Инфракрасная термография ( IRT ), тепловое видео или тепловизионное изображение — это процесс, при котором тепловизионная камера захватывает и создает изображение объекта, используя инфракрасное излучение, испускаемое объектом в процессе, что является примерами науки инфракрасного изображения . Термографические камеры обычно обнаруживают излучение в длинноволновом инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра (примерно 9000–14000 нанометров или 9–14 мкм ) и создают изображения этого излучения, называемые термограммами . Поскольку инфракрасное излучение испускается всеми объектами с температурой выше абсолютного нуля в соответствии с законом излучения черного тела , термография позволяет видеть окружающую среду с видимым освещением или без него. Количество излучения, испускаемого объектом, увеличивается с температурой; поэтому термография позволяет видеть изменения температуры. При просмотре через тепловизионную камеру теплые объекты хорошо выделяются на более холодном фоне; люди и другие теплокровные животные становятся легко видимыми на фоне окружающей среды, днем или ночью. В результате термография особенно полезна для военных и других пользователей камер наблюдения .
Некоторые физиологические изменения у людей и других теплокровных животных также можно отслеживать с помощью тепловидения во время клинической диагностики. Термография используется для выявления аллергии и ветеринарии . Некоторые специалисты по альтернативной медицине продвигают ее использование для скрининга груди , несмотря на предупреждение FDA о том, что «те, кто выбирает этот метод вместо маммографии, могут упустить шанс обнаружить рак на самой ранней стадии». [1] Сотрудники правительства и аэропортов использовали термографию для выявления предполагаемых случаев свиного гриппа во время пандемии 2009 года. [2]
Термография имеет долгую историю, хотя ее использование резко возросло с коммерческими и промышленными применениями за последние пятьдесят лет. Пожарные используют термографию, чтобы видеть сквозь дым , находить людей и локализовать основание пожара. Специалисты по техническому обслуживанию используют термографию для обнаружения перегревающихся соединений и участков линий электропередач , которые являются признаком надвигающегося отказа. Специалисты по строительству зданий могут видеть тепловые сигнатуры, которые указывают на утечки тепла в неисправной теплоизоляции , и могут использовать результаты для повышения эффективности систем отопления и кондиционирования воздуха.
Внешний вид и принцип работы современной термографической камеры часто напоминает камкордер . Часто живая термограмма показывает изменения температуры настолько четко, что для анализа фотография не нужна. Поэтому модуль записи не всегда встроен.
Специализированные тепловизионные камеры используют матрицы фокальной плоскости (FPA), которые реагируют на более длинные волны (средне- и длинноволновый инфракрасный диапазон). Наиболее распространенными типами являются InSb , InGaAs , HgCdTe и QWIP FPA. Новейшие технологии используют недорогие неохлаждаемые микроболометры в качестве датчиков FPA. Их разрешение значительно ниже, чем у оптических камер, в основном 160x120 или 320x240 пикселей , до 1280 x 1024 [3] для самых дорогих моделей. Тепловизионные камеры намного дороже своих аналогов видимого спектра, а более дорогие модели часто имеют ограничения на экспорт из-за военного использования этой технологии. Старые болометры или более чувствительные модели, такие как InSb, требуют криогенного охлаждения, обычно с помощью миниатюрного холодильника с циклом Стирлинга или жидкого азота .
Тепловые изображения, или термограммы, являются визуальными отображениями общей инфракрасной энергии, излучаемой, передаваемой и отражаемой объектом. Поскольку существует несколько источников инфракрасной энергии, иногда бывает сложно получить точную температуру объекта с помощью этого метода. Тепловизионная камера использует алгоритмы обработки для реконструкции температурного изображения. Обратите внимание, что изображение показывает приближение температуры объекта, поскольку камера интегрирует несколько источников данных в областях, окружающих объект, чтобы оценить его температуру. [4]
Это явление может стать более понятным при рассмотрении формулы:
где падающая мощность излучения — это профиль мощности излучения при просмотре через тепловизионную камеру. Излученная мощность излучения — это то, что обычно должно быть измерено; переданная мощность излучения — это мощность излучения, которая проходит через объект от удаленного теплового источника, и; отраженная мощность излучения — это количество мощности излучения, которая отражается от поверхности объекта от удаленного теплового источника.
Это явление происходит везде и всегда. Это процесс, известный как лучистый теплообмен, поскольку лучистая мощность × время равна лучистой энергии . Однако в случае инфракрасной термографии приведенное выше уравнение используется для описания лучистой мощности в пределах спектральной полосы пропускания длин волн используемой тепловизионной камеры. Требования к лучистому теплообмену, описанные в уравнении, применяются одинаково для каждой длины волны в электромагнитном спектре .
Если объект излучает при более высокой температуре, чем его окружение, то передача энергии происходит путем излучения от теплого к холодному в соответствии с принципом, изложенным во втором законе термодинамики . Таким образом, если на термограмме есть холодная область, этот объект будет поглощать излучение, испускаемое окружающими теплыми объектами.
Способность объектов излучать называется излучательной способностью , поглощать излучение называется поглощательной способностью . В условиях внешней среды при попытке получить точные показания температуры может также потребоваться учитывать конвективное охлаждение от ветра.
Излучательная способность (или коэффициент излучения) представляет собой способность материала испускать тепловое излучение , которое является оптическим свойством материи . Излучательная способность материала теоретически может находиться в диапазоне от 0 (полностью не излучает) до 1 (полностью излучает). Примером вещества с низкой излучательной способностью может быть серебро с коэффициентом излучения 0,02. Примером вещества с высокой излучательной способностью может быть асфальт с коэффициентом излучения 0,98.
Абсолютно черное тело — это теоретический объект с излучательной способностью 1, который излучает тепловое излучение, характерное для его контактной температуры. То есть, если бы контактная температура термически однородного излучателя черного тела была 50 °C (122 °F), он излучал бы характерное излучение черного тела 50 °C (122 °F). Обычный объект излучает меньше инфракрасного излучения, чем теоретическое черное тело. Другими словами, отношение фактического излучения к максимальному теоретическому излучению является излучательной способностью объекта.
Каждый материал имеет различную излучательную способность, которая может меняться в зависимости от температуры и длины волны инфракрасного излучения. [5] Например, чистые металлические поверхности имеют излучательную способность, которая уменьшается с увеличением длины волны; многие диэлектрические материалы, такие как кварц (SiO 2 ), сапфир (Al 2 O 3 ), фторид кальция (CaF 2 ) и т. д. имеют излучательную способность, которая увеличивается с увеличением длины волны; простые оксиды, такие как оксид железа (Fe 2 O 3 ), демонстрируют относительно плоскую излучательную способность в инфракрасном спектре.
Тепловизионной камере требуется ряд математических алгоритмов для построения видимого изображения, поскольку камера способна видеть только электромагнитное излучение, невидимое человеческому глазу . Выходное изображение может быть в формате JPG или любом другом формате изображения.
Спектр и количество теплового излучения сильно зависят от температуры поверхности объекта . Это позволяет проводить тепловизионную съемку температуры объекта. Однако на полученное излучение влияют и другие факторы, что ограничивает точность этого метода: например, излучательная способность объекта.
Для бесконтактного измерения температуры необходимо правильно настроить коэффициент излучения. Температура объекта с низким коэффициентом излучения может быть занижена детектором, поскольку он обнаруживает только испускаемые инфракрасные лучи. Для быстрой оценки термографист может обратиться к таблице коэффициентов излучения для данного типа объекта и ввести это значение в тепловизор. Затем он рассчитает контактную температуру объекта на основе введенного коэффициента излучения и инфракрасного излучения, обнаруженного тепловизором.
Для более точного измерения термографист может нанести на поверхность объекта стандартный материал с известной высокой излучательной способностью. Стандартным материалом может быть промышленный спрей с излучательной способностью, произведенный специально для этой цели, или такой простой, как стандартная черная изоляционная лента с излучательной способностью около 0,97. Затем можно измерить известную температуру объекта с использованием стандартной излучательной способности. При желании можно определить фактическую излучательную способность объекта (на части объекта, не покрытой стандартным материалом), отрегулировав настройку тепловизора на известную температуру. Однако бывают ситуации, когда такой тест на излучательную способность невозможен из-за опасных или недоступных условий, тогда термографист должен полагаться на таблицы.
На измерение могут влиять и другие переменные, включая поглощение и температуру окружающей среды передающей среды (обычно воздуха). Кроме того, окружающее инфракрасное излучение может отражаться в объекте. Все эти настройки повлияют на расчетную температуру рассматриваемого объекта.
Изображения с инфракрасных камер, как правило, монохромные, поскольку камеры обычно используют датчик изображения , который не различает различные длины волн инфракрасного излучения. Цветные датчики изображения требуют сложной конструкции для различения длин волн, а цвет имеет меньшее значение за пределами обычного видимого спектра, поскольку различные длины волн не отображаются единообразно в системе цветного зрения, используемой людьми.
Иногда эти монохромные изображения отображаются в псевдоцвете , где для отображения изменений сигнала используются изменения цвета, а не изменения интенсивности. Этот метод, называемый нарезкой плотности , полезен, поскольку, хотя у людей гораздо больший динамический диапазон обнаружения интенсивности, чем цвета в целом, способность видеть тонкие различия интенсивности в ярких областях довольно ограничена.
При измерении температуры самые яркие (теплые) части изображения обычно окрашиваются в белый цвет, промежуточные температуры — в красный и желтый, а самые тусклые (холодные) части — в черный. Рядом с изображением в ложных цветах должна быть показана шкала, чтобы связать цвета с температурами.
Термографическая камера (также называемая инфракрасной камерой или тепловизионной камерой , тепловизионной камерой или тепловизором ) — это устройство, которое создает изображение с помощью инфракрасного (ИК) излучения, аналогично обычной камере , которая формирует изображение с помощью видимого света . Вместо диапазона 400–700 нанометров (нм) камеры видимого света, инфракрасные камеры чувствительны к длинам волн от примерно 1000 нм (1 микрометра или мкм) до примерно 14 000 нм (14 мкм). Практика захвата и анализа данных, которые они предоставляют, называется термографией .
Тепловые камеры преобразуют энергию в дальней инфракрасной длине волны в видимое световое отображение. Все объекты выше абсолютного нуля излучают тепловую инфракрасную энергию, поэтому тепловые камеры могут пассивно видеть все объекты, независимо от окружающего освещения. Однако большинство тепловых камер чувствительны к объектам теплее −50 °C (−58 °F).
Некоторые параметры спецификации системы инфракрасной камеры включают количество пикселей , частоту кадров , чувствительность , эквивалентную шуму мощность , эквивалентную шуму разницу температур (NETD), спектральный диапазон, отношение расстояния к пятну (D:S), минимальное расстояние фокусировки, срок службы сенсора, минимальную разрешимую разницу температур (MRTD), поле зрения , динамический диапазон , входную мощность, а также массу и объем.
Их разрешение значительно ниже, чем у оптических камер, часто около 160x120 или 320x240 пикселей, хотя более дорогие могут достигать разрешения 1280x1024 пикселей. Термографические камеры намного дороже своих аналогов видимого спектра, хотя низкопроизводительные дополнительные тепловые камеры для смартфонов стали доступны за сотни долларов США в 2014 году. [6]
Термографические камеры можно разделить на два типа: с охлаждаемыми детекторами инфракрасного изображения и с неохлаждаемыми детекторами.
Охлаждаемые детекторы обычно содержатся в герметичном вакуумном корпусе или сосуде Дьюара и охлаждаются криогенно . Охлаждение необходимо для работы используемых полупроводниковых материалов. Типичные рабочие температуры варьируются от 4 К (−269 °C) до температуры чуть ниже комнатной, в зависимости от технологии детектора. Большинство современных охлаждаемых детекторов работают в диапазоне от 60 Кельвинов (К) до 100 К (от -213 до -173 °C), в зависимости от типа и уровня производительности. [7]
Без охлаждения эти датчики (которые обнаруживают и преобразуют свет почти так же, как и обычные цифровые камеры, но сделаны из других материалов) были бы «ослеплены» или затоплены собственным излучением. Недостатки охлаждаемых инфракрасных камер в том, что они дороги как в производстве, так и в эксплуатации. Охлаждение требует больших затрат энергии и времени.
Камере может потребоваться несколько минут для охлаждения, прежде чем она сможет начать работать. Наиболее часто используемые системы охлаждения — это охладители Пельтье , которые, хотя и неэффективны и ограничены в охлаждающей способности, относительно просты и компактны. Для получения лучшего качества изображения или для визуализации низкотемпературных объектов необходимы криоохладители Стирлинга . Хотя охлаждающее устройство может быть сравнительно громоздким и дорогим, охлаждаемые инфракрасные камеры обеспечивают гораздо лучшее качество изображения по сравнению с неохлаждаемыми, особенно объектов, близких к комнатной температуре или ниже. Кроме того, более высокая чувствительность охлаждаемых камер также позволяет использовать объективы с большим числом F , что делает высокопроизводительные длиннофокусные объективы и меньше, и дешевле для охлаждаемых детекторов.
Альтернативой охладителям Стирлинга является использование газов, находящихся в баллонах под высоким давлением, при этом азот является обычным выбором. Сжатый газ расширяется через микроразмерное отверстие и проходит через миниатюрный теплообменник, что приводит к регенеративному охлаждению посредством эффекта Джоуля-Томсона . Для таких систем подача сжатого газа является логистической проблемой для использования в полевых условиях.
Материалы, используемые для охлаждаемого инфракрасного обнаружения, включают фотодетекторы на основе широкого спектра узкозонных полупроводников , включая антимонид индия (3-5 мкм), арсенид индия , теллурид кадмия-ртути (MCT) (1-2 мкм, 3-5 мкм, 8-12 мкм), сульфид свинца и селенид свинца . Инфракрасные фотодетекторы также могут быть созданы со структурами полупроводников с большой шириной запрещенной зоны, такими как инфракрасные фотодетекторы с квантовыми ямами .
Технологии охлаждаемых болометров могут быть сверхпроводящими или несверхпроводящими. Сверхпроводящие детекторы обеспечивают чрезвычайную чувствительность, некоторые из них способны регистрировать отдельные фотоны. Например, сверхпроводящая камера (SCAM) ESA . Однако они не используются регулярно за пределами научных исследований. В принципе, сверхпроводящие туннельные переходные устройства могут использоваться в качестве инфракрасных датчиков из-за их очень узкой щели. Были продемонстрированы небольшие массивы, но они не были широко приняты для использования, поскольку их высокая чувствительность требует тщательной защиты от фонового излучения.
Неохлаждаемые тепловизионные камеры используют датчик, работающий при температуре окружающей среды, или датчик, стабилизированный при температуре, близкой к температуре окружающей среды, с использованием небольших элементов контроля температуры. Современные неохлаждаемые детекторы используют датчики, которые работают за счет изменения сопротивления , напряжения или тока при нагревании инфракрасным излучением. Затем эти изменения измеряются и сравниваются со значениями при рабочей температуре датчика.
В неохлаждаемых детекторах разница температур на пикселях сенсора незначительна; разница в 1 °C на сцене вызывает разницу всего в 0,03 °C на сенсоре. Время отклика пикселей также довольно медленное, в диапазоне десятков миллисекунд.
Неохлаждаемые инфракрасные датчики могут быть стабилизированы до рабочей температуры для снижения шума изображения, но они не охлаждаются до низких температур и не требуют громоздких, дорогих, энергоемких криогенных охладителей. Это делает инфракрасные камеры меньше и дешевле. Однако их разрешение и качество изображения, как правило, ниже, чем у охлаждаемых детекторов. Это связано с различиями в процессах их изготовления, ограниченными доступными в настоящее время технологиями. Неохлаждаемая тепловизионная камера также должна иметь дело со своей собственной тепловой сигнатурой.
Неохлаждаемые детекторы в основном основаны на пироэлектрических и сегнетоэлектрических материалах или технологии микроболометров . [8] Материалы используются для формирования пикселей со свойствами, сильно зависящими от температуры, которые теплоизолированы от окружающей среды и считываются электронным способом.
Сегнетоэлектрические детекторы работают вблизи температуры фазового перехода материала датчика; температура пикселя считывается как поляризационный заряд, сильно зависящий от температуры. Достигнутый NETD сегнетоэлектрических детекторов с оптикой f/1 и датчиками 320x240 составляет 70-80 мК. Возможная сборка датчика состоит из титаната бария-стронция, соединенного с помощью термоизолированного полиимидного соединения.
Кремниевые микроболометры могут достигать NETD до 20 мК. Они состоят из слоя аморфного кремния или тонкопленочного чувствительного элемента из оксида ванадия (V), подвешенного на мосту из нитрида кремния над сканирующей электроникой на основе кремния. Электрическое сопротивление чувствительного элемента измеряется один раз за кадр.
Текущие усовершенствования неохлаждаемых решеток фокальной плоскости (UFPA) в первую очередь направлены на повышение чувствительности и плотности пикселей. В 2013 году DARPA анонсировала пятимикронную камеру LWIR, которая использует решетку фокальной плоскости (FPA) 1280 x 720. [9] Некоторые из материалов, используемых для сенсорных матриц , включают аморфный кремний (a-Si), оксид ванадия (V) (VOx), [10] манганит лантана-бария (LBMO), цирконат-титанат свинца (PZT), цирконат-титанат свинца, легированный лантаном (PLZT) , танталат свинца-скандия (PST), титанат свинца-лантана (PLT ), титанат свинца (PT), ниобат свинца-цинка (PZN), титанат свинца-стронция (PSrT), титанат бария-стронция (BST), титанат бария (BT), сульфоиодид сурьмы (SbSI) и поливинилидендифторид (PVDF).
Неспециализированные приборы с зарядовой связью (ПЗС) и КМОП-датчики имеют большую часть своей спектральной чувствительности в диапазоне длин волн видимого света. Однако, используя «заднюю» область их спектральной чувствительности, а именно часть инфракрасного спектра, называемую ближним инфракрасным (БИК), и используя стандартную камеру видеонаблюдения, при определенных обстоятельствах можно получить истинные тепловые изображения объектов с температурой около 280 °C (536 °F) и выше. [11]
При температурах 600 °C и выше недорогие камеры с ПЗС- и КМОП-датчиками также использовались для пирометрии в видимом спектре. Они использовались для сажи в пламени, горящих угольных частиц, нагретых материалов, нитей SiC и тлеющих углей. [12] Эта пирометрия выполнялась с использованием внешних фильтров или только фильтров Байера датчика . Она выполнялась с использованием цветовых соотношений, оттенков серого и/или гибрида того и другого.
Инфракрасная (ИК) пленка чувствительна к излучению черного тела в диапазоне от 250 до 500 °C (от 482 до 932 °F), в то время как диапазон термографии составляет приблизительно от −50 до 2000 °C (от −58 до 3632 °F). Таким образом, для того, чтобы ИК-пленка работала термографически, измеряемый объект должен иметь температуру более 250 °C (482 °F) или отражать инфракрасное излучение от чего-то, что по крайней мере настолько горячее.
Приборы ночного видения типа Starlight, как правило, только усиливают окружающий свет и не являются тепловизорами.
Некоторые инфракрасные камеры, продаваемые как камеры ночного видения, чувствительны к ближнему инфракрасному излучению сразу за видимым спектром и могут видеть излучаемый или отражаемый ближний инфракрасный диапазон в полной визуальной темноте. Однако они обычно не используются для термографии из-за требуемой высокой эквивалентной температуры черного тела , а вместо этого используются с активными источниками освещения ближнего ИК-диапазона.
Все объекты выше абсолютного нуля температуры (0 К ) испускают инфракрасное излучение . Следовательно, отличным способом измерения тепловых изменений является использование инфракрасного видения , обычно инфракрасной камеры с решеткой фокальной плоскости (FPA), способной обнаруживать излучение в средних (от 3 до 5 мкм) и длинных (от 7 до 14 мкм) инфракрасных диапазонах, обозначаемых как MWIR и LWIR, соответствующих двум инфракрасным окнам с высокой пропускаемостью . Аномальные температурные профили на поверхности объекта являются признаком потенциальной проблемы. [13]
В пассивной термографии интересующие объекты, естественно, имеют более высокую или более низкую температуру, чем фон. Пассивная термография имеет множество применений, таких как наблюдение за людьми на месте происшествия и медицинская диагностика (в частности, термология ).
В активной термографии требуется источник энергии для создания теплового контраста между интересующим объектом и фоном. [14] Активный подход необходим во многих случаях, учитывая, что проверяемые детали обычно находятся в равновесии с окружающей средой. Учитывая сверхлинейность излучения черного тела , активную термографию можно также использовать для повышения разрешения систем визуализации за пределами их дифракционного предела или для достижения сверхразрешающей микроскопии . [15]
Термография показывает визуальную картину, поэтому можно сравнивать температуры на большой площади. [16] [17] [18] Она способна улавливать движущиеся цели в реальном времени. [16] [17] [18] Она способна обнаруживать ухудшение, т. е. компоненты с более высокой температурой до их выхода из строя. Ее можно использовать для измерения или наблюдения в областях, недоступных или опасных для других методов. Это метод неразрушающего контроля. Ее можно использовать для обнаружения дефектов в шахтах, трубах и других металлических или пластиковых деталях. [19] Ее можно использовать для обнаружения объектов в темных областях. Она имеет некоторое медицинское применение, в основном в физиотерапии .
Качественные термографические камеры часто имеют высокую цену (часто 3000 долларов США и более) из-за стоимости более крупного массива пикселей (современный 1280x1024), хотя доступны и менее дорогие модели (с массивами пикселей от 40x40 до 160x120 пикселей). Меньшее количество пикселей по сравнению с традиционными камерами снижает качество изображения, что затрудняет различение близких целей в пределах одного поля зрения.
Также есть разница в частоте обновления. Некоторые камеры могут иметь только значение обновления 5–15 Гц, другие (например, FLIR X8500sc [3] ) 180 Гц или даже больше в режиме не полного окна.
Также объектив может быть интегрированным или нет.
Многие модели не предоставляют измерений освещенности, используемых для построения выходного изображения; потеря этой информации без правильной калибровки излучательной способности, расстояния, температуры окружающей среды и относительной влажности приводит к тому, что полученные изображения изначально являются неверными измерениями температуры. [20]
Изображения может быть трудно точно интерпретировать, если они основаны на определенных объектах, особенно объектах с нестабильными температурами, хотя эта проблема уменьшается при активном тепловидении. [21]
Термографические камеры создают тепловые изображения на основе получаемой ими лучистой тепловой энергии. [22] Поскольку на уровень излучения влияют излучательная способность и отражение излучения, например солнечного света, от измеряемой поверхности, это приводит к ошибкам в измерениях. [23]
Термография находит множество применений, и тепловизионные камеры являются отличными инструментами для обслуживания электрических и механических систем в промышленности и торговле. Например, пожарные используют ее, чтобы видеть сквозь дым , находить людей и локализовать очаги возгораний. Специалисты по обслуживанию линий электропередач обнаруживают перегревающиеся соединения и детали, что является явным признаком их неисправности, чтобы устранить потенциальные опасности. Там, где теплоизоляция выходит из строя, специалисты по строительству зданий могут увидеть утечки тепла, чтобы повысить эффективность охлаждения или нагревания кондиционирования воздуха.
Используя правильные настройки камеры, можно сканировать электрические системы и находить проблемы. Неисправности конденсатоотводчиков в системах парового отопления легко обнаружить.
В сфере энергосбережения тепловизионные камеры могут определять эффективную температуру излучения объекта, а также направление излучения этого объекта, что может помочь обнаружить источники утечек тепла и перегретые области.
Охлаждаемые инфракрасные камеры можно найти на основных астрономических исследовательских телескопах , даже тех, которые не являются инфракрасными телескопами . Примерами являются такие телескопы, как UKIRT , Spitzer Space Telescope , WISE и James Webb Space Telescope [24]
Для помощи водителю в некоторых автомобилях класса люкс также устанавливаются тепловизионные камеры ночного видения . Первой из них стала модель Cadillac DeVille 2000 года .
В смартфонах тепловизионная камера впервые была интегрирована в Cat S60 в 2016 году.
В производстве, проектировании и исследованиях термография может использоваться для:
При обследовании зданий термография может использоваться в: [26]
Некоторые физиологические активности, в частности, реакции, такие как лихорадка , у людей и других теплокровных животных также можно отслеживать с помощью бесконтактной термографии . Это можно сравнить с контактной термографией, например, с традиционными термометрами.
К сферам применения, связанным со здравоохранением, относятся:
Термография часто используется в целях наблюдения , безопасности, пожаротушения, охраны правопорядка и борьбы с терроризмом : [33]
В системах вооружения термография может использоваться для обнаружения и захвата целей военными и полицией:
В компьютерном взломе тепловая атака представляет собой подход, который использует тепловые следы, остающиеся после взаимодействия с интерфейсами, такими как сенсорные экраны или клавиатуры, для раскрытия ввода данных пользователем. [35]
Другие области, в которых используются эти методы:
Высококлассные термографические камеры часто считаются оборудованием двойного назначения военного класса и имеют ограничения на экспорт, особенно если разрешение составляет 640x480 или больше, если частота обновления не составляет 9 Гц или меньше. Экспорт из США определенных тепловизионных камер регулируется Международными правилами торговли оружием .
Термография, по строгому определению, является измерением с использованием инструмента, но некоторые живые существа имеют естественные органы, которые функционируют как аналоги болометров , и, таким образом, обладают грубым типом способности к тепловизионной визуализации. Это называется термоцепцией . Одним из наиболее известных примеров является инфракрасное зондирование у змей .
Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году сэром Уильямом Гершелем как форма излучения за пределами красного света. [41] Эти «инфракрасные лучи» (infra — латинская приставка для «ниже») использовались в основном для тепловых измерений. [42] Существует четыре основных закона ИК-излучения: закон теплового излучения Кирхгофа , закон Стефана-Больцмана , закон Планка и закон смещения Вина . Развитие детекторов было в основном сосредоточено на использовании термометров и болометров до Первой мировой войны . Значительный шаг в развитии детекторов произошел в 1829 году, когда Леопольдо Нобили , используя эффект Зеебека , создал первую известную термопару , изготовив усовершенствованный термометр, грубую термобатарею . Он описал этот прибор Маседонио Меллони . Первоначально они совместно разработали значительно улучшенный прибор. Впоследствии Меллони работал в одиночку, создав в 1833 году прибор (многоэлементную термобатарею ), который мог обнаружить человека на расстоянии 10 метров. [43] Следующим значительным шагом в совершенствовании детекторов стал болометр, изобретенный в 1880 году Сэмюэлем Пирпонтом Лэнгли . [44] Лэнгли и его помощник Чарльз Грили Эббот продолжили совершенствовать этот прибор. К 1901 году он мог обнаруживать излучение от коровы на расстоянии 400 метров и был чувствителен к разнице температур в стотысячные (0,00001 C) градуса Цельсия. [45] [46] Первая коммерческая тепловизионная камера была продана в 1965 году для проверки высоковольтных линий электропередач.
Первым гражданским применением ИК-технологии, возможно, было устройство для обнаружения айсбергов и пароходов с использованием зеркала и термобатареи, запатентованное в 1913 году. [47] Вскоре его превзошел первый точный ИК-детектор айсбергов, в котором не использовались термобатареи, запатентованный в 1914 году Р. Д. Паркером. [48] За этим последовало предложение Г. А. Баркера использовать ИК-систему для обнаружения лесных пожаров в 1934 году. [49] Эта технология не была по-настоящему промышленно освоена, пока ее не начали использовать для анализа равномерности нагрева горячих стальных полос в 1935 году. [50]
В 1929 году венгерский физик Кальман Тихани изобрел инфракрасную (ночного видения) электронную телевизионную камеру для противовоздушной обороны Великобритании. [51] Первой разработанной американской термографической камерой был инфракрасный линейный сканер. Он был создан американскими военными и Texas Instruments в 1947 году [52] [ неудачная проверка ] и требовал одного часа, чтобы создать одно изображение. В то время как было исследовано несколько подходов для повышения скорости и точности технологии, одним из наиболее важных факторов было сканирование изображения, которое компания AGA смогла коммерциализировать с помощью охлаждаемого фотопроводника. [53]
Первой британской инфракрасной системой линейного сканирования была Yellow Duckling середины 1950-х годов. [54] Она использовала непрерывно вращающееся зеркало и детектор с осью Y-сканирования по движению самолета-носителя. Хотя она не пригодилась в своем предполагаемом применении для отслеживания подводных лодок путем обнаружения следа, она была применена для наземного наблюдения и стала основой военного ИК-линейного сканирования.
Эта работа получила дальнейшее развитие в Королевском центре сигналов и радаров в Великобритании, когда они обнаружили, что теллурид кадмия и ртути является фотопроводником, требующим гораздо меньшего охлаждения. Honeywell в Соединенных Штатах также разработала массивы детекторов, которые могли охлаждаться при более низкой температуре, [ необходимо дополнительное объяснение ], но они сканировали механически. Этот метод имел несколько недостатков, которые можно было преодолеть с помощью электронной сканирующей системы. В 1969 году Майкл Фрэнсис Томпсетт из English Electric Valve Company в Великобритании запатентовал камеру, которая сканировала пироэлектронно и которая достигла высокого уровня производительности после нескольких других прорывов в 1970-х годах. [55] Томпсетт также предложил идею твердотельных массивов тепловизионной съемки, что в конечном итоге привело к современным гибридным устройствам получения изображений на основе монокристаллических срезов. [53]
Используя трубки видеокамеры, такие как видиконы с пироэлектрическим материалом, таким как триглицинсульфат (TGS), в качестве их целей, можно получить видикон, чувствительный к широкому участку инфракрасного спектра [56] . Эта технология была предшественником современной технологии микроболометров и в основном использовалась в тепловизионных камерах для пожаротушения. [57]
Одной из основных областей развития систем безопасности была способность разумно оценивать сигнал, а также предупреждать о наличии угрозы. Под руководством Стратегической оборонной инициативы США начали появляться «умные датчики». Это датчики, которые могли бы интегрировать зондирование, извлечение сигнала, обработку и понимание. [58] Существует два основных типа умных датчиков. Один, похожий на то, что называется « чипом зрения » при использовании в видимом диапазоне, позволяет выполнять предварительную обработку с использованием методов интеллектуального зондирования из-за увеличения роста интегрированных микросхем. [59] Другая технология больше ориентирована на конкретное использование и выполняет свою задачу предварительной обработки посредством своей конструкции и структуры. [60]
К концу 1990-х годов использование инфракрасного излучения перешло в гражданское использование. Произошло резкое снижение стоимости неохлаждаемых массивов, что наряду со значительным ростом разработок привело к рынку двойного назначения , охватывающему как гражданское, так и военное использование. [61] Эти применения включают контроль окружающей среды, анализ зданий/искусства, функциональную медицинскую диагностику, а также системы управления автомобилем и предотвращения столкновений . [62] [63] [64] [65] [66] [67]
{{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь ) [ постоянная мертвая ссылка ]{{cite book}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на ноябрь 2024 г. ( ссылка ){{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь )