logo logo

Смысл и определения метрологических характеристик технических средств

тепловизор

Физический смысл и способы определения некоторых метрологических характеристик технических средств инфракрасной техники

Тепловизоры можно разделить на две основные группы: тепловизоры, предназначенные для наблюдения и измерительные тепловизоры. Тепловизоры, предназначенные для наблюдения, в большинстве случаев используются в военном деле и службах безопасности для обеспечения наблюдения в темноте и сложных погодных условиях. Измерительные тепловизоры используются в гражданских целях, в промышленности и науке, в большинстве случаев — для бесконтактного измерения распределения температуры по поверхности испытуемых объектов.
В военном деле наиболее важной характеристикой визуального контроля является качество тепловой картины, в применении для гражданских целей наиболее важной характеристикой тепловизора является точность бесконтактного измерения температуры.
Нельзя объективно оценить тепловизор, наблюдая обычную, типичную тепловую картину. Качество изображения для некоторых людей может представляться плохим, а для других — хорошим. Для обеспечения гарантий качества тепловизора, необходимо применение надежного и передового оборудования для его оценки.
Несмотря на то, что тепловизор нельзя оценить надлежащим образом по типовому изображению, такую оценку можно выполнить, базируясь на изображении некоторых стандартных объектов-мишеней (мишени из 4-х полос, мишени в виде квадрата, круга, щелевые мишени).
Для объективной оценки качества тепловизоров и для того, чтобы удостовериться, что его качество соответствует предъявляемым требованиям, следует использовать профессиональные измерительные установки. В случае, если пользователь не располагает надлежащей измерительной установкой для испытания тепловизоров, он никогда не сможет доказать производителю, что качество некоторых тепловизоров не соответствует предъявляемым требованиям, также он никогда не сможет быть уверен в их реальном качестве.
С точки зрения пользователя, соответствующая проверка особенно важна в случае, когда тепловизоры закупаются в большом количестве. Имея надлежащие испытательные установки, можно основательно испытать все системы и исключить системы, которые не удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям. Опыт показывает, что тепловизоры даже одинаковых типов могут сильно отличаться по качеству. Таким образом, выполнив надлежащие испытания, можно выбрать из предложенных тепловизоров только лучшие и быть уверенным, что производитель поставил наилучшее из его изделий. Кроме того, качество тепловизоров, как и других систем со временем ухудшается. Имея соответствующие измерительные установки, можно отобрать тепловизоры, характеристики которых ухудшаются до истечения гарантийного срока и заменить их на новые. Следовательно, надлежащие испытания тепловизоров могут сберечь значительные средства.
Существует много способов оценки характеристик инфракрасной системы, как и любого высококачественного оборудования. Важно понимать, как измеряются эти характеристики и как они ограничивают возможности системы, которая используется. Если пределы возможностей системы известны, то в этих пределах можно спокойно работать, а при выходе из них, результаты могут быть ненадежными.

Используя измерительные установки, воспроизводящие для испытуемого тепловизора стандартные мишени, можно измерить следующие характеристики и параметры тепловизора:

  1. поле зрения (Field of View — FOV);
  2. мгновенное поле зрения (Instantaneous Field of View — IFOV);
  3. мгновенное поле зрения по измерению (Instantaneous Field of View- Measured — IFOVmeas);
  4. наименьшая различаемая разность температур (Minimum Resolvable Temperature Difference — MRTD);
  5. наименьшая обнаруживаемая разность температур (Minimum Detectable Temperature Difference — MDTD);
  6. модуляционная передаточная функция (Modulation Transfer Function — MTF)
  7. контрастная передаточная функция (Contrast Transfer Function — CTF):
  8. щелевая характеристика (Slit Response Function — SRF);
  9. сигнальная передаточная функция — чувствительность (Signal Transfer Function — SiTF);
  10. шумовой эквивалент разности температур (Noise Equivalent Temperature Difference — NETD.

Ниже даны определения, описан физический смысл наиболее важных характеристик ИК систем а также способы их определения.

Поле зрения (FOV). Термин "поле зрения" описывает всю область, которую "видит" тепловизионная камера при использовании конкретного объектива. Эта характеристика обычно задается как круговой или прямоугольный угол зрения, в зависимости от конструкции системы, в частности, от размера чувствительного элемента. Например, поле зрения при 50-миллиметровом объективе может составлять 18° для одной системы и 20° (по горизонтали) х15° (по вертикали) — для другой системы.

Мгновенное поле зрения (IFOV). Термин "мгновенное поле зрения" используется для описания мгновенного значения пространственной разрешающей способности инфракрасной системы получения изображений, т.е. наименьшего по размеру объекта, который система может "видеть" на заданном расстоянии. Мгновенное поле зрения определяется характеристиками применяемого объектива и линейными размерами чувствительной площадки приемника излучения. В соответствии с принятыми способами получения изображений, системы со сканированием и системы с FPA используют один или несколько чувствительных элементов для построения изображения в течение короткого периода времени (например, 1/30 с). Поэтому в любой момент времени IFOV меньше, чем FOV. Таким образом, мгновенное поле зрения определяется еще и как наименьший по размеру объект, который система может видеть или различать в любой заданный момент. Обычно оно задается в миллирадианах (мрад) для заданного сочетания прибора и объектива. Чем меньше мгновенное поле зрения тепловизора по сравнению с изображением контролируемого объекта в плоскости приемника излучения, тем больше будет получено информации о тепловой картине объекта. Иногда для характеристики разрешающей способности тепловизора применяют термин "угловое (или линейное) разрешение". Угловое разрешение — это наименьший угол между двумя точечными излучателями, расположенными на фоне с заданной температурой, которые воспроизводятся тепловизором раздельно.
Для инфракрасных пирометров, IFOV чаще называют размером пятна и обычно задают как отношение расстояния от объекта к его размеру. Прибор с характеристикой 60:1 способен видеть объект диаметром 1 метр на расстоянии 60 метров. На расстоянии 30 метров этот же прибор может измерять температуру объекта диаметром 0,5 метра.
Мгновенное поле зрения (IFOV) величиной в 1 градус представляет размер пятна 60:1, a IFOV величиной в 2 градуса соответствует размеру пятна 30:1.

Мгновенное поле зрения по измерению (IFOVmeas). Описывает разрешающую способность системы со сканированием или системы с FPA. Характеристика IFOVmeas определяет наименьший по размеру объект, температуру которого система может измерять в любой момент на заданном расстоянии.
Указанные выше характеристики систем получения тепловых изображений обычно выражаются в миллирадианах (мрад). При этом, окружность делится на 360 градусов. Один градус соответствует 17,5 мрад, или 0,0175 радиан. Один миллирадиан соответствует примерно 0,06 градуса.

Выражение углов в радианах упрощает определение действительных возможностей любой системы и объектива в наблюдении или измерении объекта заданного размера. Минимальный размер объекта как для обнаружения, так и для измерения, можно получить, используя формулы, приведенные ниже (рис. 1). Эти же соотношения можно использовать для вычисления ІБОУ и ІРОУтеав по правильно заданным другим характеристикам.

Наименьшая различаемая разность температур (МЯТО). Важным понятием, которое используется в качестве характеристики ИК системы, является тепловая чувствительность (порог температурной чувствительности) или наименьшая различаемая разность температур (МИТО), которую система может обнаружить.
FOV, м (размер пятна на объекте)
где:
FOV, м — размер поля зрения, м;
Фрад. – Угол зрения объектива в радианах (FOV в радианах); фрр угол зрения объектива в градусах;
D — дистанция (расстояние от объекта до объектива тепловизора), м;

Рис..1. Определение поля зрения инфракрасного прибора
Определение поля зрения инфракрасного прибора

Наглядное сравнение рассмотренных характеристик можно представить на примере вида из автомобиля, едущего по шоссе:
FOV — это вид за Вашим ветровым стеклом
ШОУ — это самый маленький дорожный знак, который Вы можете видеть на заданном расстоянии
П^ОУтеав — это самый маленький дорожный знак, который Вы можете прочесть на заданном расстоянии

МИЛЮ — это субъективный параметр, который определяет способность системы "тепловизор-оператор" к обнаружению низкоконтрастных температурных элементов испытуемого объекта. Он представляет собой зависимость минимальной разности температур между полосами стандартной 4-х полосной мишени (4 полосы с отношением длины к ширине 7:1) и фоном (абсолютно черным телом), от пространственной частоты (размеров) мишени (см. рис. 2а) при которой тепловое изображение полос еще различимо оператором на экране тепловизора (см. рис. 2б).

Тепловые изображения мишени
Рис.  2. Тепловые изображения одной и той же 4-х полосной мишени, полученные тепловизором при разных MRTD

Измерения выполняются при разных размерах 4-х полосной мишени (разных пространственных частотах). Пространственная частота характеризует  размер объекта или детали объекта — чем они меньше, тем больше их пространственная частота. Это испытание, разработанное Министерством обороны США и строго описанное в стандарте Американского общества по испытанию материалов ASTM Standard Е1213, является, по существу, измерением тепловой чувствительности.
Схема типовой измерительной установки для испытания тепловизионных систем приведена на рис.3.
измерительная установка для испытания тепловизионных систем
Рис. 3. Типовая измерительная установка для испытания тепловизионных систем

Установка содержит следующие основные части: абсолютно черное тело (АЧТ); комплект пластин с мишенями, смонтированными на вращающемся барабане, который закрыт кожухом; инфракрасный коллиматор и оптический стол. Комплект стандартных 4-х полосных мишеней разных размеров (с разными пространственными частотами) закреплен на вращающемся барабане, размещенном в фокусе коллиматора. Одна из мишеней находится в поле зрения коллиматора, а АЧТ — непосредственно за мишенью. Распределение яркости поверхности мишени и АЧТ отображается на мониторе тепловизионной системы, где оно наблюдается оператором. Разница температур между полосами мишени и АЧТ постепенно увеличивается до тех пор, пока оператор не начнет различать 4-х полосную мишень. Эта критическая температура и есть MRTD. Обычно измерение MRTD выполняется как при положительной, так и при отрицательной разности температур между АЧТ и мишенью. Время выполнения измерения не ограничивается, поэтому у оператора есть возможность выбрать оптимальное расстояние между ним и экраном монитора, величину электронного увеличения изображения тепловизора и т. д. Влияние фазовых эффектов на качество термоизображения мишени минимизируется путем точного поворота тепловизора в пределах угла, близкого к углу поля зрения тепловизора. Результаты измерений при выполнении их разными операторами могут различаться, поэтому измерения выполняются как минимум 3-мя хорошо обученными операторами с усреднением результатов.
Результаты измерений для одного из экземпляров длинноволнового тепловизора приведены на рис. 4.
Таким образом, результаты определения MRTD регистрируются в виде кривой зависимости разности температур от пространственной частоты. Обычно, чем больше частота (т.е. мельче тестовое изображение), тем больше требуется разность температур между мишенью и фоном для получения различимого на экране изображения.
MRTD рассматривается как наиболее важная характеристика тепловизора с точки зрения пользователя, который хочет иметь наилучшие диапазоны обнаружения, распознавания и идентификаций мишеней. Зная MRTD различных тепловизоров, можно вычислить диапазоны обнаружения, распознавания и идентификации мишеней  и сравнить их рабочие характеристики (при этом следует сравнивать тепловизоры с одинаковыми полями зрения). Поэтому, надлежащие рабочие характеристики тепловизора следует устанавливать строго в соответствии с максимальными значениями MRTD и в сочетании с пространственными частотами. Измеренные значения MRTD тепловизора, который претендует на прохождение испытания, должны быть ниже (лучше) установленных рабочих характеристик.
Пример типичных технических требований по MRTD для длинноволнового тепловизора и для двух разных полей зрения показан в таблице 1.
Результаты измерения MRTD длинноволнового тепловизора
Рис. 4. Результаты измерения MRTD длинноволнового тепловизора при трех разных полях зрения

Таблица 1. Типовые технические требования по MRTD для длинноволнового тепловизора

Пространственная частота, мрад"1

MRTD, °С для полей зрения

широкое (около 10°)

узкое (около 3°)

0,5

<0,10

-

1,0

<0,38

<0,10

1,5

<2,0

-

2,0

-

<0,18

3,0

-

<0,40

4,0

-

< 1,0

5,0

-

<6,0

До настоящего времени, процедура измерения MRTD является предметом дискуссий, однако используя описанную измерительную установку (при этом используются другие стандартные мишени), можно выполнить измерения других, менее важных, чем MRTD, но тоже полезных как для производителя, так и для пользователя, параметров тепловизора- это наименьшая обнаруживаемая разность температур (MDTD), модуляционная передаточная функция (MTF), сигнальная передаточная функция (SiTF), щелевая характеристика (SRF) и шумовой эквивалент разности температур (NETD).
MRTD дает ценную информацию о потенциальных возможностях тепловизора, однако оно представляет собой всего лишь число. Поэтому, даже опытному оператору, зная MRTD, трудно представить себе вид термоизображений реальных объектов. В связи с этим, компания INFRAMET недавно разработала компьютерную модель под названием VIRCAM, которая позволяет пользователю представить себе термоизображения различных мишеней при различных атмосферных условиях, которые может дать тепловизор при известном MRTD.
Для оценки технических характеристик тепловизора, вместо MRTD можно использовать и NETD, но его применение более рискованно. Например, тепловизор с очень хорошим NETD (например, 0,0025°С) при больших расстояниях до объекта может дать очень плохое изображение.

Наименьшая обнаруживаемая разность температур (MDTD). Представляет собой зависимость минимальной разности температур между стандартной круглой мишенью и фоном (абсолютно черным телом), требующуюся для того, чтобы обнаружить тепловое изображение мишени оператором на экране тепловизора, от величины, обратно пропорциональной угловым размерам мишени. Примечание: несмотря на то, что MRTD и MDTD отчасти представляют собой субъективные параметры, однако они являются очень полезными показателями, характеризующими потенциальные возможности тепловизора.
Модуляционная передаточная функция (MTF). Представляет собой отношение выходного сигнала модуляции на выходе тепловизора к сигналу на его входе при синусоидальной форме сигнала.
Контрастная передаточная функция (CTF). Представляет собой отношение сигнала модуляции на выходе тепловизора к сигналу на его входе при прямоугольной форме сигнала.
Щелевая характеристика (SRF). Представляет собой зависимость разности между максимальным сигналом щели и фона (абсолютно черного тела) на выходе тепловизора, от угловой ширины щели, приведенной к вышеупомянутой разности, которая имеет место в случае очень широкой щели.
Щелевая характеристика получается при экспериментальном определении характеристик IFOV и IFOVmeas: еще один способ, используемый для получения характеристик системы – это построение щелевой характеристики. В количественном виде она представляет собой пространственную разрешающую способность системы, или ее способность видеть и измерять детата. Испытание состоит в следующем (см. рис. 5). Перед мишенью, эквивалентной абсолютно черному телу с температурой, превышающей температуру окружающей среды, находится щель переменной ширины. Ширина W щели изменяется до тех пор, пока выходной сигнал системы при заданном расстоянии D не станет модулированным на 100%, т. е. пока при заданном расстоянии щель не будет надежно обнаруживаться. Такая щелевая характеристика называется 100-процентной; величина ее выражается в миллирадианах.
Обычно для точных температурных измерений достаточно обеспечивать 95-процентную щелевую характеристику, а для адекватного изображения деталей объекта достаточно даже 50-процентной характеристики. Кривую SRF можно построить в виде зависимости реакции системы от размера щели (см. рис.6).
SRF

Таким образом, если у Вас есть заданная пространственная характеристика какой-либо системы, в миллирадианах, ее можно использовать для определения прогноза о том, способна ли эта система увидеть или измерить температуру какой-либо объекта.

Примечание: МТЕ, СТБ и БКБ взаимосвязаны и когда одна из них известна, то можно теоретически вычислить две другие. Все они характеризуют качество изображения, которое способен вырабатывать тепловизор при большом входном сигнале и пренебрежимо малом уровне шумов.

Сигнальная передаточная функция – чувствительность (8ПТ). Представляет собой зависимость выходного сигнала тепловизора (яркости экрана или электронного сигнала) от температуры мишени.
Шумовой эквивалент разности температур (N£70). Представляет собой разность температуры между мишенью и фоном (абсолютно черным телом), необходимой для появления на выходе электрического канала тепловизора сигнала с отношением "сигнал/шум", равном единице.

Примечание: КтЕТО характеризует временной шум на выходе единичного пиксела на экране тепловизора.

Метки материала: ,

Похожие материалы:

bottom