Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ТЕРМОГРАФИРОВАНИЯ УДАЛЕННОГО ОБЪЕКТА

Изобретение относится к измерительной технике, в частности - к температурным измерениям, осуществляемым с помощью инфракрасных средств измерений, может быть использовано при тепловых испытаниях различных техногенных объектов и предназначено для дистанционных измерений действительных температурных полей удаленных или слабо нагретых объектов.

На современном уровне развития техники для дистанционного измерения температуры (термографирования) удаленных объектов применяются или известны следующие способы.

Известен способ, который включает формирование на одной длине волны инфракрасного (ИК) излучения двух изображений на каждом из двух матричных приемников изображения. Одно из двух изображений на каждом приемнике является изображением объекта исследования, а другое является изображением эталона температуры, формирование которого осуществляют при тех же условиях формирования изображения, что и для объекта исследования. Изображение на одном из двух приемников формируют с помощью устройства зеркальной развертки. На основе полученных данных формируют массив цифровых данных от всех изображений с учетом связи между яркостной температурой, воспроизводимой эталоном температуры, и соответствующим ей цифровым значением электрического сигнала с элементов обоих приемников изображения (патент РФ №2552599, МПК G01J 5/00; G01J 5/52, опубл. 10.06.2015, БИ №16). Заявленный технический результат - увеличение временного разрешения измерений.

В указанном способе для обеспечения заданной точности измерений температуры удаленного или слабо нагретого объекта требуется процедура калибровки устройства по эталону температуры, которая должна проводиться в условиях, идентичных условиям реальных измерений. К этим условиям относятся - расстояние от объекта до приемника и пропускание оптического тракта между ними. Без предварительной калибровки устройства при отсутствии априорных данных о расстоянии до объекта и значении пропускания оптического тракта невозможно установить точную связь между мощностью ИК излучения, падающего на приемник, и температурой объекта. В большинстве случаев выполнить дистанционную калибровку, т.е. предварительно разместить на месте исследуемого объекта эталон, нагретый до известной заданной температуры, невозможно. В отсутствие калибровки возможным представляется только измерение дистанции до объекта (например, лазерным дальномером), в то время как коэффициент пропускания ИК излучения данной трассы - не поддается оперативному контролю или измерению. Таким образом, задача обеспечения высокой точности термографирования удаленных или слабо нагретых объектов абсолютным методом (по величине мощности падающего на приемник потока излучения) не может быть решена с помощью данного способа. Это его недостаток.

Известен также способ, заключающийся в том, что формируют изображение объекта на приемной площадке матричного приемника, элементы которого способны регистрировать излучение, по крайней мере, в двух различных участках спектра ИК диапазона спектра, после чего определяют температуру поверхности объекта в результате анализа изображений, полученных в двух спектральных диапазонах (патент США, №6758595, МПК G01K 3/00, опубл. 06.07.2004). Недостаток способа заключается в недостаточной точности измерения температуры. Данный недостаток обусловлен неконтролируемым различием пропускания оптических фильтров, задающих тот или иной спектральный диапазон измерения. Кроме того, способ обеспечивает измерение яркостной, а не действительной температуры объекта. При отсутствии априорных данных о спектральном коэффициенте излучения объекта получение истинных значений действительной температуры объекта в данном способе становится невозможным.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ (прототип), заключающийся в том, что формируют изображение объекта на приемной площадке матричного электронного приемника изображения в инфракрасном диапазоне спектра, осуществляют дополнительную спектральную селекцию излучения, падающего на приемную площадку приемника изображения, в пределах интервала длин волн от 7 мкм до 14 мкм с помощью спектрально-селективного элемента, имеющего монотонную зависимость пропускания от длины волны, осуществляют дополнительную регистрацию электрических сигналов с элементов матричного электронного приемника изображения, производят аналого-цифровое преобразование данных сигналов и формируют дополнительный массив цифровых данных изображений объекта, а массив цифровых данных температуры объекта формируют путем определения значений отношения соответствующих элементов основного и дополнительного массивов цифровых данных изображения объекта (патент РФ №2324152, МПК G01J 5/00, опубл. 10.05.2008, БИ №13). Заявленный технический результат - повышение точности определения температуры слабо нагретых объектов.

В сравнении с другими способами, указанный способ позволяет более точно измерять температуру, тем не менее, ему характерна погрешность, которая связана с использованием градуировочной зависимости, построенной в предположении равенства спектральных энергетических яркостей объекта и идеального абсолютно черного тела. В действительности, это не так, - значения указанных спектральных энергетических яркостей отличаются на некоторую величину, которая определяется спектральным коэффициентом излучения объекта. Поэтому способ обеспечивает измерение температуры объекта, отличающейся от его действительной температуры на некоторую величину. Причем, данное отличие тем больше, чем сильнее коэффициент излучения объекта отличается от единицы. Поэтому данный способ преимущественно применим для объектов с высоким коэффициентом излучения, например, большим 0,9. В этом заключаются главные недостатки способа - недостаточная точность и ограничение по номенклатуре измеряемых объектов, накладываемое коэффициентом излучения объекта.

Цель изобретения - повышение точности измерений и расширение номенклатуры измеряемых объектов.

Указанная цель достигается за счет того, что в предлагаемом способе термографирования удаленного объекта в заданном спектральном диапазоне формируют изображение удаленного объекта на приемной площадке матричного приемника излучения, осуществляют регистрацию электрических сигналов с чувствительных элементов приемника и по ним формируют массив цифровых данных температуры объекта, контактным способом измеряют температуру атмосферы в месте расположения приемника, корректируют отраженную температуру приемника излучения, при этом принимают коэффициент излучения атмосферы равным единице, и добиваются равенства измеренной приемником температуры атмосферы ее действительной температуре, измеренной контактным способом в месте расположения приемника, после выполнения корректировки формируют новый массив цифровых данных температурного поля объекта, который принимают за массив его действительных температур.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Предлагаемый способ основывается на уравнении измерения, вывод которого представлен ниже. При выводе использована схема измерений, структурная схема которой представлена на фиг. 1, где: 1 - объект измерения, 2 - матричный приемник теплового излучения, 3 - оптическая система средства измерения, при этом, совокупность элементов 2, 3 образует средство измерения температуры.

Возьмем в качестве измеряемого объекта 1 любой удаленный объект, окруженный слоем атмосферы и имеющий малый тепловой контраст по отношению к окружающему его атмосферному фону (объект слабо нагрет). Какая-либо информация об объекте отсутствует, но при этом известны технические характеристики средства измерения 2 - матричного приемника ИК излучения (далее - приемник) и известно значение температуры окружающей атмосферы в месте его расположения. Поставленная задача -измерить действительную температуру поверхности объекта или его отдельно взятого участка.

Для вывода уравнения измерения используем закон Стефана-Больцмана, являющийся теоретической основой для радиационной термометрии. Согласно данному закону, в полном спектре теплового излучения плотность потока собственного излучения с единицы поверхности идеального абсолютно черного тела (АЧТ) q_rad⁰ в вакууме, равна:

где

σ - постоянная Стефана-Больцмана,

Т_АЧТ - действительная температура АЧТ.

Всякий реальный нагретый объект 1 окружен атмосферой и имеет коэффициент излучения ε_ob, меньший, чем у АЧТ (ε_АЧТ=1). При этом объект излучает тепловой поток, который складывается из потока собственного излучения и потока, переизлучаемого от атмосферы. Поэтому в отличие от АЧТ плотность потока собственного излучения реального объекта в окружающую его атмосферу с учетом коэффициента излучения описывается уравнением:

где

T_ob - действительная температура объекта,

ε_back - коэффициент излучения атмосферы,

T_back - действительная температура атмосферы.

При дальнейших преобразованиях учтем, что вблизи горизонта коэффициент излучения атмосферы близок к единице, т.е. ε_back≈1 (Хэкворд Генри Л. Инфракрасное излучение. Пер. с англ., М.-Л.: Энергия, 1964, 336 с.), поэтому излучение атмосферы вблизи горизонта подобно излучению абсолютно черного тела, находящегося при температуре атмосферы T_back. На основании этого примем допущение, что ε_back=1, с учетом его уравнение (2) приобретает вид:

В случае, когда разность температуры объекта T_ob и окружающей его атмосферы T_back мала (объект слабо нагрет), т.е. ΔT=T_ob-T_back<<T_ob, уравнению (3) можно придать более простую форму. Для этого представим его правую часть в виде:

При малости величины ΔT выражение в скобках будет незначительно отличаться от величины 4T_back³, поэтому можно принять:

Уравнение (4) описывает величину плотности собственного потока излучения с единицы поверхности реального тела.

Применительно к дистанционным измерениям, указанный поток от объекта 1, пройдя через слой атмосферы и оптическую систему 3 средства измерения, ослабляется до величины q_rad⁽¹⁾ и попадает в приемник 2. С учетом (4) величину плотности потока излучения q_rad⁽¹⁾ можно описать уравнением вида:

где

ΔT₁=T_ob-T_matrix - разность действительной температуры объекта 1 и действительной температуры T_matrix приемника 2,

τ_opt, τ - коэффициенты пропускания излучения оптической системой 3 приемника 2 и атмосферой, соответственно.

Приемник 2 часть падающего в него потока поглощает, а некоторую его часть отражает. Соотношение данных частей определяется коэффициентом излучения ε_matrix приемника 2. Плотность потока излучения, которое поглощает приемник 2, можно представить в виде аналогичном (5):

где

ΔT₂=(T_ob,meas-T_back,meas) - разность измеренных приемником температуры объекта T_ob,meas и атмосферы T_back,meas.

В установившемся (стационарном) тепловом режиме поток излучения, поглощенный приемником 2, меньше падающего потока на величину Δq_rad⁽²⁾=(1-ε_matrix)q_rad⁽¹⁾, или q_rad⁽¹⁾=q_rad⁽²⁾/ε_matrix, поэтому из (5), (6) следует равенство:

Выразим из (7) коэффициент пропускания атмосферы, получаем:

На приемный элемент также попадает излучение атмосферы, плотность потока которого, с учетом того, что ε_back=1, равна:

где

ΔT₃=T_back-T_matrix - разность действительных температур атмосферы и приемного элемента.

Найдем значение плотности потока излучения, которое попадает на приемный элемент от собственного излучения объекта, для этого вычтем из уравнения (5) уравнение (9), получаем:

Так как нами принято, что ΔT₁=T_ob-T_matrix и ΔT₃=T_back-T_matrix, поэтому получаем:

С другой стороны, для виртуального абсолютно черного тела, окруженного атмосферой с температурой T_back и находящегося при той же самой температуре реального тела при отсутствии поглощения в атмосфере и оптической системе, величина плотности потока, падающего на приемный элемент от АЧТ, с учетом уравнений (3) и (4) может быть выражена уравнением вида:

Данная величина должна быть равна величине плотности результирующего потока излучения, рассчитываемой по уравнению (11) и должна вызывать одинаковые отклики (выходные сигналы) приемника. Исходя из этого, приравняем уравнения (11) и (12), получаем:

Подставим в (13) полученное ранее уравнение (8) для коэффициента пропускания атмосферы τ, после преобразований получаем уравнение для действительной температуры объекта:

Так как в начальной постановке задачи принято допущение о том, что объект слабо нагрет, - это означает, что нагрев приемника от излучения объекта чрезвычайно мал, что, в свою очередь, дает основание с высокой точностью принять, что собственная температура приемника T_matrix равна температуре атмосферы T_back, т.е. T_matrix=T_back. Тогда уравнение (14) упрощается и приобретает вид:

Полученное уравнение вполне логично: в том случае, когда средство измерения дает значение температуры атмосферы, равное ее действительной температуре, т.е. T_back,meas=T_back, то и измеренная им температура объекта равна действительной температуре. Это подтверждает правильность полученного уравнения. На практике, ввиду поглощения излучения атмосферой, измеренная температура атмосферы в месте нахождения объекта всегда меньше ее действительного значения, поэтому и измеренная температура объекта всегда меньше ее действительной температуры.

Из уравнения (15) следует основа предлагаемого способа, которая кратко формулируется следующим образом:

если аппаратным средством регулировки средства измерения добиться равенства измеренной им температуры атмосферы T_back,meas и ее действительной температуры T_back, т.е. равенство T_back,meas=T_back, то в этом случае измеренная температура объекта становится равной его действительной, т.е. T_ob,meas=T_ob.

Для выполнения данной корректировки необходимо знание действительной температуры атмосферы T_back, окружающей объект. Если принять, что температура атмосферы в месте расположения объекта и в месте расположения средства измерения (приемника) одинакова, то в этом случае искомая температура атмосферы T_back может быть измерена в месте расположения приемника любым контактным средством измерения, например, термометром. Кроме того, так как при выводе (15) использовано допущение о том, что коэффициент излучения атмосферы равен единице (ε_back=1), поэтому одновременно с корректировкой температуры требуется корректировка по коэффициенту излучения, а именно - на средстве измерения необходимо установить значение коэффициента излучения ε_back=1. При соблюдении данных требований измеряемая матричным приемником 2 температура объекта, согласно уравнению (15), будет равна его действительной температуре.

Таким образом, полученное уравнение (15) является уравнением измерения для действительной температуры объекта T_ob. Для получения искомого значения T_ob необходимо с помощью средства измерения, например, с помощью тепловизионной камеры, измерить температуру атмосферы в области объекта T_back,meas и температуру самого объекта T_ob,meas, а с помощью другого средства измерения, например контактного, измерить действительную температуру атмосферы в месте нахождения камеры T_back, далее выполнить соответствующие корректировки, в результате чего в тепловизионной камере формируется массив данных действительного температурного поля объекта.

При этом, для осуществления способа должны быть выполнены следующие условия и допущения:

- объект слабо нагрет, - это означает, что в пределах заданной точности для него справедливо приближение (4), кроме того, излучение от объекта не вызывает сколь-нибудь значительного нагрева приемника, поэтому выполняется допущение о равенстве температур приемника и атмосферы, т.е. T_matrix=T_back;

- температура атмосферы в месте расположения приемника равна температуре атмосферы в месте расположения объекта (температуре приобъектной атмосферы).

Следует иметь в виду, что хотя вывод уравнения измерения сделан в предположении, что средство измерения регистрирует поток излучения от объекта во всем тепловом спектральном диапазоне, он также действителен и для любой части теплового спектра, в котором, например, работает выбранное средство измерения. При рассмотрении конкретного спектра вывод уравнения измерения становится очень объемистым, но приводит к идентичному результату. Поэтому полученное уравнение измерения (15) полностью применимо для квази- и моноспектральных средств измерения.

Предлагаемый способ легко реализуется при помощи тепловизора и любого контактного средства измерения температуры.

Порядок осуществления способа.

Тепловизор фокусируют на измеряемый объект и выполняют термографирование объекта. В результате термографирования на экране тепловизора получают тепловой портрет объекта и приобъектного слоя атмосферы, а также соответствующий данному портрету попиксельный массив температурных данных. Одновременно любым контактным средством измерения температуры, например, термопарой, измеряют температуру атмосферы T_{back,конт} в месте расположения тепловизора. С помощью опции тепловизора «коэффициент излучения» устанавливают значение коэффициента излучения равное 1,0 и с помощью опции «средняя температура в выделенной области» выделяют на тепловом портрете область приобъектной атмосферы и находят значение ее средней температуры T_back,meas. Оно всегда отличается (меньше) от действительной температуры атмосферы на некоторую величину. Затем путем поочередного использования опций «средняя температура в выделенной области» и «отраженная температура T_back» подбирают такое установочное значение температуры T_back, при котором будет выполнено равенство температуры атмосферы, измеренной тепловизором и контактным средством измерения, т.е. T_back,meas=T_{back,конт}. В результате выполненной корректировки установочных данных тепловизора на его экране формируется новый тепловой портрет и новый массив температурных данных, который соответствует действительному температурному полю. Из полученного массива данных получают необходимую информацию о действительном тепловом поле измеряемого объекта.

Пример осуществления способа. С помощью предлагаемого способа было измерено тепловое поле морского танкера-бункеровщика в пригоризонтном слое атмосферы. Танкер длиной 96 м с дедвейтом 3000 тонн был удален от наблюдателя на расстояние ≈925 метров. Для измерений использовался тепловизор IR913 и хромель-копелевые термопары с известной чувствительностью. Тепловизор IR913 выполнен на базе неохлаждаемой микроболометрической матрицы размером 320×240 пикселей с размером одного пиксела 50×50 мкм, оснащен штатным объективом, обеспечивающим угловое поле зрения FOV=12×16° и угловое разрешение IFOV=0,9 мрад. Температурная чувствительность тепловизора IR913 ΔT_NETD=0,08 К.

Для оценки точностных возможностей способа несколько термопар были установлены на контрольной поверхности танкера, а две другие термопары использовались для измерения температуры атмосферы: одна - в месте расположения тепловизора, другая - в месте расположения танкера. В результате измерений согласно предлагаемому способу получены результаты, которые представлены в таблице,

где

T_back1 - температура атмосферы, измеренная термопарой в месте расположения тепловизора,

T_back2 - температура атмосферы, измеренная термопарой в месте расположения танкера,

T_back,meas - измеренная температура приобъектной атмосферы после корректировки,

T_ob1 - действительная температура контрольной поверхности объекта, измеренная тепловизором после корректировки,

T_{ob1_} - средняя температура контрольной поверхности объекта, измеренная термопарами. Оценка погрешности измерений выполнялась по отношению разностей температур (T_ob2-T_ob1) к абсолютному температурному контрасту (T_ob2-T_back) и составила 1,7%. Для других измерений, выполненных на других объектах и в других условиях, расхождение в результатах измерений не превысило 2%.

Полученный результат для данного вида измерений может считаться точным результатом и превосходит результаты, достигнутые в настоящее время. Таким образом, в сравнении с известными способами предлагаемый способ обеспечивает более высокую точность измерений и одновременно расширяет номенклатуру измеряемых объектов, т.к. для его реализации не требуется знание коэффициентов излучения объекта и пропускания атмосферы.