Определение радиационной температуры удалённых объектов с использованием метода спектральной селекции излучения Текст научной статьи по специальности «Физика»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАДИАЦИОННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ УДАЛЁННЫХ ОБЪЕКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА СПЕКТРАЛЬНОЙ

СЕЛЕКЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ

Н.Р. Белашенков, А.В. Васильев, И.П. Гуров, А.И. Лопатин

Рассматривается метод определения радиационной температуры объектов, основанный на использовании спектрально-селективной фильтрации при интегральной регистрации излучения в заданном диапазоне длин волн. Метод предполагает независимость результатов от неселективных спектральных потерь.

Введение

Температура является одной из наиболее часто измеряемых физических величин. Во многих случаях требуются бесконтактные измерения температуры объектов, при этом единственной возможностью определения температуры является использование методов, основанных на регистрации теплового излучения от исследуемого объекта. Такая возможность обусловлена зависимостью спектрального распределения теплового излучения от температуры тела. Все методики определения температуры по инфракрасному излучению основываются в той или иной степени на анализе спектра излучения.

Самым простым методом является измерение интенсивности излучения в некотором интервале длин волн с предварительной калибровкой приёмника и его калибровкой в ходе измерений. В этом случае учитывается, что максимум излучения в спектре смещается с изменением температуры и интенсивность излучения на каждой длине волны изменяется в зависимости от температуры, причем в одном и том же спектральном интервале регистрируется различное количество энергии излучения. На основе этого метода строятся микроболометры, которые обладают чувствительностью около 100 мК, однако их погрешность достигает нескольких градусов [1 - 6].

Методика измерения спектрального распределения по длинам волн с его последующим анализом обеспечивает наиболее высокую точность, поскольку основывается на сопоставлении теоретического спектра с полученными в ходе измерений данными по большому количеству точек в спектре. При этом возможно учесть тот факт, что тепловое излучение реальных тел не совпадает с излучением абсолютно черного тела, а также то, что на пути от источника до приёмника излучение может претерпевать неселективные потери [1 - 6].

Существует целый ряд промежуточных методик, основанных на измерении интенсивности излучения в двух и более спектральных интервалах. Такие методики являются более простыми по сравнению с методом снятия всего спектра и более адекватными, чем определение интенсивности в широком спектральном диапазоне [1 - 6].

При исследовании температуры объектов по их тепловому излучению требуется не только как можно точнее определять температуру по излучению, но и получать распределение температур по объекту. Реализация методов мультиспектральной регистрации излучения в ряде случаев оказывается сложной, поскольку методики измерения излучения одновременно в нескольких спектральных интервалах и в нескольких пространственно разнесенных точках развиты недостаточно.

В термографии можно выделить несколько подходов: разложение света в спектр с последующим разнесением на фотоприёмники с различной спектральной чувствительностью, сканирование по полю, использование задних резонансных зеркал, использование приёмников на квантовых ямах и использование приёмных площадок из различных детектирующих материалов на одной матрице и др. Недостатком сканирующих устройств является сложность и ненадежность механических узлов. Для

фотонных детекторов требуется охлаждение приёмников до температур порядка 70 К [1 - 6].

В статье рассматривается метод, удовлетворяющий современным потребностям термографии, позволяющий максимально использовать имеющуюся информацию о спектральном распределении теплового излучения и работать с неохлаждаемыми матричными приёмниками в реальном времени без использования калибровочных объектов в ходе измерений.

Определение температуры с использованием спектральной селекции излучения

Как известно, спектральное распределение интенсивности теплового излучения объектов I(X) может быть рассчитано по формуле Планка (1) с точностью до степени черноты объектов, а именно

I(X) = (8пНе2/ X5) /[ехр(Не / ХкТ) -1], (1)

где X - длина волны излучения, Н - постоянная Планка, к - постоянная Больцмана, е -скорость света, Т - абсолютная температура объекта. При изменении температуры форма нормированного спектрального распределения теплового излучения меняется (см. рис. 1). При этом имеет место однозначное соответствие формы относительного спектрального распределения теплового излучения чёрного тела и температуры этого тела, и задача определения температуры сводится к задаче идентификации формы спектрального распределения.

I

Рис. 1. Спектральные распределения относительной интенсивности излучения абсолютно чёрного тела для различных температур в зависимости от длины волны (выраженной в микрометрах)

Идентификация формы спектра не может проводиться с использованием интегральных приёмников. Сигнал, снимаемый с приёмника, зависит от интеграла интенсивности падающего излучения в спектральной области чувствительности приёмника, поэтому без калибровки и при наличии потерь на трассе сигнал нельзя соотнести с какой-либо формой спектрального распределения теплового излучения.

Если перед приёмником установить спектральный фильтр, который поглощает часть излучения, значение интегральной интенсивности прошедшего через фильтр излучения будет зависеть от формы относительного спектрального распределения излучения. Отношение же сигналов, регистрируемых без фильтра и с фильтром,

позволяет однозначно идентифицировать форму спектрального распределения падающего излучения.

При такой методике абсолютное значение потока излучения не влияет на относительную зависимость

(2)

Г(Т) = | Ск /1 /(X, Т)g(X)СХ = | /(X, Т)аСк /1 /Т)^(Х)ас[к,

где /(X, Т) - зависимость энергии излучения объекта от его температуры, g(X) -пропускание фильтра, а - постоянная. Соотношение (2) позволяет вычислить температуру объекта по результатам регистрации излучения при двух измерениях - при наличии и отсутствии фильтра.

Экспериментальные результаты

При реализации предлагаемого метода в качестве приёмников излучения можно применять микроболометрические матрицы, которые не требуют охлаждения и позволяют определять разницу температур порядка 0,1 К. В качестве фильтра удобно использовать материал CaF2.

На рис. 2 приведена кривая спектрального пропускания пластинки из указанного материала толщиной 3,5 мм.

Б 100

80

60

40

20

0

Л

7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0

Рис. 2. Кривая спектрального пропускания флюоритовой пластинки

На рис. 3 представлена экспериментальная зависимость отношения интегральной интенсивности теплового излучения чёрного тела различной температуры в области спектра 7-14 мкм к излучению чёрного тела с той же температурой, но прошедшего через флюоритовый фильтр.

Как видно из рис. 3, зависимость отношения интегральных интенсивностей имеет ярко выраженный характер. Однозначная зависимость отношения от температуры показывает возможность применения метода на практике.

Поскольку для расчёта температуры используется спектральное распределение излучения по длинам волн, то ожидается, что метод будет обладать более высокой точностью, чем при использовании интегральных приёмников в чистом виде, и в то же время позволит измерять температуру во многих точках объекта одновременно при измерениях в одном спектральном интервале.

Рис. 3. Зависимость отношения интегральных интенсивностей от температуры (T) абсолютно чёрного тела (см. (2)) в спектральном диапазоне от 7 до 14 мкм при наличии и отсутствии флюоритового фильтра

Заключение

Предложенный метод позволяет однозначно соотносить сигналы, полученные с приёмника, с температурой объекта. При этом предполагается, что результаты не должны зависеть от неселективных потерь, пропорциональных значениям потока излучения, падающего на приёмник.

В качестве приёмника можно использовать приёмники излучения, результирующий сигнал которых зависит от интегрального потока излучения в некотором спектральном диапазоне. В частности, можно применять матричные приёмники на основе микроболометров.

Метод реализуется с использованием как охлаждаемых, так и неохлаждаемых приёмников. Однако, поскольку он основывается на идентификации формы спектральной зависимости излучения, для окончательного заключения о преимуществах метода необходимо исследовать чувствительность результатов к влиянию неселективных потерь.

Литература

1. Rogalski A, Chrzanowski K. Infrared devices and techniques //Opto-electronics Rev. 2002. V.10(2). P. 111-136.

2. Rogalski A. Optical detectors for focal plane arrays //Opto-electronics Rev. 2004. V.12(2). P. 221-245.

3. Norton P. Third-generation sensors for night vision //Opto-electronics Rev. 2006.V.14(1). P. 1-10.

4. Tissot J.L., Trouilleau C., Fieque B., Crastes A., and Legras O. Uncooled microbolometer detector: recent developments at ULIS // Opto-electronics Rev. 2006. V.14(1). P. 25-32.

5. Rogalski A., Competitive technologies of third generation infrared photon detectors // Optoelectronics Rev. 2006. V.14(1). P. 87-101.

6. Mather J.C., Bolometer noise: nonequilibrium theory //Appl. Opt. 1982. V.21. P. 11251129.