CCD辐射测温的动态范围研究

　　0　引　言

　　基于CCD图像传感器的辐射测温技术将CCD技术、数字图像处理技术与辐射测温方法相结合,能实现快速、准确的高温温度场测量,因而,成为高温检测领域近年来的研究热点^{[1, 2]。}因 工业用CCD并非专为辐射测温研制,其动态范围较窄,不能满足高温测量对测温范围的要求,使基于CCD的辐射测温技术的应用受到限制。文献[3~5]提出 在CCD镜头前加高衰减率的中性滤光片来防止CCD出现饱和失真,以此扩大CCD的测温范围。通过对辐射体单色辐射亮度与温度及CCD光电转换特性关系的 分析,指出使用中性滤光片虽然能够扩大测温范围,但其效果有限,仍难以满足高温测量的应用要求,实验结果证明了结论的正确性。

　　1　CCD比色测温原理

　　1.1　CCD成像原理

　　工作在非饱和状态下的CCD的输出电压U正比于曝光量S,其光电转换特性可由下式描述

　　式中　d_¹为CCD的光响应度,V/( l_^x·s);γ为表征CCD光电转换特性非线性的指数,γ≈1^[6];V_^D为CCD无光照时的输出电压,称为暗输出电压,V。

　　CCD的光电转换特性如图1所示^[7]。

　　图1中,V_^D为暗输出电压,其对应曝光量为S_⁰; CCD特性曲线的拐点G所对应的输出电压V_^SAT称为饱和输出电压,所对应的曝光量S_^E称为饱和曝光量,曝光量高于S_^E后,CCD输出信号不再增加。因此,要使CCD的输出电压准确反映CCD的曝光量,CCD必须工作在非饱和区。

　　彩色CCD依靠设置在光电元件靶面间的3种滤色点阵,将入射的可见光分解为RGB三基色,三基色通道的输出分别为^[8]

　　式中　a为镜头的出射光瞳半径,m;f为像方焦距,m;τ为CCD的光电转换系数;μ为镜头的透光率,由于CCD的镜头对各个波长光波的透过率 近似相等,因此,可以将μ近似看作常数; t为曝光时间,s;L(λ,T)为温度为T的辐射体在辐射波长λ下的单色辐射亮度,W /(sr·m³); r(λ), g(λ),b(λ)分别为CCD三基色通道的光谱响应特性函数。

　　由式(1)、式(2)可知,当CCD工作在非饱和区时,辐射体单色辐射亮度与CCD三色通道输出信号有一一对应关系,可以利用CCD输出的图像信号进行温度测量。

　　1.2　比色测温原理

　　设CCD的光谱响应特性为理想冲激响应^[9],由式(2)可得

　　式中　λR,λG,λB分别取值700. 0, 546. 1, 435. 8 nm。

　　假设待测辐射体为灰体,将式(4)中的R,G代入比色测温公式可以得到CCD比色测温公式^[10]