一种多波长面阵CCD高温计的标定和噪声分析方法技术

本发明专利技术公开了一种多波长面阵CCD高温计的标定和噪声分析方法，构建测温标定模型，得出CCD相机每个通道R、G、B需要标定的参数；求解标定模型的未知参数，分析标定误差；构建噪声分析模型，求出噪声分析模型中CCD相机每个通道R、G、B的未知参数；通过噪声分析模型对CCD相机每个通道R、G、B的噪声进行定量分析。评估CCD相机每个通道R、G、B噪声造成的影响。本发明专利技术中高温计的标定模型是一种创新的模型，在此模型下进行标定时高温计每个通道的误差很小；本发明专利技术中的噪声分析方法能够对高温计的噪声进行定量分析，通过该方法能够求出每种噪声引起的灰度值波动，并且能够分析出每种噪声引起的温度误差。误差。误差。

【技术实现步骤摘要】
一种多波长面阵CCD高温计的标定和噪声分析方法


[0001]本专利技术涉及CCD的高温计
，尤其涉及一种多波长面阵CCD高温计的标定和噪声分析方法。

技术介绍

[0002]基于CCD的高温计广泛应用于工业中，其测温原理是利用CCD的光谱响应特性和光电转换特性，通过CCD的图像输出测量出被测目标体的表面二维温度场。这是一种辐射测温技术，该技术具有测温范围广、能够实时测量目标物体表面二维温度场等特点，因此相较于传统高温计更具优势。高温计在使用之前进行标定可以确保获取被测目标体的真实温度，高温计的标定方法分为有效波长标定法和定点标定法。由于CCD中存在暗电流噪声、读出噪声、散粒噪声，这三种噪声会引起CCD高温计测温误差，因此对高温计的噪声分析同样重要，需要引入噪声分析模型对噪声定量分析。
[0003]有效波长标定法：当使用多光谱高温计进行测量时，由于光路中没有干涉滤光片，不能通过滤光片的透过率曲线获得光谱通道的有效波长，因此需要通过测量来获取相应光谱通道的有效波长。这种方法的缺点是有效波长获取比较困难并且标定的过程也比较复杂。定点标定法：以热源为标准，复现并传递温度。定点标定法的标定准确度很高，缺点是定点标定法受到标准温度点的限制，至少需要在三个定点温度上进行数据拟合，并且制造高温区域的定点很困难。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种多波长面阵CCD高温计的标定和噪声分析方法，利用这种模型进行高温计的标定。通过这种新型的标定模型可以减小标定误差，因此可以提高测量精度，使测量结果更加准确。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0006]一种多波长面阵CCD高温计的标定和噪声分析方法，具体包括如下步骤：
[0007](1)构建测温标定模型，得出CCD相机每个通道R、G、B需要标定的参数；
[0008](2)求解标定模型的未知参数，分析标定误差；
[0009](3)构建噪声分析模型，求出噪声分析模型中CCD相机每个通道R、G、B的未知参数；
[0010](4)通过噪声分析模型对CCD相机每个通道R、G、B的噪声进行定量分析。
[0011](5)评估CCD相机每个通道R、G、B噪声造成的影响。
[0012]步骤(1)所述的构建测温标定模型，得出CCD相机每个通道R、G、B需要标定的参数，具体如下：
[0013]CCD相机辐射成像公式如式(1)所示：
[0014][0015]其中G
r
(T)、G
g
(T)、G
b
(T)分别表示CCD相机每个通道R、G、B的灰度值输出，k表示CCD传感器的电荷输出与其灰度值之间的比例因子；q是一个电子的电荷；S0是单个像素的面积；t是相机的曝光时间；F是相机光圈的F数；E
b
(λ,T)表示的是黑体在波长λ和温度T下的普朗克定律；S
r
(λ)、S
g
(λ)、S
b
(λ)分别是R、G、B每个通道的光谱灵敏度；R
r
(λ)、R
g
(λ)、R
b
(λ)分别表示三个通道的光谱响应函数，包括了CCD传感器的光谱响应度和光学系统总光谱透过率；C1为普朗克第一常数，是一个定值C1＝3.742
×
10
‑
16
W
·
m2；
[0016]黑体的总发射功率见式(2)：
[0017][0018]L
bλ
表示黑体在某一波段的发射功率；
[0019]式(2)为黑体在温度T下对外辐射各个波长的总发射功率表示为波长的积分形式，对于半透明介质的大部分光谱，在介质折射率恒定的假设下黑体表面的总发射功率的计算如式(3)所示：
[0020][0021]式(3)中n为介质的折射率，在真空中n＝1，k为Boltzmann常数k＝1.3807
×
10
‑
23
，c0为真空中的光速，其中h为对流换热系数；结合公式(2)和(3)得到式(4)：
[0022][0023]C2为普朗克第二常数，C2＝1.4388
×
10
‑2m
·
K；
[0024]式(4)中的积分通过复杂积分来计算并从积分表中查出来，因此得到式(5)和(6)：
[0025]L
b
(T)＝n2σT4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0026][0027]其中σ表示St efan
–
Boltzmann常数，W、m、K分别代表功率、长度、温度的单位；λ2和λ1波长范围内黑体的总发射功率计算见式(7)：
[0028][0029]式(7)中的积分通常用0和nλT之间的黑体发射功率分数表示，因此得到式(8):
[0030][0031]式(8)将分母展开为无限级数后进行积分，结果为式(9)：
[0032][0033]通过结合式(7)和式(8)得到式(10)：
[0034][0035]结合公式(1)和公式(10)，考虑到实际采集中的噪声，在近似计算公式的基础上，对每个通道加入了一个偏置量c
i
(i＝r,g,b)，得到公式(11)：
[0036][0037]公式(11)即为所述的测温标定模型，因此R通道需要标定的参数为a
r0
、a
r1
、c
r
，G通道需要标定的参数为a
g0
、a
g1
、c
g
，B通道需要标定的参数为a
b0
、a
b1
、c
b
。
[0038]所述的求解标定模型的未知参数，具体如下：
[0039]未知参数的求解相当于求解以下线性方程组：
[0040][0041]其中，x
r
、x
g
、x
b
为参数向量，b
r
、b
g
、b
b
为灰度值向量；
[0042]由于采用黑体炉进行标定实验，所以式(12)中的n＝1；因此式(12)中的系数矩阵A为：
[0043][0044]参数向量x
r
,x
g
,x
b
为：
[0045][0046]灰度值向量b
r
,b
g
,b
b
为：
[0047][0048]根据公式(9)计算f(λT)时需要选定CCD相机的R、G、B通道的波长，根据CCD相机光谱响应灵敏度曲线得到CCD相机的R、G、B通道的波长。
[0049]步骤(3)所述的构建噪声分析模型，求出噪声分析模型中CCD相机每个通道R、G、B的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多波长面阵CCD高温计的标定和噪声分析方法，其特征在于：具体包括如下步骤：(1)构建测温标定模型，得出CCD相机每个通道R、G、B需要标定的参数；(2)求解标定模型的未知参数，分析标定误差；(3)构建噪声分析模型，求出噪声分析模型中CCD相机每个通道R、G、B的未知参数；(4)通过噪声分析模型对CCD相机每个通道R、G、B的噪声进行定量分析。(5)评估CCD相机每个通道R、G、B噪声造成的影响。2.根据权利要求1所述的一种多波长面阵CCD高温计的标定和噪声分析方法，其特征在于：步骤(1)所述的构建测温标定模型，得出CCD相机每个通道R、G、B需要标定的参数，具体如下：CCD相机辐射成像公式如式(1)所示：其中G
r
(T)、G
g
(T)、G
b
(T)分别表示CCD相机每个通道R、G、B的灰度值输出，k表示CCD传感器的电荷输出与其灰度值之间的比例因子；q是一个电子的电荷；S0是单个像素的面积；t是相机的曝光时间；F是相机光圈的F数；E
b
(λ,T)表示的是黑体在波长λ和温度T下的普朗克定律；S
r
(λ)、S
g
(λ)、S
b
(λ)分别是R、G、B每个通道的光谱灵敏度；R
r
(λ)、R
g
(λ)、R
b
(λ)分别表示三个通道的光谱响应函数，包括了CCD传感器的光谱响应度和光学系统总光谱透过率；C1为普朗克第一常数，是一个定值C1＝3.742
×
10
‑
16
W
·
m2；黑体的总发射功率见式(2)：L
bλ
表示黑体在某一波段的发射功率；式(2)为黑体在温度T下对外辐射各个波长的总发射功率表示为波长的积分形式，对于半透明介质的大部分光谱，在介质折射率恒定的假设下黑体表面的总发射功率的计算如式(3)所示：式(3)中n为介质的折射率，在真空中n＝1，k为Boltzmann常数k＝1.3807
×
10
‑
23
，c0为真空中的光速，其中h为对流换热系数；结合公式(2)和(3)得到式(4)：C2为普朗克第二常数，C2＝1.4388
×
10
‑2m
·
K；式(4)中的积分通过复杂积分来计算并从积分表中查出来，因此得到式(5)和(6)：L
b
(T)＝n2σT4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
其中σ表示Stefan
–
Boltzmann常数，W、m、K分别代表功率、长度、温度的单位；λ2和λ1波长范围内黑体的总发射功率计算见式(7)：式(7)中的积分通常用0和nλT之间的黑体发射功率分数表示，因此得到式(8):式(8)将分母展开为无限级数后进行积分，结果为式(9)：通过结合式(7)和式(8)得到式(10)：结合公式(1)和公式(10)，考虑到实际采集中的噪声，在近似计算公式的基础上，对每个通道加入了一个偏置量c
i
(i＝r,g,b)，得到公式(11)：公式(11)即为所述的测温标定模型，因此R通道需要标定的参数为a
r0
、a
r1
、c
r
，G通道需要标定的参数为a
g0
、a
g1
、c
g
，B通道需要标定的参数为a
b0
、a
b1
、c
b
。3.根据权利要求2所述的一种多波长面阵CCD高温计的标定和噪声分析方法，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：张育中，邓涛，杨宇鑫，董敬涛，舒双宝，张腾达，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：