首页>技术中心>技术资讯>CCD 多光谱辐射测温技术的应用与发展
CCD 多光谱辐射测温技术的应用与发展
发布时间：2017-11-22
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[1]，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。
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[2]。
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。
1 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。下面本文对彩色 CCD 和近红外 CCD 多光谱测温技术的发展及应用进行介绍。
2 近红外 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[3]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[4]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[5]利用三基色测温方法标定和测量方式进行了讨论。徐江荣、胡建人[6]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。余岳峰等人[7]避免了过去方法中用一个标定试验的公式来求解跨度较大的整个温度场分布及由此引起的误差，采用三色波长光谱测量法和温度分段线性化的方法来计算煤粉火焰温度，并采用实例进行计算。
随着 CCD 三波长深入研究，人们又提出了很多改进的方法。田启川等人[8]提出了一种新的方法―――基色相减测温法，通过对彩色图像中的 RG，B 值进行一种简单的减法运算，建立温度测量公式，更加高效、方便地利用测温，并在黑体炉上进行了试验，结果令人满意。2002 年至今，符泰然等[9 -10]提出了三波长温度测量方法，采用类比色的数学模型进行高温物体的温度测量，通过标定测量系统的整体相对光谱响应，利用 R，G，B 三色的数值，推导计算物体表面温度，消除了发射率的影响，无需空间标定，结合测温仪器，实现辐射温度场的实时测量计算。
数据处理方面，李汉舟[11]等人以彩色三基色为基础，针对神经网络温度计算法在计算煤炉温度时存在较大误差的问题，提出了用最小二乘法和改进输入的神经网络法计算温度，得到较为满意的结果。
以上的相关研究主要采用三通道的数据建立三波长的 CCD 多光谱测温系统，并通过采用不同的数据处理方法减小误差，提高了测量的准确度，并且研究发展方向逐渐倾向于实际应用。但是，彩色 CCD 传感器并不是针对高温物体测温应用设计，而是主要考虑符合人眼的光刺激要求，其中 B 通道接近紫外波段，进行高温测量时能量过小，容易受噪声影响，带入计算中容易被其它通道参数淹没。彩色 CCD 光谱响应集中在可见光波段，在目前 3000 K 以下的高温物体温度测量中，物体表面辐射能量主要集中在红外波段，可见光波段能量相对较小，导致测量系统灵敏度较低，测量温度下限较高。
3 近红外 CCD 多光谱辐射测温技术研究进展
对近红外 CCD 传感器的研究，西方发达国家始终走在世界的前列，特别是 20 世纪 90 年代末期，具有价格经济、频谱宽、稳定性高的红外 CCD 陆续投放市场，为高温物体表面温度场测量领域的技术革新及扩展提供了优越的基础。近红外 CCD 的产生，弥补了很多可见光 CCD 的缺点，进一步推动了 CCD 温度测量的发展。
20 世纪末，Michael 等人[12]通过研究，提出了多种多谱段图像传感器研制方案，可对高温物体表面温度场分布进行测量，并为此申请了专利。测温原理如图 3 所示，目标物体表面发出包含发射率和温度信息的辐射能量，通过光学镜头和光学滤光装置，进入成像元件，通过 AD 转换进入计算机，通过计算机处理得到物体的温度和发射率。
Michael 等人采用较为先进的成像技术及成像元件，提出了多种 CCD 多谱段辐射测温方案。图 4 介绍了一种阵列的温度测量方案，物体发出的能量通过球面镜、狭缝和柱面镜进行成像，并通过阵列的滤光片进入 CCD，此方案可对物体一个方向上的温度进行测量。图 5 介绍了一种采用滤光片轮承装滤光片，通过转动滤光片轮调整进入 CCD 的波段测温方案，此方案可对高温物体表面温度场进行测量。图 6 介绍了一种采用列阵滤光片的 CCD 测温装置，列阵滤光片上分布着不同光谱响应的区域，物体辐射的能量通过滤光片进入 CCD，采集到的图像每个小区域可得到包含不同波段信息的辐射能量，通过计算机对数据进行处理，得到物体的温度分布。图 7 介绍了一种采用孔隙、平行光镜头、面阵滤光片和 CCD 对数据进行采集，得到物体温度场的测量方案。1994 年到1998 年，Michael 等人[13 -14]采用图4 的实验方案，通过几年的研究，建立了滤波线阵多谱段图像传感器，波段覆盖 1797 nm 到 4512 nm，并通过黑体进行系统校准，修正了暗电流等因素的影响，在对黑体进行温度场测量时，温度范围覆盖 600 ～ 900℃，误差为 ±1℃ 。采用黑体炉前加装未知透过率的抛光硅透镜模拟实际物体，对测量的温度场进行整体评价，误差为± 4℃ 。
2006 年，NASA[15]通过在近红外 CCD 硬件设备上进行改进，在 CCD 探测器芯片上均匀布置不同光谱响应的 4 种探测芯片如图 8，将滤光片的作用整合到 CCD 芯片上，可通过临近像素点的不同谱段的芯片采集到的信息，计算出物体的温度分布。通过研究测试，此套系统的测量温度范围为 0 ～3700℃，测量的准确度 ± 1% (绝对温度)，并且此套系统已应用于高温物体表面的温度场测量和高速移动的导弹蒙皮温度测量。
国内由于 CCD 生产技术和光学元件生产技术的落后，目前还没有完全自主研制的近红外 CCD 和高透过率的任意带宽的列阵近红外滤光片，并且由于国外对中国进行相关产品的进口限制，部分可购买的元器件价格昂贵，致使国内近红外多谱段测温技术相关研究较少。北京长城计量测试技术研究所从 2008 年开始着手近红外 CCD 多谱段辐射测温系统的研究并取得一定成果，此系统主要用以满足目前对高温实际物体进行温度场测量的需求，并应用于高温部件的表面温度场测量。
4 总结
本文分析和总结了国内外 CCD 多光谱测温的研究内容，将目前的研究主要分为彩色 CCD 和近红外CCD 多光谱辐射测温系统两大类。彩色 CCD 多光谱测温系统可通过分析图像中的 R，G，B 三色值，通过计算机处理得到高温物体的温度场分布，然而由于通道的选择并不是针对辐射测温的要求来决定，系统受外界影响较大，测量时存在较大的误差。20 世纪末，国外的研究人员通过综合多光谱辐射测温法和近红外 CCD 成像技术，提出了使用近红外 CCD 的多谱段辐射测温法，无需测量物体发射率即可准确测量高温物体表面温度场。近红外 CCD 多谱段测温法研究刚刚起步，只有少数的研究部门开始着手研究。北京长城计量测试技术研究所已在原有多光谱辐射测温仪的基础上进行了一些改进，并搭建了近红外 CCD 多谱段辐射测温系统。
综上所述，面阵 CCD 在高温物体表面温度场测量中的应用得到了人们越来越多的关注。它具有非接触测温的优点，并且可准确、快捷的测量高温物体的温度场分布。CCD 多谱段测温法更是消除了实际高温物体发射率的影响，提供了准确测量高温物体表面温度场分布的重要手段。CCD 多谱段测温法必将广泛的应用到各高温领域的高温温度场测量，尤其是目前发展较快的航空航天领域。
目前，CCD 辐射测温技术结合多光谱辐射测温法已是研究的主要方向之一，然而，对于 CCD 多光谱波段的选择，并没有相关文献给出明确的理论分析和实验验证。波段的选择，针对不同的物体表面特性或温度范围，如何选取对应的波段组合来提高测量的准确度是未来几年内主要的研究方向。
综上所述，随着科学的进步、制造工艺的日渐成熟、测温方式的不断改进，CCD 多光谱测温技术的突出优势也会更加显现出来，它在温度测量中的应用前景也会更加广阔。
摘自：中国计量测控网
