[發明專利]一種三CCD溫度場測量裝置及方法

有效

• 申請號: 200910077464.1
• 申請日: 2009-02-12
• 公開（公告）號: CN101487740A
• 公開（公告）日: 2009-07-22
• 發明（設計）人: 符泰然;鐘茂華;史聰靈;程曉舫
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01J5/20
• 分類號: G01J5/20
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司
• 代理人: 張國良

技術領域

涉及光學測溫技術，尤其涉及一種基于三個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

在石油化工、冶金、鋼鐵、水泥、玻璃等工業生產行業的高溫檢測領域，輻射測溫儀器具有巨大的市場需求和廣闊的應用空間。例如，冶金行業的高溫爐膛內部溫度測量與控制對于生產過程有著重要的作用。在這些典型的應用領域，傳統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、性能穩定、低消耗使用、非接觸式的光學測溫設備所取代，光學測溫設備的應用將成為高溫測量的主流趨勢。

隨著圖像光電傳感器CCD不斷地更新發展，基于CCD面陣傳感器的光學測溫方法與技術，在溫度場測量方面展現出了極大的優勢。許多科研機構應用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域展現了很好的應用前景，現有技術已有的應用與研究現狀如下所述。

一種是采用單個彩色CCD相機(或攝像機)作為光學測溫儀器，利用內嵌的RGB彩色濾色器陣列實現彩色復現，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，結合特定的發射率模型，進行溫度場的測量計算(中國科學G輯，34(6)：639-647，2004)。b、將三個通道的波段響應測量近似地處理為單色響應測量(中國電機工程學報，20(1)：70-72，2000；儀器儀表學報，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的應用均體現了一個主要局限性，即內嵌RGB彩色濾色器陣列提供三個顏色通道實現色彩的真實復現，其是基于標準人眼的光譜三刺激值進行設計的，因此，三個通道的波段響應特性一般是固定不變的，這往往會限制儀器測溫的應用，從而無法自主選擇合適的三個波段光譜響應函數以實現溫度的優化測量。

另一種方案是采用單個黑白CCD作為光學測溫傳感器，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物體溫度場保持穩定的條件，對于瞬態溫度場測量這種要求往往難以滿足，從而具有應用上的局限性。

發明內容

本發明的目的是提供一種三CCD溫度場測量裝置及方法，以克服現有技術中基于單CCD溫度場測量技術在應用上的局限性。

為了達到上述目的，本發明的技術方案提出一種三CCD溫度場測量裝置，該裝置包括：光學鏡頭、分光棱鏡組、濾色片、三個CCD面陣傳感器及數據采集分析單元，

所述光學鏡頭，用于光學成像，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，分別從三個出射面出射；

所述三個CCD面陣傳感器，相同型號，分別設置于所述分光棱鏡組的三個出射面處；所述濾色片則設于每個CCD面陣傳感器的焦平面與分光棱鏡組的出射面之間，并且三個濾色片具有線性非相關的光譜透過率分布函數；

所述三個CCD面陣傳感器，分別對三路經過所述濾光片的出射輻射進行成像，獲得三路光譜非相關的CCD圖像；

所述數據采集分析單元，對三路CCD圖像數據進行采集，并利用多光譜測溫法進行溫度場計算。

上述的三CCD溫度場測量裝置中，所述數據采集分析單元利用多光譜測溫法進行溫度場計算是根據以下方程組完成：