基于CCD的多光谱测温技术

课程结业设计（论文）题目：基于CCD的多光谱辐射测温技术学生姓名：隆博学号：201020754授课老师：黄梓榆课程：动态测试与分析2011年7月1日摘要:随着CCD成像技术日益成熟，CCD逐渐开始应用到高温温度场测量当中，并结合多光谱辐射测温技术，弥补了传统测量方法在测量高温温度场时的缺陷。

本文概述了CCD的成像原理和多光谱辐射测温原理以及CCD多光谱测温技术在测量高温温度场的优点。

通过分析相关资料，概述了彩色CCD和近红外CCD 多光谱测温研究进展，对目前CCD 多光谱测温技术研究发展进行了归纳。

关键词: CCD; 多光谱; 辐射测温技术; 高温温度场Abstract: With the development of CCD-imaging technology，CCD is increasingly used with the technology of multi-wavelength radiation thermometry in high temperature field measurements instead of traditional methods. The article summarizes the principle of CCD-imaging，the principle of multi-wavelength radiation thermometry and the merit of CCD multi-wavelength radiation thermometry. By analyzing relevant information，it intraduces the development of color CCD radiation thermometry and NIR CCD multi-wavelength radiation thermometry，and summarizes the development of CCD multi-wavelength radiation thermometry.Key words:CCD; multi-wavelength; high temperature field; radiation thermometry1.引言电荷耦合器件 (Charge Coupled Device，CCD)是一种以电荷为信号载体的微型图像传感器。

CCD技术随着半导体微电子技术的发展而迅速发展，CCD传感器的像素集成度、分辨力、几何精度和灵敏度大大提高，工作频率范围显著增加，可高速成像以满足对高速运动物体的拍摄，并以其光谱响应宽、动态范围大、灵敏度和几何精度高、噪声低、体积小、重量轻、低电压、低功耗、抗冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强、坚固耐用、寿命长、图像畸变小、无残像、可以长时间工作于恶劣环境、便于进行数字化处理和与计算机连接等优点，在图像采集、非接触测量和实时监控方面得到了广泛应用。

CCD 技术成为现代光电子学和测试计量技术中最活跃、最富有成果的研究领域之一。

尤其是在高温测量领域内，CCD 测温技术一直得到人们的关注。

CCD 测温技术具有非接触测温的全部优点，CCD 可以拍摄高温物体的能量分布，通过数据处理可以转换为物体的温度分布，广泛的应用于高温物体的温度场测量。

任何物体表面都会向外界辐射能量，其发出的辐射能与绝对温度紧密相关，因此可以通过测量辐射能来获得物体表面的温度，电荷耦合器件 CCD 具有灵敏度高、噪声小、动态范围大、几个精度高和光谱响应宽等优点，从而使 CCD 应用已成为现代光电技术和光学测量领域最有发展前途的技术手段之一。

前人做过大量的利用 CCD 进行辐射测温的可行性研究，利用 CCD 作为非接触式的图像传感器，可以有效的将物体表面发出的辐射能转化成像元阵列的信号强度，信号强度和辐射能成一定的关系，从而获得物体表面的温度信息，结合 CCD 像机图像处理技术来进行温度测量。

基于CCD的测温技术是综合利用图像检测技术、数字图像处理技术和辐射测温技术的新型测温技术，具有传统非接触式测温方法的所有优点:能实现非接触测温，不破坏被测温物体的温度场;能实现高温测量;测温响应的时间短，能测量运动物体的温度场;测温过程不受被测温物体物理性质的影响等。

此外，CCD测温技术还具有一系列特殊的优点:能给出被测温面的温度场;能实现温度场的伪彩色显示;与网络技术相结合能实现数据的远距离传输和资源共享。

由于上述原因，CCD测温技术成为二十一世纪最有发展前途的高温测量技术之一。

为了实现高温物体表面真实温度的测量，国际上自20世纪就开始研究多光谱辐射测温技术。

Svet ，Gardner ，Coates 等人总结了高温物体发射率假设模型，提出多光谱辐射测温法对高温物体进行测量。

多光谱辐射测温法，即在一个仪器中制成多个光谱通道，利用探测器采集多个光谱的物体辐射亮度测量信息，再经数据处理而得到物体的温度，此方法无需测量物体发射率，特别适合高温物体表面真实温度的测量。

随着 CCD 生产技术的提高，众多研究人员开始着手将 CCD 成像技术与多光谱测温技术结合，提出了 CCD 多光谱辐射测温法。

通过大量的实验研究，CCD 多光谱辐射测温法逐渐被应用于高温物体的温度场测量，以满足目前各高温领域内实际物体高温温度场准确测量的要求。

2. 测量原理辐射测温原理主要是利用普朗克定理，在不考虑发射率的情况下物体的光谱辐射出度为λb W ：())/(1exp 2251m m W T h h W b μλλλ⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-= （1） 式子中：：T —物体的热力学温度，单位：K ；h 1—普朗克第一常数，其值为 3.743×10824/m m W μ⋅⋅h 2—普朗克第二常数，其值为 1.4388×104k m ⋅μ 物体表面发出的辐射能通过光学系统投影到 CCD 的表面，CCD 接受到的辐射照度 K 和物体表面辐射亮度 L(T)成一定的函数关系，在透镜的焦距、光圈、测量距离等条件确定时，CCD 接受到的辐射照度 K 和物体表面辐射亮度 L(T)成正比。

)(0T L k K = （2）又，由于物体表面辐射亮度 L(T)和物体的辐射力b W 的关系为：π/)(b W T L = （3）物体的光谱辐射出度λb W 与物体的辐射力b W 的关系为：λλλλd W d W W b b b ⎰⎰==+∞∞-780380 （4）CCD 光敏单元的输出信号 Y 与所接受到的入射辐射能量即 CCD 表面的辐射照度 K 成一定关系（CCD 为积分器件：kt Y μ= （5） 其中， μ —CCD 的光电转换系数 这样有：λλλπμεd T h h k Y ⎰-=7803802510)1(exp （6） 式中，ε—物体表面发射率，可以通过实验修正；0k —与系统相关的常数。

其他的参数可以通过黑体炉标定获得。

根据(6)式我们可以看出 CCD 的输出信号与温度有一一对应的关系。

3. CCD 成像原理及测温方法一个完整的 CCD 传感器由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入和输出电路组成。

工作时，在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少，取样结束后，各光敏单元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中，移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端将输出信号接到图像显示器或其它信号存储、处理设备中，就可对信号再现或进行存储处理。

CCD 主要是对物体辐射能量中某一波段能量进行采集，并形成图像，波段并不一定局限于可见光范围。

高温物体辐射的信息覆盖了全波段，并且辐射能量随波长发生改变，辐射峰值符合维恩公式，因此高温辐射能量主要集中在近红外和可见光波段，在高温物体温度场测量中，CCD 传感器光谱响应多在可见光和近红外波段。

高温物体表面温度场测量中 CCD 传感器的作用是采集相应响应范围内的整波段的物体辐射能量信息。

某些研究中在 CCD 传感器前加装一些分光、滤光等装置或对 CCD 传感器进行改造，对进入 CCD 的信息进行处理，通过对采集的信息进行分析，得到物体表面的温度场分布。

目前，高温物体表面测量中，常用的 CCD 成像器件可分为 RGB 彩色 CCD 和近红外 CCD 两类。

RGB 彩色 CCD 主要用于模仿人眼的视觉效果 (图 1) 进行可见光波段范围的成像，自然界中，任何可见的彩色可以用三原色 (R － 红、G －绿、B －蓝) 按一定比例混合得到。

彩色 CCD 传感器的作用是把来自被测对象的入射光分解为不同比例的 R，G，B 三原色(图 2)，利用计算机进行数据采集和温度场重建的处理。

目前主要采用的测温方法有比色法和三色多光谱测温法，最终获得被测物体的温度。

测量装置简单，可对高温物体进行实时温度场测量，然而彩色 CCD传感器主要应用于视觉成像，并不是为温度测量设计，在测温过程中存在很大的偏差，并且受外界环境影响大。

近红外 CCD 主要是对物体近红外波段辐射出来的能量进行采集。

目前的高温测量主要针对 3000 K以下，此温度下的高温物体辐射能量主要集中在近红外波段，因此，采用近红外 CCD 进行温度测量时，具有较高的灵敏度，测量的温度下限较低; 并且，外界光源主要在可见光范围，对近红外 CCD 影响相对较小。

因此，目前，近红外 CCD 测温技术得到越来越多研究人员的关注，建立了多种近红外CCD 测温方法: 单色法、比色法和多谱段测温法等。

下面本对彩色 CCD 和近红外CCD多光谱测温技术的发展及应用进行介绍。

图1 人眼三色刺激值图2 彩色 CCD 光谱响应4.彩色CCD多光谱辐射测温技术研究进展针对彩色 CCD，国内外众多研究人员通过分析三个通道的颜色的色度信息，运用多光谱辐射测温原理，建立色度信息与高温物体表面辐射能量之间的联系，并通过图像的处理和计算推导高温物体表面温度场分布。

卫成业等人在对比色测温法的理论研究和误差分析的基础上，提出了一种利用火焰图像三色信息的测温方法，并对此方法带来的误差做了详实的分析之后，又利用进行火焰截面温度分布测量的测试系统，做了简化处理，建立了实用模型，从而重建出待测的火焰截面温度分布，并进行了试验，给出了测试结果。

上海交通大学王颖等人论述了三色比色测温法的测量原理，并通过试验分色测量法进行了验证和评价，探讨该方法应用于燃气轮机燃烧室的温度场测量的可靠性。

何邦全等人利用三基色测温方法处理了柴油机燃烧图像的温度场，并就该测量系统的标定和测量方式进行了讨论。

徐江荣、胡建人提出了在可见光范围内，温度小于3400 K 时的三波长法测量温度的理论公式，通过与三色光电信号建立关系式，对酒精灯火焰和柴油燃烧火焰进行测量试验。