基于面阵CCD图像的温度场测量研究

　　1　引　　言

　　火焰温度场的测量一直是工程界和理论界十分关心的问题,目前常用的温度测量方法除了传统的热电偶、热电阻、光学高温计等方法以外,激光光谱测温、声学高温计等方法成为研究热点。热电偶、热电阻属于接触式测量,只能测到接触点的温度,而且,测温时会破坏被测对象温度场;光学高温计在使用时要知道被测对象的黑度系数,每次也仅能测量一点的温度;对于工业锅炉内巨大尺寸的火焰,用声波、激光来测量温度,费用较高。近年来,国内外广大学者把数字图像处理技术和早已发展成熟的辐射测温原理相结合,在工业炉温度场检测方面取得了一定成果[1～3]。该方法可以实现炉内温度场的实时测量。虽然在某些热电站已经试验性地运用了此项技术,但是目前还没有文献给出高温辐射体温度和图像像素点亮度之间的明确关系。针对这一问题,推导了用CCD摄像机测量具有确定物面的高温辐射体温度场时,温度和图像亮度之间的解析表达式;并在此基础上,给出了一种基于彩色CCD的温度检测方法。最后,分别在黑体炉和普通煤炉上进行了测温试验,验证了本文推导结果的正确性。

　　2　几个假设

　　为了便于讨论做如下假设:

　　(1)被测高温辐射体具有实的物面

　　为了能在CCD靶面上得到被测高温物体清晰的像,要求该物体应该具有实的物面,以便光学系统调焦。另外,空气对高温物体辐射出的可见光反射、散射和吸收很小,故忽略空气对CCD成像的影响,则可以认为照射到CCD靶面上的像,准确地反映了辐射体表面的亮度。

　　(2)高温辐射体表面分割成若干微小面元如图1所示,假设ABCD为高温物体表面,调节位于O点的CCD摄像机焦距,使ABCD在CCD靶面上清晰成像,则物面上每一个点在像面上都有一个共轭点与之对应[4]。由于面阵CCD靶面上每一个光敏单元都是分隔开的[5],CCD工作时由这些离散的光敏单元对光学图像进行采样,采样结果破坏了物点与像点这种一一对应关系。设CCD成像分辨率为M×N,相应地ABCD面也被分为M×N个单元。在ABCD平面中第(i,j)个面元abcd,映射为CCD靶面上第(i,j)个像素点。

　　(3)同一个面元内温度相同

　　在高温物体表面上一个足够小的区域内,各点温度差别很小。若CCD摄像机的线数足够多,选择的镜头合适,可以认为在这一微小区域内各点温度相同。

　　(4)CCD摄像机靶面上的每一个像素点,只接受对应面元的光辐射刺激

　　按照前边假设,物面上每一个微小面元和像面上唯一微小面元相对应。根据这种一一对应关系,不妨假设CCD摄像机靶面上的每一个像素点,只接收对应面元发出的光辐射刺激。