插值标定的CCD比色测温方法

　　非接触测温方法采用基于热辐射原理的各种辐射测温仪,如光学高温计、光电高温计及比色测温仪等,它具有不需要与被测温物体接触、不破坏测温场、测温响应快以及能对运动物体测温等优点。近年来,辐射测温传感器的研制正在向数字化智能化的方向发展,它包含温度传感、A/D转换、计算机存储等环节。自20世纪70年代CCD(Charge CoupledDevice)电荷耦合器件问世以来,由于具有光电转换、电荷存储和转移的功能,并有非接触、高灵敏度、信号失真度小、工作稳定可靠等优点,能很好地与计算机、计算方法和传热学等相关学科相结合,因而在温度场测量中的应用已引起了国内外广大学者关注,先后研制出各种基于CCD的数字式比色测温仪器[1~4]。这些仪器的比色测温基础是彩色CCD所摄图像所包含的亮度信息和色度学信息,而响应波长带宽则是CCD比色测温方法的主要误差来源,消除或减少这种误差是最主要的技术难点。为了减少带宽测温误差,笔者把带宽等因素引起的误差归结到测温公式的K值中,利用标定实验数据对K值进行插值修正后再进行测温。

　　1　CCD电荷耦合器件

　　CCD电荷耦合器件是由彼此之间可以发生电荷耦合的MOS电容器阵列组成的图像传感器[5]。CCD的运行是利用脉冲电路驱动MOS电容器的非稳态过程:CCD半导体基体上的感光小单元根据光谱辐射亮度把光信号感生为光生电荷;MOS电容器在非稳态形成的电子势阱收集光生电荷形成电荷包;CCD器件上互相独立的MOS元,根据收集到的随光照强度成正比的电荷包形成一幅光生电荷图像,即把一幅光图像转变成一幅电荷图;利用时钟驱动电路,CCD的末端依次接收到各MOS电容器的电荷包,实现电荷的转移。CCD有面阵和线阵两种结构,其中面阵型CCD摄取二维的面图像,又按输出信号的不同分为黑白型和彩色型两种类型。彩色面阵型CCD输出包含亮度信息的色度信号,像素点上获得的光信号波转成红(λr=700nm)、绿(λg=546.1nm)、蓝(λb=435.8nm)三基色信号R、G、B。这些信号由图像采集卡输入计算机,经温度公式计算处理以后可以得到测温面的温度场。R、G、B信号电平可由式(1)给出[6]:

　　其中,A为测温面与像素点之间的光学系统的几何因素常数;L(λ,T)是温度为T时测温表面的光谱辐射亮度;r(λ)、g(λ)、b(λ)分别为CCD三基色通道的光谱响应特性函数,如图1所示。

　　2　CCD比色测温原理

　　由普朗克辐射定律,物体表面的光谱辐射亮度:

　　温度在3000K以下,由维恩公式替代普朗克公式在波长范围小于700nm时带来的亮度误差小于0.1%[7],彩色CCD的R、G、B三通道响应波长在380~780nm,采用维恩公式计算亮度是适合的。