Wysokotemperaturowa kalibracja kamery termowizyjnej w szerokim zakresie widmowym

pol Artykuł w języku polskim DOI: 10.14313/PAR_259/81

wyślij Tomasz Sosnowski , Sławomir Gogler Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Optoelektroniki, ul. gen. Sylwestra Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

Pobierz Artykuł

Streszczenie

Rozwój technologii podczerwieni i termowizji umożliwił szerokie zastosowanie kamer termograficznych w różnych dziedzinach, takich jak wojsko, medycyna, motoryzacja czy systemy nadzoru. Kamery te służą do zdalnego pomiaru temperatury obiektów, a także do analizy mocy promieniowania, co jest istotne w kontekście spalania substancji. Pomiar wysokotemperaturowych obiektów, przekraczających 500 °C, wiąże się z wyzwaniami, takimi jak konieczność stosowania filtrów ograniczających energię docierającą do detektora. W artykule opisano model systemu pomiarowego, w którym kamera termograficzna rejestruje promieniowanie podczerwone, a oprogramowanie oblicza temperaturę na podstawie emisyjności obiektu. Kluczowym elementem jest kalibracja radiometryczna, która pozwala na dokładne wyznaczenie parametrów kamery. Przeprowadzone testy wykazały wysoką dokładność pomiarów, z maksymalnym błędem względnym nieprzekraczającym 0,9 %. Opracowana metoda kalibracji umożliwia pomiar temperatury obiektów w zakresie od 300 °C do 1200 °C, co potwierdza jej użyteczność w praktycznych zastosowaniach.

Słowa kluczowe

kamera termowizyjna, pomiar wysokich temperatur, zdalny pomiar temperatury

High-Temperature Calibration of Thermal Imaging Camera Over a Wide Spectral Range

Abstract

The development of infrared and thermal imaging technology has allowed for widespread use of thermographic cameras across a plethora of disciplines, including military, medical, automotive and surveillance systems. These cameras are utilised for the remote measurement of object temperature, as well as the analysis of radiant power, a crucial aspect in the domain of substance combustion. The measurement of high-temperature objects, with temperatures in excess of 500 °C, poses significant challenges. These include the necessity for filters to limit the energy reaching the detector. The present paper sets out a model of a measurement system in which a thermographic camera is employed to capture infrared radiation, and software is utilised to calculate the temperature based on the emissivity of the object in question. A fundamental aspect of this process is radiometric calibration, which facilitates the precise determination of the camera parameters. Tests carried out have demonstrated high measurement accuracy, with a maximum relative error of no more than 0.9 per cent. The developed calibration method allows the temperature of objects to be measured in the range from 300 °C to 1200 °C, thus confirming its usefulness in practical applications.

Bibliografia

  1. Sosnowski T., Madura H., Bieszczad G., Kastek M., Chmielewski K., Construction, parameters, and research results of thermal weapon sight, [in:] Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering, Vol. 8193, 2011, DOI: 10.1117/12.900867.
  2. Sosnowski T., Bieszczad G., Madura H., Kastek M., Thermovision system for flying objects detection, [in:] URSI 2018 – Baltic URSI Symposium, 2018, 141–144, DOI: 10.23919/URSI.2018.8406757.
  3. Bieszczad G., Krupiński M., Madura H., Sosnowski T., Thermal camera for autonomous mobile platforms, [in:] Nawrat A., Kuś Z. (eds.), Vision Based Systemsfor UAV Applications, 2013, 95–114, Springer International Publishing, DOI: 10.1007/978-3-319-00369-6_6.
  4. Sosnowski T., Bieszczad G., Kastek M., Madura H., Digital image processing in high resolution infrared camera with use of programmable logic device, [in:] Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering, Vol. 7838, 2010, DOI: 10.1117/12.86502.
  5. Holst G.C., Electro-optical imaging system performance, SPIE, 2008, DOI: 10.5555/1525534.
  6. Perry D.L., Dereniak E.L., Linear theory of nonuniformity correction in infrared staring sensors, ”Optical Engineering”, Vol. 32, No. 8, 1993, 1854–1859, SPIE, DOI: 10.1117/12.145601.
  7. Bieszczad G., Sosnowski T., Madura H., Kastek M., Bareła J., Adaptable infrared image processing module implemented in FPGA, [in:] Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering, Vol. 7660, 2010, DOI: 10.1117/12.85114.
  8. Bieszczad G., Gogler S., Sosnowski T., Madura H., Kucharz J., Zarzycka A., Determining the responsivity of microbolometer FPA using variable optical aperture stop, [in:] Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering, Vol. 8541, 2012, DOI: 10.1117/12.976032.
  9. Sosnowski T., Kastek M., Sawicki K., Ligienza A., Gogler S., Więcek B., High-Accuracy Calibration Method of a Thermal Camera Using Two Reference Blackbodies, ”Sensors”, Vol. 24, No. 17, 2024, DOI: 10.3390/s24175831.
  10. Felczak M., Sosnowski T., Strąkowski R., Bieszczad G., Gogler S., Stępień J., Więcek B., Electrothermal analysis of a TEC-less IR microbolometer detector including self-heating and thermal drift, ”Quantitative InfraRed Thermography Journal”, Vol. 21, No. 4, 2024, 217–241, DOI: 10.1080/17686733.2023.2179280.
  11. Sakuma F., Hattori S., Study for Establishing a Practical Temperature Standard by Using Silicon Narrow-Band Radiation Thermometer, ”Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers”, Vol. 18, No. 5, 1982, 482–488, DOI: 10.9746/sicetr1965.18.482.
  12. Horny N., FPA camera standardisation, ”Infrared Physics and Technology”, Vol. 21, No. 4, 2003, 109–119, DOI: 10.1016/S1350-4495(02)00183-4.
  13. JCGM 100:2008 – Evaluation of measurement data - Guide to the expression of uncertainty in measurement, First edition September 2008.
  14. Abramowitz M., Stegun I.(eds.), Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, National Bureau of Standards, 1972.