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连铸坯表面温度是优化拉坯速度和判断液相穴深度的关键参数，同时还可为二冷配水系统的闭环控制提供反馈信号，这对提高铸坯产量和质量具有重要意义。
现有单光谱及三光谱CCD铸坯表面测温仪能够通过在线重构算法解决氧化铁皮带来的测温波动，稳定性可达±5℃。但测温仪需要预先设定发射率或假定被测目标为灰体辐射，不能保证温度测量的准确性。多光谱测温法在一定程度上可以减小发射率的不确定性对测温结果的影响。然而，将其用于铸坯表面温度测量时面临两个问题:(1)铸坯表面发射率受温度的影响不可忽略，常见的发射率-波长假设模型与实际铸坯表面情况不符，这将带来原理性测温误差。(2)现有的多光谱测温装置主要是单点测量，无法消除氧化铁皮的干扰，测温稳定性差(30～100℃)。
针对上述问题，本文提出了一种基于二元发射率模型的多光谱图像测温方法来对铸坯表面温度场进行在线测量。通过建立铸坯表面发射率与波长和温度相关的二元函数模型，减小多光谱测温法的测量误差;通过设计多光谱CCD图像测温仪，兼顾测温结果的稳定性。具体研究内容和创新工作如下:
(1)多光谱图像测温模型的建立。
根据辐射测温理论与CCD传感器的光电转换原理，推导出图像灰度与温度之间的数学关系。结合多光谱辐射测温理论，建立了基于面阵CCD的多光谱图像测温数学模型，并以铸坯表面发射率函数代替通用发射率假设函数，提高测温准确性。此外，根据液晶电控双折射效应，对液晶可调谐滤光片(LCTF)的工作原理进行分析，为多光谱图像测温仪的设计提供了理论依据。
(2)铸坯表面发射率二元函数模型的建立。
发射率函数模型是影响多光谱测温准确性的关键因素。为此，本文设计了一套基于光纤光谱仪的高温、角度及氧化程度可控的铸坯表面发射率测量装置，对具有代表性的铸坯试样进行了发射率的测量实验，分析了不同温度、角度、粗糙度、氧化程度对其光谱发射率的影响。发射率测量标准不确定度优于9.5×10-3。在此基础上，依据实验数据建立了铸坯表面发射率与波长和温度相关的二元函数模型。测温实验结果表明:在900～1100℃范围内，与通用一元假设模型相比，使用二元多项式函数模型进行多光谱测温，最大相对测量误差可减小1.1％。
(3)面阵多光谱CCD测温仪的设计。
为了在提高测温准确性的同时兼顾测温稳定性，基于多光谱图像测温模型，设计了一个波长可调谐的面阵多光谱CCD测温仪，将现有多光谱测温的单点测量方式拓展到二维温度场测量。分析了最佳工作光谱的选择原则以及标定参数对仪器性能的影响，并对CCD的暗电流噪声和随机噪声进行了抑制。利用此测温仪，在实验室内对高温铸坯试样进行了表面温度的测量研究，与B型热电偶的比对结果表明:本文开发的多光谱CCD测温仪在全量程内(900～1100℃)的最大相对测量误差小于0.67％;与单光谱、三光谱CCD测温仪相比，由发射率造成的最大相对测量误差分别减小0.75％与0.52％。
(4)多光谱图像测温系统的开发与现场应用试验
为验证多光谱CCD测温仪在连铸现场运行的可行性，针对连铸矫直点前端区域，开发了一套适用于现场环境的多光谱图像测温系统，对不同工艺条件下的铸坯进行了现场测温试验。针对连铸坯非匀速运动而产生的图像像素错位问题，通过基于图像特征点的配准方法对不同光谱的铸坯图像进行了匹配研究，匹配误差在2个像素内。以GCr15铸坯为例，本文开发的多光谱CCD测温系统与单光谱CCD测温系统相比，由发射率引起的平均测温误差减小5.2℃;与单点辐射测温仪相比，由氧化铁皮造成的测温波动从±37.8℃降低到±3.1℃，满足现场的工艺要求。另外，本套系统可以及时检测出水量与拉速等工艺参数的变化情况，对于判断铸坯内部质量与监测设备运行情况具有指导意义，具有推广应用前景。
现有单光谱及三光谱CCD铸坯表面测温仪能够通过在线重构算法解决氧化铁皮带来的测温波动，稳定性可达±5℃。但测温仪需要预先设定发射率或假定被测目标为灰体辐射，不能保证温度测量的准确性。多光谱测温法在一定程度上可以减小发射率的不确定性对测温结果的影响。然而，将其用于铸坯表面温度测量时面临两个问题:(1)铸坯表面发射率受温度的影响不可忽略，常见的发射率-波长假设模型与实际铸坯表面情况不符，这将带来原理性测温误差。(2)现有的多光谱测温装置主要是单点测量，无法消除氧化铁皮的干扰，测温稳定性差(30～100℃)。
针对上述问题，本文提出了一种基于二元发射率模型的多光谱图像测温方法来对铸坯表面温度场进行在线测量。通过建立铸坯表面发射率与波长和温度相关的二元函数模型，减小多光谱测温法的测量误差;通过设计多光谱CCD图像测温仪，兼顾测温结果的稳定性。具体研究内容和创新工作如下:
(1)多光谱图像测温模型的建立。
根据辐射测温理论与CCD传感器的光电转换原理，推导出图像灰度与温度之间的数学关系。结合多光谱辐射测温理论，建立了基于面阵CCD的多光谱图像测温数学模型，并以铸坯表面发射率函数代替通用发射率假设函数，提高测温准确性。此外，根据液晶电控双折射效应，对液晶可调谐滤光片(LCTF)的工作原理进行分析，为多光谱图像测温仪的设计提供了理论依据。
(2)铸坯表面发射率二元函数模型的建立。
发射率函数模型是影响多光谱测温准确性的关键因素。为此，本文设计了一套基于光纤光谱仪的高温、角度及氧化程度可控的铸坯表面发射率测量装置，对具有代表性的铸坯试样进行了发射率的测量实验，分析了不同温度、角度、粗糙度、氧化程度对其光谱发射率的影响。发射率测量标准不确定度优于9.5×10-3。在此基础上，依据实验数据建立了铸坯表面发射率与波长和温度相关的二元函数模型。测温实验结果表明:在900～1100℃范围内，与通用一元假设模型相比，使用二元多项式函数模型进行多光谱测温，最大相对测量误差可减小1.1％。
(3)面阵多光谱CCD测温仪的设计。
为了在提高测温准确性的同时兼顾测温稳定性，基于多光谱图像测温模型，设计了一个波长可调谐的面阵多光谱CCD测温仪，将现有多光谱测温的单点测量方式拓展到二维温度场测量。分析了最佳工作光谱的选择原则以及标定参数对仪器性能的影响，并对CCD的暗电流噪声和随机噪声进行了抑制。利用此测温仪，在实验室内对高温铸坯试样进行了表面温度的测量研究，与B型热电偶的比对结果表明:本文开发的多光谱CCD测温仪在全量程内(900～1100℃)的最大相对测量误差小于0.67％;与单光谱、三光谱CCD测温仪相比，由发射率造成的最大相对测量误差分别减小0.75％与0.52％。
(4)多光谱图像测温系统的开发与现场应用试验
为验证多光谱CCD测温仪在连铸现场运行的可行性，针对连铸矫直点前端区域，开发了一套适用于现场环境的多光谱图像测温系统，对不同工艺条件下的铸坯进行了现场测温试验。针对连铸坯非匀速运动而产生的图像像素错位问题，通过基于图像特征点的配准方法对不同光谱的铸坯图像进行了匹配研究，匹配误差在2个像素内。以GCr15铸坯为例，本文开发的多光谱CCD测温系统与单光谱CCD测温系统相比，由发射率引起的平均测温误差减小5.2℃;与单点辐射测温仪相比，由氧化铁皮造成的测温波动从±37.8℃降低到±3.1℃，满足现场的工艺要求。另外，本套系统可以及时检测出水量与拉速等工艺参数的变化情况，对于判断铸坯内部质量与监测设备运行情况具有指导意义，具有推广应用前景。