Как спроектировать и выбрать инфракрасную тепловизионную камеру, используемую в области измерений?

В большинстве случаев объекты имеют более высокий контраст в инфракрасной спектроскопии, что помогает пользователям лучше отличать их от фона. Например, если пользователь пытается отслеживать самолет или ракету, инфракрасное излучение его горячего двигателя в холодном воздухе становится более заметным. Сильный контраст облегчает алгоритму сопровождения захват цели и поддержание эффективного сопровождения в течение всего полета.

Инфракрасные тепловизионные камеры (инфракрасные спектрометры) могут использоваться для определения характеристик цели в определенной марке инфракрасного спектра. Инфракрасные тепловизионные камеры позволяют измерить точность попадания в цель. Некоторые инфракрасные тепловизионные камеры могут не только отображать цель, но и наносить на нее лазерную маркировку. При проектировании и выборе тепловизионных камер, подходящих для конкретной работы, необходимо учитывать следующие факторы.

Скорость ответа

Большинство инфракрасных оптических камер, используемых для измерения дальности стрельбы, наблюдают за быстродвижущимися целями. Например, если время интегрирования инфракрасной тепловизионной камеры (аналогично времени экспозиции камеры видимого света) слишком велико, вы можете пропустить измерение быстро движущейся цели или цель будет размыта на изображении. для получения мазка, и вы не сможете получить точные измерения.

Аналогичным образом, при использовании тепловизионной камеры для наблюдения за объектом, который появляется мгновенно, например, внезапно возникающей искрой, его скорость превышает время вашего интегрирования, и мы не сможем полностью описать подобные события. Короче говоря, при съемке высокоскоростных целей или событий более высокая частота кадров обеспечит более точные измерения.

(1) Технология частоты кадров

Благодаря новой технологии детекторов частота кадров тепловизионных камер значительно улучшилась за последние два-три года.

Чувствительность инфракрасной тепловизионной камеры также была значительно улучшена. Соответственно, время его интегрирования может быть сокращено. Это также означает, что пользователи могут использовать их для приложений, которые раньше не рассматривались, например, для баллистических исследований или исследований боеприпасов. Эти новые тепловизионные камеры могут фиксировать летящие или отслеживающие пули и описывать события взрыва.

Даже если наблюдаемая цель не такая быстрая, более высокая частота кадров все равно очень выгодна. Предположим, вам нужно отстрелять несколько мишеней со скоростью 100 кадров. При захвате этой цели со скоростью 400 кадров вы можете применить четырехкратный фильтр частотно-временной области, чтобы уменьшить шум и получить данные из 100 кадров.

(2) Спектральный отклик изображения

Различные типы тепловизионных камер имеют разные рабочие полосы. В значительной степени инфракрасные камеры можно разделить на два типа приложений: один для получения изображений в коротковолновом инфракрасном диапазоне (SWIR) для радиометрических измерений, а другой для получения изображений в средневолновом (MWIR) инфракрасном диапазоне и длинноволновом инфракрасном диапазоне (LWIR) для тепловое измерение.

В диапазоне от 0,9 до 1,7 мкм коротковолновая инфракрасная визуализация позволяет наблюдать направленное энергетическое (лазерное) излучение, изображение цели и ее характеристики. Хорошим примером является энергетическое оружие лазерного наведения. В этом случае визуализация в коротковолновом инфракрасном диапазоне обычно используется для измерения энергии излучения или качественного определения характеристик этих устройств.

Для тепловизионных измерений тепловизионные камеры обычно работают в двух диапазонах длин волн: MWIR с длиной волны от 3 до 5 мкм или LWIR с длиной волны от 7 до 14 мкм. Эти два спектральных диапазона имеют свои особенности. Например, преимущество средневолнового инфракрасного излучения заключается в его превосходном тепловом контрасте и чувствительности. По сравнению с длинноволновым инфракрасным излучением изменение температуры невелико, но энергия излучения сильно меняется.

Основное преимущество длинноволнового инфракрасного излучения заключается в том, что оно охватывает широкий диапазон температур за определенное время интеграции. Например, стандартный диапазон калибровки средневолновой инфракрасной камеры, в которой не используется спектральный фильтр, составляет от -20°C до 350°C. Напротив, стандартный диапазон длинноволновых инфракрасных тепловизионных камер может быть расширен от -20°C до 650°C.

Поэтому, если во время испытания происходит значительное изменение температуры за короткий период времени, длинноволновая инфракрасная тепловизионная камера является более подходящим выбором. Например, ракета при запуске очень горячая, но при сгорании топлива ее температура падает. В линзе LWIR , разработанной и произведенной Quanhom, используется хорошая технология рассеивания тепла, обеспечивающая стабильную работу во время работы.

Спектральный фильтр

Существует два основных типа спектральных фильтров для тепловизионных камер. Один из них — фильтр нейтральной плотности (обычный фильтр), который в одинаковой степени ослабляет энергию всего диапазона длин волн. Он может откалибровать инфракрасную камеру на более высокий диапазон температуры и излучения, например 3000°C.

Другой тип оптического фильтра — это спектральные фильтры, которые экранируют энергию излучения в определенном диапазоне, что полезно для тестирования в интересующем диапазоне. Например, стрельба и отслеживание шлейфа химического газа, видимого только в узкой области спектра, или желание изобразить цель через пламя цели. В обычных условиях тепло, выделяемое пламенем, будет занимать основную часть изображения, но спектральный фильтр может экранировать его, позволяя вам видеть то, что вы хотите видеть.

Холодные фильтры и теплые фильтры

Инфракрасная камера может поместить инфракрасный фильтр в определенное положение объектива или поместить оптический фильтр в Дьюар детектора.

Преимущество установки оптического фильтра в сосуде Дьюара состоит в том, что отражение и излучение самого фильтра очень мало, что способствует контролю теплового шума. Недостаток заключается в том, что после того, как он встроен в Дьюар, его невозможно легко снять или заменить.

Основное преимущество нагревательных фильтров в объективе заключается в том, что их можно легко снять или заменить, чтобы перенастроить тепловизионную камеру для другого испытания. Однако спектральный фильтр при температуре окружающей среды имеет тенденцию создавать артефакты на изображении, что требует частых обновлений для поддержания качества изображения.

Пространственное разрешение

Пространственное разрешение инфракрасной тепловизионной камеры является одним из ключевых факторов для точных измерений и получения высококачественных изображений. Вообще говоря, после съемки тепловизионной камерой интересующий объект должен занимать около 10 пикселей в наименьшем измерении. Двумя основными факторами достижения этой цели являются размер пикселя детектора и оптическая система.

(1) Размер пикселя детектора

Отрадно, что размер матрицы инфракрасных детекторов существенно увеличился за последние несколько лет, а размер пикселей детекторов продолжает уменьшаться. Сегодня существует множество коммерческих тепловизионных камер, поддерживающих очень высокое разрешение. Тепловизионная камера производства Quanhom может поддерживать разрешение до 1280x1024 (SXGA). Кроме того, размер пикселя был уменьшен более чем на 50%, а это означает, что при той же оптической системе и расстоянии цель можно отображать на большем количестве пикселей, тем самым улучшая качество изображения и точность измерений. Или вы можете выбрать другую оптическую систему, чтобы получить в четыре раза большее исходное поле зрения без потери разрешения.

(2) Оптическая система

Вторым фактором увеличения пространственного разрешения является оптическая система. Для тестирования на больших расстояниях очень важен длиннофокусный объектив. Чтобы соответствовать требованиям испытаний на различных расстояниях, оптическая система, используемая в тепловизионной камере, предпочтительно должна иметь функцию непрерывного масштабирования. Инфракрасный объектив с непрерывным зумом , разработанный Qaunhom, может произвольно увеличивать и уменьшать масштаб цели, сохраняя при этом цель в центре поля зрения. Эта функция очень удобна для отслеживания движущихся целей. Он может максимизировать количество пикселей на цели при изменении фокусного расстояния и всегда удерживать цель в центре поля зрения.

В дополнение к функции непрерывного масштабирования, инфракрасная оптическая система, используемая для измерения, должна быть способна точно и многократно считывать фокусное расстояние объектива и его фокусное положение во время непрерывного масштабирования и отмечать показания на изображении, что делает пространственное измерение цели возможным. Временное положение Становится возможным применение информации. При отслеживании цели фокусное расстояние камеры используется для определения положения цели относительно вас в любой момент времени, а фокусное расстояние связано с одним кадром изображения, и можно определить положение движущейся цели. при последующем сборе и анализе.

Атмосфера

Излучение цели может достигаться только по воздуху и отображаться на инфракрасной тепловизионной камере. Помимо ослабления излучения цели, воздух также добавляет некоторые помехи в процессе передачи. В инфракрасном диапазоне атмосфера прозрачна на одних длинах волн и непрозрачна или полупрозрачна на других длинах волн. Поэтому инфракрасное излучение, измеряемое целью на близком расстоянии, отличается от излучения, испускаемого той же целью на большом расстоянии.

Большинство тепловизионных камер калибруются в заводских лабораториях по объектам, находящимся на расстоянии нескольких метров. В диапазоне инфракрасной камеры вам может потребоваться вести наблюдения на расстоянии менее одного километра, ста километров или даже тысяч километров от цели, поэтому в атмосфере этот фактор становится важным. В этом случае полагаться на заводскую калибровку недостаточно. Для обеспечения точных измерений инфракрасная тепловизионная камера должна быть оснащена соответствующим программным обеспечением для выполнения коррекции неровностей и калибровки излучения или температуры.

Атмосферная компенсация

Существует два метода атмосферной компенсации. Один из методов – использовать модель MODTRAN (атмосферная передача среднего разрешения). Эта модель представляет собой программное обеспечение, разработанное ВВС для моделирования атмосферы. MODTRAN может оценить ослабление в атмосфере или в самой атмосфере. Количество производимой радиации. Другой метод заключается в использовании известных источников излучения, таких как черные тела большой площади, расположенные на большом расстоянии, для выполнения атмосферной компенсации посредством экспериментов.

Программное обеспечение

Большинство тепловизионных камер, используемых для измерения дальности стрельбы, управляются дистанционно, практически без прямого управления. Таким образом, программное обеспечение управления — это единственный способ взаимодействия с инфракрасной камерой с помощью программного обеспечения для управления, просмотра, записи, анализа и обмена данными. Программное обеспечение так же важно для успеха испытаний и измерений, как и сама тепловизионная камера.

Управляющее программное обеспечение, используемое тепловизионной камерой, должно иметь возможность собирать исходные данные о радиации или температуре, поэтому ключевой особенностью программного обеспечения является возможность быстрого и легкого переключения между этими единицами измерения.

Как упоминалось ранее, оптическая система непрерывного масштабирования должна считывать точное положение фокуса и отмечать эту информацию на каждом кадре инфракрасного изображения. Эти задачи также должны выполняться с помощью программного обеспечения. Управляющее программное обеспечение позволяет пользователям анализировать данные, экономя время и труд, чтобы пользователи могли лучше анализировать результаты испытаний и делать более значимые выводы из испытаний.

Еще одной особенностью программного обеспечения является возможность быстрого и легкого обмена данными. В настоящее время многие приложения автоматически генерируют брифинги по задачам после завершения теста, и пользователи могут извлекать и делиться интересующими данными. Программное обеспечение должно иметь богатый интерфейс данных, который может быть связан с другим программным обеспечением.

Принимая во внимание все вышеперечисленные факторы, мы можем выбрать наиболее подходящую тепловизионную камеру, обеспечивающую точные и качественные данные измерений цели. Если после прочтения вышеизложенного вы хотите узнать больше об инфракрасных оптических системах, вы можете получить профессиональные решения, связавшись с нами.

Благодаря превосходным технологиям исследований и разработок и высококачественному обслуживанию продукции мы быстро стали одним из ведущих производителей опто-электромеханических компонентов . Мы стремимся производить различные тепловые инфракрасные линзы (включая LWIR, MWIR и SWIR). Наша полная система управления и строгий отдел контроля качества могут предоставить клиентам безопасную и высококачественную продукцию. В то же время наш продуманный комплексный сервис также получил единодушную оценку многих клиентов. Если вы заинтересованы в наших инфракрасных тепловизионных линзах, немедленно свяжитесь с нами!