Неохлаждаемая тепловизионная камера для оптической газовой визуализации: влияние теплых фильтров и повышенной фоновой температуры

АННОТАЦИЯ: Целью данной статьи было исследование влияния теплых фильтров и повышенной фоновой температуры на работу неохлаждаемой широкополосной камеры, используемой для оптической газовой визуализации (ОГВ). Параметр разницы температур, эквивалентной шуму (РТЭШ) был измерен для широкополосной камеры ОГВ Vox (оксид ванадия), разработанной для проведения экспериментов с интерференционным фильтром и без него. Результаты показали, что теплые фильтры существенно влияют на производительность камеры ОГВ. Основываясь на стандартных процедурах измерения РТЭШ, для количественной оценки как шума камеры, так и шума сцены предлагается использовать параметр разницы температур, эквивалентной шуму сцены камеры (РТЭШСК). Измерения РТЭШСК используются для оценки влияния повышенной фоновой температуры на работу камеры ОГВ. 

ВВЕДЕНИЕ

Оптическая газовая визуализация является хорошо зарекомендовавшим себя методом в промышленности. Системы оптической газовой визуализации можно разделить на две группы: пассивные, основанные на фоновом излучении, и активные, использующие дополнительный источник инфракрасного света. Пассивные системы ОГВ представляют собой термографические камеры, оснащенные фильтром или фильтрующим модулем с полосой пропускания, адаптированной к спектру поглощения обнаруживаемого вещества. Простейшее техническое решение состоит из интерференционного фильтра, установленного на линзе, или интерференционных сменных светофильтров. Такие фильтры, называемые теплыми фильтрами, можно легко убрать с оптического пути камеры, но они сами по себе являются источником шумового излучения, снижающего чувствительность изображения системы. Альтернативой является интеграция одного холодного фильтра в дьюар матрицы фокальной плоскости (МФП) на этапе производства. Затем фильтр охлаждается до той же температуры, что и МФП, тем самым уменьшая его излучение, но за счет наличия стационарного решения, фильтр предназначен только для одного газа или группы газов с аналогичными спектральными характеристиками. Вместо интерференционных фильтров можно использовать фильтры Фабри-Перо или линзу, действующую как перестраиваемый интерферометр Фабри-Перо, или круговой переменный фильтр. Последними высокотехнологичными решениями являются гиперспектральные системы.

Учитывая растущий интерес к неохлаждаемым камерам ОГВ с теплыми фильтрами, появление новых применений ОГВ для работы с высокой фоновой температурой и широкое использование параметра РТЭШ при оценке производительности камер ОГВ, была разработана широкополосная неохлаждаемая камера ОГВ и использована для тестирования: а) влияния теплых интерференционных фильтров на значение параметра РТЭШ камеры; б) влияния повышенной фоновой температуры на комбинированный уровень шума камеры и сцены.

ОСНОВЫ ОПТИЧЕСКОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ГАЗА

Принцип устройства оптической газовой визуализации показан на рисунке 1. Пиксели тепловизионной камеры принимают излучение I_B, идущее непосредственно от фона сцены, имеющего эквивалентную фоновую температуру T₀ или в областях, затененных газовым облаком (температура газа T_gas), сумму излучений, испускаемых газовым облаком (излучение I_E), и фонового излучения, прошедшего через облако и ослабленного в нем (излучение I_T). Для упрощения предполагается однородный радиационный фон.

Рисунок 1. Принцип устройства оптической газовой визуализации

Для того чтобы было возможно отличить газовое облако от остального изображения сцены, необходимо выполнение формулы (1):

(1)

где РТЭШ — разность температур, эквивалентная шуму, параметр, характеризующий шум тепловизионной камеры; I_B, I_E, I_T — интенсивность фонового излучения, интенсивность излучения газового облака и интенсивность излучения, прошедшего через газовое облако соответственно; T(I_X) — температура, эквивалентная интенсивности излучения I_X, согласно калибровочной кривой.

В целом способность термографических систем ОГВ обнаруживать газы будет зависеть от нескольких факторов: теплового контраста, т. е. разницы температур между областью газового облака и фона, выбора характеристик полосового фильтра, которые должны соответствовать спектру поглощения инфракрасного излучения, обнаруживаемого газа и, конечно же, чувствительность камеры. Это также будет зависеть от свойств и концентрации газа, то есть от того, насколько сильно он ослабляет инфракрасное излучение в полосе пропускания фильтра.

МОДЕЛЬ КАМЕРЫ

Для обнаружения утечек газа была разработана тепловизионная камера, работающая в ИКСВД и ИКДВД.

А. Конфигурация камеры

Система состоит из трех сложенных модулей: платы матрицы фокальной плоскости, содержащей сердце камеры, неохлаждаемого микроболометра ГП МФП с разрешением 640×480 пикселей, работающего в ИКСВД и ИКДВД, основного модуля управления и модуля связи. Все эти элементы заключены в корпус из анодированного алюминия. В передней части корпуса со стороны МФП добавлен резьбовой хомут, выполняющий двойную функцию интерфейса крепления объектива и крепления держателя фильтра (рис. 2). Держатель фильтра представляет собой диск с внешней резьбой и центральной полостью, предназначенной для установки интерференционных фильтров диаметром 25,4 мм.

Рисунок 2. Сконструированная тепловизионная камера: а) с выставленным ФПУ, б) с установленным фильтром

Чтобы максимально использовать рабочий диапазон ГП МФП, в камеру установлен серийный объектив Ophir 68119, обеспечивающий полосу пропускания 3-14 мкм и диафрагму f/1 (рис.3).

Рисунок 3. Сконструированная камера с установленным объективом Ophir 68119, 35 мм, f/1

РАЗНИЦА ТЕМПЕРАТУР ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ШУМУ КАМЕРЫ

Б. Разница температур, эквивалентная шуму камеры

Для оценки работы камеры и влияния дополнительных фильтров на газовую визуализацию в качестве показателя добротности выбран параметр РТЭШ, часто называемый температурным разрешением или тепловой чувствительностью, и представляет собой параметр, количественно определяющий временной шум тепловизионной системы. Он определяется как минимальный входной сигнал детектора (разница температур между фоном и целевым объектом), при котором в выходном сигнале изображения может быть получено отношение сигнал/шум (С/Ш), равное единице. 

Для целей представленного исследования выбрано решение, использующее группу пикселей в центре изображения с произвольно выбранным окном размером 70×70 пикселей. Для каждого пикселя в окне применяется некая процедура с использованием поверхности абсолютно черного тела, установленной на температуру T_bb = 300 K, и записью продолжительностью 200 кадров. Для каждого пикселя в пределах окна, идентифицируемого координатами (x, y), вычисляется стандартное отклонение измеренной температуры σ_{(x, y)}, количественно определяющее временной шум каждого пикселя (x, y). Предполагая нормальное (гауссовское) распределение всех значений σ_{(x, y)} в пределах произвольного окна, пространственно-временное значение РТЭШ можно рассчитать с помощью уравнения (2):

(2)

где μ_window и σ_window — среднее значение и стандартное отклонение нормального распределения значений σ_{(x, y)} в пределах произвольного окна; РТЭШ — разность температур, эквивалентная шуму.

Если применить данную процедуру к спроектированной камере, получим значение 24 мК.

В. Влияние интерференционных фильтров на РТЭШ камеры

Параметр РТЭШ, независимо от используемой методики его измерения, обусловлен несколькими факторами, такими как температура МФП, температура фона, время интегрирования и F-число объектива. Таким образом, изменение оптической системы камеры путем добавления интерференционного фильтра должно повлиять на этот параметр, позволяя использовать значения РТЭШ для сравнения производительности камеры, сконфигурированной с разными фильтрами при разной фоновой температуре.

Добавление теплого фильтра имеет два основных эффекта. Во-первых, на основании расчетов яркости полосы абсолютно черного тела, значительно снижается излучение сцены, достигающее МФП камеры, изменяя отношение сигнал/шум системы и увеличивая значение РТЭШ. Во-вторых, повышается уровень шума системы, прибавляя к оптическому пути собственное излучение фильтра. Следует отметить, что с фильтром 3,2-3,4 мкм невозможно получить какие-либо результаты. Узкая полоса пропускания фильтра и связанная с этим низкая яркость в полосе черного тела при температуре T_bb = 300 K создает ситуацию, когда шум камеры преобладает над излучением черного тела. Учитывая формулу (1), данная конкретная конфигурация «камера/фильтр/температура фона» не может быть использована для ОГВ и представлена в этой работе ​​только с целью тестирования.

Г. Высокотемпературные фоновые эффекты

Стандарт АОИМ E1543-14 требует, чтобы измерения РТЭШ выполнялись при температуре абсолютно черного тела на 7 или 8 °C выше температуры окружающей среды. Рекомендуемая температура окружающей среды 22°C. Данное требование обусловлено необходимостью предотвратить влияния турбулентных конвективных движений воздуха на измерения. Обычно такие условия не выполняются в сценариях ОГВ – например, в сталелитейной промышленности, где температура двери печи коксовой батареи может превышать 200 °С, или в ситуациях, когда фоном могут служить элементы конструкции, нагретые солнечным светом. Поэтому, если РТЭШ используется для оценки камеры ОГВ, следует учитывать, повлияет ли повышенная фоновая температура на производительность системы.

Измерения выполнены для температуры черного тела T_bb = 330, 370, 420 и 470 K. Результаты представлены на рисунке 4 и в таблице 1. Для камеры без фильтра получено значение 24 мК при T_bb = 330 K. Для этой конфигурации дальнейшие измерения невозможны, так как при выбранных настройках усиления МФП камеры рост интенсивности излучения с повышением температуры приводит к запредельному увеличению сигнала доступного диапазона. Повышение температуры T_bb имеет два основных эффекта. Во-первых, это приводит к увеличению отношения сигнал/шум системы из-за значительного увеличения излучения сцены, что в свою очередь приводит к более низкому значению РТЭШСК. Второй эффект, который хорошо виден на термограммах, — это появление конвективных движений воздуха, усиливающихся с повышением температуры T_bb. Чем выше температура черного тела T_bb, тем сильнее проявляется этот эффект, что приводит к более высоким значениям РТЭШСК. Эти два противоположных явления отражены в кривых РТЭШСК, представленных на рисунке 4, для выбранных фильтров.

Рисунок 4. Значения РТЭШСК камеры в зависимости от температуры черного тела для различных полосовых фильтров (3,2-3,4 мкм, 7,5-8,0 мкм и 3-5 мкм)

где «Х» – за пределами диапазона измерений прибора

Д. Калибровочная кривая камеры

При создании камеры ОГВ следует учитывать спектральные характеристики нескольких элементов и их влияние на работу камеры: МФП, объектив, фильтр, обнаруживаемый газ и, наконец, (часто забываемый фактор) атмосфера. Если не применяются такие решения, как использование золото-черных поглощающих покрытий, спектральная чувствительность МФП типичного микроболометра зависит от длины волны из-за его конструкции, в которой часто используются четвертьволновые резонаторы Фабри-Перо для повышения производительности на необходимых длинах волн. Таким образом, чувствительность камеры обычно отличается для разных интересующих диапазонов. Оптическая конструкция, включающая фильтр, не только ограничивает полосу спектральной чувствительности, но и уменьшает количество энергии сцены, попадающей на МФП. Поэтому, чтобы оценить производительность камеры, используемой в нашем исследовании, в выбранных отфильтрованных полосах, измеряется калибровочная кривая. Результаты для системы с фильтрами 3,2–3,4 мкм и 7,5–8,0 мкм и без каких-либо фильтров представлены на рис. 5.

Рисунок 5. Калибровочные кривые камеры

Калибровочная кривая связывает выходной сигнал камеры (в цифровых единицах МЕ) с заданной температурой сцены. Калибровочные кривые обычно используются для перевода значений цифровых единиц измерения в значения °C или °F. Здесь они будут использоваться противоположным образом. Результаты расчетов, основанные на измеренных градуированных кривых системы с фильтрами 3,2-3,4 мкм и 7,5-8,0 мкм, представлены на рисунке 6. Для сравнения также представлены соотношения обеих кривых.

Рисунок 6. Чувствительность камеры ОГВ для конфигураций с фильтрами 3,2-3,4 и 7,5-8,0 мкм при разной фоновой температуре T_bb

Наглядно видно, что система с фильтром 7,5-8,0 мкм обеспечивает более значительные изменения выходного сигнала камеры в ответ на изменение температуры сцены, вызванное присутствием газа, чем конфигурация камеры с фильтром 3,2–3,4 мкм. Чтобы конфигурация с фильтром 3,2–3,4 мкм соответствовала своим характеристикам, исходя из экстраполяции, фоновая температура должна достигать примерно 320°C. Это можно объяснить, сославшись на закон смещения Вина, который гласит, что по мере увеличения температуры черного тела пик кривой излучения смещается в коротковолновую область. В расчетах, представленных выше, не учитывается спектр поглощения газа, который в каждой полосе разный и в данной статье рассматриваться не будет.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании результатов и расчетов яркости полосы черного тела было показано, что добавление теплого интерференционного фильтра имеет два основных эффекта. Во-первых, он значительно снижает излучение сцены, попадающее на МФП камеры, изменяя отношение сигнал/шум системы и тем самым увеличивает значение РТЭШ. Во-вторых, это приводит к увеличению уровень шума системы, добавляя собственное излучение фильтра к оптическому пути. Этот эффект следует учитывать при моделировании или оценке характеристик камеры ОГВ, содержащей теплый фильтр, согласно формуле (1).

На основании определения РТЭШ камеры предлагается параметр, определяемый как разница температур, эквивалентная шуму сцены камеры (РТЭШСК), который позволяет количественно оценить комбинированное влияние шума камеры и колебаний температуры сцены на производительность камеры ОГВ. В то время как в этой статье РТЭШСК используется для описания эффектов повышенной фоновой температуры, в более общем смысле его можно использовать для охвата любых эффектов, связанных со сценой, например эффектов ветра.

© Spectrogon

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по поставке лабораторного и научного оборудования производства Spectrogon на территории РФ