УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОГРАФИРОВАНИЯ

Полезная модель относится к тепловизионной технике и может быть использована для определения температурных полей удаленных объектов.
Одним из актуальных направлений развития техники регистрации изображений в различных спектральных диапазонах является создание методов и аппаратуры для определения температурных полей объектов с помощью инфракрасных матричных приемников, в частности, микроболометрических приемников. В целом, принципы реализации методов термографирования и основные элементы конструкций устройств, реализующих эти методы, хорошо известны (см. патенты США №5420419, H 01 L 27/14, опубл. 30.05.1995; №5688699, H 01 L 31/18, опубл. 18.111997; №6026337, G 05 D 1/00, опубл. 15.02.2000; №6559447, H 04 N 3/09, опубл. 06.05.2003 и др.). Матричные микроболометрические приемники обычно включают набор элементов, выполненных, например, из аморфного кремния и чувствительных к излучению в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра в области 7-14 мкм. Эти элементы способны изменять электрическое сопротивление при изменении температуры, при этом каждый чувствительный элемент матрицы снабжен средствами, поглощающими электромагнитное излучение ИК диапазона. В процессе работы падающее на приемник инфракрасное излучение поглощается, в результате чего происходит нагревание чувствительных элементов приемника, величина которого определяется мощностью падающего теплового потока. Если перед матричным термоэлектронным приемником расположена оптическая
система, обеспечивающая построение изображения объекта, от которого исходят тепловые потоки, в плоскости вышеуказанного приемника, то электрические сигналы от отдельных микроболометрических элементов пропорциональные вызванному их нагревом изменению электрического сопротивления в результате соответствующей обработки могут обеспечить получение информации о температурном поле наблюдаемого объекта.
Точность определения температурного поля объекта с помощью известных устройств зависит от множества факторов. К числу наиболее существенных следует отнести следующие два: точность определения собственной температуры приемника и однородность его чувствительности по полю. Первый фактор особенно важен в случае применения так называемых «неохлаждаемых» микроболометрических матриц и влияет на чувствительность метода термографирования в целом, а, следовательно, и на точность определения температуры слабо нагретых тел. Второй фактор определяется технологическими особенностями и погрешностями изготовления отдельных элементов матрицы, которые, вообще говоря, имеют различия в чувствительности и могут, тем самым, служить источниками ошибок в определении температуры отдельных участков объекта.
Для уменьшения влияния наиболее существенных факторов погрешностей определения температуры объекта в известных устройствах для термографирования используют средства калибровки и компенсации. Под калибровкой понимают в данном случае термографирование объекта с заранее известной температурой непосредственно перед определением температуры
исследуемого объекта (см., например, патент РФ №2194255, G 01 J 5/08, опубл. 10.12.2002), а под компенсацией - регистрацию температурного поля заведомо однородно нагретого объекта. В качестве подобного объекта, как правило, используют либо шторку механического затвора (см. патент РФ №2090976, H 04 N 5/33, 30.09.1997), либо, если это удобно, чистое небо. Очевидно, что во всех случаях преодоление факторов возможных погрешностей термографирования объектов требует использования дополнительных конструктивных средств в устройствах и выполнения соответствующих вычислительных процедур при обработке сигналов, получаемых с выхода микроболометрического приемника.
Представляется очевидным тот факт, что для обеспечения точности измерений температуры объекта процедура калибровки устройства должна проводиться в условиях идентичных тем, которые имеют место во время работы. К этим условиям следует отнести расстояние от объекта до приемника, а также пропускание оптического тракта между ними. При отсутствии данных о расстоянии до объекта и значении коэффициента пропускания оптического тракта представляется невозможным установить связь между мощностью ИК излучения, падающего на приемник, и температурой удаленного объекта, испускающего это излучение, без калибровки. В большинстве случае проводить дистанционную калибровку устройств для термографирования (т.е. предварительно помещать на место исследуемого объекта эталон, нагретый до известной температуры, и затем определять эталонный сигнал для последующего его сравнения с измеряемым) практически невозможно (если дистанцию до объекта еще можно определить, например, с помощью дальномера, то коэффициент затухания ИК излучения в
атмосфере не поддается оперативному контролю, особенно, если речь идет об определении температуры объектов, находящихся на значительных удалениях от приемника). Таким образом, задача обеспечения высокой точности термографирования удаленных объектов абсолютным методом, т.е по величине падающей на приемник мощности теплового потока не может быть решена с помощью известных устройств.
Хорошо известен факт изменения мощности и спектра испускания нагретых тел при изменении температуры. Если нагревать абсолютно черное тело, то интегральная мощность испускаемого им излучения увеличивается по закону Стефана-Больцмана пропорционально четвертой степени температуры. Если рассматривать отельные спектральные диапазоны, то эта зависимость становится более сложной, оставаясь, тем не менее, монотонной. Спектральная характеристика мощности излучения нагретого тела имеет максимум, положение которого зависит от температуры и с ее возрастанием по закону Вина смещается в коротковолновую часть спектра.
На этих знаниях основан принцип работ дистанционных пирометров, с помощью которых регистрируют свечение объекта в двух (или нескольких) различных, но близких, диапазонах спектра, а затем по отношению полученных сигналов определяют температуру объекта. Такой прием дает возможность избежать погрешностей калибровки, связанных с недостоверным определением дистанции до объекта и потерь излучения в оптическом тракте, т.к. для сигналов в близких спектральных диапазонах эти факторы, как правило, влияют на амплитуду регистрируемого сигнала сходным образом и, поэтому, могут быть исключены при
вычислении отношения указанных сигналов. Вместе с тем, необходимо отметить, что формулы вычисления температуры объекта по данным измерений, вытекающие из закона Планка для абсолютно черного тела, требуют учета спектральной селективности исследуемого объекта и определения его спектрального коэффициента излучения (отношения яркости объекта к яркости абсолютно черного тела при той же температуре в определенном диапазоне спектра), который, очевидно, известен лишь для заранее определенного объекта, а в общем случае неизвестен и представляет собой источник погрешности измерений.
max
Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является устройство для термографирования (патент США №6758595, G 01 K 3/00, опубл. 06.07.2004). Данное устройство включает оптоэлектронный матричный сенсор, элементы которого обладают чувствительностью к падающему электромагнитному излучению по крайней мере в трех различных спектральных диапазонах, причем два из них лежат в ИК, а один - в видимой области спектра. В устройстве-прототипе в качестве фотоэлектронного приемника описан матричный пирометр с кремниевыми фотодетекторами, каждый из которых снабжен спектральным фильтром, пропускающим свет в заданном спектральном диапазоне и имеющим немонотонную зависимость пропускания от длины волны в диапазоне чувствительности фотоэлектронного приемника. Область спектральной чувствительности кремниевых фотодетекторов предполагает регистрацию и анализ изображения в ближнем ИК диапазоне с максимально возможной длиной волны излучения порядка λ=1.2 мкм.
Из-за резкого падения энергетической яркости свечения нагретых тел с уменьшением длины волны наблюдение и регистрация с надлежащей точностью спектра испускания объектов нагретых до температур 300-400°К с помощью кремниевых детекторов даже в ближнем ИК диапазоне представляет трудноразрешимую задачу. Особенностями технологии изготовления матричного приемника изображения в прототипе обусловлен и выбор метода спектральной селекции, а именно, спектральные фильтры в нем установлены перед различными элементами. Такое их расположение позволяет регистрировать изображение объекта одновременно в нескольких спектральных диапазонах, что, безусловно, улучшает динамику работы, однако, неконтролируемые различия в точности изготовления этих фильтров и расположения их перед элементами матричного приемника изображения служат источниками погрешностей, учесть которые практически невозможно в связи с отсутствием соответствующих эталонов. Поэтому основным недостатком прототипа является низкая точность измерения температуры слабо нагретых объектов.
Задачей, на решение которой направлено настоящая полезная модель, является повышение качества термографирования удаленных слабо нагретых объектов.
Поставленная задача в заявляемой полезной модели решена за счет достижения технического результата, заключающегося в повышении точности определения температуры слабо нагретых объектов.
Сущность заявляемого устройства для термографирования состоит в том, что в устройстве, включающем оптическую систему, оптически сопряженный с
выходом оптической системы матричный электронный приемник изображения, электронную схему приема и обработки данных об изображении объекта, электрически соединенную с выходом матричного электронного приемника излучения, а также блок питания и управления, чувствительные элементы матричного электронного приемника изображения выполнены с возможностью регистрации теплового излучения объекта преимущественно в спектральном диапазоне от 7 мкм до 14 мкм, устройство дополнительно включает средства для введения в оптическую систему и выведения из нее спектрально-селективного элемента, имеющего монотонную зависимость пропускания от длины волны излучения в указанном спектральном диапазоне, и блок определения температуры объекта, включающий модуль памяти, а также вычислительные средства для определения массива цифровых данных температуры объекта по цифровым данным изображений объекта.
Кроме того, спектрально-селективный элемент может быть выполнен в виде поглощающего фильтра из флюорита.
Сущность полезной модели поясняется чертежом. На чертеже (Фиг.) показана схема заявляемого устройства.
Заявляемое устройство включает оптическую систему 1, выполненную, например, в виде зеркального объектива или линзового объектива, компоненты которого изготовлены из прозрачного в спектральном диапазоне от 7 мкм до 14 мкм материала, например, германия. Матричный электронный приемник изображения 2, выполненный, например, в виде неохлаждаемой микроболометрической матрицы на основе аморфного кремния, чувствительные
элементы которой выполнены с возможностью регистрации теплового излучения преимущественно в спектральном диапазоне от 7 мкм до 14 мкм, размещен таким образом, что его чувствительная поверхность расположена либо вблизи задней фокальной плоскости оптической системы 1, либо непосредственно в указанной плоскости. Для регулировки условий фокусировки изображения матричный электронный приемник изображения 2 может быть выполнен с возможностью перемещения относительно неподвижной оптической системы 2 вдоль ее оптической оси. В заявляемом устройстве указанная регулировка может быть осуществлена также и альтернативным образом за счет исполнения одного или нескольких компонентов оптической схемы 2 с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Матричный электронный приемник изображения 2 в этом случае может быть выполнен без возможности перемещения вдоль оптической оси оптической системы 2. Выход матричного электронного приемника изображения 2 электрически соединен со входом электронной схемы 3 для приема и обработки данных об изображении объекта 4, два выхода которой электрически соединены со входами модуля памяти 9 и вычислительных средств 10, выполненных, например, в виде микропроцессора. Вычислительные средства 10 дополнительно электрически соединены с выходом модуля хранения градуировочных данных 14. Блок питания и управления 5 электрически соединен с электронной схемой 3 для приема и обработки данных об изображении объекта 4, с модулем хранения градуировочных данных 14, а также со средством 6 для введения в оптическую систему 1 и выведения из нее спектрально-селективного элемента 7. В качестве одного из возможных вариантов реализации средства 6 для введения в оптическую систему 1
и выведения из нее спектрально-селективного элемента 7 в данном изобретении предложен узел, включающий модуль синхронизации 11, а также электрически соединенные с ним привод вращения 12 и датчик углового положения 13, причем модуль синхронизации 11 и привод вращения 12 электрически соединены с блоком питания и управления 5. В данном варианте исполнения средства 6 спектрально-селективный элемент 7 удобно выполнить в виде кольцевого сектора, как это показано на чертеже (Вид А). Этот сектор приводится во вращение приводом вращения 12, в результате чего оптический тракт устройства периодически перекрывается спектрально-селективным элементом 7. Угловую скорость вращения предпочтительно поддерживать неизменной во время проведения измерений. Вместе с тем само значение величины угловой скорости может быть изменено оператором или автоматически в зависимости от величины электрических сигналов, поступающих в электронную схему 3 с чувствительных элементов матричного электронного приемника изображения 2 во время проведения измерений. Отношение угла сектора α, в пределах которого излучение от объекта 4 достигает приемной площадки матричного электронного приемника изображения 2 без спектральной селекции, к углу сектора (360°-α), в пределах которого излучение от объекта 4 достигает приемной площадки матричного электронного приемника изображения 2 через спектрально-селективный элемент 7, выбирают таким образом, чтобы времена экспозиций при основной и дополнительной регистрациях электрических сигналов с чувствительных элементов матричного электронного приемника изображения 2 были одинаковыми. На чертеже показан вариант исполнения датчика углового положения 13,
включающего оптронную пару, а также щели 15 и 16 в непрозрачной части экрана 17. При вращении экрана 17 с установленным на нем спектрально-селективным элементом 7 с выхода фотоприемника оптронной пары в модуль синхронизации 11 поступают импульсы, фиксирующие начало и окончание основной и дополнительной регистрации электрических сигналов с чувствительных элементов матричного электронного приемника изображения 2..
Заявляемое устройство работает следующим образом. Оптическую систему 1 устройства ориентируют в пространстве таким образом, чтобы ее оптическая ось была направлена в сторону исследуемого объекта 4. Нагретый до заранее неизвестной температуры Т, расположенный на заранее неизвестном расстоянии до устройства объект 4, имеющий известное спектральное распределение яркости Ф(λ,T) испускает электромагнитное излучение в том числе в спектральном диапазоне от 7 мкм до 14 мкм. Оптическая система 1 устройства, направленная в сторону объекта, частично улавливает это излучение и формирует на приемной площадке матричного электронного (например, неохлаждаемого микроболометрического на основе аморфного кремния) приемника 2 изображение данного объекта 4 с необходимым для его распознавания пространственным разрешением. При осуществлении основной регистрации электрические сигналы, пропорциональные интегралу , где
Ф(λ, T) - спектральное распределение яркости объекта;
k(λ) - нормированная спектральная чувствительность элементов матричного электронного приемника изображения;
1
2
λ, λ - значения длин волн спектрального диапазона интегрирования, выбранные таким образом, что по меньшей мере часть спектрального диапазона, ограниченного этими значениями, перекрывается спектральным диапазоном чувствительности матричного электронного приемника изображения в пределах интервала длин волн от 7 мкм до 14 мкм,
с выхода матричного электронного приемника изображения 2 поступают на вход электронной схемы 3 для приема и обработки данных об изображении объекта 4. Указанная электронная схема 3 включает необходимые средства для оцифровки поступающих на ее вход сигналов, например, аналого-цифровой преобразователь и средства для формирования из полученных таким образом цифровых данных основного массива цифровых данных изображения объекта 4. Далее данные основного массива поступают в блок определения температуры объекта 8, а именно, в модуль памяти 9, где и сохраняются в области, отведенной для основного массива цифровых данных изображения объекта 4. На этом этапе работы устройство обеспечивает отображение нагретого объекта 4 в ИК диапазоне спектра. Данное «тепловое» изображение объекта 4 может быть воспроизведено, например, на экране монитора, подключенного к выходу модуля памяти 9 через стандартный тракт формирования видеосигнала. Для цели термографирования, т.е. определения значений температуры различных участков объекта 4, из блока питания и управления 5 устройства на вход средства 6 по команде оператора (или автоматически с определенной частотой, задаваемой оператором) поступает сигнал для введения в оптическую систему 1 спектрально-селективного элемента 7, имеющего монотонную зависимость пропускания от длины волны излучения τ(λ)
в спектральном диапазоне от 7 мкм до 14 мкм, например, поглощающего фильтра из флюорита. Таким образом, реализуют условия осуществления дополнительной спектральной селекции излучения, падающего на приемную площадку матричного электронного приемника изображения 2, в пределах указанного интервала длин волн. После этого, в результате дополнительной регистрации электрические сигналы, пропорциональные интегралу , где с выхода матричного электронного приемника изображения 2 поступают на вход электронной схемы 3 для приема и обработки данных об изображении объекта 4 с учетом спектральной селекции испускаемого им излучения. В электронной схеме 3 осуществляют аналого-цифровое преобразование данных сигналов и направляют их в цифровом виде на вход модуля памяти 9, где они сохраняются в области, отведенной для дополнительного массива цифровых данных изображения объекта 4. Далее из блока питания и управления 5 устройства на вход блока определения температуры объекта 8 по команде оператора (или автоматически с определенной частотой, задаваемой оператором) поступает сигнал для формирования массива цифровых данных температуры объекта 4. По данному сигналу с выхода модуля памяти 9 на вход вычислительных средств 10 поступают основной и дополнительный массивы цифровых данных изображения объекта 4. Вычислительные средства 10 осуществляют вычисление отношений значений данных массивов и далее устанавливают соответствие между этими значениями и значениями температуры T отдельных участков объекта 4 по градуировочной зависимости, вид которой определяется оператором и вводится в модуль хранения
градуировочных данных 14 непосредственно перед началом работы устройства в случае, если известно спектральное распределение яркости объекта 4 Ф(λ, T). Если спектральное распределение яркости объекта 4 перед началом работы неизвестно, вычислительные средства 10 устанавливают указанное выше соответствие по градуировочной зависимости, вид которой определен исходя из предположения, что Ф(λ, T) совпадает с спектральным распределением яркости абсолютно черного тела и предварительно занесен в модуль хранения градуировочных данных 14. С выхода вычислительных средств 10 данные о температурном распределении объекта 4 через стандартный тракт формирования видеосигнала также могут быть переданы на экран монитора для отображения.
Таким образом, в настоящей полезной модели предложено устройство для термографирования, направленное на повышение качества термографирования удаленных слабо нагретых объектов. Заявленный технический результат, а именно повышение точности определения температуры, достигается за счет реализации новой совокупности признаков устройства.