彩色CCD摄像机三基色代表波长的试验研究

    高温火焰的温度场测量在燃烧领域中是一个很重要但又很复杂的问题[1~10],随着计算机技术和图像处理技术的发展,基于彩色电荷耦合器件(CCD)摄像机红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色的温度测量方法得到了广泛的应用[5~10].这种方法本质上是以三基色值来反映辐射对象光谱特性在三基色代表性波长下的光谱强度的大小,因此CCD三基色的代表波长是其中的关键参数,不同代表波长的选取会对温度计算结果产生较大的影响,一般选取国际照明委员会(CIE)指定的三原色波长[7~11]:KR=700 nm,KG=546.1 nm,KB=435.8nm,但在基于CCD三基色的图像处理中需要考虑CCD在成像过程中对三基色的光谱响应,以单色光谱响应最大的波长为RGB三基色的代表波长,这样才能使三基色值更好反映辐射对象光谱强度的大小,而且在CCD实际设计中,涉及到人眼对颜色的敏感程度以及各公司的不同考虑,不同CCD制造商的产品对三基色的光谱响应也不尽相同,CCD三基色代表波长也没有完全采用CIE指定的波长,因此对不同类型的CCD的三基色代表波长进行测定很有必要.

    本研究从三基色测温原理出发,提出一种三基色代表波长的试验测定方法,并对不同品牌、不同型号、不同设置参数的CCD的代表波长进行试验研究,最后对测定的代表波长与原波长进行温度计算的对比.

    1 彩色CCD三基色的测温原理

    彩色三基色测温是将反映物体实际辐射的普朗克辐射定律、复现物体颜色的彩色三基色原理结合起来的一种测温方法[9,12].在一定光学系统中,对遵守普朗克辐射定律的一般物体,当在高温下发出彩色光时,其三基色值为

    式中:L(K,T)表示绝对温度为T时测温表面的光谱辐射亮度,在火焰温度检测中可以用火焰的单色辐射强度I(K,T)表示;K为波长;?r(K,T),?g(K,T)和?b(K,T)分别为光学测试系统中三基色通道的光谱响应函数;k为比例系数,其中包括了光学镜头透过率、光敏材料的量子效率、进光量和曝光时间等参数[6,9].

    文献[13]给出了一种基于彩色CCD三基色的双色法温度图像检测方法,通过一套比较完整的火焰图像标定方法和火焰图像分析方法,从彩色火焰图像红绿蓝三基色中得到火焰温度图像.通过对CCD采集的图像进行处理得到其中任一像素的三基色值,再根据双色法测温原理得到火焰图像中任一像素的温度[5]

    式中:C2为普朗克常数;KR和KG为红色和绿色的代表波长;IKR和IKG分别为红色和绿色的单色辐射强度;cg为标定系数,可按文献[13]中的方法得到.

    从中可以看出:三基色代表波长的准确选择对于温度的计算有着重要的影响,有必要采用试验的手段测定彩色CCD摄像机三基色的代表波长.