Способ термографирования и устройство для его осуществления

Использование: в тепловизионной технике для определения температурных полей удаленных объектов. Сущность: 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 изображения объекта, а массив цифровых данных температуры объекта формируют путем определения значений отношения соответствующих элементов основного и дополнительного массивов цифровых данных изображения объекта. Технический результат - повышение точности определения температуры слабо нагретых объектов. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к тепловизионной технике и может быть использовано для определения температурных полей удаленных объектов.

Одним из актуальных направлений развития техники регистрации изображений в различных спектральных диапазонах является создание методов и аппаратуры для определения температурных полей объектов с помощью инфракрасных матричных приемников, в частности микроболометрических приемников. В целом, принципы реализации методов термографирования и основные элементы конструкций устройств, реализующих эти методы, хорошо известны (см. патенты США №5420419, H01L 27/14, опубл. 30.05.1995; №5688699, H01L 31/18, опубл. 18.111997; №6026337, G05D 1/00, опубл. 15.02.2000; №6559447, H04N 3/09, опубл. 06.05.2003 и др.). Матричные микроболометрические приемники обычно включают набор элементов, выполненных, например, из аморфного кремния и чувствительных к излучению в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра в области 7-14 мкм. Эти элементы способны изменять электрическое сопротивление при изменении температуры, при этом каждый чувствительный элемент матрицы снабжен средствами, поглощающими электромагнитное излучение ИК диапазона. В процессе работы падающее на приемник инфракрасное излучение поглощается, в результате чего происходит нагревание чувствительных элементов приемника, величина которого определяется мощностью падающего теплового потока. Если перед матричным термоэлектронным приемником расположена оптическая система, обеспечивающая построение изображения объекта, от которого исходят тепловые потоки, в плоскости вышеуказанного приемника, то электрические сигналы от отдельных микроболометрических элементов, пропорциональные вызванному их нагревом изменению электрического сопротивления, в результате соответствующей обработки могут обеспечить получение информации о температурном поле наблюдаемого объекта.

Точность определения температурного поля объекта с помощью известных методов и устройств зависит от множества факторов. К числу наиболее существенных следует отнести следующие два: точность определения собственной температуры приемника и однородность его чувствительности по полю. Первый фактор особенно важен в случае применения так называемых «неохлаждаемых» микроболометрических матриц и влияет на чувствительность метода термографирования в целом, а следовательно, и на точность определения температуры слабо нагретых тел. Второй фактор определяется технологическими особенностями и погрешностями изготовления отдельных элементов матрицы, которые, вообще говоря, имеют различия в чувствительности и могут, тем самым, служить источниками ошибок в определении температуры отдельных участков объекта.

Для уменьшения влияния наиболее существенных факторов погрешностей определения температуры объекта в известных методах термографирования и устройствах для их осуществления используют средства калибровки и компенсации. Под калибровкой понимают в данном случае термографирование объекта с заранее известной температурой непосредственно перед определением температуры исследуемого объекта (см., например, патент РФ №2194255, G01J 5/08, опубл. 10.12.2002), а под компенсацией - регистрацию температурного поля заведомо однородно нагретого объекта. В качестве подобного объекта, как правило, используют либо шторку механического затвора (см. патент РФ №2090976, H04N 5/33, 30.09.1997), либо, если это удобно, чистое небо. Очевидно, что во всех случаях преодоление факторов возможных погрешностей термографирования объектов требует использования дополнительных конструктивных средств в устройствах и выполнения соответствующих вычислительных процедур при обработке сигналов, получаемых с выхода микроболометрического приемника.

Представляется очевидным тот факт, что для обеспечения точности измерений температуры объекта процедура калибровки устройства должна проводиться в условиях идентичных тем, которые имеют место во время работы. К этим условиям следует отнести расстояние от объекта до приемника, а также пропускание оптического тракта между ними. При отсутствии данных о расстоянии до объекта и значении коэффициента пропускания оптического тракта представляется невозможным установить связь между мощностью ИК излучения, падающего на приемник, и температурой удаленного объекта, испускающего это излучение, без калибровки. В большинстве случае проводить дистанционную калибровку устройств для термографирования (т.е. предварительно помещать на место исследуемого объекта эталон, нагретый до известной температуры, и затем определять эталонный сигнал для последующего его сравнения с измеряемым) практически невозможно (если дистанцию до объекта еще можно определить, например, с помощью дальномера, то коэффициент затухания ИК излучения в атмосфере не поддается оперативному контролю, особенно, если речь идет об определении температуры объектов, находящихся на значительных удалениях от приемника). Таким образом, задача обеспечения высокой точности термографирования удаленных объектов абсолютным методом, т.е по величине падающей на приемник мощности теплового потока не может быть решена с помощью известных способов и устройств.

Хорошо известен факт изменения мощности и спектра испускания нагретых тел при изменении температуры. Если нагревать абсолютно черное тело, то интегральная мощность испускаемого им излучения увеличивается по закону Стефана-Больцмана пропорционально четвертой степени температуры. Если рассматривать отельные спектральные диапазоны, то эта зависимость становится более сложной, оставаясь, тем не менее, монотонной. Спектральная характеристика мощности излучения нагретого тела имеет максимум, положение которого зависит от температуры, и с ее возрастанием по закону Вина смещается в коротковолновую часть спектра.

На этих знаниях основан принцип работ дистанционных пирометров, с помощью которых регистрируют свечение объекта в двух (или нескольких) различных, но близких диапазонах спектра, а затем по отношению полученных сигналов определяют температуру объекта. Такой прием дает возможность избежать погрешностей калибровки, связанных с недостоверным определением дистанции до объекта и потерь излучения в оптическом тракте, т.к. для сигналов в близких спектральных диапазонах эти факторы, как правило, влияют на амплитуду регистрируемого сигнала сходным образом и поэтому могут быть исключены при вычислении отношения указанных сигналов. Вместе с тем, необходимо отметить, что формулы вычисления температуры объекта по данным измерений, вытекающие из закона Планка для абсолютно черного тела, требуют учета спектральной селективности исследуемого объекта и определения его спектрального коэффициента излучения (отношения яркости объекта к яркости абсолютно черного тела при той же температуре в определенном диапазоне спектра), который, очевидно, известен лишь для заранее определенного объекта, а в общем случае неизвестен и представляет собой источник погрешности измерений.

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является способ термографирования и устройство для его осуществления (патент США №6758595, G01K 3/00, опубл. 06.07.2004). Способ состоит в том, что формируют изображение объекта на приемной площадке матричного фотоэлектронного приемника, элементы которого способны регистрировать излучение по крайней мере в двух различных участках ИК диапазона спектра, после чего определяют температуру поверхности объекта в результате анализа изображений, полученных в двух различных спектральных диапазонах. Устройство, реализующее способ-прототип, включает оптоэлектронный матричный сенсор, элементы которого обладают чувствительностью к падающему электромагнитному излучению по крайней мере в трех различных спектральных диапазонах, причем два из них лежат в ИК, а один - в видимой области спектра. В устройстве-прототипе в качестве фотоэлектронного приемника описан матричный пирометр с кремниевыми фотодетекторами, каждый из которых снабжен спектральным фильтром, пропускающим свет в заданном спектральном диапазоне и имеющим немонотонную зависимость пропускания от длины волны в диапазоне чувствительности фотоэлектронного приемника. Область спектральной чувствительности кремниевых фотодетекторов предполагает регистрацию и анализ изображения в ближнем ИК диапазоне с максимально возможной длиной волны излучения порядка λ_max=1.2 мкм.

Из-за резкого падения энергетической яркости свечения нагретых тел с уменьшением длины волны наблюдение и регистрация с надлежащей точностью спектра испускания объектов, нагретых до температур 300-400К, с помощью кремниевых детекторов даже в ближнем ИК диапазоне представляет трудноразрешимую задачу. Особенностями технологии изготовления матричного приемника изображения в прототипе обусловлен и выбор метода спектральной селекции, а именно спектральные фильтры в нем установлены перед различными элементами. Такое их расположение позволяет регистрировать изображение объекта одновременно в нескольких спектральных диапазонах, что, безусловно, улучшает динамику работы, однако неконтролируемые различия в точности изготовления этих фильтров и расположения их перед элементами матричного приемника изображения служат источниками погрешностей, учесть которые практически невозможно в связи с отсутствием соответствующих эталонов. Поэтому основным недостатком прототипа является низкая точность измерения температуры слабо нагретых объектов.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение качества термографирования удаленных слабо нагретых объектов.

Поставленная задача в заявляемом изобретении решена за счет достижения технического результата, заключающегося в повышении точности определения температуры слабо нагретых объектов.

Сущность заявляемого способа термографирования состоит в том, что формируют изображение объекта на приемной площадке матричного электронного приемника изображения в инфракрасном диапазоне спектра, осуществляют основную регистрацию электрических сигналов с чувствительных элементов матричного электронного приемника изображения, производят аналого-цифровое преобразование этих сигналов и формируют основной массив цифровых данных изображения объекта, затем осуществляют дополнительную спектральную селекцию излучения, падающего на приемную площадку матричного электронного 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, после чего осуществляют дополнительную регистрацию электрических сигналов с элементов матричного электронного приемника изображения, производят аналого-цифровое преобразование данных сигналов и формируют дополнительный массив цифровых данных изображения объекта, а массив цифровых данных температуры объекта формируют путем определения значений отношения соответствующих элементов основного и дополнительного массивов цифровых данных изображения объекта с последующим установлением соответствия между этими значениями и значениями температуры Т отдельных участков объекта по градуировочной зависимости f(T).

Кроме того, градуировочная зависимость f(T) может иметь вид:

или

где

Φ(λ, T) - спектральное распределение яркости объекта;

τ(λ) - спектральная зависимость пропускания спектрально-селективного элемента;

k(λ) - нормированная спектральная чувствительность элементов матричного электронного приемника изображения;

λ₁, λ₂ - значения длин волн спектрального диапазона интегрирования, выбранные таким образом, что по меньшей мере часть спектрального диапазона, ограниченного этими значениями, перекрывается спектральным диапазоном чувствительности матричного электронного приемника изображения в пределах интервала длин волн от 7 мкм до 14 мкм.

Кроме того, дополнительную регистрацию электрических сигналов с элементов матричного электронного приемника изображения можно осуществлять в течение времени t, величину которого определяют из соотношения:

где t₀ - продолжительность основной регистрации электрических сигналов с чувствительных элементов матричного электронного приемника изображения.

Кроме того, дополнительную спектральную селекцию излучения можно осуществлять с помощью спектрально-селективного элемента, выполненного из флюорита.

Кроме того, дополнительную спектральную селекцию излучения можно осуществлять последовательно по меньшей мере двумя различными спектрально-селективными элементами.

Для того, чтобы получить информацию о температуре тела по градуировочной кривой, описываемой формулой (1) или (2), достаточно, чтобы зависимость f(T) была монотонной. В этом случае может быть определено однозначное соответствие между значениями отношений в правой части выражений (1) или (2) и температурой. Для нахождения достаточного условия рассмотрим вид зависимости Φ(λ, T).

В большинстве случаев, представляющих практический интерес, спектральное распределение яркости нагретых объектов в диапазоне чувствительности матричных микроболометрических приемников изображения на основе, например, аморфного кремния (7-14 мкм) может быть представлено в виде следующей зависимости (см. Крискунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. - М.: Сов. радио, 1978. - с.50):

где λ - длина волны излучения;

Т - абсолютная температура объекта;

c₁=3,74·10^-12 Вт/см²; с₂=1,4388 см·К.

Зависимость (4) описывает известный закон Планка для плотности излучения абсолютно черного тела. Характер изменения функции Ф_АЧТ(λ, Т) от аргументов таков, что монотонный характер зависимости f(T), определяемой по формуле (1) или (2), может быть обеспечен лишь в том случае, если на спектральную зависимость пропускания спектрально-селективного элемента τ(λ) наложить условие монотонности в диапазоне от λ₁ до λ₂. Полагая, что это условие обеспечено, а также принимая спектральное распределение яркости объекта Φ(λ, Т) качественно совпадающим с функцией Φ_АЧТ(λ, Т) в заданном спектральном интервале, искомое значение температуры может быть найдено в результате последовательного выполнения операций вычисления интеграла

в каждой точке изображения объекта как результата основной регистрации электрических сигналов с чувствительных элементов матричного электронного приемника изображения, вычисления интеграла

в каждой точке изображения объекта как результата дополнительной регистрации электрических сигналов с чувствительных элементов матричного электронного приемника изображения с учетом спектральной селекции падающего на приемник излучения и последующего вычисления их отношения. В результате вышеприведенных преобразований может быть рассчитана градуировочная зависимость f(T), исходя из которой величине сигнала, получаемого с любого элемента матричного электронного приемника изображения, может быть поставлено в однозначное соответствие абсолютная температура объекта Т в той его части, изображение которой сформировано на данном элементе приемника.

Выбор пределов интегрирования λ₁, λ₂ внутри спектрального диапазона (7-14 мкм), которому отвечает диапазон чувствительности матричных микроболометрических приемников изображения на основе аморфного кремния, в настоящем изобретении продиктован тем обстоятельством, что именно в этом диапазоне наблюдается наиболее адекватное соответствие зависимостей спектральной яркости произвольных излучателей (объектов) аналогичной зависимости абсолютно черного тела, т.е. другими словами в этом спектральном диапазоне согласно результатам многочисленных исследований многие тела с достаточной точностью можно считать «серыми» (см. Крискунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. - М.: Сов. радио, 1978. - с.30). Это обстоятельство в дополнительной мере способствует повышению точности результатов термографирования удаленных слабо нагретых объектов.

В заявляемом способе предложено осуществлять основную и дополнительную регистрацию электрических сигналов последовательно с одних и тех же чувствительных элементов матричного электронного приемника изображения. Этим самым устраняется источник погрешности измерений температуры, связанный с неконтролируемыми различиями в параметрах спектральной селекции в пределах его апертуры. Следует признать, однако, что повышение точности измерений в заявляемом способе может быть достигнуто лишь для объектов со стабильной температурой. В тех случаях, когда температура объекта увеличивается или уменьшается настолько быстро, что спектральные характеристики его свечения изменяются за время, сравнимое с экспозицией, говорить о точности измерений можно лишь условно в приложении к понятию «средняя температура за время измерения».

Важным условием обеспечения точности отображения температурного поля объекта с помощью заявляемого способа является выполнение условия равенства экспозиций при осуществлении основной и дополнительной регистрации электрических сигналов с элементов матричного электронного приемника изображения. Очевидно, что мощности падающих на электронный приемник изображения тепловых потоков от объекта без применения средств спектральной селекции и с применением таковых могут различаться существенным образом. Для того, чтобы вычисление отношения f(T) по формулам (1) или (2) было в максимальной степени точным, необходимо стремиться к выравниванию экспозиций, поэтому в заявляемом способе предложено дополнительную регистрацию электрических сигналов с элементов матричного электронного приемника изображения осуществлять в течение времени, величина которого определяется из соотношения (3) в том числе спектральной зависимостью пропускания спектрально-селективного элемента τ(λ), т.е. более продолжительного, чем время основной регистрации электрических сигналов с тех же элементов того же матричного электронного приемника изображения.

Наиболее подходящим для реализации заявленного способа спектрально-селективным элементом, с помощью которого возможно осуществить дополнительную спектральную селекцию излучения, падающего на приемную площадку матричного электронного приемника изображения, следует считать поглощающий фильтр, выполненный из флюорита. Это вещество обладает выраженной монотонной зависимостью пропускания в спектральном диапазоне чувствительности матричных микроболометрических приемников изображения на основе аморфного кремния (от 7 мкм до 14 мкм). Кроме этого, оптические элементы, выполненные из этого материала, являются простыми в изготовлении и надежными в эксплуатации.

Для повышения надежности результатов измерения температуры в заявляемом способе дополнительную спектральную селекцию целесообразно осуществлять последовательно с помощью по меньшей мере двух спектрально-селективных элементов, имеющих различные характеристики пропускания. При этом результаты измерений следует усреднять.

Сущность заявляемого устройства для термографирования состоит в том, что в устройстве, включающем оптическую систему, оптически сопряженный с выходом оптической системы матричный электронный приемник изображения, электронную схему приема и обработки данных об изображении объекта, электрически соединенную с выходом матричного электронного приемника излучения, а также блок питания и управления, чувствительные элементы матричного электронного приемника изображения выполнены с возможностью регистрации теплового излучения объекта преимущественно в спектральном диапазоне от 7 мкм до 14 мкм, устройство дополнительно включает средства для введения в оптическую систему и выведения из нее спектрально-селективного элемента, имеющего монотонную зависимость пропускания от длины волны излучения в указанном спектральном диапазоне, и блок определения температуры объекта, включающий модуль памяти, а также вычислительные средства для определения массива цифровых данных температуры объекта по цифровым данным изображений объекта.

Кроме того, спектрально-селективный элемент может быть выполнен в виде поглощающего фильтра из флюорита.

Кроме того, средства для введения в оптическую систему и выведения из нее спектрально-селективного элемента могут включать шторку, выполненную с возможностью перекрывания оптического тракта распространения излучения от объекта к матричному электронному приемнику изображения.

Кроме того, средства для введения в оптическую систему и выведения из нее спектрально-селективного элемента могут включать модуль синхронизации, а также электрически соединенные с ним привод вращения и датчик углового положения, причем модуль синхронизации электрически соединен с блоком питания и управления.

Сущность изобретения поясняется чертежами, представленными на Фиг.1-6. На Фиг.1 показаны нормированные зависимости спектрального распределения яркости свечения абсолютно черного тела при различных температурах нагрева. На Фиг.2 приведена монотонная спектральная зависимость пропускания спектрально-селективного элемента на примере поглощающего фильтра из флюорита толщиной 8 мм. На Фиг.3-4 изображены градуировочные зависимости f(T), рассчитанные для абсолютно черного тела и спектрально-селективного элемента из флюорита по формулам (1) и (2) соответственно. На Фиг.5 показана схема устройства, реализующего заявляемый способ. На Фиг.6 представлены временная диаграмма электрических сигналов с выхода датчика углового положения и соответствующая ей диаграмма изменения пропускания оптической системы устройства.

Заявляемый способ реализуют следующим образом. Оптическую систему 1 устройства ориентируют в пространстве таким образом, чтобы ее оптическая ось была направлена в сторону исследуемого объекта 4. Нагретый до заранее неизвестной температуры Т, расположенный на заранее неизвестном расстоянии L до устройства объект 4, имеющий известное спектральное распределение яркости Φ(λ, T) испускает электромагнитное излучение в том числе в спектральном диапазоне от 7 мкм до 14 мкм. Оптическая система 1 устройства, направленная в сторону объекта, частично улавливает это излучение и формирует на приемной площадке матричного электронного (например, неохлаждаемого микроболометрического на основе аморфного кремния) приемника 2 изображение данного объекта 4 с необходимым для его распознавания пространственным разрешением. При осуществлении основной регистрации электрические сигналы, пропорциональные интегралу

,

с выхода матричного электронного приемника изображения 2 поступают на вход электронной схемы 3 для приема и обработки данных об изображении объекта 4. Указанная электронная схема 3 включает необходимые средства для оцифровки поступающих на ее вход сигналов, например аналого-цифровой преобразователь и средства для формирования из полученных таким образом цифровых данных основного массива цифровых данных изображения объекта 4. Далее данные основного массива поступают в блок определения температуры объекта 8, а именно в модуль памяти 9, где и сохраняются в области, отведенной для основного массива цифровых данных изображения объекта 4. На этом этапе работы устройство обеспечивает отображение нагретого объекта 4 в ИК диапазоне спектра. Данное «тепловое» изображение объекта 4 может быть воспроизведено, например, на экране монитора, подключенного к выходу модуля памяти 9 через стандартный тракт формирования видеосигнала. Для цели термографирования, т.е. определения значений температуры различных участков объекта 4, из блока питания и управления 5 устройства на вход средства 6 по команде оператора (или автоматически с определенной частотой, задаваемой оператором) поступает сигнал для введения в оптическую систему 1 спектрально-селективного элемента 7, имеющего монотонную зависимость пропускания от длины волны излучения τ(λ) в спектральном диапазоне от 7 мкм до 14 мкм, например, поглощающего фильтра из флюорита. Таким образом, реализуют условия осуществления дополнительной спектральной селекции излучения, падающего на приемную площадку матричного электронного приемника изображения 2, в пределах указанного интервала длин волн. После этого, в результате дополнительной регистрации, электрические сигналы, пропорциональные интегралу

,

с выхода матричного электронного приемника изображения 2 поступают на вход электронной схемы 3 для приема и обработки данных об изображении объекта 4 с учетом спектральной селекции испускаемого им излучения. В электронной схеме 3 осуществляют аналого-цифровое преобразование данных сигналов и направляют их в цифровом виде на вход модуля памяти 9, где они сохраняются в области, отведенной для дополнительного массива цифровых данных изображения объекта 4. Далее из блока питания и управления 5 устройства на вход блока определения температуры объекта 8 по команде оператора (или автоматически с определенной частотой, задаваемой оператором) поступает сигнал для формирования массива цифровых данных температуры объекта 4. По данному сигналу с выхода модуля памяти 9 на вход вычислительных средств 10 поступают основной и дополнительный массивы цифровых данных изображения объекта 4. Вычислительные средства 10 осуществляют вычисление отношений значений данных массивов и далее устанавливают соответствие между этими значениями и значениями температуры Т отдельных участков объекта 4 по градуировочной зависимости f(T), вид которой определяется оператором и вводится в модуль хранения градуировочных данных 14 непосредственно перед началом работы устройства в случае, если известно спектральное распределение яркости объекта 4 Φ(λ, Т). Если спектральное распределение яркости объекта 4 перед началом работы неизвестно, вычислительные средства 10 устанавливают указанное выше соответствие по градуировочной зависимости, вид которой определен исходя из предположения Φ(λ, Т)=Φ_АТЧ(λ, Т) и предварительно занесен в модуль хранения градуировочных данных 14. С выхода вычислительных средств 10 данные о температурном распределении объекта 4 через стандартный тракт формирования видеосигнала также могут быть переданы на экран монитора для отображения.

Заявляемое устройство включает оптическую систему 1, выполненную, например, в виде зеркального объектива или линзового объектива, компоненты которого изготовлены из прозрачного в спектральном диапазоне от 7 мкм до 14 мкм материала, например германия. Матричный электронный приемник изображения 2, выполненный, например, в виде неохлаждаемой микроболометрической матрицы на основе аморфного кремния, чувствительные элементы которой выполнены с возможностью регистрации теплового излучения преимущественно в спектральном диапазоне от 7 мкм до 14 мкм, размещен таким образом, что его чувствительная поверхность расположена либо вблизи задней фокальной плоскости оптической системы 1, либо непосредственно в указанной плоскости. Для регулировки условий фокусировки изображения матричный электронный приемник изображения 2 может быть выполнен с возможностью перемещения относительно неподвижной оптической системы 2 вдоль ее оптической оси. В заявляемом устройстве указанная регулировка может быть осуществлена также и альтернативным образом за счет исполнения одного или нескольких компонентов оптической схемы 2 с возможностью перемещения вдоль оптической оси. Матричный электронный приемник изображения 2 в этом случае может быть выполнен без возможности перемещения вдоль оптической оси оптической системы 2. Выход матричного электронного приемника изображения 2 электрически соединен со входом электронной схемы 3 для приема и обработки данных об изображении объекта 4, два выхода которой электрически соединены со входами модуля памяти 9 и вычислительных средств 10, выполненных, например, в виде микропроцессора. Вычислительные средства 10 дополнительно электрически соединены с выходом модуля хранения градуировочных данных 14. Блок питания и управления 5 электрически соединен с электронной схемой 3 для приема и обработки данных об изображении объекта 4, с модулем хранения градуировочных данных 14, а также со средством 6 для введения в оптическую систему 1 и выведения из нее спектрально-селективного элемента 7. В качестве одного из возможных вариантов реализации средства 6 для введения в оптическую систему 1 и выведения из нее спектрально-селективного элемента 7 в данном изобретении предложен узел, включающий модуль синхронизации 11, а также электрически соединенные с ним привод вращения 12 и датчик углового положения 13, причем модуль синхронизации 11 и привод вращения 12 электрически соединены с блоком питания и управления 5. В данном варианте исполнения средства 6 спектрально-селективный элемент 7 удобно выполнить в виде кольцевого сектора, как это показано на Фиг.5 (вид А). Этот сектор приводится во вращение приводом вращения 12, в результате чего оптический тракт устройства периодически перекрывается спектрально-селективным элементом 7. Угловую скорость вращения предпочтительно поддерживать неизменной во время проведения измерений. Вместе с тем само значение величины угловой скорости может быть изменено оператором или автоматически в зависимости от величины электрических сигналов, поступающих в электронную схему 3 с чувствительных элементов матричного электронного приемника изображения 2 во время проведения измерений. Отношение угла сектора α, в пределах которого излучение от объекта 4 достигает приемной площадки матричного электронного приемника изображения 2 без спектральной селекции, к углу сектора (360°-α), в пределах которого излучение от объекта 4 достигает приемной площадки матричного электронного приемника изображения 2 через спектрально-селективный элемент 7, выбирают таким образом, чтобы времена экспозиций при основной и дополнительной регистрациях электрических сигналов с чувствительных элементов матричного электронного приемника изображения 2 были одинаковыми. На Фиг.5 показан вариант исполнения датчика углового положения 13, включающего оптронную пару, а также щели 15 и 16 в непрозрачной части экрана 17. При вращении экрана 17 с установленным на нем спектрально-селективным элементом 7 с выхода фотоприемника оптронной пары в модуль синхронизации 11 поступают импульсы А и Б (см. Фиг.6). Эти импульсы фиксируют начало и окончание основной и дополнительной регистрации электрических сигналов с чувствительных элементов матричного электронного приемника изображения 2. В промежутке времени между импульсами А и Б устройство осуществляет основную регистрацию (пропускание оптической системы 1 максимально), в промежутке времени между импульсами Б и А устройство осуществляет дополнительную регистрацию (пропускание оптической системы 1 уменьшается, т.к. в нее введен спектрально-селективный элемент 7).

Таким образом, в настоящем изобретении предложен способ термографирования и устройство для его осуществления, направленные на повышение качества термографирования удаленных слабо нагретых объектов. Заявленный технический результат, а именно повышение точности определения температуры, достигается за счет реализации новой совокупности признаков способа и устройства.

1. Способ термографирования, состоящий в том, что формируют изображение объекта на приемной площадке матричного электронного приемника изображения в инфракрасном диапазоне спектра, осуществляют основную регистрацию электрических сигналов с чувствительных элементов матричного электронного приемника изображения, производят аналого-цифровое преобразование этих сигналов и формируют основной массив цифровых данных изображения объекта, отличающийся тем, что осуществляют дополнительную спектральную селекцию излучения, падающего на приемную площадку матричного электронного приемника изображения, в пределах интервала длин волн от 7 до 14 мкм с помощью спектрально-селективного элемента, имеющего монотонную зависимость пропускания от длины волны, после чего осуществляют дополнительную регистрацию электрических сигналов с элементов матричного электронного приемника изображения, производят аналого-цифровое преобразование данных сигналов и формируют дополнительный массив цифровых данных изображения объекта, а массив цифровых данных температуры объекта формируют путем определения значений отношения соответствующих элементов основного и дополнительного массивов цифровых данных изображения объекта с последующим установлением соответствия между этими значениями и значениями температуры Т отдельных участков объекта по градуировочной зависимости f(T).

2. Способ термографирования по п.1, отличающийся тем, что градуировочная зависимость f(T) имеет вид

где Φ(λ, Т) - спектральное распределение яркости объекта;

τ(λ) - спектральная зависимость пропускания спектрально-селективного элемента;

k(λ) - нормированная чувствительность элементов матричного электронного приемника изображения;

λ₁, λ₂ - значения длин волн спектрального диапазона интегрирования, выбранные таким образом, что по меньшей мере часть спектрального диапазона, ограниченного этими значениями, перекрывается спектральным диапазоном чувствительности матричного электронного приемника изображения в пределах интервала длин волн от 7 до 14 мкм.

3. Способ термографирования по п.1, отличающийся тем, что градуировочная зависимость f(T) имеет вид

4. Способ термографирования по п.1, отличающийся тем, что дополнительную регистрацию электрических сигналов с элементов матричного электронного приемника изображения осуществляют в течение времени t, величину которого определяют из соотношения

где t₀ - продолжительность основной регистрации электрических сигналов с чувствительных элементов матричного электронного приемника изображения.

5. Способ термографирования по п.1, отличающийся тем, что дополнительную спектральную селекцию излучения осуществляют с помощью спектрально-селективного элемента, выполненного из флюорита.

6. Способ термографирования по п.1, отличающийся тем, что дополнительную спектральную селекцию излучения осуществляют последовательно, по меньшей мере, двумя различными спектрально-селективными элементами.

7. Устройство для термографирования, включающее оптическую систему, оптически сопряженный с выходом оптической системы матричный электронный приемник изображения, электронную схему для приема и обработки данных об изображении объекта, электрически соединенную с выходом матричного электронного приемника изображения, а также блок питания и управления, отличающееся тем, что устройство дополнительно включает средства для введения в оптическую систему и выведения из нее спектрально-селективного элемента, имеющего монотонную зависимость пропускания от длины волны излучения в спектральном диапазоне от 7 до 14 мкм, блок определения температуры объекта, включающий модуль памяти и вычислительные средства для определения массива цифровых данных температуры объекта по цифровым данным его изображений, причем чувствительные элементы матричного электронного приемника изображения выполнены с возможностью регистрации теплового излучения объекта преимущественно в указанном спектральном диапазоне.

8. Устройство для термографирования по п.7, отличающееся тем, что спектрально-селективный элемент выполнен в виде поглощающего фильтра из флюорита.

9. Устройство для термографирования по п.7, отличающееся тем, что средства для введения в оптическую систему и выведения из нее спектрально-селективного элемента включают шторку, выполненную с возможностью перекрывания оптического тракта распространения излучения от объекта к матричному электронному приемнику изображения.

10. Устройство для термографирования по п.7, отличающееся тем, что средства для введения в оптическую систему и выведения из нее спектрально-селективного элемента включают модуль синхронизации, а также электрически соединенные с ним привод вращения и датчик углового положения, причем модуль синхронизации электрически соединен с блоком питания и управления.