2.                 ТЕПЛОВИЗИОННЫЕ  ТЕРМОГРАФИЧЕСКИЕ  СИСТЕМЫ

Термография или получение тепловых изображений является методом, который позволяет изучать явления, связанные с пространственным распределением тепла в исследуемых объектах и изменением этого распределения во времени. Тепловизионная система должна быть способной преобразовывать инфракрасное изображение в видимое, причем видимое изображение должно быть пропорциональным распределению энергетической яркости в инфракрасной области спектра, т.е. пропорционально распределению температуры объекта и его коэффициента излучения.

2.1. Сканирующие тепловизионные системы

Преобразование ИК излучения в видимое в сканирующих системах осуществляется в самом простом случае путем последовательного анализа различных точек объекта мгновенным полем зрения тепловизора. Мгновенное поле зрения выбирается возможно малым и быстро перемещается по исследуемому объекту. Распределение ИК яркости объекта преобразуется во временной сигнал приемника, амплитуда которого изменяется во времени в соответствии с изменением яркости. После усиления сигнал поступает в аналоговом виде (видеосигнал) на блок визуализации, развертка в котором синхронизирована со сканированием при измерениях. В качестве блока визуализации может быть телевизор, если параметры видеосигнала и синхронизации удовлетворяют телевизионному стандарту. Получаемое изображение имеет тогда видимую яркость, пропорциональную инфракрасной в каждой точке исследуемого объекта.

Видеосигнал может быть превращен в цифровой с помощью 10... 14 разрядного аналого-цифрового преобразователя и заведен в компьютер с целью определения температурного распределения по поверхности объекта.

2.1.1. Сканирование поля зрения системы

Полное сканирование прямоугольной формата получается путем использования комбинации строчной и кадровой разверток. Соотношение скоростей строчной и кадровой разверток определяется форматом изображения и числом строк в кадре. Строчная развертка обычно горизонтальная и быстрая, а кадровая развертка вертикальная, более медленная.

Для развертки изображения в переносных тепловизорах применяют внутреннее механическое сканирование в основном с помощью многогранных преломляющих призм или зеркального многогранного барабана для строчной развертки и плоского зеркала для кадровой развертки, что приведено на рис. 2.1, взятом из [2].

Сканированные поля зрения с угловым размером по горизонтали W_h и W_v по вертикали мгновенным полем зрения, определяемым одной чувствительной площадкой приемника W_x по горизонтали и W_y по вертикали, дает  точек изображений в кадре, и при частоте кадров N_к в секунду количество отсчетов будет составлять

                                                       (2.1)

Величина N численно равна полосе пропускания фотоэлектронного тракта Δf, необходимой для регистрации штриховой миры с периодом 2 W_x.

Параллельное сканирование линейчатым приемником (рис. 2.2) приводит к уменьшению полосы пропускания в п раз по каждому из п каналов предварительных усилителей. Преимущество этой развертки состоит в том,

Рис. 2.1. Внутреннее механическое сканирование.

а)  1 - приемник, 2 - призма горизонтальной развертки, 3 - призма вертикальной развертки, 4 - объектив;

б)  1 - приемник, 2 - зеркальный барабан горизонтальной развертки, 3 - колеблющееся зеркало вертикальной развертки, 4 - зеркальный объектив

что уменьшается скорость сканирования и за счет этого уменьшается полоса пропускания в п раз, что в свою очередь приводит к увеличению отношения сигнала к шуму в  раз. К недостаткам такой развертки относится то, что разброс вольт-ваттной чувствительности и особенно шумов каждого элемента приводит к возникновению геометрического шума или потере информации в строке в случае выхода одной чувствительной площадки из строя.

При последовательном сканировании линейкой из ρ элементов (рис. 2.2, г) линейка рассматривается как единый приемник. Точка поля анализируется последовательно каждым элементом приемника таким образом, что полученные сигналы приводятся к единой фазе в линии задержки и затем суммируются. Благодаря суммированию сигнал увеличивается в ρ раз, а шум в  раз, поэтому отношения сигнала к шуму увеличивается в   раз. Кроме того,

Рис. 2.2. Схемы  сканирования  поля  зрения.              

а, г - последовательное;
         б, в - параллельное;
         д - последовательно-параллельное

выход из строя одного элемента практически не влияет на изображение на выходе, а когерентное суммирование сигналов от каждого элемента приемника устраняет влияние разброса величин обнаружительной способности отдельных приемников.

Последовательно-параллельное сканирование с помощью двумерной матрицы ограниченного размера n∙ρ элементов приводит к выигрышу по отношению сигнала к шуму в ∙ раз, уменьшает скорость сканирования и сохраняет все достоинства, перечисленные для последовательного сканирования линейкой из ρ приемников.