Термография

У этого термина существуют и другие значения, см. Термография (значения).

Изображение небольшой собаки, сделанное в средних инфракрасных лучах

Тепловое изображение двух страусов

Тепловое изображение змеи на руке человека

Тепловое изображение льва

Тепловое изображение обычного здания на заднем плане и 'пассивного дома' на переднем плане

Термограмма, показывающая распределение тепловых полей у человека

Инфракрасная термография, тепловое изображение или тепловое видео — это научный способ получения термограммы — изображения в инфракрасных лучах, показывающего картину распределения температурных полей. Термографические камеры, или тепловизоры обнаруживают излучение в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра (примерно 900-14000 нанометров или 0,9-14 µм) и на основе этого излучения создают изображения, позволяющие определить перегретые или переохлаждённые места. Так как инфракрасное излучение испускается всеми объектами, имеющими температуру, согласно формуле Планка для излучения чёрного тела, термография позволяет «видеть» окружающую среду с или без видимого света. Величина излучения, испускаемого объектом, увеличивается с повышением его температуры, поэтому термография позволяет нам видеть различия в температуре. Когда смотрим через тепловизор, то тёплые объекты видны лучше, чем охлаждённые до температуры окружающей среды; люди и теплокровные животные легче заметны в окружающей среде, как днём, так и ночью. Как результат, продвижение использования термографии может быть приписано военным и службам безопасности.

Создание термограмм на основе тепловых изображений нашло много применений. Например, пожарные используют их для обнаружения дыма, поиска людей и установления очагов возгорания. С тепловыми изображениями техники, обслуживающие линии электропередачи, обнаруживают перегрев в местах соединений и части, находящиеся в аварийном состоянии, требующие устранения потенциальной опасности. Когда нарушена теплоизоляция, строители могут видеть утечку тепла и предотвратить осложнения при охлаждении или обогреве системами кондиционирования воздуха. Тепловизоры, делающие снимки, также устанавливаются в некоторых автомобилях класса «люкс» для помощи водителю, например, в некоторых моделях «Кадиллак» с 2000 года. Некоторая физиологическая деятельность организма, требующая более пристального внимания у людей и теплокровных животных, также может быть наблюдаема при помощи тепловых изображений.^[1]

Внешний вид и работа современных тепловизоров часто похожи на работу видеокамеры. Возможность человеком видеть в инфракрасном диапазоне — настолько полезная функция, что способность делать запись таких изображений часто является второстепенной функцией. Поэтому модуль для записи не всегда встроен.

Вместо ПЗС датчиков большинство тепловизоров используют блок фокусных плоскостей КМОП. Наиболее часто используются матрицы в фокальной плоскости из антимонида индия (InSb), арсенида галлия и индия, теллурид ртути и кадмия. Новейшие технологии позволяют использовать недорогие неохлаждаемые микроболометрические датчики. Их разрешение более низкое, чем у оптических камер, — в основном 160×120 или 320×240 пикселей до 640×512 у наиболее дорогостоящих моделей. Тепловизоры более дорогостоящие, чем их аналоги для видимой части спектра и на модели высокого класса часто накладываются экспортные ограничения. Старые болометры и более чувствительные модели, такие, как с использованием антимонида индия, требуют криогенное охлаждение, обычно охладитель с циклом Стирлинга в миниатюре или охлаждение жидким азотом.

Отличие инфракрасной съёмки от термографии

Инфракрасная съёмка излучения соответствует температуре между 250 °C и 500 °C, в то время как диапазон термографии примерно от −50 °C до более, чем 2000 °C. Так, для инфракрасной съёмки для показа чего-либо температура объекта должна быть свыше 250 °C или объект должен отражать инфракрасное излучение, исходящее от чего-то горячего. Следует отметить, что наиболее распространённые приборы ночного видения (пассивного типа) обычно только усиливают небольшое количество света, которое создаётся, например, звёздным светом или луной, и через них невозможно увидеть тепло или работать в полной темноте.

Пассивная и активная термография

Все объекты с температурой выше абсолютного нуля испускают инфракрасное излучение. Следовательно, отличный способ для измерения тепловых изменений состоит в том, чтобы использовать устройство инфракрасного видения, обычно блок фокусных плоскостей тепловизора позволяет обнаруживать излучение в средних (от 3 до 5 μм) и длинных (от 8 до 15 μм) волнах инфракрасной полосы частот, обозначаемых как MWIR и LWIR и соответствующим двум инфракрасным окнам с высоким коэффициентом пропускания. Неправильно выбранный диапазон температур, исследуемый на поверхности объекта, указывает на потенциальную проблему.^[2]

В пассивной термографии особый интерес представляет повышение или понижение природного температурного уровня по сравнению с температурой окружения. У пассивной термографии много применений, таких, как наблюдение людей на сцене или в медицине. В активной термографии иначе — там источник энергии должен создавать температурный контраст между интересующим объектом и фоном. Активный подход необходим во многих случаях, когда исследуемые части находятся в температурном равновесии с окружающей средой. Современные тепловизоры позволяют с помощью специального программного обеспечения определять температуру в каждой точке термограммы.

Преимущества термографии

• Может показывать визуальное изображение, что помогает в сравнении температур на большой площади
• Даёт возможность захвата движущихся целей в реальном времени
• Позволяет находить аварийные элементы до их выхода из строя
• Измерение в областях, где другие методы невозможны или опасны
• Неразрушающий контроль
• Облегчает поиск дефектов в колоннах или других металлических частях

Ограничение и недостатки термографии

• Качественные камеры дороги и их легко повредить
• Большинство камер имеют погрешность ±2 % или меньшую точность
• Обучение и содержание в штате специалиста по инфракрасному сканированию требует затрат времени и средств
• Возможность измерения только температуры поверхностей

Применение

• Мониторинг условий
• Медицинская визуализация
• Ночное видение
• Исследование
• Управление процессом
• Неразрушающий контроль
• Наблюдения в области обеспечения безопасности, правоохранной деятельности и защите
• Химическая визуализация

Тепловые инфракрасные камеры преобразуют энергию инфракрасных волн в видимый свет на видеоэкране. Все объекты с температурой выше 0 кельвинов излучают тепловую инфракрасную энергию, поэтому инфракрасные камеры могут пассивно видеть все объекты независимо от наличия окружающего освещения. Тем не менее, большинство тепловых камер видят только объекты, теплее −50 °C.

Спектр и уровень теплового излучения сильно зависит от температуры поверхности объекта. Это даёт возможность тепловой камере видеть температуру объектов. Тем не менее, другие факторы также влияют на излучение, регистрация которого ограничивается точностью техники. Например, излучение зависит не только от температуры объекта, но также и от отражающей способности объекта. Так, излучение, первоначально испускаемое окружающей средой, отражается объектом и к нему присоединяется излучение самого объекта, а регистрироваться приборами будет только общая величина.

См. также

• Тепловизор
• Болометр

Ссылки

• Good examples of FLIR thermographic images broken down by industry application  (англ.)
• IrInfo.org, online resource for infrared thermography  (англ.)
• Физическая основа  (англ.)
• Разные примеры тепловых изображений  (англ.)
• Uncooled Thermal Imaging  (англ.)
• Некоторое использование тепловых изображений в медицине  (англ.)
• Некоторое использование тепловых изображений в электронике  (англ.)
• Много примеров тепловых изображений  (англ.)
• Canada Research Chair in Multipolar Infrared Vision — MiViM  (англ.)
• Примеры термограмм с прибора произведенного в России  (рус.)

История производителей тепловизоров

• History of AIM thermal imaging  (англ.)
• History of Texas Instruments/DRS Thermal imaging  (англ.)
• History of Raytheon Commercial Infrared/L-3 Communications thermal imaging  (англ.)

Примечания

1. ↑ Тепловые изображения на тёмном шоссе  (англ.)
2. ↑ Maldague X. P. V., Jones T. S., Kaplan H., Marinetti S. and Prystay M. "Chapter 2: Fundamentals of Infrared and Thermal Testing: Part 1. Principles of Infrared and Thermal Testing, " in Nondestructive Handbook, Infrared and Thermal Testing, Volume 3, X. Maldague technical ed., P. O. Moore ed., 3rd edition, Columbus, Ohio, ASNT Press, 2001, 718 p.