stringtranslate.com

Термография

Термограмма традиционного здания на заднем плане и « пассивного дома » на переднем плане

Инфракрасная термография ( IRT ), тепловое видео или тепловизионное изображение — это процесс, при котором тепловизионная камера захватывает и создает изображение объекта, используя инфракрасное излучение, испускаемое объектом в процессе, что является примерами науки инфракрасного изображения . Термографические камеры обычно обнаруживают излучение в длинноволновом инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра (примерно 9000–14000 нанометров или 9–14 мкм ) и создают изображения этого излучения, называемые термограммами . Поскольку инфракрасное излучение испускается всеми объектами с температурой выше абсолютного нуля в соответствии с законом излучения черного тела , термография позволяет видеть окружающую среду с видимым освещением или без него. Количество излучения, испускаемого объектом, увеличивается с температурой; поэтому термография позволяет видеть изменения температуры. При просмотре через тепловизионную камеру теплые объекты хорошо выделяются на более холодном фоне; люди и другие теплокровные животные становятся легко видимыми на фоне окружающей среды, днем ​​или ночью. В результате термография особенно полезна для военных и других пользователей камер наблюдения .

Термограмма кошки .

Некоторые физиологические изменения у людей и других теплокровных животных также можно отслеживать с помощью тепловидения во время клинической диагностики. Термография используется для выявления аллергии и ветеринарии . Некоторые специалисты по альтернативной медицине продвигают ее использование для скрининга груди , несмотря на предупреждение FDA о том, что «те, кто выбирает этот метод вместо маммографии, могут упустить шанс обнаружить рак на самой ранней стадии». [1] Сотрудники правительства и аэропортов использовали термографию для выявления предполагаемых случаев свиного гриппа во время пандемии 2009 года. [2]

Тепловизионная камера и экран. Тепловидение может обнаружить повышенную температуру тела, один из признаков вируса H1N1 ( свиного гриппа ).

Термография имеет долгую историю, хотя ее использование резко возросло с коммерческими и промышленными применениями за последние пятьдесят лет. Пожарные используют термографию, чтобы видеть сквозь дым , находить людей и локализовать основание пожара. Специалисты по техническому обслуживанию используют термографию для обнаружения перегревающихся соединений и участков линий электропередач , которые являются признаком надвигающегося отказа. Специалисты по строительству зданий могут видеть тепловые сигнатуры, которые указывают на утечки тепла в неисправной теплоизоляции , и могут использовать результаты для повышения эффективности систем отопления и кондиционирования воздуха.

Внешний вид и принцип работы современной термографической камеры часто напоминает камкордер . Часто живая термограмма показывает изменения температуры настолько четко, что для анализа фотография не нужна. Поэтому модуль записи не всегда встроен.

Специализированные тепловизионные камеры используют матрицы фокальной плоскости (FPA), которые реагируют на более длинные волны (средне- и длинноволновый инфракрасный диапазон). Наиболее распространенными типами являются InSb , InGaAs , HgCdTe и QWIP FPA. Новейшие технологии используют недорогие неохлаждаемые микроболометры в качестве датчиков FPA. Их разрешение значительно ниже, чем у оптических камер, в основном 160x120 или 320x240 пикселей , до 1280 x 1024 [3] для самых дорогих моделей. Тепловизионные камеры намного дороже своих аналогов видимого спектра, а более дорогие модели часто имеют ограничения на экспорт из-за военного использования этой технологии. Старые болометры или более чувствительные модели, такие как InSb, требуют криогенного охлаждения, обычно с помощью миниатюрного холодильника с циклом Стирлинга или жидкого азота .

Тепловая энергия

Сравнение теплового изображения (вверху) и обычной фотографии (внизу). Пластиковый пакет в основном прозрачен для длинноволнового инфракрасного излучения, но очки мужчины непрозрачны.
На этой термограмме показан чрезмерный нагрев клеммы в промышленном электрическом блоке предохранителей.
Тепловое изображение, показывающее изменение температуры в воздушном шаре.

Тепловые изображения, или термограммы, на самом деле являются визуальными отображениями количества инфракрасной энергии, излучаемой, передаваемой и отражаемой объектом. Поскольку существует несколько источников инфракрасной энергии, трудно получить точную температуру объекта с помощью этого метода. Тепловизионная камера способна выполнять алгоритмы для интерпретации этих данных и построения изображения. Хотя изображение показывает зрителю приблизительную температуру, при которой работает объект, камера на самом деле использует несколько источников данных на основе областей, окружающих объект, чтобы определить это значение, а не обнаруживает фактическую температуру. [4]

Это явление может стать более понятным при рассмотрении формулы:

Мощность падающего излучения = Излученная мощность излучения + Прошедшая мощность излучения + Отраженная мощность излучения;

где падающая мощность излучения — это профиль мощности излучения при просмотре через тепловизионную камеру. Излученная мощность излучения — это то, что обычно должно быть измерено; переданная мощность излучения — это мощность излучения, которая проходит через объект от удаленного теплового источника, и; отраженная мощность излучения — это количество мощности излучения, которая отражается от поверхности объекта от удаленного теплового источника.

Это явление происходит везде и всегда. Это процесс, известный как лучистый теплообмен, поскольку лучистая мощность × время равна лучистой энергии . Однако в случае инфракрасной термографии приведенное выше уравнение используется для описания лучистой мощности в пределах спектральной полосы пропускания длин волн используемой тепловизионной камеры. Требования к лучистому теплообмену, описанные в уравнении, применяются одинаково для каждой длины волны в электромагнитном спектре .

Если объект излучает при более высокой температуре, чем его окружение, то будет иметь место передача энергии , и энергия будет излучаться от теплого к холодному в соответствии с принципом, изложенным во втором законе термодинамики . Таким образом, если на термограмме есть холодная область, этот объект будет поглощать излучение, испускаемое теплым объектом.

Способность объектов излучать называется излучательной способностью , поглощать излучение называется поглощательной способностью . В условиях внешней среды при попытке получить точные показания температуры может также потребоваться учитывать конвективное охлаждение от ветра.

Тепловизионная камера затем будет использовать ряд математических алгоритмов. Поскольку камера способна видеть только электромагнитное излучение, которое невозможно обнаружить человеческим глазом , она построит изображение в зрителе и запишет видимое изображение, обычно в формате JPG .

Для того чтобы выполнять функцию бесконтактного регистратора температуры, камера изменяет температуру наблюдаемого объекта с помощью настройки своей излучательной способности.

Другие алгоритмы могут быть использованы для воздействия на измерение, включая пропускную способность передающей среды (обычно воздуха) и температуру этой передающей среды. Все эти настройки будут влиять на конечный выход для температуры рассматриваемого объекта.

Эта функциональность делает тепловизионную камеру прекрасным инструментом для обслуживания электрических и механических систем в промышленности и торговле. Используя правильные настройки камеры и соблюдая осторожность при съемке изображения, можно сканировать электрические системы и находить проблемы. Неисправности конденсатоотводчиков в системах парового отопления легко обнаружить.

В области энергосбережения тепловизионная камера может сделать больше. Поскольку она может видеть эффективную температуру излучения объекта, а также то, куда этот объект излучает, она может помочь обнаружить источники тепловых утечек и перегретые области.

Излучательная способность

Излучательная способность — термин, который часто неправильно понимают и используют. Он представляет собой способность материала испускать тепловое излучение и является оптическим свойством вещества .

Каждый материал имеет различную излучательную способность, которая может меняться в зависимости от температуры и длины волны инфракрасного излучения. [5] Например, чистые металлические поверхности имеют излучательную способность, которая уменьшается с увеличением длины волны; многие диэлектрические материалы, такие как кварц (SiO 2 ), сапфир (Al 2 O 3 ), фторид кальция (CaF 2 ) и т. д. имеют излучательную способность, которая увеличивается с увеличением длины волны; простые оксиды, такие как оксид железа (Fe 2 O 3 ), демонстрируют относительно плоскую излучательную способность в инфракрасном спектре.

Коэффициент излучения материала может варьироваться от теоретического 0,00 (полностью не излучающий) до столь же теоретического 1,00 (полностью излучающий). Примером вещества с низким коэффициентом излучения может быть серебро с коэффициентом излучения 0,02. Примером вещества с высоким коэффициентом излучения может быть асфальт с коэффициентом излучения 0,98.

Черное тело — это теоретический объект с излучательной способностью 1, который излучает тепловое излучение, характерное для его контактной температуры. То есть, если контактная температура термически однородного излучателя черного тела составляет 50 °C (122 °F), черное тело будет излучать тепловое излучение, характерное для 50 °C (122 °F).

Термограмма змеи, удерживаемой человеком

Обычный объект испускает меньше инфракрасного излучения, чем теоретическое черное тело. Доля его фактического излучения в теоретическом излучении (черного тела) называется его излучательной способностью (или коэффициентом излучательной способности).

Для измерения температуры объекта с помощью тепловизора необходимо оценить или определить излучательную способность объекта. Для быстрой работы термографист может обратиться к таблице излучательной способности для данного типа объекта и ввести это значение в тепловизор. Затем тепловизор рассчитает контактную температуру объекта на основе введенного из таблицы значения и инфракрасного излучения объекта, обнаруженного тепловизором.

Чтобы получить более точное измерение температуры, термографист может нанести стандартный материал с известной высокой излучательной способностью на поверхность объекта. Стандартный материал может быть таким же сложным, как промышленный спрей с излучательной способностью, произведенный специально для этой цели, или таким же простым, как стандартная черная изоляционная лента с излучательной способностью около 0,97. Затем известную температуру объекта можно измерить с помощью стандартной излучательной способности. При желании можно затем определить фактическую излучательную способность объекта (на части объекта, которая не покрыта стандартным материалом), отрегулировав настройку тепловизора на известную температуру. Однако существуют ситуации, когда такой тест на излучательную способность невозможен из-за опасных или недоступных условий. В таких ситуациях термографист должен полагаться на таблицы.

Камеры

Изображение померанского шпица , полученное в среднем инфракрасном («тепловом») свете ( искусственные цвета )

Термографическая камера (также называемая инфракрасной камерой или тепловизионной камерой , тепловизионной камерой или тепловизором ) — это устройство, которое создает изображение с помощью инфракрасного (ИК) излучения, аналогично обычной камере , которая формирует изображение с помощью видимого света . Вместо диапазона 400–700 нанометров (нм) камеры видимого света, инфракрасные камеры чувствительны к длинам волн от примерно 1000 нм (1  микрометра или мкм) до примерно 14 000 нм (14 мкм). Практика захвата и анализа данных, которые они предоставляют, называется термографией .

Типы

Термографические камеры можно разделить на два типа: с охлаждаемыми детекторами инфракрасного изображения и с неохлаждаемыми детекторами.

Охлаждаемые инфракрасные детекторы

Термографическое изображение нескольких ящериц
Тепловизионная камера и экран в терминале аэропорта в Греции. Тепловизионная камера может обнаружить лихорадку , один из признаков инфекции .

Охлаждаемые детекторы обычно содержатся в герметичном корпусе или сосуде Дьюара и охлаждаются криогенно . Охлаждение необходимо для работы используемых полупроводниковых материалов. Типичные рабочие температуры варьируются от 4 К (−269 °C) до температуры чуть ниже комнатной, в зависимости от технологии детектора. Большинство современных охлаждаемых детекторов работают в диапазоне от 60 Кельвинов (К) до 100 К (от -213 до -173 °C), в зависимости от типа и уровня производительности. [6]

Без охлаждения эти датчики (которые обнаруживают и преобразуют свет почти так же, как и обычные цифровые камеры, но сделаны из других материалов) были бы «ослеплены» или затоплены собственным излучением. Недостатки охлаждаемых инфракрасных камер в том, что они дороги как в производстве, так и в эксплуатации. Охлаждение требует больших затрат энергии и времени.

Камере может потребоваться несколько минут для охлаждения, прежде чем она сможет начать работать. Наиболее часто используемые системы охлаждения — это охладители Пельтье , которые, хотя и неэффективны и ограничены в охлаждающей способности, относительно просты и компактны. Для получения лучшего качества изображения или для визуализации низкотемпературных объектов необходимы криоохладители с двигателем Стирлинга . Хотя охлаждающее устройство может быть сравнительно громоздким и дорогим, охлаждаемые инфракрасные камеры обеспечивают гораздо лучшее качество изображения по сравнению с неохлаждаемыми, особенно объектов, близких к комнатной температуре или ниже. Кроме того, более высокая чувствительность охлаждаемых камер также позволяет использовать объективы с большим числом F , что делает высокопроизводительные длиннофокусные объективы и меньше, и дешевле для охлаждаемых детекторов.

Альтернативой охладителям двигателя Стирлинга является использование газов, находящихся в баллонах под высоким давлением, при этом азот является обычным выбором. Сжатый газ расширяется через микроразмерное отверстие и проходит через миниатюрный теплообменник, что приводит к регенеративному охлаждению посредством эффекта Джоуля-Томсона . Для таких систем подача сжатого газа является логистической проблемой для использования в полевых условиях.

Материалы, используемые для охлаждаемого инфракрасного обнаружения, включают фотодетекторы на основе широкого спектра узкозонных полупроводников , включая антимонид индия (3-5 мкм), арсенид индия , теллурид кадмия-ртути (ТРТ) (1-2 мкм, 3-5 мкм, 8-12 мкм), сульфид свинца и селенид свинца .

Инфракрасные фотодетекторы могут быть созданы с использованием структур полупроводников с большой шириной запрещенной зоны, например, в инфракрасных фотодетекторах с квантовыми ямами .

Существует ряд технологий сверхпроводящих и несверхпроводящих охлаждаемых болометров.

В принципе, сверхпроводящие туннельные переходные устройства могут использоваться в качестве инфракрасных датчиков из-за их очень узкой щели. Были продемонстрированы небольшие массивы. Они не были широко приняты для использования, поскольку их высокая чувствительность требует тщательной защиты от фонового излучения.

Сверхпроводящие детекторы обладают чрезвычайной чувствительностью, некоторые из них способны регистрировать отдельные фотоны. Например, сверхпроводящая камера (SCAM) ЕКА . Однако они не используются регулярно за пределами научных исследований.

Неохлаждаемые инфракрасные детекторы

Неохлаждаемые тепловизионные камеры используют датчик, работающий при температуре окружающей среды, или датчик, стабилизированный при температуре, близкой к температуре окружающей среды, с использованием небольших элементов контроля температуры. Современные неохлаждаемые детекторы используют датчики, которые работают за счет изменения сопротивления , напряжения или тока при нагревании инфракрасным излучением. Затем эти изменения измеряются и сравниваются со значениями при рабочей температуре датчика.

Неохлаждаемые инфракрасные датчики могут быть стабилизированы до рабочей температуры для снижения шума изображения, но они не охлаждаются до низких температур и не требуют громоздких, дорогих, энергоемких криогенных охладителей. Это делает инфракрасные камеры меньше и дешевле. Однако их разрешение и качество изображения, как правило, ниже, чем у охлаждаемых детекторов. Это связано с различиями в процессах их изготовления, ограниченными доступными в настоящее время технологиями. Неохлаждаемая тепловизионная камера также должна иметь дело со своей собственной тепловой сигнатурой.

Неохлаждаемые детекторы в основном основаны на пироэлектрических и сегнетоэлектрических материалах или технологии микроболометров . [7] Материалы используются для формирования пикселей со свойствами, сильно зависящими от температуры, которые теплоизолированы от окружающей среды и считываются электронным способом.

Тепловое изображение паровоза

Сегнетоэлектрические детекторы работают вблизи температуры фазового перехода материала датчика; температура пикселя считывается как поляризационный заряд, сильно зависящий от температуры. Достигнутый NETD сегнетоэлектрических детекторов с оптикой f/1 и датчиками 320x240 составляет 70-80 мК. Возможная сборка датчика состоит из титаната бария-стронция, соединенного с помощью термоизолированного полиимидного соединения.

Кремниевые микроболометры могут достигать NETD до 20 мК. Они состоят из слоя аморфного кремния или тонкопленочного чувствительного элемента из оксида ванадия (V), подвешенного на мосту из нитрида кремния над сканирующей электроникой на основе кремния. Электрическое сопротивление чувствительного элемента измеряется один раз за кадр.

Текущие усовершенствования неохлаждаемых решеток фокальной плоскости (UFPA) в первую очередь направлены на повышение чувствительности и плотности пикселей. В 2013 году DARPA анонсировала пятимикронную камеру LWIR, которая использует решетку фокальной плоскости (FPA) 1280 x 720. [8] Некоторые из материалов, используемых для сенсорных матриц , включают аморфный кремний (a-Si), оксид ванадия (V) (VOx), [9] манганит лантана-бария (LBMO), цирконат-титанат свинца (PZT), цирконат -титанат свинца, легированный лантаном (PLZT), танталат свинца-скандия (PST), титанат свинца-лантана (PLT ), титанат свинца (PT), ниобат свинца-цинка (PZN), титанат свинца-стронция (PSrT), титанат бария-стронция (BST), титанат бария (BT), сульфоиодид сурьмы (SbSI) и поливинилидендифторид (PVDF).

Технические характеристики

Некоторые параметры спецификации системы инфракрасной камеры включают количество пикселей , частоту кадров , чувствительность , эквивалентную шуму мощность , эквивалентную шуму разницу температур (NETD), спектральный диапазон, отношение расстояния к пятну (D:S), минимальное расстояние фокусировки, срок службы сенсора, минимальную разрешимую разницу температур (MRTD), поле зрения , динамический диапазон , входную мощность, а также массу и объем.

Отличие от инфракрасной пленки

ИК-пленка чувствительна к инфракрасному (ИК) излучению в диапазоне от 250 до 500 °C (от 482 до 932 °F), в то время как диапазон термографии составляет приблизительно от −50 до 2000 °C (от −58 до 3632 °F). Таким образом, для того, чтобы ИК-пленка работала термографически, измеряемый объект должен иметь температуру более 250 °C (482 °F) или отражать инфракрасное излучение от чего-то, что по крайней мере настолько горячее.

Устройства ночного видения с инфракрасным излучением создают изображение в ближнем инфракрасном диапазоне, сразу за видимым спектром, и могут видеть излучаемый или отражаемый ближний инфракрасный диапазон в полной визуальной темноте. Однако, опять же, они обычно не используются для термографии из-за высоких температурных требований, а вместо этого используются с активными источниками ближнего ИК-диапазона.

Приборы ночного видения типа Starlight обычно только усиливают окружающий свет .

Пассивная и активная термография

Все объекты выше абсолютного нуля температуры (0  К ) испускают инфракрасное излучение . Следовательно, отличным способом измерения тепловых изменений является использование инфракрасного видения , обычно инфракрасной камеры с решеткой фокальной плоскости (FPA), способной обнаруживать излучение в средних (от 3 до 5 мкм) и длинных (от 7 до 14 мкм) инфракрасных диапазонах, обозначаемых как MWIR и LWIR, соответствующих двум инфракрасным окнам с высокой пропускаемостью . Аномальные температурные профили на поверхности объекта являются признаком потенциальной проблемы. [10]

В пассивной термографии интересующие объекты, естественно, имеют более высокую или более низкую температуру, чем фон. Пассивная термография имеет множество применений, таких как наблюдение за людьми на месте происшествия и медицинская диагностика (в частности, термология ).

В активной термографии требуется источник энергии для создания теплового контраста между интересующим объектом и фоном. Активный подход необходим во многих случаях, учитывая, что проверяемые детали обычно находятся в равновесии с окружающей средой. Учитывая сверхлинейность излучения черного тела , активную термографию можно также использовать для повышения разрешения систем визуализации за пределами их дифракционного предела или для достижения сверхразрешающей микроскопии . [11]

Преимущества

Термография показывает визуальную картину, поэтому можно сравнивать температуры на большой площади. [12] [13] [14] Она способна улавливать движущиеся цели в реальном времени. [12] [13] [14] Она способна обнаруживать ухудшение, т. е. компоненты с более высокой температурой до их выхода из строя. Ее можно использовать для измерения или наблюдения в областях, недоступных или опасных для других методов. Это метод неразрушающего контроля. Ее можно использовать для обнаружения дефектов в шахтах, трубах и других металлических или пластиковых деталях. [15] Ее можно использовать для обнаружения объектов в темных областях. Она имеет некоторое медицинское применение, в основном в физиотерапии .

Ограничения и недостатки

Существуют различные камеры, более дешевые и более дорогие. Качественные камеры часто имеют высокий ценовой диапазон (часто 3000 долларов США и более) из-за стоимости более крупного массива пикселей (современный 1280 x 1024), в то время как менее дорогие модели (с массивами пикселей от 40x40 до 160x120 пикселей) также доступны. Меньшее количество пикселей снижает качество изображения, что затрудняет различение близких целей в пределах одного поля зрения.

Также есть разница в частоте обновления. Некоторые камеры могут иметь только значение обновления 5–15 Гц, другие (например, FLIR X8500sc [3] ) 180 Гц или даже больше в режиме не полного окна.

Также объектив может быть интегрированным или нет.

Многие модели не предоставляют измерений освещенности, используемых для построения выходного изображения; потеря этой информации без правильной калибровки излучательной способности, расстояния, температуры окружающей среды и относительной влажности приводит к тому, что полученные изображения изначально являются неверными измерениями температуры. [16]

Изображения может быть трудно точно интерпретировать, если они основаны на определенных объектах, особенно объектах с нестабильными температурами, хотя эта проблема уменьшается при активном тепловидении. [17]

Термографические камеры создают тепловые изображения на основе получаемой ими лучистой тепловой энергии. [18] Поскольку на уровень излучения влияют излучательная способность и отражение излучения, например солнечного света, от измеряемой поверхности, это приводит к ошибкам в измерениях. [19]

Приложения

Воздушная термограмма воздушного змея, показывающая особенности на/под травяным игровым полем. Тепловая инерция и дифференциальная транспирация/испарение задействованы
Тепловизионное изображение солнечной батареи в Швейцарии, полученное с помощью БПЛА
Тепловизионный прицел AN/PAS-13, установленный на винтовке AR-15
Термографическое изображение кошачьего лемура

Изображения с инфракрасных камер, как правило, монохромные, поскольку камеры обычно используют датчик изображения , который не различает различные длины волн инфракрасного излучения. Цветные датчики изображения требуют сложной конструкции для различения длин волн, а цвет имеет меньшее значение за пределами обычного видимого спектра, поскольку различные длины волн не отображаются единообразно в системе цветового зрения, используемой людьми.

Иногда эти монохромные изображения отображаются в псевдоцвете , где для отображения изменений сигнала используются изменения цвета, а не изменения интенсивности. Этот метод, называемый нарезкой плотности , полезен, поскольку, хотя у людей гораздо больший динамический диапазон обнаружения интенсивности, чем цвета в целом, способность видеть тонкие различия интенсивности в ярких областях довольно ограничена.

Для использования при измерении температуры самые яркие (самые теплые) части изображения обычно окрашиваются в белый цвет, промежуточные температуры — в красный и желтый, а самые тусклые (самые холодные) части — в черный. Рядом с изображением в ложных цветах должна быть показана шкала, чтобы соотнести цвета с температурой. Их разрешение значительно ниже, чем у оптических камер, в основном всего 160 x 120 или 320 x 240 пикселей, хотя более дорогие камеры могут достигать разрешения 1280 x 1024 пикселей. Термографические камеры намного дороже своих аналогов видимого спектра, хотя низкопроизводительные дополнительные тепловизионные камеры для смартфонов стали доступны за сотни долларов в 2014 году. [20] Модели более высокого класса часто считаются оборудованием двойного назначения военного назначения и подлежат экспорту, особенно если разрешение составляет 640 x 480 или больше, если частота обновления не составляет 9 Гц или меньше. Экспорт тепловизионных камер из США регулируется Международными правилами торговли оружием . Впервые тепловизионная камера была встроена в смартфон в 2016 году — в Cat S60 .

В неохлаждаемых детекторах разница температур на пикселях сенсора незначительна; разница в 1 °C на сцене вызывает разницу всего в 0,03 °C на сенсоре. Время отклика пикселей также довольно медленное, в диапазоне десятков миллисекунд.

Термография находит множество других применений. Например, пожарные используют ее, чтобы видеть сквозь дым , находить людей и локализовать очаги возгораний. С помощью тепловидения специалисты по обслуживанию линий электропередач обнаруживают перегревающиеся соединения и детали, что является явным признаком их неисправности, чтобы устранить потенциальные опасности. Там, где теплоизоляция выходит из строя, специалисты по строительству зданий могут увидеть утечки тепла, чтобы повысить эффективность охлаждения или нагревания кондиционирования воздуха.

Горячие копыта указывают на то, что корова больна.

Тепловизионные камеры также устанавливаются в некоторых автомобилях класса люкс для помощи водителю ( автомобильная система ночного видения ), первой из которых стала модель Cadillac DeVille 2000 года .

Некоторые физиологические процессы, в частности, реакции, такие как лихорадка , у людей и других теплокровных животных, также можно отслеживать с помощью термографической визуализации. Охлаждаемые инфракрасные камеры можно найти на основных астрономических исследовательских телескопах , даже на тех, которые не являются инфракрасными телескопами .

Приложения включают в себя:

Тепловизионные камеры преобразуют энергию в инфракрасной длине волны в видимое световое отображение. Все объекты выше абсолютного нуля излучают тепловую инфракрасную энергию, поэтому тепловизионные камеры могут пассивно видеть все объекты, независимо от окружающего освещения. Однако большинство тепловизионных камер видят только объекты теплее −50 °C (−58 °F).

Спектр и количество теплового излучения сильно зависят от температуры поверхности объекта . Это позволяет тепловизионной камере отображать температуру объекта. Однако на излучение влияют и другие факторы, что ограничивает точность этого метода. Например, излучение зависит не только от температуры объекта, но и является функцией излучательной способности объекта. Кроме того, излучение исходит из окружающей среды и отражается в объекте , а излучение от объекта и отраженное излучение также будут подвержены влиянию поглощения атмосферой .

Термографическая камера на вертолете Eurocopter EC135 Федеральной полиции Германии

Области, в которых используются эти методы:

При наблюдении из космоса с помощью WISE с помощью тепловой камеры астероид 2010 AB78 выглядит краснее, чем фоновые звезды, поскольку он излучает большую часть своего света на более длинных инфракрасных волнах. В видимом свете и ближнем инфракрасном диапазоне он очень слабый и его трудно увидеть.

Стандарты

Американское общество по испытанию материалов (ASTM)
Международная организация по стандартизации (ИСО)

Биологический аналог

Термография по определению осуществляется с помощью инструмента (артефакта), но некоторые живые существа имеют естественные органы, которые функционируют как аналоги болометров , и, таким образом, обладают грубым типом способности к тепловизионной визуализации ( термоцепция ). Одним из наиболее известных примеров является инфракрасное зондирование у змей .

ПЗС и КМОП термография

Цветовые контуры температуры тлеющего угля, измеренные с помощью КМОП-камеры.

Неспециализированные приборы с зарядовой связью (ПЗС) и КМОП-датчики имеют большую часть своей спектральной чувствительности в диапазоне длин волн видимого света. Однако, используя «заднюю» область их спектральной чувствительности, а именно часть инфракрасного спектра, называемую ближним инфракрасным (БИК), и используя стандартную камеру видеонаблюдения, при определенных обстоятельствах можно получить истинные тепловые изображения объектов с температурой около 280 °C (536 °F) и выше. [37]

При температурах 600 °C и выше недорогие камеры с ПЗС- и КМОП-датчиками также использовались для пирометрии в видимом спектре. Они использовались для сажи в пламени, горящих угольных частиц, нагретых материалов, нитей SiC и тлеющих углей. [38] Эта пирометрия выполнялась с использованием внешних фильтров или только фильтров Байера датчика . Она выполнялась с использованием цветовых соотношений, оттенков серого и/или гибрида того и другого.

История

Открытие и исследование инфракрасного излучения

Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году сэром Уильямом Гершелем как форма излучения за пределами красного света. [39] Эти «инфракрасные лучи» (infra — латинская приставка для «ниже») использовались в основном для тепловых измерений. [40] Существует четыре основных закона ИК-излучения: закон теплового излучения Кирхгофа , закон Стефана-Больцмана , закон Планка и закон смещения Вина . Развитие детекторов было в основном сосредоточено на использовании термометров и болометров до Первой мировой войны . Значительный шаг в развитии детекторов произошел в 1829 году, когда Леопольдо Нобили , используя эффект Зеебека , создал первую известную термопару , изготовив усовершенствованный термометр, грубую термобатарею . Он описал этот прибор Маседонио Меллони . Первоначально они совместно разработали значительно улучшенный прибор. Впоследствии Меллони работал в одиночку, создав в 1833 году прибор (многоэлементную термобатарею ), который мог обнаруживать человека на расстоянии 10 метров. [41] Следующим значительным шагом в совершенствовании детекторов стал болометр, изобретенный в 1880 году Сэмюэлем Пирпонтом Лэнгли . [42] Лэнгли и его помощник Чарльз Грили Эббот продолжили совершенствовать этот прибор. К 1901 году он мог обнаруживать излучение от коровы на расстоянии 400 метров и был чувствителен к разнице температур в стотысячные (0,00001 C) градуса Цельсия. [43] [44] Первая коммерческая тепловизионная камера была продана в 1965 году для проверки высоковольтных линий электропередач.

Первым передовым применением ИК-технологии в гражданском секторе, возможно, было устройство для обнаружения айсбергов и пароходов с использованием зеркала и термобатареи, запатентованное в 1913 году. [45] Вскоре его превзошел первый точный ИК-детектор айсбергов, в котором не использовались термобатареи, запатентованный в 1914 году Р. Д. Паркером. [46] За этим последовало предложение Г. А. Баркера использовать ИК-систему для обнаружения лесных пожаров в 1934 году. [47] Эта технология не была по-настоящему промышленно освоена, пока ее не начали использовать для анализа равномерности нагрева горячих стальных полос в 1935 году. [48]

Первая термографическая камера

В 1929 году венгерский физик Кальман Тихани изобрел чувствительную к инфракрасному излучению (ночного видения) электронную телевизионную камеру для противовоздушной обороны Великобритании. [49] Первой разработанной американской термографической камерой был инфракрасный линейный сканер. Он был создан американскими военными и Texas Instruments в 1947 году [50] [ неудачная проверка ] и требовал одного часа, чтобы создать одно изображение. В то время как было исследовано несколько подходов для повышения скорости и точности технологии, одним из наиболее важных факторов было сканирование изображения, которое компания AGA смогла коммерциализировать с помощью охлаждаемого фотопроводника. [51]

Первой британской инфракрасной системой линейного сканирования была Yellow Duckling середины 1950-х годов. [52] Она использовала непрерывно вращающееся зеркало и детектор с осью Y-сканирования по движению самолета-носителя. Хотя она не пригодилась в своем предполагаемом применении для отслеживания подводных лодок путем обнаружения следа, она была применена для наземного наблюдения и стала основой военного ИК-линейного сканирования.

Эта работа получила дальнейшее развитие в Королевском центре сигналов и радаров в Великобритании, когда они обнаружили, что теллурид кадмия и ртути является фотопроводником, требующим гораздо меньшего охлаждения. Honeywell в Соединенных Штатах также разработала массивы детекторов, которые могли охлаждаться при более низкой температуре, [ необходимо дополнительное объяснение ], но они сканировали механически. Этот метод имел несколько недостатков, которые можно было преодолеть с помощью электронной сканирующей системы. В 1969 году Майкл Фрэнсис Томпсетт из English Electric Valve Company в Великобритании запатентовал камеру, которая сканировала пироэлектронно и которая достигла высокого уровня производительности после нескольких других прорывов в 1970-х годах. [53] Томпсетт также предложил идею твердотельных тепловизионных массивов, что в конечном итоге привело к современным гибридным устройствам получения изображений на основе монокристаллических срезов. [51]

Используя трубки видеокамеры, такие как видиконы с пироэлектрическим материалом, таким как триглицинсульфат (TGS), в качестве их целей, можно получить видикон, чувствительный к широкому участку инфракрасного спектра [54] . Эта технология была предшественником современной технологии микроболометров и в основном использовалась в тепловизионных камерах для пожаротушения. [55]

Умные датчики

Одной из основных областей развития систем безопасности была способность разумно оценивать сигнал, а также предупреждать о наличии угрозы. Под эгидой Стратегической оборонной инициативы США начали появляться «умные датчики». Это датчики, которые могли бы интегрировать зондирование, извлечение сигнала, обработку и понимание. [56] Существует два основных типа умных датчиков. Один, похожий на то, что называется « чипом зрения » при использовании в видимом диапазоне, позволяет выполнять предварительную обработку с использованием методов интеллектуального зондирования из-за увеличения роста интегрированных микросхем. [57] Другая технология больше ориентирована на конкретное использование и выполняет свою задачу предварительной обработки посредством своей конструкции и структуры. [58]

К концу 1990-х годов использование инфракрасного излучения перешло в гражданское использование. Произошло резкое снижение стоимости неохлаждаемых массивов, что наряду со значительным ростом разработок привело к рынку двойного назначения , охватывающему как гражданское, так и военное использование. [59] Эти применения включают контроль окружающей среды, анализ зданий/искусства, функциональную медицинскую диагностику, а также системы управления автомобилем и предотвращения столкновений . [60] [61] [62] [63] [64] [65]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ «Скрининг рака молочной железы: термограмма не заменяет маммограмму». fda.gov . Управление по контролю за продуктами и лекарствами США. 27 октября 2017 г. Архивировано из оригинала 23 июня 2018 г. Получено 23 июня 2018 г.
  2. ^ "Инфракрасные камеры FLIR помогают обнаружить распространение свиного гриппа и других вирусных заболеваний". applegate.co.uk . 29 апреля 2009 г. Архивировано из оригинала 29 февраля 2012 г. Получено 18 июня 2013 г.
  3. ^ ab Технические характеристики тепловизионной камеры FLIR x8500sc Архивировано 10 июля 2019 г. на Wayback Machine . Получено 10 июля 2019 г.
  4. ^ "Infrared Technology". thermalscope.com. Архивировано из оригинала 8 ноября 2014 года . Получено 31 октября 2014 года .
  5. ^ Hapke B (19 января 2012 г.). Теория спектроскопии отражения и излучения. Cambridge University Press. стр. 416. ISBN 978-0-521-88349-8.
  6. ^ "Инфракрасная технология". thermalscope.com. Архивировано из оригинала 8 ноября 2014 года . Получено 1 ноября 2014 года .
  7. ^ "Горячие детекторы". spie.org .
  8. ^ "DARPA разрабатывает персональные камеры LWIR, чтобы дать солдатам тепловое зрение". gizmag.com . 19 апреля 2013 г. Архивировано из оригинала 24 сентября 2015 г. Получено 20 июля 2024 г.
  9. ^ "Тепловой детектор с предпочтительно упорядоченным термочувствительным элементом и методом - Raytheon Company". freepatentsonline.com . Архивировано из оригинала 2023-11-18 . Получено 2024-07-20 .
  10. ^ Maldague XP, Jones TS, Kaplan H, Marinetti S, Prystay M (2001). "Основы инфракрасного и теплового тестирования". В Maldague K, Moore PO (ред.). Nondestructive Handbook, Infrared and Thermal Testing z÷÷÷÷ . Том 3 (3-е изд.). Колумбус, Огайо : ASNT Press.
  11. ^ Грациани Г., Амблар Ф. (декабрь 2019 г.). «Сверхразрешение, обеспечиваемое произвольно сильной сверхлинейностью излучения черного тела». Nature Communications . 10 (1): 5761. Bibcode :2019NatCo..10.5761G. doi :10.1038/s41467-019-13780-4. PMC 6917796 . PMID  31848354. 
  12. ^ abc Costello JT, McInerney CD, Bleakley CM, Selfe J, Donnelly AE (2012-02-01). "Использование тепловизионной визуализации при оценке температуры кожи после криотерапии: обзор" (PDF) . Journal of Thermal Biology . 37 (2): 103–110. Bibcode :2012JTBio..37..103C. doi :10.1016/j.jtherbio.2011.11.008. Архивировано (PDF) из оригинала 2024-10-06 . Получено 2019-12-11 .
  13. ^ abc Bach AJ, Stewart IB, Minett GM, Costello JT (сентябрь 2015 г.). «Влияет ли метод, используемый для оценки температуры кожи, на результаты? Систематический обзор» (PDF) . Физиологические измерения . 36 (9): R27-51. Bibcode : 2015PhyM...36R..27B. doi : 10.1088/0967-3334/36/9/r27. PMID  26261099. S2CID  23259170.
  14. ^ abc Bach AJ, Stewart IB, Disher AE, Costello JT (2015-02-06). "Сравнение кондуктивных и инфракрасных устройств для измерения средней температуры кожи в состоянии покоя, во время упражнений в жару и восстановления". PLOS ONE . ​​10 (2): e0117907. Bibcode :2015PLoSO..1017907B. doi : 10.1371/journal.pone.0117907 . PMC 4319934 . PMID  25659140. 
  15. ^ Использование термографии для обнаружения класса скрытых дефектов конструкции. Globalspec.com. Получено 18.06.2013.
  16. ^ Ф. Колберт, «Заглянем под капот: преобразование фирменных форматов файлов изображений, созданных в ИК-камерах, для улучшенного архивного использования» [ постоянная неработающая ссылка ] , Ассоциация профессиональных термографистов
  17. ^ Теория и применение инфракрасной температуры. Архивировано 06.10.2024 на Wayback Machine . Omega.com. Получено 18.06.2013.
  18. ^ "IR scanner handbook" (PDF) . Nhatha . NETA . Получено 22 июня 2019 .
  19. ^ Измерение излучательной способности в реальном времени для измерения инфракрасной температуры. Архивировано 25 сентября 2009 г. на Wayback Machine . Pyrometer.com. Получено 18 июня 2013 г.
  20. ^ Тепловизионная камера отвечает на извечный вопрос Архивировано 2014-10-08 в Wayback Machine Фрейзером Макдональдом, 4 октября 2014 г., Hot Stuff
  21. ^ Kylili A, Fokaides PA, Christou P, Kalogirou SA (2014). «Применение инфракрасной термографии (IRT) для диагностики зданий: обзор». Applied Energy . 134 : 531–549. Bibcode : 2014ApEn..134..531K. doi : 10.1016/j.apenergy.2014.08.005.
  22. ^ Saxena, A; Ng, EYK; Lim, ST (октябрь 2019 г.). «Инфракрасная (ИК) термография как потенциальный метод скрининга стеноза сонной артерии». Компьютеры в биологии и медицине . 113 : 103419. doi : 10.1016/j.compbiomed.2019.103419. PMID  31493579. S2CID  202003120.
  23. ^ Саксена, Ашиш; Раман, Вигнеш; Нг, EYK (2 октября 2019 г.). «Исследование методов извлечения высококонтрастного изображения в активной динамической термографии». Quantitative InfraRed Thermography Journal . 16 (3–4): 243–259. doi : 10.1080/17686733.2019.1586376. hdl : 10356/144497 . S2CID  141334526.
  24. ^ Saxena, A; Ng, EYK; Lim, ST (май 2020 г.). «Активная динамическая термография для выявления стеноза сонной артерии». Компьютеры в биологии и медицине . 120 : 103718. doi : 10.1016/j.compbiomed.2020.103718. PMID  32250851. S2CID  215408087.
  25. ^ Saxena, Ashish; Ng, EYK; Raman, Vignesh; Syarifuddin Bin Mohamed Hamli, Muhammad; Moderhak, Mateusz; Kolacz, Szymon; Jankau, Jerzy (декабрь 2019 г.). "Количественные параметры на основе инфракрасной (ИК) термографии для прогнозирования риска некроза лоскута послеоперационной раковой резекции молочной железы". Infrared Physics & Technology . 103 : 103063. Bibcode : 2019InPhT.10303063S. doi : 10.1016/j.infrared.2019.103063. S2CID  209285015.
  26. ^ Сороко М., Морель М. К. (2016). Термография лошадей на практике . Уоллингфорд - Бостон: CABI. ISBN 9781780647876. LCCN  2016935227.
  27. ^ Морган Хьюз; Пол Хопвуд; Матильда Долан; Бен Долан (4 октября 2022 г.). «Применение тепловизионной съемки для обследований птиц: примеры из полевых работ». Ringing and Migration : 1–4. doi :10.1080/03078698.2022.2123026. ISSN  0307-8698. Wikidata  Q114456608.
  28. ^ Gaszczak A, Breckon TP, Han J (2011). "Обнаружение людей и транспортных средств в реальном времени с помощью изображений с БПЛА". В Röning J, Casasent DP, Hall EL (ред.). Intelligent Robots and Computer Vision XXVIII: Algorithms and Techniques . Vol. 7878. pp. 78780B. Bibcode :2011SPIE.7878E..0BG. CiteSeerX 10.1.1.188.4657 . doi :10.1117/12.876663. hdl :1826/7589. S2CID  18710932.  {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь ) [ постоянная мертвая ссылка ]
  29. ^ Pinggera P, Breckon TF, Bischof H (2012). «О кросс-спектральном стереосоответствии с использованием плотных градиентных признаков». Труды Британской конференции по машинному зрению 2012 г. BMVA Press. стр. 103.1–103.12. doi :10.5244/C.26.103. ISBN 978-1-901725-46-9.
  30. ^ Термографические изображения в системе наблюдения за активными вулканами — проект TIIMNet Везувий и Сольфатара INGV Неаполь Италия Архивировано 10 июля 2012 г. на archive.today . Ipf.ov.ingv.it. Получено 18 июня 2013 г.
  31. ^ Инфракрасные проверки зданий — Ресурсы для электрических, механических, жилых и коммерческих инфракрасных/тепловых проверок Архивировано 06.08.2018 на Wayback Machine . Infrared-buildinginspections.com (04.09.2008). Получено 18.06.2013.
  32. ^ "DC-3 Автоматическая электронная машина для подсчета семян медицинских частиц". Gemstone. Архивировано из оригинала 2024-10-06 . Получено 30 октября 2021 .
  33. ^ "Тепловизионное изображение подчеркивает энергетические потери Вестминстера". IRT Surveys. 19 февраля 2013 г. Архивировано из оригинала 8 октября 2016 г. Получено 15 марта 2013 г.
  34. ^ "Обзор применения тепловизионной съемки". Буллард. Архивировано из оригинала 16 сентября 2008 года . Получено 15 марта 2013 года .
  35. ^ "NASA Readies James Webb Space Telescope for December Launch". NASA . 8 сентября 2021 г. Архивировано из оригинала 6 октября 2024 г. Получено 17 октября 2021 г.
  36. ^ Галлардо-Сааведра, Сара; Эрнандес-Каллехо, Луис; Дуке-Перес, Оскар (01.10.2018). «Технологический обзор приборов, используемых при воздушной термографической инспекции фотоэлектрических установок». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 93 : 566–579. Bibcode : 2018RSERv..93..566G. doi : 10.1016/j.rser.2018.05.027. ISSN  1364-0321. S2CID  115195654.
  37. ^ Порев ВА, Порев ГВ (2004). «Экспериментальное определение температурного диапазона телевизионного пирометра». Журнал оптических технологий . 71 (1): 70–71. Bibcode :2004JOptT..71...62P. doi :10.1364/JOT.71.000062.
  38. ^ Ким, Деннис К.; Сандерленд, Питер Б. (2019). «Пирометрия огненных углей с использованием цветной камеры (2019)». Журнал пожарной безопасности . 106 : 88–93. doi : 10.1016/j.firesaf.2019.04.006 . S2CID  145942969.
  39. ^ Чилтон, Александр (2013-10-07). "Принцип работы и основные области применения инфракрасных датчиков". AZoSensors . Архивировано из оригинала 2020-07-11 . Получено 2020-07-11 .
  40. ↑ В. Гершель, 1 «Эксперименты по преломлению видимых лучей солнца», Философские труды Лондонского королевского общества, т. 90, стр. 284–292, 1800.
  41. ^ Барр, ES (1962). Пионеры инфракрасного излучения — II. Маседонио Меллони. Инфракрасная физика, 2 (2), 67-74.
  42. ^ Лэнгли, СП (1880). «Болометр». Труды Американского метрологического общества . 2 : 184–190. Архивировано из оригинала 14.04.2023 . Получено 20.07.2024 .
  43. ^ Барр, ES (1962). Пионеры инфракрасного излучения — III. Сэмюэл Пирпойнт Лэнгли. Инфракрасная физика, 3 195-206.
  44. ^ "Samuel Pierpont Langley". earthobservatory.nasa.gov . 2000-05-03. Архивировано из оригинала 2023-06-01 . Получено 2021-05-12 .
  45. ^ Л. Беллингхэм, «Средства обнаружения присутствия на расстоянии айсбергов, пароходов и других холодных или горячих объектов», патент США № 1,158,967.
  46. ^ Паркер (RD)- Термические весы или радиометр. Патент США № 1,099,199 Архивировано 2024-10-06 в Wayback Machine 9 июня 1914 г.
  47. ^ Баркер (Джорджия) – Устройство для обнаружения лесных пожаров. Патент США № 1,958,702 от 22 мая 1934 г.
  48. ^ Николс (GT) – Измерение температуры. Патент США № 2,008,793 от 23 июля 1935 г.
  49. ↑ Naughton, Russell (10 августа 2004 г.). «Калман Тихани (1897–1947)». Университет Монаша. Архивировано из оригинала 24 октября 2003 г. Получено 15 марта 2013 г.
  50. ^ "Texas Instruments - 1966 Первые произведенные устройства FLIR". ti.com . Архивировано из оригинала 2024-10-06 . Получено 2024-07-20 .
  51. ^ ab Kruse, Paul W; Skatrud, David Dale (1997). Неохлаждаемые инфракрасные матрицы и системы визуализации. Сан-Диего: Academic Press. ISBN 9780080864440. OCLC  646756485.
  52. ^ Гибсон, Крис (2015). Генезис Нимрода . Hikoki Publications. стр. 25–26. ISBN 978-190210947-3.
  53. ^ "Michael F. Tompsett, TheraManager". uspto.gov . 7 февраля 2023 г. Архивировано из оригинала 6 октября 2024 г. Получено 20 июля 2024 г.
  54. ^ Госс, А. Дж.; Никсон, Р. Д.; Уоттон, Р.; Вритхолл, В. М. (1985). «Прогресс в ИК-телевидении с использованием пироэлектрического видикона». В Mollicone, Ричард А.; Спиро, Ирвинг Дж. (ред.). Инфракрасная технология X. Т. 510. стр. 154. Bibcode : 1985SPIE..510..154G. doi : 10.1117/12.945018. S2CID  111164581. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
  55. ^ "Heritage TICs EEV P4428 & P4430 Cameras". Архивировано из оригинала 2021-07-23 . Получено 2024-07-20 .
  56. ^ Corsi, C. (1995-07-01). «Умные датчики». Microsystem Technologies . 1 (3): 149–154. Bibcode : 1995MiTec...1..149C. doi : 10.1007/BF01294808. ISSN  1432-1858. S2CID  86519711.
  57. ^ Moini, Alireza (март 1997). "Vision Chips или Seeing Silicon". Центр высокопроизводительных интегрированных технологий и систем .
  58. ^ Национальный патент № 47722◦/80.
  59. ^ А. Рогальский, «ИК-детекторы: тенденции развития», Progress in Quantum Electronics, т. 27, стр. 59–210, 2003.
  60. ^ Корси, Карло (2010). «Исторические моменты и будущие тенденции инфракрасных датчиков». Журнал современной оптики . 57 (18): 1663–1686. Bibcode : 2010JMOp...57.1663C. doi : 10.1080/09500341003693011. S2CID  119918260.
  61. ^ К. Корси, «Rivelatori IR: состояние искусства и тенденции будущего будущего», Atti della Fondazione Giorgio Ronchi, vol. XLVI, № 5, стр. 801–810, 1991.
  62. ^ Л. Дж. Козловски и В. Ф. Косоноцкий, «Инфракрасные детекторные матрицы», в Справочнике по оптике, под ред. М. Басса, глава 23, Уильямс, В. Л. Вулф и Макгроу-Хилл, 1995.
  63. ^ C. Corsi, «Будущие тенденции и передовые разработки в области ИК-детекторов», в Трудах 2-й совместной конференции IRIS-NATO, Лондон, Великобритания, июнь 1996 г.
  64. ^ М. Разеги, «Текущее состояние и будущие тенденции развития инфракрасных детекторов», Opto-Electronics Review, т. 6, № 3, стр. 155–194, 1998.
  65. ^ Корси, Карло. «Инфракрасный: ключевая технология для систем безопасности». Достижения в оптических технологиях 2012 (2012): 1-15.

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Термография» .