專利名稱：一種三ccd溫度場測量裝置及方法
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(gè)CCD (Charge Coupled Device,電荷耦合器件)面陣傳感器光譜融合的溫度場測量 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巿場需求和廣闊的應(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(jià)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(jī)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。
一種是釆用單個(gè)彩色CCD相機(jī)(或攝像機(jī))作為光學(xué)測溫儀器， 利用內(nèi)嵌的RGB彩色濾色器陣列實(shí)現(xiàn)彩色復(fù)現(xiàn)，提供紅、綠、藍(lán)三 個(gè)顏色通道a、直接利用三個(gè)顏色通道的波段響應(yīng)，結(jié)合特定的發(fā) 射率模型，進(jìn)行溫度場的測量計(jì)算(中國科學(xué)G輯，34(6):639-647, 2004 )。 b、將三個(gè)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(jī)工程學(xué)報(bào)，20(l):70-72， 2000;儀器儀表學(xué)報(bào)，24(6):653隱656, 2003 )，即將顏色三基色的中心波長作為測量的三個(gè)有效波長，進(jìn)而利用比色測溫法，實(shí)現(xiàn)溫度場的計(jì)算；然而，實(shí)際上有效波長并非一 個(gè)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(huì)給溫度計(jì)算帶來誤差。上述方案a和b的應(yīng)用 均體現(xiàn)了一個(gè)主要局限性，即內(nèi)嵌RGB彩色濾色器陣列提供三個(gè)顏 色通道實(shí)現(xiàn)色彩的真實(shí)復(fù)現(xiàn)，其是基于標(biāo)準(zhǔn)人眼的光譜三刺激值進(jìn)行 設(shè)計(jì)的，因此，三個(gè)通道的波段響應(yīng)特性一般是固定不變的，這往往 會(huì)限制儀器測溫的應(yīng)用，從而無法自主選擇合適的三個(gè)波段光譜響應(yīng) 函數(shù)以實(shí)現(xiàn)溫度的優(yōu)化測量。
另一種方案是釆用單個(gè)黑白CCD作為光學(xué)測溫傳感器，將2個(gè) 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(gè)波 長下的相對輻射強(qiáng)度值，再根據(jù)比色法進(jìn)行溫度計(jì)算(IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT ， 51(5):990-995， 2002 )。這種方法應(yīng)用時(shí)，雖然可以較靈活的選擇所 需要的波長，但需要滿足在2個(gè)單色濾色片交替測量的時(shí)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。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種三CCD溫度場測量裝置及方法，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(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案提出一種三CCD溫度場 測量裝置，該裝置包括光學(xué)鏡頭、分光棱鏡組、濾色片、三個(gè)CCD 面陣傳感器及數(shù)據(jù)釆集分析單元，
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，將投射的輻射等分為三束不同方向的波段輻 射，分別從三個(gè)出射面出射；
所述三個(gè)CCD面陣傳感器，相同型號(hào)，分別設(shè)置于所述分光棱鏡組的三個(gè)出射面處；所述濾色片則設(shè)于每個(gè)CCD面陣傳感器的焦
平面與分光棱鏡組的出射面之間，并且三個(gè)濾色片具有線性非相關(guān)的
光譜透過率分布函數(shù)；
所述三個(gè)CCD面陣傳感器，分別對三路經(jīng)過所述濾光片的出射 輻射進(jìn)行成像，獲得三路光譜非相關(guān)的CCD圖像；
所述數(shù)據(jù)釆集分析單元，對三路CCD圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行釆集，并利 用多光譜測溫法進(jìn)行溫度場計(jì)算。
上述的三CCD溫度場測量裝置中，所述數(shù)據(jù)釆集分析單元利用 多光譜測溫法進(jìn)行溫度場計(jì)算是根據(jù)以下方程組完成
F/j =①".「ax r,(義) ccD(義).^ (r'乂) /6義(r">義 <=①'j 廣《 ^ (義).cc"(;i). ^ (rJ). /M (r")" (i)
=①u 廣職巧(義) CCZ)(義》^ (r,/),/6義)^義
其中，上角標(biāo)G，y)表示傳感器成像焦平面上任一點(diǎn)的坐標(biāo)；k"、 g.'、 p^分別表示所述三個(gè)CCD面陣傳感器的相對輻射強(qiáng)度輸出值， 為已知量；①"為所述CCD面陣傳感器測量的非光譜因子，為未知量； 、in ~ amax為分光棱鏡組出射的三束波段輻射的響應(yīng)波段；ccz)(a)為所 述CCD面陣傳感器的光譜響應(yīng)特性函數(shù)，為已知量；r,(/i)、 r2(A)、 r3 (;i)分別表示各濾色片的光譜透過率分布函數(shù)與光學(xué)鏡頭、分光棱 鏡組的光譜透過率曲線合并而成的綜合光譜透過率函數(shù)，為已知量； r"'表示待測物體在點(diǎn)(,w)上的溫度，為未知量；、(r")為與待測物 體相同溫度r"下的黑體光譜功率分布函數(shù)，僅與溫度r"相關(guān)； ^(r"為待測物體的光譜發(fā)射率函數(shù)，包含兩個(gè)以下的待定參數(shù)。
上述的三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)釆用線性函數(shù)表征如下
f義(r、7 )二Q。+a!./1 (2) 則方程組(1)的各方程左邊為三個(gè)已知量f、 f2"、 f3"'，右邊
9包括r"、 CD"."。、 O)"w,三個(gè)未知量，因此方程組(1)的求解是封閉的。
上述的三CCD溫度場測量裝置中，根據(jù)以下步驟建立測溫?cái)?shù)據(jù)
庫實(shí)現(xiàn)溫度場的實(shí)時(shí)計(jì)算
將式(2)代入方程組(1)得到方程組(3)，f =①"."o J廣巧(義).cc"(義).(r'')^
+①','.a, ■廣'"r,(義).CCD (義).義./AA (r'') 3義
K2''' = o"."o. f簡r2 (義).ccz)(義)./,u (r'' p義 (3)
+①'''.",'￡: t2 (義).ccz)(義).a . /M (r'')"
r3" = a>'''. & J" r3 (義).ccd (a) ' /M (r'') w+①".",-J"隨t3 (義).ccd (義).a . /M (r'') d2
定義公式中僅與溫度r"相關(guān)的6個(gè)積分量為a。、 / u、 a,。、 a,、a,。、 a,，其中
/ m" = p^t^^AyCCZ^Ayr-A^rO^a , m = 1,2,3; " = 0,1. (4)則將方程組(3)改寫為方程組(5),
C、①'入flo-A,o +①"'arAi
預(yù)先對于每個(gè)溫度求解所述6個(gè)積分量并建立存儲(chǔ)溫度與6個(gè)積分量對應(yīng)關(guān)系的測溫?cái)?shù)據(jù)庫，之后利用所述測溫?cái)?shù)據(jù)庫及三個(gè)已知量K"、 ^、 C方程組(5)進(jìn)行迭代運(yùn)算，反演得到溫度r"'。
上述的三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。
上述的三CCD溫度場測量裝置中，所述分光棱鏡組出射的三束波段輻射的響應(yīng)波段均為600nm 1000nm，則所述三個(gè)濾色片的波段響應(yīng)區(qū)間也為600nm 1000nm。
10本發(fā)明的技術(shù)方案還提出一種應(yīng)用如上所述裝置的三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等分為三東不同方向的波段
輻射，分別從三個(gè)出射面出射；
利用所述三個(gè)CCD面陣傳感器分別對三路經(jīng)過所述濾光片的出射輻射進(jìn)行成像，獲得三路光譜非相關(guān)的CCD圖像；
利用所述數(shù)據(jù)釆集分析單元對三路CCD圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行釆集，并利用多光譜測溫法進(jìn)行溫度場計(jì)算。
上述的三CCD溫度場測量方法中，所述利用多光譜測溫法進(jìn)行溫度場計(jì)算是根據(jù)以下方程組完成
^=①'，' ￡:巧w cc"w & (r") 7" (r ，')"
'C = 。'y ￡: r2 (外c,h (r'卞義(i)
= 0" 〖:r3 (義).c,) & (r"). /M (r ,卞a
其中，上角標(biāo)(u)表示傳感器成像焦平面上任一點(diǎn)的坐標(biāo)；k"、C'、 C分別表示所述三個(gè)CCD面陣傳感器的相對輻射強(qiáng)度輸出值，
為已知量；O"為所述CCD面陣傳感器測量的非光譜因子，為未知量；
1 a,為分光棱鏡組出射的三束波段輻射的響應(yīng)波段；ccD(a)為所
述CCD面陣傳感器的光譜響應(yīng)特性函數(shù)，為已知量；t, (^)、 rd義)、r3 (義)分別表示各濾色片的光譜透過率分布函數(shù)與光學(xué)鏡頭、分光棱鏡組的光譜透過率曲線合并而成的綜合光譜透過率函數(shù)，為已知量；r"表示待測物體在點(diǎn)(/，力上的溫度，為未知量；/^(r'」;)為與待測物體相同溫度r"下的黑體光譜功率分布函數(shù)，僅與溫度r"相關(guān)；^(r")為待測物體的光譜發(fā)射率函數(shù)，包含兩個(gè)以下的待定參數(shù)。
上述的三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)釆用線性函數(shù)表征如下
iiH,+",.義 (2)
則方程組(1)的各方程左邊為三個(gè)已知量C、 r2"、 ^",右邊 包括r.'、①"w。、 CD"^三個(gè)未知量，因此方程組(1)的求解是封閉 的。
上述的三CCD溫度場測量方法中，根據(jù)以下步驟建立測溫?cái)?shù)據(jù) 庫實(shí)現(xiàn)溫度場的實(shí)時(shí)計(jì)算
將式(2)代入方程組(1)得到方程組(3), =①"■ "o. f腿^ (義).CCD (義).義(r'.') M
氣in 、 Z
+①" "). fax巧(義).cco(義).義.(r'乂 )ca
C =①"."0 ￡j r2 (A) - CCD (義).(r") d義 (3 )
+①".", 丄"r2 (A). CCD (A).義.,u (r'')"
J/3"=①".a0. J^'ax t3 (義).CCD (A).(r'') j義
+①".^ 廣"r3 (義)■ CCD (外/1. /w (r")
定義公式中僅與溫度r"相關(guān)的6個(gè)積分量為/ ,。、 a,,、 a,。、 &、 a。、 a,，其中
= J:a、(;L).CCD(義)Uw(r')" ， w = 1,2,3; " = 0,1. (4)
則將方程組(3)改寫為方程組(5)，
》'老、.a,。+①".",.a,
C =0>'''."0./ 30+0''、 ./ 3|
預(yù)先對于每個(gè)溫度求解所述6個(gè)積分量并建立存儲(chǔ)溫度與6個(gè)積 分量對應(yīng)關(guān)系的測溫?cái)?shù)據(jù)庫，之后利用所述測溫?cái)?shù)據(jù)庫及三個(gè)已知量 f尸、c、 C對方程組(5)進(jìn)行迭代運(yùn)算，反演得到溫度r〃。
本發(fā)明的技術(shù)方案通過三CCD光譜融合釆集待測物輻射強(qiáng)度信 息，并利用適用性更強(qiáng)的多光譜測溫法，可以實(shí)現(xiàn)溫度場測量，應(yīng)用
范圍更為廣泛；通過釆用測溫?cái)?shù)據(jù)庫，提高了溫度求解速度，可應(yīng)用于實(shí)時(shí)在線溫度計(jì)算；且技術(shù)方案實(shí)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)明三CCD溫度場測量裝置實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
以下實(shí)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)明三CCD溫度場測量裝置實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖，如圖所示， 本實(shí)施例的溫度場測量裝置包括光學(xué)鏡頭11、分光棱鏡組12、濾 色片131~133、三個(gè)CCD面陣傳感器141 143及數(shù)據(jù)釆集分析單元 15。其中，光學(xué)鏡頭ll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(jì)為定焦距或是變焦距的鏡頭。 分光棱鏡組12是由多個(gè)棱鏡拼接而成，通過棱鏡鍍膜設(shè)計(jì)，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 向的波段輻射，分別由棱鏡的三個(gè)不同側(cè)面出射出去；三束射出輻射 光響應(yīng)波段均為義， 義_ (本實(shí)施例為600nm~ 1000nm),強(qiáng)度、光 譜分布均相等。三個(gè)CCD面陣傳感器141 143為同一型號(hào)的黑白 CCD傳感器，分別設(shè)置于分光棱鏡組12的三個(gè)出射面處；濾色片 131 133則設(shè)于每個(gè)CCD面陣傳感器的焦平面與分光棱鏡組12的出 射面之間，其在600nm 1000nm波段區(qū)間具有不同的光譜透過率分 布，三個(gè)光譜透過率分布函數(shù)必需是線性非相關(guān)的，以滿足多光譜測 量的要求；上述三個(gè)濾色片131 133的光譜透過率分布函數(shù)可根據(jù)實(shí) 際測量的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，即考慮溫度測量范圍、分辨精度、測溫誤差、 優(yōu)化測量、CCD響應(yīng)特性等諸多因素，三個(gè)濾色片131~133的光譜 透過率分布函數(shù)可具有不同的中心波長、半寬度、峰值等。續(xù)上所述， 三個(gè)CCD面陣傳感器141-143的曝光時(shí)間設(shè)置相同，并且通過硬件 幀釆集控制保障傳感器同步釆集，從而分別對三路經(jīng)過濾光片 131 133的出射輻射進(jìn)行成像，由于三個(gè)濾色片的光譜非相關(guān)特性，因此將獲得三路光譜非相關(guān)的CCD圖像。數(shù)據(jù)釆集分析單元15則對 三路CCD圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行釆集，并利用多光譜測溫法進(jìn)行溫度場計(jì)算。
上述實(shí)施例中，分光棱鏡組12、濾色片131 133、 CCD面陣傳 感器141 143構(gòu)成的分光成像系統(tǒng)，還需要進(jìn)行光路校正，使得三個(gè) CCD面陣傳感器141 143可對物體清晰成像，獲得的圖像能夠點(diǎn)點(diǎn) 對應(yīng)，共同反應(yīng)同一測量目標(biāo)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(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于背景環(huán)境 反射輻射強(qiáng)度的干擾，使得CCD傳感器獲得的測量信號(hào)能夠直接定 量反映高溫物體自發(fā)輻射強(qiáng)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(gè)關(guān)于波長的多項(xiàng)式函數(shù)予
以描述，在多個(gè)波長下測量物體的輻射強(qiáng)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0階(灰體)、 l階(線性)、2階(二次函數(shù))形式。在后續(xù)本實(shí)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(gè)待定系數(shù)，通過3路信號(hào)測量方程的反演計(jì)算，可以同時(shí)求得溫 度及兩個(gè)待定系數(shù)。然而，任何包含兩個(gè)或小于兩個(gè)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3路信號(hào)測量方程，計(jì)算 溫度數(shù)值，其仍然也歸為多光譜測溫法。
繼續(xù)參考圖i所示，應(yīng)用上述本發(fā)明三CCD溫度場測量裝置實(shí)
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將投射輻射等分為三束方向不同、強(qiáng)度與 光譜分布相同的波段輻射，波段響應(yīng)范圍為600nm~ 1000nm。
接續(xù)，在三東分光光束的三個(gè)出射面處(棱鏡上側(cè)、下側(cè)、右側(cè))， 分別放置三個(gè)濾色片131 133，在6Q0nm 1000nm波段區(qū)間濾色片
14131 133具有線性非相關(guān)的光譜透過率分布函數(shù)，以滿足多光譜測量 的要求；濾色片131 133的光譜透過率分布函數(shù)，可根據(jù)實(shí)際測量的 需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，即考慮溫度測量范圍、分辨精度、測溫誤差、優(yōu)化測 量、CCD響應(yīng)特性等諸多因素，三個(gè)濾色片的光譜透過率分布函數(shù) 可具有不同的中心波長、半寬度、峰值等。例如，本實(shí)施例可以選擇
中心波長為750腿、850nm、 950nm三個(gè)濾色片，半寬度均為10nm, 峰值透過率均為75%。
然后，三個(gè)相同型號(hào)的、具有數(shù)字傳輸接口的黑白CCD面陣傳 感器141 143分別安置于濾色片131 133之后，三東光東經(jīng)由濾色 片131 133分別成像在CCD面陣傳感器141 143上；CCD傳感器 141~143的曝光時(shí)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。由于三個(gè)濾色片131 133的光譜非相關(guān)特性，由此CCD 面陣傳感器141 143將同時(shí)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(biāo)物體相對輻射強(qiáng)度信息。
另外，分光棱鏡組12、濾色片131 133、黑白CCD面陣傳感器 141~143共同構(gòu)成的光學(xué)成像系統(tǒng)，需進(jìn)行必要的光路校正，使得 CCD面陣傳感器141 143可對物體清晰成像，并且使獲得的圖像能 夠點(diǎn)點(diǎn)對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)非失真的融合匹配。
最后，三路圖像信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)釆集分析系統(tǒng)15，依據(jù)以下a) e) 所述的原理實(shí)現(xiàn)溫度場的計(jì)算反演。
a).通過分光棱鏡組、濾色片后，三路黑白CCD面陣傳感器輸出 的輻射信號(hào)為
'&= c:》(")"(1)
=①'、'■ CT ^")'CCD (義).& (r") ;a (r、')"
其中，上角標(biāo)(")表示傳感器成像焦平面上任一點(diǎn)的坐標(biāo)；巧"、 K"、 C分別表示所述三個(gè)CCD面陣傳感器的相對輻射強(qiáng)度輸出值，為已知量；①"為所述CCD面陣傳感器測量的非光譜因子，為未知量; CCD(勾為所述CCD面陣傳感器的光譜響應(yīng)特性函數(shù)，為已知量； 7l(A)、 r2(^、 ^(r)分別表示各濾色片的光譜透過率分布函數(shù)與光學(xué) 鏡頭、分光棱鏡組的光譜透過率曲線合并而成的綜合光譜透過率函 數(shù)，為已知量；丌''表示待測物體在點(diǎn)(/,力上的溫度，為未知量； ^(,')為與待測物體相同溫度r"下的黑體光譜功率分布函數(shù)，其僅 與溫度r"相關(guān)。
b) .以上方程組(l)中，^(r'"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)上通常可以用多項(xiàng)式函 數(shù)予以描述， 一般而言，在一個(gè)有限的窄波段內(nèi)(600nm~ lOOOnm)
應(yīng)用時(shí)，釆用線性函數(shù)表征光譜發(fā)射率具有很高的精度，如下式所示
^(r"卜W/L (2)
光譜發(fā)射率函數(shù)中共有兩個(gè)待定系數(shù)("。,"小合并變量，方程組
(1)中的三個(gè)方程中共有(7",^."。，(1)'''."1)三個(gè)未知量，因此溫度
的數(shù)學(xué)求解是封閉(C^"，C)o(r",0)'力、,d)"、)，從而能夠繼續(xù) 實(shí)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?cái)?shù) 據(jù)庫，以滿足實(shí)時(shí)溫度計(jì)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):
一000nm z、 ,、 /——、
F'"=①"'"?！?1。。柳^(義)'ccD(義K,義
,+。、丄朋,譜c,).義.W卞義 < =①"■ 。。. L卵r"A)'cc"(義)'^ (r'')" ( 3 )
+①".a' . L朋,S (義).CCD (義).義.) cU
C =①"'"。.JL ^ w'c,k義(r,')"
d) .定義公式中僅與溫度r"相關(guān)的6個(gè)積分量為a。、 / u、 a。、 a,、 a。、 a,其中=7" "義)'cc"(義)Uw("')"' m = 1'2，3; " = o,i. (4) 則將方程組(3)改寫為方程組(5)，
力''-cD'",-/^"—"''""
e).從d)中可以看出，積分運(yùn)算僅與溫度相關(guān)。因此，可以預(yù)先 對于每個(gè)溫度求解上述6個(gè)積分量并建立存儲(chǔ)溫度與6個(gè)積分量對應(yīng) 關(guān)系的測溫?cái)?shù)據(jù)庫，之后利用所述測溫?cái)?shù)據(jù)庫及三個(gè)已知量f 、 K"、
^"對方程組(5)進(jìn)行迭代運(yùn)算，反演得到溫度r"。
參考上述實(shí)施例關(guān)于b)的描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員同時(shí)可以知 悉，黑體、灰體測量情形(如一r"卜。。)，均是光譜發(fā)射率函數(shù)式(2) 的特例形式，這時(shí)式(1)的測量方程組寫為
< C = °'''. .CT ^ (義).ccd (義).,w (r'') cu (6)
在式(6)中，僅有兩個(gè)未知量(r",①".a。;)，利用三個(gè)通道測量 量化w',f^,f^';)數(shù)學(xué)求解時(shí)，未知量的數(shù)目小于方程組的數(shù)目，運(yùn)用 最小二乘法，可以使溫度的求解誤差更小。
由上述實(shí)施例可知，本發(fā)明中的光譜發(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(gè)或小于兩個(gè)待定參數(shù)的發(fā)射率 函數(shù)，均可以通過本發(fā)明獲得的3路信號(hào)測量方程，計(jì)算求解逐點(diǎn)溫 度場r"。例如，對于發(fā)光火焰溫度場測量，具有一個(gè)待定參數(shù)的
Hottd模型也已被廣泛使用，用以表征火焰光譜發(fā)射率
& =1 —exp(-虹/;i") (7)
式(7)是一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式，其中，"是常數(shù)，系數(shù)《正比于粒 子濃度，丄是光程，其乘積《丄可作為綜合表征濃度的變量。這時(shí)式
17(1)的測量方程組可寫為
<formula>formula see original document page 18</formula>
在式(8)中，同樣也僅有兩個(gè)未知量(r,KZ),利用三個(gè)通道測
量量化",c^)可以迭代求解出溫度值。具體過程與上述本發(fā)明的實(shí)施例類似，此處不再加以贅述。
綜上所述，本發(fā)明基于三CCI)融合的溫度場測量技術(shù)，具有以
下優(yōu)點(diǎn)-.
(1) 與現(xiàn)有技術(shù)中非成像的單點(diǎn)輻射測溫方法相比，本發(fā)明將點(diǎn)測量擴(kuò)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，本發(fā)明在
測量時(shí)利用了濾色片及三通道分光成像處理方式，可以同時(shí)獲取三路光譜非相關(guān)的輻射強(qiáng)度成像數(shù)據(jù)，三個(gè)測量通道的光譜響應(yīng)函數(shù)可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，以更好地滿足溫度優(yōu)化測量等多方面的要求。
(3) 釆用了適用性更強(qiáng)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，因而本發(fā)明的應(yīng)用范圍將更為廣泛，具有更大的通用性。
(4) 技術(shù)實(shí)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。
以上為本發(fā)明的最佳實(shí)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(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1、一種三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、濾色片、三個(gè)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，將投射的輻射等分為三束不同方向的波段輻射，分別從三個(gè)出射面出射；所述三個(gè)CCD面陣傳感器，分別設(shè)置于所述分光棱鏡組的三個(gè)出射面處；所述濾色片則設(shè)于每個(gè)CCD面陣傳感器的焦平面與分光棱鏡組的出射面之間，并且三個(gè)濾色片具有線性非相關(guān)的光譜透過率分布函數(shù)；所述三個(gè)CCD面陣傳感器，分別對三路經(jīng)過所述濾光片的出射輻射進(jìn)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(jìn)行采集，并利用多光譜測溫法進(jìn)行溫度場計(jì)算。
2、 如權(quán)利要求1所述的三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(jìn)行溫度場計(jì)算是根據(jù)以下方程組完成其中，上角標(biāo)(/,力表示傳感器成像焦平面上任一點(diǎn)的坐標(biāo)；K"、r2"、 ^"分別表示所述三個(gè)CCD面陣傳感器的相對輻射強(qiáng)度輸出值，為已知量；^為所述CCD面陣傳感器測量的非光譜因子，為未知量；4 ~義，為分光棱鏡組出射的三束波段輻射的響應(yīng)波段；為所述CCD面陣傳感器的光譜響應(yīng)特性函數(shù)，為已知量；rj義)、r2(/l)、^p;)分別表示各濾色片的光譜透過率分布函數(shù)與光學(xué)鏡頭、分光棱鏡組的光譜透過率曲線合并而成的綜合光譜透過率函數(shù)，為已知量； r"表示待測物體在點(diǎn)(/,./)上的溫度，為未知量；/^(r-)為與待測物 體相同溫度r''下的黑體光譜功率分布函數(shù)，僅與溫度r"相關(guān)； ^(r"為待測物體的光譜發(fā)射率函數(shù)，包含兩個(gè)以下的待定參數(shù)。
3、 如權(quán)利要求2所述的三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)釆用線性函數(shù)表征如下^ (r")-a() + ^ .義 (2)則方程組(1)的各方程左邊為三個(gè)已知量c、 c、 c,右邊包括r"、①'入"。、0'''^1三個(gè)未知量，因此方程組(1)的求解是封閉 的。
4、 如權(quán)利要求3所述的三CCD溫度場測量裝置，其特征在于，根據(jù)以下步驟建立測溫?cái)?shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)溫度場的實(shí)時(shí)計(jì)算 將式(2)代入方程組(1)得到方程組(3), f = o" "。.r,(外ccd (外/,' A (r")"+①". 廣、^ (義) ccd (義) 義.(r'') j;if2w = <d" . "o. r2 (義).ccd (義)./M (r、' p義 (3)+cd" q. j:"'1x r2 (義) ccz)(義).義 /M (r'') = <d" . a0 ■ r職t3 (義)-ccd (義).4義(r'') m定義公式中僅與溫度丌''相關(guān)的6個(gè)積分量為A。、 ^、 A,。、 A,、 A,。、 A,，其中凡,tLW-ccdw.r-/,,""'')^ ，附=1，2,3; " = 0,1. (4) 則將方程組(3)改寫為方程組(5)，預(yù)先對于每個(gè)溫度求解所述6個(gè)積分量并建立存儲(chǔ)溫度與6個(gè)積 分量對應(yīng)關(guān)系的測溫?cái)?shù)據(jù)庫，之后利用所述測溫?cái)?shù)據(jù)庫及三個(gè)已知量^"、 c、 C對方程組(5)進(jìn)行迭代運(yùn)算，反演得到溫度r'、
5、 如權(quán)利要求1所述的三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(xiàng)所述的三CCD溫度場測量裝置，其特 征在于，所述分光棱鏡組出射的三束波段輻射的響應(yīng)波段均為 600nm~ 1 OOOnm,則所述三個(gè)濾色片的波段響應(yīng)區(qū)間也為600nm IOOO亂
7、 一種應(yīng)用如權(quán)利要求1所述裝置的三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等分為三東不同方向的波段輻射，分別從三個(gè)出射面出射；利用所述三個(gè)CCD面陣傳感器分別對三路經(jīng)過所述濾光片的出 射輻射進(jìn)行成像，獲得三路光譜非相關(guān)的CCD圖像；利用所述數(shù)據(jù)釆集分析單元對三路CCD圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行釆集，并利用多光譜測溫法進(jìn)行溫度場計(jì)算。
8、 如權(quán)利要求7所述的三CCD溫度場測量方法，其特征在于，所述利用多光譜測溫法進(jìn)行溫度場計(jì)算是根據(jù)以下方程組完成<formula>formula see original document page 5</formula>其中，上角標(biāo)(u)表示傳感器成像焦平面上任一點(diǎn)的坐標(biāo)；K"、 C、 W分別表示所述三個(gè)CCD面陣傳感器的相對輻射強(qiáng)度輸出值, 為已知量；o"為所述CCD面陣傳感器測量的非光譜因子，為未知量; a, ~a,為分光棱鏡組出射的三束波段輻射的響應(yīng)波段；cc"(義)為所 述CCD面陣傳感器的光譜響應(yīng)特性函數(shù)，為已知量；r，(義)、r2(;i)、 r3 ("分別表示各濾色片的光譜透過率分布函數(shù)與光學(xué)鏡頭、分光棱 鏡組的光譜透過率曲線合并而成的綜合光譜透過率函數(shù)，為已知量； r"表示待測物體在點(diǎn)(/,力上的溫度，為來知量；；"r")為與待測物 體相同溫度r"下的黑體光譜功率分布函數(shù)，僅與溫度r"相關(guān)； ^(r")為待測物體的光譜發(fā)射率函數(shù)，包含兩個(gè)以下的待定參數(shù)。
9、 如權(quán)利要求8所述的三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)釆用線性函數(shù)表征如下^ (") = "0+^ .義 (2)則方程組(1)的各方程左邊為三個(gè)已知量C、 K'、 右邊包括r、'、 <!>''' "。、 (d".a三個(gè)來知量。
10、 如權(quán)利要求9所述的三CCD溫度場測量方法，其特征在于，根據(jù)以下步驟建立測溫?cái)?shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)溫度場的實(shí)時(shí)計(jì)算 將式(2)代入方程組(1)得到方程組(3), g" = ' "0 f鵬^ (義) ，(義)./M (r'') w+①".a . f麗巧(義).cc"(義).義(r'')"義F2" = O" a0. f肌r2 (義) CC"(義).(7'"盧2 ( 3 )= o". "o. fax r3 (義).cot (義).,w (r、') w氣m定義公式中僅與溫度7^相關(guān)的6個(gè)積分量為A,。、 / u、 / 2,、 A,、 A,。、 &，其中<formula>formula see original document page 6</formula>(4)則將方程組(3)改寫為方程組(5)， 力''=$"-00'〃0+巾"、<formula>formula see original document page 6</formula>預(yù)先對于每個(gè)溫度求解所述6個(gè)積分量并建立存儲(chǔ)溫度與6個(gè)積 分量對應(yīng)關(guān)系的測溫?cái)?shù)據(jù)庫，之后利用所述測溫?cái)?shù)據(jù)庫及三個(gè)已知量 r,"、 F2"、 K"對方程組(5)進(jìn)行迭代運(yùn)算，反演得到溫度r"。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種三CCD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，將投射的輻射等分為三束不同方向的波段輻射，分別從三個(gè)出射面出射；三個(gè)CCD面陣傳感器，分別設(shè)置于分光棱鏡組的三個(gè)出射面處，對三路經(jīng)過不同光譜透過率分布的濾光片的出射輻射進(jìn)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(jìn)行采集，并利用多光譜測溫法進(jìn)行溫度場計(jì)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(shí)現(xiàn)溫度場測量，應(yīng)用范圍廣泛；且技術(shù)方案實(shí)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(hào)G01J5/20GK101487740SQ20091007746
公開日2009年7月22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)明者史聰靈, 程曉舫, 符泰然, 鐘茂華 申請人:清華大學(xué)