Сборник знаний об инфракрасной тепловизионной визуализации

Инфракрасный принцип

1. Инфракрасное определение

В природе любой объект с температурой выше абсолютного нуля (-273℃) может излучать электромагнитные волны. Инфракрасное излучение является наиболее распространенной формой электромагнитных волн в природе, это разновидность энергии, и эта энергия невидима для нашего невооруженного глаза. Любой объект в обычной среде будет производить свои собственные молекулы и атомы нерегулярным движением и постоянно излучать тепловую инфракрасную энергию.

2. Инфракрасный диапазон

Световые волны, излучаемые солнцем, также называются электромагнитными волнами. Видимый свет — это электромагнитная волна, воспринимаемая человеческим глазом. После преломления призмой можно увидеть семь цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый.

Инфракрасный свет является частью этих электромагнитных волн, которые вместе с видимым светом, ультрафиолетовым светом, рентгеновскими лучами, гамма-лучами и радиоволнами составляют полный континуум электромагнитного спектра.

Как показано выше, электромагнитное излучение с длиной волны от 0,76 мкм до 1000 мкм называется инфракрасным излучением.

3. Инфракрасное «атмосферное окно»

Электромагнитные волны инфракрасного излучения распространяются в воздухе и поглощаются атмосферой, так что энергия излучения ослабляется. Если поглощенная энергия слишком велика, тепловизор не может ее наблюдать.

Поглощение инфракрасных лучей атмосферой и облаком дыма также связано с длиной волны инфракрасного излучения. Инфракрасный луч прозрачен для 3-5 микрон и 8-14 микрон. Поэтому эти две длины волны называются «атмосферным окном» инфракрасного излучения. Используя эти два окна, инфракрасный тепловизор может наблюдать в обычных условиях без изменения ситуации ослабления инфракрасного излучения.

Как показано на рисунке:

Машину не видно четко в дыму, но ее хорошо видно с помощью ИНФРАКРАСНОГО тепловизора.

Принцип инфракрасного тепловидения

1. Принцип тепловидения

Говоря простым языком, инфракрасное тепловидение — это преобразование невидимого инфракрасного излучения в видимое тепловое изображение.

Разные объекты или даже разные части одного и того же объекта имеют разную способность излучения и силу отражения инфракрасных лучей. Используя разницу излучения между объектом и фоновой средой, а также разницу излучения каждой части сцены, тепловизионное изображение может показать колебания излучения каждой части сцены, чтобы показать характеристики сцены.

Тепловое изображение на самом деле представляет собой изображение распределения температуры на поверхности мишени.

Рисунок: Тепловые изображения позволяют различать разницу теплового излучения на поверхности объекта.

2.  Инфракрасная тепловизионная система

Тепловизионная система — это целая система, которая получает инфракрасное тепловое излучение с помощью ряда оптических компонентов и технологии фотоэлектрической обработки, а затем преобразует тепловое изображение, видимое человеческим глазом, для отображения на экране.

3. Состав инфракрасного тепловизора

Основной принцип работы инфракрасного тепловизора заключается в следующем: инфракрасные лучи проходят через специальную оптическую линзу и поглощаются инфракрасным датчиком. Тепловое изображение, наблюдаемое глазом, отображается на экране. Блок-схема выглядит следующим образом:

Глоссарий

Инфракрасные тепловизоры делятся на холодильные и нехолодильные по рабочей температуре. 

Охлаждаемый тепловизор:

Детектор интегрирован с криогенным охладителем, который может снизить температуру детектора, чтобы сигнал теплового шума был ниже, чем сигнал изображения, а качество изображения было лучше. 

Неохлаждаемые тепловизоры:

Детекторы не нуждаются в криогенном охлаждении, а используемые детекторы обычно основаны на микроболометрах, в основном поликремниевых и оксидно-ванадиевых детекторах.

Инфракрасные тепловизоры делятся на тип измерения температуры и тип измерения без температуры в соответствии с их функциями. 

Инфракрасный тепловизор для измерения температуры:

Инфракрасный тепловизор для измерения температуры может напрямую считывать значение температуры любой точки на поверхности объекта с теплового изображения. Эту систему можно использовать в качестве инструмента неразрушающего контроля, но эффективное расстояние относительно короткое.

Инфракрасный тепловизор, не измеряющий температуру, может наблюдать только разницу теплового излучения на поверхности объекта. Такую систему можно использовать в качестве инструмента наблюдения, а эффективное расстояние относительно велико. 

Инфракрасные детекторы:

Инфракрасный детектор представляет собой устройство, которое преобразует невидимое инфракрасное излучение в измеримые сигналы и является основным и ключевым компонентом всей инфракрасной системы. 

Размер детектора:

Размер детектора относится к размеру одного элемента обнаружения на детекторе, а общие характеристики – 25 мкм, 35 мкм и т. д. Чем меньше элемент обнаружения, тем лучше качество изображения.

Разрешение инфракрасных детекторов:

Разрешение является важным параметром для измерения качества детектора тепловизора. Он показывает, сколько единиц детектора находится в фокальной плоскости детектора. В настоящее время основными разрешениями на рынке являются 160 × 120, 384 × 288 и т. д. Кроме того, есть 320 × 240, 640 × 480 и так далее. Чем выше разрешение, тем четче эффект изображения.

Инфракрасный оптический объектив:

Инфракрасная оптическая линза обычно состоит из группы линз, которые могут получать различное конечное фокусное расстояние инфракрасного излучения для инфракрасного детектора, обработки фотоэлектрического преобразования.

Кристалл германия с показателем преломления 4 чаще всего используется в инфракрасных оптических линзах, которые подходят для диапазона 2–25 мкм. Si с показателем преломления 3 обычно используется в диапазоне 1–6 мкм. Термостойкий удар обтекателя ракеты оптимизирован для использования горячего прессования MgF2 и ZnS.

Поле зрения (FOV):

Угол поля зрения — это Угол, растянутый на длину линии сцены или плоскости изображения на пересечении главной плоскости линзовой системы и оптической оси. В просторечии объектив имеет определенное поле зрения, и Угол объектива к высоте и ширине этого поля зрения называется Углом поля зрения.

Точность измерения температуры:

Точность измерения температуры относится к разнице между считанными данными о температуре и фактической температурой, когда измерение температуры выполняется инфракрасным тепловизором. Чем меньше значение, тем выше производительность тепловизора.

Диапазон измерения температуры:

Под диапазоном измерения температуры понимается диапазон самой высокой и самой низкой температуры, которую может измерить инфракрасный тепловизор.

фокусное расстояние:

Расстояние от центра линзы до ее фокуса, обычно обозначаемое f. Единица фокусного расстояния обычно выражается в мм (миллиметрах). Фокусное расстояние объектива обычно указывается перед объективом, например, f = 50 мм (это то, что мы обычно называем «стандартным объективом»), 28–70 мм (наши наиболее часто используемые объективы), 70–210 мм (телеобъектив). ) и т. д. Чем больше фокусное расстояние, тем дальше можно сделать четкое изображение.

Пространственное разрешение:

Пространственное разрешение относится к минимальному пределу пространственной геометрической длины критических объектов, идентифицируемых на изображении, то есть к разрешению тонких структур. Чем меньше значение, тем выше разрешение.

Минимальная разрешаемая разность температур ( МСПД ):

В тепловизионных изображениях МСПД является важным параметром для комплексной оценки разрешения по температуре и пространственного разрешения. При определенной пространственной частоте разность температур между целью и фоном называется минимальной различимой температурной разностью пространственной частоты, когда наблюдатель может только различить (50% времени) четыре полосы. Чем меньше значение МСПД, тем выше производительность инфракрасного тепловизора.

Эквивалентная разность температур по шуму (NETD):

Тепловизор наблюдает за картиной измерения. Когда среднеквадратичное отношение пикового напряжения сигнала, выдаваемого эталонным электронным фильтром системы, и напряжения шума равно 1, разность температур между мишенью черного тела и фоном черного тела называется разностью температур, эквивалентной шуму. Чем меньше NETD, тем лучше качество изображения.

Призрак:

Это относится к ярким или темным линиям на инфракрасном изображении, которые не меняются вместе с целью. Это вызвано неравномерностью реакции детектирующего элемента инфракрасного детектора на инфракрасное излучение.

Плохие очки:

Мертвые пиксели относятся к ярким и темным пятнам, координаты которых не меняются вместе с целью на инфракрасном изображении, которые вызваны высокой или низкой скоростью отклика одного элемента обнаружения детектора на инфракрасное излучение, также называемые недействительными пикселями.

Коррекция неравномерности:

Из-за ограничений производственного процесса инфракрасных детекторов скорость отклика каждого элемента обнаружения инфракрасного детектора на инфракрасное излучение различна, и на поверхности изображения будут появляться вышеупомянутые фантомные изображения и битые пиксели, что влияет на изображение. Качество тепловизора.

Коррекция неоднородности относится к техническому методу эффективного уменьшения неравномерности чувствительности детектора и улучшения качества изображения тепловизора. После коррекции неравномерности изображение тепловизора становится однородным, фантомные и мертвые пиксели исчезают, а эффект изображения значительно улучшается, что может значительно улучшить наблюдательную способность тепловизора.

Компенсация:

Компенсация также называется коррекцией, чтобы получить исходные данные, необходимые для коррекции неравномерности, чтобы получить идеальное инфракрасное изображение. Когда изображение нечеткое, тепловизор может его компенсировать. Цель компенсации может выбирать различные объекты с одинаковой температурой в соответствии с окружающей средой сцены и характеристиками цели. Этим объектом может быть чистое безоблачное небо, встроенный затвор тепловизора, закрытая крышка объектива и т.п.