專利名稱：一種基于三ccd集成的溫度場測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
涉及光學(xué)測溫技術(shù)，尤其涉及一種基于三個CCD(ChargeCoupled Device,電荷耦 合器件)面陣傳感器光譜融合的溫度場測量裝置。
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。 隨著圖像光電傳感器CCD不斷地更新發(fā)展，基于CCD面陣傳感器的光學(xué)測溫方法 與技術(shù)，在溫度場測量方面展現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢。許多科研機構(gòu)應(yīng)用CCD傳感器開展了高 溫輻射溫度場的測量研究工作，CCD傳感器在輻射測溫儀器研制領(lǐng)域展現(xiàn)了很好的應(yīng)用前 景，現(xiàn)有技術(shù)已有的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀如下所述。 —種是采用單個彩色CCD相機(或攝像機)作為光學(xué)測溫儀器，利用內(nèi)嵌的RGB彩 色濾色器陣列實現(xiàn)彩色復(fù)現(xiàn)，提供紅、綠、藍三個顏色通道a、直接利用三個顏色通道的波 段響應(yīng)，結(jié)合特定的發(fā)射率模型，進行溫度場的測量計算(中國科學(xué)G輯，34(6) :639-647， 2004)。 b、將三個通道的波段響應(yīng)測量近似地處理為單色響應(yīng)測量(中國電機工程學(xué)報， 20(1) :70-72,2000 ;儀器儀表學(xué)報，24 (6) :653-656， 2003)，即將顏色三基色的中心波長作 為測量的三個有效波長，進而利用比色測溫法，實現(xiàn)溫度場的計算；然而，實際上有效波長 并非一個常量，其是隨著測量物體的輻射光譜分布不同而不同，這種有效波長的簡化處理 方法，會給溫度計算帶來誤差。上述方案a和b的應(yīng)用均體現(xiàn)了 一個主要局限性，即內(nèi)嵌RGB 彩色濾色器陣列提供三個顏色通道實現(xiàn)色彩的真實復(fù)現(xiàn)，其是基于標準人眼的光譜三剌激 值進行設(shè)計的，因此，三個通道的波段響應(yīng)特性一般是固定不變的，這往往會限制儀器測溫 的應(yīng)用，從而無法自主選擇合適的三個波段光譜響應(yīng)函數(shù)以實現(xiàn)溫度的優(yōu)化測量。 另一種方案是采用單個黑白CCD作為光學(xué)測溫傳感器，將2個具有不同單色波 長的濾色片交替放置于CCD前，測量物體在兩個波長下的相對輻射強度值，再根據(jù)比色 法進行溫度計算(IEEE TRANS-ACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, 51 (5): 990-995,2002)。這種方法應(yīng)用時，雖然可以較靈活的選擇所需要的波長，但需要滿足在2 個單色濾色片交替測量的時間段內(nèi)物體溫度場保持穩(wěn)定的條件，對于瞬態(tài)溫度場測量這種 要求往往難以滿足，從而具有應(yīng)用上的局限性。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種基于三CCD集成的溫度場測量裝置，以克服現(xiàn)有技 術(shù)中基于單CCD溫度場測量技術(shù)在應(yīng)用上的局限性。 為了達到上述目的，本實用新型的技術(shù)方案提出一種基于三CCD集成的溫度場測量裝置，該裝置包括光學(xué)鏡頭、分光棱鏡組、三個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，將投射的輻射分為三束不同方向、不同波長的單色輻射，分別從 三個出射面出射； 所述三個CCD面陣傳感器，相同型號，分別設(shè)置于所述分光棱鏡組的三個出射面 處； 所述三個CCD面陣傳感器，分別對三路不同波長的出射輻射進行成像，獲得三路 光譜非相關(guān)的CCD圖像； 所述數(shù)據(jù)采集分析單元，對三路CCD圖像數(shù)據(jù)進行采集，并利用多光譜測溫法進 行溫度場計算。 上述的基于三CCD集成的溫度場測量裝置中，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。 上述的基于三CCD集成的溫度場測量裝置中，所述分光棱鏡組出射的三束不同波 長的單色輻射的波長范圍為400nm 1100nm。 本實用新型的技術(shù)方案通過三CCD光譜融合采集待測物輻射強度信息，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為本實用新型基于三CCD集成的溫度場測量裝置實施例結(jié)構(gòu)圖。
具體實施方式
以下實施例用于說明本實用新型，但不用來限制本實用新型的范圍。 圖1為本實用新型三CCD溫度場測量裝置實施例結(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、三個CCD面陣傳感器131 133及數(shù)據(jù)采 集分析單元14。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是由多個棱鏡拼 接而成，通過棱鏡鍍膜設(shè)計，使入射輻射在不同的棱鏡結(jié)合面上經(jīng)由透射和反射，最終分解 為三束不同方向、不同波長的單色輻射，分別由棱鏡的三個不同側(cè)面出射出去；三束射出單 色輻射的波長范圍為400nm 1100nm。三個波長的具體選擇可根據(jù)實際測量的需要進行設(shè) 計，即考慮溫度測量范圍、分辨精度、測溫誤差、優(yōu)化測量等諸多因素。三個CCD面陣傳感器 131 133為同一型號的黑白CCD傳感器，分別設(shè)置于分光棱鏡組12的三個出射面處。三 個CCD面陣傳感器131 133的曝光時間設(shè)置相同，并且通過硬件幀采集控制保障傳感器 同步采集，從而分別對三路不同波長的出射輻射進行成像，獲得三路光譜非相關(guān)的CCD圖 像。數(shù)據(jù)采集分析單元14則對三路CCD圖像數(shù)據(jù)進行采集，并利用多光譜測溫法進行溫度 場計算。 上述實施例中，分光棱鏡組12、 CCD面陣傳感器131 133構(gòu)成的分光成像系統(tǒng)，還需要進行光路校正，使得三個CCD面陣傳感器131 133可對物體清晰成像，獲得的圖 像能夠點點對應(yīng)，共同反應(yīng)同一測量目標物體。至于所述的待測物體則是指溫度范圍在 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。通常在有限的波長區(qū)間內(nèi)，常用0階 (灰體)、1階(線性)、2階(二次函數(shù))形式。在后續(xù)本實施例中將采用線性發(fā)射率函數(shù) 的表述形式(灰體是其的特例形式)，發(fā)射率函數(shù)中共有兩個待定系數(shù)，通過3路信號測量 方程的反演計算，可以同時求得溫度及兩個待定系數(shù)。然而，任何包含兩個或小于兩個待定 參數(shù)的發(fā)射率函數(shù)，均可以通過本實用新型技術(shù)方案獲得的3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)用上述本實用新型基于三CCD集成的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ll，投射在分光棱鏡組12上，分光棱 鏡組12將投射輻射分為三束不同方向、不同波長的單色輻射，波長范圍為400nm 1100nm。 接續(xù)，在三束分光光束的三個出射面處(棱鏡上側(cè)、下側(cè)、右側(cè))，分別放置三個相 同型號的、具有數(shù)字傳輸接口的黑白CCD面陣傳感器131 133，三束分光光束分別成像在 CCD面陣傳感器131 133上。在400nm 1100nm波長區(qū)間，三個波長的具體選擇可根據(jù) 實際測量的需要進行設(shè)計，即考慮溫度測量范圍、分辨精度、測溫誤差、優(yōu)化測量等諸多因 素。例如，本實施例可以選擇設(shè)計三個波長分別為600nm、700nm、800nm，半寬度均為10nm，。 接續(xù)，CCD傳感器131 133的曝光時間設(shè)置相同，并且通過幀控制保證三路CCD 傳感器同步采集。CCD面陣傳感器131 133將同時獲得三路光譜非相關(guān)的CCD成像圖像， 圖像灰度代表了目標物體相對輻射強度信息。 另外，分光棱鏡組12、黑白CCD面陣傳感器131 133共同構(gòu)成的光學(xué)成像系統(tǒng)， 需進行必要的光路校正，使得CCD面陣傳感器131 133可對物體清晰成像，并且使獲得的 圖像能夠點點對應(yīng)，實現(xiàn)非失真的融合匹配。 最后，三路圖像信號傳輸至數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)14，依據(jù)以下a) e)所述的原理實 現(xiàn)溫度場的計算反演。 a).通過分光棱鏡組后，三路黑白CCD面陣傳感器輸出的輻射信號為 <formula>formula see original document page 5</formula> 其中，上角標(i， j)表示傳感器成像焦平面上任一點的坐標；V/'J'、V/'J'、V3i'J'分別 表示所述三個CCD面陣傳感器的相對輻射強度輸出值，為已知量；①"J'為所述CCD面陣傳感 器測量的非光譜因子，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)，為 未知量；、、、、、分別表示光學(xué)鏡頭、分光棱鏡組以及CCD面陣傳感器合并而成的不同出射面處、三個不同波長(、，、，、)下的光譜透過率，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(入，T")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)，Ib( A p f'J') 、 Ib ( A 2， f'J') 、 Ib ( A 3， f'J')則分別代表三個不同波長下的黑體光譜功率。 b).以上方程組(1)中，e ("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，一般而言，在一個有 限的波長區(qū)間內(nèi)應(yīng)用時，采用線性函數(shù)表征光譜發(fā)射率具有很高的精度，如下式所示 e (入，T") = A+B 入 (2) 光譜發(fā)射率函數(shù)中共有兩個待定系數(shù)(A， B)，合并變量，方程組(1)中的 三個方程中共有(T"'，①i'"A，①i'"B)三個未知量，因此溫度的數(shù)學(xué)求解是封閉 化",)^)3") O (r力，(D" 乂O" ，從而能夠繼續(xù)實現(xiàn)基于3通道的多光譜輻射測溫。 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(l)，得到新的方程組(3):
'r/')=①".v u" 、 "'乂)+。'■J V 5." ","J)' C;①".、.i/"^,r") + (D"、IVA(^T'0 (3)
d).定義公式中僅與溫度Ti'J'相關(guān)的6個量為Pu、 Pu、 13 射
〕、P 2,1、 P 3,0、 P
=、,《.A (&J") ， m = 1， 2， 3 ;n = 0， 1. (4) 則將方程組(3)改寫為方程組(5)， >/J =①'J . j. A,o +①'J .丑 A,i j C =①'J . ^ A,。 +①'J "2,！ ( 5 )
F3"-W.丄A,。+①"'萬./^ e).從d)中可以看出，6個量的運算僅與溫度相關(guān)。因此，可以預(yù)先對于每個溫度 求解上述6個量并建立存儲溫度與6個量對應(yīng)關(guān)系的測溫數(shù)據(jù)庫，之后利用所述測溫數(shù)據(jù) 庫及三個已知量V」'J'、V/'J'、V/'J'對方程組(5)進行迭代運算，反演得到溫度T"'。 參考上述實施例關(guān)于b)的描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員同時可以知悉，黑體、灰體測 量情形(如e (T"J) =^，均是光譜發(fā)射率函數(shù)式(2)的特例形式，這時式(1)的測量方程 組寫為
(6).爿.
〖"W 在式(6)中，僅有兩個未知量(T" J'， J' A)，利用三個通道測量量(V」'J'， V/' j， v/' J')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。[0047] 由上述實施例可知，本實用新型中的光譜發(fā)射率函數(shù)用線性函數(shù)予以表述，但也 不局限于此，任何包含兩個或小于兩個待定參數(shù)的發(fā)射率函數(shù)，均可以通過本實用新型獲 得的3路信號測量方程，計算求解逐點溫度場T"J。例如，對于發(fā)光火焰溫度場測量，具有一 個待定參數(shù)的Hottel模型也已被廣泛使用，用以表征火焰光譜發(fā)射率 e A = l-exp(-KL/A " (7) 式(7)是一個半經(jīng)驗公式，其中，a是常數(shù)，系數(shù)K正比于粒子濃度，L是光程，其 乘積KL可作為綜合表征濃度的變量。這時式(1)的測量方程組可寫為
、"=O". V (1 — exp(一虹/ O). J)
^ W'、 .(l-exp(-虹/"))./" W) ( 8 )
K" = 0>" .、 .(1-exp(—虹/々》./》(A，r")
在式(8)中，同樣也僅有兩個未知量(T， KL)，利用三個通道測量量(V/'J'， V/'J， v/'J')可以迭代求解出溫度值。具體過程與上述本實用新型的實施例類似，此處不再加以贅 述。 綜上所述，本實用新型基于三CCD融合的溫度場測量技術(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方法相比，本實用新型將點測量擴展到
了二維場測量，獲得了更為豐富的高溫物體溫度信息。 (2)與現(xiàn)有技術(shù)中CCD成像式溫度場測量方法相比，本實用新型在測量時利用了 三通道分光成像處理方式，可以同時獲取三路光譜非相關(guān)的輻射強度成像數(shù)據(jù)，三個測量 通道的具體波長選擇可以根據(jù)需要進行設(shè)計，以更好地滿足溫度優(yōu)化測量等多方面的要 求。 (3)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，因而本實用新型的應(yīng)用范圍將更為廣泛，具有更大的通用性。 (4)技術(shù)實現(xiàn)方案較為簡單，三通道分光棱鏡易于光學(xué)加工，CCD面陣傳感器是成
熟的商業(yè)產(chǎn)品，因此系統(tǒng)集成成本不高、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。 以上為本實用新型的最佳實施方式，依據(jù)本實用新型公開的內(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)落入本實用新型保護的范圍。
權(quán)利要求一種基于三CCD集成的溫度場測量裝置，其特征在于，該裝置包括光學(xué)鏡頭、分光棱鏡組、三個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，將投射的輻射分為三束不同方向、不同波長的單色輻射，分別從三個出射面出射；所述三個CCD面陣傳感器，分別設(shè)置于所述分光棱鏡組的三個出射面處；所述三個CCD面陣傳感器，分別對三路不同波長的出射輻射進行成像，獲得三路光譜非相關(guān)的CCD圖像；所述數(shù)據(jù)采集分析單元，對三路CCD圖像數(shù)據(jù)進行采集，并利用多光譜測溫法進行溫度場計算。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于三CCD集成的溫度場測量裝置，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。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的基于三CCD集成的溫度場測量裝置，其特征在于，所述分光 棱鏡組出射的三束不同波長的單色輻射的波長范圍為400nm 1100nm。
專利摘要本實用新型涉及一種三CCD集成的溫度場測量裝置，包括光學(xué)鏡頭，用于光學(xué)成像，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，起到分光的作用，將投射的輻射分為三束不同方向、不同波長的單色輻射，分別從三個出射面出射；三個CCD面陣傳感器，與分光棱鏡組共同集成，分別設(shè)置于分光棱鏡組的三個出射面處，對三路不同波長的出射輻射進行成像，獲得三路光譜非相關(guān)的CCD圖像；數(shù)據(jù)采集分析單元，對三路CCD圖像數(shù)據(jù)進行采集，并利用多光譜測溫法進行溫度場計算。本實用新型的技術(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G01J5/10GK201464047SQ20092010801
公開日2010年5月12日 申請日期2009年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月12日
發(fā)明者史聰靈, 程曉舫, 符泰然, 鐘茂華 申請人:清華大學(xué)