（光学专业论文）基于近红外ccd监测技术的炉内板带纠偏电视检测系统研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得安徽大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解安徽大学有关保留，使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权安徽大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：年月 日 学位论文作者毕业去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：年月 日 电话 邮编 摘要 摘要 炉内板带纠偏电视检测系统是基于极低照度环境下的图像采集、板带边缘 分析、位置测量并自动反馈控制板带始终对中运行的全新一代工业电视系统。 系统在观察炉内工况的同时还实现了炉内板带的实时纠偏，弥补了国内相关研 究领域的空白。 论文针对系统的图像获取方式与图像预处理及反馈控制等关键技术开展研 究，并通过对高炉辐射特性的分析研究，确定了c c d 的型号、工作波段和参数。 系统采用n i c c d 采集现场图像，在n i c c d 的工作波段，利用红外滤波片和l e d 辅助照明技术，极大地增强了所获取炉内图像的质量，提高了整个系统的精确 度和灵敏度。为了降低随机噪声对系统的影响，同时尽可能地保留边缘信息不 被破坏，在对图像进行预处理方面，通过对获取的图像特征进行了研究分析， 设计了一套集图像预处理和实时纠偏于一体的软件。该软件采用了类似于s o b e l 算子的空问平滑滤波器对图像进行平滑，在整幅图像中选取一个矩形区域，将 处理区域内每一个像素进行s o b e l 掩模运算，并进行阈值化，处理后图像的像素 灰度值沿蛏直方向按列累加，累加值存放在一数组中，寻找浚数组的最大值， 最大值对应的列即为边缘位置。找到边缘位置后，根据板带的初始位置计算偏 移量，系统将计算获得的偏移量转化为o 5 v 或者4 2 0 m a 的模拟信号输出给 板带纠偏执行系统。 论文在详细地分析了国内外研究现状和发展趋势的基础上，针对实际生产 过程，结合近红外成像技术和c c d 技术，设计了一种照明区域大、热能及电能 损耗小、运行成本低、能够在茎1 2 0 0 的内炉高温环境中正常工作的炉内高温照 明光源。使用这种光源能够起到节能降耗、提高照明效率、降低运行成本的作 用。 关键词：近红外成像、c c d 、n i c c d 、高温电视、边缘检测、纠偏 茎王里里里些型垫查塑芝宣竖堂型塑皇丝竺塑垒堑望堑 a b s t r a c t f u m a c es t r i pc o r r e c t l o nt vs y s t e mi san e wg e n e r a t i o no fi n d u s m a lt vs y 吼e m ， w h i c hh a sf u n c t i o n so fi m a g ea c q u i s i t i o nu n d e rt 1 1 ec i r c m s t a l l c eo fe x t r e m e l yl o w i l l m i n “o n ，s t r i pe d g ee x t r a c t i o n ，p o s i t i o nm e a s u r e m e ma n dm a k i n gs t r i pc e n t e r e d a u t o m a t i c a l l ya l la l o n g i tc a no b s e r v ef u m a c ew o r kc o n d i t i o na 1 1 dc o h e c tt h es t r i pa t t h em e a n t i m e w h i c hc o v e r sm ev o i do f d o m e s t i cr e s e a r c h 。 a c c o r d i n gt ot e c h n i q u eo fi m a g ep r e p r o c e s s i n ga n df 色e d b a c kc o n t r o la n d r a d i a t e dc h a r a c t e r i s t i co ff m a c e ，t h em o d e l ，w o r k i n gw a v e b a l l da n dp a r 锄e t e r so f c c di ss e m e d i nt 1 1 i ss y s t e m ，w ea d o p tm en i c c dt oc 0 1 1 e c tt h er e a l 一t i m ei m a g e s ， i nt h e 、v o r l ( i n gw a v eb a n do fn i c c d ，i n f r a r e dw a v ef i l t e ra 1 1 dl e ds u p p l e m e m a r y i l l u m i n a t i o nt e c h n o l o g ya r ea d o p t e d ，w h i c he x t r e m e l ys t r n g t h e nt h eq u a l i t yo fi m a g e o 九h ef h m a c e ，a n dr a i s es e n s i t i v i t ya n dt h ea c c u m c yo fe n t i r es y s t e m d u r i n gt h e c o u r s eo fp r e - p r o c e s s i n gf o ri m a g e ，i no r d e rt or e d u c et h ei n n u e n c eo fr a n d o mn o i s e a n dt om a k em ee d g ei n f o m a t i o nr e s e r v e dc o m p l e t e l ya sf 打a sp o s s i b l e ，t h es p a t i a l n l t e rw h i c hi ss i m i l a rt os o b e lo p e r a t o ri sa d o p t e dt os m o o t ht h ei m a g e a r e n v a r d s ， w es e l e c tar c c t a l l g u l a rf i e l df b mt h ei m a g e ，e a c hp i x e li nm ef i e l dw es e l e c ti s h a n d l e db ys o b e lo p e r a t o ra i l dac e r t a i nt h r e s h o i d t h eg r a yv a l u eo fe a c hp i x e l i s c a l c u l a t e db yc o l u 砌a d d i n gr o “n e t h ea c c u h m l a t e dv a l u ei sr e s t o r e db ya na r r 姒 、代d e s j g nap r o g r a mt o 行n dm a x i m u mv a l u eo ft h ea n i a y ，t h ec o l u m nw h e r et h e m a x i m u r nv a l u ee x i s t si st h ee d g eo fm es 埘p a c c o r d i n gt ot h ei n j t i a lp o s i t i o nw eg e t af c e d b a c ks 培n a lw h i c hw i l lb et r a l l s f o r n l e dt oas i m u l a t e ds i g n a lo u t p u to fo 5 vo r 4 2 0 m a b a s e do nt h ed o m e s t i ca n do v e r s e at r c n do fd e v e l o p m e n t ，w ep r o p o s e dan e w f h m a c ei 1 1 u m i n a t i n gs o u r c ew i t ht e c h n o l o g yo fc c da 1 1 dn e a ri n 厅a r e d ，w h i c hc 彻 w o r kn o 咖a 1 1 yw i t ht h et e m p e r a t u r eo fn o tm o r et h a n1 2 0 0 0 c i to w nb r o a d 打e i do f i 1 1 u m i n a t i o n ，1 0 wd i s s i p a t i o no ft h e r m a le n e 娼ya n de l e c t r i c a le n e 唱y a n dl o wc o s t 2 面叫w d ，出：n e a ri n f r a r e di m a g i n g ；c c d ；n i c c d ；h i g ht e m p e r a t u r et v ；e d g e d e t e c t i o n ：c o r r e c t i o n 3 基于c c d 监测技术的炉内板带纠偏电视检测系统研究 绪论 l 课题背景 在高速运行的牛j m 线上，由于生产线的延伸和机组运行速度的变化，以及 板带自身因素的影响，运行的板带会偏离原先的零偏位置( 工艺要求的运行位 置) ，而板带的偏离就会导致卷取后的产品边缘不整齐，若板带偏移过大则会造 成断带等生产事故。为保证生产线处于最佳稳定工作状态，始终保持扳带处于 转动辊的中心位置显得尤为重要。 2 国内外研究现状及发展趋势 目前在国内钢铁企业的高速板带生产线上，都大量使用对中实时纠偏装置 ( c e n t e r i n gr e a l - t i m ec o r r e c t i o n ) 和对边实时纠偏装置( e p c ) 来保证生产线的连续 稳定运行以及提高产品质量。 纵观国内板带纠偏系统的应用现状，我们发现关键技术都被德国e m g 、美 圈北美等公司垄断，国内同类产品所占有的市场份额极少。 仔细分析国内外板带纠偏系统的技术现状，我们可以了解纠偏系统的关键 技术在板带位置( 偏移量) 、检测和液压伺服装置两个方面。而目前国内的液压伺 服系统技术已达到国际先进水平，薄弱的地方是偏移量检测技术( 传感器的制造 技术) 较为落后，主要表现是精度低、稳定性能差，特别是在炉内纠偏检测方面 尚属空白。 在目前国内所常见的炉内板带纠偏系统中，典型的为德国e m g 、美国北美 公司的产品，采用的都是电容式对中传感器、单片机构建的信号采集控制及一 体化的液压伺服系统，尽管进口的炉内电容式对中传感器己在国内处于垄断地 位，但也存在以下不足： 1 ) 此类探测器直接蜀于炉内，因此保护条件苛刻，成本极高； 2 ) 采用水冷却，常年使用软化水，增加了运行成本； 3 ) 由于探测器置于炉内，一旦发生故障，在没有进行停炉、降温大修的条 6 绪论 件下，根本无法检修，所以存在运行风险； 4 ) 此种方法是基于电容探测，虽然能测出板带运行的偏移量数据，但无法 进行直接观察，若要实现实时观察还需加装工业电视装置进行监控。 f 是为了解决以上进口设备所存在的技术问题，同时也是为了改变进口产 品一统国内市场的局面，我们提出了这种安装维修方便、结构简单、成本低， 既可对炉内工况进行实时监测，又可通过进一步的数据处理进而实现对炉内板 带偏移进行纠偏控制的炉内板带纠偏电视检测系统。 图1 为检测系统的结构示意图，系统由以下三部分组成：高温c c d 摄像系 统、图像采集及预处理系统、偏移量测定及反馈输出系统。 纠偏辊l ：；斋一! ! 竺 i l 固萨曼 、板；惴竺 j 一带 一it 篇争一竺1 y | e 主搴毒争，霉j 一 车踟翼竺 二二纠偏架 l 圈 现墙撞制奢 幽1 糸统绡构不意幽 高温c c d 摄像系统：该予系统由近红外c c d 图像传感器、高温光学镜头、 高温防护罩、现场配电箱、温度传感器、控制器等组成。高温摄像探头通过炉 壁连接体伸入炉内，安装在退火炉内板带上方，同时出光纤照明探头输出l e d 辅助照明以提高炉内亮度。炉壁连接体不仅起着将摄像探头和光纤照明探头与 高炉炉壁相连接的作用，而且还起着隔热的作用，采用气源控制箱输出的氮气 冷却。镜头前端有红外滤光片，用柬滤除炉内可见光干扰。 图像采集处理系统：图像采集系统主要由工控机、图像采集卡、图像预处 理及边缘提取软件绢成。 ；童一 蕾厂一 一 一 ，| | | | | 】 ，蓁| 器 | | 】 曰_一i|团一 垄主! 竺里些型垫垄塑翌堕塑堂型塑里塑竺型墨鳖堕 板带纠偏执行系统：这罩采用的是液压伺服控制式纠偏系统。当图像采集 处理系统输出偏移控制信号时，伺服阀将信号转换为大功率液压能，驱动液压 油缸推动纠偏辊作相应移动，直至板带调整到零偏标定位置。 下面介绍一r 系统的工作流程： 幽2 扳带纠偏流程幽 如图2 所示，c c d 拍下退火炉内运行板带的画面后，将输出视频信号送入 自i 置放大器，前置放大器再将放大后的信号输入图像采集卡并传输给计算机。 软件对获得的图像进行预处理、边缘提取后，计算出板带的当前边缘位置并 与工艺要求的零偏位置进行比较，从而判断出板带是否跑偏。如果板带的偏移 量在允许的偏移范围内，则不进行纠偏；如果板带的偏移量超过了允许的偏移 范围，那么纠偏软件通过偏移控制信号输出卡反馈一个适当的偏移控制信号， 由液压传动装置根据偏移控制信号的大小调整板带恢复到工艺要求的零偏位 置。 与已有的进口电容式对中纠偏系统相比，本系统的优点体现在： 1 ) 本系统是种适用于炉内高温环境下的非接触实时监测测量装置，通过 采用c c d 检测技术，能够实现对炉膛内部工况进行监视、对板带偏移量进 行监测等多重功能，大大扩展工业电视的应用范围及功能； 绪论 2 1 测量精度可根据需要进行调整，而已有的电容式对中探测器为固定式， 不可调： 3 ) 可在不停炉状态f 进行检修： 4 ) 由于采用双边检测，左右两路探测均可以独立完成检测任务，既可以进 行对巾差值测量，也可以分别进行单边检测，且互为备份，更加提高了 系统可靠性； 5 ) 相对丁 电容式对中纠偏检测系统要经济很多。 3 论文的主要工作 在本文中，我们重点研究以f 两点内容： 1 近红外c c d 成像的机理与参数设计； 2 ，纠偏软件设计中图像预处理技术以及边缘检测方法和控制量的计算： 第l 章主要介绍c c d 的工作原理及选型，第2 章介绍近红外技术基本原理 以及图像预处理技术原理，第3 章对连续板带生产线上的连退式加热炉的热辐 射特性进行了分析研究，确定了c c d 的工作频段和参数，设计了一套图像预处 理及炉内板带偏移量实时监测反馈控制软件，第4 章对系统所采用的一种炉内 照明方法做了详细介绍，第5 章做总结。 4 论文的创新之处 本论文提出了一种基于近红外c c d 监测技术的炉内板带纠偏电视检测系 统。其创新之处在与： 1 从文献查新的结果来看，目前尚未见到国内有关同类产品的报道： 2 本文提出的炉内板带纠偏电视检测系统采用近红外c c d 技术，可实现 在高温环境下对炉内板带自动纠偏检测的同时，对炉内工况进行实时观 察。 9 基于c c d 监测技术的炉内板带纠偏电视检测系统研究 第1 章c c d 工作原理及选型 f 乜荷耦合器件( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 的突出特点是以电荷作为信号，而 不同于其他大多数器件是以电流或电压为信号。c c d 的基本功能是电荷的存储 和电荷的转移。此，其工作过程中的主要问题是信号电荷产生存储传输和检 测。c c d 有两种基本类型：是电荷包存储在半导体与绝缘层之间的界面，并 沿界面传输，这类器件称为表面沟道c c d ( 简称s c c d ) ；二是电荷包存储在离 半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输，这类器件称为 体沟道或埋沟道器件( 简称b c c d ) 。下面我们以s c c d 为例来说明c c d 工作 原理。 1 1 电荷的存储与耦合 1 1 1 电荷存储 c c d 的基本构成单元是m o s ( 金属氧化物一半导体) 结构。如图1 1 ( a ) 所示，在栅极施加正偏压u g 之前，p 型半导体中空穴多数载流予的分布是均匀 的。当栅极施加正偏压u g ( 此时u g 小于p 型半导体的闽值电压u t l l ) 后，空穴 被排斥，产生耗尽区，如图1 1 ( b ) 所示。偏压u g 继续增加，耗尽区将进一步向 半导体内延伸。当u g u 。h 时，半导体与绝缘体界面上的电势( 常称为表面势， 用m s 表示) 变得如此之高，以致于将半导体内的电子( 少数载流子) 吸引到表 面形成一层极薄的( 约1 0 m m ) 但电荷浓度很高的反型层，如图1 1 ( c ) 所示。 反型层电荷的存在表明了m o s 结构存储电荷的功能。但是，当栅极电压由零突 变到高于闽值电压u t h 时，轻掺杂半导体中的少数载流子很少，不能立即建立反 型层。在不存在反型层的情况下，耗尽区将进一步向体内延伸，而且栅极和衬 底之削的绝大部分电压降落在耗尽区上，如果随后可以获得少数载流子，那么 耗尽区将收缩，表面势下降，氧化层上的电压增加。 表面势中s 随着反型层电荷浓度q i n v 和栅极电压u g 的变化而变化，如果表 0 篁! 主竺曼旦三笪璺翌墨垄型一 _ _ _ _ _ _ _ 一 面势o 。与反型电荷浓度q 。h s 的对应曲线直线性好，说明这两者之恻有着良好的 反比例线性关系。这种线性关系很容易用半导体物理中的“势阱”概念来描述。 电子所以被加有栅极电压u g 的m o s 结构吸引到氧化层与半导体的交界面处， 足冈为那里的势能最低。在没有反型层电荷时，势阱的“深度”与栅极电压u g 的关系恰如m s 与u g 的线性关系，如图1 2 ( a ) 空势阱的情况。图1 2 ( b ) 为反型层 电荷填充1 3 势阱时，表面势收缩。当反型层电荷足够多，使势阱被填满时， 巾。降到2 中f 。此时表面势不再束缚多余的电子，电子将产生“溢出”现象这样 表面势可作为势阱深度的量度，而表面势又与栅极电压u g 、氧化层的厚度d o x 有关。势阱的横截面积取决于栅极电极的面积a 。m o s 电容存储信号电荷的容 量 q = c 川u ，爿 ( 1 - 1 ) 氧南爵7 甫 ( a ) 空势阱( b ) 填充1 3 的势阱( c ) 全满势| 井 幽1 2 势阱 0 4 8 2 6 基于c c d 监测技术的炉内板带纠偏电视检测系统研究 1 1 2 电荷耦合 下面以图1 3 为例，讲解c c d 中势阱及电荷如何从一个位置移到另一个位 置。如图1 3 所示，图中为c c d 中四个彼此靠得很近得电极。假定开始时有一 些电荷存储在偏压为1 0 v 的第一个电极下面的深势阱里，其他电极上均加有大 于闽值的较低电压( 例如2 v ) 。设图1 3 ( a ) 为零时刻( 初始时刻) 。经过t l 时刻 后各电极上的电压变为图2 3 ( b ) 所示，第一个电极仍保持为1 0 v ，第二个电极上 的电压由2 v 变为1 0 v ，因为这两个电极靠得很紧( 间隔只有几微米) ，它们各 自的对应势阱将合并在一起，原来在第个电极下的电荷变为这两个电极下势 阱所共有，如图1 3 ( b ) 和( c ) 所示。若此后电极上的电压变为图1 3 ( d ) 所示，第一 个电极电压由1 0 v 变为2 v ，第二个电极电压仍为1 0 v ，则共有的电荷转移到第 二个电极下面的势阱中，如图1 3 ( e ) 所示。由此可见，深势阱及电荷包向右移动 了“个位置。 峨臀晋 固ooo蕊0 尊 国o 盘 攀攀： 督喈； 毫蕾摹辅 1 8 y 墓v ( d )( t ， ( i ) ( a ) 初始状态( b ) 电荷由电极向 电极转移( c ) 电荷在、 电极_ 均匀分布 ( d ) 电荷继续由电极向。电极转移( e ) 电荷完全转移到电极( n 二相交瞢脉冲 幽1 - 3 二相c c d 中电荷的转移过科 通过将一定规则变化的电压加到c c d 各电极上，电极下的电荷包就能沿半 导体表面按一定方向移动。通常把c c d 电极分为几组，每一组称为一相，并施 加同样的时钟脉冲。c c d 的内部结构决定了使其f 常工作所需要的相数。图l 一3 苎! 兰竺竺里三堡星里垦垄型 所示的结构需要三相时钟脉冲，其波形图如图1 3 ( n 所示，这样的c c d 称为二 相c c d 。三相c c d 的电荷耦合( 传输) 方式必须在三相交叠脉冲的作用下，4 能以。定的方向逐单元地转移。另外必须强调指出，c c d 电极间隙必须很小， 电荷才能不受阻碍地从一个电极下转移到相邻电极下。这对图1 3 所示的电极结 构足。个关键问题。如果电极间隙比较大，两相邻电极间的势阱将被势垒隔开， 不能合并，电荷也不能从一个电极向另一个电极完全转移，c c d 便不能在外部 脉冲作用卜正常工作。 能够产生完仝耦合条件的最大间隙一般由具体电极结构、表面态密度等因 素决定。理论计算和实验证实为了不使电极| 且j 隙下方界面处出现阻碍电荷转移 的势垒，间隙的长度应小于3 朋。这大致是同样条件下半导体表面深耗尽区宽 度的尺寸。当然如果氧化层厚度、表面态密度不同结果也会不同。但对绝大多 数c c d ，1 删的问隙长度是足够小的。 以电子为信号的c c d 称为n 型沟道c c d ，简称为n 型c c d ；而以窄穴为 信号电荷的c c d 称为p 型沟道c c d ，简称为p 型c c d 。由于电子的迁移率单 位场强下的运动速度远大于空穴的迁移率，因此n 型c c d 比p 型c c d 的工作 频率高得多。 1 2 电荷的注入和检测 1 2 1 电荷的注入( 输入方式) c c d 的电荷注入方式可归纳为光注入和电注入两种。在炉内板带纠偏电视 检测系统中，我们所使用的d m k 3 0 0 2 一i r 面阵n i c c d 是光注入方式。川 当光( 包括红外光) 照射到c c d 硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生 电子一空穴对，其多数载流子被栅极电压排丌，少数载流子则被收集在势阱中 形成信号电荷。光注入方式又分为f 面照射式和背面照射式两种。光注入电荷 q ，j = 叩q 玎。爿t( 1 2 1 式中，7 为材料的量子效率；q 为电子电荷量：h 。为入射光的光子流速率；爿 垄士里篁旦些型垫查塑生宣堡堂型堕皇望丝型墨笙翌壅 为光敏单元的受光面积；为光注入时间。 山上式可以看出，当c c d 确定以后，叩、g 以及爿均为常数，注入到势阱 中的信号电荷q f p 与入射光子流速率。及注入时间t c 成正比。注入时问t c 由 c c d 驱动器的转移脉冲的周期t s h 决定。当所设计的驱动器能够保证其注入时 间稳定一i 变时，注入到c c d 势阱中的信号电荷只与入射辐射光子流速率血成 j f 比。在单色入射辐射时，入射光的光子流速率与入射光谱辐通量的关系为 ”。：睾，其中自、。为常数。因此在这种情况下，光注入的电荷量与入射的 仃v 光谱辐量度m 。成线性关系。 1 2 2 电荷的检测( 输出方式) 在c c d 中，有效地收集和检测电荷是一个重要问题。c c d 的重要特性之一 是信号电荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何电容耦合，而在输出端则不可避 免。因此，通过选择适当的输出电路可以尽可能地减小时钟脉冲容性地馈入输 出电路的程度n 目前c c d 的输出主要方式有电流输出、浮置扩散放大器输出和 浮置栅放大器输出。本系统采用的d m k 3 0 0 2 i r 面阵n i c c d 其电荷检测为电流 输出方式。 如图1 - 4 所示，当信号电荷在转移脉冲的驱动下向右转移到术极电极( 图中 巾2 电极) 下的势阱后，2 电极上的电压由高变低时，由于势阱提高，信号电荷 将通过输出栅( 加有恒定的电压) 下的势阱进入反向偏罨的二极管( 图中n + 区) 。 由u d 、电阻r 、衬底p 、和r 区构成的反向偏置二极管相当于无限深的势阱。 进入到反向偏嚣的二极管中的电荷将产生输出电流i d ，且i d 的大小与注入到二 极管中的信号电荷量成i f 比，而与电阻r 成反比。电阻r 是制作在c c d 内的电 阻，阻值是常数。所以输出电流l d 与注入到二极管中的电荷量成线性关系，且 g2 厶础 ( 1 3 ) 由于i d 的存在，使得a 点的电位发生变化，i d 增大，a 点电位降低。所以 可以用a 点的电位来检测二极管的输出电流i d ，用隔直电容将a 点的电位变化， 第l 章c c d 工作原理及选型 取出后再通过放大器输出。图1 - 4 中的场效应管t r 为复位管。它的主要作用是 将一个读出周期内输出二极管没有束得及输出的信号电荷通过复位场效应输 出。因为在复位场效应管复位栅为i f 脉冲时复位场效应管导通，它的动态电阻 远远小于偏置电阻r ，使二极管巾的剩余电荷被迅速抽走，使a 点的电位恢复 到起始的高电平。 1 3c c d 的特性参数 1 3 1 转移效率t i 和转移损失率 电荷转移效率是表征c c d 性能好坏的重要参数。转移效率定义为：一次转 移后到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比。如在t = 0 时，注入到某 电檄下的电荷为q ( o ) ；在时间t 时，大多数电荷在电场作用下向下个电极转移， 但总有一小部分电荷由于某种原因留在该电极下。若被留下来的电荷为q ( t ) ，则 转移效率为 冲2 骂铲小舞 m 。， 。 q ( 0 )q ( o ) 、 7 如果转移损失率定义为 s ：盟 ( 1 5 1 q ( o ) 则转移效率与损失率的关系为 叩2 l 一5( 1 6 ) 理想情况下_ 应等于l ，但实际上电荷在转移中有所损失，所以口总是小于1 的。 所以，提高转移效率目是电荷耦合器件能否使用的关键。 1 3 2 工作频率f ( 1 ) 1 作频率的下限 为了避免由于热产生的少数载流子对注入信号的干扰，注入电荷从一个r 乜 极转移到另一个电极所用的时洲t 必须小于少数载流子的平均寿命t ，即， j r ( 1 - 7 ) 可见，工作频率的下限与载流子的寿命有关。 ( 2 ) 1 作频率的上限 当工作频率升高时，若电荷本身从一个电极转移到另个电极所需要的时 mt 大于驱动脉冲使其转移的时间，那么，信号电荷跟不上驱动脉冲的变化， j 将会使转移效率大大下降。为此，要求f 鲁，即 j 1 厂s 玄 1 8 ) 这就是电荷自身的转移时f 1 日j 对驱动脉冲频率上限的限制。 1 4 面阵c c d 摄像器件的特性 i 4 1 分辨率 c c d 摄像器件的每个光敏单元都是分开的。它属于空问上分立的光敏单元 对光学图像进行抽样。假设要摄取的光学图像沿着水平方向的亮度分布为i f 弦 条状图案，经c c d 的光敏单元进行转换后，得到以时间轴方向的正弦信号。根 据奈奎斯抽样定理，c c d 的极限分辨率是空间抽样频率的一半。因此，c c d 的 分辨率主要取决于c c d 芯片的像素数，其次还受到转移传输效率的影响。分辨 率通常用电视线( t v l ) 来表示。高集成度的光敏单元可获得高的分辨率，但光 敏单元尺寸的减少导致灵敏度的降低。所以必须采用一些新的工艺结构，例如 双层结构，将光电转换层和电荷转移层分丌，从而提高灵敏度和饱和信号的电 荷量。 从频谱分析角度看，c c d 摄像器件在垂直和水平两个方向都是离散取样力 式。根据奈奎斯抽样定理，c c d 输出信号的频谱如图1 4 所示。取样后的信号 频谱幅度如下： 第1 章c c d 工作原理及选型 s i n ( n 丌争) n 李2 s i n ( n 矾”矾r 、 ( 1 _ 9 ) 式中：r 。为取样脉冲宽度，即个感光单元的宽度，疋为取样周期，即。个像 素的宽度( 含两侧的不感光部分) 。 幽1 4 取样脉冲宽度对取样信号频谱的影响 当月= r f 。时，谱线包络达到第一零点，这也是孔径光阑限制了高频信号， 使之幅度下降的结果。适当选择协使近，刀处的频谱幅度下降不多，但又使频 谱混叠( 见图1 4 中的阴影部分) 部分减小。可见，在c c d 中感光单元的宽度 和像素宽度有个最佳比例，像素的尺寸和像素的密度以及像素的数量都是决定 c c d 分辨率的主要因素。 频谱混叠会引起低频干涉条纹，也称为混叠干扰。这对c c d 摄像机拍摄像 的水平清晰度又很大的影响。为了提高c c d 的水平分辨率，可采用以下措施： n ) 增加光敏单元数量，提高取样频率，减小频谱混叠部分； ( 2 ) 采用前置滤波即采用光学低通滤波器降低c c d 上光学图像的频带宽度，以减 小频谱混叠。 1 4 2 灵敏度 灵敏度是面阵c c d 摄像器件的重要参数。c c d 摄像器件灵敏度与很多因素 有关，计算和测试都比较复杂，单位是m a w ，物理意义：单位光功率所产生的 信号电流。对于给定芯片尺寸的c c d 来说，灵敏度单位可用m a l x 表示。有些 文献也用m v l x s 表示c c d 的灵敏度，这是考虑了c c d 的光积分效应。也可 以称之为c c d 的响应度，指单位曝光量c c d 像元输出的信号电压。它反映了 c c d 摄像器对可见光的灵敏度。 c c d 的灵敏度还与以下因素有关： 基于c c d 监测技术的炉内板带纠偏电视检测系统研究 ( 1 ) 丌口率为感光单元面积与个像素总面积之比，对灵敏度影响很大，玎 【i 率大小与c c d 类型有天，f t 式c c d 丌口率最大； ( 2 ) 感光单元划+ 电极形式和材料对进入c c d 内的光量对c c d 的灵敏度影响 较大，例如多晶硅吸收蓝光，电极多和面积大都会影响光的透过率； ( 3 ) c c d 内的噪声也影响灵敏度。 1 4 3 噪声和动态范围 c c d 摄像器件的动态范围由它的信号处理能力和噪声电平决定。它反映了 器件的_ 作范围。它的数值可以用输出端的信号峰值电压与均方根噪声电压之 比表示，一般为6 0 8 0 d b 。商分辨率要求c c d 的像素数增多，但导致势阱可能 存储的最大电荷量减少，因而动态范围变小。因此，在高分辨率条件下，提高 器件的动态范围将是高清晰度电视摄像机的一项关键技术。 c c d 噪声主要是半导体的热噪声，还有c c d 芯片上的放大器噪声。 1 4 4c c d 的光谱灵敏度 c c d 的光谱灵敏度经过改进，现在已经很接近传统的氧化铅( p b 0 ) 摄像 管的光谱响应。当然，必须用红外滤光片截至近红外光进入c c d 光敏面上。 本文所研究的板带纠偏电视系统中所采用的n i c c d ，其芯片光谱响应如陶 1 5 所示： 竺 篇 百 w a u e i e “q 小【m m l 剀l 一5 普通c c d 羊本系统所采_ ； jn i c c d 光谱响应对比图 虚线部分表示的是普通c c d 的光谱响应曲线，实线部分是本系统所采用的 1 8 第】章c c d 工作原理及选型 n i c c d 的光谱响应曲线。出图可见，我们所使用的n i c c d 对红外光的响应度比 普通的c c d 要高一倍左右，采用这种n i c c d 为提高系统灵敏度、准确性和高 效性奠定了基础。 1 5c c d 应用以及选型 c c d 作为光电式传感器的一种，特别是线阵c c d ，由于其良好的检测精度 和高灵敏度，在几何量测量方面已经得到了广泛应用。作为图像传感器家族重 要员的面阵c c d ，其良好的工作稳定性和高灵敏度，已成为使用最为广泛的 图像传感器件，大量应用于民用、工业、军事等各个领域。 由于c c d 器件本身就是较为精密的电子器件，加之所需配置的光学系统， 使得由c c d 为基础的检测或图像传感系统必须在温度、湿度、粉尘条件均较为 良好的环境中爿+ 能稳定工作，如果环境较差，就必须采取必要的保护措施。 面阵c c d 有较多类型，根掘光敏单元和移位寄存器的排列方式不同，可以 分为帧转移、隔列转移、线转移和全帧转移等方式。常见的类型为：帧转移( f r a m e t r a n s f e r ) 面阵c c d 和行间转移( i n t e r l i n et r a j l s f e r ) 面阵c c d 。这两种类型的 c c d 的工作原理基本相同。为了使本系统达到高精度、高可靠性的要求，针对 本系统应用的炉型特征( 详见2 ，2 4 节) ，我们采用的d m k 3 0 0 2 一i r 面阵n i c c d 使用的芯片型号为s o n yi c x 2 4 9 a l ，光敏面为7 5 2 ( h ) 5 8 2 ( v ) p i x e l ，尺寸为 8 6 ( h ) 8 3 ( v m ，分辨率 5 7 0 线，信噪比 5 8 d b ， 该n i c c d 主要披术参数如下： 水平解析度5 7 0 条电视线 垂直解析度3 5 0 条电视线 最小照度0 0 5 l u x 具有y 校f 功能 感应波段：4 0 0 1 2 0 0 n m 其系统原理图如图1 6 所示。 1 9 基于c c d 监测技术的炉内板带纠偏电视检测系统研究 图1 - 6d m k 3 0 0 2 i r 面阵n l c c d 系统原理剀 面阵n i c c d 由时序产生电路、垂直驱动电路所产生的四相垂直驱动脉冲 、二、，和。以及水平二相驱动脉冲九。、九：的作用下，按p a l 电视制 式输出，送给b w 信号处理电路，产生全电视信号输出。 第2 章近红外成像与图像预处理技术在本文中的应用研究 第2 章近红外成像与图像预处理技术在本 文中的应用研究 2 1 近红外技术概述 1 8 0 0 年，威廉赫肯尔用棱镜和温度计对太阳光谱做了实验，意外地发现 了红外线的存在，至今已有二百多年的历史。 2 1 红外线的波长在o ，7 2 1 0 0 叽m 之间，按波长范围可分为近红外、中红外、远红外三个范围，在电磁波连续频 谱中的位置处于无线电波与可见光之阳j 的区域。近红外的波长范围为o 7 2 2 5 。目前常采用的划分方法如下图2 1 所示： 02 2o 7 22 j56 10 0 0um 町光 近红外中红外 近红外 图2 一l 红外线的划分 在电磁波谱中，红外辐射只占有小部分波段。整个电磁波谱包括2 0 个数量 级的频率范围，可见光谱的波长范围( o 3 8 o 7 跏珑) 只跨过一个倍频程，而红外 波段( o 7 2 l o o 叩研) 却跨过大约l o 个倍频程，因此，红外光谱区比可见光谱区 含有更丰富的内容，由此可以说明，对红外辐射特性的分析，可以得到设备热状 态的更细微的区分。通常把整个红外辐射波段按波长分为4 个波段，o 7 2 3 “珊 称为近红外( n i r ) ，3 劬称为中红外( m i r ) ，6 1 5 称为远红外( f i r ) ，1 5 1 0 0 叫聊称为极远红外( x i r ) 。 红外成像技术及其应用在世界各国都受到了广泛重视，应用领域涉及军事、 航空、航天、工业、医疗、交通等各行业。 6 1 3 1 作为集图像传感、计算机信号 处理、显示技术为一体的红外监测系统，其应用的关键都是基于红外图像传感 器的自身特性，也就是说某种红外传感器的技术特性决定了其可能的应用范围 及系统的技术参数。阳“】 对红外图像传感器的研究西方发达国家始终走在世界的前列，多元( 面阵) 碲镉汞、夜视仪等都已进入第三代，特别是进入九十年代术期，具有价格经济、 2 l 基于c c d 监测技术的炉内板带纠偏电视检测系统研究 宽频谱、高稳定性的红外c c d ( i c c d ) 陆续投放市场，为红外成像技术应用领 域的技术革新及扩展提供了优越的基础。 随着c c d 技术的发展，美、日、法等发达国家在接口简单、性能稳定可靠 的红外c c d 成像应用领域中均有相当成熟的产品，但由于价格等因数的影响， 在我国的应用极其有限。国产设备因受i c c d 器件等因素的限制仪停留于近红外 波段( 1 0 微米左右) ，中、长红外波段的应用还比较落后。 随着3 5 微米的i c c d 的面世，其应用范围已远不局限于在4 5 0 度以上的 高温目标检测，将对中低温红外成像起到革命性的变化，这意味着中低温目标 的成像探测再也无须运行成本高、稳定性差且配以复杂扫描或冷却系统的点元 ( 或低元) 碲镉汞、p t s i 、锑化铟等探测器。对此类i c c d 的特性进行分析研究 并以实际应用不仅可替代现有多类红外成像系统，大幅度降低成本提高系统技 术性能及可靠性，而且由于其集成度高、便携、便于防护等特点，在工业、交 通、医疗等领域中的应用将进一步扩大。 2 2 近红外成像基本原理 2 2 1 基尔霍夫( k i r c h h o f d 定律 首先介绍黑体( b i a c k _ b o d y ) 的概念，实验表明，物体表面的温度不同，则其 红外辐射或吸收的能力也不同。如果有一个理想的物体，它对红外的辐射率、 吸收率与表面温度及波长无关，且等于1 ( 即全部吸收或全部辐射) ，那么这种理 想的辐射体和理想的吸收体，就称为黑体。 实际上黑体并不存在，切物体的辐射率和吸收率都小于】，并且它们的辐 射或吸收红外的能力都与表面温度及红外辐射的波长等因素有关。在科研和实 践中，常用物体的发射率来定量地描述物体辐射或吸收红外的能力，它等于物 体的实际辐射强度和同温度下黑体辐射强度之比值，常用符号s 表示。 s 2 ，f 2 1 1 式中，物体辐射强度； 黑体辐射强度： 第2 章近红外成像与图像预处理技术在本文中的应用研究 。物体的发射率。 很明显，实际物体的发射率一般都小于l ，但是有些物体的发射率很接近于 l ，如石墨粗糙的表面及黑色的漆面等。而另一些物体的发射率却很小，如抛光 的铝表面，其发射率仅为o 0 5 。德国的物理学家基尔霍夫，根据大量的实验资 料总结出一条有关物体热辐射的定律：当几个物体处于同一温度时，各物体辐 射红外线的能力正比于其本身吸收红外线的能力，并且任何一个物体的红外辐 射能密度可用下面公式表示： 吼= 口巩( 2 - 2 ) 式中i 物体在单位时问内红外辐射的能量密度； b 黑体在同一温度下单位时间内红外辐射的能量密度； 物体对红外辐射的吸收系数，它总是小于l 。 显然，黑体是最理想的辐射体和吸收体，它的吸收系数和辐射系数都等于l 。 此外，当物体处于红外辐射平衡状态时，它所吸收的红外线能量总恒等于它所 辐射的红外线能量。根据基尔霍夫定律可以得出许多很有实用意义的推论。 ( 1 ) 根据基尔霍夫定律和发射率定义可知，物体的发射本领( 发射率) 与吸收 本领( 吸收比) 相等，一般发射率不易直接测定，故常通过测量吸收系数c 【的值 束确定发射率的值。 ( 2 ) 根据式p x + t x + 嘎) = 1 ，其中，陬为反射率，n 为透射率，吼为吸收率。对于不 透明物体，即n = 0 ，故m = 卜毗，所以测得吼值就可确定阻之值。由以上分析 可知，好的吸收体也是好的发射体，而好的反射体，就不是好的发射体，也是 不良的吸收体。 ( 3 ) 因为任何物体所吸收的能量绝不可能大于辐射到其上面的能量，故c 【， 和x 不但相等，而且其数值绝不可能大于1 ，同时也一定小于黑体的值，即c 【l l ， x 1 。所以在选择红外辐射材料时，要尽量让0 l l 和x 接近于1 。 2 2 2 斯蒂芬一玻耳兹曼( s t e f a n b o l t z m a l t n ) 定律( 物体的辐射功率) 这是一个描述物体辐射红外线能量与它的温度之间关系的定律。它是由斯 蒂芬在实验中发现，由玻耳兹曼从理论上加以证明。斯蒂芬玻耳兹曼定律指 基于c c d 监测技术的炉内板带纠偏电视检测系统研究 出：物体红外辐射的能量密度与其自身的热力学温度( t ) 的四次方成t f 比，并与 它的表蒯发射率( 。) 成萨比。如果用w 表示单位时间和单位面积物体的红外辐射 总能量，那么这定律可以朋下面公式表示： = 船7 1 4( 2 - 3 ) 式中 o ：斯蒂芬一玻耳兹曼常数，其数值为( 5 6 7 0 5 1 士o 0 0 0 1 9 ) 1 0 8w m k ： ：物体表嘶发射率； t ：物体热力学温度。 由这一定律可以看出，物体的温度愈高，它所辐射的红外能量愈大。物体 表面热力学温度的变化，使得物体发热功率相应变化。物体产生的能量存红外 辐射的同时，还形成物体周围的表面温度分布场，这种温度分布场取决f 物体 材料，物体内部的热扩散和物体表面与外界的热交换。 2 2 3 维恩( w i e ) 位移定律 由热力学基本原理可知，物体的温度不可能降到绝对零