一種雙ccd溫度場測量裝置及方法

2023-06-01 11:52:31

專利名稱：一種雙ccd溫度場測量裝置及方法
技術領域：
本發明涉及光學測溫技術，尤其涉及一種基於雙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：
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於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，由於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，現有技術已有的應用與研究現狀可概括如下 一種是以點測量的光電/熱釋電傳感器作為光學測溫設備的探測傳感器，通過在多個特定波長下的輻射強度測量，基於比色測溫原理、多波長測溫原理，實現高溫物體的單點溫度測量。例如，孫利群等人提出一種基於黑體輻射的雙波長光電測溫儀(公開號CN1687722)，其應用於金屬冶煉測溫領域，利用和鋼水達到熱平衡的石英玻璃作為發光體，通過透鏡、分光濾光片、窄帶濾光片和光電轉換器件實現兩路波長信號的傳輸採集和轉換，結合比色測溫原理，以實現溫度測量；劉玉芳等人提出了一種利用鉭酸鋰熱釋電探測器實現的實用化雙波長光纖測溫儀(光學技術，31(1)142-145，2005)；戴景民等人先後建立了多波長輻射測溫儀、可攜式比色高溫計(紅外與毫米波學報，14(6)461-466，1995；熱能動力工程，14(3)185-187，1999)。然而，上述幾種設備都僅能實現單點溫度測量，難於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測溫設備的探測傳感器，通過對物體進行光學成像的手段，實現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，基於彩色CCD紅、綠、藍三通道信息，結合比色測溫法，獲得了二維溫度場的分布(中國電機工程學報，20(1)70-72，2000)；吳海濱等人提出了一種基於彩色和近紅外雙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備，均是以比色法為測溫的基本原理，無法更好地適用於非灰體溫度場測量。
上述第二種方案中所述的基於CCD面陣傳感器的溫度場測量設備，較之第一種方案中所述的非成像點測溫設備，由於獲得了更多的空間溫度信息，將有更大的應用優勢與應用前景，但無論是採用單CCD或是雙CCD的溫度場測量設備，目前大都是以比色測溫法的原理為基礎進行溫度計算的，僅適用於灰體或具有單參數發射率表現的物體溫度測量。因而，針對具有連續輻射性質的實際高溫物體(非灰體、發射率表現複雜的物體)，例如爐膛燃燒火焰、高溫葉片、燒蝕材料等，如何在方法和技術上實現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。


發明內容
本發明的目的是提供一種雙CCD溫度場測量裝置及方法，以克服現有技術中溫度場測量技術僅適用於灰體或具有單參數發射率物體的局限性。
為了達到上述目的，本發明的技術方案提出一種雙CCD溫度場測量裝置，該裝置包括光學鏡頭、分光稜鏡組、黑白CCD面陣傳感器、彩色CCD面陣傳感器及數據採集分析單元， 所述光學鏡頭，用於光學成像，將待測物體的輻射聚焦在所述分光稜鏡組的入射面上； 所述分光稜鏡組，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，對所述分光稜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，對所述分光稜鏡組出射的可見光波段輻射進行成像，並分解轉換為待測物體的紅、綠、藍三路波段輻射信號； 所述數據採集分析單元，採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，並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，所述數據採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 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，並且通過光路校正調節使為未知量；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與所述光學鏡頭、分光稜鏡組光譜響應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與所述光學鏡頭、分光稜鏡組光譜響應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，僅與溫度Ti，j相關；ελ(Ti，j)為待測物體的光譜發射率函數，包含三個以下的待定參數。
上述的雙CCD溫度場測量裝置中，所述待測物體的光譜發射率函數採用二階多項式函數表徵如下 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，根據以下步驟建立測溫資料庫實現溫度場的實時計算 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)， 預先對於每個溫度求解所述12個積分量並建立存儲溫度與12個積分量對應關係的測溫資料庫，之後利用所述測溫資料庫及四個已知量

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範圍為1000K～3000K的具有連續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。
本發明的技術方案還提出一種應用如上所述裝置的雙CCD溫度場測量方法，該方法包括 利用所述光學鏡頭將待測物體的輻射聚焦在所述分光稜鏡組的入射面上； 利用所述分光稜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，並分別從兩個出射面出射； 利用所述黑白CCD面陣傳感器對分光稜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面陣傳感器對分光稜鏡組出射的可見光波段輻射進行成像，並分解轉換為待測物體的紅、綠、藍三路波段輻射信號； 利用所述數據採集分析單元採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，並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，並且通過光路校正調節使為未知量；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與所述光學鏡頭、分光稜鏡組光譜響應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與所述光學鏡頭、分光稜鏡組光譜響應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，僅與溫度Ti，j相關；ελ(Ti，j)為待測物體的光譜發射率函數，包含三個以下的待定參數。
上述的雙CCD溫度場測量方法中，所述待測物體的光譜發射率函數採用二階多項式函數表徵如下 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，根據以下步驟建立測溫資料庫實現溫度場的實時計算 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)， 預先對於每個溫度求解所述12個積分量並建立存儲溫度與12個積分量對應關係的測溫資料庫，之後利用所述測溫資料庫及四個已知量

對方程組(4)進行迭代運算，反演得到溫度Ti，j。
本發明的技術方案通過雙CCD融合採集四通道輻射強度信息，並利用適用性更強的多光譜測溫法，可以實現溫度場測量，應用範圍更為廣泛；通過採用測溫資料庫，提高了溫度求解速度，可應用於實時在線溫度計算；且技術方案實現簡單，集成系統的成本不高、性能穩定，在高溫檢測等工業生產領域易於推廣應用。



圖1為本發明雙CCD溫度場測量裝置的實施例結構圖。

具體實施例方式 以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。
圖1為本發明雙CCD溫度場測量裝置的實施例結構圖，如圖所示，本實施例的溫度場測量裝置包括光學鏡頭11、分光稜鏡組12、黑白CCD面陣傳感器13、彩色CCD面陣傳感器14及數據採集分析單元15。其中，光學鏡頭11用於光學成像，將待測物體10的輻射聚焦在分光稜鏡組12的入射面上，其可設計為定焦距或是變焦距的鏡頭。分光稜鏡組12是一個常用的光學器件，其呈正方體結構，通過稜鏡鍍膜設計，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晶片的傳感器；黑白CCD面陣傳感器13置於分光稜鏡組12出射輻射為800nm～1000nm一側的出射面上，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則置於分光稜鏡組12出射輻射為450nm～750nm一側的出射面上，對出射的可見光波段輻射進行成像，並利用內嵌的紅、綠、藍三個波段感應單元將其分解轉換為待測物體10的紅、綠、藍三路波段輻射信號。數據採集分析單元15，以個人電腦為平臺，通過CCD傳感器的數據輸出接口採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，並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範圍在1000K～3000K之間的具有連續輻射特性的高溫物體，其在CCD傳感器的波段響應區間內的自發輻射強度要遠遠大於背景環境反射輻射強度的幹擾，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輻射特性的物體發射率用一個關于波長的多項式函數予以描述，在多個波長下測量物體的輻射強度，結合光譜發射率模型，可以求得物體的溫度。通常在有限的波段區間內，常用O階(灰體)、1階(線性)、2階(二次函數)形式。在後續本實施例中將採用2階多項式函數的表述形式(灰體、線性發射率函數均是其的特例形式)，發射率函數中共有三個待定係數，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個待定係數。然而，任何包含三個或小於三個待定參數的發射率函數，均可以通過本發明技術方案獲得的4路信號測量方程，計算溫度數值，其仍然也歸為多光譜測溫法。
繼續參考圖1所示，應用上述本發明雙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的輻射通過光學鏡頭11，投射在分光稜鏡組12上，分光稜鏡組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稜鏡組12右側的彩色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稜鏡組12下側的黑白CCD面陣傳感器13上。
其次，分光稜鏡組12、黑白CCD面陣傳感器13、彩色CCD面陣傳感器14構成的光學成像系統，需進行必要的光路校正，使其可對物體清晰成像，並且兩個傳感器獲得的圖像能夠點點對應，實現非失真的融合匹配。
然後，彩色CCD面陣傳感器14內嵌有紅、綠、藍三個不同的波段感應單元，因此將450nm～750nm可見光輻射分解轉換為紅、綠、藍三路窄波段的輻射信號，並傳輸至數據採集分析系統15；同時黑白CCD面陣傳感器13的一路輻射信號也傳輸至數據採集分析系統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。
最後，四路圖像信號傳輸至數據採集分析系統15，依據以下a)～e)所述的原理實現溫度場的計算反演。
a).通過分光稜鏡後，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、光電轉換係數以及稜鏡分光係數等因素相關，

的相對大小關係，一般可以通過光路校正、調節使二者相等，後文中均用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與光學鏡頭11、分光稜鏡組12光譜響應的綜合光譜分布曲線，SIR(λ)為黑白CCD面陣傳感器13的光譜響應與光學鏡頭11、分光稜鏡組12光譜響應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，其僅與溫度Ti，j相關。
b).以上方程組(1)中，ελ(Ti，j)為待測物體的光譜發射率函數，具有連續輻射特性的物體的光譜發射率在數學上通常可以用多項式函數予以描述，然而在一個有限的波段(450nm～1000nm)內，採用公式(2)的二階多項式函數表徵光譜發射率具有很高的精度。
ελ(Ti，j)＝a0+a1·λ+a2·λ2(2) 光譜發射率函數中共有三個待定係數(a0，a1，a2)，合併變量，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，因此溫度的數學求解是封閉從而能夠繼續實現基於4通道的多光譜輻射測溫。
實際上，黑體、灰體假設以及線性發射率模型，均是光譜發射率函數(2)的特例形式，對於這些特例形式，利用四個通道測量量

數學求解時，未知量的數目小於方程組的數目，運用最小二乘法，可以使溫度的求解誤差更小。本發明中的光譜發射率函數用二階多項式予以表述，但不局限於此，任何包含三個或小於三個待定參數的光譜發射率函數，均可以通過本發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。
基於上述原理，在求解過程中，可繼續如c)～e)所述建立測溫資料庫，以滿足實時溫度計算的需要。
c).將光譜發射率函數(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。因此，可以預先對於每個溫度求解12個積分量並建立存儲溫度與12個積分量對應關係的測溫資料庫。在溫度計算時，可省去積分運算的步驟，直接在測溫資料庫中進行溫度查詢，之後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。
上述本發明實施例建立的基於雙CCD融合的四通道輻射溫度場測量技術，具有以下優點 (1)與現有技術中非成像的單點輻射測溫技術相比，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，二維場測量區域的對準比點測量區域的對準容易，在測量使用時將更為方便。
(2)與現有技術中成像式溫度場測量方法和技術相比，在測量時利用了分光稜鏡及彩色CCD分光的處理方式，同時獲取了四路不同波段響應的輻射強度信號，採用了適用性更強的多光譜測溫法，測量物體不僅僅局限於傳統的比色測溫法所適用的範圍，因而應用範圍更為廣泛，具有更大的通用性。
(3)採用了測溫資料庫，提高了溫度求解速度，可應用於實時在線溫度計算。
(4)技術實現方案較為簡單，分光稜鏡的光學加工並不複雜，CCD面陣傳感器是非常成熟的商業產品，因此集成系統的成本不高、性能穩定等，在高溫檢測等工業生產領域易於推廣應用。
以上為本發明的最佳實施方式，依據本發明公開的內容，本領域的普通技術人員能夠顯而易見地想到一些雷同、替代方案，均應落入本發明保護的範圍。
權利要求
1、一種雙CCD溫度場測量裝置，其特徵在於，該裝置包括光學鏡頭、分光稜鏡組、黑白CCD面陣傳感器、彩色CCD面陣傳感器及數據採集分析單元，
所述光學鏡頭，用於光學成像，將待測物體的輻射聚焦在所述分光稜鏡組的入射面上；
所述分光稜鏡組，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，對所述分光稜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，對所述分光稜鏡組出射的可見光波段輻射進行成像，並分解轉換為待測物體的紅、綠、藍三路波段輻射信號；
所述數據採集分析單元，採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，並利用多光譜測溫法進行溫度場計算。
2、如權利要求1所述的雙CCD溫度場測量裝置，其特徵在於，所述數據採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
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，並且通過光路校正調節使為未知量；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與所述光學鏡頭、分光稜鏡組光譜響應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與所述光學鏡頭、分光稜鏡組光譜響應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，僅與溫度Ti，j相關；ελ(Ti，j)為待測物體的光譜發射率函數，包含三個以下的待定參數。
3、如權利要求2所述的雙CCD溫度場測量裝置，其特徵在於，所述待測物體的光譜發射率函數採用二階多項式函數表徵如下
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、如權利要求3所述的雙CCD溫度場測量裝置，其特徵在於，根據以下步驟建立測溫資料庫實現溫度場的實時計算
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)，
預先對於每個溫度求解所述12個積分量並建立存儲溫度與12個積分量對應關係的測溫資料庫，之後利用所述測溫資料庫及四個已知量
對方程組(4)進行迭代運算，反演得到溫度Ti，j。
5、如權利要求1所述的雙CCD溫度場測量裝置，其特徵在於，所述待測物體為溫度範圍為1000K～3000K的具有連續輻射特性的高溫物體。
6、如權利要求1～5任一項所述的雙CCD溫度場測量裝置，其特徵在於，所述近紅外波段為800nm～1000nm，所述可見光波段為450nm～750nm。
7、一種應用如權利要求1所述裝置的雙CCD溫度場測量方法，其特徵在於，該方法包括
利用所述光學鏡頭將待測物體的輻射聚焦在所述分光稜鏡組的入射面上；
利用所述分光稜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，並分別從兩個出射面出射；
利用所述黑白CCD面陣傳感器對分光稜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面陣傳感器對分光稜鏡組出射的可見光波段輻射進行成像，並分解轉換為待測物體的紅、綠、藍三路波段輻射信號；
利用所述數據採集分析單元採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，並利用多光譜測溫法進行溫度場計算。
8、如權利要求7所述的雙CCD溫度場測量方法，其特徵在於，所述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
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，並且通過光路校正調節使為未知量；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與所述光學鏡頭、分光稜鏡組光譜響應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與所述光學鏡頭、分光稜鏡組光譜響應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，僅與溫度Ti，j相關；ελ(Ti，j)為待測物體的光譜發射率函數，包含三個以下的待定參數。
9、如權利要求8所述的雙CCD溫度場測量方法，其特徵在於，所述待測物體的光譜發射率函數採用二階多項式函數表徵如下
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、如權利要求9所述的雙CCD溫度場測量方法，其特徵在於，根據以下步驟建立測溫資料庫實現溫度場的實時計算
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)，
預先對於每個溫度求解所述12個積分量並建立存儲溫度與12個積分量對應關係的測溫資料庫，之後利用所述測溫資料庫及四個已知量
對方程組(4)進行迭代運算，反演得到溫度Ti，j。
全文摘要
本發明涉及一種雙CCD溫度場測量裝置，包括光學鏡頭，用於將待測物體的輻射聚焦在分光稜鏡組的入射面上；分光稜鏡組，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，並分解轉換為紅、綠、藍三路波段輻射信號；數據採集分析單元，採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，並利用多光譜測溫法進行溫度場計算。本發明還涉及一種對應的溫度場測量方法。本發明的技術方案可以實現溫度場測量，應用範圍廣泛；且技術方案實現簡單，在高溫檢測等工業生產領域易於推廣應用。
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 優先權日2009年2月12日
發明者符泰然, 餘景文, 瑋 龔, 程曉舫 申請人:清華大學