Wstęp do termowizji

Termowizja pozwala na rejestrację promieniowania cieplnego emitowanego przez ciała fizyczne, bez konieczności oświetlania ich zewnętrznym źródłem światła, a nawet na dokładny pomiar temperatury tych obiektów.

Wymiana ciepła między obiektami odbywa się zazwyczaj przez:

- przewodzenie,

- konwekcję,

- promieniowanie.

Najbardziej złożonym sposobem wymiany ciepła jest promieniowanie cieplne polegające na przenoszeniu energii za pomocą fali elektromagnetycznej. Termowizja polega na pomiarze fal elektromagnetycznych emitowanych przez badane obiekty. Aby dane ciało posiadało możliwość emitowania promieniowania cieplnego (podczerwonego) musi posiadać temperaturę własną wyższą od temperatury zera bezwzględnego (-273 °C).

Elementy budowy kamery termowizyjnej

Głównymi elementami składowymi kamery jest detektor podczerwieni, obiektyw (układ optyczny), procesor do obróbki obrazu. W pierwszej kolejności omówimy sobie detektor.

Detektor podczerwieni

Najważniejszym elementem kamery termowizyjnej jest detektor promieniowania podczerwonego który dokonuje konwersji promieniowania na sygnał elektryczny. Tradycyjna kamera posiada przetwornik CMOS lub CCD który wykrywa fotony promieniowania widzialnego lub bliskiej podczerwieni pochodzącej z oświetlaczy IR. Natomiast kamera termowizyjna wyposażona jest w detektor dalekiej podczerwieni. Detektory możemy podzielić na chłodzone i niechłodzone.

Do 1997r. produkowane były wyłącznie jako chłodzone od -70stC do -200stC z wykorzystaniem chłodzenia ciekłym azotem,  układów Peltiera oraz  pompy Stirlinga.

Detektory niechłodzone mogą pracować w temperaturze pokojowej, wystarczy tylko zastosować precyzyjny układ stabilizujący temperaturę detektora. Mogą być wykonane w technologii jako: półprzewodnikowe, piroelektryczne, bolometryczne.

Sygnał wyjściowy detektora jest efektem (odwzorowaniem) zmiany właściwości materiału zależnej od temperatury. W przypadku detektorów piroelektrycznych jest to zmiana wewnętrznej polaryzacji elektrycznej, a w detektorach bolometrycznych jest to zmiana rezystancji w funkcji temperatury. Współczesne detektory bolometryczne składają się z warstwy absorbującej padający na detektor strumień promieniowania podczerwonego, termometru i izolacji termicznej.

Większość kamer termowizyjnych dostępnych na rynku wyposażona jest w niechłodzoną matrycę bolometryczną.

Rozmiar pojedynczego piksela w detektorze w zależności od producenta przedstawia tabela:

Zakres widmowy detektora

Przyjmując jako kryterium podziału zakres długości fali promieniowania, na które detektor jest wrażliwy, rozróżniamy zasadniczo dwa rodzaje:

- krótkofalowe (ang. Short Wave), działające w zakresie 2-5 μm;

- długofalowe (ang. Long Wave), działające w zakresie 8-14 μm.

Kamery z chłodzonym przetwornikiem obejmują najczęściej oba zakresy.

Kamery z przetwornikiem bolometrycznym obejmują z reguły zakres długofalowy 8-14 μm. Krótkofalowy 2-5 μm stosowany jest w mniej profesjonalnych rozwiązaniach, ponieważ pasmo to jest bardziej narażone na zakłócenia.

Obiektyw kamery termowizyjnej

Układ optyczny podobny jest do zwykłej kamery światła widzialnego, różni się przede wszystkim rodzajem szkła, z którego została wykonana soczewka. Zadaniem obiektywu jest skupienie na matrycy wiązki promieniowania docierającego do układu optycznego, a w kamerach termowizyjnych powinien on absorbować jedynie strumień promieniowania podczerwonego, nie przepuszczając do dalszej części układu promieniowania z zakresu światła widzialnego.

Tradycyjne szkło, którego głównym składnikiem jest kwarc, odbija promieniowanie podczerwone, dlatego obiektywy współczesnych kamer termowizyjnych wykonywane są z:

- Germanu (polikryształ lub monokryształ o niskiej rezystywności (typ n),

- Krzemu (polikryształ lub monokryształ o niskiej rezystywności (typ n lub p)),

- Selenku cynku,

- Siarczku cynku (prasowany na gorąco ZnS, Irtran 2),

- Szkła chalogenidkowego,

- Szafiru (Al₂O₃ – monokryształ),

Do najważniejszych parametrów obiektywu należy zaliczyć:

‒ pole widzenia, kąt widzenia  (FOV - Field Of View),

‒ ogniskową f,

‒ rozdzielczość przestrzenną, kątową (IFOV - Instantaneous Field Of View).

Rozdzielczość detektora (matrycy, przetwornika) stosowanego w kamerach termowizyjnych

Najczęściej spotykane w kamerach rozmiary detektorów matrycowych to: 60x60, 80x80, 120x120, 160x120, 240x180, 320x240, 640x480, 640x512, 1280x1024. Niestety, wraz ze wzrostem rozmiaru gwałtownie rośnie jego cena, a zarazem koszt kamery.

Rozdzielczość temperaturowa, Czułość matrycy

NETD (ang. Noise equivalent temperature difference) to temperaturowy równoważnik szumu w telewizji tradycyjnej, miara poziomu zakłóceń obrazu w kamerze termowizyjnej.

Wartość NETD wskazuje jaka ilość promieniowania jest potrzebna aby stosunek sygnału do szumu był równy 1. Jest to kluczowa liczba określająca najmniejszą możliwą różnicę temperatur, która może być wyświetlona przez kamerę. Wartość parametru wyraża się w mK.

Dla detektorów chłodzonych wartość NETD wynosi od 10 do 20mK. W przypadku niechłodzonych sięga od 40 do 100mK. Im wartość NETD jest niższa, tym przetwornik obrazu ma większą czułość termiczną (lepszą rozdzielczość pomiarową).

Przy porównywaniu kamer termowizyjnych należy zwrócić uwagę dla jakich wartości temperatury został wyznaczony parametr NETD oraz dla jakiej jasności obiektywu (podobnie jak w przypadku kamer światła widzialnego).

Przykład : <35mk (@25°C, F-1,0)

Czym wyższa temperatura podawana (w nawiasie) przy parametrze NETD tym lepiej.

Rozdzielczość przestrzenna IFOV (MRAD)

Rozdzielczość przestrzenna decyduje o tym, jaki najmniejszy obiekt może być poprawnie badany przy pomocy kamery termowizyjnej. Jest to rozmiar obszaru badanego obiektu, który jest widziany przez pojedynczy piksel matrycy przetwornika. Wielkość ta zależy od rozdzielczości kamery oraz jej pola widzenia. Konkretną wartość uzyskamy z poniższego wzoru:

Przykład obliczeniowy:

Kąt widzenia kamery: 10° x 8°  (wg karty katalogowej)

Rozdzielczość kamery: 384 x 288

MRAD=((10/384)*(2π/360))*1000=0,45mrad

Praktyczna interpretacja tej wielkości jest następująca:

Z odległości jednego metra pojedynczy piksel detektora „widzi” kwadrat o boku 0,45 mm. Oznacza to, że z tej odległości kamera nie jest w stanie rozróżnić mniejszych obiektów. Przy odległości 10m minimalny rozmiar obiektu to 4,5 mm. Przy odległości 100m minimalny rozmiar obiektu to 45 mm (4,5cm). Rozdzielczość przestrzenna (w mili radianach) razy odległość od obiektu (w metrach) daje nam minimalny rozmiar badanego obiektu (w milimetrach).

Rozdzielczość przestrzenna [mrad] * odległość od badanego obiektu [m] = minimalny rozmiar obiektu [mm]

Aby pomiar temperatury takiego obiektu był poprawny musi on wypełnić cały jeden piksel przetwornika. W realnych obserwacjach taki pomiar jest mało prawdopodobny. W przypadku algorytmów inteligentnej detekcji ruchu powinniśmy spełnić dodatkowy warunek. Aby mieć pewność pomiaru temperatury danego obiektu, obiekt mierzony musi być 3 krotnie większy od obszaru rejestrowanego przez jeden piksel kamery.

Choć na termogramie jesteśmy w stanie rozróżnić obiekty o rozmiarze odpowiadającym rozdzielczości przestrzennej kamery, to pewność co do poprawności pomiaru temperatury uzyskuje się dopiero w przypadku obiektów przynajmniej trzykrotnie większych od pojedynczego piksela. W tym celu wyznacza się rozmiar minimalnego pola pomiarowego MFOV.

Na zmianę „rozdzielczości przestrzennej” MRAD oraz minimalnego pola pomiarowego MFOV mają wpływ:

- rozdzielczość kamery,

- ogniskowa obiektywu,

- odległość instalacji kamery od obiektu.

Producenci kamer termowizyjnych w swoich kartach katalogowych podają najczęściej zasięgi dla wykrycia, rozpoznania i identyfikacji obiektów typu: człowiek, pojazd. Przy wyznaczaniu korzystają najczęściej z kryterium Johnsona z 1958r. opracowanego do celów wojskowych. Podaje ona zależność między rozdzielczością przestrzenną a zasięgiem detekcji. Pozwala wyznaczyć zasięg wykrycia obiektu z prawdopodobieństwem 50%. Aktualnie produkowane kamery zbudowane są z cyfrowych modułów obróbki sygnału i parametry wyznaczane na podstawie kryterium Johnsona nie są miarodajne i wiarygodne. Dodatkowo kryterium opiera się na prawdopodobieństwie 50% detekcji/rozpoznania obiektu co w bezobsługowych systemach telewizji może być nieakceptowalne.

Zakres pomiaru temperatury i ogniskowa w kamerach

Większość kamer dysponuje zakresem pomiaru temperatury: od -20° do 150° C.

W tabeli przedstawione są dostępne zakresy dla 3 producentów:

Kontrast temperaturowy kamery termowizyjnej

W celu uzyskania większego kontrastu temperaturowego stosuje się w kamerach funkcję DDE (ang. Digital Detail Enhancement). Funkcja automatycznie optymalizuje kontrast obrazu w scenach o wysokiej dynamice. Zostają uwypuklone małe różnice w rozkładzie temperatury badanego obiektu.

Współczynnik emisyjności promieniowania podczerwonego

Jest to jeden z ważniejszych parametrów podawanych przy konfiguracji kamery termowizyjnej. Wyjaśnimy sobie ważność tego parametru.

Emisja to zdolność (skuteczność) materiału do emitowania (oddawania) promieniowania podczerwonego. Współczynnik emisyjności może przyjmować wartości z zakresu od 0 do 1 (inaczej od 0 do 100%).

Wartość emisyjności zależy od:

- rodzaju materiału, z którego wykonana jest powierzchnia badanego obiektu,

- struktury powierzchni (chropowatość, warstwy tlenków, zanieczyszczenia),

- kąta obserwacji,

- temperatury obiektu,

- długości fali,

Po prawo przedstawiam zależność współczynnika emisyjności od temperatury obiektu badanego

Idealne ciało czarne

Idealnym ciałem czarnym nazywamy obiekt, który pochłania całe padające na niego promieniowanie, niezależnie od długości fali.  W stanie równowagi termicznej ilość energii pochłoniętej musi być równa ilości energii przez niego emitowanej. Oczywiście taki obiekt istnieje tylko teoretycznie i aby dostosować zależność do obiektów rzeczywistych wprowadza się współczynnik korekcyjny zwany emisyjnością. Obiekt rzeczywisty wypromieniowuje mniej energii w stosunku do ciała doskonale czarnego. Właściwość tą opisuje współczynnik emisyjności:

Suma trzech w/w współczynników musi być równa 1 (inaczej 100%). Czyli ciało idealnie czarne pochłania w 100% energię promieniowania, więc ma współczynnik emisyjności równy 1. W przypadku obiektów rzeczywistych proporcję między 3 zjawiskami są różne. Zakres współczynnika emisyjności jest z przedziału od 0 do 1 (inaczej od 0% do 100% dla obiektu teoretycznego).

Możemy się spotkać również z bardziej dokładną definicją:

„Emisyjność jest to proporcja/stosunek pomiędzy promieniowaniem emitowanym przez badany obiekt i promieniowaniem emitowanym w tych samych warunkach przez ciało czarne.”

Przykładowe wartości emisyjności dla danych obiektów:

Współczynnik odbicia promieniowania

Współczynnikiem odbicia określamy zdolność do odbijania promieniowania podczerwonego – to kolejny parametr kamery. Poza promieniowaniem emitowanym przez obiekt, dociera do niej także odbite promieniowanie otoczenia. Wielkość tego promieniowania zależy od temperatury sąsiadujących obiektów oraz współczynnika odbicia badanego obiektu.

W przypadku powierzchni nieprzezroczystych współczynnik odbicia wynosi:

współczynnik odbicia = 1 – emisyjność

Poniżej przedstawię zależności między emisyjnością materiału a odbiciami promieniowania:

Obiekty o wysokiej emisyjności (powyżej 0,8):

- posiadają niski współczynnik odbicia (np. ciało człowieka, lód, cegła, materiały niemetaliczne),

- temperatury takich obiektów mogą być bardzo łatwo mierzone.

Obiekty o średniej emisyjności (od 0,6 do 0,8):

- posiadają średni współczynnik odbicia (np. miedź utleniona),

- temperatury takich obiektów mogą być łatwo mierzone.

Obiekty pomiarowe z niskiej emisyjności (poniżej 0,6):

- posiadają wysoki współczynnik odbicia (np. srebro lub aluminium polerowne),

-pomiary temperatury za pomocą kamer termowizyjnych są możliwe, jednakże mogą być obarczone dużymi błędami,

-prawidłowe ustawienie temperatury odbitej ma znaczący wpływ na końcową wartość zmierzonej temperatury,

- ważne staje się ustawienie współczynnika ρ odbicia promieniowania podczerwonego.

Promieniowanie odbite w przypadku obiektów o niskiej emisyjności ma bardzo istotny wpływ na wyniki pomiarów.

Wpływ kształtu obiektu i kąta pomiaru na odczyt temperatury

Okazuje się, że kąt pomiaru ma istotny wpływ na wyniki, w zależności od niego zmienia się także emisyjność obiektu.Na przykładowym zdjęciu z kamery termowizyjnej widać różnice temperatury spowodowane zmianą emisyjności. Brzegi kubka obserwowane są pod innym kątem niż środek i w rezultacie odczytywana jest inna temperatura.

Dokładność i błędy w pomiarach termowizyjnych

Im większa różnica między temperaturą mierzonego przedmiotu a temperaturą otoczenia oraz im niższa emisyjność, tym większe są błędy pomiaru. Duży wpływ na wynik pomiaru ma odbicie promieni słonecznych od obserwowanej powierzchni oraz czynniki zakłócające z otoczenia. Promieniowanie słoneczne istotnie oddziałuje na pomiar gdy badane ciało posiada małą emisyjność. Na otwartych przestrzeniach lepiej używać kamer pracujących w zakresie długofalowym, wtedy emisja słońca ma najmniejsze znaczenie.

Gdy prędkość wiatru przekracza 5m/s uzyskanie poprawnego wyniku pomiaru temperatury może być bardzo trudne, np. jeśli temperatura obiektu wynosi 40°C to przy prędkości wiatru 5m/s może spaść do 20°C, a przy 10m/s nawet do 15°C. Szybkość wiatru decyduje o stopniu schładzania obserwowanego obiektu.

Okazuje się, że kąt obserwacji ma także duży wpływ na wyniki pomiarów. W zależności od kąta pomiaru zmienia się współczynnik emisyjności.

Typowa dokładność obecnie produkowanych kamer termowizyjnych to +/-8°C, +/-2°C. Za pozorne różnice temperatur odpowiadają:

- zmiany w emisyjności,

- współczynnik odbicia,

- kształt,

- przepuszczalność promieniowania,

- ruch gazów cieczy,

- pojemność cieplna,

- ciepło indukowane.

W kolejnych artykułach dotyczących termowizji będą omówione takie zagadnienia jak: dobór kamery termowizyjnej, analityka w kamerach termowizyjnych.