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CCD 多光譜輻射測溫技術的應用與發展

發布時間: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技術隨著半導體微電子技術的發展而迅速發展,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動物體的拍攝[1],并以其光譜響應寬、動態范圍大、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、堅固耐用、壽命長、圖像畸變小、無殘像、可以長時間工作于惡劣環境、便于進行數字化處理和與計算機連接等優點,在圖像采集、非接觸測量和實時監控方面得到了廣泛應用。CCD 技術成為現代光電子學和測試計量技術中最活躍、最富有成果的研究領域之一。尤其是在高溫測量領域內,CCD 測溫技術一直得到人們的關注。CCD 測溫技術具有非接觸測溫的全部優點,CCD 可以拍攝高溫物體的能量分布,通過數據處理可以轉換為物體的溫度分布,廣泛的應用于高溫物體的溫度場測量。

為了實現高溫物體表面真實溫度的測量,國際上自 20 世紀就開始研究多光譜輻射測溫技術。Svet,Gardner,Coates 等人總結了高溫物體發射率假設模型,提出多光譜輻射測溫法對高溫物體進行測量。多光譜輻射測溫法,即在一個儀器中制成多個光譜通道,利用探測器采集多個光譜的物體輻射亮度測量信息,再經數據處理而得到物體的溫度,此方法無需測量物體發射率,特別適合高溫物體表面真實溫度的測量[2]。

隨著 CCD 生產技術的提高,眾多研究人員開始著手將 CCD 成像技術與多光譜測溫技術結合,提出了 CCD 多光譜輻射測溫法。通過大量的實驗研究,CCD 多光譜輻射測溫法逐漸被應用于高溫物體的溫度場測量,以滿足目前各高溫領域內實際物體高溫溫度場準確測量的要求。

1 CCD 成像原理及測溫方法

一個完整的 CCD 傳感器由光敏單元、轉移柵、移位寄存器及一些輔助輸入和輸出電路組成。工作時,在設定的積分時間內由光敏單元對光信號進行取樣,將光的強弱轉換為各光敏單元的電荷多少,取樣結束后,各光敏單元電荷由轉移柵轉移到移位寄存器的相應單元中,移位寄存器在驅動時鐘的作用下,將信號電荷順次轉移到輸出端將輸出信號接到圖像顯示器或其它信號存儲、處理設備中,就可對信號再現或進行存儲處理。

CCD 主要是對物體輻射能量中某一波段能量進行采集,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響應范圍內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、濾光等裝置或對 CCD 傳感器進行改造,對進入 CCD 的信息進行處理,通過對采集的信息進行分析,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) 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),利用計算機進行數據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,可對高溫物體進行實時溫度場測量,然而彩色 CCD傳感器主要應用于視覺成像,并不是為溫度測量設計,在測溫過程中存在很大的偏差,并且受外界環境影響大。

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 進行溫度測量時,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 測溫技術得到越來越多研究人員的關注,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 多光譜測溫技術的發展及應用進行介紹。

2 近紅外 CCD 多光譜輻射測溫技術研究進展

針對彩色 CCD,國內外眾多研究人員通過分析三個通道的顏色的色度信息,運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系,并通過圖像的處理和計算推導高溫物體表面溫度場分布。衛成業等人[3]在對比色測溫法的理論研究和誤差分析的基礎上,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的分析之后,又利用進行火焰截面溫度分布測量的測試系統,做了簡化處理,建立了實用模型,從而重建出待測的火焰截面溫度分布,并進行了試驗,給出了測試結果。上海交通大學王穎等人[4]論述了三色比色測溫法的測量原理,并通過試驗分色測量法進行了驗證和評價,探討該方法應用于燃氣輪機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定和測量方式進行了討論。徐江榮、胡建人[6]提出了在可見光范圍內,溫度小于 3400 K 時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系式,對酒精燈火焰和柴油燃燒火焰進行測量試驗。余岳峰等人[7]避免了過去方法中用一個標定試驗的公式來求解跨度較大的整個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算煤粉火焰溫度,并采用實例進行計算。

隨著 CCD 三波長深入研究,人們又提出了很多改進的方法。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 值進行一種簡單的減法運算,建立溫度測量公式,更加高效、方便地利用測溫,并在黑體爐上進行了試驗,結果令人滿意。2002 年至今,符泰然等[9 -10]提出了三波長溫度測量方法,采用類比色的數學模型進行高溫物體的溫度測量,通過標定測量系統的整體相對光譜響應,利用 R,G,B 三色的數值,推導計算物體表面溫度,消除了發射率的影響,無需空間標定,結合測溫儀器,實現輻射溫度場的實時測量計算。

數據處理方面,李漢舟[11]等人以彩色三基色為基礎,針對神經網絡溫度計算法在計算煤爐溫度時存在較大誤差的問題,提出了用最小二乘法和改進輸入的神經網絡法計算溫度,得到較為滿意的結果。

以上的相關研究主要采用三通道的數據建立三波長的 CCD 多光譜測溫系統,并通過采用不同的數據處理方法減小誤差,提高了測量的準確度,并且研究發展方向逐漸傾向于實際應用。但是,彩色 CCD 傳感器并不是針對高溫物體測溫應用設計,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,進行高溫測量時能量過小,容易受噪聲影響,帶入計算中容易被其它通道參數淹沒。彩色 CCD 光譜響應集中在可見光波段,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,導致測量系統靈敏度較低,測量溫度下限較高。

3 近紅外 CCD 多光譜輻射測溫技術研究進展

對近紅外 CCD 傳感器的研究,西方發達國家始終走在世界的前列,特別是 20 世紀 90 年代末期,具有價格經濟、頻譜寬、穩定性高的紅外 CCD 陸續投放市場,為高溫物體表面溫度場測量領域的技術革新及擴展提供了優越的基礎。近紅外 CCD 的產生,彌補了很多可見光 CCD 的缺點,進一步推動了 CCD 溫度測量的發展。

20 世紀末,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行測量,并為此申請了專利。測溫原理如圖 3 所示,目標物體表面發出包含發射率和溫度信息的輻射能量,通過光學鏡頭和光學濾光裝置,進入成像元件,通過 AD 轉換進入計算機,通過計算機處理得到物體的溫度和發射率。

Michael 等人采用較為先進的成像技術及成像元件,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,物體發出的能量通過球面鏡、狹縫和柱面鏡進行成像,并通過陣列的濾光片進入 CCD,此方案可對物體一個方向上的溫度進行測量。圖 5 介紹了一種采用濾光片輪承裝濾光片,通過轉動濾光片輪調整進入 CCD 的波段測溫方案,此方案可對高溫物體表面溫度場進行測量。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的區域,物體輻射的能量通過濾光片進入 CCD,采集到的圖像每個小區域可得到包含不同波段信息的輻射能量,通過計算機對數據進行處理,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 對數據進行采集,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 的實驗方案,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,并通過黑體進行系統校準,修正了暗電流等因素的影響,在對黑體進行溫度場測量時,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際物體,對測量的溫度場進行整體評價,誤差為± 4℃ 。

2006 年,NASA[15]通過在近紅外 CCD 硬件設備上進行改進,在 CCD 探測器芯片上均勻布置不同光譜響應的 4 種探測芯片如圖 8,將濾光片的作用整合到 CCD 芯片上,可通過臨近像素點的不同譜段的芯片采集到的信息,計算出物體的溫度分布。通過研究測試,此套系統的測量溫度范圍為 0 ~3700℃,測量的準確度 ± 1% (絕對溫度),并且此套系統已應用于高溫物體表面的溫度場測量和高速移動的導彈蒙皮溫度測量。

國內由于 CCD 生產技術和光學元件生產技術的落后,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行相關產品的進口限制,部分可購買的元器件價格昂貴,致使國內近紅外多譜段測溫技術相關研究較少。北京長城計量測試技術研究所從 2008 年開始著手近紅外 CCD 多譜段輻射測溫系統的研究并取得一定成果,此系統主要用以滿足目前對高溫實際物體進行溫度場測量的需求,并應用于高溫部件的表面溫度場測量。

4 總結

本文分析和總結了國內外 CCD 多光譜測溫的研究內容,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兩大類。彩色 CCD 多光譜測溫系統可通過分析圖像中的 R,G,B 三色值,通過計算機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,系統受外界影響較大,測量時存在較大的誤差。20 世紀末,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,提出了使用近紅外 CCD 的多譜段輻射測溫法,無需測量物體發射率即可準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,只有少數的研究部門開始著手研究。北京長城計量測試技術研究所已在原有多光譜輻射測溫儀的基礎上進行了一些改進,并搭建了近紅外 CCD 多譜段輻射測溫系統。

綜上所述,面陣 CCD 在高溫物體表面溫度場測量中的應用得到了人們越來越多的關注。它具有非接觸測溫的優點,并且可準確、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際高溫物體發射率的影響,提供了準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用到各高溫領域的高溫溫度場測量,尤其是目前發展較快的航空航天領域。

目前,CCD 輻射測溫技術結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,并沒有相關文獻給出明確的理論分析和實驗驗證。波段的選擇,針對不同的物體表面特性或溫度范圍,如何選取對應的波段組合來提高測量的準確度是未來幾年內主要的研究方向。

綜上所述,隨著科學的進步、制造工藝的日漸成熟、測溫方式的不斷改進,CCD 多光譜測溫技術的突出優勢也會更加顯現出來,它在溫度測量中的應用前景也會更加廣闊。

摘自:中國計量測控網


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