CCD多光谱辐射测温技术的应用与发展

　　0 引言

　　电荷耦合器件 (Charge Coupled Device，CCD)是一种以电荷为信号载体的微型图像传感器。CCD技术随着半导体微电子技术的发展而迅速发展，CCD传感器的像素集成度、分辨力、几何精度和灵敏度大大提高，工作频率范围显著增加，可高速成像以满足对高速运动物体的拍摄[1]，并以其光谱响应宽、动态范围大、灵敏度和几何精度高、噪声低、体积小、重量轻、低电压、低功耗、抗冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强、坚固耐用、寿命长、图像畸变小、无残像、可以长时间工作于恶劣环境、便于进行数字化处理和与计算机连接等优点，在图像采集、非接触测量和实时监控方面得到了广泛应用。CCD 技术成为现代光电子学和测试计量技术中最活跃、最富有成果的研究领域之一。尤其是在高温测量领域内，CCD 测温技术一直得到人们的关注。CCD 测温技术具有非接触测温的全部优点，CCD 可以拍摄高温物体的能量分布，通过数据处理可以转换为物体的温度分布，广泛的应用于高温物体的温度场测量。

　　为了实现高温物体表面真实温度的测量，国际上自 20 世纪就开始研究多光谱辐射测温技术。Svet，Gardner，Coates 等人总结了高温物体发射率假设模型，提出多光谱辐射测温法对高温物体进行测量。多光谱辐射测温法，即在一个仪器中制成多个光谱通道，利用探测器采集多个光谱的物体辐射亮度测量信息，再经数据处理而得到物体的温度，此方法无需测量物体发射率，特别适合高温物体表面真实温度的测量[2]。

　　随着 CCD 生产技术的提高，众多研究人员开始着手将 CCD 成像技术与多光谱测温技术结合，提出了 CCD 多光谱辐射测温法。通过大量的实验研究，CCD 多光谱辐射测温法逐渐被应用于高温物体的温度场测量，以满足目前各高温领域内实际物体高温温度场准确测量的要求。

　　1 CCD 成像原理及测温方法

　　一个完整的 CCD 传感器由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入和输出电路组成。工作时，在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少，取样结束后，各光敏单元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中，移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端将输出信号接到图像显示器或其它信号存储、处理设备中，就可对信号再现或进行存储处理。

　　CCD 主要是对物体辐射能量中某一波段能量进行采集，并形成图像，波段并不一定局限于可见光范围。高温物体辐射的信息覆盖了全波段，并且辐射能量随波长发生改变，辐射峰值符合维恩公式，因此高温辐射能量主要集中在近红外和可见光波段，在高温物体温度场测量中，CCD 传感器光谱响应多在可见光和近红外波段。高温物体表面温度场测量中 CCD传感器的作用是采集相应响应范围内的整波段的物体辐射能量信息。某些研究中在 CCD 传感器前加装一些分光、滤光等装置或对 CCD 传感器进行改造，对进入 CCD 的信息进行处理，通过对采集的信息进行分析，得到物体表面的温度场分布。