Инфракрасная термография ( IRT ), тепловое видео и/или тепловидение — это процесс, при котором тепловая камера фиксирует и создает изображение объекта с помощью инфракрасного излучения, испускаемого объектом в процессе, что является примером науки об инфракрасных изображениях . Термографические камеры обычно обнаруживают излучение в длинном инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра (примерно 9 000–14 000 нанометров или 9–14 мкм ) и создают изображения этого излучения, называемые термограммами . Поскольку инфракрасное излучение излучается 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 радиации, испускаемой объектом, увеличивается с температурой; следовательно, 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 заметными на фоне окружающей среды днем и ночью. В результате термография особенно полезна военным и другим пользователям камер наблюдения .
Некоторые физиологические изменения у человека и других теплокровных животных также можно отслеживать с помощью тепловидения в ходе клинической диагностики. Термография используется в аллергодиагностике и ветеринарии . Некоторые практикующие врачи альтернативной медицины пропагандируют его использование для скрининга молочной железы , несмотря на предупреждение FDA о том, что «те, кто выберет этот метод вместо маммографии, могут упустить шанс обнаружить рак на самой ранней стадии». [1] Во время пандемии 2009 года сотрудники правительства и аэропортов использовали термографию для выявления случаев подозрения на свиной грипп. [2]
Термография имеет долгую историю, хотя за последние пятьдесят лет ее использование в коммерческих и промышленных целях резко возросло. Пожарные используют термографию, чтобы видеть сквозь дым , находить людей и локализовать очаг пожара. Специалисты по техническому обслуживанию используют термографию для обнаружения перегревающихся соединений и участков линий электропередачи , которые являются признаком надвигающейся поломки. Специалисты по строительству зданий могут видеть тепловые сигнатуры, указывающие на утечки тепла из-за неисправной теплоизоляции , и использовать результаты для повышения эффективности систем отопления и кондиционирования воздуха.
Внешний вид и работа современной термографической камеры часто аналогичны видеокамере . Часто живая термограмма настолько четко показывает изменения температуры, что для анализа не требуется фотография. Поэтому модуль записи не всегда встроен.
В специализированных тепловизионных камерах используются матрицы фокальной плоскости (FPA), которые реагируют на более длинные волны (средне- и длинноволновые инфракрасные лучи). Наиболее распространенными типами являются InSb , InGaAs , HgCdTe и QWIP FPA. В новейших технологиях в качестве датчиков FPA используются недорогие неохлаждаемые микроболометры . Их разрешение значительно ниже, чем у оптических камер, в основном 160х120 или 320х240 пикселей , вплоть до 1280х1024 [3] для самых дорогих моделей. Тепловизионные камеры намного дороже, чем их аналоги видимого спектра, а экспорт моделей более высокого класса часто ограничен из-за военного использования этой технологии. Более старые болометры или более чувствительные модели, такие как InSb, требуют криогенного охлаждения, обычно с помощью миниатюрного холодильника с циклом Стирлинга или жидкого азота .
Тепловые изображения, или термограммы, на самом деле представляют собой визуальное отображение количества инфракрасной энергии, излучаемой, передаваемой и отражаемой объектом. Поскольку существует несколько источников инфракрасной энергии, с помощью этого метода трудно определить точную температуру объекта. Тепловизионная камера способна выполнять алгоритмы для интерпретации этих данных и построения изображения. Хотя изображение показывает зрителю приблизительную температуру, при которой работает объект, на самом деле камера использует несколько источников данных на основе областей, окружающих объект, для определения этого значения, а не для определения фактической температуры. [4]
Это явление может стать более ясным при рассмотрении формулы:
где падающая мощность излучения — это профиль мощности излучения при просмотре через тепловизионную камеру. Излучаемая мощность излучения обычно предназначена для измерения; передаваемая мощность излучения представляет собой мощность излучения, проходящую через объект от удаленного теплового источника, и; Отраженная мощность излучения — это количество мощности излучения, которое отражается от поверхности объекта от удаленного источника тепла.
Это явление происходит повсюду и постоянно. Это процесс, известный как лучистый теплообмен, поскольку мощность излучения × время равна энергии излучения . Однако в случае инфракрасной термографии приведенное выше уравнение используется для описания мощности излучения в пределах спектральной полосы пропускания длины волны используемой тепловизионной камеры. Требования к лучистому теплообмену, описанные в уравнении, применимы одинаково для каждой длины волны электромагнитного спектра .
Если объект излучает при более высокой температуре, чем его окружение, то будет происходить передача энергии , и мощность 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 — поглощающей способностью . При работе на открытом воздухе при попытке получить точные показания температуры также может потребоваться учитывать конвективное охлаждение от ветра.
Затем тепловизионная камера будет использовать ряд математических алгоритмов. Поскольку камера способна видеть только электромагнитное излучение, которое невозможно обнаружить человеческим глазом , она строит изображение в средстве просмотра и записывает видимое изображение, обычно в формате JPG .
Чтобы выполнять роль бесконтактного регистратора температуры, камера будет изменять температуру просматриваемого объекта с помощью настройки излучательной способности.
Для воздействия на измерения можно использовать и другие алгоритмы, включая пропускную способность передающей среды (обычно воздуха) и температуру этой передающей среды. Все эти настройки будут влиять на конечный результат температуры просматриваемого объекта.
Эта функциональность делает тепловизионную камеру отличным инструментом для обслуживания электрических и механических систем в промышленности и торговле. Используя правильные настройки камеры и соблюдая осторожность при съемке изображения, можно просканировать электрические системы и обнаружить проблемы. Неисправности конденсатоотводчиков в системах парового отопления легко обнаружить.
В области энергосбережения тепловизионная камера может сделать больше. Поскольку он может видеть эффективную температуру излучения объекта, а также то, куда этот объект излучает, он также может помочь обнаружить источники тепловых утечек и перегретых областей.
Излучательная способность — это термин, который часто неправильно понимают и используют неправильно. Оно отражает способность материала излучать тепловое излучение и является оптическим свойством материи .
Каждый материал имеет различную излучательную способность, которая может варьироваться в зависимости от температуры и длины волны инфракрасного излучения. [5] Например, чистые металлические поверхности имеют излучательную способность, которая уменьшается при больших длинах волн; 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 при большей длине волны; простые оксиды, такие как оксид железа (Fe 2 O 3 ), демонстрируют относительно ровную 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 низкой излучательной способностью может быть серебро с коэффициентом излучения 0,02. Примером вещества с высокой излучательной способностью может служить асфальт с коэффициентом излучения 0,98.
Черное тело — это теоретический объект с коэффициентом излучения 1, который излучает тепловое излучение, характерное для его контактной температуры. То есть, если бы температура контакта термически однородного излучателя черного тела составляла 50 °C (122 °F), черное тело излучало бы тепловое излучение с температурой 50 °C (122 °F).
Обычный объект излучает меньше инфракрасного излучения, чем теоретическое черное тело. Доля его фактического излучения по отношению к теоретическому излучению (черного тела) является его излучательной способностью (или коэффициентом излучательной способности).
Чтобы измерить температуру объекта с помощью тепловизора, необходимо оценить или определить излучательную способность объекта. Для быстрой работы термограф может обратиться к таблице излучательной способности для данного типа объекта и ввести это значение в тепловизор. Затем имидж-сканер рассчитает температуру контакта объекта на основе значения, введенного из таблицы, и излучения объекта инфракрасного излучения, обнаруженного имидж-сканером.
Чтобы получить более точное измерение температуры, термограф может нанести на поверхность объекта стандартный материал с известной высокой излучательной способностью. Стандартный материал может быть таким же сложным, как промышленный спрей для определения излучательной способности, изготовленный специально для этой цели, или таким простым, как стандартная черная изоляционная лента с коэффициентом излучения около 0,97. Известную температуру объекта можно затем измерить, используя стандартную излучательную способность. При желании фактическую излучательную способность объекта (на той части объекта, которая не покрыта стандартным материалом) можно затем определить, отрегулировав настройки тепловизора на известную температуру. Однако бывают ситуации, когда такое испытание на излучательную способность невозможно из-за опасных или недоступных условий. В таких ситуациях термографисту приходится полагаться на таблицы.
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), как у камеры видимого света, инфракрасные камеры чувствительны к длинам волн от примерно 1000 нм (1 микрометр или мкм) до примерно 14 000 нм (14 мкм). Практика сбора и анализа данных, которые они предоставляют, называется термографией .
Термографические камеры можно разделить на два типа: с охлаждаемыми детекторами инфракрасного изображения и с неохлаждаемыми детекторами.
Охлаждаемые детекторы обычно помещаются в герметичный корпус или контейнер Дьюара и охлаждаются криогенно . Охлаждение необходимо для работы используемых полупроводниковых материалов. Типичные рабочие температуры варьируются от 4 К (-269 ° C) до чуть ниже комнатной температуры, 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 обычные цифровые камеры, но сделаны из других материалов) были бы «ослеплены» или залиты собственным излучением. Недостатком охлаждаемых инфракрасных камер является то, что они дороги как в производстве, так и в эксплуатации. Охлаждение является энергоемким и трудоемким процессом.
Камере может потребоваться несколько минут, чтобы остыть, прежде чем она сможет начать работу. Наиболее часто используемыми системами охлаждения являются охладители Пельтье , которые, хотя и неэффективны и имеют ограниченную охлаждающую способность, но относительно просты и компактны. Для получения лучшего качества изображения или для визуализации низкотемпературных объектов необходимы криорефрижераторы двигателя Стирлинга . Хотя охлаждающее устройство может быть сравнительно громоздким и дорогим, охлаждаемые инфракрасные камеры обеспечивают значительно более высокое качество изображения по сравнению с неохлаждаемыми камерами, особенно объектов, температура которых близка к комнатной или ниже ее. Кроме того, более высокая чувствительность охлаждаемых камер также позволяет использовать объективы с более высоким числом F , что делает высокопроизводительные длиннофокусные объективы меньше и дешевле для охлаждаемых детекторов.
Альтернативой охладителям двигателей Стирлинга является использование газов, находящихся в баллонах под высоким давлением, обычно используется азот. Газ под давлением расширяется через отверстие микроразмера и проходит через миниатюрный теплообменник, что приводит к регенеративному охлаждению за счет эффекта Джоуля-Томсона . Для таких систем поставка сжатого газа является логистической проблемой для использования на местах.
К материалам, используемым для охлаждаемого инфракрасного детектирования, относятся фотодетекторы на основе широкого спектра узкозонных полупроводников , включая антимонид индия (3-5 мкм), арсенид индия , теллурид ртути-кадмия (МСТ) (1-2 мкм, 3-5 мкм, 8-12 мкм). мкм), сульфид свинца и селенид свинца .
Инфракрасные фотодетекторы могут быть созданы с использованием структур полупроводников с широкой запрещенной зоной, таких как инфракрасные фотодетекторы с квантовыми ямами .
Существует ряд технологий сверхпроводящих и несверхпроводящих охлаждаемых болометров.
В принципе, сверхпроводящие устройства с туннельным переходом могут использоваться в качестве инфракрасных датчиков из-за их очень узкого зазора. Были продемонстрированы небольшие массивы. Они не получили широкого распространения, поскольку их высокая чувствительность требует тщательной защиты от фонового излучения.
Сверхпроводящие детекторы обладают чрезвычайной чувствительностью, а некоторые способны регистрировать отдельные фотоны. Например, сверхпроводящая камера ЕКА (SCAM) . Однако они не используются регулярно за пределами научных исследований.
В неохлаждаемых тепловизионных камерах используется датчик, работающий при температуре окружающей среды, или датчик, стабилизированный при температуре, близкой к температуре окружающей среды, с помощью небольших элементов контроля температуры. Во всех современных неохлаждаемых детекторах используются датчики, которые работают за счет изменения сопротивления , напряжения или тока при нагревании инфракрасным излучением. Эти изменения затем измеряются и сравниваются со значениями при рабочей температуре датчика.
Неохлаждаемые инфракрасные датчики можно стабилизировать до рабочей температуры для снижения шумов 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 с собственной тепловой сигнатурой.
Неохлаждаемые детекторы в основном основаны на пироэлектрических и сегнетоэлектрических материалах или технологии микроболометров . [7] Материал используется для формирования пикселей с сильно зависящими от температуры свойствами, которые термически изолированы от окружающей среды и считываются электроникой.
Сегнетоэлектрические детекторы работают близко к температуре фазового перехода материала датчика; температура пикселя считывается как поляризационный заряд, сильно зависящий от температуры. Достигнутый NETD сегнетоэлектрических детекторов с оптикой f/1 и датчиками размером 320x240 составляет 70-80 мК. Возможная сборка датчика состоит из титаната бария-стронция, соединенного полиимидным термоизолированным соединением.
Кремниевые микроболометры могут достигать NETD до 20 мК. Они состоят из слоя аморфного кремния или тонкопленочного чувствительного элемента из оксида ванадия (V) , подвешенного на мостике из нитрида кремния над сканирующей электроникой на основе кремния. Электрическое сопротивление чувствительного элемента измеряется один раз за кадр.
Текущие усовершенствования неохлаждаемых матриц в фокальной плоскости (UFPA) ориентированы в первую очередь на повышение чувствительности и плотности пикселей. В 2013 году DARPA анонсировало пятимикронную камеру LWIR, в которой используется матрица в фокальной плоскости (FPA) 1280 x 720. [8] Некоторые материалы, используемые для сенсорных матриц, включают аморфный кремний (a-Si), оксид ванадия (V) (VOx), [9] манганит лантана-бария (LBMO), цирконат-титанат свинца (PZT), свинец , легированный лантаном . титанат цирконата (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 ( БТ), сульфиодид сурьмы (SbSI) и поливинилидендифторид (ПВДФ).
Некоторыми техническими параметрами системы инфракрасной камеры являются количество пикселей , частота кадров , чувствительность , эквивалентная шуму мощность , эквивалентная шуму разница температур (NETD), спектральный диапазон, соотношение расстояния к пятну (D:S), минимальное фокусное расстояние. , срок службы датчика, минимальная разрешаемая разница температур (MRTD), поле зрения , динамический диапазон , входная мощность, а также масса и объем.
ИК-пленка чувствительна к инфракрасному (ИК) излучению в диапазоне от 250 до 500 ° C (от 482 до 932 ° F), тогда как диапазон термографии составляет примерно от -50 до 2000 ° C (от -58 до 3632 ° F). Таким образом, чтобы ИК-пленка работала термографически, измеряемый объект должен иметь температуру выше 250 °C (482 °F) или отражать инфракрасное излучение от чего-то, что по крайней мере столь же горячо.
Инфракрасные устройства ночного видения отображают изображение в ближнем инфракрасном диапазоне, сразу за пределами визуального спектра, и могут видеть излучаемое или отраженное излучение в ближнем инфракрасном диапазоне в полной визуальной темноте. Однако, опять же, они обычно не используются для термографии из-за требований к высокой температуре, а вместо этого используются с активными источниками ближнего ИК-диапазона.
Приборы ночного видения типа Starlight обычно только усиливают окружающий свет .
Все объекты с температурой выше абсолютного нуля (0 К ) излучают инфракрасное излучение . Следовательно, отличным способом измерения тепловых изменений является использование устройства инфракрасного видения , обычно инфракрасной камеры с матрицей в фокальной плоскости (FPA), способной обнаруживать излучение в средних (от 3 до 5 мкм) и длинных (от 7 до 14 мкм) волнах инфракрасного диапазона. полосы, обозначенные как MWIR и LWIR, соответствуют двум инфракрасным окнам с высоким коэффициентом пропускания . Аномальные профили температуры на поверхности объекта являются признаком потенциальной проблемы. [10]
В пассивной термографии интересующие объекты естественным образом 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 источник энергии необходим для создания теплового контраста между интересующим объектом и фоном. Активный подход необходим во многих случаях, поскольку контролируемые детали обычно находятся в равновесии с окружающей средой. Учитывая сверхлинейность излучения черного тела , активная термография также может использоваться для повышения разрешения систем визуализации за пределами их дифракционного предела или для достижения микроскопии сверхвысокого разрешения . [11]
Термография показывает визуальную картину, позволяющую сравнивать температуры на большой площади. [12] [13] [14] Он способен ловить движущиеся цели в реальном времени. [12] [13] [14] Он способен обнаружить износ, т.е. компоненты с более высокой температурой до их выхода из строя. Его можно использовать для измерения или наблюдения в зонах, недоступных или опасных для других методов. Это неразрушающий метод контроля. Его можно использовать для поиска дефектов валов, труб и других металлических или пластиковых деталей. [15] Его можно использовать для обнаружения объектов в темных местах. Он имеет некоторое медицинское применение, в основном в физиотерапии .
Есть различные камеры дешевле и дороже. Качественные камеры часто имеют высокий ценовой диапазон (часто 3000 долларов США и более) из-за затрат на большую матрицу пикселей (современное разрешение 1280 x 1024), в то время как менее дорогие модели (с матрицей пикселей от 40x40 до 160x120 пикселей) стоят дороже. так же доступно. Меньшее количество пикселей снижает качество изображения, что затрудняет различение ближайших целей в одном поле зрения.
Также есть разница в частоте обновления. Некоторые камеры могут иметь частоту обновления только 5–15 Гц, другие (например, FLIR X8500sc [3] ) 180 Гц или даже больше в режиме без полного окна.
Также объектив может быть интегрированным или нет.
Многие модели не обеспечивают измерения освещенности, используемые для построения выходного изображения; потеря этой информации без правильной калибровки излучательной способности, расстояния, температуры окружающей среды и относительной влажности влечет за собой то, что полученные изображения по своей сути являются неверными измерениями температуры. [16]
Изображения может быть трудно точно интерпретировать, если они основаны на определенных объектах, особенно объектах с нестабильной температурой, хотя эта проблема уменьшается при активном тепловидении. [17]
Термографические камеры создают тепловые изображения на основе получаемой ими лучистой тепловой энергии. [18] Поскольку на уровни излучения влияют излучательная способность и отражение излучения, например солнечного света, от измеряемой поверхности, это приводит к ошибкам в измерениях. [19]
Изображения с инфракрасных камер обычно монохромные, поскольку в камерах обычно используется датчик изображения , который не различает длины волн инфракрасного излучения. Датчики цветного изображения требуют сложной конструкции для различения длин волн, а цвет имеет меньшее значение за пределами обычного видимого спектра, поскольку разные длины волн не отображаются единообразно в системе цветового зрения, используемой людьми.
Иногда эти монохроматические изображения отображаются в псевдоцвете , где для отображения изменений сигнала используются изменения цвета, а не изменения интенсивности. Этот метод, называемый нарезкой плотности , полезен, потому что, хотя люди имеют гораздо больший динамический диапазон определения интенсивности, чем цвет в целом, способность видеть тонкие различия в интенсивности в ярких областях довольно ограничена.
Для измерения 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 искусственных цветах должна отображаться шкала, позволяющая соотнести цвета с температурами. 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, чем их аналоги видимого спектра, хотя в 2014 году низкопроизводительные дополнительные тепловизионные камеры для смартфонов стали доступны за сотни долларов. [20] Модели более высокого класса часто считаются оборудованием двойного назначения военного назначения. и имеют ограничения на экспорт, особенно если разрешение составляет 640 x 480 или выше, за исключением случаев, когда частота обновления составляет 9 Гц или меньше. Экспорт тепловизионных камер 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 месте происшествия вызывает разницу всего в 0,03 °C на датчике. Время отклика пикселя также довольно медленное — десятки миллисекунд.
Термография находит множество других применений. Например, пожарные используют его, чтобы видеть сквозь дым , находить людей и локализовать очаги возгорания. С помощью тепловидения специалисты по обслуживанию линий электропередачи обнаруживают перегревающиеся соединения и детали, что является явным признаком их неисправности, и устраняют потенциальные опасности. Там, где теплоизоляция выходит из строя, специалисты по строительству зданий могут обнаружить утечки тепла, чтобы повысить эффективность охлаждения или обогрева системой кондиционирования воздуха.
Тепловизионные камеры также устанавливаются в некоторых роскошных автомобилях для помощи водителю ( автомобильное ночное видение ), первой из которых является Cadillac DeVille 2000 года выпуска .
Некоторые физиологические процессы, особенно реакции, такие как лихорадка , у людей и других теплокровных животных, также можно отслеживать с помощью термографической визуализации. Охлаждаемые инфракрасные камеры можно найти на крупных астрономических исследовательских телескопах , даже на тех, которые не являются инфракрасными телескопами .
Приложения включают в себя:
Тепловизионные камеры преобразуют энергию инфракрасного диапазона в видимый свет. 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 с температурой выше -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 также является функцией излучательной способности объекта. Кроме того, излучение исходит из окружающей среды и отражается от объекта, а на излучение объекта и отраженное излучение также будет влиять поглощение атмосферы .
Области, в которых используются эти методы:
Термография по определению осуществляется с помощью инструмента (артефакта), но у некоторых живых существ есть естественные органы, которые функционируют как аналоги болометров и , таким образом, обладают грубым типом тепловизионной способности ( термоцепция ). Одним из наиболее известных примеров является инфракрасное зондирование у змей .
Неспециализированные ПЗС- и КМОП- сенсоры 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 диапазоном (NIR), 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 °С и выше для пирометрии в видимом спектре также используются недорогие камеры с ПЗС- и КМОП- сенсорами. Их использовали для удаления сажи в огне, горящих частиц угля, нагретых материалов, нитей SiC и тлеющих углей. [38] Эта пирометрия выполнялась с использованием внешних фильтров или только фильтров Байера датчика . Это было выполнено с использованием цветовых соотношений, оттенков серого и/или их гибрида.
Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году сэром Уильямом Гершелем как форма излучения, превосходящая красный свет. [39] Эти «инфракрасные лучи» (infra — латинская приставка, означающая «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 . До Первой мировой войны развитие детекторов было в основном сосредоточено на использовании термометров и болометров . 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 инструмент Маседонио Меллони . Первоначально они совместно разработали значительно улучшенный инструмент. Впоследствии Меллони работал один, создав в 1833 году прибор (многоэлементную термобатарею ), способный 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 продолжали совершенствовать этот инструмент. К 1901 году он мог обнаруживать радиацию коровы на расстоянии 400 метров и был чувствителен к разнице температур в сто тысячных (0,00001 C) градуса Цельсия. [43] [44] Первая коммерческая тепловизионная камера была продана в 1965 году для проверки линий электропередачи высокого напряжения.
Первым передовым применением ИК-технологии в гражданском секторе, возможно, стало устройство для обнаружения присутствия айсбергов и пароходов с использованием зеркала и термобатареи, запатентованное в 1913 году. [45] Вскоре его превзошёл первый точный ИК-детектор айсбергов, который не использовали термобатареи, запатентованные 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] Этот метод не получил подлинного промышленного развития до тех пор, пока он не был использован для анализа однородности нагрева горячих стальных полос в 1935 году. [48]
В 1929 году венгерский физик Кальман Тиханьи изобрел чувствительную к инфракрасному излучению (ночного видения) электронную телекамеру для противовоздушной обороны в Великобритании. [49] Первой американской термографической камерой был инфракрасный линейный сканер. Он был создан военными США и компанией Texas Instruments в 1947 году [50] [ проверка не удалась ] , и на создание одного изображения ушёл один час. Хотя было исследовано несколько подходов для повышения скорости и точности технологии, один из наиболее важных факторов был связан со сканированием изображения, которое компания AGA смогла коммерциализировать с помощью охлаждаемого фотопроводника. [51]
Первой британской инфракрасной системой линейного сканирования была «Желтый утенок», выпущенная в середине 1950-х годов. [52] При этом использовались непрерывно вращающееся зеркало и детектор со сканированием по оси Y за счет движения самолета-носителя. Несмотря на то, что предполагаемое применение слежения за подводными лодками с помощью обнаружения следа не удалось, оно было применено для наземного наблюдения и стало основой военного ИК-линейного сканирования.
Эта работа получила дальнейшее развитие в Королевском институте сигналов и радиолокации в Великобритании, когда они обнаружили, что теллурид ртути-кадмия является фотопроводником, требующим гораздо меньшего охлаждения. Компания Honeywell в США также разработала ряд детекторов, которые могли охлаждаться при более низкой температуре, [ требуются дальнейшие объяснения ], но они сканировали механически. Этот метод имел ряд недостатков, которые можно было преодолеть с помощью системы электронного сканирования. В 1969 году Майкл Фрэнсис Томпсетт из компании English Electric Valve Company в Великобритании запатентовал камеру с пироэлектронным сканированием, которая достигла высокого уровня производительности после нескольких других прорывов 1970-х годов. [53] Томпсетт также предложил идею твердотельных тепловизионных матриц, которая в конечном итоге привела к созданию современных гибридных однокристаллических устройств формирования изображений. [51]
Используя трубки видеокамер, такие как видиконы, с пироэлектрическим материалом, таким как триглицинсульфат (ТГС), в качестве мишени, можно получить видикон, чувствительный в широкой части инфракрасного спектра [54] . Эта технология была предшественником современной технологии микроболометров и в основном использовалась в тепловизионных камерах пожаротушения. [55]
Одним из важнейших направлений развития систем безопасности была возможность разумной оценки сигнала, а также предупреждения о наличии угрозы. При поддержке Стратегической оборонной инициативы США начали появляться «умные датчики». Это датчики, которые могут интегрировать распознавание, извлечение, обработку и понимание сигналов. [56] Существует два основных типа интеллектуальных датчиков. Один, похожий на так называемый « чип зрения » при использовании в видимом диапазоне, позволяет осуществлять предварительную обработку с использованием методов интеллектуального зондирования благодаря увеличению роста интегральных микросхем. [57] Другая технология более ориентирована на конкретное использование и выполняет свою задачу предварительной обработки благодаря своему дизайну и структуре. [58]
К концу 1990-х годов использование инфракрасного излучения стало переходить к гражданскому использованию. Произошло резкое снижение стоимости неохлаждаемых массивов, что наряду со значительным ростом разработок привело к появлению рынка двойного назначения , охватывающего как гражданское, так и военное использование. [59] Эти области применения включают экологический контроль, анализ зданий и произведений искусства, функциональную медицинскую диагностику, а также системы управления автомобилем и предотвращения столкновений . [60] [61] [62] [63] [64] [65]
{{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )