СПОСОБ ГРАДУИРОВКИ ПРИБОРОВ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR CALIBRATION OF THERMAL IMAGING DEVICES AND THE DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к технике тепловизионных измерений и предназначено для применения в метрологии при градуировке, калибровке и поверке приборов тепловизионных.
На современном уровне развития науки и техники в данной области известны и применяются следующие способы градуировки приборов тепловизионных.
Известен способ градуировки, в котором сравниваются показания температуры излучающей поверхности, полученные контактным методом с использованием хромель-алюмелевых термопар и методом тепловизионной съемки (Герасютенко В.В., Шарков А.В., Кораблев В.А., Минкин Д.А. Совершенствование методов и средств поверки и градуировки тепловизиров // Измерительная техника, №6. 2020. С. 33-39). Способ реализован на примере экспериментальной установки, основным элементом которой является излучающая поверхность в виде прямоугольной пластины размерами 330×200×4 мм. С целью уменьшения рассеивания тепловых потоков с излучающей поверхности пластины в окружающую среду применены нагреватели воздуха, прикрепленные к боковым торцам излучающей поверхности, при этом нагреватели изготовлены в виде пластин из сплава алюминия с магнием.
Известен двухточечный способ калибровки тепловизионных матриц (Бабкин П.С, Павлов Ю.Н., Перов А.Н. Применение двухточечного метода калибровки для тепловизионных матриц фирмы ULIS // Радиооптика. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон, журн. 2015. №6. С. 13-26. doi:10.7463/rdopt.0615.0820469). Согласно данному способу используют две температуры модели абсолютно черного тела при постоянном времени интегрирования. В процессе калибровки видеосигнал с матрицы инвертируют на аналого-цифровом преобразователе, в результате чего на исходном тепловизионном изображении светлые участки будут соответствовать более нагретым телам, а темные участки более холодным объектам. Затем, исходя из экспериментальных данных, выбирают точку разбиения всего диапазона температур. Таким образом, целью первого этапа калибровки становится поиск двух оптимальных пар опорных напряжений. Для каждой пары опорных напряжений при фиксированных температурах подложки матрицы выполняют регистрацию тепловизионной картины и вычисляют значения моды гистограммы. Полученную зависимость отображают на трехмерном графике. Аналогично вычисляют значения моды гистограммы тепловизионной картины для другой (второй) температуры матрицы и температуры модели абсолютно черного тела. В результате осуществления способа калибровки для каждого пиксела тепловизионной матрицы находят кривую его чувствительности в зависимости от температуры окружающей среды.
Известен способ, в котором используют трехточечную коррекцию, согласно которой записывают заданное количество кадров для каждого из трех заданных поддиапазонов температуры (Petrov M.N., Sobolev P.S., Cherniak B.V. Calibration of thermal imaging systems based on matrix IR photodetectors // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series (2019) 012036, doi:10.1088/1742-6596/1352/l/012036). Установка соответствующей температуры осуществляется с помощью тестового объекта, который реализуют на основе источника абсолютно черного тела. В процессе выполнения вычислений на основе заданного количества кадров формируется матрица, состоящая из столбцов, длина (количество строк) которых соответствует размеру кадра. Калибровка инфракрасного (ИК) фотоприемника осуществляется в несколько этапов. На первом этапе выполняют операцию отбрасывания зашумленных пикселей, на втором этапе выполняют отсечение пикселей по амплитуде. Такие пиксели отображаются в виде белых или черных точек на изображения, и они заменяются интерполированными пикселями. На третьем этапе выполняют отбраковку пикселей по чувствительности, для этого используют ИК-изображения для трех температур, строят две гистограммы разности амплитуд пикселей: между изображениями с низкой и средней температурой, средней и высокой температурой. В результате этого идентифицируются пиксели, для которых характерно нелинейное изменение амплитуды при повышении температуры. На четвертом этапе выполняют расчет поправочного коэффициента, нормированного к единице, который выравнивает амплитуду пикселей во время обработки экспериментальных данных. На пятом этапе проверяют наличие скоплений дефектных пикселей.
Известен способ поверки приборов тепловизионных (ГОСТ 8. 619-2006: Государственная система обеспечения единства измерений. Приборы тепловизионные измерительные. Методика поверки - М.: Стандартинформ, 2006. 30 с.). Согласно данному способу определение неравномерности чувствительности прибора тепловизионного по полю его матрицы осуществляют путем сравнения пиксельных показаний с температурой, задаваемой эталонным излучателем, который, представляет собой модель абсолютно черного тела, выполненную в виде полости, нагреваемой электрическим нагревателем. Неравномерность чувствительности по полю определяют в пяти точках диапазона рабочих температур (нижняя, верхняя и три точки внутри диапазона). После установления стационарного режима эталонного излучателя проводят не менее 5 измерений на каждой температуре. Излучающую поверхность эталонного излучателя последовательно совмещают с не менее чем пятью различными областями термограммы (по центру и в углах термограммы). Измеряют среднюю температуру по области термограммы, соответствующей апертуре излучателя. Неравномерность чувствительности по полю рассчитывают как разницу максимального значения из полученных средних температур и минимального значения из полученных средних температур. При этом устанавливают требование о том, что полученное значение неравномерности не должно превышать значения, указанного в паспорте на прибор тепловизионный конкретного типа.
Известен способ калибровки тепловизионного прибора на микроболометрической матрице и устройство для его реализации, заключающийся в том, что тепловизионный прибор включают, выдерживают во включенном состоянии для термостатирования, регистрируют величины сигналов с каждого из чувствительных элементов микроболометрической матрицы. Указанные сигналы оцифровывают, инвертируют и записывают в память контроллера тепловизионного прибора. После чего их суммируют с оцифрованными сигналами с соответствующих чувствительных элементов микроболометрической матрицы. Перед объективом тепловизионного прибора вплотную к нему периодически устанавливают непрозрачную и поглощающую излучение в рабочем диапазоне длин волн микроболометрической матрицы шторку. После чего регистрируют величины сигналов с каждого из чувствительных элементов микроболометрической матрицы. Реализующее способ устройство содержит встроенный в тепловизионный прибор контроллер, соединенный с микроболометрической матрицей, первый, второй и третий таймеры, установленную снаружи тепловизионного прибора перед его объективом шторку, снабженную приводом ее перемещения с концевым выключателем, и логический элемент «И» (патент на изобретение РФ №2569170, МПК G01K 15/00, G011J 5/28, опубл. 20.11.2015, БИ№32).
Наиболее близким по технический сущности к предлагаемому способу является способ градуировки тепловизора с высоким температурным разрешением (Brandon Lane, Eric P. Whitenton. Calibration and Measurement Procedures for a High Magnification Thermal Camera // National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD USA 20899-8223, NISTIR 8098, http://dx.doi.org/10.6028/NIST.IR.8098). В данном способе сравнивают температуру внутри сферической полости калибровочной модели черного тела с пиксельными показаниями матрицы тепловизора, после чего выполняют линеаризацию каждого пикселя и осреднение его сигнала в результате линеаризации. Для повышения точности задания температуры калибровочной модели черного тела ее калибруют с помощью передаточного радиометра, который, в свою очередь, калибруется на основе температуры, определенной Международной температурной шкалой 1990 г. При этом, заданная температура калибровочной модели черного тела (измеренная с помощью термопар) сравнивается с радиометрическим значением температуры, выдаваемым передаточным радиометром.
Общий и главный недостаток существующих способов градуировки приборов тепловизионных заключается в том, что априори они не обеспечивают высокую точность и достоверность, что обусловлено спецификой эталонного излучателя в виде модели абсолютно черного тела (АЧТ), которая используется в данных способах. Модель абсолютно черного тела всегда имеет некоторую сложно измеряемую неравномерность температурного поля ее излучающей плоскости, при градуировке данная неравномерность передается средству измерения, причем в увеличенном значении, и в настоящее время никак не оценивается. В то же время, пиксельные элементы приемной матрицы любого тепловизионного прибора, выполненные, например, из микрофотодиодов или микрофоторезисторов, всегда имеют незначительно различающиеся спектральные чувствительности, что приводит к некоторой неравномерности яркости теплового видеоизображения, причем данная равномерность характеризуется разностью температур, соизмеримой с разностью температур в излучающей полости модели АЧТ и обычно составляет ≈0,05 К. По этой причине, при использовании модели АЧТ невозможно выполнить корректировку спектральной чувствительности пиксельных элементов приемной матрицы, равно как невозможно различить, за счет чего на конкретном тепловом видеоизображении наблюдается неравномерность яркости - либо из-за неравномерности температуры в полости модели АЧТ, либо из-за различия спектральных чувствительностей пиксельных элементов. В результате наложения этих двух факторов всегда имеет место неопределенность измерений, более высокая, чем та, которая требуется на современном уровне развития науки и техники.
Кроме того, размеры излучающих плоскостей моделей абсолютно черного тела, как правило, всегда малы, поэтому при проецировании на приемную матрицу прибора тепловизионного они не покрывают полностью всю поверхность данной матрицы. Вследствие этого, невозможно одновременно по одному тепловизионному снимку судить о неравномерности собственной спектральной чувствительности всех пиксельных элементов матрицы. Поэтому требуется несколько снимков различных участков матрицы, которые необходимо совмещать - это также увеличивает погрешность градуировки.
Помимо этого, в способах, основанных на использовании модели АЧТ, существенно влияние внешней засветки на результат градуировки, которое особенно заметно при малых температурах (вблизи комнатных температур) -это дополнительно снижает точность.
Кроме этого, традиционно выполняемая операция градуировки с эталонным излучателем в виде модели АЧТ имеет довольно большую продолжительность, ввиду длительного времени выхода модели абсолютно черного тела на стационарный тепловой режим.
Цель изобретения - повышение точности градуировки с одновременным сокращением ее длительности.
Указанная цель достигается тем, что в способе градуировки приборов тепловизионных градуировку выполняют для нескольких заданных реперных значений температуры по соответствующим им энергетическим яркостям апертуры оптического источника инфракрасного излучения, спектр которого максимально подобен спектру излучения абсолютно черного тела, а энергетическая яркость с заданной точностью стабилизирована, с заданной равномерностью распределена по апертуре заданного размера и формы и поставлена в точное соответствие термодинамической температуре абсолютно черного тела, причем данное соответствие предварительно и единожды определено при калибровке оптического источника по абсолютно черному телу, в начале градуировки предварительно выполняют коррекцию спектральной чувствительности пиксельных элементов приемной матрицы тепловизионного прибора, для этого исходя из калибровочной зависимости оптического источника инфракрасного излучения устанавливают энергетическую яркость его апертуры, соответствующую одной из заданных реперных термодинамических температур, фокусируют тепловизионный прибор на апертуру и регистрируют ее тепловое видеоизображение, на полученном тепловом видеоизображении для каждого его пикселя оцифровывают соответствующую данному пикселу яркость и рассчитывают среднюю выборочную яркость по всем пикселям, для каждого пикселя рассчитывают дисперсию яркости от средней выборочной яркости, рассчитывают среднюю выборочную дисперсию яркости по всем пикселям, для каждого пикселя рассчитывают коэффициент, корректирующий спектральную чувствительность пиксельного элемента, который рассчитывают исходя из отношения абсолютной разности дисперсии яркости пикселя и средней выборочной дисперсии яркости к средней выборочной яркости, которое возводят в заданную степень, после чего умножают исходную яркость пикселя на корректирующий коэффициент, тем самым формируют скорректированное тепловое видеоизображение апертуры, которое приписывают к заданной термодинамической температуре, после перечисленных выше предварительных операций выполняют градуировку тепловизионного прибора на других реперных температурах, при которой для каждой температуры регистрируют соответствующее ей тепловое видеоизображение апертуры и выполняют его коррекцию, при этом используют предварительно полученные корректировочные коэффициенты для каждого пикселя, после чего скорректированному тепловому видеоизображению ставят в соответствие заданную реперную температуру.
При этом, в одном из вариантов способа в качестве оптического источника инфракрасного излучения используют последовательно соединенные посредством волоконно-оптического кабеля ртутно-ксеноновую лампу и интегрирующую сферу, а в качестве апертуры используют выходной порт интегрирующей сферы, а в другом варианте способа в качестве оптического источника инфракрасного излучения используют последовательно соединенные посредством волоконно-оптического кабеля температурную лампу и интегрирующую сферу, а в качестве апертуры используют выходной порт интегрирующей сферы.
Указанная цель реализуется с помощью устройства для градуировки приборов тепловизионных, содержащем стабилизированный оптический инфракрасный излучатель, размещенный в корпусе, и связанный оптически через волоконно-оптическую линию связи с входом интегрирующей сферы с заданной выходной апертурой, мощность излучения из которой регулируется блоком питания оптического инфракрасного излучателя и контролируется фотоприемником, установленным на интегрирующей сфере и связанным через линию электрической связи со средством измерения сигнала фотоприемника.
Сущность способа поясняется фиг. 1, на которой представлена принципиальная схема устройства, реализующего данный способ, где: 1 - оптический инфракрасный излучатель, 2 - корпус излучателя, 3 -волоконно-оптическая линия связи, 4 - интегрирующая сфера, 5 - фотоприемник, 6 - линия электрической связи, 7 - средство измерения сигнала фотоприемника, 8 - выходная апертура интегрирующей сферы 4, 9 - приемная матрица тепловизора, 10 - тепловизор, 11 - блок питания оптического инфракрасного излучателя 1, 12 - основание.
В основу заявленного способа положено следующее. Для устранения влияния собственной неравномерности температурного поля модели АЧТ на результат градуировки, вместо модели АЧТ предлагается использовать стабилизированный оптический источник инфракрасного излучения, энергетическая яркость которого предварительно откалибрована с помощью абсолютного радиометра, сигнал которого напрямую связан с термодинамической температурой посредством формулы Планка, т.е. установлена однозначная связь энергетической яркости данного оптического источника с термодинамической температурой. В качестве оптического источника инфракрасного излучения предлагается использовать совокупность из двух оптических элементов: оптического инфракрасного излучателя 1 и связанную с ним посредством линии волоконно-оптической связи 3 интегрирующую сферу 4. При этом спектр излучения оптического инфракрасного излучателя 1 должен быть максимально подобен излучению идеального черного тела, для этих целей почти идеально подходят либо ртутно-ксеноновая, либо температурная лампы. В этом случае инфракрасное излучение, передаваемое от оптического инфракрасного излучателя 1 через линию волоконно-оптической связи 3 к интегрирующей сфере 4, претерпевает многократное отражение внутри интегрирующей сферы 4, в результате чего в плоскости выходной апертуры 8 интегрирующей сферы 4 образуется поток излучения, который характеризуется очень высокой равномерностью энергетической яркости, причем, на порядок и более лучшей, чем достигается при использовании моделей АЧТ в традиционных способах. При этом, если выходная апертура 8 интегрирующей сферы 4 имеет достаточно большой диаметр, то ее изображение, проецируемое на приемную матрицу 9 тепловизора 10, будет полностью перекрывать размеры матрицы 9. Интегрирующие сферы с большим диаметром выходной апертуры выпускаются серийно, поэтому данный аспект не вызывает каких-либо технических проблем и легко реализуем.
При выполнении градуировки тепловизора 10 регистрируют тепловые видеоизображения выходной апертуры 8 при нескольких заданных реперных температурах. При этом возможная неравномерность попиксельной яркости получаемых видеоизображений целиком и полностью определяется возможным различием спектральных чувствительностей пиксельных элементов матрицы 9 (микрофоторезисторов, микрофотодиодов).
Для устранения данного дефекта предлагается при одной из реперных температур, предпочтительнее - верхняя температурная граница рабочего диапазона тепловизора, единожды выполнить коррекцию спектральной чувствительности пиксельных элементов приемной матрицы 9 тепловизора 10.
Коррекцию осуществляют следующим образом. На полученном исходном тепловом видеоизображении для каждого его пикселя оцифровывают соответствующую данному пикселю яркость и рассчитывают среднюю выборочную яркость по всем пикселям:
где
i
L - яркость i-го пикселя,
m
L - средняя выборочная яркость по всем писелям матрицы,
N - количество пикселей.
i
Затем, для каждого пикселя рассчитывают дисперсию его яркости σL от средней выборочной яркости:
m
m
После этого, рассчитывают среднюю выборочную дисперсию яркости σL от средней выборочной яркости L:
1,i
Для каждого пикселя рассчитывают отношение абсолютной разности дисперсии его яркости и средневыборочной дисперсии яркости к средней выборочной яркости и возводят данное отношение в заданную степень n и обозначают полученное значение k.
i
Корректируют исходную яркость L каждого пикселя и делают ее равной яркости  рассчитанной по соотношению:
2,i
При этом, значения коэффициента k, корректирующего спектральную чувствительность пикселя, рассчитывают в зависимости от знака дисперсии пикселя по следующим соотношениям:
- если
- если
Значение показателя степени n подбирают экспериментальным путем так, чтобы оно обеспечивало наилучшую равномерность яркости скорректированного теплового видеоизображения, при этом обычно значения n находятся в пределах n=0,8-1,5.
2,i
В результате выполненных операций получают набор корректирующих коэффициентов k, с помощью которых формируют скорректированное тепловое видеоизображение апертуры, которое приписывают к заданной термодинамической температуре, при этом, благодаря тому, что спектральная чувствительность пиксельных элементов матрицы 9 скорректирована, получают наилучшую равномерность распределения яркости на видеоизображении и аналогичную точность ее соответствия заданной термодинамической температуре.
2,i
После этого тепловизор градуируют на других заданных температурах, при этом для каждой температуры регистрируют тепловое видеоизображение апертуры, выполняют коррекцию полученного видеоизображения за счет коррекции спектральной чувствительности пиксельных элементов, при этом используют полученные ранее корректирующие коэффициенты k.
Способ поясняется работой устройства, схема которого представлена фиг. 1. В качестве составных элементов устройства могут быть взяты следующие: оптический инфракрасный излучатель 1 - либо температурная лампа, например, лампа типа СИ6-300, либо ртутно-ксеноновая лампа, например, лампа L8029 мощностью 100 Вт (производитель - фирма Hamamatsu, Япония). Интегрирующая сфера 4 - например, модель «uku500», внешний диаметр сферы 500 мм, диаметр выходного порта 125 мм. В качестве фотоприемника 5 - любой высокочувствительный фотодиод, например, кремниевый фотодиод типа S1337 (производитель - фирма Hamamatsu, Япония). В качестве средства измерения сигнала фотоприемника 7 - любой мультиметр с соответствующей данному классу измерений точностью.
5
2,i
2,i
Устройство работает следующим образом. С помощью блока питания 11 устанавливают заданную мощность оптического инфракрасного излучателя 1, которая поставлена в точное соответствие термодинамической температуре и заранее определена при предварительной калибровке с помощью абсолютного радиометра, сигнал которого напрямую связан с термодинамической температурой посредством формулы Планка (см., например, патент на изобретение РФ №2697429, МПК G01K 15/00, G01J 5/00, опубл. 14.08.2019, БИ №23). Контроль заданной мощности излучателя 1 и, соответственно, заданной температуры, осуществляют путем измерения выходного сигнала U фотоприемника 5, который через линию электрической связи 6 связан со средством измерения 7. Излучение заданной мощности от излучателя 1 посредством линии волоконно-оптической связи 3 подается на входной порт интегрирующей сферы 4, где претерпевает многократные отражения от внутренней поверхности сферы 4 и излучается в полупространство через выходную апертуру 8 обозначенной интегрирующей сферы 4. Фокусируют градуируемый тепловизор 10 на плоскость выходной апертуры 8 интегрирующей сферы 4 и регистрируют тепловое видеоизображение данной апертуры 8. Затем программным способом оцифровывают яркости пикселей матрицы 9 тепловизора 10 и по приведенным выше соотношениям (1) - (3) выполняют расчеты яркости каждого пикселя, средневыборочной яркости, дисперсий яркости каждого пикселя, средневыборочной дисперсии по всем пикселям, по которым находят корректирующие коэффициенты k и выполняют программную коррекцию яркости каждого пикселя, при этом используют соотношения (4)-(7). В результате формируют скорректированное тепловое видеоизображение апертуры 8, обладающее высокой равномерностью яркости, которое ставят в соответствие заданной термодинамической температуре. После выполнения указанных операций задают другие реперные температуры и соответствующие им мощности оптического инфракрасного излучателя 1, для каждой температуры и мощности излучения регистрируют тепловое видеоизображение и выполняют его коррекцию, при этом используют значения ранее полученных корректирующих коэффициентов k. После выполнения указанных операций градуировку считают завершенной.
Преимущества заявленного способа заключаются в обеспечении более высокой точности измерений, существенном сокращении длительности процесса градуировки. В данном способе не требуется длительного времени ожидания выхода излучателя на стационарный тепловой режим, как это имеет место в аналогах и прототипе. В способе время выхода на режим измерений составляет всего 1-2 мин, в то время как в аналогах и прототипе это на это требуется не менее одного часа. Кроме того, обеспечивая высокую равномерность яркости по матрице, способ существенно снижает вероятность появления ложных сигналов на тепловом изображении, что особенно важно для тепловизоров, применяемых в целях обнаружения.