[发明专利]一种三CCD温度场测量装置及方法

说明书

技术领域

涉及光学测温技术，尤其涉及一种基于三个CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)面阵传感器光谱融合的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。

随着图像光电传感器CCD不断地更新发展，基于CCD面阵传感器的光学测温方法与技术，在温度场测量方面展现出了极大的优势。许多科研机构应用CCD传感器开展了高温辐射温度场的测量研究工作，CCD传感器在辐射测温仪器研制领域展现了很好的应用前景，现有技术已有的应用与研究现状如下所述。

一种是采用单个彩色CCD相机(或摄像机)作为光学测温仪器，利用内嵌的RGB彩色滤色器阵列实现彩色复现，提供红、绿、蓝三个颜色通道：a、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)。b、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)，即将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；然而，实际上有效波长并非一个常量，其是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。上述方案a和b的应用均体现了一个主要局限性，即内嵌RGB彩色滤色器阵列提供三个颜色通道实现色彩的真实复现，其是基于标准人眼的光谱三刺激值进行设计的，因此，三个通道的波段响应特性一般是固定不变的，这往往会限制仪器测温的应用，从而无法自主选择合适的三个波段光谱响应函数以实现温度的优化测量。

另一种方案是采用单个黑白CCD作为光学测温传感器，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 TRANS-ACTIONS ON 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，但需要满足在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的条件，对于瞬态温度场测量这种要求往往难以满足，从而具有应用上的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种三CCD温度场测量装置及方法，以克服现有技术中基于单CCD温度场测量技术在应用上的局限性。

为了达到上述目的，本发明的技术方案提出一种三CCD温度场测量装置，该装置包括：光学镜头、分光棱镜组、滤色片、三个CCD面阵传感器及数据采集分析单元，

所述光学镜头，用于光学成像，将待测物体的辐射聚焦在所述分光棱镜组的入射面上；

所述分光棱镜组，将投射的辐射等分为三束不同方向的波段辐射，分别从三个出射面出射；

所述三个CCD面阵传感器，相同型号，分别设置于所述分光棱镜组的三个出射面处；所述滤色片则设于每个CCD面阵传感器的焦平面与分光棱镜组的出射面之间，并且三个滤色片具有线性非相关的光谱透过率分布函数；

所述三个CCD面阵传感器，分别对三路经过所述滤光片的出射辐射进行成像，获得三路光谱非相关的CCD图像；

所述数据采集分析单元，对三路CCD图像数据进行采集，并利用多光谱测温法进行温度场计算。

上述的三CCD温度场测量装置中，所述数据采集分析单元利用多光谱测温法进行温度场计算是根据以下方程组完成：