光谱发射率校正的CCD图像温度反演方法

《Sensors》：A Spectral-Emissivity-Corrected Method for Temperature Inversion from CCD Images

　　

准确的髙温场表征对于爆炸诊断、激光与物质相互作用、燃烧监测及相关热过程具有重要意义。本研究提出了一种将光纤光谱测量与单色成像相结合的集成测温框架。其核心贡献并非新的多光谱原理或优化算法，而是一种耦合了代表性光谱发射率传递的积分时间相关辐射定标框架，并明确了其适用条件。该框架的核心要素是一个三参数辐射定标模型，其中显式包含了相机积分时间，从而可在实验标定的积分时间范围内进行辐亮度转换，无需针对每种曝光设置重复单独固定曝光标定。利用多波长光谱辐亮度联合反演温度与连续的二阶多项式发射率函数，并以遗传算法作为全局优化器。将从代表性光谱采样区域获得的发射率函数传递至成像模型进行逐像素温度反演；该步骤假设材料与表面状态在所应用区域内足够均匀。研究人员采用标称色温为2200–2800 K的稳态钨卤灯测量以及瞬态激光加热316L不锈钢实验对该方法进行了验证。与基于维恩近似估计值的一致性被用作内部光谱一致性检验，而非独立的可溯源精度验证。在瞬态实验中，反演的光谱视场温度在50–60秒内从2311.9 K上升至2398.5 K，重建图像再现了中心高温区域的相应增强。研究结果表明，将积分时间相关标定与实测光谱发射率传递相结合用于二维温度重建是可行的，而可达到的绝对精度仍受限于探测器线性度、发射率模型有效性、空间发射率均匀性、辐射定标以及独立参考验证等因素。

**论文解读：光谱发射率校正的CCD图像温度反演方法研究**

**一、研究背景与意义**

高温度场的精确表征在爆炸诊断、激光与物质相互作用分析、燃烧监测、冶金过程控制、激光材料加工以及航空航天热防护测试等科学和工程应用中具有关键意义。在极端热条件下准确获取时空温度分布，有助于理解底层物理机制、实现过程控制及安全评估。

传统的接触式测温方法，如热电偶和电阻温度探测器，在响应速度上无法捕捉快速热瞬态，且所需物理接触在高反应活性或物理不可达区域具有侵入性或不可行性。因此，非接触式光学测温成为研究热点，包括激光诱导荧光测温、拉曼散射测温及热成像荧光粉测温等。这些技术虽在适宜条件下能提供高精度或高空间分辨率，但通常需要特定的光学接入、激发或标定配置。对于二维高温度场测量，常用方法涵盖多光谱或彩色成像、单色成像结合光谱信息以及红外热成像等。硅基成像探测器因在可见光-近红外波段广泛可用且提供高空间分辨率而具有吸引力。

CCD高温测量技术已有大量研究积累。然而，一个基本挑战依然存在：成像探测器测量的是其光谱响应范围内积分的辐射，而从辐亮度到温度的转换需要目标光谱发射率的先验知识。许多成像方法假设灰体行为，即发射率与波长无关，或采用双色比方法以减少发射率依赖性，但这些假设在发射率随波长、温度、氧化状态或相变而变化的非均匀高温场中可能失效。多波长或光谱测温法通过获取多个波长的辐亮度测量并联合反演温度与光谱发射率来更根本地解决发射率问题。将光谱测温与CCD成像相结合是一种自然的发展方向，融合了多波长测量的光谱丰富性与CCD阵列的空间分辨能力。

尽管光谱-成像联合测温已取得进展，仍存在两个实际局限：其一，许多成像辐射标定在固定积分时间下进行，曝光变化需重新标定或额外校正；其二，光谱发射率通常仅在代表性区域测量，而成像需在每一个有效像素处求解温度。针对上述问题，本研究提出了一种集成标定-发射率传递框架，核心为三参数相机辐射模型（显式包含积分时间）、遗传算法全局优化下的温度-发射率联合反演，以及代表性发射率函数向成像方程的传递。

**二、关键技术方法**

研究人员构建了双通道成像-光谱辐射探测系统，包含成像单元（HIKROBOT MV-CA003-21UM工业相机，搭载onsemi PYTHON300单色全局快门传感器，配100 mm C接口望远镜头及1000 nm短通滤光片）、光纤准直耦合单元（FC-COL1825光纤准直器）、光谱探测单元（Ocean Optics USB2000+光纤光谱仪）及同步触发模块。系统采用EPS32同步触发模块实现微秒级同步采集，光谱仪积分时间固定为1 ms。标定实验采用SL3186标准色温钨灯（证书号UL25100234），对应2200–2800 K七个相关色温工作点，扩展不确定度U=18 K（k=2），依据JJF 1976-2022规范执行。实验前通过520 nm激光反向耦合光纤在目标平面投射可见光斑，建立光谱采样区域与相机场的对应关系。关键方法包括：三参数辐射标定模型（显式包含积分时间）、二阶多项式发射率模型（基于AIC准则定阶）、遗传算法全局优化与牛顿-拉夫逊迭代逐像素温度反演。

稳态实验中，相机曝光时间设为0.04 ms；瞬态实验设为0.08 ms。光谱分析波段为500–760 nm。

**三、研究结果**

**3.1 数值验证与发射率模型选择**。通过合成数据实验验证反演方法的可辨识性与精度。在噪声低于1%的典型实验室条件下，遗传算法反演温度相对偏差低于0.2%；中等噪声（5%）下温度偏差低于1%（约13 K）；噪声达20%时偏差增至约3%，收敛率降至78.6%。表明二阶多项式约束在正常信噪比条件下足以正则化温度-发射率分离问题。稳态实验中，一阶至二阶残差显著下降，二阶至三阶改善有限，结合AIC准则支持采用二阶模型。

**3.2 稳态钨卤灯实验**。对四个工作点（2200、2400、2600、2800 K）进行光谱反演，反演温度分别为2231.54、2526.79、2696.78、2849.69 K，随标称色温单调递增。发射率曲线在500–760 nm内连续缓变并随波长略微下降。与基于维恩近似的谱形温度估计值偏差为17.21–38.31 K，最大相对偏差1.33%，表明两条光谱处理路径具有内部一致性。需强调，该比较不构成独立可溯源的绝对精度验证。

**3.3 瞬态激光加热316L不锈钢实验**。激光垂直入射316L不锈钢表面，光谱仪与成像相机同步采集。50、55、60 s时刻反演的视场有效温度分别为2311.92、2336.05、2398.54 K。50–55 s平均升温速率4.83 K·s?1，55–60 s升高至12.50 K·s?1，升温呈现明显加速特征。反演温度超出316L熔点（1679 K），解释为光谱采样视场内可能存在高温熔池核心与周围较低温度材料的共存，而非整个区域均匀熔化。二维温度场显示高温区域集中于激光束中心并向外围递减，边界呈非对称波动特征。反演的有效发射率随波长平滑变化并随辐照时间演化，表明表面辐射特性在照射过程中发生演变。

**四、讨论与结论**

研究人员建立了不确定性传播分析框架，识别了光谱反演、发射率传递、图像通道噪声、辐射标定、背景扣除、非线性、饱和及空间配准对温度重建的主要影响路径。由于瞬态数据缺乏完整独立测量，未赋予±7 K或0.3–0.4%等合并不确定度数值。研究结论可概括为：本文开发了一种集成光谱-成像测温框架，核心方法贡献为积分时间相关辐射标定模型与代表性光谱发射率传递程序的耦合。二阶发射率函数与温度由标定多波长辐亮度联合反演，遗传算法作为全局优化器，所得函数引入成像方程进行逐像素温度反演。方法明确受限于探测器线性度、发射率模型有效性、朗伯体近似及光谱采样区域的空间代表性。光谱方法通过引入实测波长相关发射率函数降低了灰体与固定发射率比假设的依赖，但不能消除所有发射率相关误差。在实验确立的探测器线性范围内，对发射率谱平滑且在传递区域上足够均匀的目标，该框架为从代表性光谱发射率到二维温度重建提供了实用途径。潜在应用包括激光材料加工、燃烧与爆燃诊断、冶金热监测及航空航天热防护测试。未来工作应优先开展预留积分时间验证、重复瞬态实验、独立可溯源辐射测温、定量光谱-图像配准、多点发射率测量及SEM/EDS/XRD表面表征以解析随时间变化的发射率变化的物理来源。论文发表于《Sensors》。