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CCD 多光譜輻射測溫技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展
發(fā)布時(shí)間：2017-11-22
引言
電荷耦合器件 (Charge Coupled Device，CCD)是一種以電荷為信號載體的微型圖像傳感器。CCD技術(shù)隨著半導(dǎo)體微電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展，CCD傳感器的像素集成度、分辨力、幾何精度和靈敏度大大提高，工作頻率范圍顯著增加，可高速成像以滿足對高速運(yùn)動物體的拍攝[1]，并以其光譜響應(yīng)寬、動態(tài)范圍大、靈敏度和幾何精度高、噪聲低、體積小、重量輕、低電壓、低功耗、抗沖擊、耐震動、抗電磁干擾能力強(qiáng)、堅(jiān)固耐用、壽命長、圖像畸變小、無殘像、可以長時(shí)間工作于惡劣環(huán)境、便于進(jìn)行數(shù)字化處理和與計(jì)算機(jī)連接等優(yōu)點(diǎn)，在圖像采集、非接觸測量和實(shí)時(shí)監(jiān)控方面得到了廣泛應(yīng)用。CCD 技術(shù)成為現(xiàn)代光電子學(xué)和測試計(jì)量技術(shù)中最活躍、最富有成果的研究領(lǐng)域之一。尤其是在高溫測量領(lǐng)域內(nèi)，CCD 測溫技術(shù)一直得到人們的關(guān)注。CCD 測溫技術(shù)具有非接觸測溫的全部優(yōu)點(diǎn)，CCD 可以拍攝高溫物體的能量分布，通過數(shù)據(jù)處理可以轉(zhuǎn)換為物體的溫度分布，廣泛的應(yīng)用于高溫物體的溫度場測量。
為了實(shí)現(xiàn)高溫物體表面真實(shí)溫度的測量，國際上自 20 世紀(jì)就開始研究多光譜輻射測溫技術(shù)。Svet，Gardner，Coates 等人總結(jié)了高溫物體發(fā)射率假設(shè)模型，提出多光譜輻射測溫法對高溫物體進(jìn)行測量。多光譜輻射測溫法，即在一個(gè)儀器中制成多個(gè)光譜通道，利用探測器采集多個(gè)光譜的物體輻射亮度測量信息，再經(jīng)數(shù)據(jù)處理而得到物體的溫度，此方法無需測量物體發(fā)射率，特別適合高溫物體表面真實(shí)溫度的測量[2]。
隨著 CCD 生產(chǎn)技術(shù)的提高，眾多研究人員開始著手將 CCD 成像技術(shù)與多光譜測溫技術(shù)結(jié)合，提出了 CCD 多光譜輻射測溫法。通過大量的實(shí)驗(yàn)研究，CCD 多光譜輻射測溫法逐漸被應(yīng)用于高溫物體的溫度場測量，以滿足目前各高溫領(lǐng)域內(nèi)實(shí)際物體高溫溫度場準(zhǔn)確測量的要求。
1 CCD 成像原理及測溫方法
一個(gè)完整的 CCD 傳感器由光敏單元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器及一些輔助輸入和輸出電路組成。工作時(shí)，在設(shè)定的積分時(shí)間內(nèi)由光敏單元對光信號進(jìn)行取樣，將光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為各光敏單元的電荷多少，取樣結(jié)束后，各光敏單元電荷由轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到移位寄存器的相應(yīng)單元中，移位寄存器在驅(qū)動時(shí)鐘的作用下，將信號電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出端將輸出信號接到圖像顯示器或其它信號存儲、處理設(shè)備中，就可對信號再現(xiàn)或進(jìn)行存儲處理。
CCD 主要是對物體輻射能量中某一波段能量進(jìn)行采集，并形成圖像，波段并不一定局限于可見光范圍。高溫物體輻射的信息覆蓋了全波段，并且輻射能量隨波長發(fā)生改變，輻射峰值符合維恩公式，因此高溫輻射能量主要集中在近紅外和可見光波段，在高溫物體溫度場測量中，CCD 傳感器光譜響應(yīng)多在可見光和近紅外波段。高溫物體表面溫度場測量中 CCD傳感器的作用是采集相應(yīng)響應(yīng)范圍內(nèi)的整波段的物體輻射能量信息。某些研究中在 CCD 傳感器前加裝一些分光、濾光等裝置或?qū)?CCD 傳感器進(jìn)行改造，對進(jìn)入 CCD 的信息進(jìn)行處理，通過對采集的信息進(jìn)行分析，得到物體表面的溫度場分布。
目前，高溫物體表面測量中，常用的 CCD 成像器件可分為 RGB 彩色 CCD 和近紅外 CCD 兩類。RGB彩色 CCD 主要用于模仿人眼的視覺效果 (圖 1) 進(jìn)行可見光波段范圍的成像，自然界中，任何可見的彩色可以用三原色 (R - 紅、G - 綠、B - 藍(lán)) 按一定比例混合得到。彩色 CCD 傳感器的作用是把來自被測對象的入射光分解為不同比例的 R，G，B 三原色(圖 2)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和溫度場重建的處理。目前主要采用的測溫方法有比色法和三色多光譜測溫法，最終獲得被測物體的溫度。測量裝置簡單，可對高溫物體進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度場測量，然而彩色 CCD傳感器主要應(yīng)用于視覺成像，并不是為溫度測量設(shè)計(jì)，在測溫過程中存在很大的偏差，并且受外界環(huán)境影響大。
近紅外 CCD 主要是對物體近紅外波段輻射出來的能量進(jìn)行采集。目前的高溫測量主要針對 3000 K以下，此溫度下的高溫物體輻射能量主要集中在近紅外波段，因此，采用近紅外 CCD 進(jìn)行溫度測量時(shí)，具有較高的靈敏度，測量的溫度下限較低; 并且，外界光源主要在可見光范圍，對近紅外 CCD 影響相對較小。因此，目前，近紅外 CCD 測溫技術(shù)得到越來越多研究人員的關(guān)注，建立了多種近紅外 CCD 測溫方法: 單色法、比色法和多譜段測溫法等。下面本文對彩色 CCD 和近紅外 CCD 多光譜測溫技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用進(jìn)行介紹。
2 近紅外 CCD 多光譜輻射測溫技術(shù)研究進(jìn)展
針對彩色 CCD，國內(nèi)外眾多研究人員通過分析三個(gè)通道的顏色的色度信息，運(yùn)用多光譜輻射測溫原理，建立色度信息與高溫物體表面輻射能量之間的聯(lián)系，并通過圖像的處理和計(jì)算推導(dǎo)高溫物體表面溫度場分布。衛(wèi)成業(yè)等人[3]在對比色測溫法的理論研究和誤差分析的基礎(chǔ)上，提出了一種利用火焰圖像三色信息的測溫方法，并對此方法帶來的誤差做了詳實(shí)的分析之后，又利用進(jìn)行火焰截面溫度分布測量的測試系統(tǒng)，做了簡化處理，建立了實(shí)用模型，從而重建出待測的火焰截面溫度分布，并進(jìn)行了試驗(yàn)，給出了測試結(jié)果。上海交通大學(xué)王穎等人[4]論述了三色比色測溫法的測量原理，并通過試驗(yàn)分色測量法進(jìn)行了驗(yàn)證和評價(jià)，探討該方法應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的溫度場測量的可靠性。何邦全等人[5]利用三基色測溫方法標(biāo)定和測量方式進(jìn)行了討論。徐江榮、胡建人[6]提出了在可見光范圍內(nèi)，溫度小于 3400 K 時(shí)的三波長法測量溫度的理論公式，通過與三色光電信號建立關(guān)系式，對酒精燈火焰和柴油燃燒火焰進(jìn)行測量試驗(yàn)。余岳峰等人[7]避免了過去方法中用一個(gè)標(biāo)定試驗(yàn)的公式來求解跨度較大的整個(gè)溫度場分布及由此引起的誤差，采用三色波長光譜測量法和溫度分段線性化的方法來計(jì)算煤粉火焰溫度，并采用實(shí)例進(jìn)行計(jì)算。
隨著 CCD 三波長深入研究，人們又提出了很多改進(jìn)的方法。田啟川等人[8]提出了一種新的方法―――基色相減測溫法，通過對彩色圖像中的 RG，B 值進(jìn)行一種簡單的減法運(yùn)算，建立溫度測量公式，更加高效、方便地利用測溫，并在黑體爐上進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果令人滿意。2002 年至今，符泰然等[9 -10]提出了三波長溫度測量方法，采用類比色的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行高溫物體的溫度測量，通過標(biāo)定測量系統(tǒng)的整體相對光譜響應(yīng)，利用 R，G，B 三色的數(shù)值，推導(dǎo)計(jì)算物體表面溫度，消除了發(fā)射率的影響，無需空間標(biāo)定，結(jié)合測溫儀器，實(shí)現(xiàn)輻射溫度場的實(shí)時(shí)測量計(jì)算。
數(shù)據(jù)處理方面，李漢舟[11]等人以彩色三基色為基礎(chǔ)，針對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)溫度計(jì)算法在計(jì)算煤爐溫度時(shí)存在較大誤差的問題，提出了用最小二乘法和改進(jìn)輸入的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算溫度，得到較為滿意的結(jié)果。
以上的相關(guān)研究主要采用三通道的數(shù)據(jù)建立三波長的 CCD 多光譜測溫系統(tǒng)，并通過采用不同的數(shù)據(jù)處理方法減小誤差，提高了測量的準(zhǔn)確度，并且研究發(fā)展方向逐漸傾向于實(shí)際應(yīng)用。但是，彩色 CCD 傳感器并不是針對高溫物體測溫應(yīng)用設(shè)計(jì)，而是主要考慮符合人眼的光刺激要求，其中 B 通道接近紫外波段，進(jìn)行高溫測量時(shí)能量過小，容易受噪聲影響，帶入計(jì)算中容易被其它通道參數(shù)淹沒。彩色 CCD 光譜響應(yīng)集中在可見光波段，在目前 3000 K 以下的高溫物體溫度測量中，物體表面輻射能量主要集中在紅外波段，可見光波段能量相對較小，導(dǎo)致測量系統(tǒng)靈敏度較低，測量溫度下限較高。
3 近紅外 CCD 多光譜輻射測溫技術(shù)研究進(jìn)展
對近紅外 CCD 傳感器的研究，西方發(fā)達(dá)國家始終走在世界的前列，特別是 20 世紀(jì) 90 年代末期，具有價(jià)格經(jīng)濟(jì)、頻譜寬、穩(wěn)定性高的紅外 CCD 陸續(xù)投放市場，為高溫物體表面溫度場測量領(lǐng)域的技術(shù)革新及擴(kuò)展提供了優(yōu)越的基礎(chǔ)。近紅外 CCD 的產(chǎn)生，彌補(bǔ)了很多可見光 CCD 的缺點(diǎn)，進(jìn)一步推動了 CCD 溫度測量的發(fā)展。
20 世紀(jì)末，Michael 等人[12]通過研究，提出了多種多譜段圖像傳感器研制方案，可對高溫物體表面溫度場分布進(jìn)行測量，并為此申請了專利。測溫原理如圖 3 所示，目標(biāo)物體表面發(fā)出包含發(fā)射率和溫度信息的輻射能量，通過光學(xué)鏡頭和光學(xué)濾光裝置，進(jìn)入成像元件，通過 AD 轉(zhuǎn)換進(jìn)入計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)處理得到物體的溫度和發(fā)射率。
Michael 等人采用較為先進(jìn)的成像技術(shù)及成像元件，提出了多種 CCD 多譜段輻射測溫方案。圖 4 介紹了一種陣列的溫度測量方案，物體發(fā)出的能量通過球面鏡、狹縫和柱面鏡進(jìn)行成像，并通過陣列的濾光片進(jìn)入 CCD，此方案可對物體一個(gè)方向上的溫度進(jìn)行測量。圖 5 介紹了一種采用濾光片輪承裝濾光片，通過轉(zhuǎn)動濾光片輪調(diào)整進(jìn)入 CCD 的波段測溫方案，此方案可對高溫物體表面溫度場進(jìn)行測量。圖 6 介紹了一種采用列陣濾光片的 CCD 測溫裝置，列陣濾光片上分布著不同光譜響應(yīng)的區(qū)域，物體輻射的能量通過濾光片進(jìn)入 CCD，采集到的圖像每個(gè)小區(qū)域可得到包含不同波段信息的輻射能量，通過計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到物體的溫度分布。圖 7 介紹了一種采用孔隙、平行光鏡頭、面陣濾光片和 CCD 對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，得到物體溫度場的測量方案。1994 年到1998 年，Michael 等人[13 -14]采用圖4 的實(shí)驗(yàn)方案，通過幾年的研究，建立了濾波線陣多譜段圖像傳感器，波段覆蓋 1797 nm 到 4512 nm，并通過黑體進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，修正了暗電流等因素的影響，在對黑體進(jìn)行溫度場測量時(shí)，溫度范圍覆蓋 600 ～ 900℃，誤差為 ±1℃ 。采用黑體爐前加裝未知透過率的拋光硅透鏡模擬實(shí)際物體，對測量的溫度場進(jìn)行整體評價(jià)，誤差為± 4℃ 。
2006 年，NASA[15]通過在近紅外 CCD 硬件設(shè)備上進(jìn)行改進(jìn)，在 CCD 探測器芯片上均勻布置不同光譜響應(yīng)的 4 種探測芯片如圖 8，將濾光片的作用整合到 CCD 芯片上，可通過臨近像素點(diǎn)的不同譜段的芯片采集到的信息，計(jì)算出物體的溫度分布。通過研究測試，此套系統(tǒng)的測量溫度范圍為 0 ～3700℃，測量的準(zhǔn)確度 ± 1% (絕對溫度)，并且此套系統(tǒng)已應(yīng)用于高溫物體表面的溫度場測量和高速移動的導(dǎo)彈蒙皮溫度測量。
國內(nèi)由于 CCD 生產(chǎn)技術(shù)和光學(xué)元件生產(chǎn)技術(shù)的落后，目前還沒有完全自主研制的近紅外 CCD 和高透過率的任意帶寬的列陣近紅外濾光片，并且由于國外對中國進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的進(jìn)口限制，部分可購買的元器件價(jià)格昂貴，致使國內(nèi)近紅外多譜段測溫技術(shù)相關(guān)研究較少。北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所從 2008 年開始著手近紅外 CCD 多譜段輻射測溫系統(tǒng)的研究并取得一定成果，此系統(tǒng)主要用以滿足目前對高溫實(shí)際物體進(jìn)行溫度場測量的需求，并應(yīng)用于高溫部件的表面溫度場測量。
4 總結(jié)
本文分析和總結(jié)了國內(nèi)外 CCD 多光譜測溫的研究內(nèi)容，將目前的研究主要分為彩色 CCD 和近紅外CCD 多光譜輻射測溫系統(tǒng)兩大類。彩色 CCD 多光譜測溫系統(tǒng)可通過分析圖像中的 R，G，B 三色值，通過計(jì)算機(jī)處理得到高溫物體的溫度場分布，然而由于通道的選擇并不是針對輻射測溫的要求來決定，系統(tǒng)受外界影響較大，測量時(shí)存在較大的誤差。20 世紀(jì)末，國外的研究人員通過綜合多光譜輻射測溫法和近紅外 CCD 成像技術(shù)，提出了使用近紅外 CCD 的多譜段輻射測溫法，無需測量物體發(fā)射率即可準(zhǔn)確測量高溫物體表面溫度場。近紅外 CCD 多譜段測溫法研究剛剛起步，只有少數(shù)的研究部門開始著手研究。北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所已在原有多光譜輻射測溫儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些改進(jìn)，并搭建了近紅外 CCD 多譜段輻射測溫系統(tǒng)。
綜上所述，面陣 CCD 在高溫物體表面溫度場測量中的應(yīng)用得到了人們越來越多的關(guān)注。它具有非接觸測溫的優(yōu)點(diǎn)，并且可準(zhǔn)確、快捷的測量高溫物體的溫度場分布。CCD 多譜段測溫法更是消除了實(shí)際高溫物體發(fā)射率的影響，提供了準(zhǔn)確測量高溫物體表面溫度場分布的重要手段。CCD 多譜段測溫法必將廣泛的應(yīng)用到各高溫領(lǐng)域的高溫溫度場測量，尤其是目前發(fā)展較快的航空航天領(lǐng)域。
目前，CCD 輻射測溫技術(shù)結(jié)合多光譜輻射測溫法已是研究的主要方向之一，然而，對于 CCD 多光譜波段的選擇，并沒有相關(guān)文獻(xiàn)給出明確的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。波段的選擇，針對不同的物體表面特性或溫度范圍，如何選取對應(yīng)的波段組合來提高測量的準(zhǔn)確度是未來幾年內(nèi)主要的研究方向。
綜上所述，隨著科學(xué)的進(jìn)步、制造工藝的日漸成熟、測溫方式的不斷改進(jìn)，CCD 多光譜測溫技術(shù)的突出優(yōu)勢也會更加顯現(xiàn)出來，它在溫度測量中的應(yīng)用前景也會更加廣闊。
摘自：中國計(jì)量測控網(wǎng)
