Determination of the NETD Parameter Value of the Imaging System with a Single MWIR Detector for CO2 Detection

eng Artykuł w języku angielskim DOI: 10.14313/PAR_257/59

wyślij Sebastian Urbaś , Robert Olbrycht , Bogusław Więcek Lodz University of Technology, Institute of Electronics, Al. Politechniki 6, 90-924 Lodz, Poland

Pobierz Artykuł

Abstract

This research presents the experimental assessment of the NETD parameter for an infrared system developed for gas detection using the single-pixel imaging technique. Gas imaging systems often uses the narrow-band filtering for contrast enhancement which significantly reduces the incoming radiation energy and deteriorates the signal-to-noise characteristic. The developed system was tested for CO2 detection in MWIR wavelength band. The presented results confirmed experimentally the higher value of the NETD parameter for the system equipped with the interference filter. The NETD parameter was evaluated using a simple testing stand with the black body for selecting the proper background temperature. The obtained results confirm the importance of the background temperature in the detection process, the value of which is important in determining the sensitivity and noise level of the system, the attenuation of the radiation of optical elements and the spectral characteristics of the detected gas.

Keywords

gas detection, MWIR, NETD parameter, single-pixel imaging, Spatial Light Modulator

Wyznaczanie wartości parametru NETD systemu obrazowania z pojedynczym detektorem MWIR do detekcji CO2

Streszczenie

W pracy przedstawiono eksperymentalną ocenę parametru NETD dla systemu podczerwieni MWIR opracowanego do wykrywania gazów przy użyciu techniki obrazowania jednopikselowego. W systemach obrazowania gazów często stosowane jest filtrowanie wąskopasmowe w celu zwiększenia kontrastu, co znacznie zmniejsza energię promieniowania i pogarsza charakterystykę sygnału względem szumu. Opracowany system przetestowano pod kątem wykrywania CO2 w paśmie fal średniej podczerwieni (MWIR). Przedstawione wyniki potwierdziły eksperymentalnie wyższą wartość parametru NETD dla układu wyposażonego w filtr interferencyjny. Parametr NETD oceniano przy użyciu prostego stanowiska pomiarowego z ciałem czarnym, co pozwalało na wybór właściwej temperatury tła. Uzyskane wyniki potwierdzają znaczenie temperatury tła w procesie detekcji, której wartość jest istotna przy wyznaczaniu czułości i poziomu szumów systemu, tłumienia promieniowania elementów optycznych i charakterystyki widmowej wykrywanego gazu.

Słowa kluczowe

detekcja gazu, modulator SLM, MWIR, NETD, obrazowanie jednopikselowe

Bibliografia

  1. Więcek B., De Mey G., Termowizja w podczerwieni podstawy i zastosowania, Wydawnictwo PAK, Warszawa 2011, 103–130, ISBN 978-83-926319-7-2, 29–32.
  2. Gogler S., Sawicki K., Ligienza A., Mścichowski M., Metoda pomiaru minimalnej rozróżnialnej różnicy temperatury w funkcji powiększenia i rozogniskowania kamery termowizyjnej, „Pomiary Automatyka Robotyka”, R. 28, Nr 2, 2024, 99–106, DOI: 10.14313/PAR_252/99.
  3. Mścichowski M., Sawicki K., Sosnowski T., Firmanty K., Kastek M., Bareła J., Metoda pomiaru parametrów kamer termowizyjnych za pomocą zautomatyzowanego stanowiska pomiarowego, „Pomiary Automatyka Robotyka”, R. 28, Nr 3, 2024, 131–138, DOI: 10.14313/PAR_253/131.
  4. Olbrycht R., A novel method for sensitivity modelling of optical gas imaging thermal cameras with warm filters, “Quantitative InfraRed Thermography Journal”, Vol. 19, No. 5, 2022, 331–346, DOI: 10.1080/17686733.2021.1962096.
  5. Szajewski K., Szajewska A., Urbaś S., Więcek B., Review on infrared single-pixel imaging, “Opto-Electronics Review”, Vol. 33, No. 2, 2025, DOI: 10.24425/opelre.2025.154306.
  6. Gibson G.M., Johnson S.D., Padgett M.J., Single-pixel imaging 12 years on: a review, “Optics Express”, Vol. 28, No. 19, 2020, 28190–28208, DOI: 10.1364/OE.403195.
  7. Wang Y., Huang K., Fang J., Yan M., Wu E., Zeng H., Mid-infrared single-pixel imaging at the single-photon level, “Nature Communications”, Vol. 14, 2023, DOI: 10.1038/s41467-023-36815-3.
  8. Duarte M.F., Davenport M.A., Takhar D., Laska J.N., Sun T., Kelly K.F., Single-pixel imaging via compressive sampling, “IEEE Signal Processing Magazine”, Vol. 25, No. 2, 2008, 83–91, DOI: 10.1109/MSP.2007.914730.
  9. Tissot J.L., Uncooled infrared detectors: state of the art, VII Krajowa Konferencja Termografia i Termometria w Podczerwieni TTP 2006, Ustroń-Jaszowiec, 16–18 listopada, 2006, 9–23.
  10. Yoon T., Kim C.-S., Kim K., Choi J., Emerging applications of digital micromirror devices in biophotonic fields, “Optics & Laser Technology”, Vol. 104, 2018, 17–25, DOI: 10.1016/j.optlastec.2018.02.005.
  11. Carlos Osorio Quero, Daniel Durini, Jose Rangel-Magdaleno, Jose Martinez-Carranza, and Ruben Ramos-Garcia, Deep-learning blurring correction of images obtained from NIR single-pixel imaging, “Journal of Optical Society of America A”, Vol. 40, No. 8, 2023, 1491–1499, DOI: 10.1364/JOSAA.488549.
  12. Nobunaga T., Tanaka H., Tadokoro Y., Reconstruction for Spatially Distributed Single-Pixel Imaging Based on Pattern Filtering, “IEEE Signal Processing Letters”, Vol. 25, No. 5, 2018, 705–709, DOI: 10.1109/LSP.2018.2816579.
  13. Urbaś S., Więcek B., Application of a deep-learning neural network for image reconstruction from a single-pixel infrared camera, “Opto-Electronics Review”, Vol. 32, No. 1, 2024, DOI: 10.24425/opelre.2024.148877.
  14. Song K., Bian Y., Wang D., Li R., Wu K., Liu H., Qin C., Hu J., Xiao L., Advances and Challenges of Single-Pixel Imaging Based on Deep Learning, “Laser & Photonics Reviews”, Vol. 19, No. 7, 2025, DOI: 10.1002/lpor.202401397.
  15. Minkina W., Dudzik S., Infrared Thermography, Errors and Uncertainties, Częstochowa University of Technology, 2009.
  16. Harwit M., Sloane N.J.A., Hadamard Transform Optics, 1979, DOI: 10.1016/B978-0-12-330050-8.X5001-X.