Реферат: Системы построения изображений в ИК-диапазоне

. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВИЗОРОВ

Формат и частота смены изображений. Формат изображения в матричных тепловизорах при правильно подобранной оптике соответствует числу отдельных элементов в матрице. Например, если распространенный формат микроболометрических матриц 320 х 240 соответствует полю зрения 24 х 18°, то мгновенный угол зрения будет одним и тем же по обеим координатам: IFOV =24о/320=18о/240=4,5' = 1,3 мрад.

Пространственное разрешение в горизонтальном направлении составит 320 элементов на каждую из 240 строк.

В цифровом анализе изображений вводят число пикселей, которое в общем случае может быть больше, равно или меньше соответствующего числа сканируемых мгновенных углов зрения. Например, строчный сигнал, определяемый 320-ю мгновенными углами зрения, может быть оцифрован на 640 компьютерных пикселей. Однако такая операция будет искусственной, и реальное пространственное разрешение будет по-прежнему равно 320-ти различаемым элементам изображения.

Частота cмены изображений ffr (frame rate) определяется полным временем τSc, В течение которого анализируют поле зрения. Например, если выходной сигнал каждого матричного элемента сканируют электронным образом в течение 1/30 с, соответствующая частота смены изображений будет ffr=1τSc =30 Гц. В оптико-механических тепловизорах парамeтp ffr определяют аналогичным образом. В ранних моделях тепловизоров сканировали два поля зрения (чересстрочная развертка - interlacing fields), которые накладывали друг на друга, формируя полный кадр. Например, если поле зрения. состояшее из 70 линий, сканируется за 1/50 с, то полный кадр будет состоять из 140 линий, сканируемых за 1/25 с, Т.е. ffr=25Гц.

Последовательности ИК-изображений (термограмм) накапливают в аналоговой или цифровой форме. Аналоговую запись чаше всего выполняют в видео (телевизионном) формате, с использованием стандартных видеомагнитофонов, к которым непосредственно подключают тепловизоры, имеющие PAL, NTSC или SECAM выход. Согласование двух форматов (тепловизионного и телевизионного) производят с помощью встроенных буферных процессоров.

Цифровую запись можно производить с любой скоростью, определяемой типом тепловизора и скоростью аналого-цифрового преобразования (АЦП). Запись в реальном времени возможна, если АЦП осуществляют за время, меньшее времени анализа одного мгновенного угла зрения.

Современные компьютерные термографические системы позволяют записывать весьма длинные последовательности термограмм, число которых может превышать несколько тысяч. Запись осуществляют либо с максимальной скоростью, то есть накапливая все термограммы, или с фиксированным (регулируемым) интервалом, разделяющим две последовательные термограммы. Например, последовательность из 300 изображений, записанная с частотой 30 Гц, соответствует полному времени наблюдения 300/30 = 10 с, причем интервал времени между соседними термограммами равен 1/30 с. Увеличение интервала записи до 1 с приведет к удлинению времени наблюдения до 300 с.

Температурное разрешение. Эквивалентная шуму разность температур. Эквивалентная шуму разность температур (Noise Equiva1ent Temperature Difference - NETD) является важной энергетической характеристикой тепловизоров, которую определяют как температурный сигнал ∆ТNETD эквивалентный уровню собственного шума фотоприёмника. Пусть температуру поверхности некоторой мишени Тref рассматриваемой в качестве эталонного излучателя, поддерживают на постоянном уровне. Тепловизор является электронным прибором, выходной сигнал которого можно характеризовать как электрическими, так и температурными единицами измерения. Обычно шум выражают в терминах стандартного отклонения температуры. Величину NETD определяют как изменение температуры ∆ТNETD, которому соответствует отношение сигнал/шум S, равное единице: S=1 (иногда ∆ТNETD принимают равным двум или трем стандартным отклонениям).

Величина NETD является типичной паспортной характеристикой тепловизоров, приводимая в следующем виде ∆ТNETD=0,07 ºС при температуре эталонного излучателя Тref =30ºС.. Этот же параметр часто называют температурным разрешением (resolution) тепловизора Тref .Для оценки конкретных тепловизоров рекомендована следующая формула определения ∆ТNETD.

где FN = F/D - показатель оптической системы; F - фокусное расстояние системы; D - эффективный диаметр оптической системы; /';.1 - полоса частот измеритель-

ного тракта; D * - обнаружительная способность фотоприемника; Ad -эффективная площадь чувствительного элемента; всё остальное - производная от функции Планка по температуре, отнесенная к единичному телесному углу.

Недостатком параметра ∆ТNETD в качестве критерия сравнения тепловизоров является то, что улучшение температурного разрешения за счет увеличения площади чувствительного элемента Ad сопровождается ухудшением пространственного разрешения IFOV.

Эта формула справедлива для случая так называемого реального фотоприемника, не ограниченного шумами фона. Шумы идеального приемника ограничены только флуктуациями потока регистрируемых фотонов. В этом случае формулу для предельной величины ∆ТNETD.

Минимальная разрешаемая разность температур. Минимальную разрешаемую разность температур(minimum res01vable temperature diffeгепсе - MRTD) определяют по эталонному излучателю (мире), образованному набором полос определенных толщины и температуры и рассматриваемому оператором в течение неопределенного времени. Таким образом, этот параметр отражает как пространственное, так и температурное разрешение тепловизора, но зависит от способностей оператора, его мотивации, влияния окружающей среды и т.п. Величину ∆TМRТD обычно усредняют по нескольким операторам.

Величина ∆TМRТD прямо пропорциональна ∆TNEТD и обратно пропорциональна модуляционной передаточной функции, определяя способность тепловизора различать детали теплового изображения. Параметр ∆TМRТD более субъективен по

сравнению с параметром ∆TNEТD.

Динамический диапазон сигнала.

Динамический диапазон ДД электронного устройства характеризует диапазон амплитуд сигналов между максимальным Umах и минимальным Umin значениями, которые передаются (анализируются) без искажений. Обычно ДД выражают в децибелах.

ДД=10logUmаx.

Например, если фото приемник регистрирует тепловой поток в интервале от 10-6 до 10-1 Вт, его ДД = 50 дБ, т.е. составляет 5 порядков.

В тепловизорах используют 8-, 12-, 14- или 16-битовое представление сигнала, что соответствует разбиению динамического диапазона на 28,212,214,216 уровней и определяет минимальный различаемый температурный сигнал.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.      Неразрушающий контроль. Справочное издание в 7 томах, том 5 Тепловой контроль; под ред Клюева В.В. - М., «Машиностроение» 2004, - 679 с.