prezentată ca cerință parțială pentru obținerea titlului de Master postuniversitar în domeniul Inginerie electronică și telecomunicații programul de… [308923]

Licență

prezentată ca cerință parțială pentru obținerea titlului de Master postuniversitar în domeniul Inginerie electronică și telecomunicații programul de… [308923]

Byadmin ianuarie 1, 2024

Universitatea “Politehnica” [anonimizat]

2019

Robert RANETE / INNOVATIVE ENGINEERING SOLUTIONS SRL (Ilfov, România)

Toate drepturile rezervate

Autorul acordă UPB dreptul de a reproduce și de a [anonimizat].

CUPRINS

1. INTRODUCERE Error! Bookmark not defined.

2. ELEMENTE GENERALE DE FIZICA RADIAȚIEI TERMICE 14

2.1. Domenii spectrale specifice radiației termice 14

2.2. Ipoteza cuantică a lui Planck 15

2.3. [anonimizat], fotoconductiv, piroelectric 16

2.3.1. Efectul fotoelectric 16

2.3.2. Efectul fotovoltaic 18

2.3.3. Efectul fotoconductiv 19

2.3.4. Efectul piroelectric 23

2.4. Surse de radiație termică 24

2.5. Legile radiației termice 24

2.6. Definirea corpului negru 26

2.7. Mărimi și unități de măsură pentru radiația energetică și fotometrică 29

2.7.1. Mărimi și unități de măsură radiometrice 29

2.7.2. Mărimi și unități de măsură fotometrice 30

3. STRUCTURA SISTEMELOR DE TERMOVIZIUNE 37

3.1. Sistemul optic 38

3.1.1. Materiale optice 39

3.1.2. Obiective și teleobiective 42

3.1.3. Caracteristicile unui sistem optic 44

3.2. Detectoare de radiație termică 47

3.2.1. Clasificarea detectoarelor 47

3.2.2. Marimi caracteristice 50

3.2.3. Detectoare termice 53

3.2.4. Detectoare cuantice 55

3.3. Sisteme de răcire 63

3.4. Sisteme de prelucrare a semnalelor 67

4. CARACTERIZAREA SISTEMELOR DE TERMOVIZIUNE 77

4.1. Criterii de evaluare 78

4.1.1. Raspunsul spectral 78

4.1.2. Rezoluția termică 79

4.1.3. Rezolutia spatială 81

4.1.4. Rezolutia temporală 82

4.1.5. Alte marimi caracteristice 82

4.2. Verificarea sistemelor de termoviziune 83

4.2.1. Testarea 83

4.2.2. Etalonarea 85

4.3. Analiza și compararea performanțelor sistemelor de termoviziune 87

5. APLICAȚIE PRACTICĂ 98

6. CONCLUZII 99

Lista figurilor:

Lista tabelelor:

Lista acronimelor:

[anonimizat] (dacă este cazul), [anonimizat], și va rezuma contribuția student: [anonimizat];

TERMOVIZIUNE/TERMOGRAFIE, ASPECTE GENERALE

Termoviziunea si termografia sunt termeni asemanatori ce fac referire la o [anonimizat], ce permite vizualizarea si generarea in timp real a unor harti termice ("imagini termice", termograme) ale sistemelor aflate sub observare sau investigatie. Este o tehnica prin care o camera (sau scaner) detecteaza si afiseaza o harta a intensitatii radiatiei pe un domeniu din spectrul electromagnetic. Termenul „termoviziune” [anonimizat] „termografia” [anonimizat].

Termoviziunea si termografia sunt metode de a vizualiza obiectele din punctul de vedere al radiatiei infrarosii (IR) emise de acestea si nu din cel al radiatiei vizibile care poate fi detectata fara nici o dificultate de ochiul uman. In situatia obisnuita omul poate vedea obiectele inconjuratoare datorita luminii reflectate de acestea. Ochiul uman are capabilitatea de a vedea o portiune ingusta din spectrul electromagnetic, numita "vizibil". In absenta Soarelui, sursa principala de iluminare, nu exista lumina care sa fie reflectata si majoritatea mamiferelor sunt practic in imposibilitatea de a vedea ceva (unele specii de serpi au capacitatea de a vedea in infrarosu).

Termoviziunea se bazează pe un principiu pasiv, folosind contrastul termic (diferența de intensitate a radiațiilor termice emise) al țintei, față de mediul înconjurător. Acest contrast este independent de intensitatea luminoasă existentă, astfel că țintele pot fi detectate și pe timp de noapte, radiația termică propagându-se mult mai bine decât radiația luminoasă în condiții de ceață, pâclă, burniță sau fum.

Spre deosebire de semnalul furnizat de o camera video in spectrul vizibil, semnal format pe baza discretizării în timp și spațiu a distribuției de energie luminoasă a obiectelor, în termoviziune se prelucrează distribuția de energie radiantă termică a corpurilor.

Regiunile de interes pentru termoviziune sunt cele care cuprind lungimi de undă situate între 3 ÷ 5 µm respectiv între 8 ÷ 12 µm, regiuni în care absorbția este minimă și care permit detecția și observarea și fac posibilă măsurarea, în domeniul lor spectral, a diferențelor de temperatură dintre obiecte și mediul ambiant, sau între diferitele puncte ale aceluiași obiect.

Deoarece radiația termică a solidelor, la temperatura normală a mediului (27°C) este maximă în domeniul spectral având λ = 10 µm și deoarece tot în acest domeniu, diferența de radiație a corpurilor în funcție de diferența lor de temperatură este optimă, domeniul de lucru în termoviziune se află în zona spectrală cu λ = 10 µm.

Ochiul uman nu are abilitatea de a vedea restul spectrului electromagnetic, deci nici zona de spectru ce cuprinde radiatia IR. Cu toate acestea, de foarte mult timp se cunoaste ca orice corp cu temperatura mai mare de 0K (-273,15°C) emite radiatie electromagnetica, predominant in domeniul spectral infrarosu. Aceasta radiatie contine informatii atat despre caracteristicile corpului respectiv, cat si despre istoria lui recenta. Intensitatea acestei radiatii variaza in functie de temperatura corpului si de capacitatea acestuia de a emite energie. Aparatul de termografie in infrarosu masoara aceasta energie folosind traductoare specializate si printr-un algoritm de calcul adecvat determina temperaturile corespunzatoare din imagine. Substante pe care le consideram reci si foarte reci, azotul lichid, gheata si zapada emit si ele in radiatie in spectrul infrarosu. Intensitatea acestei radiatii variaza in functie de temperatura obiectului si de capacitatea acestuia de a emite energie.

Sursa primara a radiatiei IR este caldura corpurilor. Energia IR este generata de vibratia si rotatia atomilor si moleculelor din orice sistem biologic sau tehnic. Legile pe care se bazeaza termoviziunea/ termografia sunt Legea lui Planck, care a introdus ipoteza cuantelor de energie si a stabilit pentru densitatea spectrala a emitantei unui corp o formula care a verificat datele experimentale in toata gama de frecvente, Legea Stefan – Boltzmann, care a stabilit legatura dintre emitanta energetica integrala a corpului si temperatura lui absoluta si Legea deplasarii Wien, care a stabilit legatura dintre temperatura corpului si lungimea de unda a maximului densitatii spectrale a emitantei. Nu trebuie omisa contributia exceptionala a lui Einstein – asocierea cuantelor cu particule, numite fotoni, care se deplaseaza cu viteza luminii.

Fundamentul fizico-matematic fiind stabilit, utilitatea practica in domeniul de fata a fost faptul ca prin masuratori ale radiatiei infrarosii emise de un obiect se poate estima cu o excelenta precizie temperatura sa. Cu cat temperatura obiectului este mare, cu atat radiatia infrarosie produsa este mai intensa. Corpul uman, la temperatura sa normala, radiaza in domeniul infrarosu in jurul lungimii de unda de 10µm.

Necesitatea generarii de harti si imagini termice care sa poata fi interpretate in diverse domenii ale stiintei sau vietii cotidiene a condus la cresterea interesului unor firme in dezvoltarea de echipamente speciale care sa extinda campul vizual uman si in domeniul radiatiei infrarosii. Astfel, gratie noilor tehnologii, au fost fabricate camere de termoviziune si termografie care permit vizualizarea energiei IR radiate, transmise si reflectate de sistemele biologice sau tehnice, rezultatul final fiind vizualizarea temperaturii (temperaturilor) la nivelul obiectului masurat. Un exemplu elocvent este prezentat in figura 1.1, figura in care, gratie termoviziunii in infrarosu poate fi vizualizat nivelul unui lichid fierbinte prin peretele opac al recipientului iar in imaginea din dreapta, cu ajutorul unei camere de termografie se poate masura de la distanta temperatura unui obiect.

Fig. 1.1. Imagini de termoviziune si termografie – sursa: FLIR.

Pentru realizarea activitatii de scanare termica se utilizeaza echipamente specializate numite camere de termoviziune/termografie, asemanatoare ca dimensiuni si aspect cu binecunoscutele camere video din viata cotidiana. Prin studierea imaginilor generate de aceste echipamente, un specialist poate intelege mai bine sistemul analizat si poate oferi solutii de rezolvare a problemelor existente.

Terminologie

Asadar, termografia in infrarosu este o tehnica de vizualizare a distributiei temperaturilor la suprafata corpurilor si de masurare a valorilor acestor temperaturi in orice punct al imaginii.

Termenul termoviziune defineste imaginea obtinuta de camera termica si se utilizeaza in special in aplicatiile militare sau de supraveghere civila, in timp ce termografia implica si masurarea de temperatura, in aplicatii industriale sau stiintifice.

Observatie: O camera in infrarosu nu masoara temperatura. Ea masoara temperatura aparenta (cantitatea de radiatie). Masurarea temperaturii reale necesita compensarea temperaturii aparente prin ajustarea emitantei, temperaturii reflectate, factorilor de influenta atmosferici etc. Acest lucru se face in exclusivitate de catre operator si necunoasterea in profunzime a modului in care parametrii mentionati anteriori pot influenta valoarea temperaturii are drept rezultat erori de masura foarte mari.

In domeniul metodelor termice de examinare se folosesc mai multe notiuni, unele de fizica elementara, altele specifice. Principalele notiuni vehiculate in acest domeniu sunt urmatoarele:

– Examinare termografica – observare, masurare si interpretare a caracteristicilor unei sceme termice cu ajutorul unui ansamblu de aparate si instrumente denumite sistem de termografiere.

– Sistem de termografiere – ansamblu de aparate care permite receptionarea si prelucrarea unei imagini termice.

– Termograma –rezultat al transcrierii in temperatura a uneia sau mai multor harti de luminanta; imaginea codificata a unei scene termice.

– Scena termica – parte de spatiului – obiect care se observa cu o aparatura de termografie in infrarosu.

– Imagine termica – repartitia structurata, codificata adeseori prin culori sau nuante de gri, a datelor reprezentativeale radiatiei infrarosii care provin de la o scena termica.

Scurt istoric al echipamentelor de termoviziune

Limitarile tehnice si tehnologice nu au permis in trecut realizarea de aparate destinate evaluarii performante si prezentarii in timp real a unor harti termice care sa redea fidel starea termica a sistemelor tehnice sau biologice. La capatul unor indelungate cercetari fundamentale si aplicative, specialisti din laboratoare si companii din domeniul tehnologiilor inalte au reusit rezolvarea numeroaselor probleme tehnice legate de sistemul optic, senzorul infrarosu, sistemul de racire (pentru a fi asigurata o temperatura de referinta cat mai joasa), etc.

Primul echipament de termoviziune operațional poate fi considerat, deși în sens restrâns, acela creat în timpul primului război mondial, în scopul detectării de la distanță a inamicului. Desigur, foarte simplist în acea vreme, acest echipament, dotat cu detectori piroelectrici, era capabil să detecteze existenta unui avion aflat la 1,5 km depărtare sau a unui om la 300 m, dar nu avea posibilitatea recunoașterii țintei de interes. În construcția lui intră un obiectiv și un detector. Prin introducerea unui dispozitiv de baleiere mecanica, în anii 1940 s-a obținut o noua generație de echipamente de termoviziune, numite termografe. Datorită constantei de timp foarte mici a detectorilor utilizați, ele nu puteau însă să asigure o imagine dinamică( în timp real), ci una statică și care, de regulă, era înregistrată pe o peliculă fotografică.

A urmat apoi, până în anii 1950, o susținuta căutare de noi tipuri de detectori, care să aibă o constanta de timp cât mai mare, rezultatul fiind obținerea detectorilor fotovoltaici InSb și GeHg; cu acești detectori s-a trecut la o nouă faza de dezvoltare a echipamentelor de termoviziune, în care imaginea obținută putea reda mișcarea obiectului vizat. Noul tip de imagine a fost numit " în timp real".

Anii 1960 au adus realizarea diasporametrului, echipament de termoviziune în care dispozitivul de baleiaj era alcătuit din două prisme optice aflate în mișcare de rotatie pe o axă comună, care asigura analiza punct cu punct a imaginii prin baleiere în spirală. Ca detector se utiliza InSb, a cărui constantă de timp era mult mai ridicată. Acest diasporametru avea, ca performante: câmp vizual de 50 , rezoluție geometrica de 1 mrad, rezoluție termica de 10 K.

Introducerea ulterioara a noi tipuri de detectori performanți, cât și a unui dispozitiv de baleiaj cartezian (renunțându-se la cel in spirala) a mărit considerabil performanțele echipamentelor de termoviziune, astfel că, până in 1974, cele câteva sute de astfel de echipamente executate deja au avut un succes considerabil. S-a trecut apoi la realizarea de matrici liniare de detectori (ceea ce a dus la utilizarea baleierii numai pe o singura direcție, cunoscuta sub denumirea de baleiere în paralel) și la matrici dreptunghiulare de detectori; consecința ultimilor este renunțarea completă la dispozitivele de baleiere; cu toate acestea, unele avantaje ale echipamentelor de termoviziune cu baleiere pe doua direcții reciproc perpendiculare( baleiere în serie), dintre care unele nu sunt atinse de echipamentele de termoviziune cu baleiere în paralel sau cu matrici de detectori se menține în actualitate și în competiție cu acestea( ca de exemplu tehnologii mai simple, claritate mai mare a imaginii).

Camerele de termoviziune sunt realizate într-o tehnologie modulară, bazele fizice rămânând întotdeauna la fel, variabilă fiind doar proiectarea carcasei și a opticii din față care permite obținerea unui câmp larg de vedere depinzând de aplicația dorită.

Standardizarea modulelor permite ca acestea să poată fi folosite în aplicații diverse pentru a alcătui sisteme de detecție și supraveghere in infraroșu. Aceasta permite soluții eficiente, specifice și mai ales economice pentru diverse aplicații.

Generația I de sisteme în IR sunt în funcțiune în mod curent; ele se folosesc însă în game limitate; au performanțe scăzute în condiții de umiditate ridicată, iar scanarea mecanică are o fiabilitate scăzută.

Generația a III-a de sisteme în IR au o rezoluție foarte ridicată și o imagine de calitate atât ziua cât și noaptea; au fiabilitate ridicată. Avantajele sistemelor de mare rezoluție sunt:

asigură o imagine excelentă atât ziua cât și noaptea;

radiația naturală a unei surse calde (cum ar fi o persoană sau un vehicul) poate fi doar temporar mascată, întrebuințându-se anumite artificii pentru a nu fi observată. După un anumit interval de timp însă, căldura emisă va încălzi aerul înconjurător și va impresiona detectorul furnizând o imagine perfectă a obiectului.

Fig. 1.2. Camera de termoviziune – sursa: RHEINMETALL DEFENCE

a. modul camera de termoviziune avand detector cu racire (generatia a III-a);

b. sistemul optoelectronic in care este integrat modul camera de termoviziune;

c. performantele de detectie, recunoastere si identificareale camerei de termoviziune.

Tehnologia a evolutat foarte mult in cei peste 50 de ani ce au trecut de la realizarea primei camere de termoviziune de catre firma suedeza AGEMA (acum FLIR Systems). Pana la sfarsitul anilor ’80 convertorul radiatie – semnal electric era format dintr-un singur detector iar imaginea se forma printr-un sistem complex de scanare optomecanic pe linii/coloane. Racirea detectorului se realiza la inceput cu azot lichid si mai tarziu prin sistemul de racire cu ciclu Stirling. Aceasta tehnologie asigura o repetabilitate foarte buna a masuratorilor si o referinta stabila. Din pacate dimensiunile echipamentelor si timpul de obtinere a unei imagini erau foarte mari. Urmatorul pas tehnologic a fost facut prin lansarea detectorului de tip arie de senzori (FPA) si racirea termoelectrica.

Detectoarele FPA sunt de doua tipuri:

– termice (microbolometru, feroelectric, piroelectric) – ieftine, cu racire termoelectrica sau chiar fara racire, lente (max. 100Hz), sensibilitate termica medie.

– fotonice (InSb, QWIP, HgCdTe etc.) – scumpe, necesita racire la o temperatura foarte joasa (aprox. 77K), rapide (pot ajunge la peste 50KHz), sensibilitate termica excelenta (< 0,020°C).

Functie de aplicatie se pot alege diferite solutii tehnologice, fiecare element (spectru, tip detector, obiectiv, filtre speciale etc.) avand o influenta majora asupra rezultatelor obtinute.

Aplicatii

Termoviziunea in infrarosu permite, spre deosebire de spectrul vizibil, observarea si supravegherea zonelor de interes in conditii de iluminare scazuta sau conditii atmosferice nefavorabile. In ceea ce priveste domeniul apărare-securitate, s-a renunțat treptat la sistemele de vedere pe timp de noapte cu intensificatori de imagine în favoarea celor cu termoviziune, care au posibilitatea de vedere și ochire la distanțe mult mai mari, în condiții de întuneric total, prin ceață, fum, praf și totodată nu pot fi orbite de razele laser.

Spre deosebire de sistemele bazate pe tehnica intensificării optoelectronice a imaginii, sistemele care au la bază imaginea termică nu mai sunt dependente de lumina reziduală nocturnă, redusă uneori la radiația stelară. Ele utilizează contrastul termic pe care îl prezintă obiectele supuse observării (ținte) în raport cu mediul în care se află (fond), cand au o temperatură sau o emisivitate ce diferă de cea a mediului în cauză.

Obiectele importante din punct de vedere militar, cum ar fi avioanele în aer sau tancurile pe sol, posedă un foarte bun contrast termic față de mediul lor ambiental (aer, respectiv Pământ). Teoretic, domeniul spectral de emisie este infinit, practic însă, datorită fenomenelor puternice de absorbție din mediul atmosferic, domeniul util este cuprins între 0,75 și 20 µm. Când temperatura obiectului crește, spectrul de radiații pe care îl emite se extinde spre lungimi de undă mai scurte, care-l fac vizibil cu ochiul liber, dacă obiectul devine incandescent. Dar și la temperaturi mai scăzute decât temperatura de incandescență, deci în porțiunea invizibilă a spectrului de radiații emis, existența obiectului în cauză poate fi evidențiată, prin detectarea diferenței de intensitate termică dintre obiect și fundal, cu un instrument special construit în acest scop.

Camerele de termoviziune se pot utiliza pentru:

observare/supraveghere – utilizate pentru supravegherera campului tactic pe baza contrastului termic; cu ajutorul camerelor termografice se poate supraveghea campului tactic sau al zonelor critice (zona de frontiera, infrastructuri industriale, porturi si aeroporturi, etc.);

urmarierea tintelor in miscare – utilizate in componenta sistemelor (echipamente militare) de urmarire a tintelor in miscare – sisteme de armament, sisteme pentru controlul si evaluarea tragerilor cu rachete, etc.

avertizare – utilizate in componenta sistemelor de avertizare si protectie a vehiculelor terestre, navelor si aparatelor de zbor militare; acestea furnizeaza informatii din proximitatea sistemului cu prvire la eventuale pericole/amenintari in vederea lansarii unor contramasuri.

astronimie, imagistica hiperspectrala – au scopul de a prezenta semnăturile spectrale și / sau compoziția chimică a tuturor caracteristicilor în câmpul vizual. Imaginile hiperspectrale conțin atât informații spațiale, cât și spectrale ale obiectelor dintr-o anumită scenă si se obtin prin combinarea imaginilor obtinute de la mai multe camere sensibile in spectre diferite (de exemplu Vizibil + SWIR + MWIR + LWIR).

interventii in situatii de urgenta – utilizate mai ales de catre echipele de pompieri atat pentru cautarea si salvarea persoanelor disparute, interventiilor in locuri cu vizibilitate scazuta datorita fumului, cat si pentru detectia si monitorizarea focarelor de incendii de paduri de la distanta.

sisteme nigh-vision pentru vehicule – sunt o componenta importanta a ADAS (Advanced Driver Assistance Systems – sisteme tehnologice avansate de siguranță activă în timpul conducerii), destinate cresterii sigurantei la volan in conditii de vizibilitate scazute. Echipamentele de termoviziune auto sunt special proiectate pentru a rezista in conditii de exploatare foarte dificile (gama extinsa de temperatura de operare, protectie la socuri si vibratii, complet etanse la apa si praf) si se pot monta pe orice tip de autovehicul.

Termografia in infrarosu permite masurarea temperaturilor de la distanta si fara contact direct, ceea ce este indispensabil, de exemplu, în cazul echipamentelor electrice aflate sub tensiune sau in cel al pieselor sau materialelor la temperatura ridicata sau inaccesibile.

Termografia in infrarosu este o metoda de investigare nedistructiva, pentru ca nu intervine si nu influenteaza in nici un fel materialul, obiectul sau procesul investigat; este o tehnica de masura ultrasensibila, putand evidentia variatiile de temperatura de zecimi de grad, atat spatial (de la un punct la altul in imagine), cat si temporal (regimuri tranzitorii ce au loc in intervale de timp de ordinul secundelor pâna la ore si zile).

Alte avantaje ale utilizarii termografiei in infrarosu ce merita a fi mentionate sunt:

sistemul de termoviziune furnizeaza o imagine care permite o identificare rapida si precisa a punctelor ce reprezinta defectele potentiale;

scanarea termica nu necesita realizarea contactului direct cu sistemul, echipamentul sau instalatia aflate sub test;

scanarea termica este non-invaziva, putand fi repetata ori de cate ori este nevoie;

defectele, problemele de functionare si tendintele de defectare sunt detectate rapid, fara oprirea din functionare si fara necesitatea transportului la un laborator specializat;

permite analize in timp real inainte si dupa interventii la echipamente/instalatii de maxima importanta, in vederea obtinerii de informatii utile pentru investigarea evolutiei in timp a acestora;

echipamentul de masura nu emite radiatii daunatoare specialistului care face evaluarea sau personalului institutiei aflat in apropiere;

imaginea termica este in concordanta geometrica cu obiectul studiat;

informatiile termice, globale sau de detaliu, sunt obtinute in timp real;

scanarea se poate realiza si asupra unor obiecte aflate in miscare sau in locuri inaccesibile;

permite evaluarea din punct de vedere termic a unor obiecte/ echipamente periculoase: produse chimice, instalatii electrice aflate sub tensiune, corpuri fierbinti;

permite asocierea cu echipamente complexe de inregistrare, stocare si prelucrare automata a informatiilor.

Camerele de termografie se pot utiliza pentru:

inspectii electrice si mecanice – efectuarea lucrarilor de mentenanta la instalatiile electrice, mecanice si termice; utilizate pentru scanarea termica mai simpla, mai eficienta si in deplina siguranta, cu ajutorul camerelor termografice se pot:

identifica rapid probleme de contact la instalatiile electrice ( suruburi nestranse, sertizarea necorespunzatoare a cablurilor, aparitia stratului de oxid intre materialele ce realizeaza conexiunea electrica, defecte interne ale cablurilor ),

vizualiza traseele prin care circula agent termic pentru a vedea daca exista depuneri de material pe interiorul acestora, scurgeri sau defecte la izolatia exterioara,

verifica oalele de condens, pompele si schimbatoarele de caldura,

detecta probleme de functionare la rulmenti, lagare, motoare electrice sau termice etc.

scanarea termica a cladirilor si instalatiilor – utilizate pentru efectuarea lucrarilor de inspectie termica la cladiri si instalatiile aferente de distrubutie energie elctrica si termica, ventilatie si distributie de gaze; cu ajutorul camerelor termografice se pot:

detecta zonele cu defecte de izolație termică (izolație termică lipsă sau necorespunzătoare, defecte de executie),

vizualiza traseele de incalzire ingropate in pardoseala,

identifica locurile in care exista scurgeri de apa din tevile ingropate in pardoseala,

detecta zonele cu probleme de etanșeitate la uși sau ferestre,

identifica locurile în care există acumulări de apă sub hidroizolația de pe terase etc.

vizualizarea scurgerilor de gaze.

aplicatii medicale – ste posibilă o monitorizare performantă a fenomenelor termice care au loc în corpul uman. Imaginile termice obținute sunt hărți color ce permit, pe baza asocierii unor culori sugestive, investigații amănunțite asupra pacientului. După obținere, termograma poate fi procesată digital în vederea localizării exacte a punctelor de stres, focarelor de infecție sau bolilor. Domenii de aplicabilitate

Medicină generală și internă; Ortopedie; Oncologie; Reumatologie; Chirurgie (scanări termice pre- și post-operatorii);

Stomatologie;

Medicină sportive, balneologie și medicină recuperatorie;

Medicină veterinară.

automatizari industriale (machine vision) – utilizata pentru monitorizarea proceselor industriale, termografia ajuta la gestionarea informatiilor despre calitatea produselor si analiza eficienta a productiei, informatii ce pot fi imposibil de colectat de catre camerele video in domeniul vizibil, termocuple sau termometre fara contact, in infrarosu. Multe dintre problemele care apar in timpul proceselor de fabricatie nu se pot vedea cu ochiul liber, variatii mici de temperatura pe suprafata unui produs fiind de multe ori critica, in special in industria auto sau electronica. Functionarea instalatiilor in deplina siguranta este asigurata de cele mai multe ori de camerele termice.

contralul nedistructiv al materialelor – primul semn al unui defect sau al unei probleme de functionare este dat deseori de o crestere a caldurii in zona respectiva, in consecinta de o crestere a emisiei de radiatii infrarosii. In alte cazuri, scaderea nejustificata a temperaturii unor zone sau elemente ale unui echipament poate fi un semn al unor fenomene negative la nivelul acestora. Dupa generare, termograma este procesata digital in vederea localizarii exacte a punctelor de stres termic si defectelor. Trebuie remarcat si faptul ca evaluarea unei termograme obtinute in urma scanarii unui aparat, sistem sau instalatii in timpul functionarii corecte poate oferi informatii extrem de pretioase cu privire la harta termica normala ce va reprezenta referinta in evaluarea viitoarelor scanari si remedierea la timp a unor potentiale defectiuni.

ELEMENTE GENERALE DE FIZICA RADIAȚIEI TERMICE

Domenii spectrale specifice radiației termice

Radiația infraroșie se poate încadra în clasa largă a radiațiilor electromagnetice cu diferite lungimi de undă.

Dacă fenomenul fizic de electromagnetism este analizat ca ansamblu de valori fizice pe care le poate lua în condiții determinate, spectrul acestora este ilustrat în figura 2.1.

După lungimea de undă, frecvență și energie, fenomenul poate fi tratat cu predilecție prin unul din cele două modele: ondulator sau cuantic.

Unde electromagnetice se pot produce în procesele în care intervin sarcini electrice accelerate sau frânate. Vectorul intensitate a câmpului oscilează în planul definit de direcția de propagare, iar vectorul accelerație oscilează în planul perpendicular pe vectorul de undă. Emisia și absorbția de radiație electromagnetică rezultă în urma tranzițiilor electronilor între nivelurile energetice de rotație și vibrație (pentru domeniul UV și VIS) și în urma tranzițiilor moleculare între niveluri de rotație și vibrație diferite (pentru IR și microunde) ca în figura 2.1.

Conform regulilor mecanicii cuantice, nivelurile ocupate de electroni sau molecule sunt caracterizate prin energii bine definite, salturile fiind permise numai prin absorbția sau emisia unor cuante a ăror energie este proporțională cu frecvența radiației. Radiația electromagnetică luminoasă are natură dublă, corpusculară și ondulatorie.

Conform primei concepții, lumina este de natură materială, ea se propagă de la sursă și ajunsă la ochi, produce senzația vizuală. Cealaltă concepție este cea conform căreia lumina este un fenomen ce decurge într-un anumit mediu numit eter. Astfel lumina nu mai este “ceva” ci reprezintă o stare a “cuiva”. Prima conceptie a fost elaborată de Newton și reprezintă modelul corpuscular al luminii.

Conform acestei concepții, lumina constă din mici particule emise de sursa de lumină. Cea de-a doua conceptie reprezintă teoria ondulatorie a luminii, conform acestui model în univers există un suport universal al tuturor fenomenelor optice, care poartă denumirea de eter.

Fig. 2.1. Spectrul electromagnetic

Cei care au pus bazele acestei concepții sunt C. Huygens și R. Hoock. Din conceptia ondulatorie existentă inițial s-a dezvoltat o nouă teorie pe baza căreia Young, Fresnel, Fraunhofer și Kirchhoff au analizat fenomenele de interferență și difracție.

După cum se poate observa și din fig. 2.1. radiația infraroșie este radiația electromagnetică al cărei spectrul de lungimi de undă este format din valorile cuprinse în intervalul (0.8·103…105) nm.

Infrarosul ocupa o portiune larga in cadrul spectrului electromagnetic, de la 0,8µm (micrometri) pana la 200µm, insa numai o mica parte este utilizabila de echipamentele de masurare si vizualizare IR. Pentru termoviziune (termografie) prezinta interes numai domeniul cuprins intre 0,8µm si 15µm. Practic, functie de producator, sunt recunoscute 3 (sau 2) subdomenii:

Unde scurte (SW – ShortWaves) sau Apropiat infrarosu (NIR – NearInfrared) 0,8 … 1,5µm

Unde medii (MW – MidWaves) 2 … 5µm

Unde lungi (LW – LongWaves) 7 … 15µm

Responsabila pentru aceste delimitari pe subdomenii (numite si ferestre) este atmosfera. Evident transmisia depinde de distanta intre obiectul scanat si camera in infrarosu, dar si de compozitia atmosferei, dioxidul de carbon si vaporii de apa fiind cei mai importanti factori ce afecteaza radiatia.

Ipoteza cuantică a lui Planck

In anul 1900 Planck a reușit să stabilească o relație teoretică pentru densitatea spectrală de energie ρ (ν, T) care era în perfectă concordanță cu datele experimentale. In stabilirea acestei relații Planck a plecat de la ideea că energia medie ce revine unui oscilator nu este aceeași, așa cum rezultă din statistica clasică, deoarece această energie trebuie să depindă de frecvența oscilatorului. In plus s-a mai acceptat sub formă de postulat faptul că energia unui oscilator armonic liniar este un multiplu întreg al unei energii elementare. Astfel .

Pornind de la aceste observații , pe baza legilor fizicii statistice , se poate arăta că energia medie a unui oscilator armonic liniar este:

. (1.1)

Astfel se obține pentru densitatea spectrală de energie forma:

. (1.2)

Pentru ca această relație să fie în acord cu datele experimentale care arătau că lim ρ (ν, T) = 0 pentru ν → ∞ este necesar ca ε0 să fie o funcție crescătoare de frecvență ε0 = ε0 (ν ). Prin postulatul lui Planck se impune ca:

, (1.3)

unde h este o constantă universală a cărei valoare se exprimă în unități derivate:

h = 6.6·10-34 J·s = 6.6·10-27 erg·s

Planck a introdus un concept nou în fizică și anume acela de cuantificare a energiei unui oscilator armonic liniar. Pornind de la faptul că ρ (ν, T) este o funcție de ν pentru un T dat și de la teorema lui Rayleigh-Jeans trebuie să se renunțe la ideea fizicii clasice conform căreia se consideră că spectrul energetic al unui oscilator armonic liniar este continuu, și așa cum arată Planck, energia oscilatorilor armonici liniari asociați unui câmp electromagnetic formează un șir discret de valori întregi multiplii ai unei cuante elementare de energie adică:

, (1.4)

cu care se obține relația lui Planck pentru densitatea spectrală de energie:

. (1.5)

Pentru hν << kT se dezvoltă exponențial în serie de puteri și reținând primii doi termeni se obține:

. (1.6)

Astfel expresia energiei medie a unui oscilator ia forma:

. (1.7)

Prin urmare relația lui Planck trece în relația lui Rayleigh-Jeans:

. (1.8)

La temperatura mediului ambiant T = 300 K, kT = 1/40 eV relația este valabilă numai dacă ν << (1/40)/h = 30 s-1 .In situația în care hν >> kT se obține:

, (1.9)

cu care relația lui Planck trece în relația lui Wien:

. (1.10)

La câțiva ani dupa ce Planck a emis teoria cuantelor s-a făcut de către Einstein al doilea pas important pe drumul dezvoltării teoriei cuantelor. S-a dezvoltat o nouă teorie conform căreia nu numai oscilatorii din pereții unei cavități au energie bine determinată ci și structura câmpului electromagnetic din interiorul cavității prezintă această proprietate. Pe baza acestor teorii Einstein a arătat că un câmp electromagnetic poate fi constituit din particule cu masa de repaus zero șî cu energia hν. Particulele cu această proprietate sunt fotonii. Astfel un foton este definit ca o particulă asociată unei radiații de frecvență ν, având masa de repaus nulă și viteza c iar energia egală cu hν.

Efectele fotoelectric, fotovoltaic, fotoconductiv, piroelectric

Efectul fotoelectric

Intr-o primă accepțiune prin efect fotoelectric se înțelege fenomenul de eliberare a electronilor de către o substanță bombardată cu radiație electromagnetică de anumită frecvență.

În 1905, Einstein a prezentat o teorie calitativă a efectului fotoelectric extern. După cum este cunoscut efectul fotoelectric extern a fost descoperit în 1888 de către Hertz care a observat că producerea de scântei între două sfere de zinc este mult ușurată dacă una dintre sfere este iradiată cu lumină ultravioletă. Pentru studiul efectului fotoelectric extern s-a folosit montajul din figura 2.2.

Fig. 2.2. Montaj experimental pentru definirea efectului fotoelectric extern

Intr-un tub cu vid înaintat se găsesc doi electrozi, catodul C și anodul A , între care există o diferență de potențial. Asupra catodului C se aplică un fascicul de radiații electromagnetice monocromatice care produc eliberarea electronilor din catod și accelerarea lor spre anod. Se produce un curent electric ce este înregsitrat la galvanometrul montat în circuit G. In absența iradierii catodului curentul înregistrat de galvanometru este nul. Efectul produs se explică prin faptul că se emit electroni de către catod sub acțiunea fluxului luminos (electronii din tub fiind accelerați de un câmp electric produs de diferența de potențial dintre electrozi).

Se observă că între începutul iradierii catodului și emisia de fotoelectroni există o întârziere foarte mică (sub 10-9 s) dar se poate considera că efectul este practic instantaneu.

Se constată de asemenea că fotoelectronii apar numai dacă frecvența fasciculului incident depășește o anumită frecvență limită. Pentru un anumit flux luminos, intensitatea curentului de fotoelectroni depinde de puritatea suprafeței iluminate, de natura acesteia precum și de tensiunea aplicată între cei doi electrozi. Rezultatele experimentului au condus la următoarele concluzii, sintetizate sub forma legilor efectului fotoelectric:

efectul fotoelectric este practic instantaneu și el apare numai dacă radiația incidentă are frecvența mai mare decât o valoare dată, pentru fiecare material în parte;

numărul electronilor emiși în unitatea de timp de suprafața catodului este proporțional cu intensitatea radiației incidente;

energia fotoelectronilor nu depinde de intensitatea radiației incidente ci numai de frecvența ei și de natura materialului catodului.

Incercarea de a explica efectul fotoelectric extern pe baza criteriilor clasice ondulatorii nu este posibilă. Astfel dacă se consideră lumina incidentă sub forma unei unde electromagnetice atunci aceasta excită electronii din metalul catodului iar la rezonanță (când perioada de oscilație a electronilor este egală cu perioada undei) amplitudinea oscilației electronilor devine așa de mare încât aceștia părăsesc metalul. Energia lor cinetică suplimentară ar proveni de la unda incidentă și astfel ar depinde de intensitatea radiației incidente (aspect neconfirmat experimental). In plus, conform teoriei ondulatorii efectul fotoelectric ar trebui să se producă pentru orice frecvență, cu singura condiție ca intensitatea radiației incidente să fie suficient de mare pentru a se iniția fenomenul. Practic fenomenul fotoelectric extern se produce pentru o anumită frecvența specifică fiecărui metal în parte. Totodată, conform teoriei ondulatorii a luminii, ar trebui să treacă o perioadă de timp între aplicarea fluxului incident de radiație și producerea fenomenului, lucru care nu se întâmplă.

Pe de altă parte efectul fotoelectric extern este simplu de explicat pe baza conceptului de cuante. Astfel în situația în care lumina se consideră formată dintr-un fascicul de fotoni cu energia individuală hν. Fotonul absorbit poate ceda energia sa electronului. Dacă această energie este suficientă pentru a învinge forțele de legătură a electronilor liberi ai metalului atunci aceștia vor părăsi metalul. Deoarece probabilitatea absorbției a doi fotoni de către un electron este mică înseamnă că fiecare electron primește energie de la un singur foton și din acest motiv numărul electronilor emiși (al fotoelectronilor) este direct proporțional cu intensitatea radiației incidente, fapt ce confirmă a doua lege a efectului fotoelectric extern. Energia fotoelectronilor este dependentă numai de energia fotonilor deci se poate explica și legea a treia a efectului fotoelectric extern.

Efectul fotoelectric intern apare în materiale semiconductoare cristaline și în materiale dielectrice și constă în creșterea conductivității electrice a substanței respective prin iluminare cu un fascicul de radiație cu o anumită lungime de undă sau bandă foarte îngustă de lungimi de undă (fascicul monocromatic). Fenomenul poate fi explicat prin creșterea numărului de purtători de sarcină (electroni sau goluri) în urma iluminării.

Astfel dacă energia fotonului hν0 este mai mare decât energia de activare Wa (care reprezintă diferența dintre cel mai coborât nivel al benzii de conducție și cel mai înalt nivel al benzii de valență) atunci se produce un efect de trecere a electronului din banda de valența în banda de conducție sau altfel spus apare un curent electric. Frecvența limită ν0 la care se produce fenomenul se numește frecvență de prag.

Conductivitatea electrică a unei substanțe este proporțională cu intensitatea luminoasă a radiației monocromatrice. Absorbția puternică a luminii poate reduce conductivitatea unui semiconductor deoarece are loc un fenomen de recombinare între electroni și goluri.

Efectul fotovoltaic

Pentru explicarea mecanismului de producere a efectului fotovoltaic vom considera o joncțiune pn în absența și respectiv în prezența unei radiații incidente. Benzile de energie ce caracterizează această joncțiune sunt prezentate în figura. 2.3.

Fig. 2.3. Diagrama benzilor energetice pentru joncțiunea pn

Fotonii incidenți care au o energie mai mare decât a benzii interzise produc tranziții din banda de valență în banda de conducție și determină astfel formarea de perechi de purtători de sarcină de tip electroni și goluri. Aceste perechi apar atât în zona joncțiunii cât și în afara ei în regiunile de tip “p” sau “n”.

Purtătorii de sarcină care sunt creați în zona joncțiunii sunt accelerați de câmpul electric al sarcinii spațiale producând un fotocurent prin joncțiune. La acest curent se mai adaugă o componentă datorată purtătorilor minoritari din zonele materialelor de tip “n” sau “p” situate în apropierea joncțiunii pentru o lărgime egală cu lungimea de difuzie.

Astfel sub influența radiației incidente , tranzițiile din zonele de tip “n” și “p” determină variații însemnate ale densităților de purtători minoritari în vecinătatea joncțiunii, fără a fi afectate masiv densitățile de purtători majoritari datorită concentrațiilor mari ale acestor purtători. Astfel purtătorii minoritari vor difuza în zona joncțiuni, unde sub influența barierei de potențial a acesteia sunt pompați în regiunea semiconductoare de tip opus, transformându-se în purtători majoritari. De asemenea excesul de purtători minoritari în zona joncțiunii duce la scăderea barierei de potențial a acesteia ca și cum sarcina spațială ar fi neutralizată prin prezența purtătorilor minoritari. Această diferență de potențial suplimentară la joncțiune, prin care regiunea de tip “p” devine pozitivă în raport cu regiunea de tip “n”, poartă numele de tensiune fotovoltaică și poate fi pusă în evidență prin apariția unui fotocurent în circuitul de sarcină. In diagrama benzilor energetice efectul fotovoltaic se manifestă printr-o deplasare relativă a nivelelor Fermi în regiunile semiconductoare

Dacă se face o analiză cantitativă a efectului fotovoltaic curentul prin fotodetector este de tipul:

, (1.11)

unde I0 reprezintă curentul de saturație al fotodiodei, Ifvs este curentul fotovoltaic de scurtcircuit, V este modificarea barierei de potențial prin efect fotovoltaic iar α este un factor ce ia în considerare abaterile de la caracterul ideal.

La funcționarea în gol (I = 0) se obține pentru tensiunea fotovoltaică valoarea:

. (1.12)

Deci se observă o variație logaritmică a tensiunii fotovoltaice cu intensitatea radiației luminoase de tipul celei prezentate în figura 2.4.

Fig. 2.4. Model geometric simplificat al detectorului fotovoltaic

Efectul fotoconductiv

Efectul fotoconductiv constă în creșterea conductivității unui material sub acțiunea radiației incidente care creează purtători de sarcină în volumul materialului astfel încât prezența unui câmp electric determină o densitate de curent prin existență unor anumite concentrații a purtătorilor de sarcină aflați în exces care prezintă mobilitate.

Fotoconductivitatea este unul dintre cele mai utilizate efecte care stă la baza realizării de elemente detectoare deși se obțin timpi de răspuns de valori mari (10-2…10-7) s. Creșterea vitezei de răspuns peste aceste limite este însoțită de scăderea câștigului (care reprezintănumărul de purtători rezultați pentru fiecare foton absorbit).

Efectul fotoconductiv a fost observat la numeroase materiale care se află în stare cristalină sau amorfă dar ca materiale de bază, prin natura proprietăților pe care le prezintă, sunt materialele semiconductoare. Sunt valabile în acest caz ambele categorii de materiale, și cele intrinseci, și cele extrinseci.

La semiconductorii intrinseci efectul fotoconductiv se datorează apariției perechilor de electron gol sub acțiunea fotonilor incidenți a căror energie trebuie să depășească energie benzii interzise a semiconductorului. Se poate pune condiția:

, (1.13)

unde h·ν reprezintă energia de radiație iar Ei este energia benzii interzise.

Astfel se va obține practic o condiție referitoare la lungimea de undă și anume:

. (1.14)

Altfel spus pentru lungimi de undă cu λ > λ0 nu apare efect fotoconductic intrinsec.

La semiconductorii extrinseci fotonii incidenți nu au suficientă energie pentru a produce perechi electron gol astfel că fotoexcitarea se face prin intermediul centrilor de impurități care se găsesc în materialul semiconductor. Astfel relația care definește lungimea de undă critică este:

, (1.15)

unde Eii reprezintă energia de ionizare a impurităților.

Se poate defini și pentru această categorie de fotodetectoare câștigul în curent care este raportul dintre curentul de ieșire și curentul de fotoexcitare constatându-se o creștere însemnată a câștigului în curent cu tensiunea de polarizare dar sub valori ale acesteia la care efectele de saturare și străpungere rămân nesemnificative. Efectele de saturare ale fotoconductorului la câmpuri electrice intense se explică prin scăderea importantă a timpului de tranzit sub valoarea timpului de viață astfel încât purtătorii minoritari nu au timp să se recombine în interiorul fotoconductorului.

Obținerea unui răspuns în frecvență bun al dispozitivelor fotoconductoare necesită micșorarea timpului de viață al purtătorilor iar obținerea unui câștig mare impune ca timpul de viață să fie cât mai mare. Astfel un parametru al fotodetectorului care trebuie optimizat este produsul amplificare bandă. Dacă la nivele scăzute ale intensității radiației incidente câștigul și timpul de viață al purtătorilor de sarcină nu depind de nivelul de fotoexcitare se observă o scădere importantă a acestora pentru intensități ridicate de radiație ceea ce determină micșorarea parametrilor de răspuns ai fotodetectorului.

Pentru fotodetectorii realizați din același material semiconductor trebuie să se țină seama de dispersia în limite largi a câștigului în curent, a timpului de răspuns, și a zgomotului ca urmare a dependentei puternice a acestor parametrii de gradul de dopare cu impurități. Tipurile de zgomot care apar la această categorie de fotodetectori sunt de generare recombinare, termic, a amplificatorului post detecție.

In figura 2.5 se prezintă parametrii energetici pentru fotoconductoarele realizate din semiconductori intrinseci și extrinseci.

Se poate vorbi despre două categorii de fotoconductoare și anume cele monocristaline și cele policristaline. Aici se pot face diferențieri chiar dacă mecanismul general al fotoconducției este același (bazat pe migrația purtătorilor de sarcină din banda de valențăîn cea de conducție). S-a făcut, după cum am mai arătat, diferențierea între un semiconductor intrinsec (la care structura este relativ pură ) și unul extrinsec ( la care în structură distingem impurități). In primul caz putem vorbi practic de monocristal.

In tabelul 1.1 prezentăm câțiva parametrii ai acestei categorii de fotodetectori.

Fig. 2.5. Parametrii energetici la fotodetectori

Tabelul 2.1

O relație importantă din punct de vedere energetic este aceea care definește numărul de fotoni pe unitatea de timp și de suprafață care lovesc cristalul:

, (1.16)

unde P reprezintă fluxul incident de radiație, λ este lungimea de undă a radiației, A este aria unui cristal paralelipipedic.

Conductivitatea electrică a cristalului se definește cu reația:

, (1.17)

unde e reprezintă sarcina electrică a electronului, n este concentrația de electroni, p este concentrația de goluri, μn este coeficient de mobilitate al electronilor, μp este coeficient de mobilitate al golurilor.

Astfel se poate observa că practic, conductivitatea electrică a unui material cristalin de acest tip este dependentă de concentrația electronilor, dar și de concentrația golurilor care apar în urma migrației acestora. Mobilitățile care au fost deja exprimate sunt dependente de sarcina pozitivă + e. Pentru un cristal neutru, adică pentru număr de electroni și de goluri egal, Poisson a arătat că:

. (1.18)

Fie variația cantitativă a numărului de electroni Δn astfel încât lucrând cu ipoteze simplificatoare se va obține o probabilitate η de eliberare a unui electron prin sosirea unui foton incident. Astfel vom avea:

, (1.19)

unde R reprezintă rezistența electrică a semiconductorului, σ este conductivitatea electrică a semiconductorului, e este sarcina electrică iar μ este mobilitatea.

Această relație este deosebit de importantă deoarece permite descrierea variației conductivității electrice a unui material semiconductor deci practic permite adoptarea unui model care să analizeze modul în care se va obține conducția în acest material.

a) fotoconductoare policristaline

Mecanismul fotoconducției în materialele policristaline este bine cunoscut. De-a lungul timpului s-au elaborat mai multe teorii. O primă teorie a arătat faptul că între microcristalele componente există mici bariere de potențial care se numesc și “contacte redresoare“ care se încălzesc la absorbția de fotoni de la radiația incidentă și permit producerea de fotoelectroni. O altă teorie, cea de-a doua, se bazează pe calcule statistice referitoare la purtătorii de sarcină care se formează (electroni și goluri).

In categoria fotoconductoarelor policristaline amintim:

sulfura de thaliu;

sulfura de plumb;

seleniura de plumb;

teliura de plumb.

Vom prezenta câteva aspecte referitoare la aceste materiale.

In 1917 se observa pentru prima oară, de către T.W. Case, conductivitatea unui material de tip Tl2S pentru iluminarea cu radiație infraroșie. Materialul a fost numit “talofidă“. Maximum de sensibilitate pentru acest material se observă la 0.95 μm. Răspunsul spectral pentru acest material este prezentat în figura 2.6.

Sulfura de plumb și seleniura de plumb au caracteristicile prezentate în cadrul capitolului de materiale.

Fig. 2.6 Răspunsul spectral pentru sulfura de thaliu

Un alt material este teliura de plumb. Pentru realizarea elementelor de acest tip se folosesc tehnici de depunere în vid. Principalele caracteristici ale acestui dispozitiv sunt:

constanta de timp (10…100) μs;

rezistență electrică (10…100) MΩ;

necesită răcire cu azot lichid la 78 K;

suprafață activă (10…100)mm2.

Se observă că aceste materiale au o constantă de timp bună.

b) fotoconductoare monocristaline

Față de structurile policristaline utilizarea unor materiale monocristaline prezintă anumite dificultăți. Unul din primele materiale din această categorie care a fost experimentat și studiat este antimoniura de indiu. La ora actuală se realizarea componente pe bază de germaniu sau de siliciu. Aceste materiale și caracteristicile lor au fost prezentate în cadrul capitolului de materiale. Vom mai specifica faptul că ele sunt destinate lucrului la λ = 1.8 μm (pentru Ge) și λ = 1.2 μm (pentru Si).

Se folosesc mai multe tipuri de detectoare cu germaniu:

fotodiodă punct;

fototranzistor cu tiraj;

fotodiodă cu tiraj;

fotodiodă cu joncțiune aliată.

Fotodiodele “punct“ sau “în punte“ cum se mai numesc se realizează prin aplicarea pe suprafața monocristalului de tip n a unui punct sau a unei punți metalice de tip p care să permită realizarea impulsurilor electrice în circuit. Structura realizează practic o microjoncțiune care determină o suprafață activă mică a cristalului (1/10 mm2).

Fotodiodele cu tiraj realizează o structură bazată pe metoda de obținere a materialelor Czochralski care permite obținerea simultană a unei structuri n și a unei structuri p.

Fotodiodele cu structură obținută prin aliere se realizează prin difuzia care apare la încălzirea unei pastile de indiu cu (500…600)0C pe suprafața unei lame din germaniu de tip n după care se practică o răcire lentă. Astfel , la interfața dintre cele două materiale , se formează o joncțiune pn.

Proprietățile elementelor de recepție cu germaniu se prezintă în tabelul 1.2.

Tabelul 1.2

O altă categorie o reprezintă celulele cu siliciu sau cu germaniu dopat. Alegerea dopanților este deosebit de importantă din punst de vedere energetic deoarece atomii donori sau acceptori permit selectarea unei anumite lungimi de undă care este recepțioantă de către celulă prin aplicarea fenomenului de ionizare termică (concentrația purtătorilor de sarcină este dependentă de temperatură). Alegerea corespunzătoare a materialelor permite obținerea anumitor valori pentru energia de ionizare.

Ca impurități acceptoare se folosesc Cu, Au, Zn, B, Al, Ga, Fe, Co, Ni, Pt, Mn iar ca impurități donoare se folosesc Sb, Bi, P, As, Li.

In cadrul dispozitivelor ce lucrează pe baza acestui efect se pot aminti și fotoconductoarele intrinseci. Ca materiale se folosesc:

antimoniura de indiu (InSb);

arseniura de indiu (InAs);

antimoniura de aluminiu (AlSb);

antimoniura de galiu (GaSb);

arseniura de indiu (InAs);

arseniura de galiu (GaAs).

Se observă că practic aceste materiale sunt combinații cu metalele. Ele lucrează în diferite domenii spectrale dar pentru domeniul IR prezintă interes mai ales InSb și InAs.

Antimoniura de indiu este un material care a fost studiat foarte bine și permite obținerea unor purități mari precum și o mobilitate a purtătorilor foarte bună. Cristalul obținut este de tip cubic (temperatura de fuziune fiind 5230C) astfel încât să se poată aplica tehnologii simple. Se realizează o eliminare ulterioară (în urma elaborării materialului) a componentelor în surplus ceea ce permite o echilibrare foarte bună a concentrațiilor. Ulterior se realizează decuparea unei lamele de dimensiuni corespunzătoare și se aplică un tratament termic.

Efectul piroelectric

Detectorii piroelectrici fac parte din categoria detectorilor termici și folosesc ca și element sensibil un material cu proprietăți piroelectrice. Cristalele cu proprietăți piroelectrice au fețele opuse polarizate electric chiar și în afara aplicării unei tensiuni între ele.

La creșterea temperaturii cristalului se va produce o modificare a stării de polarizare astfel încât, dacă se va monta elementul piroelectric într-un circuit, se obține variația unui parametru electric măsurabil. Structura unui detector piroelectric este de tip sandwich.

Firmele producătoare realizează astfel de dispozitive în mai multe tipuri de capsule (de obicei se folosește capsula metalică din mai multe considerente cum ar fi rezistența la șocuri sau posibilitatea de ecranare). Deoarece apariția unei modificări a energiei termice duce la apariția unui transfer de sarcină electrică se poate considera că practic semnalul de ieșire este proporțional cu variația semnalului luminos (care fiind de natură termică este în IR).

Surse de radiație termică

Mișcarea termică în substanțe reprezintă oscilații ale componentelor atomice, electroni și ioni, cu o multitudine de frecvențe. Aceste componente sunt periodic accelerate și radiază astfel unde electromagnetice, pe care le putem înregistra ca radiație termică (radiație infraroșie).

La temperaturi mai mari apar frecvențe mai mari, substanța devenind incandescentă, deci spectrul radiației electromagnetice emise atinge domeniul radiației electromagnetice vizibile.

La temperaturi foarte mari (arc electric) se atinge domeniul și mai înalt al radiației ultraviolete.

Deoarece directiile de accelerare în cazul mișcării termice sunt distribuite statistic, radiația este nepolarizată.

Sursele de radiație în infaroșu sunt de mai multe tipuri:

surse naturale de radiație;

surse artificiale de radiație.

După proveniența lor sursele se pot clasifica în:

surse terestre;

surse atmosferice și cosmice.

Sursele artificiale de radiație nu sunt interesante deoarece ele fac obiectul aparatelor de tip activ care , după cum s-a arătat , au anumite dezavantaje. Cele mai importante sunt sursele naturale de radiație infraroșie. Sursele cosmice sunt date de soare, lună, planete sau stele. Sursele atmosferice sunt date de particule de praf sau de apă sau de moleculele diferitelor gaze care se găsesc în atmosferă și care realizează un efect de împrăștiere a luminii (indiferent de lungimea de undă). Acestea sunt considerate de fapt surse secundare de radiație deoarece în anumite condiții ele absorb radiația în domeniul ultraviolet și vizibil și reflectă numai radiația în domeniul infraroșu.

Iluminarea dată de soare este la nivelul pământului, ziua, de 105 lx. Noaptea iluminarea cea mai puternică este dată de lună și se ajunge la valoarea de 0.2 lx. Stelele au o contribuție foarte redusă la iluminarea nocturnă și anume de 0.3·10-4 lx iar planetele de 0.1·10-4 lx. Dacă se mai consideră și lumina difuzată atmosferă se ajunge la o valoare de 1.7·10-4 lx.

Se cunoaște faptul că toate corpurile din natură emit radiații domeniul de lungimi de undă de emisie fiind dat de temperatura la care se găsesc corpurile respective. Lungimea de undă corespunzătoare unei anumite temperaturi se determină cu relația:

λ = 2900/(2730+t), (1.24)

unde t este temperatura corpului [0C].

Astfel dacă ne vom referi la corpurile care au temperaturi de (0…30) 0C ele vor emite radiații cu lungimile de undă λ = (5…10) μm. Deci cu ajutorul unor echipamente adecvate se vor putea vedea fără utilizarea unor surse de lumină suplimentare.

Condițiile de vedere pe timp de noapte impun detecția de către ochiul uman prin intermediul unui aparat a radiațiilor emise direct de un corp sau reflectate de acesta. De obicei obiectul ce trebuie observat se găsește pe un anumit fundal și el va putea fi bine determinat numai dacăare un coeficient de reflexie diferit de al mediului respectiv. Un rol important îl are și atmosfera care se interpune între observator și obiect.

Legile radiației termice

Radiația termică se poate considera că reprezintă radiația cu lungimi de unda situate în domeniul infraroșu (îndepărtat). Legile radiației termice descriu fenomenele care se petrec la interacțiunea dintre radiație și un corp solid din punct de vedere energetic (cantitativ și calitativ). Se pot aminti aici legile: Pevost, Kirchhoff, Stefan Boltzmann, Planck, Wien și Lambert.

Legea lui Pevost: dacă două corpuri absorb cantități diferite de energie atunci emisia lor este diferită. Intensitatea emisiei unui corp este independentă de temperatura corpurilor din jur.

Prima lege a lui Kirchhoff:strălucirea energetică spectrală Bλ a unui corp negru nu depinde decât de temperatura absolută T a corpului.

Dacă în interiorul unei cavități (corp negru) se stabilește un echilibru termic atunci densitatea radiației este aceeași în orice punct al cavității.

A doua lege a lui Kirchhoff: strălucirea energetică spectrală Bλ a unui corp oarecare pentru o lungime de undă dată și pentru o direcție dată este egală cu produsul dintre factorul său de absorbție αλ și strălucirea energetică spectrală a corpului negru la aceeași temperatură și în aceleași condiții BλCN:

. (1.25)

Această lege permite, în situația în care se cunoaște strălucirea corpului negru să se determine strălucirea unui corp oarecare sau coeficientul său de absorbție. Aceeași lege este valabilă nu numai în cazul unei radiații monocromatice ci și în cazul general al determinării strălucirii energetice totale sau a factorului de absorbție global α. al unui corp. Astfel:

, (1.26)

Deoarece:

, (1.27)

rezultă:

, (1.28)

de unde:

. (1.29)

Legea lui Stefan Boltzmann: fiecare unitate de suprafață a corpului negru [cm2] emite la temperatura termodinamică T [K], în unitatea de timp [S], în unghiul solid 2π radiația integrală:

, (1.30)

unde σ este constanta universală a corpului negru (Stefan Boltzmann).

Legea lui Planck: radiația emisă de un corp are distribuția energiei E dependentă de lungimea de undă λ și de temperatura termodinamică T după legea:

. (1.31)

Legea lui Wien: valoarea numerică a distribuției energiei spectrale se poate calcula pentru un radiator integral la temperatura T și lungimea de undă λ cu relația:

, (1.32)

în care este constanta legii de deplasare a lui Wien.

Legea lui Lambert: intensitatea unui corp a carui strălucire este constantă, pe o direcție dată este proporțională cu strălucirea corpului respectiv, suprafața emisivă și unghiul β definit ca în figura 2.7.

Se consideră o sursă de strălucire constantă B pe o direcție ox oarecare care se supune legii lui Lambert și anume un corp negru incandescent posedă o proprietate remarcabilă: nici un contrast nu permite determinarea reliefului ei deci practic o sferă incandescentă este observată ca un disc luminos.

Fig. 2.7. Indicatorul de emisie

Pentru o sursă care se supune legii respective se consideră un element de suprafață S pentru care intensitatea luminoasă variează cu unghiul β conform relației:

. (1.33)

Se admite un vector portant care determină intensitatea energetică a unei surse astfel încât extremitatea sa va descrie o suprafața care poartă numele de indicator de emisie.

Legea lui Bouguer: dacă se consideră două suprafețe de arii ds și ds’, elementare, cu distanta r între centrele lor O și O’, precum și β respectiv α unghiurile formate de normalele la suprafețele respective în O și O’ cu direcția OO’, iar dacă ds se consideră că emite energie și ds’ că absoarbe energie atunci fluxul energetic dΦ poate fi determinat cu relația:

. (1.34)

Se poate determina de asemenea întinderea geometrică a fasciculului ce se exprimă în m2 sau cm2 după cum urmează:

. (1.35)

Definirea corpului negru

La începutul secolului XX, în cadrul fizicii clasice nu s-au putut oferi explicații științifice riguroase unor fenomene ca radiația corpului negru respectiv efectul fotoelectric.

Prin definiție corpul negru poate să absoarbă întregul flux incident pentru toate frecvențele radiației incidente și pentru toate temperaturile.

Se consideră o cavitate închisă, izolată adiabatic de mediul exterior, fără sarcini electrice spațiale interioare. Pereții incintei se găsesc la temperatura T. Radiația din interiorul cavității este emisă de atomii pereților sub formă de unde electromagnetice cu o structură de spectru continuu cu toate frecvențele în domeniul [0, ∞]. O parte a acestei radiații este absorbită de pereții cavității. La echilibru termic, caracterizat prin temperatura T, cantitatea de energie emisă într-o secundă de pereți este egală cu cantitatea de energie absorbită într-o secundă și care provine din toate direcțiile având toate frecvențele și polarizările posibile.

Câmpul electromagnetic din interiorul cavității are densitatea spațială:

. (1.36)

Relația permite calculul densității spectrale volumice a energiei:

, (1.37)

unde du este densitatea spațială de energie în intervalul de frecvențe [ν, ν + Δν].

Kirchoff a demonstrat că densitatea spectrală volumică depinde în mod exclusiv de temperatura incintei și de frecvența radiației:

, (1.38)

iar Wien a arătat că funcția are expresia:

, (1.39)

unde f(ν, T) este o funcție dependentă de raportul dintre ν și T care trebuie determinată.

Densitatea spațială de energie pentru o temperatură dată este:

, (1.40)

iar expresia energiei totale din interiorul cavității ia forma:

. (1.41)

Radiația din interiorul cavității poate fi studiată experimental printr-o deschidere în peretele cavității, de dimensiuni mici în raport cu dimensiunile acesteia, astfel încât cantitatea de energie pierdută să nu aibă influență pregnantă asupra echilibrului energetic.

Această situație este prezentată în figura 2.8. Considerăm dS elementul de suprafață al deschiderii și OE o direcție arbitrară ce face unghiul θ cu normala la suprafață în punctul O.

Fig. 2.8. Definirea radiației corpului negru

Se notează cu I(ν, T) intensitatea radiației cu frecvența cuprinsă în intervalul [n,ν+dν] pentru direcția de emisie OE și în unghiul solid dΩ. Vom determina energia în intervalul de timp dt:

. (1.42)

Aceasta este energia care în timpul dt este conținută într-un cilindru cu înălțimea c·dt și cu baza dS·cos θ astfel încât:

. (1.43)

Factorul dΩ/4π este introdus datorită izotropiei radiației în interiorul cavității.Rezultă:

. (1.44)

Stabilirea pe cale teoretică a acestei dependențe a fost realizată pentru prima dată de Rayleigh și Jeans care au pornit de la teoria electromagnetică a radiației și conceptele din fizica clasică. In plus au aceptat ipotetic faptul că un câmp electromagnetic într-o cavitate închisă este echivalent cu un ansamblu numărabil de oscilatori armonici liniari și independenți iar energia câmpului este egală cu suma energiilor acestor oscilatori ,ei fiind asociați doi câte doi fiecărei frecvențe.

Notând cu N(ν)·dν numărul oscilatorilor armonici liniari din volumul elementar dv pentru o cavitate de volum V, densitatea de energie se determină cu relația:

. (1.45)

Se poate arăta că:

. (1.46)

Conform statisticii clasice energia medie ce revine unui oscilator este kT unde k este constanta lui Boltzmann iar pentru o cavitate aflată în echilibru termic la temperatura T rezultă legea lui Rayleigh Jeans prin care afirmă că: densitatea spectrală de energie ρ (ν, T) la o temperatură dată este direct proporțională cu pătratul frecvenței:

. (1.47)

Montajul experimental al corpului negru pentru studiile de laborator se prezintă în figura 2.9.

Corpul negru se realizează dintr-un material cu factor de absorbție mare cum este grafitul.

Astfel corpul negru (1) constă dintr-o cavitate închisă izolată adiabatic de mediul exterior. În partea frontală se montează o diafragmă reglabilă (2). In interiorul cavității (corpului negru) este montat un termocuplu (3).

Conductivitatea termică scăzută se realizează prin folosirea unui vas cu apă montat în partea frontală a discului modulator mecanic (4).

Fig. 2.9. Stand experimental pentru studiul corpului negru

Prin determinarea experimentală a lui I(ν, T) se obține dependența ρ(ν, T) care pentru o temperatură dată este funcție numai de frecvență și are alura prezentată în figura 2.10.

Se observă o creștere bruscă a valorii ρ(ν, T) pentru valori scăzute a lui v. Creșterea în continuare a acestui parametru nu produce variații însemnate ale valorii de pe ordonată existând o valoare a lui v de la care ρ(ν, T) scade.

Fig. 2.10. Variația experimentală lui ρ(ν, T)

Mărimi și unități de măsură pentru radiația energetică și fotometrică

Mărimile de radiatie energetice sunt mărimi fizice a caror evaluare se face în unități de măsură ale energiei iar mărimile de radiație fotometrice sunt mărimi de natură fiziologică dar și de natură fizică, evaluarea lor făcându-se în unități fotometrice. Fiecărei mărimi de radiație energetică îi va corespunde o mărime fotometrică. Mărimile energetice se marchează cu simbolul indice “e“ iar cele fotometrice cu “v“.

Concluzionând, radiometria se ocupă cu măsurarea caracteristicilor energetice ale radiației iar fotometria se ocupă cu măsurarea acelor caracteristici ale radiației care se situează în domeniul vizibil.

Mărimi și unități de măsură radiometrice

Energia radiantă reprezintă cantitatea de energie emisă/primită sub formă de radiație. Se notează cu We sau Qe, și se măsoară în J.

Fluxul energetic sau radiant reprezintă cantitatea de energie primită sau radiată printr-o suprafață. Se notează cu Φe sau P și se măsoară în W. Relația de definiție este:

. (1.48)

Randamentul energetic al unei surse de radiație reprezintă raportul dintre fluxul energetic emis și fluxul de energie primită.

Se notează cu ηe și se definește cu relația:

. (1.49)

Intensitatea energetică a unei surse de radiație sau a unui element al sursei pe o direcție dată reprezintă fluxul radiant în unitatea de unghi solid. Se notează cu Ie și se măsoară în W/sr. Se definește cu relația:

. (1.50)

Luminanța energetică (radianța) într-un punct al sursei de radiație sau al receptorului pe o direcție dată: reprezintă intensitatea radiantă a unei surse pe unitatea de suprafață. Se notează cu Le sau B și se măsoară în W/m2 sr. Se definește cu relația:

, (1.51)

unde dSn este elementul de suprafață pentru care direcția de propagare reprezintă normala.

Emitanța energetică într-un punct al unei suprafețe reprezintă fluxul energetic ce părăsește un element de suprafață ce conține un punct cu coordonate date, este o caracteristică a surselor Se notează cu Me și se măsoară în W/m2. Se definește cu relația:

. (1.52)

Iluminarea energetică într-un punct al unei suprafețe reprezintă fluxul radiant pe unitatea de suprafață. Se notează cu Ee și se măsoară în W/m2. Se definește cu relația:

. (1.53)

Expunerea energetică sau cantitatea de iluminare se notează cu He și se măsoară în J/m2. Se definește cu relația:

. (1.54)

Mărimi și unități de măsură fotometrice

Energia luminoasă reprezintă cantitatea de energie primita sau emisă sub formă de radiație în domeniul vizibil. Se notează cu W și se măsoară în lm·s.

Fluxul luminos reprezintă fluxul energetic, emis sau primit, evaluat după senzația luminoasă pe care o produce. Este unitatea de bază pentru exprimarea puterii optice. Se notează cu Φ și se măsoară în lm.

Lumenul reprezintă fluxul luminos radiat de o sursa de lumină punctiformă care are intensitatea de 1 cd emis în unghiul solid de 1sr.

Determinarea acestei mărimi se face cu ajutorul unei sfere integratoare ce colectează lumina împrăștiată de o sursă în unghiul solid de 4π.

Situația este ilustrată în figura 2.11.

Pentru definirea unghiului solid se folosește figura 2.12.

Steradianul este unghiul solid care are vârful în centrul unei sfere și intersectează suprafața sferei după o arie determinata de pătratul razei sferei. Deci o sferă conține 4π steradiani.

Relația de definiție a fluxului luminos este:

, (1.55)

unde K reprezintă echivalentul fotometric al radiației (de valoare 683 lm/W), Kλ este eficacitatea luminoasă relativă spectrală, Φe,λ este fluxul energetic spectral pentru (380…780)nm.

Fig. 2.11 Emisia radiației în unghiul solid 4π

Fig. 2.12 Noțiunea de unghi solid

Intensitatea luminoasă reprezintă fluxul luminos emis de o sursă punctiformă în unitatea de unghi solid pe o directie dată. Se notează cu I. Relația de definiție a intensității luminoase este:

. (1.56)

Unitatea de măsura este cd.

Pentru o sursă punctiformă de radiație se obține:

. (1.57)

Iluminarea unui punct pentru o suprafață dată reprezintă raportul dintre fluxul luminos și suprafața elementară din jurul punctului respectiv. Se notează cu E. Relația de calcul este:

. (1.58)

Unitatea de măsura este lx. Un lux reprezintă iluminarea unei suprafețe de 1 m2 pe care cade un flux luminos de 1 lm. Schema de deducere a acestei mărimi este prezentată în figura 2.13.

Luminanța sau strălucirea într-o direcție dată reprezintă intensitatea luminoasă raportată la unitatea de suprafață privită dintr-o direcție dată. Luminanța depinde deci de unghiul de vizare. Se notează cu L. Relația de definiție este:

. (1.59)

Fig. 2.13 Deducerea relației pentru iluminare

Ca unitate de măsură se folosește nit-ul [nt]. Un nit reprezintă strălucirea unei suprafețe ce dă pe direcția normală o intensitate de 1 cd. O unitate de măsură tolerată este stilbul (1sb = 104 nt = 1 cd/ 1 m2).

Reprezentarea grafică a relației de deducere a luminanței este dată în figura 2.14. Se observă că acest parametru este independent de distanță.

Fig. 2.14. Deducerea relației de definiție a luminanței

Emitanța luminoasă reprezintă fluxul luminos emis de unitatea de suprafață ce conține un punct dat. Se notează cu M. Relația de definiție este:

. (1.60)

Unitatea de măsură este luxul [lx].

Transmisia atmosferica a radiației

Orice corp aflat la o temperatură mai mare de zero absolut (-273°K) emite energie termică în domeniul IR, o mare parte din fiind absorbită dau dispersată de către atmosferă. Distribuția energiei radiante a unui obiect (țintă) este prezentată în fig.2.15.

Fig. 2.15.

Fluxul de energie radiat de un obiect țintă care poate fi recepționat de un senzor este:

unde:

= coeficient dependent de natura materialului țintei

St = suprafața țintei

= coeficient de proporționalitate

T = temperatura țintei

Ad = suprafața elementului de conversie

D = distanța până la țintă

= unghiul solid

Această relație este valabila în condiții atmosferice ideale, adică în ipoteza ca mediul nu influențează propagarea razelor infraroșii.

În realitate, atmosfera acționează selectiv asupra energiei de radiație, în sensul că atenuarea depinde în foarte mare măsură de lungimea de undă. Pentru a marca această proprietate se folosește coeficientul de transmisie al atmosferei, caracteristic pentru fiecare strat al acesteia (fig.2.15)

Fig. 2.15.

Atmosfera este un mediu format dintr-un amestec de gaze, vapori de apă și particule aflate în suspensie, cu dimensiuni de la 5×10-6 la 5×10-3 cm. Gazele mai des întâlnite sunt: azotul (78%), oxigenul (20%), argonul, hidrogenul, bioxidul de carbon, neonul și heliul. Conținutul de vapori de apă variază funcție de temperatura aerului și de presiunea atmosferică, iar corpurile străine sunt: picăturile de apă, fumul, particulele de origine organică sau minerală și bacteriile.

Transmisia atmosferica depinde, desigur, de distanta de observare, dar si de conditiile meteorologice. Se pot realiza modele, relativ complexe, care permit sa se prevada transmisia atmosferica pe un domeniu spectral cu o precizie acceptabila. Totusi, fenomenele complexe si numeroase care caracterizeaza o scena reala sunt dificil de modelat, pentru fiecare caz in parte fiind nevoie de aproximari; aceasta cu atat mai mult cu cat conditiile atmosferice ale unei zile anumite sunt unice: umiditate, aerosoli, picaturi fine de apa, etc.

In cele ce urmeaza se prezinta o expunere succinta in specificul compozitiei atmosferice si a legaturilor acestui specific cu problematica de interes.

Emisivitatea atmosferei

Atmosfera constituie o sursă de radiații parazite, cunoscute de regulă sub denumirea de radiații de fond. Acestea sunt datorate, printre altele :

variației compoziției atmosferice, în timp (datorita factorilor meteorologici) și în spațiu (datorită modificării presiunii cu altitudinea);

compoziției propriu – zise; atmosfera conține diverse feluri de elemente negazoase: solide (praf și fum) și lichide (ceață) a căror influenta este complexa, introducând fenomene de dispersie, difuzie și refracție.

Emisivitatea atmosferei este deci o mărime aleatorie, funcție de mai mulți parametri ca: variațiile de temperatura, distanța de la ținta la observator, orizontalitatea sau verticalitatea direcției de observare (ex. cazul observării de la sol a unui vehicul diferă de cea a observării unui avion, în aceleași condiții).

Absorbția atmosferica

Factorul de absorbtie depinde de componentii gazosi care sunt continuti in atmosfera; pentru utilizare practica, acest termen este constituit din doi factori deosebit de importanti fata de altii pentru o traiectorie orizontala:

absorbtia de catre vaporii de apa;

absorbtia de catre bioxidul de carbon.

Deși absorbția pare mai puțin complexă decât difuzia, datorită dependenței mult mai scăzute de condițiile atmosferice, descrierea sa este mai dificilă datorită structurii de benzi de absorbție diferite de la un domeniu spectral la altul. Astfel:

vaporii de apa absorb în infraroșu în special în domeniile spectrale 2,24…3,27 μm; 4,8…8,5 μm; 12,25 μm și ale căror maxime se află la lungimi de undă de 2,7; 3,2; 6,3 μm ;

dioxidul de carbon din compoziția atmosferei în special în domeniile spectrale 2,36…3,02 μm; 4,01…4,8 μm; 12,5…16,5 μm și ale căror maxime se află la lungimi de undă 2,7; 4,3; 15μm

Absorbția depinde preponderent de grosimea stratului atmosferic pe care trebuie să-l străbată radiația dinspre țintă spre observator. Ea variaza cu umiditatea din atmosfera si avantajeaza cu mult domeniul spectral 3-5 µm in comparatie cu domeniul spectral 8-12 µm

In atmosfera “de jos” importante benzi de absorbție au CO2, H2O și O3

CO2 este distribuit uniform în atmosferă. Concentrația lui medie se păstrează aproape constantă până la o înălțime de 20 km. iar volumul lui este de 0,033%. Concentrații mai mici sunt la sol (unde pot ajunge la 10%), descrescând în straturile superioare ale atmosferei.

Benzile de absorbție intense sunt situate în jurul lungimilor de undă: 1,4µm, 1,6 µm, 2-2,6 µm, 4,3 µm, 4,8 µm, 5,2 µm, 10,4 µm și 12,8 – 17,3 µm ele fiind funcție de concentrație, λ și presiune.

Vaporii de H2O au în atmosferă concentrații diferite din cauza fluctuațiilor de umiditate de temperatura și de presiune.

Benzile sale de absorbție sunt distribuite astfel: 0,94 µm, 1,1 µm, 1,38 µm, 1,87 µm, 2,7µm, 3,2 µm și 6,3 µm … la nivelul solului.

În volum, urmele de vapori de apă variază între 1% și 0,001%.

Umiditatea relativa medie peste întreaga zona de latitudine este intre 70% și 80%.

Umiditatea relativă este minimă la altitudine între 5 și 10 Km (30% la 35%).

Pe de altă parte urmele de vapori de apă dintr-un volum de aer descresc foarte rapid cu temperatura.

absorbția ozonului (O3) poate fi neglijabilă deoarece concentrația de ozon din stratul inferior al atmosferei este mică, cu excepția unei anumite perioade de după furtună, când apare o creștere bruscă a cantității de ozon. Concentrația crește rapid la 22 – 27 km înălțime și scade practic la zero la înălțimi mai mari de 40 km.

Concentrația medie a ozonului în stratul apropiat de pământ reprezintă 2,7×10-6 % din volum.

Benzile sale de absorbție sunt situate între 4,7 µm și 9,6 µm.

Foarte greu se analizează din punct de vedere analitic impuritățile posibile (praf, picături de apă, etc) care sub forma de aerosoli pot întuneca puternic atmosfera. Ei sunt prezenți la toate înălțimile (până la 100 km.). Concentrația lor crește exponențial până la înalțimea de 5-6 km., rămâne constantă în straturile înalte și are un maxim la 15-23 km. înălțime.

Atenuarea provocată de aerosoli se termină prin forma și compoziția particulelor care formează acești aerosoli, concentrația lor, distribuirea după dimensiuni, de factorii meteo și de cei geografici.

Difuzia atmosferica

În interiorul “ferestrei” de transmisie atmosferică, atenuarea de bază a radiației se produce ca rezultat al difuziei.

Difuzia este în general un fenomen mai puțin selectiv decât absorbția. Difuzia datorata particulelor din atmosfera creeaza un fenomen care se suprapune peste aceea adusa de gazele din atmosfera. In functie de dimensiunule acestor particule, se poate vorbi de:

aerosoli: particule foarte mici aflate in suspensie in atmosfera;

bruma: constituenti avand ca origine praf microscopic (o,5 µm) ; aceste particule aflate intr-o regiune umeda fieaza moleculele de apa prin condensare si pot astfel sa creasca in volum. In apropierea marii, particulele saline, foarte higroscopice, genereaza adeseori bruma groasa;

ceata: cand particulele care constituie bruma devin picaturi sau cristale de gheata, este vorba de ceata (dimensiuni de particule de ordinul a catorva microni). Norii prezinta o aceeasi structura, deosebirea fata de ceata nefiiind decat o problema de altitudine relativa;

precipitatiile: este vorba de picaturi de apa ale caror dimensiuni de ordinul a 0,25 µm nu mai permit suspensia in aer, si dau nastere la ploaie

Difuzia depinde de marimea particulelor in suspensie, precum si de marimea lor in raport cu lungimea de unda considerata.Difuzia are valoare maxima pentru o lungime de unda atunci cand raza particulei in suspensie este egala cu lungimea de unda.

In functie de conditiile existente in teren, pot exista avantaje pentru unul sau altul din cele doua domenii spectrale mentionate.

O imagine edificatoare în acest sens o oferă tabelul 2.4, în care sunt prezentați factorii de difuzie atmosferică pentru diferite condiții de observare.

Tabelul 2.4

Atenuarea generală într-un mediu optic omogen se exprimă prin relatia:

Ie=I0exp(-l),

unde Ie este intensitatea radiației care străbate distanța “l”; I0 este intensitatea radiației la începutul traseului; este indicele de atenuare sau coeficientul de absorbție, care în general depinde de lungimea de undă, iar “l” este grosimea stratului de aer.

Condițiile de aplicabilitate ale acestei legi sunt:

absorbția radiației proprii a mediului în gama spectrală considerată;

absența mediilor luminoase inductive;

monocromaticitatea riguroasă a radiației

absența interacțiunilor nelineare ale radiației cu substanțele din care este constituit mediul de propagare a radiației.

Atmosfera poseda practic trei ferestre permeabile radiatiei IR, in domeniile spectrale 0,75…2 μm ; 3…5μm; 8…12 μm. Primul domeniu este permeabil prin atmosfera, dar foarte putine tinte emit in aceste lungimi de unda, ele trebuind sa fie, practic,incandescente. Fereastra de 3..5 μm (care constituie, de altfel, si zona cu cea mai buna transmisie atmosferica dintre cele trei zone mentionate) este potrivita mai ales pentru detectarea si observarea tintelor fierbinti (ex, motoare termice, tevi de esapament), iar fereastra de 8…12 μm pentru tinte cu temperaturi aflate in jurul valorii de 200 C(ex. cladiri, vegetatie, fiinte umane sau animale).

Pentru a fi detectata si apoi recunoscuta si identificata, o tinta trabuie sa prezinte, fata de fundal, o diferenta de tempratura suficient de mare pentru a fi distinsa de alte variatii termice ale fundalului. Atmosfera nu trebuie sa atenueze in mod excesiv acest semnal. Apoi, utilizatorul sistemului optoelectronic de conversie trebuie sa utilizeze o astfel de procedura de cautare care sa-i permita sa orienteze sistemul in directia tintei. Elementul de conversie al sistemului trebuie sa colecteze semnalul, (ajutat fiind si de un sistem optic), sa-l converteasca in semnal electric (cu un raport semnal-zgomot bun si intr-un domeniu spectral corespunzator) si, in final, sa-l reconvertesca in semnal optic pe un monitor.

Domeniile spectrale de interes pentru sistemele de termoviziune sunt urmatoarele:

domeniul lungimilor de undă situate între 3 … 5 μm pentru detectarea și observarea obiectelor fierbinți ca de exemplu: motoare termice, țevi de eșapament;

domeniul lungimilor de undă situate între între 8 … 12 μm pentru detectarea și observarea obiectelor cu temperaturi scăzute ca de exemplu: clădiri, vegetație, ființe umane sau animale, regiuni în care absorbția este minimă și care permit detecția și observarea și fac posibilă măsurarea, în domeniul lor spectral, a diferențelor de temperatură dintre obiecte și mediul ambient, sau între diferitele puncte ale aceluiași obiect;

Pentru stabilirea domeniilor spectrale de interes în supravegherea câmpului tactic de luptă, se va avea în vedere definirea țintelor, a caracteristicilor acestora (temperatură, dimensiune, emisivitate, contrast termic față de fundal). Alegerea domeniului spectral de lucru 3…5 μm si 8…12 μm este dictat de mai multe considerente, intre care cel economic este important.

Aparatele de conversie in imagine care utilizează domeniul 3…5 μm au eficienta mai slaba decât cele definite de domeniul 8…12 μm numai daca scena vizata are temperatura scăzuta; in caz contrar, aceste sisteme:

– au si avantajul unui pret mai mic;

– au o calitatea crescută a imaginii deoarece, deși domeniul spectral 8…12 μm are o radianta mai mare , domeniul 3…5 μm oferă un contrast mai bun.

O diferența vizibila intre cele doua domenii se remarca in zona temperaturilor scăzute. Desi raportul semnal- zgomot de fond din domeniul 8…12 μm este de aproximativ 3 ori mai mare decât cel din domeniul spectral 3…5 μm, exista limite ale performantelor in domeniul 8…12 μm, datorita existentei in sistem a componentelor care diminuează valoarea fluxului radiant incident; spre exemplu, utilizarea unor filtre optice ”trece- banda” corect selectate fac ca raportul semnal- zgomot din domeniul 3…5 μm sa se apropie de cel din domeniul 8…12 μm. Chiar si in cazul unei scene in care temperatura aerului este de 130 °C, in domeniul 3…5 μm se obține un contrast relativ de 2 ori mai mare decât acela din domeniul 8…12 μm.

STRUCTURA SISTEMELOR DE TERMOVIZIUNE

Constructia camerelor de termoviziune este similară cu cea a camerelor video digitale. Componentele principale sunt un sistem optic (obiectiv) care focalizează radiatia infrarosie pe un detector, plus sisteme electronice si software pentru procesarea si afisarea semnalelor si imaginilor.

În loc de un detector CCD / CMOS care îl folosesc camerele video digitale, detectorul pentru radiatia infrarosie este o matrice (FPA – Focal Plane Array) de pixeli cu dimensiuni de ordinul micrometrilor realizate din diverse materiale sensibile la lungimile de undă IR. Rezolutia FPA poate varia de la aproximativ 80 × 60 pixeli (FLIR Lepton) până la 2048 × 1536 pixeli (FLIR Neutrino). Anumite camere IR au software integrat care permite utilizatorului să se concentreze pe anumite zone ale FPA si să calculeze temperatura. Alte sisteme au utilizat un computer sau un sistem de date cu software specializat care asigură analiza temperaturii. Ambele metode pot furniza analiza temperaturii cu o precizie mai bună de ± 1 ° C.

Un sistem de termoviziune tipic cuprinde un ansamblu de elemente interconectate care realizeaza procesul de transformare a unei imagini din spectru IR in imagine in domeniul vizibil astfel încât perceperea contururilor, orientării, contrastului și detaliilor să se păstreze și să se intensifice. In componența sa intră:

sistemul optic

sistemul de baleiere – optional;

detector radiatie IR;

sistem de răcire – optional;

ansamblul electronic de achizitie și prelucrare a informațiilor format din

circuitul de procesare semnal (prelucrare analogică si digitală);

circuitul de comanda/control;

circuitul de alimentare.

Toate aceste elemente pot fi grupate după funcțiile îndeplinite conform schemei din figura 3.1. Elementele cu un grad mare de complexitate și dar diferențiate de restul componentelor pot fi analizate, la randul lor, ca un sistem.

Fig. 3.1. Elementele unui sistem de termoviziune în infraroșu.

Traseul marcat este traseul minim obligatoriu. Dispozitivul de baleiere apare tot mai rar în construcția echipamentelor moderne, nefiind necesar în cazul detectoarelor matriceale, care au capacitatea de a recepta în mod static radiația provenită de la intreaga scenă termică. De asemenea, la echipamentele moderne, sistemul de filtrare poate fi partial sau integral inclus în sistemul de detecție.

Sistemul optic

Sistemul optic este constituit din ansamblul compact de lentile, oglinzi, diafragme si filtre care are rolul de a direcționa radiația emisă de țintă pe suprafața activă a detectorului. Pentru a se diminua influențele absorbției de radianță utilă dinspre scena de interes, sistemul de detecție trebuie să fie dotat cu un sistem de filtre optice bine alese, având în vedere că alegerea necorespunzătoare sau lipsa unui sistem de filtre selective adecvate duce la apariția unei erori de detecție prin necunoașterea exactă a emisivitații țintei și la micșorarea preciziei de măsurare datorită absorbției selective și variabile produse de fundal. Datorită faptului că anumite surse prezintă un contrast termic deosebit, cu regiuni încălzite sau iluminate puternic este practic imposibil de a deosebi doua zone adiacente de temperaturi ușor diferite fara un sistem de filtre selective.

In sistemele de termoviziune din generatiile anterioare unde erau utilizati detectori monoelement (generatia I) si detectori multielement liniari (generatia II), formarea imaginii din radiația termică presupune explorarea (baleierea) imaginii, pe verticală și pe orizontală, pe detector la viteze comparabile cu frecvențele de linii și cadre ale unui sistem video in spectrul vizibil. In acest caz, o singură lentilă care ar focaliza direct radiația pe detector nu ar fi suficientă pentru că imaginea nu ar putea fi reprodusă și, în consecință se interpun sisteme de baleiere opticomecanice între optica de intrare și detector ce permit astfel explorarea secvențială a unei suprafețe detectoare mici peste un câmp de vedere. O diagram simplificata a modului de functionare a unui sistem de termoviziune din generatia I este prezentata in figura 3.x.

Fig. 3.x. Schema bloc a unui sistem de termoviziune din generatia I – sursa: HAMAMATSU.

In sistemele de termoviziune de generatie III, ce folosesc exclusiv detectori tip FPA (Focal Plane Array), reprezentați de matrici formate dintr-un număr foarte mare de elemente se poate înregistra simultan întregul câmp de observare, analog cu un cadru de film. În felul acesta dispare necesitatea utilizarii unui sistem de baleiere.

Sistemele optice folosite separat pentru devierea radiației, pentru focalizare (oglinzi, lentile) sau cele care sunt înglobate în blocul de detectare pot fi analizate și caracterizate ca orice sistem optic, după legile clasice ale opticii geometrice. Materialele folosite pentru constructia lentilelor trebuie sa aiba transmisie buna in spectrul IR, cele mai frecvent folosite in acest scop fiine: sticle speciale pe bază de aluminat de calciu, fluorură de magneziu, sulfură de zinc, seleniură de zinc etc., cristale mono sau po1icristaline, dielectrice sau semiconductoare din halogenuri, materiale plastice pe baza de polietilenă sau polimetaacrilat și metale (aluminiu, argint, aur, cupru etc.).

Fig. 3.x. Transmisia in functie de lungimea de unda (prezentata in µm) pentru diferite materiale optice – sursa: EDMUND OPTICS.

Din punct de vedere optic, radiația IR este guvernată în principal de aceleași legi ca și radiația electromagnetică din domeniul vizibil, lumina. Principalele diferențe dintre optica radiației IR și optica radiației vizibile sunt determinate de proprietățile materialelor și efectele produse prin interactiunea unda-material, domeniul de lungimi de unda al radiatiei infraroșii situandu-se la valori mai mari. In domeniul vizibil obiectele sunt "vazute" pe baza energiei reflectate. Emisia proprie in acest domeniu fiind foarte scazuta. In domeniul infraroșu, in schimb, obiectele sunt "vazute" in principal datorita emisiei proprii și foarte putin pe baza reflexiei. Puterea transmisa de sistemele optice este mai mica In domeniul IR decat in domeniul vizibil sau ultraviolet.

Partea optica a unui sistem de termografiere este alcatuita dintr-un ansamblu de componente conceput pentru a capta radiatia emisa de o scena termica și pentru a creea, la o anumita scara, o imagine dit mai fidela a scenei respective. Ansamblul elementelor optice este de fapt o succesiune de lentile care refracta sau reflecta radiatia infraroșie conform legilor opticii geometrice și ondulatorii. In comparatie cu un sistem optic ideal, capabil sa redea un obiect punctiform ca o imagine punctuala, sistemele reale sunt in mod inevitabil imperfecte, ceea ce conduce la o serie de deformari ale imaginii reale, denumite erori de difractie sau aberatii.

Optica geometrica presupune ca valoarea indicelui de refractie a materialelor prin care se propaga radiatia este constanta ceea ce, in realitate, nu este adevarat. Fasciculul transmis contine radiatie intr-un interval de lungimi de unda, iar indicele de refractie este dependent de lungimea de unda, ceea ce inseamna ca in realitate nu este constant. Pe de alta parte, deschiderea destul de mare a diafragmei de intrare permite patrunderea unui fascicul sub un unghi solid larg, astfel ca unghiul de intrare este și el variabil. Datorita acestor aspecte, sistemele optice reale introduc erori de tip aberatie ce pot fi clasificate, dupa originea lor, in: aberatii cromatice și aberatii geometrice sau, dupa efectele produse asupra imaginii, in aberatii longitudinale și aberații laterale. Alegerea corecta a componentelor sistemului optic permite diminuarea erorilor de acest tip și obtinerea unei imagini satisfacatoare.

Materiale optice

Componentele unui sistem optic sunt selectate dintre materialele care asigura transparenta necesara pentru un domeniu de lungimi de unda, in principal, in functie de calitatile lor optice și, desigur, de cost. La alegerea materialelor trebuie sa se tina cont și de tehnologia de fabricatie a fiecarei componente, precum și de rezistenta mecanica necesara atat in timpul prelucrarii cat și pentru montare. Principalele proprietati ale materialelor optice care determina îndeplinirea functiei proiectate sunt:

Proprietăți optice

Coeficientul de transmisie

Indicele de refractie si dispersia indicelui de refractie

Coeficientul de reflexie

Tratamentl stratului superficial

Proprietăți fizice

Coeficient de dilatare

Temperatura de topire

Temperatura de imbatranire

Proprietăți chimice

Stabilitatea chimica

Proprietăți mecanice

Rezistența la socuri si vibratii

Duritate

Materialele utilizate pentru fabricarea componentelor transparente pentru radiatia infraroșie trebuie sa aiba: coeficientul de transmisie ridicat, absorbtia energetica mica, emisivitatea slaba, rezistenta și durata de viata mari, precum și coeficientul de dilatare termica redus. Pe de alta parte, este necesar ca la alegerea componentelor sistemului optic sa se tina cont de complementaritatea proprietatilor, necesara pentru diminuarea erorilor de tip aberatie.

Coeficientul de transmisie este primul factor care se ia in considerare atunci cand se aleg materialele pentru constructia sistemelor optice, fiecare material este transparent pentru un anumit domeniu de lungimi de unda. In figura 3.x se poate observa modul in care variaza coeficientul de transmisie (determinat pentru o anumita grosime de material precizata) pentru diferite materiale.

Fig. 3.x. Coeficientul de transmisie pentru diferite materiale optice – sursa HAMAMATSU

In tabelul 3.x sunt prezentate cateva tipuri de materiale optice transparente pentru radiatia infraroșie. Fiecare material este transparent pentru un anumit domeniu de lungimi de unda. Se poate observa modul in care variaza indicele de refractie in functie de lungimea de unda.

Tabelul 3.x. Principalele materiale optice transparente folosite pentru constructia sistemului optic

Cele mai frecvent utilizate materiale pentru constructia sistemelor optice destinate spectrelor MWIR si LWIR sunt safirul (Al2O3), sulfura de zinc (ZnS), selenura de zinc (ZnSe), siliciul (Si) si germaniul (Ge):

safirul este un material extrem de dur, care este util pentru aplicatii vizibile, NIR si IR pana la 5 μm. Este practic pentru aplicatii la temperaturi si presiuni ridicate;

Sulfura de zinc are transmisie în 1-12 μm cu duritate rezonabilă si rezistetă bună;

Selenura de zinc are o absorbtie scăzută si este un material excelent utilizat în multe sisteme imagistice; are transmite buna in banda 0,6-18 μm;

Siliciul este util în 3–5 μm si 48–100 μm (aplicatii astronomice) si are conductivitate termica ridicata;

Germaniul are o conductivitate termică bună, o duritate excelentă a suprafetei si o rezistentă bună. Se utilizează pentru instrumente IR care operează în banda spectrală de 2-14 μm.

Alte materiale infrarosii populare sunt fluorura de calciu (CaF2), fluorura de magneziu (MgF2), fluorura de bariu (BaF2), arsenidul de galiu (GaAs), bromoiodida de taliu (KRS-5) si iodura de cesiu (CsI).

Pentru constructia elementelor optice din categoria oglinzilor, pentru devierea radiatiei infraroșii, se folosesc in special metale, cum ar fi aluminiul, argintul, aurul sau cuprul, obtinute prin depuneri in vid pe un suport care poate fi sticla sau materialele ceramice, caracterizate de un coeficient mic de dilatare termica.

Obiective și teleobiective

Obiectivele sunt sisteme optice construite in așa fel incat sa asigure proiectarea imaginii scenei termice pe suprafata detectorului. In sistemele de termoviziune se folosesc doua categorii principale de obiective: obiective cu oglinzi, denumite și telescoape sau sisteme catoptrice, și obiective dioptrice care folosesc exclusiv lentile pentru formarea imaginii in planul focal.

Telescoapele sunt utilizate in situatiile in care fluxul de radiatie este slab, sensibilitatea acestor instrumente este imbunatatita pe baza creșterii unghiului de deschidere, ceea ce necesita utilizarea unor componente optice cu dimensiuni mari. Cea mai simpla constructie a unui telescop presupune existenta unei oglinzi concave. Radiatia este in acest caz reflectata de oglinda respectiva in sens invers radiatiei incidente, pe suprafata detectorului.

Telescoapele cele mai simple sunt alcatuite din doua oglinzi care produc doua reflexii succesive. Un exemplu in acest sens este telescopul catoptric (fara lentile) tip Cassegrain, prezentat la nivel de schema de principiu in figura 3.x.

Fig. 3.x. Schema de principiu a unui telescop catoptric tip Cassegrain – sursa: JANOS TECHNOLOGY.

In mod obișnuit, telescoapele contin și lentile pentru corectia erorilor de tip aberatie sferica. Aceste telescoape se numesc catadioptrice si se construiesc adaugand o lentila dublet pe axa optica in proximitatea planului imagine.

Fig. 3.x. Schema de principiu a unui telescop catadioptric tip Cassegrain – sursa: JANOS TECHNOLOGY.

Fig. 3.x. Ansamblu camera termoviziune cu obiectiv catadioptric tip – sursa: JANOS TECHNOLOGY.

Obiectivele dioptrice sunt sisteme optice construite folosind exclusiv lentile. In functie de distanta focala (si implicit campul de vedere) acestea pot avea distanta focala fixa, exemplu in figura 3.x., sau reglabila (variabila, varifocal). Un obiectiv dioptric cu distanta focala reglabila este prezentat in figura 3.x. Acest obiectiv este alcatuit din patru subansamble optice, reglabile axial unul fata de altul. Calitatea ansamblului depinde în mare masura de caracteristicile optice ale fiecarui subansamblu și de precizia mecanismului de reglare.

Fig. 3.x. Obiectiv cu distanta focala variabila.

In cazul obiectivelor cu distanta focala reglabila apare o complicatie in plus, datorita dificultatilor de introducere a corectiilor pentru ambele subansambluri. In general, erorile de tip aberatii optice se corecteaza prin creșterea numarului de componente, creștere care trebuie strict optimizata pentru a nu afecta in sens negativ coeficientul de transmisie.

Fasciculele de radiatie sunt limitate la intrarea intr-un sistem optic cu obstacole materiale numite diafragme. Diafragma de deschidere sau de apertura are rolul de a limita fasciculul de intrare in sistemul optic. Imaginile diafragmei de deschidere fata de partile sistemului optic anterioara și posterioara se numesc pupilă de intrare, respectiv pupilă de ieșire. Cand diafragma de deschidere se afla in fata sistemului, aceasta este in același timp și pupila de intrare.

Caracteristicile unui sistem optic

Principalele caracteristici ale unui sistem optic, derivand din functia de baza a acestuia de a transmite imagini, sunt: deschiderea, campul, rezolutia spatiala, profunzimea campului și claritatea.

Deschiderea reprezinta aptitudinea sistemului de a capta radiatia emisa de o scena termica. Deschiderea este determinata de pupila de intrare. Diametrul pupilei de intrare se numește deschiderea opticii. In practica, se folosește notiunea de deschidere relativa sau deschidere unghiulara, care este definita prin raportul dintre diametrul pupilei de intrare și distanta focala.

Campul este definit ca locul geometric al punctelor scenei optice de la care sistemul optic capteaza radiatie și pentru care acest sistem formeaza imagine. Alta definitie a campului poate fi: regiunea din spatiu pentru care sistemul optic respectiv poate fumiza imagine.

Rezolutia spatială este definita ca fiind cea mai mica distanta dintre doua detalii ale obiectului examinat, exprimata sub forma unui unghi solid, pentru care detaliile inca formeaza imagini separate. Intr-un sistem de termoviziune rezolutia spatiala globala a sistemului este determinata de un ansamblu de factori: rezolutia spatiala a lantului de componente optice, rezolutia detectorului IR, functia de transfer a componentelor electronice, precizia sistemului de vizualizare și, nu in ultimul rand, caracteristicile optice ale ochiului observatorului.

Profunzimea campului sau claritatea in adancime reprezinta distanta in adancime, masurata pe axa optica, pentru un reglaj de focalizare dat, de la care se obtine o imagine clara. Daca se regleaza sistemul optic astfel incat imaginea formata sa aiba o claritate maxima pentru punctele unui obiect situate la o distanta D, profunzimea campului este acel dD, in jurul valorii D, care asigura inca formarea unei imagini clare.

Claritatea este definita prin raportul dintre energia radiatiei emise de un punct de pe imaginea obiectului și energia radiatiei emise de același punct de pe suprafata obiectului. Claritatea are intotdeauna valori subunitare și este dependenta de factorul de transmisie, de deschiderea relativa și de pierderile de energie datorate absorbtiei și reflexiei.

Solutii constructive pentru sistemele optice folosite in termoviziune

Detectoare de radiație termică

Detectoarele de radiatii folosite in prezent pe plan mondial sunt realizate într-o gama foarte larga de solutii principiale și constructive. Cele mai raspandite, din punct de vedere principial, sunt detectoarele cuantice care, în literatura de specialitate sunt grupate în urmatoarele categorii: detectoare fotoconductoare, fotovoltaice si fotoemisive. Detectoarele matriceale, bidimensionale, alcatuite dintr-o matrice de elemente sensibile au revolutionat in ultimele decenii piata mondiala a detectoarelor. Detectoarele matriceale prezinta marele avantaj ca inregistreaza o imagine termica a unei suprafete mari a obiectului examinat tara sa mai fie necesara scanarea opto-mecanica obligatorie in cazul tipurilor de detectoare monoelement sau liniare.

Detectoarele fotoconductoare cele mai raspandite sunt cele din antimoniura de indiu (lnSb), racite la 77 K, sensibile in domeniul 2…5,5 µm, cu timp de raspuns < 10 µs si cele din telurura de cadmiu și mercur (HgCdTe), sensibile in domeniul 8… 14 µm, cu timp de raspuns de 1 µs.

Detectoare fotovoltaice (detectoare în care fluxul de fotoni incident creeaza o modificare a barierei de potential a unui jonctiuni din interiorul unui semiconductor neomogen) la sensibilitate egala sunt mult mai rapide decat detectoarele fotoconductoare. Efectul fotovoltaic este utilizat in constructia fotodiodelor, fototranzistorilor și pentru detectoarele de radiatii din arseniura de indiu (InAs) sau antimoniura de indiu (lnSb) și telurura de cadmiu și mercur (HgCdTe), cu timpi de raspuns de ordinul nanosecundelor.

Alegerea detectorului optim intr-un sistem de analiza depinde de conditiile de functionare ale sistemului, de exigentele impuse examinarii, de particularitatile produsului și ale defectelor sau disfunctiilor care trebuie detectate și analizate. Actualmente, pe piata internationala se comercializeaza o gama foarte larga de detectoare.

Întrucat detectorul de radiafii infraroșii este partea cea mai importanta a unui sistem de termografiere, acest subsistem este prezentat mai detaliat fn cele ce urmeaza.

Clasificarea detectoarelor

Rolul detectorului este de a transforma energia transportata de radiatia electromagnetica provenita de la sursa termica fntr-un semnal electric denumit termosemnal.

Dupa criteriul principiului de functionare, detectoarele de radiatie termice se Impart In doua mari categorii:

– detectoare termice, la care amplitudinea semnalului termic depinde de fluxul energetic, exprimat in wati;

– detectoare fotonice sau cuantice, la care amplitudinea semnalului termic depinde de fluxul fotonic, exprimat in numar de fotoni pe secunda.

Aceasta clasificare pleaca de la principiile detectiei radiatiei infraroșii. Energia radianta poate fi detectată in doua feluri și anume: prin sesizarea fiecărei cuante de energie electromagnetica sau prin sesizarea sumei tuturor cuantelor de energie primita in timpul de observare.

Tabelul 3.x. Clasificarea detectoarelor de radiatie termica si principalele caracteristici – sursa: HAMAMATSU.

Detectoarele termice folosesc energia fotonilor primiti pentru a produce o creștere de temperatura. Acest fenomen termic este un mecanism lent, care asigura integrarea energiei primite sub forma directa. Gradul de utilizare a energiei primite este reprezentat prin emisivitatea suprafetei receptorului, care, conform legii lui Kirchhoff, este egala cu puterea absorbita.

O caracteristica a acestei marimi este, pentru detectoarele de buna calitate, de a fi independenta de lungimea de unda a radiatiei. Detectoarele cuantice sesizeaza numarul de fotoni primitii unitatea de timp. Calitatea acestor detectoare este apreciata prin randamentul cuantic, dat de raportul dintre numarul de fotoni detectati și numarul de fotoni incidenti. In general, randamentul cuantic este dependent de frecventa optica a radiatiei.

Detectoarele radiatiei termice mai pot fi grupate, dupa constructie și dimensiuni, in urmatoarele categorii:

• detectoare monoelement;

• detectoare bidimensionale/matriceale (bare sau matrice bidimensionale).

Ca parte componentă a unui sistem de tennografiere in infraroșu, detectorul poate fi definit ca o celulă a lantului, care are o intrare și o ieșire. In detector "intra" un flux de radiatie IR a carei masura este puterea P transportata de fotoni. La "ieșire" se culege un semnal electric U, care poate fi curent, tensiune sau sarcina electrica. O prima și importanta caracteristica a detectorului este raportul in care stau cele doua marimi, de intrare și de ieșire, U/P.

Aceasta marime nu constituie insa caracteristica esentiala a unui detector. Principala problema a detectiei consta in studiul elementelor care pot reactiona la o putere incidenta cat mai mica posibil. Avand in vedere faptul ca marimile din sistem pot fi amplificate daca este necesar, rezulta ca raportul marimilor de ieșire și intrare nu este totuși parametrul cel mai important, intrucat nu evidentiaza cea mai mica putere detectabila. Limitarea puterii detectabile provine din fluctuatiile permanente și aleatoare ale semnalului electric, fluctuatii care au loc chiar in absenta unui semnal tennic sau optic și care constituie zgomotul detectorului.

O caracteristica importanta a unui detector este raportul dintre semnalul de ieșire și zgomotul acestuia, care poate fi folosit drept criteriu de evaluare a calitatii detectorului.

Pentru ca detectoarele sa poata fi comparate fntre ele, este necesar sa se cunoasca principalii parametri geometrici, fizici și marimile caracteristice care definesc performanfele unui detector.

Parametrii geometrici. In cazul cel mai general, detectorul este un element bidimensional, cu o suprafata mai mica sau mai mare, pe care trebuie sa se focalizeze fasciculul radiatiei incidente. Aceasta suprafata sensibila poate fi caracterizata dimensional sau, la fel de bine, poate fi evaluata prin determinarea eficacitatii sale, pe baza raspunsului detectorului.

Pe de alta parte, este necesara precizarea unghiului solid prin care detectorul "vede" scena termica, datorita faptului ca asupra lui actioneaza in mod aleator și inevitabil radiatia din mediul inconjurator. Zgomotul provocat de aceasta radiatie este dependent de deschiderea unghiulara a detectorului. Unghiul solid poate fi limitat prin utilizarea unor ecrane racite in mod artificial.

Parametrii fizici. Acești parametri depind de tipul detectorului și de modul in care este utilizat.

a. Temperatura elementului sensibil influenteaza pe de o parte zgomotul intern produs de fotoni și pe de alta parte semnalul de ieșire. Determinarea precisa a temperaturii elementului sensibil este dificila. Pentru aprecierea acesteia se fac doua aproximari și anume: se considera ca temperatura detectorului este uniforma in toata masa sa din momentul terminarii perioadei de racire și se considera ca temperatura nominala a detectorului temperatura nominala a sistemului de racire.

b. Polarizarea este un parametru al detectoarelor fotovoltaice și consta in valoarea minima a curentului de polarizare a elementului sensibil. Cunoașterea polarizarii este necesara pentru masurarea puterii detectorului influentand putemic valoarea absoluta a raspunsului detectorului. Parametrii care determina polarizarea sunt, de exemplu:

– curentul de polarizare a bolometrelor sau celulelor fotovoltaice;

– curentul emis de fototranzistori;

– tensiunea aplicata tuburilor fotoemisive;

– tensiunea de polarizare a fotodiodelor.

Atat semnalul de ieșire, cat și zgomotul variaza cu valoarea polarizarii. Pentru a putea compara detectoarele intre ele, este necesara cunoașterea acestui parametru și a influentei pe care o are asupra detectorului.

c. Banda de trecere a dispozitivului de amplificare. Semnalul util are un spectru discontinuu de frecvente, zgomotul in schimb are un spectru continuu.

Puterea totala a zgomotului cules la ieșirea din dispozitivul de masurare este proportionala cu banda de trecere df Pentru un amplificator selectiv se poate determina banda de trecere df cu relatia :

in care, u reprezinta marimea tensiunii in functie de frecventa și Um tensiunea maxima.

In masuratorile practice se obișnuiește utilizarea unei marimi Nf , reprezentand zgomotulla frecventaf, pe unitatea de banda de trecere:

unde B este valoarea tensiunii citite pe aparatul de masura și Um tensiunea maxima a amplificatorului selectiv reglat pentru frecventaf

d. Circuitul echivalent. Elementul sensibil este intotdeauna indus intr-un circuit electric. Se poate deci defini impedanta:

unde E și I reprezinta tensiunea și curentul (valori instantanee) la bornele elementului.

Aceasta impedanta depinde de radiatia incidenta (putere și lungime de unda), de frecventa de masurare și de parametrii de polarizare, in mod special de curentul continuu care traverseaza elementul sensibil.

Marimi caracteristice

In literatura de specialitate sunt precizate diteva dintre marimile caracteristice care definesc performantele detectoarelor și permit compararea acestora.

Sensibilitatea detectorului este raportul de transformare dintre semnalul electric de ieșire și fluxul termic ajuns pe detector:

si

unde: U, i sunt tensiunea și respectiv curentul semnalului electric, iar P este puterea fluxului incident

a. Sensibilitatea spectrala a unui detector depinde de spectrul radiatiei incidente. Cand repartitia spectrala a fluxului incident este uniforma, detectorul produce un semnal care variaza cu lungimea de unda. Deci, sensibilitatea spectrala poate fi definita prin relatia:

unde: i și P au semnificatiile deja mentionate mai sus.

b. Sensibilitatea globala este definita prin relatia:

unde:

reprezinta fluxul total primit de detector;

reprezinta raspunsul detectorului sau semnalul de iesire.

Sensibilitatea globală depinde de spectrul radiatiei incidente, de frecventa, polarizare și temperatura detectorului.

c. Constanta detectorului, τ, este definita de relatia:

unde ft este frecventa de trecere care corespunde unei reduceri cu 3 dB a sensibilitatii. Constanta de timp caracterizeaza intr-un fel inertia traductorului.

d. Zgomotul detectorului este o marime ce rezulta prin combinarea mai multor tipuri de zgomot, și anume: zgomotul radiatiei (provenite din mediul inconjurator), zgomotul intern al elementului sensibil și zgomotul amplificatorului.

In detaliu, se poate vorbi de:

– zgomotul fotonic, datorat modului discontinuu in care se produce transferul de energie electromagnetica și a emisiei semialeatoare a fotonilor;

– zgomotul temperaturii; acest zgomot are importanta in cazul detectoarelor termice. Cauza aparitiei lui este variatia temperaturii mediului inconjurator;

– zgomotul de generare-recombinare este determinat de fluctuatiile tranzitiilor care au loc intr-un semiconductor și se traduce prin fluctuatii ale numarului de fotoni;

– zgomotul termic, sau zgomotul lui Johnson, are ca sursa fizica agitatia termica a purtatorilor de sarcina;

– zgomotul joncțiunii, intalnit in cazul elementelor detectoare care au o bariera de potential; originea acestuia este caracterul aleator al trecerii barierei de potential și difuzia purtatorilor de sarcina in zone invecinate;

– zgomotul de modulare se refera la modularea conductivitatii in semiconductoare și este diferit de cel de generare-recombinare; o parte importanta a acestuia este determinata de starea suprafetei detectorului și poate fi deci diminuat prin tratarea corespunzatoare a suprafetei;

– zgomotul de contact este generat de contactele dintre grauntii cristalini ai materialului din care este facut detectorul sau dintre straturile succesive ale detectoarelor alcatuite din mai multe invelișuri subtiri etc.

e. Raportul dintre semnalul de ieșire și zgomot este definit prin relatia:

unde:

Ps este puterea datorata semnalului

Pz este puterea datorata zgomotului

A este amplificarea

Un detector este cu atât mai bun, cu cat raportul semnal/zgomot este mai mare și, prin urmare, rezulta ca raportul A (f)/ A (fo) trebuie sa fie cat mai mic, ceea ce corespunde unei filtrari bune. Daca largimea benzii, definita prin:

va fi mica, atunci și raportul A (f)/ A (fo) va fi mic, conducand la un raport semnal/zgomot ridicat.

In aceste conditii, fluctuatiile spectrale ale zgomotului se considera constante intr-un interval df mic și raportul semnal/zgomot se exprima astfel:

f. Puterea echivalentii a zgomotului (Noise Equivalent Power – NEP) Cea mai mica putere a fluxului incident care poate fi detectata este cea care da un semnal egal cu zgomotul. Fluxul incident echivalent zgomotului este notat cu Po:

pentru cazulin care Ps=Pz, adica Ps/Pz =1

g. Detectivitatea, D [W-1] este inversul puterii echivalente a zgomotului:

sau, in cazul unei filtrări înguste:

Detectivitatea D depinde de mai multi parametri: spectrul și frecventa de modulare a radiatiei termice, conditiile de polarizare și deschiderea benzii spectrale de functionare a sistemului de detectie, temperatura detectorului, etc.

Factori care influenfeazii detectivitatea:

Puterea echivalenta a zgomotului este deci cea mai mica valoare a fluxului termic care poate fi detectata. In cazul detectoarelor cuantice puterea echivalenta a zgomotului este o functie de:

– caracteristicile cuantice ale materialului (eficacitatea cuantica);

– caracteristicile geometrice ale detectorului (suprafata A, unghiul solid determinat de deschiderea optica);

– caracteristicile electrice ale circuitului de amplificare (banda de trecere);

– caracteristicile sursei de radiatie (densitatea spectrala);

– caracteristicile spectrale, cum ar fi lungimea de unda.

Eficacitatea cuantica sau randamentul cuantic η(λ) al unui detector este randamentul de transformare foton-electron.

h. Detectivitatea specifica sau redusa, D*, prezinta un interes practic deoarece este independenta de suprafata sensibila, oferind astfel posibilitatea de a face o comparatie intre diverse tipuri de detectoare.

sau

i. Factorul de zgomot, Fz este dat de raportul dintre detectivitatea redusa a unui detector de referinta, D*r ,și detectivitatea redusa a detectorului analizat, D*:

Dintre toate componentele zgomotului existent intr-un detector, singurul asupra caruia fabricantul nu poate actiona este zgomotul radiatiei determinat de fluctuatiile fotonilor semnalului (aceste fluctuatii sunt mici intr-un unghi solid mic și adeseori pot fi neglijabile ca sursa de zgomot) și fluctuatiile fotonilor emiși de mediul inconjurator.

Cand toate celelalte componente ale zgomotului sunt mici, fluctuatiile fotonilor emiși de mediul inconjurator sunt cele mai importante in alcatuirea zgomotului și determina limitele detectabilitatii.

Se poate compara detectivitatea unui detector analizat D* cu detectivitatea limita a unui detector de referinta D*r (un fotoconductor al radiatiei infraroșii limitat la radiatia mediului ambiant).

Factorul de zgomot Fz este intotdeauna mai mare decat 1. Cu cat valoarea acestui factor se apropie de 1, cu atat comportamentul detectorului se apropie de cel de referinta, ceea ce inseamna ca sursele de zgomot, altele decat cele ale mediului ambiant sunt neglijabile. Factorul de zgomot este utilizat pentru compararea zgomotului detectoarelor. Calitatea unui detector este cu atat mai buna cu cat Fz este mai aproape de 1, dar ea poate fi imbunatatita și prin creșterea valorii lungimii de unda de trecere sau prin creșterea coeficientului de absorbtie a elementului sensibil.

În general, se consideră ca parametri principali ai detectoarelor următoarele caracteristicile, mai importante:

– sensibilitatea spectrala;

– sensibilitatea globala;

– detectivitatea specifica/redusa;

– constanta de timp (curba de variatie a sensibilitatii globale in functie de frecventa de masurare).

Detectoare termice

Detectoarele termice sunt alcătuite dintr-o sonda, care capteaza radiatia termica, transformand-o în caldura și un traductor, care convertește caldura într-o marime convenabila, de regula o marime electrica.

Energia fotonilor, absorbiti de suprafata sensibila a unui detector termic, se transforma în cea mai mare parte în caldura și doar o foarte mica parte din energia incidenta produce modificarea proprietatilor electrice ale detectorului. La aceste detectoare creșterea temperaturii este proportionala cu fluxul total absorbit. Creșterea sensibilitatii detectorului poate fi realizata prin construirea acestuia din mai multe straturi subtiri capabile sa absoarba integral radiatia într-un spectru de lungimi de unda cat mai larg. Transformarea variatiei de temperatura a stratului sensibil în variatie de semnal electric se poate face în mai multe feluri.

Modul în care se realizeaza aceasta transformare permite gruparea detectoarelor termice în trei categorii:

– detectoare pneumatice, bazate pe sesizarea creșterii temperaturii prin dilatarea unui gaz închis într-o cavitate, care deformeaza o membrana elastica. Deformarea membranei este sesizata fie optic, fie electric, prin variatia unui element capacitiv, de exemplu;

– termocupluri, bazate pe aparitia unei forte electromotoare la bornele unui circuit alcatuit din metale diferite, ale caror puncte de îmbinare, prin sudare, sunt supuse unei variatii de temperatura;

– detectoare piroelectrice, bazate pe proprietatea unor materiale cristaline ca, sub actiunea caldurii, sa se încarce electric pe fetele opuse;

– bolometre, la care creșterea de temperatura modifica rezistivitatea unui element sensibil.

Vom discuta în continuare despre bolometre, acestea fiind cele mai răspândite detectoare termice utilizate în construcția sistemelor de termoviziune.

Functionarea bolometrelor se bazeaza pe principiul variatiei conductantei unor metale sau semiconductoare in functie de temperatura. Radiatia incidenta este absorbita de o rezistenta electrica care este, de regula, montata intr-o punte cu impedanta echilibrata in absenta radiatiei. Schema de principiu a unui bolometru este prezentata in figura 3.x.

Fig. 3.x. Schema de principiu a unui bolometru:

R – rezistenta nominala a sondei; R’ – rezistenta cu valoare constanta;

P- fluxul termic; Vp – tensiune de polarizare; Vi – tensiune de iesire.

Rezistenta R, denumită și termistanta sau termistor, are un comportament descris de relatia:

unde: B este coeficientul de temperatura al bolometrului.

Pe de alta parte, rezistenta electrica R este dependenta de temperatura conform relatiei:

unde: Ro este valoarea rezistentei la 0° K;

αm – coeficientul de temperatura al materialului;

Td – temperatura detectorului.

Astfel, valoarea coeficientului de temperatura al bolometrului se determina cu urmatoarea relatie:

Cand bolometrul este utilizat ca un detector, variatiile rezistentei sunt masurate cu ajutorul montajului prezentat schematic in figura 3.x. Pentru variatii mici de temperatura, sensibilitatea termoelectrica a ansamblului este definita de raportul:

unde: ΔV reprezinta variatia diferentei de potentialla bornele detectorului;

, caractenzeaza circuitul de polarizare al detectorului;

R' – rezistenta de valoare constanta;

R – rezistenta nominala a sondei in domeniul de variatie a temperaturii Td .

Pentru ca detectivitatea sa fie selectiva, se poate folosi fie un filtru, fie o acoperire fina a elementului sensibil cu un filtru din substante organice cu o capacitate de absorbtie convenabila.Un bolometru sensibil și rapid poate fi construit dintr-un material cu coeficientul de temperatura a mare, capacitate calorica mica și conductanla termica ridicata.

In ultimii 30 de ani s-au dezvoltat așa-numitele microbolometre ca urmare a dezvoltiirii unor noi generatii de materiale stratificate din categoria nanomaterialelor. In prezent, microbolometrele sunt utilizate pe scara tot mai larga la constructia camerelor IR fara racire cu detectoare matriceale FPA (Focal Plane Array). Noile aparate au solutii constructive mai simple, greutate mai mica, consum de curent mai mic și, implicit, posibilitatea de utilizare pe durata mai lunga, sensibilitate intr-un domeniu spectral relativ larg, ceea ce a condus la o orientare mai ampla a cercetarilor actuale in scopul imbunatatirii sensibilitatii lor, ceva mai reduse in comparatie cu cea a detectoarelor fotonice racite.

Principalele materiale semiconductoare folosite la constructia microbolometrelor actuale sunt oxizii de vanadiu (VOx) si siliciul amorf (a-Si).

Fig. 3.x. Prezentarea unui detector tip microbolometru:

a) detaliu privind un element detector;

b) matrice de detectori;

c) Procesul de integrare al unui microbolometru: (a) depunerea stratului de sacrificiu peste substratul ROIC (b) depunerea stratului bolometru (c) definirea zonelor acoperite (d) formarea terminalelor detector – ROIC (e) erodarea stratului de sacrificiu

Fig. 3.x. Ansamblu detector (microbolometru) procesor semnal – sursa: SCD.

Detectoare fotonice/cuantice

Detectoarele cuantice sau fotonice functioneaza pe baza interactiunii directe dintre fotoni și electroni. Fotonii incidenti proveniti de la o sursa radianta cedeaza in mod individual energie electronilor elementului sensibil. Detectoarele cuantice sunt din mai multe puncte de vedere diferite de cele termice, cateva dintre avantajele cele mai importante fiind:

• Sensibilitatea spectrala a detectoarelor cuantice pe unitatea de putere incidenta are o alura crescatoare, in functie de lungimea de unda, pana la nivelul unui prag. Numarul de fotoni corespunzator puterii de 1W este 1/hv =λ/c˳. Acesta proprietate justifica denumirea de "selective" data detectoarelor cuantice. Selectivitatea este cea mai importanta diferenta dintre detectoarele cuantice și cele termice – neselective din principiu.

• Functionarea detectorului cuantic nu conduce la o creștere a temperaturii. Astfel, capacitatea termica a detectorului, din punct de vedere practic, nu are nici o importanta.

• Constanta de timp nu este legata de fenomene termice, ci depinde doar de mecanismele de relaxare electronica, care sunt mult mai rapide. Datorita acestui fapt, detectoarele cuantice sunt capabile sa detecteze variatii rapide de intensitate a radiatiei incidente.

Existenta unui prag de energie pentru fotonii detectabili limiteaza efectul radiatiei nedorite provenite din mediul Inconjurator, adica zgomotul determinat de aceasta. Din acest motiv, detectivitatea este mult mai mare.

Detectoarele cuantice de radiatii infraroșii se bazeaza pe doua categorii de tranzitii ale electronilor:

Tranzitiile interne sunt tranzitii ce au loc in cristalele semiconductoare. In legatura cu aceste tranzitii, se evidentiaza doua benzi energetice: banda electronilor de valentii și banda imediat superioara denumita banda de conductie.

Tranzitiile care au loc intre banda de valenta și banda de conductie sunt numite tranzitii intrinseci. Pentru ca aceste tranzitii sa aiba loc este necesar ca fotonii incidenti sa aiba o energie cel putin egala cu Eo. In urma acestor tranzitii se creeaza doi purtatori de sarcina: un electron de sarcina – q și un loc vacant, un gol de sarcina +q, in banda de valenta.

In cazul in care materialul semiconductor prezinta o impurificare slaba (1017 … 1018 imperfectiuni/cm3 ), domeniul energetic Eo situat intre benzile de vacanta și conductie are o structura discreta, cu mai multe niveluri energetice. In acest caz, tranzitiile energetice se pot produce prin trecerea unui electron din banda de valenta la un anumit nivel energetic Eq și prin trecerea unui electron situat la nivelul E1 in banda de conductie. In acest caz, valoarea energiei fotonului excitator poate fi E1 sau E2. Tranzitiile care se produc prin acest mecanism se numesc extrinseci.

Purtatorii de sarcina astfel creati se deplaseaza in banda de conductie sub actiunea dimpului electric sau magnetic. Timpul mediu in care un purtator ramane pe aceasta banda se numește duratii de viata. Detectoarele care se bazeaza, din punct de vdere functional, pe tranzitiile interne, poarta numele de detectoare cuantice interne, care se diferentiaza intre ele prin modul de evidentiere a purtatorilor de sarcina creati de fotoni sau, altfel spus, dupa efectul fotoelectric rezultat. Principalele efecte sunt:

– efectul fotoconductiv, care se evidentiaza prin masurarea creșterii conductivitatii unui semiconductor;

– efectul fotovoltaic, care se bazeaza pe separarea celor doua tipuri de purtatori de sarcina printr-o bariera de potential.

Tranzitiile externe constau din eliberarea unor electroni din sfera de atractie a atomului materialului solid și trecerea lor in mediulinconjurator. Tranzitiile externe se pot produce atat in cazul metalelor cat și in cel al semiconductorilor, fiind necesara o energie minima ΔE ce reprezinta intervalul dintre ultimul nivel energetic ocupat de electroni și nivelul energetic al electronilor liberi in vid, denurnit in mod simplificat nivelul vidului. Detectoarele care se bazeaza, din punct de vedere functional, pe aceste tranzitii se numesc detectoare cuantice externe sau detectoare care utilizeaza efectul fotoemisiv.

Detectoarele cuantice cele mai utilizate in termoviziune pot fi elemente fotoconductive sau fotovoltaice. Functionarea detectorilor fotoconductivi se bazeaza pe generarea de purtatori de sarcina (electroni, goluri sau perechi electron-gol) care cresc conductivitatea materialului. Materialele posibile utilizate pentru detectoarele fotoconductoare includ telurida de mercur cadmiu (MCT), sulfură de plumb (PbS) si selenidă de plumb (PbSe).

Dispozitivele fotovoltaice necesită o barieră potentială internă cu un câmp electric încorporat pentru a separa perechi de găuri electron-gol generate. Astfel de bariere de potential pot fi create prin utilizarea jonctiunilor p-n sau a barierelor Schottky. Exemple de tipuri de detector infrarosu fotovoltaic sunt antimonidele de indiu (InSb), telurida de cadiu mercur (MCT), silicida de platină (PtSi) si diodele Schottky de siliciu.

Detectoare fotoconductoare se bazeaza pe efectul fotoconductiv care se produce in materiale semiconductoare la care energia electronilor este distribuita in interiorul unor benzi a caror structura complexa și pozitie depinde de repartitia impuritatilor și a defectelor și de starea microcristalina a semiconductorului. Fabricarea unei celule fotoconductoare necesita, printre altele, și operatiunea de impurificare controlata a unui semiconductor microcristalin. Aceasta operatiune este dificil de controlat intr-un agregat policristalin. Cateva exemple de detectoare fotoconductoare instrinsece, impreuna cu principalele lor caracteristici, sunt prezentate in tabelul 3.x.

Pentru a detecta radiatii infraroșii cu lungimi de unda mai mari se folosesc fotoconductoare extrinsece. Aceste detectoare prezinta o eficacitate cuantica mai mica. In tabelul 3.x.sunt prezentate diteva exemple de materiale, dintre cele mai utilizate in prezent, in constructia detectoarelor fotoconductoare extrinsece. Majoritatea acestor materiale au la baza germaniu, cu o eficacitate cuantica de 30%, sau siliciul, cu o eficacitate cuantica de 40 %.

Tabelul 3.x. – Parametrii unor detectoare fotonice.

Detectoare fotovoltaice – Detectoarele fotovoltaice la care fluxul de fotoni incidenți determina modificarea barierei de potential a unei jonctiuni din interiorul unui semiconductor neomogen sunt foarte rapide, iar constanta de timp poate ajunge la cateva nanosecunde. Detectivitatea, comparabila cu cea a fotoconductoarelor monocristaline, crește atunci cand elementul sensibil este racit.

Efectul fotovoltaic este utilizat pentru constructia a doua categorii de detectoare și anume: fotopile la care marimea caracteristica masurata este tensiunea la bomele jonctiunii si fotodiode (jonctiunea este polarizata in sens invers), la care radiatia incidenta da naștere unui curent fotovoltaic, care se suprapune peste curentul de polarizare.

In figura 3.x. este prezentata schema de principiu a unei fotodiode (efectul fotovoltaic utilizat cu polarizare inversa).

Fig. 3.x. – Fotodioda, schema de principiu si caracteristicile electrice.

Cand jonctiunea polarizata in sens invers se afla in absenta radiatiei, punctul de functionare va fi a, iar in prezenta radiatiei va fi b. Creșterea curentului este detectata cu ajutorul unei rezistente R plasate in serie cu jonctiunea, prin masurarea variatiei de tensiune V la bornele acestei rezistente. Sensibilitatea spectrala a fotodiodelor este limitata la 1,8 µm pentru germaniu și la 1,2 µm pentru siliciu, astfel ca detectoarele fotovoltaice sunt utilizabile in domeniul infraroșu apropiat.

Materialul cel mai utilizat în construcția detectorilor cuantici este telurura de cadmiu-mercur (Hg1-xCdx)Te notată MCT (material ce prezintă caracteristicile unui semiconductor intrinsec). Acesta se poate folosi în domeniul de lungimi de undă cuprins între 8 ÷ 12µm pentru detectarea si observarea obiectelor cu temperaturi scazute ca de exemplu: cladiri, vegetatie, fiinte umane sau animale. Un alt material utilizat în construcția detectorilor este InSb (material ce prezintă caracteristicile unui semiconductor extrinsec) folosit pentru domeniul de lungimi de undă cuprins între 3 ÷ 5µm. pentru detectarea si observarea obiectelor fierbinti ca de exemplu: motoare termice, tevi de esapament.

Realizarea detectoarelor multielement

Detectoare matriceale sau multielement, denumite in mod uzual și FPA (Focal Plane Array) asigura analiza unei scene termice fara mișcare mecanica si su la baza elemente compuse obtinute prin suprapunerea unor materiale diferite. Termenul focal plan se refera la pozitionarea matricei detectoare in raport cu sistemul optic, și anume, in planul focal al acestuia. Principalul avantaj al acestor detectoare il constituie creșterea preciziei prin eliminarea vibratiilor și erorilor introduse de sistemele opto-mecanice de baleiere.

Camerele de termoviziune cu detectoare matriceale sunt mult mai mici, mai ușoare și mai precise in comparatie cu cele care au dispozitive de baleiere. Semnalul video este generat de o scanare secventiala a tuturor randurilor matricei, urmata de multiplexarea fiecarui rand.

O aracteristica importanta a detectoarelor matriceale este factorul de umplere, (Fill Factor), raportul dintre suprafata activa, sensibila la radiatia infraroșie, și suprafata totala, care include suprafata inactiva. Un detector matriceal are o anumita suprafata din care numai o anumita parte este sensibila la radiatia infraroșie. Daca matricea este alcatuita din randuri și coloane de elemente individuale de deteetie, regiunea inactiva este alcatuita din suprafetele care inconjoara fiecare element detector. Suprafata insensibila dintre randurile și coloanele matricei sunt niște punti de trecere pentru semnalele electronice. Deteetoarele sunt considerate cu atat mai bune cu cat factorul de umplere este mai mare. Cele mai bune detectoare actuale au factorul de umplere mai mare de 90%. Valorile mari ale acestuia inseamna: sensibilitate mai mare a detectorului; calitate mai buna a imaginii; eficienta mai buna a racirii; durata de viata a bateriilor mai lunga.

Dupa functiile indeplinite de fiecare celula, detectoarele matriceale pot fi: monolitice (functiile de detectie si de procesare a semnalului sunt indeplinite de un acelasi cristal semiconductor) si hibride (functiile de detectie si de procesare a semnalului sunt indeplinite de elemente din materiale diferite, separate si interconectate). Fiecare dintre aceste doua tipuri prezinta s serie de avantaje si dezavantaje, motiv pentru care, in constructia camerelor IR, coexista ambele variante.

Tehnica monolitica consta in integrarea a doua functii in același substrat. Aceasta tehnica necesita o tehnologie de fabricare mai simpla, motiv pentru care se pot obtine matrice de detectie cu un numar foarte mare de elemente. In plus, suprapunerea circuitelor de detectie cu circuitele de citire permite creșterea raportului dintre suprafata sensibila și suprafata totala a detectorului.

Detectoarele matriceale monolitice prezinta lnsa dezavantajul ca necesita tensiuni relativ mari, care trebuie aplicate circuitelor de citire, ceea ce poate conduce la strapungerea detectoarelor. Pe de alta parte, racirea necesara unei bune functionari a elementelor fotocapacitive poate lncetini deplasarea sarcinilor și poate diminua astfel eficacitatea transferului.

Fig. 3.x. – Tehnica monolitica de realizare a detectorilor FPA:

a) siliciu integral;

b) heteroepitaxie pe siliciu;

c) fara siliciu – InSb & HgCdTe CCD, Ge CMOS;

d) microbolometru.

Tehnica hibrida consta in realizarea separata a circuitelor de detectie și de citire, ceea ce permite optimizarea fiecarei functii prin alegerea materialelor și structurilor cele mai potrivite. Circuitele de citire pot include functiile de pretratare a semnalului, cum ar fi cele de multiplexaj sau de preamplificare. Suprafata totala este de doua ori mai mare dedit suprafata sensibila. Cuplarea prin intermediul unor bile din indiu sau prin intermediul unor porti de interconectare permite suprapunerea celor doua circuite.

Fig. 3.x. – Tehnica hibrida de realizare a detectorilor FPA:

a) folosind bile din indiu;

b) folosind porti de interconectare;

Dupa modul in care se realizeaza cuplajul electric dintre cele doua tipuri de circuite, structurile hibride pot fi grupate in doua categorii: dispozitive de injectie directa, in care fotonul generator de sarcina este transferat imediat de la detector la ROIC si dispozitive de injectie indirecta, la care fotonul generator de sarcina este transferat prin intermediul unui etaj de adaptare, situat intre detector și ROIC, etaj care permite realizarea unui pretratament al semnalului. Principalul avantaj al structurilor hibride consta in sensibilitatea termica ridicata.

Tehnologia de realizare a structurilor hibride este mai complicata și mai costisitoare dedit cea de realizare a structurilor monolitice, in special in cazul celor cu factor de umplere cu valori de peste 90%.

Dispozitivele de multiplexare organizeaza și formateaza semnalele provenite de la fiecare detector intr-o maniera reproductibila. In mod obișnuit, dispozitivul de multiplexare preia semnalul de ieșire de la mai multe elemente detectoare (formatele cele mai uzuale fiind 640 x 480, 1024 x 768) și le transforma in unul sau mai multe semnale de ieșire. Modul in care semnalul este preluat de la fiecare detector și trimis procesorului este determinat de tipul sistemului de citire al detectorului.

Circuitele de citire (ROIC – ReadOut Integrated Circuit) folosite la detectoarele matriceale actuale pot fi grupate in doua categorii:

– CCD – dispozitive la care semnalul de la fiecare element de detectie este determinat sa se transfere de la un rand de elemente sensibile la altul, succesiv, pana la marginea matricei, unde va fi citit. Procesul acesta de transfer nu este perfect, o parte din sarcini se pierd pe drum, astfel ca sistemul are 0 precizie redusa.

– CMOS – dispozitive de citire-redare, avand la baza o structura metal-oxid-siliciu, MOSFET (Metal Oxide Silicon Field Effect Transistors). In detectoarele CMOS semnalul de la fiecare element detector este citit coloana cu coloana și rand cu rand, pana cand fiecare element este localizat individual. Avantajul acestui sistem de citire este ca procesorul de semnal primește valoarea exacta a informatiei fiecarui detector și masurarea este mai precisa.

Fig. 3.x. – Detector cuantic (MCT) FPA – sursa: SOFRADIR.

a) wafer cu 16 detectori FPS;

b) FPA montat pe suport metalic conectat la terminale;

c) FPA montat in dewar.

Alegerea detectoarelor

Alegerea detectorului optim este dependenta, in principal, de obiectul examinat și de conditiile de examinare, intr-o stransa legatura cu celelalte componente ale sistemului de termografiere. Un element important il constituie domeniul spectral in care obiectul examinat emite radiatie infraroșie ca și emisișitatea acestuia. La alegerea detectorului, domeniul de emisie al obiectului determina domeniul de sensibilitate al detectorului, care trebuie corelat cu domeniile de absorbtie atmosferica. Radiatia termica este detectata de elementul sensibil al unui detector dupa ce a traversat un strat atmosferic, cu o grosime mai mica de un metru, in conditii de laborator, și o grosime de la cativa metri la cateva sute de metri, in conditii de exterior.

Traversarea stratului de atmosfera este asociata cu o absorbfie a radialiei infraro,Jii in anumite intervale de lungimi de unda.

Domeniul spectral in care detectorul trebuie sa fie sensibil impune tipul elementului sensibil, intrucat nu existia un detector sensibil pe intreg domeniul spectral al radiatiei infrarosii (0,75 … 1 500 µm). In domeniul cercetarii, exista o tendinta actuala de a gasi solutii pentru crearea unor detectoare cu o sensibilitate constanta intr-un spectru cat mai larg. Detectoarele termice prezinta avantajul ca acopera un domeniu spectral foarte larg și o sensibilitate uniforma in domeniul respectiv, dar sensibilitatea și rapiditatea acestora este mult mai redusa decat cea a altor tipuri de detectoare. Un detector din PbS este sensibil in domeniul spectral cuprins intre 1,3 și 3 µm, in timp ce un detector din HgTeCd este sensibil in domeniul 2 … 14 µm, cu un maxim de sensibilitate situat la 12 µm.

Majoritatea detectoarelor, desi sesizeaza radialia termica intr-un anumit interval spectral, prezinta un maxim de sensibilitate pentru un domeniu foarte ingust de lungimi de unda din intervalul respectiv. Pe de alta parte, temperatura de functionare a acestor detectoare conditioneaza in mod decisiv detectivitatea, ceea ce impune asocierea corecta a detectorului cu un sistem de racire adecvat.

Pentru un anumit element sensibil, detectivitatea specifica materialului respectiv este puternic influenlata de racirea detectorului (de zeci de ori), iar modificarea temperaturii de racire modifica domeniul spectral de sensibilitate. Astfel, de exemplu, un detector din InSb, sensibil in domeniul 3…5 µm, prezinta o detectivitate maxima atunci cand este racit la 77 K și o diminuare a acesteia de zece ori atunci cand este dicit la 195 K, temperatura numita in domeniul sistemelor de racire temperatura intermediara. Detectoarele din PbSe iși pastreaza constanta detectivitatea intr-un interval mai larg de temperaturi de racire dar, o data cu modificarea temperaturii de racire, se modifica și domeniul de lungimi de unda pentru care acest material manifesta sensibilitate.

Sensibilitatea detectorului este afectata și de marimea deschiderii unghiulare a acestuia – Detectivitatea este cu atdt mai mare, cu cdt deschiderea unghiulara a detectorului este mai mica.

Reducerea campului unghiular al detectorului este realizata, la unele camere de luat vederi in infraroșu, prin plasarea unor diafragme in vecinatatea elementului sensibil. Aceste diafragme trebuie sa fie și ele racite, astfel incat sa nu introduca un zgomot termic suplimentar. Cand diafragmele sunt fixate pe detector, racirea acestora se face simultan cu cea a detectorului.

Printre criteriile importante de alegere a unui detector se poate considera ca este puterea echivalenta zgomotului (NEP – Noise Equivalent Power) – fluxul termic minim detectabil.

Pentru a avea o imagine de ansamblu asupra corelatiilor dintre principalele elemente care caracterizeaza un detector și anume: lungimea de unda, natura materialului elementului sensibil, temperatura de functionare și detectivitatea diverselor tipuri de detectoare, in figura 3.x. sunt prezentate grafic aceste dependente.

Fig. 3.x. Raspunsul spectral pentru diferite tipuri de detectoarelor de radiatie termica – sursa: HAMAMATSU.

Concluzii referitoare la detectoarele de radiatie IR:

• Detectorul de radiatie este «inima» unui sistem de termoviziune, astfel incat alegerea corecta este esentiala pentru o anumita examinare. Alegerea detectorului optim, in conditiile in care exista foarte multe solutii pe piata, necesita timp și uneori concentrare pentru depașirea confuziei induse de publicitatea care de multe ori exagereaza calitatile unui instrument.

• Nu exista un detector ideal, motiv pentru care coexista numeroase tipuri de detectoare. Unele solutii tehnice, considerate la un moment dat depașite din punct de vedere al nivelului tehnic sunt adeseori reluate dupa un timp, imbunatatite sau combinate cu alte solutii. Un exemplu in acest sens il constituie bolometrele. Intrate la un moment dat intr-un con de umbra al interesului tehnic, ele sunt reevaluate in prezent și relansate pe piata echipamentelor de termografiere sub forma detectoarelor matriceale din re!ele de microbolometre.

• Deși eamerele fara racire se raspandese tot mai mult, totuși, pentru aplicatiile speciale care neeesita viteza mare, seleetivitate spectrala foarte buna și sensibilitate inalta sunt necesare camere eu deteetoare fotonice pe baza InSb, HgCdTe, cu sistem de raeire tip Stirling.

In tabelul 3.x sunt prezentate cele mai raspandite solutii pentru detectoarele termice folosite curent in industrie.

Tabelul 3.x – Detectoare termice uzuale.

Sistemul de răcire al detectorului

Factorii principali care determina aparitia zgomotului termic la nivelul detectorului sunt existenta unel radiatii arbitrare parazite, provenite din mediul inconjurator si agitatia termica din interiorul detectorului. Pentru diminuarea efectelor provocate de radiatia arbitrara se folosesc filtre și ecrane. Pentru reducerea agitatiei termice din interiorul detectorului, zgomotul de material, este necesara racirea fortata a acestuia. Racirea detectoarelor de radiatie termica conduce la reducerea zgomotului termic și, deci, la creșterea sensibilitatii termice.

Prin racirea materialului semiconductor din care este realizat detectorul rezulta o diminuare a fluxului de fotoni din surse interioare, astfel incat nivelul energetic al acestora este mult mai mic decat cel al fotonilor proveniti din surse externe, in principal de la scena termica vizata spre examinare.

In principal, sistemul de racire este stabilit in functie de tipul detectorului si de sensibilitatea maxima pe care o poate oferi acesta la o anumita temperatura. Astfel, de exemplu, un detector care functioneaza optim la temperatura de 77 K va putea fi racit de un sistem Stirling in timp ce pentru un detector a carui temperatura optima de functionare este de 200 K se va folosi un sistem de racire termoelectric (Peltier).

Fig. 3.x. Tipuri de sisteme de racire:

a) cu efect Joule-Thomson

b) cu ciclu Stirling

c) cu efect termoelectric – Peltier

Cea mai mare parte a detectoarelor fotonice, sensibile in benzile spectrale 3…5 µm și 8.. .12 µm, necesita o racire la ~77°K (-196°C)., temperatura azotului lichid. In unele aplicatii, cand sunt satistacatoare valori mici ale detectivitatii, sunt suficiente temperaturi de racire cu valori cuprinse intre 190 și 210° K, denumite temperaturi intermediare.

Sistemele de racire cele mai des utilizate in constructia sistemelor de termoviziune sunt cele cu lichid criogenic in circuit inchis (mașini criogenice), acestea elimina caldura printr-o succesiune de etape care se repeta:

– compresie la temperatura mediului ambiant;

– expansiune, destindere la temperatura joasa;

– transfer termic prin intermediul gazului racit și incalzit intre cele doua limite: temperatura mediului ambiant și temperatura criogenica.

Fig. 3.x. Sistem de racire tip Stirling – sursa: LE-TEHNIKA.

a) tip compact „integral stirling cryocooler – rotary drive”

b) tip distribuit „split stirling cryocooler – rotary drive”

c) circuitul de alimentare si comanda/control

Cele mai multe mașini criogenice folosite in prezent, la generatiile moderne de sisteme de termovizoine, functioneaza, din punct de vedere principial, dupa ciclul Stirling. Acesta consta dintr-un ciclu termodinamic reversibil alcatuit din doua izoterme (T= ct.) și doua izocore (V =ct.).

In figura 3.x.a) este prezentat ciclul termodinamic Stirling, cele patru puncte caracteristice fiind A, B, C și D. T1 reprezinta temperatura sursei calde și T2 temperatura sursei reci; caldura se absoarbe din mediul extern, de la detector, prin contact termic asigurat de un element metalic de cuplaj (Cold Finger). Pe traseul AB gazul cedeaza energia sub forma de caldura, Q1, sursei calde,

iar pe traseul CD ia caldura Q2 de la sursa rece.

Schema de principiu a sistemului de racire bazat pe ciclul Stirling este prezentata in figura 3.x.b) Doua pistoane, P1 și P2, lucreaza in doua camere de compresie diferite, C1 și C2. Cele doua camere sunt conectate la un regenerator de caldura prin care intra și iese caldura.

Deoarece solutia constructiva cu doi cilindri genereaza un nivel inalt de vibratii ce afectaeaza functionarea si reduc fiabilitatea sistemelor, solutiile constructive moderne (Split-stirling Systems) au un singur cilindru in care culiseaza doua pistoane, unul de lucru si unul de deplasare.

Fig. 3.x. Prezentarea sistemului de racire bazat pe ciclul Stirling

a) reprezentarea ciclului Stirling in coordonate Clausius – Clapeyron;

b) schema de principiu a sistemului de racire;

c) prezentarea simplificata a solutiei constructive.

Pentru detectoarele de radiatii termice utilizate in domeniul aparare-securitate, sistemele de racire Stirling prezinta o serie de avantaje:

– ocupa un volum mic și necesita un consum mic de energie electrica;

– ciclul Stirling are loc fara schimbarea starii gazului și necesita presiuni relativ joase (cateva zeci de bari);

– cel mai folosit gaz este heliul, care nu prezinta nici un pericol și nu este prea costisitor;

– ciclul Stirling teoretic, fiind integral reversibil, are randamentul egal cu 1 (in practica trebuie totuși sa se tina cont de pierderile ce au loc in timpul transferului de caldura intre elementele sistemului cu temperaturi diferite);

– in practica au ajuns la constructii miniaturizate convenabile pentru amplasarea pe echipamente portabile;

– consumul de curent este foarte mic, de circa 15 W, și timpul de racire al detectorului la temperatura de lucru (77° K) poate fi de aproximativ 5 minute.

Progresele tehnice din ultirnii ani au perrnis miniaturizarea acestor mașini de racire, ajungandu-se la micromașini de 200-300g și 200 cm3 , capabile sa dezvolte puteri de racire mai mari de 1500 mW la 77° K. Principala actiune, in sensuI imbunatatirii performantelor acestui sistem de racire, o constituie cercetarile legate de prelungirea duratei de viata, care este cuprinsa in prezent intre 5000 și 10000 de ore.

Fig. 3.x. Sistem de racire tip Stirling – sursa RICOR

a) cuplat cu un sistem de racire;

b) capacitatea de racire in functie de temperatura ambianta.

Solutii constructive pentru ansamblul detector -cooler

Fig. 3.x. Ansamblu IDDCA (Integrated Detector – Dewar – Cooler Assembly)

Fig. 3.x. Ansamblu IDDCA (Integrated Detector Dewar Cooler) MCT – sursa AIM

a. cuplat cu un sistem de racire tip Stirling – „integral rotary”

b. cuplat cu un sistem de racire tip Stirling – „split linear”

Sisteme de prelucrare a semnalelor

Controlul funcțiilor detectorului IR se realizează de la ansamblul electronic de achiziție și prelucrare a informațiilor. Semnalul rezultat din ansamblul detectorului de semnal termic reprezintă doar informatia despre temperatura relativă scenei analizate și trebuie prelucrat ulterior, pentru a asigura informațiile privind luminozitatea într-un semnal video standard. Semnalul electronic provenit de la detector este preamplificat și aplicat în circuitul de transformare a explorării, unde se transformă într-un semnal continuu care conține informații de luminozitate. Acest semnal este sincronizat pentru a forma un semnal video compus standard, care poate fi afișat pe orice monitor compatibil, poate fi transmis la distanță sau înregistrat. Prelucrarea numerică a semnalului permite în plus, amplificarea cu reglaj automat și reglarea contrastului, precum și controlul automat al luminozității și focalizării.

Unele sisteme de prelucrare pot îndeplini următoarele funcții:

– compararea mai multor imagini, urme și tranzitări termale de mare viteză;

vizualizează gradientul de temperatură;

realizează analize statistice de temperaturi și extragerea părților dinamice ale unei imagini;

realizează stop-cadrul unor porțiuni din imagine menținând vizualizarea imaginii dinamice pe restul ecranului;

afișează simultan mai multe imagini înregistrate la diferite momente în vederea comparării;

realizează marirea pentru întreaga imagine sau numai pentru anumite porțiuni;

integrează module software opționale care se adaptează la cerințele specifice anumitor aplicații: trasare a graficelor, captură a cadrelor, corectia emitanței, combinarea/fuziunea cu imagini din spectrul vizibil, etc.

Pentru camerele cu detectori termici (fara racire)

Fig. 3.x. Detector tip microbolometru – sursa SOFRADIR & INTELLISYSTEM TECH.

a) modul detector rezolutie 1024 x 768 pixeli, dimensiune pixel 17 μm;

b) modul detector – procesor camera termoviziune fara racire.

Pentru camerele detectori fotonici/cuantici (cu răcire)

Circuitul de procesare video primeste datele furnizate de la detector si furnizează la iesire un semnal video digital, care poate fi afișat pe un display sau alt sistem de afișare. Rezultatul final este o imagine clară obținută în timp real, pentru o gamă largă de aplicatii. O aplicatie software ce rulează pe un PC poate realiza setarea parametrilor caracteristicilor funcționale ale camerei termale cu răcire. Parametrii sunt stocati în memoria flash a circuitului. Echipamentul asigură următoarele funcții:

– corectia neuniformitătii in 1 si 2 puncte;

– înlocuirea pixelilor defecti;

– ajustarea timpului de integrare;

– egalizarea histogramei;

– ajustarea contrastului si a strălucirii;

– zoom digital;

– generarea electronică a reticulului;

– controlul obiectivului (focalizarea si zoom-ul) printr-o interfată serială de comunicatie.

Fig. 3.x. Schema bloc a unui sistem de termoviziune cu detector racit

Fig. 3.x. Ansamblu IDDCA cu circuitele electronice de procesare a semnalelor – sursa: CANTRONIC.

Tabel 3.x. – caracteristici generale ale circuitelor de procesare video folosite in sistemele de termoviziune

The VE1.6 receives digital Camera Link data from an infrared detector through an additional ADC board. Control, initialization, and power for the detector and ADC are provided by the VE1.6. The VE1.6 directly interfaces to camera optics for control of focus and zoom or field-of-view. A shutter or automatic lens cap is used by the VE1.6 for image correction purposes. The VE1.6 provides fully processed analog video output in NTSC, PAL, and VGA formats, as well as unprocessed digital Camera Link output. The VE1.6 is controlled using an RS232 serial link, or a TCP/IP network with Ethernet. Control software and the control protocol are provided.

Processing Overview

Data Processing Overview.

The VE1.6 accepts input as 14-bit raw, unprocessed digital data from the detector and ADC in Camera Link format. This 14-bit image is then corrected for non-uniformity correction (NUC) and bad pixel replacement, using the currently active calibration data (NUC tables) and bad pixel list. This results in a corrected 16-bit image, used for autofocus calculation and histogram calculation. The range control process converts this 16-bit data into 8-bit data using either histogram equalization or a linear transformation. The resulting 8-bit image is adjusted for picture control then converted to 24-bit RGB color or gray-scale using the palette. Finally, this 24-bit image is encoded to the selected analog video output format. The camera link output is simply passed unmodified, for further processing on a computer.

Non-Uniformity Correction (NUC) – Images must be corrected for pixel non-uniformity. The detecting elements of an infrared detector are not identical, so the produced image must be corrected for pixel differences or non-uniformity. The VE1.6 uses a calibration procedure to generate a linear correction for each pixel.

This correction involves a gain (Ai) and an offset (Bi) for each pixel. NUC tables, the tables of gain and offset values for every pixel, are calculated during a 2-point calibration. A 1-point calibration updates only the offsets.

2-Point NUC Calibration – To generate the NUC tables, gain and offset values for every pixel, a 2-point calibration is done in the laboratory. During a 2-point calibration, two sample images are taken using a uniform black-body at two known temperatures. A black-body should produce uniform images. Each sample is averaged over a number of frames. After two samples are taken at two different temperatures, the gain and offset tables are calculated and saved as a calibration.

1-Point NUC Calibration – During camera operation, a 1-point calibration can be performed to update the current NUC offset table. A 1-point NUC is a single calibration sample, taken using a uniform image. Again, this calibration sample is averaged over several frames. The uniform image is created by one of the following methods: Shutter, Automatic lens cap, Manually cover the lens, Defocusing.

Bad Pixels

Every detector has bad pixels. Bad pixels are detector elements that do not respond correctly or consistently, and cannot be corrected by non-uniformity correction. Known bad pixels are replaced by the video engine, using a combination of the valid neighboring values. Bad pixels can be manually identified and automatically detected using calibration data. Bad pixels are maintained in a single list, the bad pixel list, and are used with each calibration loaded. Additionally, a calibration file may contain its own bad pixels that identified during calibration.

Bad pixel detection is based on two tests, a responsivity test using the gain values, and a DC level test using the offsets. Each test utilizes a tolerance parameter, specified in percentage 0-100, and an area parameter. The tolerance parameter controls the sensitivity of each test. The area parameter controls the size of the image area used in testing each pixel. If the area parameter is less than 2, the entire image will be used for every pixel. If the area parameter is N, all neighboring pixels within an NxN rectangle will be used to test each pixel.

Range Control

The corrected detector image contains 16-bit pixel values. These values must be converted to 8-bit levels for the video system without loosing image information or detail. Range control is the process of mapping 16-bit image values to 8-bit video levels in such a way that image detail and information is preserved and properly displayed. This can be accomplished using a histogram equalization method or a linear method.

The linear range control method identifies a range of values that include the majority of the image data, and linearly maps this range to the 8-bit levels, 0-255. Histogram equalization is a process that builds a non-linear mapping to evenly distribute data values across the 8-bit range. This has the effect of increasing the global contrast or detail of the image.

The user may find that the linear method results in a smoother, cleaner image with less noise, but also less detail, while the histogram equalization method shows more detail and more noise. When using histogram equalization, the user can limit the amount of gain applied to noise and detail in the image by adjusting the histogram limit value. A low histogram limit value has the effect of creating a smoother image similar to the linear method.

Picture

Picture adjustment allows the user to manually adjust the contrast and brightness of the image. The picture adjustment is a linear transformation applied to the final 8-bit levels, before palette conversion. The user controls integer contrast and brightness levels, where zero contrast and zero brightness result in no adjustment.

Gamma

The gamma processing is a power-law adjustment on the pixel levels. If enabled, each pixel value will be adjusted using the following power-law relationship.

Where coefficents A and B are automatically chosen to properly scale data and gamma is a user defined parameter greater than zero. A gamma value of 1.0 is equivalent to no gamma processing.

Palette

The VE1.6 uses a 256-entry palette to convert final 8-bit levels to RGB video colors. Every entry in the palette contains red, green and blue component levels, each 0-255. The VE1.6 has default built-in gray scale palettes. Any palette may be reversed. Users may also create custom color palettes, stored as a palette file on the VE1.6, where they can be used at any time.

Frame Rate and Image Size

The frame rate is determined by the requirements of the detector and the selected video output format. The VE1.6 is able to support any frame rate and image size up to the following limits.

Files and Storage

The VE1.6 has 8 megabytes of storage for user files. This is enough storage for at least 6 full calibrations (NUC tables). For smaller image sizes more calibrations can be stored. More calibrations can also be stored by only saving the gain or offset tables.

The VE1.6 stores user data, such as calibrations palettes and configuration information in files stored in user storage. Each file name contains a file extension used by the VE1.6 and user software to identify the file type. It is important that every user file name has the correct extension, or the VE1.6 may not be able to use that file. In most cases, the VE1.6 will automatically add the correct extension to user supplied file names. Below are the extensions for various user file types.

Focus Control

The VE1.6 controls the focus in large steps and fine steps. The step sizes for coarse and fine focus adjustment may be configured.

VE1.6 performs autofocus by analyzing the focus level in a rectangular portion of the image, the focus window. The dimensions and location of the focus window may be configured, or specified for each autofocus operation. This allows the camera user to autofocus on a particular location or object in the image.

Digital Zoom

Digital zoom scales video output by a given factor. Supported digital zoom levels include: 1,2,3,4. Zoom level 1 is equivalent to no zoom. The zoom window location can also be controlled. Zoom level 2 is useful for displaying a 320×240 detector image on a 640×480 video output format.

Frame Synchronization

Detector and ADC output (input to the VE1.6) must be synchronized to the VE1.6 processing and video output frames using the frame synchronization output signal. It is not possible to synchronize VE1.6 operation with an external frame synchronization signal.

Coordinates

Because of differences in the size of the detector image and the selected video output format, the image coordinate of a pixel is not necessarily equal to its video coordinate. Image coordinates refer to the location of a pixel in the detector output image. Video coordinates refer to the current location of a pixel on the video output display.

Field-of-View Control

The fields-of-view or discrete zoom levels of a lens are referenced by an integer number. For an optics with n fields-of-view, the positions are referenced by an integer starting at 0 for the near (wide) field-of-view, and ending at (n-1) for the far (narrow) field-of-view.

Integration Time

The VE1.6 controls the detector integration time setting through the ADC. The allowable integration time range depends on the detector and ADC.

Modes

The VE1.6 uses modes to control the automatic loading of calibrations for different operation parameters. When the zoom, field-of-view, or integration time changes, the corresponding calibration will automatically be loaded for the new mode.

A list of modes can be defined in the VE1.6 configuration. Each mode associates a calibration file with a combination of integration time settings, field-of-view and zoom positions. When one of these parameters changes, the calibration file specified in the matching mode will be loaded by the VE1.6. If there is no defined mode for the current setup, a calibration will be loaded using the following default naming pattern:

Software de comandă aferent plăcii VPB

Software de comandă a fost creat special pentru placa VPB proiectată și realizată și se poate instala pe un calculator cu sistem de operare Windows, utilizează un port serial sau o conexiune la rețea și asigură realizarea caracteristicilor funcționale ale produsului.

Poate realiza următoarele funcții:

– selectarea câmpului vizual/ selectarea funcției de zoom optic;

– zoom electronic;

– focalizare / focalizare automată în trepte mai largi sau mai fine;

– selectarea contrastului/ strălucirii;

– selectarea timpului de integrare;

– egalizarea histogramei;

– detecția pixelilor defecți;

– selectarea polarității;

– funcția de stop cadru;

– schimbarea orientării imaginii;

– calibrarea neuniformității;

– funcția de autotest;

– accesul în fișierele salvate.

Pentru a asigura funcționalitatea plăcii de procesare video, componentele software-ului

Solutii constructive pentru sistemele de termoviziune

Fig. 3.x. Ansamblu IDDCA cuplat cu sistem optic varifocal

a. obiectiv varifocal;

b. modul electronic obiectiv;

c. motoare actionare grupuri optice;

d. ansamblu racire tip Stirling;

e. detector termic.

CARACTERIZAREA SISTEMELOR DE TERMOVIZIUNE

Pentru caracterizarea unui sistem termografic este necesar să fie luate în considerare toate componentele lanțului radiometric. Fiecare componentă a acestuia este caracterizată de o serie de mărimi care afectează direct sau indirect capabilitatea globală a sistemului. De exemplu, dacă detectorul prezintă sensibilitate în domeniul spectral 3…5 µm, se poate spune despre sistemul termografic, care include acest detector, că este caracterizat de un răspuns spectral în intervalul 3…5 µm, chiar dacă filtrul optic admite o bandă spectrală mai largă.

Evaluarea capabilității sistemului se poate face fie prin luarea în considerare a mărimilor caracteristice ale componentelor în mod separat, fie prin combinarea unor mărimi mai importante, reprezentative pentru sistem. Sistemele de termografiere pot fi destinate unei analize pur calitative sau unei analize cantitative combinate cu una calitativă. Analiza calitativa se face prin simpla vizualizare a distributiei temperaturii în cadrul unei scene termice, nesesizabila direct, prin observare cu ochiul liber. In acest caz, sistemul frnizeaza o imagine cu un contrast, în domeniul vizibil, proportional cu contrastul termic al obiectului examinat în rapart cu mediul inconjurator.

În acest context, prin contrast se înțelege o diferență de luminozitate sau stralucire a unei imagini vizibile, care este proporționala cu diferența de temperatura dintre doua puncte sau zone ale obiectului.

Prin acest tip de examinare se furnizeaza informatii capabile sa evidentieze diferente de temperatura. Cu cat sistemul este mai apt sa reactioneze la diferente de temperatura mai mici, cu atat sensibilitatea lui este considerata mai mare. In cazul în care este necesara o apreciere cantitativa, cum ar fi masurarea temperaturii într-un punct, atunci sistemul are performante cu atat mai bune, cu cat îndeplinește mai bine conditiile impuse oridirui alt instrument de masura: fidelitate, linearitate sau proportionalitate etc. Pentru efectuarea masuratorilor trebuie sa existe o corespondenta unica Între semnalul electric furnizat și temperatura aparenta a obiectului.

Temperatura aparenta este acea temperatura pe care ar avea-o un corp negru, plasat in vid, in același loc ca și obiectul examinat, producdnd același efect asupra detectorului de radiație.

în cazul masuratorilor (determinari cantitative) sistemul trebuie sa asigure o corespondență unică și reproductibila între semnalul electric furnizat de detector și temperatura aparenta a obiectului. Zgomotul sistemului este o cauza a îndepartarii de la linearitate, întrucât adauga semnalului util o tensiune aleatoare, astfel ca, un același semnal primar poate fi receptat diferit.

Din punct de vedere al domeniului de utilizare, echipamentele de termografiere se împart n doua mari grupe: echipamente de supraveghere și echipamente de masurare. Echipamentele de supraveghere sunt utilizate cel mai adesea în domeniul militar, pentru a evidentia obiecte sau fiinte care nu pot fi observate în domeniul vizibil, fie din cauza întunericului noptii (în spatii deschise) sau lipsei de lumina (în spatii închise), fie din cauza unor dificultati atmosferice sau a camuflarii voite a unor obiective sau persoane. Aceste echipamente se mai folosesc și pentru supravegherea unor instalatii în stare de functionare sau a unor incinte care prezinta pericol de incendiu. Echipamentele de masurare, cel mai adesea incIuzand și sistemele de vizualizare, sunt folosite preponderent în domenii de aplicare civile: în industrie, în examinari nedistructive și în cercetarea știintifica.

Deși în prezent limita dintre cele doua categorii este destul de vag conturata, totuși, cei care doresc sa achizitioneze un echipament de masurare trebuie sa știe ca numeroase tipuri de camere de supraveghere, mult mai ieftine de altfel, nu pot fi folosite și pentru masuratori. In orice caz, daca pentru un echipament de supraveghere cel mai important criteriu de evaluare este calitatea imaginii, pentru echipamentele de masurare criteriile de evaluare sunt mai multe și mai complicate. Si echipamentele de masurare se pot subdivide în doua categorii din punct de vedere al aplicatiilor vizate: aplicatii care necesita doar o masurare relativa și aplicatii care necesita o masurare in valori absolute. Deși unele echipamente pot fi folosite în ambele categorii de aplicatii mai sus precizate, totuși, criteriile de apreciere a performantelor acestora sunt diferite. De exemplu, daca un echipament va fi folosit în aplicatii în care conteaza doar masurarea unor temperaturi relative sau a unor diferente de temperatura, cum este cazul examinarilor nedistructive, atunci cel mai important criteriu de evaluare a performantelor este calitatea imaginii termice a obiectului supus examinarii.

Daca însa aplicatia necesita masurarea unor temperaturi în valoare absoluta, atunci principalul criteriu de evaluare va fi acuratelea masuratorii. In literatura de specialitate, din motive practice, pentru caracterizarea uzuală a sistemelor de termografiere este precizat un numar relativ restrans de marimi, cum ar fi: raspunsul spectral, rezolutia temporala, rezolutia termica și rezolutia spatiala.

Intre ultimii trei parametri exista o corelatie importanta pentru utilizatorii echipamentelor IR. Intre rezolutia temporala, rezolutia termica și cea spatiala exista o legatura directa; astfel, daca rezolutia spatiala este foarte mare, rezolutiile termica și temporala vor fi mai mici. Daca rezolutia termica crește, atunci rezolutia temporala și cea spatiala vor fi mai mici.

Reducerea marimii elementului sensibil al matricelor detectoare nu poate conduce la creșterea rezolutiei, deoarece se va reduce corespunzator și semnalul de ieșire produs de un element mai mic. O reducere a marimii elementului sensibil va determina deci și o reducere a sensibilitatii și acuratetei masuratorilor.

Pentru a compensa reducerea marimii elementelor sensibile, uneori este necesara o creștere a timpului de expunere (de preluare a imaginii). Acest lucru determina o diminuare a vitezei de înregistrare a imaginilor. Daca pentru analize statice, creșterea timpului de expunere nu este importanta, in cazul examinarii unui obiect in mișcare, când intre obiect și camera exista o mișcare relativa sau cand variatii1e de temperatura sunt foarte rapide, examinarea cu un astfel de sistem, cu timp indelungat de expunere este ineficienta.

Caracteristicile radiometrice ale unei camere sunt definite prin:

– curbele de calibrare, care depind de configuratia camerei (obiectiv, apertura, timp de integrare, raspuns spectral cu sau fara filtru etc.);

– sensibilitatea;

– rezolutia termica;

– dinamica termosemnalului;

– proportionalitatea dintre fluxul detectat și termosemnalul rezultat.

Dimensiunea spatiala a masuratorilor radiometrice este specificata prin marimea domeniului raspunsului spectral și prin uniformitatea acestuia.

Dimensiunea temporaIa a masuratorilor termice rezulta din capacitatea de a masura dinamic și depinde de caracteristicile frecventelor de analiza, modurilor de scanare (opto-mecanic sau electronic), timpului de raspuns și de timpul de integrare pentru camerele care au detectoare matriceale FPA.

Criterii de evaluare

Pentru caracterizarea sistemelor termografice exista numeroase criterii de evaluare a performantelor acestora. Intre unele dintre acestea exista relatii stranse de dependenta, ceea ce a permis specialiștilor sa reduca numarul de criterii la un set de baza. Astfel, functia de transfer optic este direct legata de rezolutia spatiala și, de asemenea, rezolutia termica este dependenta de functia de transfer optic.

Raspunsul spectral

Prin raspuns spectral se ințelege banda spectrala care este sesizata de sistem (subansamblul optic, filtrul și detectorul) definita, in general, printr-un domeniu de lungimi de unda Δλ=λb-λa, centrat aproximativ pe o lungime de unda medie, λo situata intre λb și λa.

Raspunsul spectral este o caracteristica permanenta a echipamentului, care nu poate fi schimbata (decat partial, prin schimbarea filtrului). Alegerea echipamentelor cu un raspuns spectral adecvat este importanta, deoarece în numeroase aplicatii radiatia termica este emisa într-un domeniu specific de lungimi de unda.

La alegerea echipamentului, dupa criteriul raspunsului spectral, este necesara corelarea domeniului spectral în care radiaza obiectele examinate cu particularitatile detectorului și cu structura mediului de propagare, care va absorbi o parte din spectrul radiat. Sistemele care lucreaza in domeniul undelor scurte sunt mai susceptibile la interferentele termice nerelevante când examinarea se face in exterior (in aer liber).

Cand sistemul este folosit pentru inregistrari la mare distanta, este necesar sa se ia in considerare și absorbtia datorata altor gaze din atmosfera, cum ar fi bioxidul de carbon sau ozonul, cu o capacitate de absorbtie ce nu mai poate fi neglijata la distante mari, de ordinul kilometrilor.

Rezoluția termică

Una dintre primele caracteristici precizate in fișa tehnica a unei camere radiometrice este rezoluția termica. Diferența de temperatura minim sesizabila de catre un sistem termografic poarta numele de rezoluție termică.

Sistemul este eu atât mai sensibil cu cat poate asigura discriminarea unor diferente de temperatura mai mici. Echipamentele actuale destinate examinarilor civile au o rezolutie termica minima de 0,05°C.

In functie de natura obiectului definirea rezolutiei termice ia diferite forme:

• Diferența de temperatura echivalenta zgomotului (Noise Equivalent Temperature Difference – NETD), denumita și sensibilitatea termica, este diferenta de temperatura dintre doua puncte ale obiectului examinat, sau între un punct al obiectului și un punct al mediului înconjurator, capabila sa produca un semnal cel putin egal cu tensiunea eficace a zgomotului sistemului.

Definirea acestei marimi se mai poate face cu ajutorul relatiei:

unde: Vz este tensiunea eficace data de zgomotul detectorului, asociata cu eel determinat de sistemul de preamplificare;

Vs – tensiunea semnalului rezultat in urma unei iradieri care, la intrarea in sistemul optic, se presupune a fi superioara celei echivalente zgomotului;

To – temperatura unui corp negru, cu dimensiuni spatiale mult mai mari fata de dimpul elementar, dar mai mici decat dimensiunile campului total;

Tf – temperatura unui fond termic rece pe care se afla corpul negru.

NETD este o marime care tine cont de zgomotul fotonic și electronic al sistemului și care, pentru un sistem dat, depinde puternic de temperatura obiectului examinat.

• Diferenfa de temperatura minim sesizabila (Minimum Resolvable Difference – MRTD) este diferenta de temperatura minima pentru care un sistem de termografiere asigura realizarea unei imagini vizibile pe care se disting punctele cu temperaturi diferite.

MRTD este o marime care leaga rezolutia termica de discriminarea spatiala a sistemului. Aceasta marime exprima influenta zgomotului asupra rezolutiei spatiale. Pentru evaluarea marimii diferentei de temperatura minim sesizabile se folosește «mira Foucault». Mira Foucault este un desen conventional cu linii sau semne de diferite dimensiuni și caracteristici clar precizate care se folosește ca indicator de calitate a imaginii. Aceasta reprezentare grafica (Chart Foucault sau Test resolution pattern sau Line resolution target) are ca scop evaluarea puterii separatoare a unui echipament fotografic sau termografic și a capacitatii sistemului de a produce imagini lizibile (fig. 4.x).

Figura 4.x. – Mira Focault – indicator de calitate a imaginii

Definirea rezolutiei termice prin acest criteriu se face pe baza separarii vizuale a liniilor din imaginea termica a mirei Foucault, în conditiile în care contrastul termic dintre acestea este foarte mic. Fiecare set de patru linii are o frecventa dubla fata de precedenta și o înaltime de șapte ori mai mare decat grosimea unei linii. Definirea acestui criteriu se mai poate face și cu ajutorul relatiei:

unde: ΔT1 este diferenta de temperatura minima, pragul minimal de perceptie vizuala distincta a liniilor mirei, iar ΔT2 este diferenta de temperatura pentru care se obtine o imagine foarte clara a liniilor mirei.

• Diferența de temperatura minim detectabila (Minimum Detectable Temperature Difference – MDTD) este diferenta de temperatura minima între suprafata unui obiect și fondul pe care este amplasat (fig. 5.x), care face perceptibil acel obiect într-o examinare calitativa.

Figura 4.x. – Definirea MDTD

In general, diferenta de temperatura minim detectabila se definește prin relatia:

unde, To este temperatura unui semn (mira) circular și Tf este temperatura unui fond uniform pe care se afla amplasat sernnul circular.

MDTD este o marime asemanatoare MRTD determinata pentru o frecventa spatiala nula. Toate aceste marimi sunt definite prin asimilarea obiectelor respective cu niște corpuri negre.

Determinarea acestei caracteristici se face prin examinarea a doua obiecte și reducerea diferentei de temperatura dintre acestea pana la o valoare limita la care nu mai pot fi diferentiate din punct de vedere termic. Valoarea diferentei de temperatura minim detectabile, determinata prin aceasta metoda, este valabila doar pentru o anumita temperatura de examinare.

Rezolutia termica poate fi exprimata și prin marimea denumita funcția de răspuns a unei deschideri foarte mici (fanta), cunoscuta sub denumirea prescurtata SRF (Slit Response Function), sub forma unghiului subintins de un numar de elemente detectoare pe o linie longitudinaIa.

SRF poate fi diferit in plan orizontal și in plan vertical. Exprimarea acestei marimi in procente indica marimea fantei In cazul în care temperatura este precizata in procente din temperatura reala.

Daca masuratorile de temperatura trebuie sa prezinte acuratete, valoarea SRF trebuie sa fie mai mare de 90%. O valoare de 50% nu este acceptabila. Unele sisteme de termografiere pot fi similare la SRF =50%, dar diferite la 90%. Atunci cand se compara doua sisteme de termografiere este necesar sa se cunoasca temperatura la care SRF este precizata. Daca, intr-un anumit context, este importanta calitatea imaginii și nu acuratetea masuratorilor, aprecierea rezolutiei termice se face prin determinarea MRTD, o marime mult mai utila in acest caz. Determinarea diferentei de temperatura minim sesizabile se face prin vizualizarea unor mici sloturi de grosime egala a caror temperatura este variata in mod gradual in raport cu temperatura fondului. Diferenta de temperatura la care sloturile nu mai sunt diferentiate este valoarea MRTD. Daca în locul sloturilor se folosesc doua obiecte de dimensiuni mari, masuratorile vor evidentia marimea MDTD – diferenta de temperatura minim detectabila.

Rezolutia spatială

Unghiul solid care limiteaza capacitatea de separare a detaliilor obiectului examinat, denumit și unghiul solid de analiza al sistemului, definește rezolutia spatială. Unghiul solid de analiza al sistemului rezulta din compunerea mai multor caracteristici ale componentelor, dependente de tipul echipamentelor care alcatuiesc sistemul:

– functia de transfer a sistemului optic;

– functia de transfer a detectorului;

– caracteristicile sistemului electronic de prelucrare;

– caracteristicile sistemului de vizualizare și ale ochiului observatorului;

– mecanismul de scanare a imaginii, in cazul sistemelor cu scanare optomecanica;

– factorul de umplere al unui detector matriceal.

O alta definitie a rezolutiei spatiale este: aptitudinea sistemului de a conduce la obtinerea de imagini separate pentru detalii mici, diferite, ale obiectului examinat.

Rezolutia spatiala poate fi definita și prin marimea intitulata "camp instantaneu de vedere" (Instantaneous Field of View – IFOV). Aceasta notiune poate fi exprimata sub forma unghiului solid, determinat prin raportarea proiectiei suprafetei unui pixel pe cea mai mica tinta detectabila la distanta pana la tinta, sau sub forma unui unghi plan exprimat in mod uzual in grade sau in miliradiani (fig. 4.x).

In general, cu cat valorile IFOV sunt mai mid, cu atat un echipament este mai bun pentru un același camp de vedere (Field of View – FOV). Este evident faptul ca elementul distanța este foarte important atunci cand se pune problema examinarii unui obiect mic de la distanta relativ mare. Rezolutia este o notiune diferita de acurate!ea masuratorilor.

Figura 4.x. – Definirea campului de vedere instantaneu – IFOV:

F – distanta focala efectiva a sistemului optic; IFOV – campul de vedere instantaneu; D – distanta dintre camera IR si obiectul examinat; A – dimensiunea caracteristica a unui element al detectorului; AP – proiectia campului de vedere instantaneu.

Capacitatea IFOV mai mare a unui echipament IR permite identificarea mai buna a punctefor calde sau reci, dar asta nu inseamna ca masuratorile de temperatura sunt mai exacte.

Campul de vedere (FOV) este marimea care rezulta prin raportarea dimensiunilor spotului de masurare a tintei la distanta camera-obiect. FOV se exprima tot in grade sau in miliradiani.

Raportul de mărime a spotului (Spot Size Ratio – SSR) este marimea care exprima distanta maxima a camerei în raport cu tinta pentru o suprafata de examinare data, care înca mai permite efectuarea unei masuratori precise.

Un SSR de 200:1 arata ca, la o distanfa de 200 m, echipamentul va masura cu acuratețe temperatura unui obiect cu suprafafa de 1 m2.

SSR este inversul marimii FOV și este o marime utiIa pentru masuratorile la distanta, deși nu este întotdeauna precizata în specificatiile tehnice.

Referitor la rezolutia spatiala, o caracteristica asociata este puterea de marire sau zoom-ul care poate fi optic sau electronic.

Puterea de mărire (zoom) optica și electronica sunt doar facilitati ale camerelor IR, care însa nu afecteaza performantele acesteia. Puterea de marire optica reduce câmpul de vedere, FOV, cu o reducere aparenta a distantei pana la obiect și, prin urmare, cu o creștere a rezolutiei.

Zoom-ul electronic marește imaginea electronica existenta, dar o data cu aceasta și toate elementele de zgomot asociate.

Rezultatul maririi electronice este acela ca un pixel se vede mai mare, dar nu se obtine o creștere a rezolutiei. Zoom-ul electronic este util in cazul în care se impune o focalizare mai buna. In cazul In care In vizorul camerei IR imaginea are o «granulatie» mare, deranjanta pentru ochi, se folosește acest zoom electronic asociat cu o noua reglare a sistemului optic, în vederea unei focalizari optime.

Rezolutia temporală

Rezoluția temporala sau frecventa de repetare a cadrelor inseamna numarul de imagini preluate in unitatea de timp și este dependenta de durata in care sistemul de termografiere produce un cadru, ceea ce insemna integrarea mai multor campuri vizuale necesare pentru obtinerea unui cadru.

Daca frecventa cadrelor este egala cu frecventa campului vizual, atunci nu este necesara nici o integrare. La compararea a doua sisteme de termografiere frecventa cadrelor este foarte importanta. Astfel, un sistem cu o frecventa mica va produce imagini In dungi, chiar daca deplasarea camerei se face cu viteza mica.

Rezolutia temporala a sistemelor de termografiere este o marime caracteristica similara celei folosite pentru domeniul vizibil, In sistemele TV.

Alte marimi caracteristice

In afara marimilor caracteristice mai sus enumerate, In literatura de specialitate sunt precizate și multe alte marimi, cu o raspandire ceva mai restransa, cum ar fi:

• Funcția de transfer modular (Modulation Transfer Function – MTF), care descrie corespondenta dintre modularea semnalului de ieșire și modularea semnalului de intrare, cand semnalul de intrare are o forma sinusoidala;

• Funcția de transfer al contrastului (Contrast Transfer Function – CTF) care este corespondenta dintre modularea semnalului de ieșire și cea a semnalului de intrare pentru cazul in care semnalul de intrare este modulat sub forma unor impulsuri dreptunghiulare;

• Contrastul minim sesizabil (Contrast Minimum Resolvable – MRC)

• Funcția de răspuns al fantei (Slit Response Function – SRF) este raportul dintre diferenta semnalului de ieșire provenit de la o fanta foarte îngusta și fondul pe care aceasta este amplasata și diferenta semnalului de ieșire obtinut de la o fanta foarte larga și fondul pe care aceasta este amplasata ;

Marimile MTF, CTF și SRF sunt strans legate intre ele și furnizeaza informatii privind abilitatea sistemului de a genera imagini de buna calitate, cand semnalul de intrare este mare și zgomotul neglijabil. Cand una dintre aceste trei marimi este cunoscuta, teoretic, celelalte doua potfi calculate.

• Funcția de transfer al semnalului (Signal Transfer Function – SiTF) , care se mai numește și functia de raspuns a sistemului, reprezinta dependenta semnalului de ieșire (iluminarea ecranului unei camere IR sau semnalul electronic al acesteia) de temperatura tintei;

Marimea SiTF furnizeaza injormații privind amplificarea, linearitatea sau proporționalitatea sistemului, domeniul dinamic și saturația acestuia.

• Domeniul de focalizare (Focus Range – FR);

• Paternul zgomotului stabil (Fixed Pattern Noise – FPN), care este o marime ce caracterizeaza variatiile de frecventa spatiaIa înalta la ieșirea detectorului, generate de o tină uniforma cu suprafata mare;

• Neuniformitatea, care este o marime ce caracterizeaza variatiile de frecventa joasa ale semnalului de ieșire determinate de o tinta uniforma cu suprafata mare;

Marimile FPN și "neuniformitatea" se refera la orice "pattern" (model) al zgomotului spațial, care nu se schimba semnificativ de la un cadru la altul. Pentru un detector matriceal perfect, semnalul la ieșirea detectorului este același.

• Suprafala inactivă a detectorului matriceal sau zona moarta; Existența unor zone inactive in matricea detectoare (suprafața care inconjoara un element sensibil) poate fi mascata de catre utilizatori prin manevre soft, care constau fn calculul valorilor medii ale semnalului generat de elementele active și extrapolarea acestor valori la zonele inactive. Totuși, marimea suprafetei inactive este o caracteristica care influențeaza calitatea imaginii.

• Capacitatea camerei de a putea lucra cu mai multe obiective și flltre. Numeroase tipuri de camere lucreaza cu o gama de obiective și/sau filtre care permite efectuarea de examinari de la nivel microscopic la nivel telescopic și de la temperaturi negative la temperaturi inalte de peste 1000°C. Este esential ca un obiectiv sau un filtru sa fie recunoscut de camera la care este montat. Recunoașterea poate fi automata sau prin introducere a informatiei de catre operator.

O camera cu un obiectiv de 16°, de exemplu, asigura un camp instantaneu de vedere, IFOV de 1,2 mrad. Cu un obiectiv de 4°, marirea optica este de patru ori mai mare decelt cea obținuta cu obiectivul de 16°, ceea ce va conduce la obfinerea unei marimi a campului instantaneu de vedere de 0,3 mrad.

Filtrele sunt accesorii uzuale ale camerelor IR. Numai unele echipamente cu destinatie speciaIa contin un filtru fix, pentru o filtrare permanenta. Filtrele, transparente pentru un anumit interval de lungimi de unda, au ca scop selectarea radiatiei infraroșii utile într-o anumita aplicatie și împiedicarea radiatiei nedorite de-a ajunge la detector. De regula filtrele reduc sensibilitatea și pot afecta semnificativ acuratetea unei masuratori.

• Radiația echivalentă zgomotului – reprezinta energia minima care, daca este furnizata sistemului, conduce la produeerea unui semnal cel putin egal eu cel produs de zgomotul propriu sistemului.

Un obiect, cu dimensiuni unghiulare mai mari decat cele corespunzatoare rezoluției spațiale a sistemului, care emite o radiație infraroșie, astfel incat iradierea produsa la nivelul diafragmei de intrare in dispozitivul optic sa fie superioara din punct de vedere energetic zgomotului intern, are toate șansele de a genera la ieșirea din sistem o imagine corect concordanta cu obiectul, daca diferenfa de temperatura aparenta fntre obiect și mediul înconjurator este superioara rezoluției termice.

Verificarea sistemelor de termoviziune

Testarea

Testarea unui sistem nu este numai o obligatie a produditorului ci și a utilizatorului atît, la achizitionarea unui echipament, cât și periodic, pentru verificarea stabilitatii caracteristicilor în timp sau pentru corectia unor marimi caracteristice precizate în functie de cerintele de experimentare.

Din cauza numarului mare de componente și de marimi caracteristice ale fiecăreia, practic, s-a constatat ca doua camere cu aceeași specificatie tehnica pot avea unele caracteristici diferite sau o aceeași camera dupa ce a fost folosita un anumit interval de timp își poate modifica unele caracteristici. Din cauza aceasta, utilizatorii care doresc sa-și cunoasca mai bine echipamentul trebuie sa efectueze o serie de teste de verificare. Incerearea sistemelor de termografiere este reglementata de diverse norme specifice domeniului de aplicabilitate. Una dintre incercarile cel mai raspandite este cea referitoare la determinarea diferentei de temperatura minim sesizabile, MRTD.

Pentru realizarea testului se folosește un aparat denumit corp negru diferențial cu ajutorul caruia se pot stabili doua plane izoterme paralele eu temperaturi diferite și cu emisivitati efective egale cu 1. Aparatul stabilește o temperatura de corp negru pentru setul de bare și alta temperatura de corp negru pentru setul de spatii albe dintre bare (bare conjugate). Pe un monitor se vizualizeaza harta termica a etalonului cu bare. Diferenta de temperatura dintre bare și conjugatele lor, initial nula, este marita progresiv pana eand observatorul ajunge sa distinga cele patru bare negre.

Figura 4.x. – Sistem de testare a camerelor de termoviziune – sursa: INFRAMET.

a) colimator optic; b) corp negru; c) controller corp negru.

Diferenta de temperatura critica astfel determinata este MRTD. Pentru ca masurarea sa fie corecta, se impune ca temperatura fiecărei bare sa nu difere de temperatura oricarei alteia mai mult decat cu diferenta de temperatura critica, MRTD. Aceeași cerinta se impune și barelor conjugate. De asemenea, pentru ca testul sa fie reproductibil, este necesar ca temperatura fundalului și frecventa spatiala sa fie specificate pentru fiecare determinare a MRTD. Aceasta marime are o semnificatie practica deosebita, întrucât estimeaza capabilitatea sistemelor din punct de vedere al rezolutiei termice și permite compararea acestora.

Cu cat valorile MRTD sunt mai mici cu atat sistemul are rezoluția mai buna. Standardul NATO, STANAG 4348, intitulat – «Masurarea diferenței minime de temperatura sesizabila (MRTD) a camerelor IR», considera caracteristica MRTD ca fiind cea mai importanta marime în evaluarea sistemelor termografice cu destinatie militara. Cunoașterea acestei marimi permite determinarea capacitatii de detectie, de recunoaștere și de identificare a tintelor militare.

MRTD este, ca și MDTD, o caracteristica subiectiva, întrucat depinde de capacitatea de observare a operatorului care, la randul ei, este dependenta de particularitatile fiziologice și psihice ale operatorului și de experienta acestuia în domeniu. In figura 5.x sunt prezentate cateva tipuri de tinte folosite In mod frecvent pentru incercarea sistemelor.

Figura 4.x. – Tipuri de tinte folosite pentru testarea sistemelor de termoviziune – sursa: INFRAMET.

1,8, – tinte cu patru bare pentru determinarea MRTD;

2,3,6 – tinte pentru verificaera MDTD;

4,5, – tinte pentru verificarea SRF;

9, 13 – tinta pentru verificarea MRC;

7,10,11,12 – tinte pentru verificarea caracteristicilor geometrice si a rezolutiei spatiale;

14 – tinte pentru simularea capabilitatilor de detectie/recunoastere.

In figura 5.x – 9 este prezentata o tinta folosita pentru verificarea contrastului minim sesizabil (Minimum Resolvable Contrast – MRC). Tinta este alcatuita dintr-o serie de șase elemente sub forma de bare, cu marime descrescatoare, și cifre, cu marime crescatoare. Incercarea consta în determinarea contrastului dintre barele negre și spatiile albe dintre acestea la dimensiuni cat mai mici sau in evidentierea cifrelor negre cat mai mici pe fondul alb.

Etalonarea

Etalonarea sistemelor de termografiere cu ajutorul corpului negru consta in trasarea curbelor de corespondenta intre marimea semnalului de ieșire din camera IR și temperatura sau radianta corpului negru. Cel mai frecvent, pentru etalonare se folosește corespondenta intre semnalul de ieșire, s, sub forma analogica sau digitala și temperatura corpului negru, T.

Principiul este simplu: se așeaza camera IR in fata deschiderii unui corp negru și se stabilește dependenta s = f(t). Marimea de ieșire variaza in functie de conditiile de utilizare a echipamentului, in principal in functie de:

– deschiderea diafragmei de intrare;

– unghiul de observare, determinat de obiectivul montat;

– alte accesorii, cum ar fi filtrele, care deformeaza curbele raspunsului spectral.

Curba de etalonare poate evolua in timp, ca urmare a imbatranirii elementelor care alcatuiesc sistemul de termografiere, in special a componentelor electronice. De aceea, se recomanda etalonarea periodica, cel putin de doua ori pe an. Acest lucru depinde insa de precizia impusa determinarilor efectuate cu echipamentul supus etalonarii.

Intrucat corpul negru perfect nu exista in realitate, el fiind o notiune pur teoretica, pentru etalonare se utilizeaza dispozitive cu un comportament termic ce îl aproximează pe cel al unui corp negru. In figura 5.x este prezentat drept exemplu un dispozitiv care se folosește in acest scop. Dispozitivul este alcatuit dintr-o incinta cu o lungime mult mai mare decat suprafata orificiului (1 inch diametru) deschis spre exterior. Incinta este prevazuta cu o cavitate ce are suprafata interioara captușita cu un material cu o mare capacitate de absorbtie a radiatiei infraroșii (emisivitatea fiind > 0.98 in spectrul 2 – 12 µm) și este incalzita in mod uniform de o rezistenta electrica (in gama de temperatura 50-1000°C). Spre exterior, disiparea caldurii este impiedicata de o izolatie termica. Temperatura in interiorul incintei este masurata cu o sonda amplasata la baza cavitatii.

Figura 4.x. – Simulator de corp negru – sursa: SANTA BARBARA INFRARED.

Procedeul experimental folosit pentru trasarea curbelor de etalonare consta in înregistrarea semnalului s in functie de temperatura corpului negru.

unde, Rλ este radianta corpului negru; γ este un factor care tine cont de raspunsul detectorului și Uo reprezinta un eventual decalaj initial.

Domeniul de variatie a temperaturii trebuie sa fie limitat, întrucat de marimea acestui domeniu depinde marimea erorilor de masurare. Astfel, pentru un domeniu de temperaturi de 500°C erorile de masurare sunt de 1%, in timp ce pentru un interval de 1000°C erorile sunt de 10%. In cazul în care determinarile se vor face intr-un interval mare de temperaturi, pentru etalonare, se va imparti domeniul respectiv in mai multe subdomenii in vederea evitarii aparitiei unor erori prea man.

Verificarea stabilitații in timp, este o cerinta importanta a etalonarii intrudit un același semnal termic poate sa produca un semnal electric la ieșirea din detector diferit exclusiv din cauza sistemului. O alta caracteristica verificata la etalonare este timpul de raspuns al detectorului, definit ca fiind timpul necesar pentru ca semnalul electric de ieșire sa ajunga la peste 60% din valoarea lui finală atunci cand este supus la o variatie brusca a iradierii.

Analiza și compararea performanțelor sistemelor de termoviziune

Costul unei camere de termoviziune este dat de sistemul optic si de ansamblul senzor – sistem de racire. Sistemul optic trebuie sa asigure o transmisie foarte buna a radiatiei, el fiind realizat in general dintr-un sistem complex de lentile din germaniu sau siliciu. Cum germaniul si siliciul sunt materiale foarte scumpe, solutiile furnizate de unii producatori care doresc promovarea produselor la costuri cat mai mici au si implicit un nivel de calitate scazut. Din pacate in specificatia tehnica a unei camere in de termoviziune nu sunt mentionate decat caracteristicile senzorului, doua camere total diferite din punct de vedere al solutiei tehnice adoptate pentru sistemul optic apar ca fiind identice pe hartie, diferenta intre ele fiind foarte mare in realitate.

Procesul de detectie a unei tinte este demarat de catre observator printr-un proces de cautare al aparitiei unui posibil eveniment pe un monitor adecvat; aceasta activitate consta in trei etape intercorelate: detectie, recunostere si identificare. Complexitatea acestor etape poate fi evidentiata si din prezentarea factorilor de baza care le influenteaza si care pot fi impartiti in urmatoarele mari categorii de date:

Datele de intrare

dimensiunea tintei;

temperatura tintei;

diferenta de temperatura minim detectabila a tintei;

viteza tintei ;

dimensiunea fundalului;

temperatura fundalului;

Datele de sistem

caracteristicile sistemului optic;

caracteristicile elementului de conversie;

caracteristicile sistemului electronic;

caracteristicile sistemului de afisare (ale monitorului): diagonala monitorului, distanta pana la monitor, viteza tintei pe monitor, frecventa de cadre;

Datele de iesire

domeniul spectral de interes pentru supravegherea campului tactic;

distanta de observare;

diferenta de temperatura minim detectabila;

diferenta de temperatura minim rezolvabila

rezolutia geometrica optima;

dimensiunea optima a monitorului

probabilitatea de observare (detectie, recunoastere sau identificare)

EXEMPLE DE CALCUL

A) DETERMINAREA DOMENIULUI SPECTRAL OPTIM – se bazeaza pe criteriul celui mai bun raport semnal-zgomot (SNR); fie un aparat de conversie de detectie bazat pe o matrice cu element de conversiei, care vizeaza un fundal cu temperatura Tf = 270C;

in domeniul 3…5 μm:

Emitanta radianta a fundalului este Wf= 5,56 x 10-4 [W];

Variatia cu temperatura a emitantei radiante

2 x 10-5 [W/cm1/2K];

Contrastul radiatiei CR= 1,72%/0C;

in domeniul 8…14 μm:

Emitanta radianta a fundalului este Wf= 1,72 x 10-2 [W];

Variatia cu temperatura a emitantei radiante

2,62 x 10-4 [W/cm1/2K];

Contrastul radiatiei CR= 0,74%/0C;

B) DETERMINAREA DISTANȚEI MAXIME DE DETECȚIE

Exemplul 1: detecția unei tinte tip om singular

Date de intrare in sistem:

dimensiunea tintei: figura omului (avand o arie A este de aprox. 2 cm2 )

emisivitatea tintei: 1

temperatura tintei : 27 ° C

temperatura fundal: 0° C; 10° C; 30° C;

Date de sistem:

transmisia atmosferica: 90%

transmisia sistemului optic: 80%

pupila de intrare in modulul optic = 120 mm

distanta focala a modului optic = 100 mm

suprafata elementului de conversie = 1 mm2

detectivitatea specifica D*= 109 [cmHz 1/2/ W]

largime de banda a amplificatorului pentru element de conversie = 25 kHz (ceea ce inseamna un timp de observare de 0,00002 secunde;

domeniul spectral de lucru de 3…5.5 µm

Date de iesire din sistem:

calitatea observarii : detectie

criteriul de cuantificare a observarii: raportul semnal / zgomot corespunzător detecției S/N = 2 (de ex. pentru recunoaștere, acest raport se adopta intre 4…6, similar coeficientului de certitudine statistica din aparatura bazata pe tehnica intensificării imaginii )

distanta de detectie : Lmax = [τ D*A Aob σ (T- Tf)4 / Ad1 / 2 (Δf)1 / 4 ] 1 / 2 ; pentru cele trei cazuri se vor obține urmatoarele valori:

L1 max = 900 m pentru temperatura fundalului de 0° C;

L2 max = 740 m pentru temperatura fundalului de 10° C;

L3 max = 480 m pentru temperatura fundalului de 30° C;

Exemplul 2: detecția unei tinte tip grup compact de 4 oameni

Date de intrare in sistem:

dimensiunea tintei: figura grupului de oameni (fiecare om avand o arie A este de aprox.2 cm2 ) 4 x 2 cm2 = 8 cm2

emisivitatea tintei: 1

temperatura tintei : 27 ° C

temperatura fundal: 0° C; 10° C; 30° C;

Date de sistem:

transmisia atmosferica: 90%

transmisia sistemului optic: 80%

pupila de intrare in modulul optic = 120 mm

distanta focala a modului optic = 100 mm

suprafata elementului de conversie = 1 mm2

detectivitatea specifica D*= 109 [cmHz 1/2/ W]

largime de banda a amplificatorului pentru element de conversie = 25 kHz (ceea ce inseamna un timp de observare de 0,00002 secunde;

domeniul spectral de lucru de 3…5.5 µm

Date de iesire din sistem:

calitatea observarii : detectie

criteriul de cuantificare a observarii: raportul semnal / zgomot corespunzător detecției S/N = 2 (de ex. pentru recunoaștere, acest raport se adopta intre 4…6, similar coeficientului de certitudine statistica din aparatura bazata pe tehnica intensificării imaginii )

distanta de detectie : Lmax = [τ D*A Aob σ (T- Tf)4 / Ad1 / 2 (Δf)1 / 4 ] 1 / 2; pentru cele trei cazuri se vor obține urmatoarele valori

L1 max = 1800 m pentru temperatura fundalului de 0° C;

L2 max = 1480 m pentru temperatura fundalului de 10° C;

L3 max = 960 m pentru temperatura fundalului de 30° C;

NOTA: Radiatia emisa creste cu temperatura. Daca tintele observate au temperaturi inalte , atunci distantele de detectie cresc substantial.

Exemplul 3: detecția unei ținte punctiforme plane.

Date de intrare in sistem:

dimensiunea tintei: 1 m2 = 10 000 cm2

emisivitatea tintei: 1

temperatura tintei : 80°C

temperatura fundal: 0° C; 10° C; 20° C; 30° C;

Date de sistem:

transmisia atmosferica: 90%

transmisia sistemului optic: 80%

pupila de intrare in modulul optic = 120 mm

distanta focala a modului optic = 100 mm

suprafata elementului de conversie = 1 mm2

detectivitatea specifica D*= 109 [cmHz 1/2/ W]

largime de banda a amplificatorului pentru element de conversie = 25 kHz (ceea ce inseamna un timp de observare de 0,00002 secunde;

domeniul spectral de lucru de 3…5.5 µm

Date de iesire din sistem:

calitatea observarii : detectie

criteriul de cuantificare a observarii: raportul semnal / zgomot corespunzător detecției S/N = 2 (de ex. pentru recunoaștere, acest raport se adopta intre 4…6 , similar coeficientului de certitudine statistica din aparatura bazata pe tehnica intensificării imaginii )

distanta de detectie : Lmax = [τ D*A Aob σ (T- Tf)4 / Ad1 / 2 (Δf)1 / 4 ] 1 / 2 ; pentru cele trei cazuri se vor obține urmatoarele valori

L1 max = 14 km pentru temperatura fundalului de 0° C;

L2 max = 13,2 km pentru temperatura fundalului de 10° C;

L3 max = 12,7 km pentru temperatura fundalului de 20° C;

L4 max = 11,7 km pentru temperatura fundalului de 30° C

Exemplul 4: detecția unei ținte punctiforme volumice (reactor de avion)

Date de intrare in sistem:

dimensiunea tintei: diametrul de 60 cm

emisivitatea tintei: 1

temperatura tintei : 600°C

temperatura fundal: 0° C;

Date de sistem:

transmisia atmosferica: 90%

transmisia sistemului optic: 80%

pupila de intrare in modulul optic = 120 mm

distanta focala a modului optic = 100 mm

suprafata elementului de conversie = 1 mm2

detectivitatea specifica D*= 109 [cmHz 1/2/ W]

largime de banda a amplificatorului pentru element de conversie = 25 kHz (ceea ce inseamna un timp de observare de 0,00002 secunde;

domeniul spectral de lucru de 3…5.5 µm

Date de iesire din sistem:

calitatea observarii : detectie

criteriul de cuantificare a observarii: raportul semnal / zgomot corespunzător detecției S/N = 2 (de ex. pentru recunoaștere, acest raport se adopta intre 4…6 , similar coeficientului de certitudine statistica din aparatura bazata pe tehnica intensificării imaginii )

distanta de detectie : Lmax = [τ D*A Aob σ (T- Tf)4 / Ad1 / 2 (Δf)1 / 4 ] 1 / 2;

L max = 100 km

Exemplul 5: Ținta plană

Date de intrare in sistem:

dimensiunea tintei: de forma patrata,cu dimensiunea laturii de 2 m

emisivitatea tintei: 1

temperatura tintei : 227°C

Date de sistem:

transmisia atmosferica : 80%

pupila de intrare in modulul optic = 60 mm

distanta focala a modului optic = 100 mm

suprafata elementului de conversie = 1 mm2

detectivitatea specifica D*= 1010 [cmHz 1/2/ W]

largime de banda a amplificatorului pentru element de conversie = 1 kHz (ceea ce inseamna un timp de observare de 0,00002 secunde;

domeniul spectral de lucru de 3…5.5 µm

Date de iesire din sistem:

calitatea observarii : detectie

criteriul de cuantificare a observarii: raportul semnal / zgomot corespunzător detecției S/N = 1 (de ex. pentru recunoaștere, acest raport se adopta intre 4…6 , similar coeficientului de certitudine statistica din aparatura bazata pe tehnica intensificării imaginii )

distanta de detectie maxima: Lmax =

Lmax = = 40170m ≈ 40 km

Obs.: Imaginea țintei, pentru aceasta distanta, are ca dimensiuni

≈0,005 mm

(fara a se tine seama de aberații); aceasta imagine este mult mai mica decât suprafața sensibila a elementui de detecție si decât câmpul vizual instantaneu .

C) DETERMINAREA DIFERENȚEI DE TEMPERATURĂ MINIM DETECTABILA

Exemplul 1

Date de intrare in sistem:

emisivitatea tintei: 1

temperatura tintei : 27 0 C

Date de sistem:

camp vizual total A = 400 mrad; B= 300 mrad

pupila de intrare in modulul optic = 20 mm

dimensiunea elementului de conversie = patratic, cu latura a = b = 50 μm

camp vizual instantaneu α =β = 1 mrad

numar de elemente de detectie N = 150

detectivitatea specifica D*= 2×1010 [cm Hz1/2 / W ]

frecventa de cadre fc =30 Hz;

randament ηe = 0,64

largime de banda a amplificatorului pentru element de conversie = 1 kHz

domeniul spectral de lucru de 8…12 µm

Date de iesire din sistem:

timpul de baleiaj necesar τ= N ηe τob / ABfc= 2,67×10-5sec.

latimea de banda electrica ΔfR = π / 4 τ = 29,4 KHz

diferența de temperatura minim detectabila NETD; NETD (pentru T= 27 0 C) = 4(0,05cm x 0,05cm x 29,4 KHz)1 / 2 x 104/1,48x1mrad x 1mrad x(2 cm)2x 0,64×0,8x 2×1010 cm Hz1/2/W=0,36 0 C

Exemplul 2

Date de intrare in sistem:

emisivitatea tintei: 1

temperatura fundalului : 7 0 C; 17 0 C; 27 0 C; 37 0 C

Date de sistem:

domeniu spectral: 3…5µm; 8…14µm

camp vizual total A = 400 mrad; B= 300 mrad

pupila de intrare in modulul optic = 100 mm

dimensiunea elementului de conversie = patratic, cu latura a = b = 50 μm

camp vizual instantaneu α =β = 1 mrad

numar de elemente de detectie N = 150

detectivitatea specifica D*= 2×1010 [cm Hz1/2 / W]

frecventa de cadre fc =30 Hz;

randament electric ηe = 0,64

largime de banda a amplificatorului pentru element de conversie = 1 kHz

Date de iesire din sistem: NETD pentru ambele domenii spectrale, precum si raportul relativ al NETD

Pentru domeniul spectral: 3…5µm

NETD (pentru T= 27 0 C) = 4(0,05cm x 0,05cm x 29,4 KHz)1 / 2 x 104/2,81×10-5 x1mrad x 1mrad x(10 cm)2x 0,64×0,8x 2×1010 cm Hz1/2/W=0,1 0 C;

Pentru domeniul spectral: 8…14µm

NETD (pentru T= 7 0 C) = 4(0,05cm x 0,05cm x 29,4 KHz)1 / 2 x 104/1,58×10-4 x1mrad x 1mrad x(10 cm)2x 0,64×0,8x 2×1010 cm Hz1/2/W=0,013 0 C;

NETD (pentru T= 17 0 C) = 4(0,05cm x 0,05cm x 29,4 KHz)1 / 2 x 104/1,77×10-4 x1mrad x 1mrad x(10 cm)2x 0,64×0,8x 2×1010 cm Hz1/2/W=0,012 0 C;

NETD (pentru T= 27 0 C) = 4(0,05cm x 0,05cm x 29,4 KHz)1 / 2 x 104/1,97×10-4 x1mrad x 1mrad x(10 cm)2x 0,64×0,8x 2×1010 cm Hz1/2/W=0,011 0 C;

NETD (pentru T= 37 0 C) = 4(0,05cm x 0,05cm x 29,4 KHz)1 / 2 x 104/2,17×10-4 x1mrad x 1mrad x(10 cm)2x 0,64×0,8x 2×1010 cm Hz1/2/W=0,010 0 C;

Se constata ca raportul , ceea ce arata ca domeniul 3…5µm este mai adecvat decat 8…14 µm pentru un NETD mai bun

D) DETERMINAREA DIFERENȚEI DE TEMPERATURĂ MINIM REZOLVABILĂ

Pentru recunoașterea unei ținte cu probabilitatea de 90% , k 4,5 se cunosc :

Date de intrare:

diferența de temperatura minim detectabila = 0,36 0C;

Date de sistem:

latimea de banda electrica : ΔfR = 29,4KHz;

timpul de baleiaj necesar : = 2,67×10-5sec;

α = β = 1mrad;

frecventa de cadre : fc = 30 Hz;

Date de iesire:

diferenta de temperatura minim rezolvabila MRTD[0C] = 0,49 fT / fR

si are alura din fig.2.21

1. SIMULARE DISTANTE DE DETECTIE LA CAMERA TERMALA SCD

Fig. 1 Distante de detectie pentru tinta 2,5 x 2,5m , si diferenta de temperatura 20C fata de fundal; camera SCD cu f = 180 mm;

Pentru σ = 0.2 [1/Km], Rdet= 7,5 Km ; pentru σ = 1 [1/Km], Rdet= 3 Km

Fig. 2 Distanta de detectie pentru tinta 0,5 x 1,8m si diferenta de temperatura 20C fata de fundal; camera SCD cu f = 180 mm

Pentru σ = 0.2 [1/Km], Rdet= 3,3 Km ; pentru σ = 1 [1/Km], Rdet= 1,5 Km

Fig. 3 Distante de detectie pentru tinta 2,5 x 2,5 m , si diferenta de temperatura 20C fata de fundal; camera SCD cu f = 60 mm;

Pentru σ = 0.2 [1/Km], Rdet= 2,7 Km ; pentru σ = 1 [1/Km], Rdet= 1,3 Km

Fig. 4 Distante de detectie pentru tinta 0,5 x 1,8 m si diferenta de temperatura 20C fata de fundal; camera SCD cu f = 60 mm;

Pentru σ = 0.2 [1/Km], Rdet= 0,36 Km; pentru σ = 1 [1/Km], Rdet= 0,37Km

2. SIMULARE DISTANTE DE DETECTIE LA CAMERA TERMALA PHOTON

Fig. 5 Distante de detectie pentru tinta 2,5 x 2,5m , si diferenta de temperatura 20C fata de fundal; camera Photon cu f = 100 mm;

Pentru σ = 0.2 [1/Km], Rdet= 4,2 Km ; pentru σ = 1 [1/Km], Rdet= 2 Km

Fig. 6 Distante de detectie pentru tinta 0,5 x 1,8 m , si diferenta de temperatura 20C fata de fundal; camera Photon cu f = 100 mm;

Pentru σ = 0.2 [1/Km], Rdet= 1,2 Km ; pentru σ = 1 [1/Km], Rdet= 0,8 Km

Fig. 7 Distante de detectie pentru tinta 2,5 x 2,5 m si diferenta de temperatura 20C fata de fundal; camera Photon cu f = 60 mm;

Pentru σ = 0.2 [1/Km], Rdet= 1,3 Km ; pentru σ = 1 [1/Km], Rdet= 1,2 Km

Fig. 8 Distante de detectie pentru tinta 0,5 x 1,8 m si diferenta de temperatura 20C fata de fundal; camera Photon cu f = 60 mm;

Pentru σ = 0.2 [1/Km], Rdet= 0,26 Km ; pentru σ = 1 [1/Km], Rdet= 0,27 Km

Concluzie

APLICAȚIE PRACTICĂ

– dezvoltarea unor algoritmi (folosind MATLAB / Simulink) pentru prelucrarea imaginii unui detector de termoviziune; se vor implementa și demonstra funcțiile de corecție a neuniformității, detecția și înlocuirea pixelilor defecți, controlul imaginii, etc.

CONCLUZII

se regăsesc cele mai importante concluzii din lucrare, opinia personală privind rezultatele obținute în lucrare, precum și (opțional) potențiale direcții viitoare de cercetare legate de tema abordată. Concluziile proiectului nu se numerotează ca și capitol;

BIBLIOGRAFIE

lista tuturor surselor de informație utilizate de către absolvent pentru redactarea proiectului și care au fost citate în text.

Bibliografia – constituie înșiruirea referințelor bibliografice citate în text. Dacă s-a ales varianta numerotării [1][2]…, referințele se vor lista în ordine crescătoare, iar dacă s-a ales o variantă literară, în ordine alfabetică a numelui sau prescurtării folosite. Se vor respecta următoarele reguli de redactare:

1. Carte:

Exemplu:

[1] Neanderthal, H., Tranzistoare MOS cu grila de piatră, Editura Papyrus, Stonehenge, 20000 î. Hr.

2. Articol dintr-o revistă sau din volumele unei conferințe:

Exemplu:

[2] Ivanovici, I. I. , “Electronic Nothingness”, în Journal of Emo Electronics, nr.5/2012, pp.12-30.

3. Standarde, documente ale unor organizații:

Exemplu:

[3] RFC90210, A standard for waterless communications between whales, International Standards Organization, Section XVIII, 2030

4. Documente disponibile exclusiv online:

Exemplu:

[4] Transistors considered harmful for the future of vacuum tubes,http://www.leedeforest.org/Transistor , accesat la data: 23.8.1944

Referințele bibliografice în text – se citează materiale tipărite (cărți și capitole în cărți, articole și lucrări conferințe tipărite), surse electronice (articole și lucrări conferințe disponibile on line, site-uri consultate) și standarde/propuneri de standarde; referințele în text se fac sub una din următoarele forme, care vor corespunde întocmai între text și bibliografie. Se poate folosi una din variantele:

numerotare crescătoare, în ordinea citării în text: [1], [2], …

numele autorului/primului autor, sau numele standardului/documentului, urmat de anul apariției: [Bernoulli, 1750], [National Instruments Application note 150, 1999]

o prescurtare unică formată din litere și cifre, de exemplu: pentru cărți/articole, inițialele autorului (primului autor) urmate de anul apariției: [AB86], [MW06], …; pentru standarde, numele sau prescurtarea standardului: [RFC4531], …; pentru documente de firmă, foi de catalog, sau alte documente la care nu se precizează explicit autorul, o prescurtare la alegere: [TEK01], [NAT01], [WWW1], …

ANEXA 1 –

ANEXA 2 –

Copyright Notice

© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.

Acest articol: prezentată ca cerință parțială pentru obținerea titlului de Master postuniversitar în domeniul Inginerie electronică și telecomunicații programul de… [308923] (ID: 308923)

Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.

prezentată ca cerință parțială pentru obținerea titlului de Master postuniversitar în domeniul Inginerie electronică și telecomunicații programul de… [308923]

Copyright Notice

ARHITECTURA este definită ca o activitate umană ce îmbină caracteristici și practici ale [311065]

PENTRU ACORDAREA GRADULUI DIDACTIC I STRATEGII INTERACTIVE DE EVALUARE Coordonator științific, Prof. Dr. Univ. MARIN MANOLESCU Autor, Prof. înv…. [302604]

Bulletin of the Transilvania University of Bra sov Vol XX(YY), No.ABC – 2018 [625463]

Rolul și importanța publicității on -line în promovare de imagine organizațională Studiu de caz Regia Națională a Pădurilor ROMSILVA – R.A. [614087]

As. univ. d r. MIHNEA ALECU [602164]

ACADEMIA DE STUDII ECONOMICE DIN MOLDOVA [307843]

Copyright Notice

Similar Posts