Collection de connaissances sur l'imagerie thermique infrarouge

Principe infrarouge

1. Définition infrarouge

Dans la nature, tout objet dont la température est supérieure au zéro absolu (-273℃) peut émettre des ondes électromagnétiques. L'infrarouge est la forme d'ondes électromagnétiques la plus répandue dans la nature, c'est une sorte d'énergie, et cette énergie est invisible à nos yeux nus. Tout objet dans l'environnement conventionnel produira ses propres molécules et atomes en mouvement irrégulier et émettra constamment de l'énergie infrarouge thermique.

2. Gamme de bande infrarouge

Les ondes lumineuses émises par le soleil sont aussi appelées ondes électromagnétiques. La lumière visible est une onde électromagnétique qui peut être ressentie par l'œil humain. Après avoir été réfractée par un prisme, sept couleurs de rouge, orange, jaune, vert, cyan, bleu et violet peuvent être vues.

La lumière infrarouge fait partie de ces ondes électromagnétiques qui, avec la lumière visible, la lumière ultraviolette, les rayons X, les rayons gamma et les ondes radio, constituent un continuum complet du spectre électromagnétique.

Comme indiqué ci-dessus, le rayonnement électromagnétique avec des longueurs d'onde allant de 0,76 μm à 1000 μm est appelé rayonnement infrarouge.

3. "Fenêtre atmosphérique" infrarouge

Les ondes électromagnétiques du rayonnement infrarouge se propagent dans l'air et sont absorbées par l'atmosphère, de sorte que l'énergie du rayonnement est atténuée. Si l'énergie absorbée est trop importante, elle ne peut pas être observée par l'imageur thermique.

L'absorption du rayon infrarouge par l'atmosphère et le nuage de fumée est également liée à la longueur d'onde du rayonnement infrarouge. Le rayon infrarouge est transparent pour 3 à 5 microns et 8 à 14 microns. Par conséquent, ces deux longueurs d'onde sont appelées la "fenêtre atmosphérique" de l'infrarouge. Grâce à ces deux fenêtres, l'imageur thermique infrarouge peut observer dans l'environnement normal sans modifier la situation d'atténuation du rayonnement infrarouge.

Comme indiqué sur la figure :

La voiture ne peut pas être vue clairement dans la fumée, mais elle peut être clairement vue par une caméra thermique INFRAROUGE.

Le principe de l'imagerie thermique infrarouge

1. Principe de l'imagerie thermique

En termes populaires, l'imagerie thermique infrarouge est la transformation du rayonnement infrarouge invisible en images thermiques visibles.

Différents objets ou même différentes parties du même objet ont des capacités de rayonnement différentes et leurs forces de réflexion des rayons infrarouges. En utilisant la différence de rayonnement entre l'objet et l'environnement de fond ainsi que la différence de rayonnement de chaque partie de la scène, l'image thermique peut montrer la fluctuation de rayonnement de chaque partie de la scène, afin de montrer les caractéristiques de la scène.

L'image thermique est en fait une image de la répartition de la température sur la surface cible.

Figure : Les images thermiques peuvent distinguer la différence de rayonnement thermique à la surface de l'objet.

2. Système d'imagerie thermique infrarouge

Un système d'imagerie thermique est un système complet qui reçoit un rayonnement thermique infrarouge via une série de composants optiques et une technologie de traitement photoélectrique, puis convertit l'image thermique visible par l'œil humain pour l'afficher sur l'écran.

3. Composition de l'imageur thermique infrarouge

Le principe de fonctionnement de base d'une caméra thermique infrarouge est le suivant : les rayons infrarouges traversent une lentille optique spéciale et sont absorbés par un détecteur infrarouge. L'image thermique observée par l'œil s'affiche sur l'écran. Le schéma bloc est le suivant :

Glossaire

L'imageur thermique infrarouge est divisé en réfrigération et non réfrigération en fonction de la température de travail.

Imageur thermique réfrigéré :

Le détecteur est intégré à un refroidisseur cryogénique, qui peut abaisser la température du détecteur de sorte que le signal de bruit thermique soit inférieur au signal d'imagerie et que la qualité d'imagerie soit meilleure.

Imageurs thermiques non refroidis :

Les détecteurs n'ont pas besoin de réfrigération cryogénique, et les détecteurs utilisés sont généralement basés sur des microbolomètres, principalement des détecteurs en polysilicium et en oxyde de vanadium.

Les imageurs thermiques infrarouges sont divisés en type de mesure de température et type de mesure sans température en fonction de leurs fonctions.

Imageur thermique infrarouge de mesure de température :

L'imageur thermique infrarouge de mesure de température peut directement lire la valeur de température de n'importe quel point sur la surface de l'objet à partir de l'image thermique. Ce système peut être utilisé comme instrument de contrôle non destructif, mais la distance effective est relativement courte.

L'imageur thermique infrarouge ne mesurant pas la température ne peut observer que la différence de rayonnement thermique à la surface de l'objet. Ce type de système peut être utilisé comme outil d'observation, et la distance effective est relativement longue.

Détecteurs infrarouges :

Le détecteur infrarouge est un appareil qui convertit le rayonnement infrarouge invisible en signaux mesurables, et c'est le cœur et le composant clé de l'ensemble du système infrarouge.

Taille du détecteur :

La taille du détecteur fait référence à la taille d'un seul élément de détection sur le détecteur, et les spécifications générales sont de 25 μm, 35 μm, etc. Plus l'élément de détection est petit, meilleure est la qualité de l'image.

Résolution des détecteurs infrarouge :

La résolution est un paramètre important pour mesurer la qualité du détecteur d'imageur thermique. Il montre combien d'unités de détecteur se trouvent dans le plan focal du détecteur. À l'heure actuelle, les résolutions courantes sur le marché sont 160 × 120, 384 × 288, etc. De plus, il existe 320 × 240, 640 × 480, etc. Plus la résolution est élevée, plus l'effet d'image est clair.

Lentille optique infrarouge :

La lentille optique infrarouge est généralement composée d'un groupe de lentilles, qui peuvent recevoir diverses longueurs focales finales infrarouges vers le détecteur infrarouge, traitement de conversion photoélectrique.

Le cristal de germanium avec un indice de réfraction de 4 est le plus utilisé dans les lentilles optiques infrarouges, qui convient à la bande 2-25μm. Le Si avec un indice de réfraction de 3 est couramment utilisé dans la bande de 1 à 6 μm. Le choc résistant à la chaleur du carénage du missile est optimisé pour utiliser le MgF2 et le ZnS pressés à chaud.

Champ de vision (FOV) :

L'angle de champ de vision est l'angle étiré par la longueur de ligne de la scène ou du plan image à l'intersection du plan principal du système d'objectif et de l'axe optique. Généralement parlant, la lentille a un champ de vision défini, et l'angle de la lentille par rapport à la hauteur et à la largeur de ce champ de vision est appelé angle de champ de vision.

Précision de la mesure de température :

La précision de la mesure de température fait référence à la différence entre les données de température lues et la température réelle lorsque la mesure de température est effectuée par la caméra thermique infrarouge. Plus la valeur est petite, meilleures sont les performances de la caméra thermique.

Plage de mesure de température :

La plage de mesure de la température fait référence à la plage de température la plus élevée et la plus basse pouvant être mesurée par la caméra thermique infrarouge.

distance focale:

La distance entre le centre d'une lentille et son point focal, généralement notée f. L'unité de distance focale est généralement exprimée en mm (millimètres). La distance focale d'un objectif est généralement marquée devant l'objectif, comme f=50mm (c'est ce que nous appelons habituellement "objectif standard"), 28-70mm (notre objectif le plus couramment utilisé), 70-210mm (téléobjectif ), etc. Plus la distance focale est grande, plus l'image claire peut être prise loin.

Résolution spatiale:

La résolution spatiale fait référence à la limite minimale de la longueur géométrique spatiale des objets critiques identifiables dans une image, c'est-à-dire la résolution des structures fines. Plus la valeur est petite, plus la résolution est élevée.

Différence de température minimale résoluble ( MRTD ):

En imagerie thermique, le MRTD est un paramètre important pour une évaluation complète de la résolution de température et de la résolution spatiale. A une certaine fréquence spatiale, la différence de température entre la cible et l'arrière-plan est appelée la différence de température minimale distinguable de la fréquence spatiale lorsque l'observateur peut juste distinguer (50% du temps) les quatre bandes. Plus la valeur MRTD est petite, meilleures sont les performances de l'imageur thermique infrarouge.

Différence de température équivalente au bruit ( NETD ):

L'imageur thermique observe le modèle de mesure. Lorsque le rapport RMS de la sortie de crête de tension du signal par le filtre électronique de référence du système et la tension de bruit est de 1, la différence de température entre la cible du corps noir et le fond du corps noir est appelée différence de température équivalente au bruit. Plus le NETD est petit, meilleure est la qualité de l'image.

Fantôme:

Il fait référence aux lignes lumineuses ou sombres de l'image infrarouge qui ne changent pas avec la cible. Il est causé par le taux de réponse inégal de l'élément de détection du détecteur infrarouge au rayonnement infrarouge.

Mauvais points:

Les pixels morts font référence à des points lumineux et sombres dont les coordonnées ne changent pas avec la cible dans l'image infrarouge, qui sont causés par le taux de réponse élevé ou faible d'un seul élément de détection du détecteur au rayonnement infrarouge, également appelés pixels invalides.

Correction de non-uniformité :

En raison des limites du processus de fabrication des détecteurs infrarouges, le taux de réponse de chaque élément de détection du détecteur infrarouge au rayonnement infrarouge est différent, et les images fantômes et les pixels morts mentionnés ci-dessus apparaîtront sur la surface d'imagerie, ce qui affecte l'imagerie qualité de la caméra thermique.

La correction de non-uniformité fait référence à une méthode technique pour réduire efficacement la non-uniformité de la sensibilité du détecteur et améliorer la qualité d'imagerie de l'imageur thermique. Après la correction de non-uniformité, l'image d'imagerie de l'imageur thermique est uniforme, les pixels fantômes et morts disparaissent et l'effet d'imagerie est considérablement amélioré, ce qui peut grandement améliorer la capacité d'observation de l'imageur thermique.

Compenser:

La compensation est également appelée correction, afin d'obtenir les données d'origine requises par la correction de non-uniformité, de manière à obtenir une image infrarouge idéale. Lorsque l'image n'est pas nette, la caméra thermique peut être compensée. La cible de compensation peut sélectionner différents objets avec une température uniforme en fonction de l'environnement de la scène et des caractéristiques de la cible. Cet objet peut être un ciel clair et sans nuages, l'obturateur intégré d'une caméra thermique ou un capuchon d'objectif fermé, etc.