专利名称：基于单台彩色ccd摄像机的双波段比色测温方法
技术领域：
本发明涉及一种比色测温方法，特别是一种基于单台彩色CCD摄像机的双波段比色测温方法。
背景技术：
目前温度测量主要利用以下几种原理(1)电阻测温方法利用导体或半导体电阻率随温度变化的物理特性来测温，如铂电阻温度计，热敏电阻温度计等；(2)膨胀式温度测量方法利用物质热膨胀性质与温度的关系进行测温，如水银、酒精温度计，气体压力式温度计，双金属温度计等；(3)热电偶测温原理利用一对一端连接的不同材料导体在受热后产生热电势的塞贝克效应进行测温；(4)辐射测温原理通过探测器将被测物体的热辐射转换为对温度变化的光电信号，然后利用黑体辐射理论测温。
上述方法(4)中的辐射测温法作为一种非接触测量方法，具有以下优点探测器不会破坏物体的温度分布；不必与被测区域达到热平衡；探测器采用光电敏感元件，灵敏度高，反应快，动态响应好；能实现远距离自动测温；理论上具有无限温度测量上限。
辐射测温法还可分为(a)亮度测温法对应产品为光学高温计和光电高温计等；(b)全辐射测温法对应产品为全辐射温度计等；(c)比色测温法对应产品为比色温度计；(d)红外测温法对应产品为红外温度计和红外热像仪等；(e)光纤测温法对应产品为光纤温度计。
其中的比色测温法，它根据黑体理论利用同一被测物体在两个波长下的单色辐射亮度之比随温度变化这一特性来测量温度，基本原理如普朗克公式所示，绝对黑体在温度为T时，波长为λ的单色辐射亮度为 式中c1＝2πhc2＝3.7418×10-16[W·m2]，称为第一辐射常数。
c2＝hc/k＝1.4388×10-2[m·K]，称为第二辐射常数。
λ为波长[m] T为开氏温度[K] 当c2/λT＞＞1时，普朗克(Planck)公式(1)可用维恩(wien)近似公式代替 考虑具有热辐射的实际物体，则需引入光谱发射率ε(λ，T)，即实际物体在温度为T时，波长为T的单色辐射亮度为 ε(λ，T)为光谱发射率，c1、c2定义同上，T为实际物体的开氏温度[K]。
若测得实际物体在温度为T时，在波长λ1，λ2下，同一点发出的单色辐射亮度值L1，L2，则可以得到 则温度T为 由此公式可知，在两个波长确定的情况下，已知单色辐射亮度之比，光谱发射率之比就可以计算出被测物体温度。此外还有基于三波长，多波长的比色测温法。
比色测温方法具有以下优点(a)在测量实际物体的温度时，只需知道两个波长下的光谱发射率的比值即可，不需要精确的知道被测物体的光谱发射率。一般测量光谱发射率比值比测量绝对值简便和精确；(b)大多数实际物体的颜色温度要比亮度温度和辐射温度更接近于实际温度。当ε(λ1，T)＝ε(λ2，T)时，实际物体的颜色温度就是它的真实温度。(c)颜色测温法受物体光谱发射率的影响较小。同一物体的ε(λ1，T)和ε(λ2，T)的比值变化是很小的。合理选择两个波长可以大大减小因被测物体光谱发射率变化而引起的颜色温度误差。(d)基于此方法而设计的比色测温计可自动记录、控制、调节和远传。
比色测温法广泛应用于冶金、水泥、轻工业等部门，用来测量铁液钢水溶渣温度、炉膛火焰温度和金属表面温度等。
目前的商用比色测温计主要分以下几种类型，按分光形式和信号检测方法，可分为单通道和双通道两大类。当被测对象的辐射能量经分光后，分别通过各自的滤光片再到两个检测元件上，依据两个元件的电信号来确定温度的仪表称为双通道型。采用一个检测元件的仪表称为单通道型。单通道比色温度计又可分为单光路式和双光路式。双通道式比色温度计又分为调制式和非调制式。调制系统用来减小检测元件本身的温漂影响，提高比色测温计的测量精度。比色温度计常用检测元件有光电型和热电型两类，如光电池，电荷耦合器件(CCD)等。
近年来，随着电荷耦合器件CCD应用领域的不断拓展，利用CCD摄像机测量高温物体温度的技术成为了研究热点，参见文献杨经国，杜定旭，冉瑞江，薛康，张立志，热辐射谱的多道式采集及高精度双色高温测量.光谱学与光谱分析，1996(05)；卫成业等，高温火焰图像处理比色测温法的数值方法研究.燃烧科学与技术，1998(03)；王飞等，运用彩色CCD双色信息测量燃烧火焰的温度场.发电设备，1998(06)；李少辉，高岳和高稚允，图像比色法在炉膛火焰温度场实时监测的研究.光学技术，2002(02)；卫成业等，利用面阵CCD进行火焰温度分布测量——二维投影温度场的测量.热能动力工程，2002(01)；李汉舟等，基于面阵CCD图像的温度场测量研究.仪器仪表学报，2003(06)；田辛等，用双色法研究进气道喷射乙醇柴油引燃时的燃烧过程.内燃机学报，2004(01)；孙皆宜，苏占远，基于比色法测量高温水泥熟料的温度场.硅酸盐通报，2006(01)；王丽雯等，用双色法研究汽油机燃烧火焰的温度分布.燃烧科学与技术，2007(04)。其中多利用双色比色法。在实际使用时，单色辐射亮度很难获取，CCD接收的能量实际上是经过某一滤光片后的辐射能，是单色辐射亮度关于某一波长区间、立体角和面积的积分值，所以对于公式(5)要做如下修正。根据辐射能的传播，可以列出如下方程式 其中λHR，λLR分别是红色干涉滤光片光谱响应的波长上下限。
λHB，λLB分别是蓝色干涉滤光片光谱响应的波长上下限。
文章王飞等，运用彩色CCD双色信息测量燃烧火焰的温度场.发电设备，1998(06)中已经说明，选用红蓝两色进行比色，可以有效的减小温度误差) I(λ，T)为绝对黑体的单色辐射亮度。
ε(λ，T)为光谱发射率，它与I(λ，T)的乘积代表着实际辐射源的光谱辐射亮度。
TR(λ，T)，TB(λ，T)分别为外加滤光片后彩色CCD红蓝两色等效光谱响应函数。若不外加滤光片，则就是彩色CCD红蓝两色的光谱响应函数。
S为彩色CCD像元接受的辐射强度所对应的发射源的面积。
Ω为彩色CCD像元接受的辐射强度从发射源看对应的立体角。
AR，AB分别为红色和蓝色光通道的通道增益。
VR，VB分别是CCD感应的电压对应的数字量。
若ΔλR＝λHR-λLR，ΔλB＝λHB-λLB，以及S和Ω很小，则可以对公式(6)作如下简化，波长差Δλ，面积S和立体角Ω可分别近似看为常数 其中λB，λR分别为滤光片的中心波长。即 其中则 温度 从以上推导可知，滤光片的光谱响应上下限波长区间很小是能够做简化的条件之一，如果波长区间很大的话，就不能做类似的化简，否则就会带来很大误差。
而比色测温双中心波长的选择要结合被测物体的发射光谱和电荷耦合器件的光谱响应特性进行，滤光片的带宽在满足实际要求的前提下，应该是越小越好，干涉滤光片的带宽很小，因此也成为了使用比色法的常用滤光片。参见文献李海滨，王晓霞，刘彬，CCD比色测温中工作波长与带宽的选择.光学技术，2005(01)；吴海斌，陈军，张杰，曾伟，比色测温双波长的选择及滤波片最小带宽的计算，量子电子学报，2006(04)。
双色比色法的运用，按照测温装置结构的不同分以下几种 (1)以双路单色CCD摄像机为检测和模数转换设备，结构如错误！未找到引用源。所示，参见李少辉，高岳，高稚允，图像比色法在炉膛火焰温度场实时监测的研究.光学技术，2002(02).及李海滨，张文明，刘彬，CCD比色测温系统在水泥篦冷机中的应用.中国测试技术，2005(06)。其中灰色为发光被测物体，虚框内为光学系统，如中性滤光片、物镜等。中心波长分别为λ1和λ2的干涉滤光片1和滤光片2放在光路中，经过这些光学透镜之后的窄带光分别进入两台CCD内，经过模数转换后可以得到对应辐射强度的数字量，利用标准辐射源校准系统，再根据式(9)便可以得到被测物体的温度。该设备的优点系统容易搭建，系统各部分的设计相对独立。干涉滤光片的带宽很小，CCD接收的是很窄的波长区域内辐射能量的积分值容易做简化，温度计算较为方便。但该设备需要两台CCD摄像机，系统较为复杂，实际运用时不够方便；且两台摄像机存在分散性，有像差，需要单独校准。
(2)以彩色CCD为主要检测和数据转换设备，其测量方式如错误！未找到引用源。所示，参见卫成业等，高温火焰图像处理比色测温法的数值方法研究.燃烧科学与技术，1998(03)及王飞等，运用彩色CCD双色信息测量燃烧火焰的温度场.发电设备，1998(06)。彩色CCD在制作时，是在原来的单色CCD的基础上，感光单元上添加滤光片，滤光片分为红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)三种，一种典型的滤光片添加方式如图1所示，目前市面上的CCD多为此种，称为BAYER格式，其每个像元上只有一种滤光片。滤光片本身具有光学带通滤波效应，如错误！未找到引用源。a和图4b所示CCD芯片的光谱响应曲线。不同公司的彩色CCD芯片红绿蓝三色的感光特性不同。
被测物体所发出的光经过光学系统后(物镜、中性滤光片等)，进入照射在彩色CCD像机的上。经过不同的滤光片后，会在CCD上感应出不同的电压，经过后面的模数转换装置后就可以读出每个像元对应不同滤光片的数字量，经过标准辐射源的校准，再根据式(9)，就可以得到被测物体的温度。该设备虽然易搭建，成本较低，易于在测量现场使用，但不同公司所产的彩色摄像机的RGB三色的光谱响应曲线不同。需要测出其曲线，否则会带来很大误差；相比干涉滤光片的窄带滤光效果，商用CCD芯片的滤光片带宽太大，CCD像元接收的是很宽的波长区域内辐射能量的积分值，很难简化。同时光谱响应曲线有交叠，测量精度上很难保证，同时数据处理上比第一种结构复杂。
发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种基于单台彩色CCD摄像机的双波段比色测温方法，该方法只需一台摄像机既可获取两个窄带波段的辐射强度值，避免了两台摄像机存在的分散性问题。
本发明的技术解决方案利用干涉滤光片的窄带滤波效应，将两块不同中心波长的干涉滤光片拼为一块整圆或者直接利用双波段干涉滤光片，将全波段光滤波成为在两个波段内的窄带光，再照射在彩色CCD摄像机的感光单元上，CCD中每个像元感应出的红蓝两色的电压数值就是对应波段辐射强度值，这样经过标准辐射源校正后，根据公式(9) 即可以求出被测物体温度T，式中ε(λ，T)为光谱发射率，c1为称为第一辐射常数，c2称为第二辐射常数定义，VB/KB、VR/KR分别是在波长λ1，λ2下同一点发出的单色辐射亮度值。
所述的双波段干涉滤光片的波长选择原则如下根据彩色CCD摄像机的光谱曲线，选择交叠现象小的蓝色B区域某个波长，若全色光在经过以此波长为中心波长的干涉滤光片后每个像元的红色感光数值最小，同时保证每个像元的蓝色感光数值尽量大，则将此波长定为双波段干涉滤光片的其中一个波长；同理，选择交叠现象小的红色R区域某个波长，保证红色响应大的情况下蓝光响应最弱，则此波长定为双波段干涉滤光片的另一个波长。
本发明与现有技术相比的优点在于 (1)本发明只需一台摄像机既可获取两个窄带波段的辐射强度值，避免了两台摄像机存在的分散性问题。
一台彩色摄像机添加如本发明所述的双波段干涉滤光片后，可以起到如双色比色法中第一种方法的效果。彩色摄像机的红色像元和蓝色像元将分别感应红色波段和蓝色波段的窄带光。而最终拍摄的彩色图像中每个像素点的红色分量和蓝色分量便对应着彩色摄像机红色像元和蓝色像元感应的光谱辐射强度值。这样一台彩色摄像机就能起到分别添加单波长干涉滤光片的两台单色摄像机的效果。避免了由于不同摄像机像元感光特性有差别而引起的误差。
(2)和第二种方法相比，避免了整条彩色CCD光谱响应曲线的获取，只需要测一下特定波长段的CCD响应就可。
和双色比色法中第二种方法比较，由于每台彩色CCD摄像机的感光特性是未知的，而且不同厂家的彩色CCD感光特性不同，如果直接利用积分方法分别求红色像元和蓝色像元在其感光特性对应波长内的辐射强度积分值，则会由于无法准确知道积分的上下限而使得计算很难进行。而且即时知道了上下限也会由于带宽太宽而影响精度。而本发明所述方法只需要利用若干单波段干涉滤光片对其感光特性进行测试，就能够得到如权利要求2所述的两个特定波长。
(3)最大限度的避免了光谱响应曲线交叠带来的误差。现有的双色比色法中第二种方法中，由于彩色CCD感光特性曲线是交叠的，这样使得在分别计算辐射强度积分值时，引入了误差。而本发明所述方法只需要积分两个窄带范围内辐射强度就可，最大限度的避免了曲线交叠所带来的误差，便于利用式(6)-式(9)的数值方法处理。
(4)数据处理上，本发明所述方法与双色比色法第一种方法类似，只需要积分两个窄带范围内的辐射强度，利用式(6)-(9)就能算出温度。
(5)系统容易搭建，且成本不高，方便工业现场使用。一台彩色摄像机加双波长干涉滤光片就可以实现温度的测量，而且温度测量精度上也得到了保证，又避免了购置多台相机，成本上也得到了控制，便于应用在工程现场。
图1为现有的双路单色CCD比色测温法中双路单色CCD摄像机为检测和模数转换设备的结构示意图； 图2为现有的单路彩色CCD比色测温法中以彩色CCD为主要检测和数据转换设备结构示意图； 图3为现有的一种BAYER格式的彩色CCD滤光片分布方式示意图； 图4为典型的彩色CCD光谱响应曲线，其中图4a为Toshiba公司TCD2558D芯片的光谱响应曲线，图4b为Sony公司的ICX205AK芯片的光谱响应曲线； 图5为本发明的基于单台彩色CCD摄像机的双波段比色测温方法示意图； 图6本发明加双波段干涉滤光片后的彩色CCD光谱响应曲线图。
具体实施例方式 如图5所示，本发明的方法具体如下首先确定彩色CCD摄像机双色比色测温的两个波长，然后选择分别以这两个波长为中心波长的单波长干涉滤光片两个，将它们拼接成一个整圆，或者直接选择一个以这两个波长为中心波长的双波长干涉滤光片，将其加在彩色CCD摄像机的透镜前，则此双波段滤光片就能够将进入彩色CCD摄像机的全波长范围光滤为在所选波段范围内的窄带光，并照射在摄像机的感光单元上，CCD中感应红蓝两色的像元输出的电压数值对应红蓝两窄带波段辐射强度值，这样经过标准辐射源的校正，根据式(9)，就可以求得被测物体温度T。
双波段干涉滤光片的波长选择原则如下彩色CCD摄像机的光谱曲线如错误！未找到引用源。所示，选择交叠现象较小的蓝色B区域某个波长，若全色光在经过以此波长为中心波长的干涉滤光片后每个像元的红色感光数值最小，同时保证每个像元的蓝色感光数值尽量大。则将此波长定为双波段干涉滤光片的其中一个波长。同理，选择交叠现象较小的红色R区域某个波长，保证红色响应较大的情况下蓝光响应最弱。则此波长定为双波段干涉滤光片的另一个波长。
这样一来，光谱总响应函数分别为式(6)所示 利用上面的双波长选择法，就可以使 从而使光谱总响应函数得到了简化，如式(8) 其中TB和TR分别为外加滤光片后彩色CCD红蓝两色等效光谱响应函数 fB(λ)和fR(λ)分别对应蓝光区域和红光区域的CCD像元光谱响应函数
和
分别对应中心波长为λ1和λ2的干涉滤光片光谱响应函数 被测物体发出的光经过双半波干涉滤光片后，无论是拼接的还是整圆的，都会在彩色CCD上成完整被测物体的像，而这个像仅包括所选两个所选窄带波段内的光强。每个像元感应出的红蓝两色的电压数值就是对应波段辐射强度的辐射强度值，这样经过标准辐射源校正后，根据式(9)，就可以求出被测物体温度T。
权利要求
1、一种基于单台彩色CCD摄像机的双波段比色测温方法，其特征在于利用干涉滤光片的窄带滤波效应，将两块不同中心波长的干涉滤光片拼为一块整圆或者直接利用双波段干涉滤光片，将全波段光滤波成为在两个波段内的窄带光，再照射在彩色CCD摄像机的感光单元上，CCD中感应红蓝两色的像元输出的电压数值对应红蓝两窄带波段辐射强度值，这样经过标准辐射源校正后，根据公式(9)
即可以求出被测物体温度T，式中ε(λ，T)为光谱发射率，c1为称为第一辐射常数，c2称为第二辐射常数，VB/KB、VR/KR分别是在波长为λ1，λ2的下被测物体发出的单色辐射亮度值。
2、根据权利要求1所述的基于单台彩色CCD摄像机的双波段比色测温方法，其特征在于所述的双波段干涉滤光片的波长选择原则如下根据彩色CCD摄像机的光谱曲线，选择红蓝两色光谱曲线交叠现象小的蓝色B区域某个波长，若全色光在经过以此波长为中心波长的干涉滤光片后每个像元的红色感光数值最小，同时保证每个像元的蓝色感光数值尽量大，则将此波长定为双波段干涉滤光片的其中一个波长；同理，选择红蓝两色光谱曲线交叠现象小的红色R区域某个波长，保证红色响应大的情况下蓝光响应最弱，则此波长定为双波段干涉滤光片的另一个波长。
全文摘要
一种基于单台彩色CCD摄像机的双波段比色测温方法，利用干涉滤光片的窄带滤波效应，将两块不同中心波长的干涉滤光片拼为一块整圆或者直接利用双波段干涉滤光片，将全波段光滤波成为在两个波段内的窄带光，再照射在彩色CCD摄像机的感光单元上，CCD中感应红蓝两色的像元输出的电压数值对应红蓝两窄带波段辐射强度值，这样经过标准辐射源校正后，根据比色法温度计算公式即可得出温度值。本发明只需一台摄像机既可获取两个窄带波段的辐射强度值，避免了两台摄像机存在的分散性问题。
文档编号G01J5/60GK101358881SQ200810115098
公开日2009年2月4日 申请日期2008年6月16日 优先权日2008年6月16日
发明者武建文, 景 王 申请人:北京航空航天大学