[发明专利]一种基于彩色CCD的辐射温度场测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学测温技术，尤其涉及一种改进的基于彩色CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)的辐射温度场测量装置及方法。

背景技术

在石油化工、冶金、钢铁、水泥、玻璃等工业生产行业的高温检测领域，辐射测温仪器具有巨大的市场需求和广阔的应用空间。例如，冶金行业的高温炉膛内部温度测量与控制对于生产过程有着重要的作用。在这些典型的应用领域，传统的热电偶接触式测温手段，由于测量的局限性以及高成本的材料消耗，目前正在逐步被价格较低、性能稳定、低消耗使用、非接触式的光学测温设备所取代。光学测温设备的应用将成为高温测量的主流趋势，现有技术已有的应用与研究现状可概括如下：

1.基于单个彩色CCD传感器的光学测温仪器，内嵌的RGB彩色滤色阵列实现彩色复现，提供了红、绿、蓝三个颜色通道。

1.1直接利用三个颜色通道的波段响应，结合特定的发射率模型，进行温度场的测量计算(中国科学G辑，34(6)：639-647，2004)。应用中的局限性主要是：RGB滤色阵列三个颜色通道的波段响应是基于标准人眼的光谱三刺激值进行设计的，因此光谱响应特性是固定不变的，从而会限制仪器测温的应用，而无法自主选择合适的三个光谱波段或波长，以实现温度的优化测量。

1.2将三个通道的波段响应测量近似地处理为单色响应测量(中国电机工程学报，20(1)：70-72，2000；仪器仪表学报，24(6)：653-656，2003)，即颜色三基色的中心波长作为测量的三个有效波长，进而利用比色测温法，实现温度场的计算。实际上有效波长并非一个常量，随着测量物体的辐射光谱分布不同而不同，这种有效波长的简化处理方法，会给温度计算带来误差；其次，由于RGB滤色阵列是以彩色复现为目的，即便将波段测量简化为了波长测量，也无法从本质上改变已固化的颜色通道的光谱响应特性。

2.基于单个黑白CCD传感器的光学测温仪器，将2个具有不同单色波长的滤色片交替放置于CCD前，测量物体在两个波长下的相对辐射强度值，再根据比色法进行温度计算(IEEE TRANSACTIONSON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT，51(5)：990-995，2002)。这种方法应用时，虽然可以较灵活的选择所需要的波长，但需要在2个单色滤色片交替测量的时间段内物体温度场保持稳定，对于瞬态温度场测量这种要求往往难以满足，这是其应用的主要局限性。

概括而言，上述方法1利用了单个彩色CCD，可以同时获得多通道的辐射光谱信息，但只能实现固定光谱测量；而方法2采用了单个黑白CCD，通过滤色片可以较为灵活的选择相应的光谱/波长，但由于多通道信息不能同时获取，无法更好地应用于瞬态温度场测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于彩色CCD的辐射温度场测量装置及方法，以克服现有技术中基于单个黑白CCD或彩色CCD温度场测量方法应用的局限性。

为了达到上述目的，本发明的技术方案提出一种基于彩色CCD的温度场测量装置，该装置包括：滤色片、光学镜头、彩色CCD面阵传感器及数据采集分析单元，

所述滤色片，具有两个单峰透过率响应特性，置于光学镜头前，以改变待测物体光学成像的光谱分布；

所述光学镜头，将透过所述滤色片的待测物体辐射聚焦于彩色CCD面阵传感器的焦平面；

所述彩色CCD面阵传感器，对所述光学镜头聚焦的待测物体辐射进行成像，获取红、绿、蓝三路光谱响应数据；

所述数据采集分析单元，对所述三路光谱响应数据进行采集，并利用比色测温法进行温度场的计算。

上述的温度场测量装置中，所述数据采集分析单元利用比色测温法进行温度场计算是根据以下步骤完成：

所述待测物体的辐射通过滤色片、光学镜头后，由彩色CCD面阵传感器输出的辐射测量信号为：