Cámaras termográficas: no es tan sencillo.

Cámaras termográficas: no es tan simple.

La imagen térmica se está convirtiendo en uno de los temas más candentes en varias publicaciones de la industria.

Hemos leído varios artículos sobre la tecnología de imagen térmica y se sorprendieron: la mayoría de los autores prestan mucha atención a las complejidades del diseño de los microbolómetros, algunos demuestran con dibujos que el antimonuro de indio es más adecuado para los fotodetectores infrarrojos que el silicio.

Una de las afirmaciones (o conceptos erróneos) que más circulan es que las cámaras termográficas deberían usarse en todas partes, desde la caza de ciervos hasta la inspección de tuberías de gas en busca de fugas.

Todo esto está muy bien, pero ¿qué debe hacer un ingeniero que necesita crear un sistema de imágenes térmicas? ¿Recurrir a un “experto”?

¿Estás seguro de que te ofrecerá una solución a tu problema y no intentará solucionar el problema de cumplir su plan de ventas?

Puedes recurrir a los motores de búsqueda, pero es fácil perderse en la enorme cantidad de información acumulada durante más de 60 años desde el uso de las cámaras infrarrojas.

Por lo tanto, en este artículo decidimos abordar cuestiones que serán útiles principalmente para los ingenieros; de hecho, el uso correcto de las cámaras termográficas puede resolver muchos de los problemas que nos plantea el mundo.

Es difícil explicar en un artículo de revista los principios de la física cuántica utilizados en la obtención de imágenes térmicas. ¿Es esto realmente necesario?

Después de todo, la mayoría de los lectores no desarrollarán cámaras termográficas.

Hemos decidido dar consejos claros y prácticos que pueden ser solicitados principalmente al diseñar sistemas de seguridad complejos.

Consideraremos tres temas principales:

1. Propagación de la radiación IR.
2. Cámaras termográficas refrigeradas: ¿una necesidad o un “desarrollo presupuestario”?
3. ¿Por qué se utilizan características especiales de las cámaras en las imágenes térmicas?

Tranquilicemos al lector de antemano: las leyes Las imágenes térmicas son muy similares a las leyes de la televisión.

Sólo que en el primer caso trabajamos en mayor medida con la radiación propia del cuerpo, y en el segundo, con la radiación reflejada del Sol o otras fuentes de luz.

En el primer caso se trata de una ubicación óptica activa, en el segundo, de una pasiva.

La tarea principal de CCTV es evaluar la situación, mientras que a las imágenes térmicas se les asignan con mayor frecuencia funciones de detección. Por lo tanto, la imagen térmica es en muchos aspectos similar a la televisión de seguridad a la que estamos acostumbrados, pero aún difiere de ella.

PREGUNTA PRIMERA. ¿A QUÉ VENTANA DEBO MIRAR?

Por alguna razón, casi todos los autores modernos omiten esta pregunta. ¡Pero esto es tan equivocado como empezar inmediatamente a estudiar la teoría de la relatividad de Einstein, haciendo la vista gorda ante la física de Newton! ¿No en vano los clásicos de la termografía [1, 2] comienzan sus libros considerando este tema? Todo el mundo sabe que la luz visible, que ven nuestros ojos y las cámaras de televisión, ocupa sólo una pequeña parte del espectro electromagnético. La radiación infrarroja se diferencia de la luz visible en su longitud de onda más larga, pero los principios generales de propagación de las ondas electromagnéticas son muy similares. Al mismo tiempo, hay una serie de características que deben tenerse en cuenta al crear un sistema de imágenes térmicas. La primera es la presencia de “ventanas” de transparencia atmosférica. Pero dicen que la cámara termográfica es extraordinaria porque puede ver a través de la nieve, el humo, etc. — ¿No es así? En general, sí. Pero hay detalles.

La radiación térmica se atenúa al atravesar la atmósfera debido a la absorción por moléculas de gas, aerosoles, precipitaciones, así como humo, niebla, smog, etc. Las siguientes sustancias (enumeradas en orden de importancia) absorben la radiación IR en bandas anchas centradas en las longitudes de onda indicadas:

1. agua (2,7; 3,2; 6,3 µm);
2. carbono dióxido (2,7; 4,3; 15 micrones);
3. ozono (4,8; 9,6; 14,2 micrones);
4. óxido nitroso (4,7; 7,8 µm);
5. monóxido de carbono (4,8 µm);
6. metano (3,2; 7,8 µm).

Aparte de la atenuación en medios densos dispersos, la absorción molecular es la razón principal de la atenuación de la radiación, y la radiación es absorbida con mayor fuerza por el vapor de agua, el dióxido de carbono y el ozono. En la atmósfera inferior, normalmente se puede despreciar la absorción por óxido nitroso y monóxido de carbono. Así, teniendo en cuenta lo anterior, es posible determinar la posición de dos ventanas de transparencia: 3,5-5 micras y 8-14 micras [3].

En la práctica, la presencia de “ventanas” de transparencia significa que todas las cámaras termográficas deben funcionar en estos rangos. El rango de longitud de onda corta (3-5 µm) es más típico de las cámaras termográficas refrigeradas, el rango de longitud de onda larga (8-14 µm) es más típico de las no refrigeradas (Fig. 1). ¿Por qué? Es bastante sencillo. Nuestro mundo está estructurado de tal manera que para una detección de alta calidad de la radiación IR en diferentes partes del espectro, se necesitan diferentes dispositivos. En el rango de onda corta se utilizan receptores con efecto fotoeléctrico: la energía cuántica es suficiente para que los electrones se muevan hacia la banda de conducción bajo la influencia de la radiación infrarroja. En longitudes de onda largas, los bolómetros se utilizan con mucha más frecuencia, ya que es más fácil detectar la radiación en esta parte del espectro mediante el efecto termistor. Una persona razonable tiende a dedicar un mínimo de esfuerzo a resolver problemas, por lo que la técnica debe elegirse conscientemente. Pero, ¿puedes decir qué pasa si una cámara termográfica enfriada es mucho mejor y no es pecado pagar por ella? Averigüemos qué es mejor y por qué.

PREGUNTA DOS. ¿ENFRIADO O SIN ENFRIAR?

Me gustaría advertir inmediatamente al lector: ¡no le tememos al precio de las cámaras termográficas refrigeradas! No entendemos por qué la gran mayoría de los artículos omiten este tipo de equipo o literalmente dicen lo siguiente al respecto: «Chicos, son tan caros que definitivamente no nos los compraréis». Pensamos que es simplemente deshonesto, es como si fueras a la tienda y el vendedor te dijera: «Aléjate de ese filete fresco, ¡no te lo puedes permitir!». Nuestro objetivo es educar a los ingenieros sobre la gama completa de equipos de imágenes térmicas, independientemente del precio.

El precio de las cámaras termográficas refrigeradas es bastante comparable al precio de las no refrigeradas, si a este último le sumamos, por ejemplo, el coste de un SUV nuevo, pero este no es el factor de precio. La razón del alto costo del dispositivo es el alto costo de las matrices semiconductoras y los dispositivos de enfriamiento a temperaturas ultrabajas. Pero a veces sólo una cámara termográfica enfriada puede resolver el problema.

Para no sobrecargar al lector con información innecesaria, decidimos detenernos en las principales ventajas de ambos tipos de cámaras termográficas, sin ignorar sus desventajas. De hecho, a menudo conocer exactamente el punto débil de una técnica particular le permitirá evitar mayores dificultades. Las principales ventajas de las cámaras termográficas refrigeradas son:

• Mejor resolución: funcionan en un rango de longitud de onda más corto en comparación con las cámaras termográficas bolométricas. Según el criterio de Rayleigh, la resolución está determinada por la relación R=D/1,22l, donde D es el diámetro de la lente y l es la longitud de onda. El límite de difracción angular (este término se refiere al tamaño angular mínimo de una fuente monocromática) de una cámara termográfica enfriada es igual a wл/D, donde l es la longitud de onda y D es el diámetro de la lente, y es del orden de 0,08 mrad (0,004 grados). En el caso de las cámaras termográficas no refrigeradas, este parámetro es entre 3 y 4 veces menor.
• Las cámaras termográficas enfriadas tienen una mayor sensibilidad al contraste: una cámara termográfica enfriada distingue diferencias de 20 mK con una apertura de 5, mientras que una cámara bolométrica no refrigerada distingue alrededor de 50 mK, sujeto a la condición de que la apertura sea igual a uno. Esto es consecuencia de la diferente física de los efectos fotoeléctricos y del termistor.
• La combinación de los dos primeros factores proporciona una tercera ventaja: un rango de detección mucho mayor. Un alcance de detección de 10 km está lejos del límite para un dispositivo refrigerado.

Hablando de las ventajas, también debemos mencionar las desventajas de los sistemas refrigerados:

• Alto consumo de energía debido a la presencia de dispositivos de refrigeración en comparación con los dispositivos no refrigerados.
• Un tiempo de enfriamiento bastante largo: pueden pasar varios minutos entre el encendido de la cámara y la obtención de una imagen.
• Limitado La vida útil debida a El tiempo entre fallas del elemento de enfriamiento suele ser de varios miles de horas de funcionamiento continuo.

Consideremos ahora las cámaras termográficas no refrigeradas. Las principales ventajas de las cámaras termográficas no refrigeradas son:

• El rango de trabajo es más adecuado para la observación en condiciones de humo, niebla, smog: en el rango de 8 a 14 micrones, la radiación IR no es absorbida ni por el vapor de agua ni por el dióxido de carbono (la ventana de transparencia es «más transparente» que en el rango de 3-5 micrones).
• Tamaño y peso relativamente pequeños.
• Las cámaras termográficas no refrigeradas funcionan inmediatamente después de encenderse. También se caracterizan por un menor consumo de energía.
• MTBF muy largo.

La principal desventaja de los detectores térmicos de microbolómetro es el requisito de utilizar ópticas de alta apertura: para que aparezca el efecto termisivo, se debe transferir una gran cantidad de energía al bolómetro. Por lo tanto, para lograr la relación señal-ruido requerida en la salida del fotodetector, se requieren ópticas con un diámetro de pupila de entrada grande. Pero la humanidad aún no ha creado lentes con una apertura relativa significativamente menor que 1, y es poco probable que aprendan a fabricarlas en un futuro previsible. Son los límites físicos de lo que se puede implementar en óptica los que siempre han sido un factor limitante en las aplicaciones de la televisión por infrarrojos, desde la detección de incendios hasta la detección de lanzamientos de misiles balísticos.

Otro matiz reside en la emisividad de los cuerpos calentados a diferentes temperaturas. La ley de Wien da una idea de dónde está la emisividad máxima de un cuerpo determinado. Así, por ejemplo, podemos calcular los siguientes máximos que son importantes para nosotros:

1. Hombre — 9,36 micrones.
2. Un automóvil o un barco con motor de combustión interna: 8,45 micrones.
3. Incendio forestal: aproximadamente 3 micrones (dependiendo de la naturaleza del incendio).

Pero también hay que recordar que en estas longitudes de onda se sitúa la máxima radiación térmica del objeto. Tanto una persona como un automóvil tienen una luminosidad notable en el rango de onda corta, por lo que se pueden utilizar cámaras termográficas que funcionan en la región de 3 a 5 micrones para observarlos a largas distancias. Las cámaras termográficas bolométricas no pueden resolver este problema debido a las limitaciones físicas mencionadas anteriormente.

PREGUNTA TRES. ¿POR QUÉ SE NECESITAN NUEVOS PARÁMETROS DEL EQUIPO?

Todos estamos acostumbrados al hecho de que la mayoría de las cámaras de televisión se caracterizan por una relación señal-ruido. Para obtener una imagen de alta calidad, se requiere una relación señal-ruido en la salida de aproximadamente 50 dB. Usando fórmulas simples de un libro de texto de ingeniería de radio, podemos incluso decir lo que esto significa: la potencia de la señal es aproximadamente cien mil veces mayor que la potencia del ruido. Parece que todo está claro; el mismo parámetro se puede utilizar para evaluar las cámaras termográficas. Sin embargo, los fabricantes de equipos de infrarrojos indican no sólo la relación «señal-ruido» que nos resulta familiar, sino que también introducen algún otro parámetro NEP. ¿Por qué?

La potencia equivalente de ruido (NEP) es una medida de la sensibilidad de un receptor óptico. Se define como la potencia de la señal que produce una relación señal-ruido unitaria a la salida de un receptor óptico a una longitud de onda operativa determinada y un ancho de banda efectivo. Naturalmente, es deseable tener la potencia de ruido equivalente más baja, ya que en este caso la relación señal/ruido será la más alta. Es preferible utilizar NEP en lugar de la relación señal-ruido para describir un receptor porque NEP permanece constante en diferentes condiciones. Así, por ejemplo, si alejamos el receptor de la fuente entre 500 y 1000 metros, el nivel de ruido puede variar tanto hacia arriba como hacia abajo (Fig. 2).

De la figura se desprende claramente que en el primer caso tenemos la misma relación señal-ruido, en el segundo caso es completamente diferente, porque la señal fuente se debilita, digamos, por una nube de vapor (indicada por un triángulo azul ), y el ruido se amplifica: una fuente de fondo, por ejemplo, calentada. Durante el día, los árboles hacen su parte. Uno de los principales criterios para la calidad de una cámara termográfica es la capacidad de detección (Detectividad, D*). A menudo está determinado por la relación

dónde

• A es el área del elemento sensible del fotodetector,
• ?f es el valor de ancho de banda efectivo (ruido).En [4], el autor proporciona un método más detallado para calcular la capacidad de detección:

  

  En esta fórmula

  • ? – longitud de onda operativa,
  • ?, h, c, kB, e – constantes físicas,
  • ?? – rango para el cual se calcula la capacidad de detección.
  • ? – ángulo sólido.

  En las especificaciones a menudo puede encontrar el parámetro NETD– Diferencia de temperatura equivalente al ruido – diferencia de temperatura equivalente al ruido. Este valor es igual a la diferencia de temperatura entre la escena y el objeto, que el dispositivo considera ruido. Se introduce para facilitar la comprensión de la sensibilidad de la cámara termográfica. Por ejemplo, para una cámara termográfica enfriada con NETD = 20 mK, esto significa que un cuerpo con una temperatura de 30.002 ° C será indistinguible de un fondo con una temperatura de 30 ° C, mientras que una diferencia de un grado será claramente visible. . Curiosamente, la serpiente de cascabel tiene aproximadamente la misma sensibilidad que una cámara termográfica refrigerada: 18 mK. Es cierto que el uso de serpientes en imágenes térmicas no es muy práctico: la distancia a la que mira una “cámara termográfica” de este tipo no es más de un metro.

  El Los materiales anteriores son información necesaria, pero no suficiente, para el diseño de alta calidad de un sistema de vigilancia que funcione en el rango de infrarrojos.

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  S. Nikitin, SKN

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