30.1. Физические основы работы тепловизионных систем
Рассмотрим следующую схему работы тепловизоров (рис. 30.1).
Рис. 30.1. Схема работы тепловизоров
На данной схеме приняты следующие обозначения:
W – светимость теплового излучения наблюдаемого объекта;
ω – передний апертурный угол оптической системы тепловизора;
dS – элемент поверхности наблюдаемого объекта, нормаль
к которому составляет угол Ψ с направлением наблюдения;
U(N, L) – величина видеосигнала приемника излучения;
N – номер строки элемента изображения;
L – номер элемента в строке тепловизионного кадра.
Величина видеосигнала U(N, L) определяется по следующей формуле:
 |
(30.1) |
 |
(30.2) |
где
 |
(30.2') |
 |
(30.3) |
В формулах (30.2) – (30.5) приняты следующие обозначения: H(x'-x, y'-y) – функция рассеяния точки (ФРТ) оптической системы тепловизора; S – наблюдаемая поверхность объекта; ε – коэффициент излучения объекта; W0 – светимость АЧТ.
На основании соотношений (30.1) – (30.3) можно выразить зависимость величины видеосигнала uλ в тепловизорах от абсолютной температуры Т и коэффициента излучения:
 |
(30.4) |
где Кλ – коэффициент пропорциональности.
На основании соотношения (30.4) можно записать систему уравнений для выходных сигналов, которые имеют место в яркостных пирометрах и спектральных тепловизорах. Эта система уравнений формирует одну из проблем оптической пирометрии, заключающейся в том, что невозможно измерить истинную температуру поверхности реальных объектов без априорной информации о коэффициенте излучения ελ их поверхности:
 |
(30.5 - 30.7) |
Применительно к радиационным пирометрам проблема дистанционного измерения температуры записывается в виде:
 |
(30.8) |
Если (30.1) записать в виде (30.9) или (30.10):
 |
(30.9) |
 |
(30.10) |
то, так как справедливо равенство,
имеем формулировку второй проблемы тепловидения:
 |
(30.11) |
которая заключается в невозможности определения формы поверхности внутри их контура методами классического тепловидения.
30.2. Тепловизоры фирмы «АГЕМА», модели 661 и 680
Данные модели тепловизоров предназначены для получения изображения слабонагретых объектов и имеют следующие характеристики [2]:
- поле обзора – 5 × 5° для модели 661 или 10 × 10° для модели 680;
- оптическое разрешение – 100 элементов в строке (3') и 4,4' – для модели 680;
- число строк в кадре – 100;
- частота кадров – 16 Гц;
- пороговая температурная чувствительность обеспечивает возможность различать два абсолютно черных тела, находящихся при комнатной температуре, если разность их температур составляет значение 0,2°С (ΔТпор = 0,2°С на уровне 20°С);
- динамический диапазон изменяется от Т = 1°С до 200°С;
- диапазон регистрируемых температур объектов от -30°С до +20°С.
Тепловизоры «АГЕМА» были разработаны по заданию военного ведомства, но нашли применение в медицине и промышленности: для проверки теплового режима электросетей, оборудования и т.д.
Рассмотрим структурную схему тепловизора «АГЕМА 661», которая приведена на рис. 30.2.
Рис. 30.2. Структурная схема тепловизора фирмы «AGEMA», модель 661
На рисунке приняты следующие обозначения [2]:
1 – большое сферическое зеркало – ø 195 мм; f = 350 мм
2 – малое плоское зеркало ø 71,4 мм;
3 – горизонтальная ось колебания зеркала 2;
4 – соосные кулачки;
5 – круглые роликовые подшипники;
6 – многогранная (4-х гр.) призма сканирования (по строкам);
7 – диафрагма;
8, 9 – линзы;
10 – плоское зеркало;
11 – приемник излучения (InSb), R ≈ 50 кОм.
12 – охлаждаемая диафрагма;
13 – защитное окно;
14 – сосуд Дюара;
МК – мотор кадровой развертки;
МС – мотор строчной развертки;
ПУ – предусилитель;
УС – усилитель;
МЭ – модулирующий электрод ЭЛТ;
ГС – генератор строчной развертки;
ГК – генератор кадровой развертки;
ДС – ДК – датчики сигналов синхронизации строк и кадров.
Данная схема работает следующим образом.
Оптическое излучение объекта попадает через защитное стекло 13 в объектив, состоящий из сферического зеркала 1 и плоского зеркала 2. Плоское зеркало 2 колеблется относительно горизонтальной оси 3 (перпендикулярной плоскости чертежа) с частотой 16 Гц, обеспечивая обзор пространства со скоростью 16 кадров в секунду, при времени обратного хода, составляющего 12%. Колебательное (пилообразное) перемещение зеркала осуществляется при помощи двух противоположно действующих соосных кулачков 4, воздействующих на круглые роликовые подшипники 5, смонтированные на верхнем и нижнем концах колеблющегося плоского зеркала. Кулачки вращаются мотором кадровой развертки МК. Угол поворота плоского зеркала равен 5°.
Сканирование в плоскости, перпендикулярной направлению сканирования зеркала (т. е. по строкам), осуществляется вращением четырехгранной призмы 6. Обычно используется германиевая или кремниевая призма, вращающаяся со скоростью 200 об/с мотором строчной развертки МС. За каждый оборот призмы сканируется 4 строки, что обеспечивает скорость обзора 1600 строк в секунду. Поэтому, так как в кадре 100 строк, скорость обзора равна 16 кадров в секунду.
Рабочие поверхности призмы просветляются окисью кремния для обеспечения максимального пропускания в области спектра от 2 до 5,4 мкм.
Изображение элемента обзора формируется оптической системой в плоскости диафрагмы 7, передается линзами 8 и 9 и плоским зеркалом 10 на приемник 11, закрытый охлаждаемой диафрагмой 12, имеющей отверстие диаметром 0,5 мм.
Сосуд Дюара 14 заливается жидким азотом до уровня, находящегося на расстояние 5 мм от верхней кромки.
Сигнал, вырабатываемый приемником излучения, усиливается предусилителем ПУ и усилителем УС и воздействует на модулирующий электрод МЭ электронно-лучевой трубки ЭЛТ индикатора.
Развертка луча индикатора по строкам и кадрам осуществляется генераторами строчной ГС и кадровой разверток, которые синхронизируются датчиками сигналов синхронизации строк ДС и кадров ДК. Последние формируют сигналы синхронизации с помощью фотодиодов, освещаемых светом, прерываемые модулирующими дисками синхронно с вращением призмы и колебанием плоского зеркала.
30.3. Оптическая схема тепловизора «Радуга-2»
Тепловизор «Радуга-2» предназначен для медико-биологических исследований и медицинской диагностики, а также для термографических исследований различных промышленных объектов.
Оптическая схема тепловизора «Радуга-2» приведена на рис. 30.3.
Рис. 30.3. Оптическая схема тепловизора «Радуга-2»
На рисунке приняты следующие обозначения:
1 – зеркальный барабан Вейлера с 12 гранями, имеющими различный наклон к оси вращения барабана;
2, 3 – зеркала объектива оптической системы (f′ = 64 мм, Dвх.зр. = 40 мм);
4, 5, 3, 10 – линзы;
6, 8 – призмы;
7 – светоделитель;
11 – линейчатый ИК приемник излучения с 11 чувствительными элементами;
12 – 2 опорных источника ИК излучения, представляющие собой калиброванные лампы типа ТРШ 1500-2300 с различными радиационными температурами;
13 – источники излучения (лампа СМН-30-60-2) схемы синхронизации строк и кадров (подкадров);
14 – приемники излучения (фотодиоды типа КФДМ для упомянутой схемы синхронизации);
4, 15, 17 – щели на диске синхронизации для ввода в приемную часть системы излучения соответственно 1-го и 2-го опорных источников;
16 – эталонный излучатель;
18, 19 – отверстия на диске синхронизации для формирования синхроимпульсов строчной и кадровой разверток.
Данная оптическая схема тепловизора «Радуга» содержит три отдельных канала:
1 – рабочий канал, состоящий из элементов 1, 2, 3 и 11;
2 – канал ввода двух опорных источников уровня черного и белого в рабочий канал. Этот канал содержит элементы 12, 4, 6, 15, 17, 5, 7, 8 и 9;
3 – канал синхронизации кадров и подкадров, состоит из элементов 13, 10 и приемника лучистой энергии (ПЛЭ) 14, а 18, 19 – отверстия в диске синхронизации.
Работа схемы.
Тепловое излучение от объекта и фона, отразившись от зеркальной грани барабана Вейлера 1, воспринимается зеркальным объективом Кассегрена 2, 3 и направляется на линейчатый ПЛЭ 11. Он содержит 11 чувствительных элементов, поэтому поворотом одной грани барабана 1 реализуется первый подкадр, состоящий из 11 строк. Для построения второго подкадра, находящегося ниже первого, вторая грань барабана имеет несколько иной наклон по отношению к основанию. Аналогично формирование третьего подкадра получается поворотом третьей грани с соответствующим наклоном и т. д. Последняя двенадцатая грань формирует 12-й подкадр также с 11-ю строками. В итоге, получаемый кадр содержит 12 подкадров, в каждом 11 строк. Таким образом, полученный кадр содержит Nс = 132 строки. Число элементов Nэс в каждой из строк получается из следующего соотношения:
где Тк – период кадра = 1/25 с;
Nc – число строк;
τд – время формирования информации одного элемента разложения кадра.
Во всех типах тепловизоров «Радуга» τд = 2 · 10-6 с; что дает Nэс = 140.
Для разделения во времени процесса формирования двух опорных сигналов формирующих уровни черного с температурой 20°С и уровня белого с 50°С, в оптической схеме на диске синхронизации нанесены отверстия 15 и 17. Для получения импульсов синхронизации кадров и подкадров имеются отверстия 18 и 19.
Для понимания работы этих двух каналов рассмотрим топологию отверстий на диске синхронизации (рис. 30.4).
Рис. 30.4. Топология диска синхронизации тепловизора «Радуга-2»
На диске нанесены четыре семейства отверстий, находящихся на окружностях разного диаметра. На первой и второй от края окружностях нанесены по одному отверстию для ввода первого и второго опорных источников в рабочий канал тепловизора. На следующей окружности имеется внизу одно отверстие для синхронизации начала и конца кадра. На внутренней окружности нанесены 12 отверстий через 30°. Эти отверстия синхронизируют каждый из 12 подкадров при вращении барабана Вейлера.
Технические характеристики и параметры тепловизора «Радуга-2» следующие:
| пороговая чувствительность к перепаду температур на уровне 30°С |
– ΔТпор = 0,2°С; |
| поле обзора |
– 20° × 17°30'; |
| скорость сканирования |
– 25 кадр/с; |
| число строк в кадре |
– 132; |
| число элементов в строке |
– 140; |
| диапазон исследуемых температур |
– 0 – 200°С; |
| диапазон измеряемых температур |
– 0 – 80°С; |
| диапазон расстояний до объекта |
– 0,4 м . . . ∞; |
| объем цифровой памяти |
– 384 к. бит; |
| количество серых или цветных градаций |
– 10; |
| вид обработки видеосигнала |
– интерактивный. |
30.4. Тепловизионный модульный комплекс «Радуга-ЭВМ»
Тепловизионный комплекс изготовлен на базе схемы тепловизора «Радуга-2» и предназначен для автоматизированной обработки тепловых изображений применительно к задачам неразрушающего контроля с целью выявления дефектов в контролируемых изделиях и медицины для диагностики различных заболеваний при массовых обследованиях населения. Комплекс позволяет устранить искажение видеотракта и производить абсолютные измерения радиационных температур, входит в модульный ряд тепловизоров «Радуга» и работает в комплекте с ЭВМ.
Технические характеристики и параметры тепловизионного комплекса следующие:
| пороговая чувствительность к перепаду температур |
– ΔТпор = 0,2°С; |
| угловые размеры поля обзора, угл. градуса |
– 20° × 17°5'; |
| частота сканирования, Гц |
– 25; |
| диапазон исследуемых температур |
– 0 – 200°С; |
| относительная погрешность измерения радиационных температур |
– 1,5%; |
| время ввода термограммы в ЭВМ, сек |
– 1,76; |
| напряжение питающей сети |
– 220В/50 Гц. |
Визуализация изображения осуществляется на экране цветного или черно-белого телевизора. Приемник излучения – одиннадцатиэлементный охлаждаемый жидким азотом фотодиод на основе InSb.
| Напряжение питающей сети |
– 220 В/50 Гц. |
| Потребляемая мощность |
– 520 Вт. |
| Масса прибора |
– 230 кг. |
| Год разработки |
– 1983. |
30.5. Оптическая схема тепловизора ТВ-03 (БТВ-1)
Оптическая схема тепловизора ТВ-03 приведена на рис. 30.5 [23].
Рис. 30.5. Оптическая схема тепловизора ТВ-03:
1 – насадочная сменная линза; 2 – зеркало сферическое;
3 – плоское зеркало;4 – восьмигранная призма; 5 – линзовый коллектив;
6 – зеркало; 7 – приемник излучения; 8, 9 – механизмы кадрового и строчного сканирования
Технические параметры тепловизора ТВ-03 следующие:
| угол поля зрения |
– ωзр = 4,5° × 4,5°; |
| частота кадров |
– fк = 16 Гц; |
| число строк |
– Nc = 100; |
| число элементов сторок |
– Nэc = 100; |
| температурная чувствительность на уровне Т = 20°С |
– ΔTпор = 0,2°С. |
30.6. Оптическая схема медленнодействующего тепловизора «Оптитерм» (США)
Данная схема тепловизора разработана фирмой Barnes Eng. Co (США), рис. 30.6
[23].
Рис. 30.6. Оптическая схема тепловизора «Оптитерм»
Оптическая схема следующая:
1 – плоское сканирующее зеркало;
2, 3 – параболическое и гиперболическое зеркала;
4 – приемник излучения;
5 – предусилитель;
6 – плоское зеркало;
7 – источник света;
8 – фотопленка;
9 – двигатель;
10 – модулятор.
В качестве приемника излучения используется неохлаждаемый полупроводниковый болометр.
Технические параметры тепловизора следующие:
| угол поля обзора |
– ωзр = 20° × 10°; |
| период кадров |
– Tk – 17 мин – в первых образцах;
Tk = 2 мин – в последних моделях; |
| диапазон фокусировки |
– l – 2, 4м …∞; |
| температурная чувствительность |
– ΔTпор = 0,04°С. |
| число градаций изображений N |
– восемь черно-белых градаций. |
Для индикации изображения используется зеркало 6, укрепленное на обратной стороне сканирующего зеркала 1. Световое пятно от зеркала 6 сканирует по поляроидной или обычной фотопленке. Таким образом, обеспечивается синхронизация визуализированного изображения. Для регистрации плотности изображения введен генератор серого тона, который обеспечивает воспроизведение восьми тонов от белого до черного.
30.7. Функциональная схема тепловизора «Рубин»
Схема тепловизора «Рубин» приведена на рис. 30.7 [23].
Рис. 30.7. Функциональная схема тепловизора «Рубин»:
1 – сканирующее зеркало; 2 – зеркальный объектив; 3 – модулятор;
4 – приемник излучения; 5 – предусилитель; 6 – усилитель;
7 – синхронный детектор; 8 – усилитель мощности; 9 – механизм записи;
10 – световой датчик; 11 – фотодиод; 12 – усилитель опорного сигнала;
13 – блок управления сканированием; 14 – механизм сканирования;
15 – визир; 16 – блок управления температурой; 17 – эталонный излучатель
Объектив состоит из эллиптического и сферического зеркал. В оптическую схему встроен модулятор 3, который перекрывает поток излучения, и в эти моменты на приемник попадает излучение от эталонного излучателя 17 (fm= 1360 Гц). Модулятор 3 используется для получения опорного сигнала предварительного усилителя 5. На выходе приемника излучения 4 возникает напряжение, пропорциональное разности потоков от объекта и эталонного излучателя. На вход предусилителя 5 поступает 2 сигнала: 1 – от приемника, 2 – компенсирующий, от усилителя опорного сигнала 12. Регулируя опорный сигнал, добиваются, чтобы результирующий сигнал был равен нулю. После предварительного усиления сигнал проходит обработку в блоке управления (6-8) и поступает в блок регистрации 9, где записывается на электрохимическую бумагу типа ЭХБ-4 или ЭХБ-6. Разрешающая способность записи – 3-4 эл/мм при размере изображения 90 × 45 мм и 150 строк в кадре.
Технические параметры и характеристики:
| поле зрения |
– 10° × 20°; |
| частота кадров |
– fк – 0,016 Гц; |
| период кадров |
– Tk – 1 мин; |
| число строк |
– Nc – 200; |
| число элементов в стоке |
– Nэс – 200; |
| эквивалентное фокусное расстояние |
– Fэкв. – 115 мм; |
| диаметр входного зрачка |
– Dвх – 100 мм; |
| температурная чувствительность |
– ΔTпор – 0,1°С. |
Тепловизор предназначен для регистрации стационарных и медленно меняющихся тепловых полей различных медицинских и промышленных объектов.
