Тепловизионная камера (тепловизор), установленная на дроне, превращает его в мощный инструмент, который может использоваться во многих секторах: строительстве, горнодобывающей промышленности, электроэнергетике, обследованиях, пожаротушении, поисковых и спасательных операциях. Дроны, оснащенные тепловизорами, имеют множество применений, обнаруживая тепло, исходящее почти от всех объектов и материалов, превращая их в изображения и видео. Сегодня мы расскажем о том, как работает тепловизионная съемка, как интерпретировать тепловые изображения, тепловые карты и цветовые шкалы.

Технология тепловизионной съемки

Как работает тепловизор

Тепловизоры — это, в действительности, измерители тепла. Тепловизоры также известны под разными названиями, в том числе:

  • термальная камера
  • тепловизионная камера
  • тепловизионный датчик
  • тепловизионный сенсор
  • температурный сенсор
  • датчик теплового зрения
  • тепловая подпись камеры
  • тепловой датчик

Тепловизоры делают снимки или видео теплового излучения, а не видимого света. Инфракрасное тепловое излучение и свет являются частями электромагнитного спектра. Однако камера, которая может обнаруживать видимый свет, не будет видеть теплового излучения, и наоборот. Тепловизоры обнаруживают больше, чем просто тепловое излучение. Они обнаруживают крошечные различия в тепловом излучении, даже такие маленькие, как 0,01° C. Эта информация затем отображается в виде различных цветов на дисплее, в программном обеспечении или в приложениях.

Тепловое излучение и тепловые сигнатуры

Все в нашей жизни выделяет тепловую энергию, даже лед. Чем горячее что-то, тем больше тепловой энергии оно излучает. Эта энергия называется тепловой сигнатурой. Чем горячее объект, тем больше тепла он излучает. Температура также влияет на длину волны и частоту излучаемых волн. Объекты с типичными комнатными температурами излучают энергию в виде инфракрасных волн. Когда вы видите тепловые фотографии или видеоизображения излучения, окружающего человека, животного или горячую кружку кофе, энергия, излучаемая объектом, обычно представляет собой диапазон длин волн. Обычно это называется спектром излучения. При увеличении температуры объекта длины волн в спектрах испускаемого излучения также уменьшаются. Более горячие объекты испускают более короткую волну, более высокую частоту излучения. Например, спираль электрического тостера значительно более горячая, чем комнатная температура. Спираль на тостере светится красным, и мы можем чувствовать тепло, поднося руки к ней, давая нам предупреждение о том, что спираль горячая. Тепловое излучение может происходить через вещество или через область пространства, в которой нет вещества (вакуум). Тепло, полученное на Земле от Солнца, является результатом электромагнитных волн, проходящих через пустоту или вакуум пространства между Землей и Солнцем.

Краткое научное объяснение теплового излучения

Тепловое излучение, или тепло — это испускание электромагнитных волн от всего вещества, температура которого выше абсолютного нуля (-273,15° С). Оно преобразует тепловую энергию в электромагнитную энергию. Все объекты излучают энергию в виде электромагнитных волн. Скорость, с которой эта энергия выделяется, пропорциональна температуре Кельвина (Т), возведенной в четвертую степень. Тепловая энергия возникает из кинетической энергии (всех движущихся вещей) случайных движений атомов и молекул в веществе. Эти атомы и молекулы состоят из заряженных частиц (протонов и электронов) и кинетические взаимодействия между частицами вещества приводят к ускорению заряда и дипольному колебанию. Это приводит к электродинамической генерации связанных электрических и магнитных полей, что приводит к испусканию фотонов, излучающих энергию (тепловое излучение) от вещества.

Инфракрасная термография

ИК-термография — это метод преобразования инфракрасного изображения в радиометрическое, которое позволяет считывать значения температуры с изображения.

Как интерпретировать тепловизионные изображения

Большинство тепловизоров выдают видеосигнал, в котором белые области показывают максимальную излучаемую энергию, а черные области — более низкое излучение. Серое изображение содержит максимальное количество информации. Однако, чтобы облегчить общую интерпретацию тепловых изображений и их последующее представление, тепловое изображение может быть искусственно окрашено. Это достигается путем назначения желаемых цветов блокам уровней серого для получения знакомых цветных изображений, что позволяет легче интерпретировать данные. Кроме того, путем выбора правильной цветовой палитры, изображение может быть улучшено, чтобы показать конкретные уровни энергии более подробно.

Что такое излучательная способность в тепловидении?

Чтобы прочитать правильные температуры, необходимо принять во внимание еще один важный фактор, известный как излучательная способность. Излучательная способность — это эффективность, при которой объект испускает инфракрасное излучение. Она сильно зависит от свойств материала или объекта. Это мера эффективности поверхности, излучающей тепловую энергию относительно идеального источника — черного тела. Она напрямую масштабирует интенсивность теплового излучения и все реальные значения меньше 1,0. Излучательная способность может сильно зависеть от морфологии поверхности, шероховатости, окисления, спектральной длины волны, температуры и угла обзора. Измерение, которое не учитывает реальную излучательную способность поверхности, будет выглядеть «холоднее», чем есть на самом деле. В сельском хозяйстве многие органические материалы и материалы с очень шероховатой поверхностью имеют значения излучательной способности, приближающиеся к 1,0. Для других приложений, в том числе для проверки линий электропередачи и солнечных батарей, поверхность может представлять собой полированное стекло или металл, оба из которых могут иметь гораздо более низкие значения коэффициента излучения. Для тепловизора важно установить правильную излучательную способность, иначе будут измерены неправильные температуры.

Что такое отражательная способность в тепловидении?

Отражательная способность — это мера способности поверхности отражать излучение. Камера вблизи поверхности воспринимает как тепло, получаемое от поверхности, так и отраженную фоновую температуру окружающей среды. Очень сложно проводить измерения температуры сильно отражающей поверхности, потому что на изображение влияют фоновые тепловые отражения. В приложениях БАС неокрашенная и чистая металлическая крыша может выглядеть холоднее, чем на самом деле, потому что блестящая крыша отражает небо над ней. Рассмотрим случай листа из нержавеющей стали на крыше с коэффициентом отражения 0,80 и коэффициентом излучения 0,20, при этом радиометрическое измерение температуры будет сильно смещено в сторону отраженной фоновой температуры неба. Чистое небо может иметь фоновую температуру, которая обычно значительно ниже 0° C и, возможно, даже ниже -20° C. Фактическая фоновая температура неба будет варьироваться в зависимости от атмосферных условий и времени суток. Отражающие поверхности создают дополнительные проблемы в применениях БАС. Отражение солнца на тепловом изображении будет выглядеть как солнечные блики. Радиометрические измерения температуры солнечных бликов могут быть неточными на сотни градусов. Рекомендуется сделать последовательность изображений поверхности под разными углами, чтобы уменьшить влияние любого солнечного блика. Однако следует позаботиться о том, чтобы не проводить измерения под чрезмерно наклонными углами, поскольку отражательная способность ухудшается в зависимости от угла обзора. В качестве альтернативы, очень близкий диапазон и прямые измерения могут привести к тому, что камера будет просматривать свое отражение и привести к неточным измерениям. Подобно излучательной способности, отражающая способность поверхности сильно зависит от морфологии поверхности и шероховатости. Поскольку отражательная способность (R) связана с излучательной способностью (E) как R = 1-E, важность отражательной способности может быть значительно уменьшена путем проведения измерений поверхностей с очень высокой излучательной способностью, в идеале превышающей 0,90. Для измерений с помощью БАС контролируемых поверхностей, таких как стальной резервуар на крыше, можно использовать матовую плоскую черную краску с высокой излучательной способностью / низкой отражающей способностью для создания «измерительных участков», которые приводят к воспроизводимым измерениям.

Что может обнаружить тепловизор?

Тепловая энергия излучается практически всеми источниками на нашей планете и во Вселенной. Тепловизоры могут получать изображения и различать тепловыделение от следующих источников:

  • живые объекты — люди, животные и растения;
  • строения — небоскребы, здания, заводы, дома и палатки;
  • машины — двигатели, конвейерные ленты и сборочные линии;
  • самолеты, суда и транспортные средства— все виды автомобилей, судов и транспортных средств;
  • электрооборудование — цепи, линии электропередачи, конденсаторы, конденсаторы связи, изоляция и т. д.
  • земля, камни и буи — они поглощают тепло от солнца в течение дня и излучают его ночью;
  • жидкости и газы — все они излучают тепло и обнаруживаются тепловизорами.

Поскольку разные материалы поглощают и излучают тепло с разной скоростью, область, которая, как мы полагаем, имеет только одну температуру, на самом деле будет иметь несколько слегка отличающихся температур. Например, если смотреть на человека через тепловизор, он покажет, что наши тела имеют небольшую разницу температур от одного участка тела к другому. Тепловизор обнаруживает эти различия температур и преобразует их в детальное изображение.

Тепловизоры в пыли, дыму, тумане и дожде

Пыль и дым.  Горнодобывающая промышленность — частый пользователь тепловизоров. На площадках добычи полезных ископаемых, если для мониторинга используются обычные цифровые камеры, они пропускают любые потенциальные дефекты, поскольку добыча часто сопровождается наличием большого количества пыли. Тепловизоры могут видеть сквозь пыль и дым благодаря съемке в инфракрасном диапазоне. Это означает, что они способны обнаруживать любую тепловую энергию в любых условиях окружающей среды.

Туман и дождь. Хотя тепловизоры могут видеть в полной темноте, сквозь слабый туман, небольшой дождь и снег, на расстояние, которое им доступно, влияют атмосферные условия. Тепловизор создает изображение на основе различий в тепловом излучении, которое испускает объект. Чем дальше этот инфракрасный сигнал должен пройти от цели к тепловизору, тем больше потери. Туман и дождь могут сильно ограничить дальность действия тепловизора из-за рассеивания света от капель воды. Чем выше плотность капель, тем сильнее уменьшается инфракрасный сигнал. Для получения изображений в тумане и дожде лучше всего работают тепловизоры более высокого класса.

Тепловизоры  просты в использовании

В то время как научные детали того, как работает тепловизор, довольно сложны, реальность такова, что современные тепловизоры чрезвычайно просты в использовании. Изображения очень четкие и простые для понимания, требующие небольшой подготовки или интерпретации.

Примечание. Для механических и электрических применений тепловизоры должны всегда эксплуатироваться квалифицированными инженерами, которые понимают спектр теплового излучения оборудования или материала.

Камеры отраженного света

Для тепловизоров требуется только тепло от объекта, чтобы иметь возможность получить изображение или видео сцены. Очень тесно связаны с ними (а  иногда их путают)  камеры ночного видения и инфракрасные камеры. Давайте их кратко рассмотрим.

Сравнение тепловизоров и инфракрасных камер

Инфракрасные камеры генерируют свой собственный отраженный свет, излучая инфракрасный луч, который затем отражается от объекта. Это работает очень хорошо, однако инфракрасные камеры используют отраженный свет для создания изображения. Они имеют те же ограничения, что и другие камеры ночного видения, которые зависят от энергии отраженного света, которая обычно имеет малую дальность действия и плохую контрастность.

Как далеко могут видеть тепловизоры?

Расстояние или диапазон действия тепловизора сильно зависит от ряда характеристик, таких как:

  • каков объектив?
  • оснащен он охлаждаемым или неохлаждаемым детектором?
  • какова чувствительность?
  • каков размер объекта?
  • какова температура цели и фона?

Ответив на эти вопросы, вы сможете выбрать правильный тепловизор для выполнения работы.

___

Источник: geomatica.ru

Post Views: 557