Analiza porównawcza wybranych metod kalibracji kamery termowizyjnej z chłodzonym detektorem pracującym w zakresie MWIR

pol Article in Polish DOI: 10.14313/PAR_252/45

send Karol Erd Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Optoelektroniki

Download Article

Streszczenie

Do zdalnego pomiaru temperatury za pomocą kamery termowizyjnej niezbędne jest przeprowadzenie kalibracji radiometrycznej. Pozwala to na przypisanie parametrów radiacyjnych obiektu, a co za tym idzie, jego temperatury, do odpowiedzi obserwującego go detektora podczerwieni. W artykule przedstawiono podstawowe pojęcia związane z kalibracją radiometryczną i czynniki wpływające na jej skuteczność. Dokonano także przeglądu najpowszechniejszych metod kalibracji, a następnie zrealizowano i porównano dwie z nich na specjalnie skonstruowanym stanowisku laboratoryjnym, wykorzystującym autorskie oprogramowanie i wyposażonym w chłodzoną kamerę podczerwieni, pracującą w zakresie MWIR. Kamerę skalibrowano w zakresie temperatury 20–50 °C. Porównanie metod przeprowadzono na podstawie serii pomiarów temperatury, na podstawie analizy błędów bezwzględnych i względnych, a także analizy rozrzutu zmierzonych wartości temperatury.

Słowa kluczowe

kalibracja radiometryczna, kamera termowizyjna, pomiar temperatury, zdalny pomiar

Comparative Analysis of Selected Calibration Methods for a Thermal Imaging Camera with a Cooled Detector Operating in the MWIR Range

Abstract

For accurate remote temperature measurement with a thermal imaging camera, it is necessary to perform radiometric calibration. This allows the radiative parameters of an object, and therefore its temperature, to be related to the response of the infrared detector observing it. The article presents the basic concepts related to radiometric calibration and various factors influencing its effectiveness. The most common calibration methods were also reviewed, and then two of them were implemented and compared on a specially constructed laboratory station, using proprietary software and equipped with a cooled infrared camera, operating in the MWIR range. The camera was calibrated in the temperature range from 20 °C to 50 ° C. The comparison of methods was carried out on the basis of a series of temperature measurements, analysis of absolute and relative errors, as well as analysis of the dispersion of the measured temperature values.

Keywords

radiometric calibration, remote measurement, temperature measurement, thermal camera

Bibliography

  1. Bielecki Z., Rogalski A., Detekcja sygnałów optycznych. Wydawnictwo naukowe PWN, 2021.
  2. Więcek B., De Mey G., Termowizja w Podczerwieni Podstawy i Zastosowania. Wydawnictwo Naukowe PWN, 2017.
  3. Howell J., Mengüc M.P., Siegel R., Thermal Radiation Heat Transfer. CRC Press Taylor & Francis, 2015, DOI: 10.1201/9780429327308.
  4. Minkina W., Dudzik S., Infrared Thermography: Errors and Uncertainties, NJ: Wiley, 2009.
  5. Park S.-N., Kim B.-H., Park C.-W., Lee D.-H., Realization of Radiance Temperature Scale from 500K to 1,250K by a Radiation Thermometer with a Thermal Detector, “International Journal of Thermophysics”, Vol. 29, 2008, 301–311, DOI: 10.1007/s10765-007-0328-2.
  6. Lane B., Whitenton E., Madhavan V., Donmez M., Uncertainty of temperature measurements by infrared thermography for metal cutting applications, ”Metrologia”, Vol. 50, No. 6, 2013, DOI: 10.1088/0026-1394/50/6/637.
  7. Sakumam F., Hattori S., Study for Establishing a Practical Temperature Standard by Using Silicon Narrow-Band Radiation Thermometer, “Journal of the Society of Instrument and Control Engineers”, Vol. 18, No. 5, 1982, 482–488, DOI: 10.9746/sicetr1965.18.482.
  8. Minkina W., Pomiary termowizyjne: przyrządy i metody, Wydawnictwa Politechniki Częstochowskiej, 2004.
  9. Martiny M., Schiele R., Gritsch M., Schulz A., Wittig S., In situ calibration for quantitative infrared thermography, Proceedings of the 1996 International Conference on Quantitative InfraRed Thermography, QIRT Council, 1996, DOI: 10.21611/qirt.1996.001.
  10. Pron H., Menanteau W., Bissieux C., Beaudoin J., Characterization of a focal plane array (FPA) infrared camera, Proceedings of the 2000 International Conference on Quantitative InfraRed Thermography, QIRT Council, 2000. DOI: 10.21611/qirt.2000.061.
  11. Ragheb H., Hamid M., An approximation of Planck’s formula for the inverse black body radiation problem, “IEEE Transactions on Antennas and Propagation”, Vol. 35, No. 6, 1987, 739–742, DOI: 10.1109/TAP.1987.1144165.
  12. Horny N., FPA camera standardisation, “Infrared Physics & Technology”, Vol. 44, No. 2, 2003, 109–119, DOI: 10.1016/S1350-4495(02)00183-4.
  13. Budzier H., Gerlach G., Calibration of uncooled thermal infrared cameras, ”Journal of Sensors and Sensor Systems”, Vol. 4, No. 1, 2015, 187–197, DOI: 10.5194/jsss-4-187-2015.
  14. Sosnowski T., Bieszczad G., Gogler S., Madura H., Felczak M., Strąkowski R., Radiacyjny model obudowy chłodzonego matrycowego detektora podczerwieni, „Pomiary Automatyka Robotyka”, R. 25, Nr 4, 2021, 67–76, DOI: 10.14313/PAR_242/67.