专利名称：一种三ccd温度场测量装置及方法
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巿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。
一种是釆用单个彩色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(l):70-72， 2000;仪器仪表学报，24(6):653隱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。
另一种方案是釆用单个黑白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 TRANSACTIONS 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 面阵传感器及数据釆集分析单元，
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；
所述数据釆集分析单元，对三路CCD图像数据进行釆集，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，所述数据釆集分析单元利用 多光谱测温法进行温度场计算是根据以下方程组完成
F/j =①".「ax r,(义) ccD(义).^ (r'乂) /6义(r">义 <=①'j 广《 ^ (义).cc"(;i). ^ (rJ). /M (r")" (i)
=①u 广職巧(义) CCZ)(义》^ (r,/),/6义)^义
其中，上角标G，y)表示传感器成像焦平面上任一点的坐标；k"、 g.'、 p^分别表示所述三个CCD面阵传感器的相对辐射强度输出值， 为已知量；①"为所述CCD面阵传感器测量的非光谱因子，为未知量； 、in ~ amax为分光棱镜组出射的三束波段辐射的响应波段；ccz)(a)为所 述CCD面阵传感器的光谱响应特性函数，为已知量；r,(/i)、 r2(A)、 r3 (;i)分别表示各滤色片的光谱透过率分布函数与光学镜头、分光棱 镜组的光谱透过率曲线合并而成的综合光谱透过率函数，为已知量； r"'表示待测物体在点(,w)上的温度，为未知量；、(r")为与待测物 体相同温度r"下的黑体光谱功率分布函数，仅与温度r"相关； ^(r"为待测物体的光谱发射率函数，包含两个以下的待定参数。
上述的三CCD温度场测量装置中，所述待测物体的光谱发射率 函数釆用线性函数表征如下
f义(r、7 )二Q。+a!./1 (2) 则方程组(1)的各方程左边为三个已知量f、 f2"、 f3"'，右边
9包括r"、 CD"."。、 O)"w,三个未知量，因此方程组(1)的求解是封闭的。
上述的三CCD温度场测量装置中，根据以下步骤建立测温数据
库实现温度场的实时计算
将式(2)代入方程组(1)得到方程组(3)，f =①"."o J广巧(义).cc"(义).(r'')^
+①','.a, ■广'"r,(义).CCD (义).义./AA (r'') 3义
K2''' = o"."o. f簡r2 (义).ccz)(义)./,u (r'' p义 (3)
+①'''.",'￡: t2 (义).ccz)(义).a . /M (r'')"
r3" = a>'''. & J" r3 (义).ccd (a) ' /M (r'') w+①".",-J"隨t3 (义).ccd (义).a . /M (r'') d2
定义公式中仅与温度r"相关的6个积分量为a。、 / u、 a,。、 a,、a,。、 a,，其中
/ m" = p^t^^AyCCZ^Ayr-A^rO^a , m = 1,2,3; " = 0,1. (4)则将方程组(3)改写为方程组(5),
C、①'入flo-A,o +①"'arAi
预先对于每个温度求解所述6个积分量并建立存储温度与6个积分量对应关系的测温数据库，之后利用所述测温数据库及三个已知量K"、 ^、 C方程组(5)进行迭代运算，反演得到温度r"'。
上述的三CCD温度场测量装置中，所述待测物体为温度范围为1000K 3000K的具有连续辐射特性的高温物体。
上述的三CCD温度场测量装置中，所述分光棱镜组出射的三束波段辐射的响应波段均为600nm 1000nm，则所述三个滤色片的波段响应区间也为600nm 1000nm。
10本发明的技术方案还提出一种应用如上所述装置的三CCD温度场测量方法，该方法包括
利用所述光学镜头将待测物体的辐射聚焦在所述分光棱镜组的
入射面上；
利用所述分光棱镜组将投射的辐射等分为三東不同方向的波段
辐射，分别从三个出射面出射；
利用所述三个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；
利用所述数据釆集分析单元对三路CCD图像数据进行釆集，并利用多光谱测温法进行温度场计算。
上述的三CCD温度场测量方法中，所述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
^=①'，' ￡:巧w cc"w & (r") 7" (r ，')"
'C = 。'y ￡: r2 (外c,h (r'卞义(i)
= 0" 〖:r3 (义).c,) & (r"). /M (r ,卞a
其中，上角标(u)表示传感器成像焦平面上任一点的坐标；k"、C'、 C分别表示所述三个CCD面阵传感器的相对辐射强度输出值，
为已知量；O"为所述CCD面阵传感器测量的非光谱因子，为未知量；
1 a,为分光棱镜组出射的三束波段辐射的响应波段；ccD(a)为所
述CCD面阵传感器的光谱响应特性函数，为已知量；t, (^)、 rd义)、r3 (义)分别表示各滤色片的光谱透过率分布函数与光学镜头、分光棱镜组的光谱透过率曲线合并而成的综合光谱透过率函数，为已知量；r"表示待测物体在点(/，力上的温度，为未知量；/^(r'」;)为与待测物体相同温度r"下的黑体光谱功率分布函数，仅与温度r"相关；^(r")为待测物体的光谱发射率函数，包含两个以下的待定参数。
上述的三CCD温度场测量方法中，所述待测物体的光谱发射率函数釆用线性函数表征如下
iiH,+",.义 (2)
则方程组(1)的各方程左边为三个已知量C、 r2"、 ^",右边 包括r.'、①"w。、 CD"^三个未知量，因此方程组(1)的求解是封闭 的。
上述的三CCD温度场测量方法中，根据以下步骤建立测温数据 库实现温度场的实时计算
将式(2)代入方程组(1)得到方程组(3), =①"■ "o. f腿^ (义).CCD (义).义(r'.') M
气in 、 Z
+①" "). fax巧(义).cco(义).义.(r'乂 )ca
C =①"."0 ￡j r2 (A) - CCD (义).(r") d义 (3 )
+①".", 丄"r2 (A). CCD (A).义.,u (r'')"
J/3"=①".a0. J^'ax t3 (义).CCD (A).(r'') j义
+①".^ 广"r3 (义)■ CCD (外/1. /w (r")
定义公式中仅与温度r"相关的6个积分量为/ ,。、 a,,、 a,。、 &、 a。、 a,，其中
= J:a、(;L).CCD(义)Uw(r')" ， w = 1,2,3; " = 0,1. (4)
则将方程组(3)改写为方程组(5)，
》'老、.a,。+①".",.a,
C =0>'''."0./ 30+0''、 ./ 3|
预先对于每个温度求解所述6个积分量并建立存储温度与6个积 分量对应关系的测温数据库，之后利用所述测温数据库及三个已知量 f尸、c、 C对方程组(5)进行迭代运算，反演得到温度r〃。
本发明的技术方案通过三CCD光谱融合釆集待测物辐射强度信 息，并利用适用性更强的多光谱测温法，可以实现温度场测量，应用
范围更为广泛；通过釆用测温数据库，提高了温度求解速度，可应用于实时在线温度计算；且技术方案实现简单，集成系统的成本不高、 性能稳定，在高温检测等工业生产领域易于推广应用。
图1为本发明三CCD温度场测量装置实施例结构图。
具体实施例方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。 图1为本发明三CCD温度场测量装置实施例结构图，如图所示， 本实施例的温度场测量装置包括光学镜头11、分光棱镜组12、滤 色片131~133、三个CCD面阵传感器141 143及数据釆集分析单元 15。其中，光学镜头ll用于光学成像，将待测物体10的輻射聚焦在 分光棱镜组12的入射面上，其可设计为定焦距或是变焦距的镜头。 分光棱镜组12是由多个棱镜拼接而成，通过棱镜镀膜设计，使入射 辐射在不同的棱镜结合面上经由透射和反射，最终分解为三束不同方 向的波段辐射，分别由棱镜的三个不同侧面出射出去；三束射出辐射 光响应波段均为义， 义_ (本实施例为600nm~ 1000nm),强度、光 谱分布均相等。三个CCD面阵传感器141 143为同一型号的黑白 CCD传感器，分别设置于分光棱镜组12的三个出射面处；滤色片 131 133则设于每个CCD面阵传感器的焦平面与分光棱镜组12的出 射面之间，其在600nm 1000nm波段区间具有不同的光谱透过率分 布，三个光谱透过率分布函数必需是线性非相关的，以满足多光谱测 量的要求；上述三个滤色片131 133的光谱透过率分布函数可根据实 际测量的需要进行设计，即考虑温度测量范围、分辨精度、测温误差、 优化测量、CCD响应特性等诸多因素，三个滤色片131~133的光谱 透过率分布函数可具有不同的中心波长、半宽度、峰值等。续上所述， 三个CCD面阵传感器141-143的曝光时间设置相同，并且通过硬件 帧釆集控制保障传感器同步釆集，从而分别对三路经过滤光片 131 133的出射辐射进行成像，由于三个滤色片的光谱非相关特性，因此将获得三路光谱非相关的CCD图像。数据釆集分析单元15则对 三路CCD图像数据进行釆集，并利用多光谱测温法进行温度场计算。
上述实施例中，分光棱镜组12、滤色片131 133、 CCD面阵传 感器141 143构成的分光成像系统，还需要进行光路校正，使得三个 CCD面阵传感器141 143可对物体清晰成像，获得的图像能够点点 对应，共同反应同一测量目标物体。至于所述的待测物体则是指温度 范围在1000K 3000K之间的具有连续辐射特性的高温物体，其在 CCD传感器的波段响应区间内的自发辐射强度要远远大于背景环境 反射辐射强度的干扰，使得CCD传感器获得的测量信号能够直接定 量反映高温物体自发辐射强度的大小。
上述的多光谱测温法为 一种常用的辐射测温方法，通用的表述如 下具有连续辐射特性的物体发射率用一个关于波长的多项式函数予
以描述，在多个波长下测量物体的辐射强度，结合光谱发射率模型， 可以求得物体的温度。通常在有限的波段区间内，常用0阶(灰体)、 l阶(线性)、2阶(二次函数)形式。在后续本实施例中将采用线性 发射率函数的表述形式(灰体是其的特例形式)，发射率函数中共有 两个待定系数，通过3路信号测量方程的反演计算，可以同时求得温 度及两个待定系数。然而，任何包含两个或小于两个待定参数的发射 率函数，均可以通过本发明技术方案获得的3路信号测量方程，计算 温度数值，其仍然也归为多光谱测温法。
继续参考图i所示，应用上述本发明三CCD温度场测量装置实
施例的测量方法过程具体如下所述。
首先，高温待测物体10的辐射通过光学镜头11,投射在分光棱 镜组12上，分光棱镜组12将投射辐射等分为三束方向不同、强度与 光谱分布相同的波段辐射，波段响应范围为600nm~ 1000nm。
接续，在三東分光光束的三个出射面处(棱镜上侧、下侧、右侧)， 分别放置三个滤色片131 133，在6Q0nm 1000nm波段区间滤色片
14131 133具有线性非相关的光谱透过率分布函数，以满足多光谱测量 的要求；滤色片131 133的光谱透过率分布函数，可根据实际测量的 需要进行设计，即考虑温度测量范围、分辨精度、测温误差、优化测 量、CCD响应特性等诸多因素，三个滤色片的光谱透过率分布函数 可具有不同的中心波长、半宽度、峰值等。例如，本实施例可以选择
中心波长为750腿、850nm、 950nm三个滤色片，半宽度均为10nm, 峰值透过率均为75%。
然后，三个相同型号的、具有数字传输接口的黑白CCD面阵传 感器141 143分别安置于滤色片131 133之后，三東光東经由滤色 片131 133分别成像在CCD面阵传感器141 143上；CCD传感器 141~143的曝光时间设置相同，并且通过帧控制保证三路CCD传感 器同步采集。由于三个滤色片131 133的光谱非相关特性，由此CCD 面阵传感器141 143将同时获得三路光谱非相关的CCD成像图像， 图像灰度代表了目标物体相对辐射强度信息。
另外，分光棱镜组12、滤色片131 133、黑白CCD面阵传感器 141~143共同构成的光学成像系统，需进行必要的光路校正，使得 CCD面阵传感器141 143可对物体清晰成像，并且使获得的图像能 够点点对应，实现非失真的融合匹配。
最后，三路图像信号传输至数据釆集分析系统15，依据以下a) e) 所述的原理实现温度场的计算反演。
a).通过分光棱镜组、滤色片后，三路黑白CCD面阵传感器输出 的辐射信号为
'&= c:》(")"(1)
=①'、'■ CT ^")'CCD (义).& (r") ;a (r、')"
其中，上角标(")表示传感器成像焦平面上任一点的坐标；巧"、 K"、 C分别表示所述三个CCD面阵传感器的相对辐射强度输出值，为已知量；①"为所述CCD面阵传感器测量的非光谱因子，为未知量; CCD(勾为所述CCD面阵传感器的光谱响应特性函数，为已知量； 7l(A)、 r2(^、 ^(r)分别表示各滤色片的光谱透过率分布函数与光学 镜头、分光棱镜组的光谱透过率曲线合并而成的综合光谱透过率函 数，为已知量；丌''表示待测物体在点(/,力上的温度，为未知量； ^(,')为与待测物体相同温度r"下的黑体光谱功率分布函数，其仅 与温度r"相关。
b) .以上方程组(l)中，^(r'"为待测物体的光谱发射率函数。 具有连续辐射特性的物体光谱发射率在数学上通常可以用多项式函 数予以描述， 一般而言，在一个有限的窄波段内(600nm~ lOOOnm)
应用时，釆用线性函数表征光谱发射率具有很高的精度，如下式所示
^(r"卜W/L (2)
光谱发射率函数中共有两个待定系数("。,"小合并变量，方程组
(1)中的三个方程中共有(7",^."。，(1)'''."1)三个未知量，因此温度
的数学求解是封闭(C^"，C)o(r",0)'力、,d)"、)，从而能够继续 实现基于3通道的多光谱辐射测温。
基于上述原理，在求解过程中，可继续如c) e)所述建立测温数 据库，以满足实时温度计算的需要。
c) .将光谱发射率函数(2)代入方程组(1),得到新的方程组(3):
一000nm z、 ,、 /——、
F'"=①"'"。■ 1。。柳^(义)'ccD(义K,义
,+。、丄朋,谱c,).义.W卞义 < =①"■ 。。. L卵r"A)'cc"(义)'^ (r'')" ( 3 )
+①".a' . L朋,S (义).CCD (义).义.) cU
C =①"'"。.JL ^ w'c,k义(r,')"
d) .定义公式中仅与温度r"相关的6个积分量为a。、 / u、 a。、 a,、 a。、 a,其中=7" "义)'cc"(义)Uw("')"' m = 1'2，3; " = o,i. (4) 则将方程组(3)改写为方程组(5)，
力''-cD'",-/^"—"''""
e).从d)中可以看出，积分运算仅与温度相关。因此，可以预先 对于每个温度求解上述6个积分量并建立存储温度与6个积分量对应 关系的测温数据库，之后利用所述测温数据库及三个已知量f 、 K"、
^"对方程组(5)进行迭代运算，反演得到温度r"。
参考上述实施例关于b)的描述，本领域的技术人员同时可以知 悉，黑体、灰体测量情形(如一r"卜。。)，均是光谱发射率函数式(2) 的特例形式，这时式(1)的测量方程组写为
< C = °'''. .CT ^ (义).ccd (义).,w (r'') cu (6)
在式(6)中，仅有两个未知量(r",①".a。;)，利用三个通道测量 量化w',f^,f^';)数学求解时，未知量的数目小于方程组的数目，运用 最小二乘法，可以使温度的求解误差更小。
由上述实施例可知，本发明中的光谱发射率函数用线性函数予以 表述，但也不局限于此，任何包含两个或小于两个待定参数的发射率 函数，均可以通过本发明获得的3路信号测量方程，计算求解逐点温 度场r"。例如，对于发光火焰温度场测量，具有一个待定参数的
Hottd模型也已被广泛使用，用以表征火焰光谱发射率
& =1 —exp(-虹/;i") (7)
式(7)是一个半经验公式，其中，"是常数，系数《正比于粒 子浓度，丄是光程，其乘积《丄可作为综合表征浓度的变量。这时式
17(1)的测量方程组可写为
<formula>formula see original document page 18</formula>
在式(8)中，同样也仅有两个未知量(r,KZ),利用三个通道测
量量化",c^)可以迭代求解出温度值。具体过程与上述本发明的实施例类似，此处不再加以赘述。
综上所述，本发明基于三CCI)融合的温度场测量技术，具有以
下优点-.
(1) 与现有技术中非成像的单点辐射测温方法相比，本发明将点测量扩展到了二维场测量，获得了更为丰富的高温物体温度信息。
(2) 与现有技术中CCD成像式温度场测量方法相比，本发明在
测量时利用了滤色片及三通道分光成像处理方式，可以同时获取三路光谱非相关的辐射强度成像数据，三个测量通道的光谱响应函数可以根据需要进行设计，以更好地满足温度优化测量等多方面的要求。
(3) 釆用了适用性更强的多光谱测温法，测量物体不仅仅局限
于传统的比色测温法所适用的范围，因而本发明的应用范围将更为广泛，具有更大的通用性。
(4) 技术实现方案较为简单，三通道分光棱镜易于光学加工，CCD面阵传感器是成熟的商业产品，因此系统集成成本不高、性能稳定等，在高温检测等工业生产领域易于推广应用。
以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见地想到一些雷同、替代方案，均应落入本发明保护的范围。
权利要求
1、一种三CCD温度场测量装置，其特征在于，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，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。
2、 如权利要求1所述的三CCD温度场测量装置，其特征在于，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其中，上角标(/,力表示传感器成像焦平面上任一点的坐标；K"、r2"、 ^"分别表示所述三个CCD面阵传感器的相对辐射强度输出值，为已知量；^为所述CCD面阵传感器测量的非光谱因子，为未知量；4 ~义，为分光棱镜组出射的三束波段辐射的响应波段；为所述CCD面阵传感器的光谱响应特性函数，为已知量；rj义)、r2(/l)、^p;)分别表示各滤色片的光谱透过率分布函数与光学镜头、分光棱镜组的光谱透过率曲线合并而成的综合光谱透过率函数，为已知量； r"表示待测物体在点(/,./)上的温度，为未知量；/^(r-)为与待测物 体相同温度r''下的黑体光谱功率分布函数，仅与温度r"相关； ^(r"为待测物体的光谱发射率函数，包含两个以下的待定参数。
3、 如权利要求2所述的三CCD温度场测量装置，其特征在于，所述待测物体的光谱发射率函数釆用线性函数表征如下^ (r")-a() + ^ .义 (2)则方程组(1)的各方程左边为三个已知量c、 c、 c,右边包括r"、①'入"。、0'''^1三个未知量，因此方程组(1)的求解是封闭 的。
4、 如权利要求3所述的三CCD温度场测量装置，其特征在于，根据以下步骤建立测温数据库实现温度场的实时计算 将式(2)代入方程组(1)得到方程组(3), f = o" "。.r,(外ccd (外/,' A (r")"+①". 广、^ (义) ccd (义) 义.(r'') j;if2w = <d" . "o. r2 (义).ccd (义)./M (r、' p义 (3)+cd" q. j:"'1x r2 (义) ccz)(义).义 /M (r'') = <d" . a0 ■ r職t3 (义)-ccd (义).4义(r'') m定义公式中仅与温度丌''相关的6个积分量为A。、 ^、 A,。、 A,、 A,。、 A,，其中凡,tLW-ccdw.r-/,,""'')^ ，附=1，2,3; " = 0,1. (4) 则将方程组(3)改写为方程组(5)，预先对于每个温度求解所述6个积分量并建立存储温度与6个积 分量对应关系的测温数据库，之后利用所述测温数据库及三个已知量^"、 c、 C对方程组(5)进行迭代运算，反演得到温度r'、
5、 如权利要求1所述的三CCD温度场测量装置，其特征在于， 所述待测物体为温度范围为1000K 3000K的具有连续辐射特性的高 温物体。
6、 如权利要求1 5任一项所述的三CCD温度场测量装置，其特 征在于，所述分光棱镜组出射的三束波段辐射的响应波段均为 600nm~ 1 OOOnm,则所述三个滤色片的波段响应区间也为600nm IOOO亂
7、 一种应用如权利要求1所述装置的三CCD温度场测量方法， 其特征在于，该方法包括-.利用所述光学镜头将待测物体的辐射聚焦在所述分光棱镜组的 入射面上；利用所述分光棱镜组将投射的辐射等分为三東不同方向的波段辐射，分别从三个出射面出射；利用所述三个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；利用所述数据釆集分析单元对三路CCD图像数据进行釆集，并利用多光谱测温法进行温度场计算。
8、 如权利要求7所述的三CCD温度场测量方法，其特征在于，所述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<formula>formula see original document page 5</formula>其中，上角标(u)表示传感器成像焦平面上任一点的坐标；K"、 C、 W分别表示所述三个CCD面阵传感器的相对辐射强度输出值, 为已知量；o"为所述CCD面阵传感器测量的非光谱因子，为未知量; a, ~a,为分光棱镜组出射的三束波段辐射的响应波段；cc"(义)为所 述CCD面阵传感器的光谱响应特性函数，为已知量；r，(义)、r2(;i)、 r3 ("分别表示各滤色片的光谱透过率分布函数与光学镜头、分光棱 镜组的光谱透过率曲线合并而成的综合光谱透过率函数，为已知量； r"表示待测物体在点(/,力上的温度，为来知量；；"r")为与待测物 体相同温度r"下的黑体光谱功率分布函数，仅与温度r"相关； ^(r")为待测物体的光谱发射率函数，包含两个以下的待定参数。
9、 如权利要求8所述的三CCD温度场测量方法，其特征在于，所述待测物体的光谱发射率函数釆用线性函数表征如下^ (") = "0+^ .义 (2)则方程组(1)的各方程左边为三个已知量C、 K'、 右边包括r、'、 <!>''' "。、 (d".a三个来知量。
10、 如权利要求9所述的三CCD温度场测量方法，其特征在于，根据以下步骤建立测温数据库实现温度场的实时计算 将式(2)代入方程组(1)得到方程组(3), g" = ' "0 f鹏^ (义) ，(义)./M (r'') w+①".a . f丽巧(义).cc"(义).义(r'')"义F2" = O" a0. f肌r2 (义) CC"(义).(7'"卢2 ( 3 )= o". "o. fax r3 (义).cot (义).,w (r、') w气m定义公式中仅与温度7^相关的6个积分量为A,。、 / u、 / 2,、 A,、 A,。、 &，其中<formula>formula see original document page 6</formula>(4)则将方程组(3)改写为方程组(5)， 力''=$"-00'〃0+巾"、<formula>formula see original document page 6</formula>预先对于每个温度求解所述6个积分量并建立存储温度与6个积 分量对应关系的测温数据库，之后利用所述测温数据库及三个已知量 r,"、 F2"、 K"对方程组(5)进行迭代运算，反演得到温度r"。
全文摘要
本发明涉及一种三CCD温度场测量装置，包括光学镜头，用于光学成像，将待测物体的辐射聚焦在分光棱镜组的入射面上；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；三个CCD面阵传感器，分别设置于分光棱镜组的三个出射面处，对三路经过不同光谱透过率分布的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；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。本发明还涉及一种对应的温度场测量方法。本发明的技术方案可以实现温度场测量，应用范围广泛；且技术方案实现简单，在高温检测等工业生产领域易于推广应用。
文档编号G01J5/20GK101487740SQ20091007746
公开日2009年7月22日 申请日期2009年2月12日 优先权日2009年2月12日
发明者史聪灵, 程晓舫, 符泰然, 钟茂华 申请人:清华大学