輻射及可見光波段輻射，分別從兩個出射面出射；
所述黑白CCD面陣傳感器，對所述分光棱鏡組出射的近紅外波段輻射進行成像，獲取待測物體的近紅外波段輻射信號；
所述彩色CCD面陣傳感器，對所述分光棱鏡組出射的可見光波段輻射進行成像，并分解轉(zhuǎn)換為待測物體的紅、綠、藍三路波段輻射信號；
所述數(shù)據(jù)采集分析單元，采集所述近紅外波段輻射信號及紅、綠、藍三路波段輻射信號共四路測量信號，并利用多光譜測溫法進行溫度場計算。
2、如權(quán)利要求1所述的雙CCD溫度場測量裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集分析單元利用多光譜測溫法進行溫度場計算是根據(jù)以下方程組完成
其中，上角標(i，j)表示傳感器成像焦平面上任一點的坐標；
分別表示彩色CCD面陣傳感器在點(i，j)上的紅、綠、藍三路輻射強度輸出值，
表示黑白CCD面陣傳感器在點(i，j)上的一路輻射強度輸出值，為分別根據(jù)所述四路測量信號得到的已知量；
為彩色CCD面陣傳感器測量的非光譜因子，
為黑白CCD面陣傳感器測量的非光譜因子，并且通過光路校正調(diào)節(jié)使為未知量；λmin1～λmax1為可見光波段，λmin2～λmax2為近紅外波段；SR(λ)、SG(λ)、SB(λ)分別表示彩色CCD面陣傳感器的紅、綠、藍三個不同光譜響應(yīng)與所述光學(xué)鏡頭、分光棱鏡組光譜響應(yīng)的綜合光譜分布曲線，SIR(λ)為黑白CCD面陣傳感器的光譜響應(yīng)與所述光學(xué)鏡頭、分光棱鏡組光譜響應(yīng)的綜合光譜分布曲線，均為已知量；Ti，j表示待測物體在點(i，j)上的溫度，為未知量；Ib，λ(Ti，j)為與待測物體相同溫度Ti，j下的黑體光譜功率分布函數(shù)，僅與溫度Ti，j相關(guān)；ελ(Ti，j)為待測物體的光譜發(fā)射率函數(shù)，包含三個以下的待定參數(shù)。
3、如權(quán)利要求2所述的雙CCD溫度場測量裝置，其特征在于，所述待測物體的光譜發(fā)射率函數(shù)采用二階多項式函數(shù)表征如下
ελ(Ti，j)＝a0+a1·λ+a2·λ2 (2)
則方程組(1)的各方程左邊為四個已知量
右邊包括Ti，j、Φi，j·a0、Φi，j·a1、Φi，j·a2四個未知量，因此方程組(1)的求解是封閉的。
4、如權(quán)利要求3所述的雙CCD溫度場測量裝置，其特征在于，根據(jù)以下步驟建立測溫數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)溫度場的實時計算
將式(2)代入方程組(1)得到方程組(3)，
定義公式中僅與溫度Ti，j相關(guān)的12個積分量為βIR，0、βIR，1、βIR，2、βR，0、βR，1、βR，2、βG，0、βG，1、βG，2、βB，0、βB，1、βB，2，其中，
則將方程組(3)改寫為方程組(4)，
預(yù)先對于每個溫度求解所述12個積分量并建立存儲溫度與12個積分量對應(yīng)關(guān)系的測溫數(shù)據(jù)庫，之后利用所述測溫數(shù)據(jù)庫及四個已知量
對方程組(4)進行迭代運算，反演得到溫度Ti，j。
5、如權(quán)利要求1所述的雙CCD溫度場測量裝置，其特征在于，所述待測物體為溫度范圍為1000K～3000K的具有連續(xù)輻射特性的高溫物體。
6、如權(quán)利要求1～5任一項所述的雙CCD溫度場測量裝置，其特征在于，所述近紅外波段為800nm～1000nm，所述可見光波段為450nm～750nm。
7、一種應(yīng)用如權(quán)利要求1所述裝置的雙CCD溫度場測量方法，其特征在于，該方法包括
利用所述光學(xué)鏡頭將待測物體的輻射聚焦在所述分光棱鏡組的入射面上；
利用所述分光棱鏡組將投射的輻射分解為近紅外波段輻射及可見光波段輻射，并分別從兩個出射面出射；
利用所述黑白CCD面陣傳感器對分光棱鏡組出射的近紅外波段輻射進行成像，獲取待測物體的近紅外波段輻射信號；
利用所述彩色CCD面陣傳感器對分光棱鏡組出射的可見光波段輻射進行成像，并分解轉(zhuǎn)換為待測物體的紅、綠、藍三路波段輻射信號；
利用所述數(shù)據(jù)采集分析單元采集近紅外波段輻射信號及紅、綠、藍三路波段輻射信號共四路測量信號，并利用多光譜測溫法進行溫度場計算。
8、如權(quán)利要求7所述的雙CCD溫度場測量方法，其特征在于，所述利用多光譜測溫法進行溫度場計算是根據(jù)以下方程組完成
其中，上角標(i，j)表示傳感器成像焦平面上任一點的坐標；
分別表示彩色CCD面陣傳感器在點(i，j)上的紅、綠、藍三路輻射強度輸出值，
表示黑白CCD面陣傳感器在點(i，j)上的一路輻射強度輸出值，為分別根據(jù)所述四路測量信號得到的已知量；
為彩色CCD面陣傳感器測量的非光譜因子，
為黑白CCD面陣傳感器測量的非光譜因子，并且通過光路校正調(diào)節(jié)使為未知量；λmin1～λmax1為可見光波段，λmin2～λmax2為近紅外波段；SR(λ)、SG(λ)、SB(λ)分別表示彩色CCD面陣傳感器的紅、綠、藍三個不同光譜響應(yīng)與所述光學(xué)鏡頭、分光棱鏡組光譜響應(yīng)的綜合光譜分布曲線，SIR(λ)為黑白CCD面陣傳感器的光譜響應(yīng)與所述光學(xué)鏡頭、分光棱鏡組光譜響應(yīng)的綜合光譜分布曲線，均為已知量；Ti，j表示待測物體在點(i，j)上的溫度，為未知量；Ib，λ(Ti，j)為與待測物體相同溫度Ti，j下的黑體光譜功率分布函數(shù)，僅與溫度Ti，j相關(guān)；ελ(Ti，j)為待測物體的光譜發(fā)射率函數(shù)，包含三個以下的待定參數(shù)。
9、如權(quán)利要求8所述的雙CCD溫度場測量方法，其特征在于，所述待測物體的光譜發(fā)射率函數(shù)采用二階多項式函數(shù)表征如下
ελ(Ti，j)＝a0+a1·λ+a2·λ2 (2)
則方程組(1)的各方程左邊為四個已知量
右邊包括Ti，j、Φi，j·a0、Φi，j·a1、Φi，j·a2四個未知量，因此方程組(1)的求解是封閉的。
10、如權(quán)利要求9所述的雙CCD溫度場測量方法，其特征在于，根據(jù)以下步驟建立測溫數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)溫度場的實時計算
將式(2)代入方程組(1)得到方程組(3)，
定義公式中僅與溫度Ti，j相關(guān)的12個積分量為βIR，0、βIR，1、βIR，2、βR，0、βR，1、βR，2、βG，0、βG，1、βG，2、βB，0、βB，1、βB，2，其中，
則將方程組(3)改寫為方程組(4)，
預(yù)先對于每個溫度求解所述12個積分量并建立存儲溫度與12個積分量對應(yīng)關(guān)系的測溫數(shù)據(jù)庫，之后利用所述測溫數(shù)據(jù)庫及四個已知量
對方程組(4)進行迭代運算，反演得到溫度Ti，j。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雙CCD溫度場測量裝置，包括光學(xué)鏡頭，用于將待測物體的輻射聚焦在分光棱鏡組的入射面上；分光棱鏡組，將投射的輻射分解為近紅外波段輻射及可見光波段輻射，分別從兩個出射面出射；黑白CCD面陣傳感器，對近紅外波段輻射進行成像，獲取近紅外波段輻射信號；彩色CCD面陣傳感器，對可見光波段輻射進行成像，并分解轉(zhuǎn)換為紅、綠、藍三路波段輻射信號；數(shù)據(jù)采集分析單元，采集近紅外波段輻射信號及紅、綠、藍三路波段輻射信號共四路測量信號，并利用多光譜測溫法進行溫度場計算。本發(fā)明還涉及一種對應(yīng)的溫度場測量方法。本發(fā)明的技術(shù)方案可以實現(xiàn)溫度場測量，應(yīng)用范圍廣泛；且技術(shù)方案實現(xiàn)簡單，在高溫檢測等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域易于推廣應(yīng)用。
文檔編號G01J5/00GK101476939SQ20091007746
公開日2009年7月8日 申請日期2009年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月12日
發(fā)明者符泰然, 余景文, 瑋 龔, 程曉舫 申請人:清華大學(xué)