Получение тепловизионных снимков: как это работает?

Основной принцип работы инфракрасной съемки

В природе все объекты с температурой выше абсолютного нуля (0K, т.е. -273,15°C) постоянно излучают лучистую энергию в окружающее пространство за счет теплового движения своих собственных молекул. В принципе, до тех пор, пока эти излучение энергии может быть обнаружено и зафиксировано, можно сформировать инфракрасное изображение, соответствующее распределению излучения объекта, путем перестановки сигналов от датчика.

В то же время такие параметры, как величина энергии инфракрасного излучения, его распределение по длине волны и температура поверхности объекта тесно взаимосвязаны. Таким образом, измеряя инфракрасную энергию, излучаемую объектом, мы можем точно измерить температуру его поверхности. Эти два параметра вместе составляют основной принцип инфракрасной тепловизионной системы измерения температуры.

Коэффициент излучения

Коэффициент излучения – это свойство поверхности объекта, которое описывает, насколько его тепловое излучение отличается от идеального для абсолютно черного тела. Коэффициент излучения абсолютно черного тела равен 1. Далее поясним, что два объекта с одинаковой физической температурой могут по-разному отображаться на тепловизионном изображении, если они имеют разные коэффициент излучения. Например, при любом заданном значении коэффициента излучения объекты с более высоким коэффициентом излучения будут казаться более горячими, а объекты с более низким коэффициентом излучения – более холодными (при условии, что, как это часто бывает, окружающая среда холоднее, чем рассматриваемые объекты). Когда излучательная способность объекта ниже идеальной, он приобретает свойства отражения и/или прозрачности, и, таким образом, температура окружающей среды частично отражается от объекта и/или передается через него. Если бы объект находился в более жаркой среде, то объект с более низкой излучательной способностью при той же температуре, скорее всего, казался бы более горячим, чем объект с более высокой излучательной способностью. По этой причине неправильный выбор коэффициента излучения и неучет температуры окружающей среды приведут к неточным результатам при использовании инфракрасных камер и пирометров.

Тепловизионные камеры беспилотных летательных аппаратов могут определять температуру поверхности многих объектов, но есть и исключения. Например, хорошо отполированные, блестящие и отражающие объекты не поглощают много тепла — они обладают так называемой низкой излучательной способностью. Их трудно обнаружить с помощью тепловизионных камер. Объекты с высоким коэффициентом излучения, такие как дерево, бетон и даже люди, легко сканируются.

Другие факторы, влияющие на получение данных

При получении инфракрасной термографии распределение температуры и различия в коэффициентах отражения между объектом и различными частями окружающего пространства преобразуется в соответствующий сигнал, который затем преобразуется в видимое изображение. Существует несколько важных параметров, которые могут повлиять на результат съемки:

Диапазон температур
Размер и форма объекта
Расстояние объекта от датчика
Тип материала объекта
Движение (объекта или дрона)

Виды инфракрасных тепловизионных камер

Основные разновидности тепловизионных камер приведены в таблице ниже

Основные разновидности тепловизионных камер
Вид детектора	Охлаждаемый, неохлождаемый
По способам установки	Стационарные, портативные, устанавливаемые на БПЛА

Стационарные тепловизионные камеры, по сравнению с портативными и установленными на БПЛА, могут обладать большей производительностью, поскольку они не ограничены размерами, весом и энергопотреблением. Но угол обзора объекта наблюдения фиксирован и будет ограничен перспективой и другими ограничениями. Такой тип камер обычно используется для обеспечения безопасности зданий, мониторинга подстанций в режиме реального времени и других видов постоянных съемок.

Портативная инфракрасная тепловизионная камера, небольшая и легко переносимая, проста в использовании, и может использоваться на постоянной основе. Однако характеристики этого типа камер относительно слабы – с помощью них нелегко определить местоположение цели при наземной съемки опор ЛЭП и других высоковольтных объектов для обнаружения, а погрешность измерения температуры будет расти пропорционально увеличению расстояния до объекта. Обычно такие камеры используются для стандартного осмотра оборудования низкого уровня на подстанциях, ручного контроля фотоэлектрических модулей и других целей.

В тепловизионные камеры включены специальные объективы, которые улавливают инфракрасные частоты, а также тепловые датчики и графические процессоры для отображения результатов съемки на дисплее. Когда инфракрасная камера устанавливается на беспилотник, устройство обычно устанавливается на карданный подвес, который стабилизирует изображение и позволяет объективу поворачиваться на целых 360 градусов.

Ключевые компоненты инфракрасной тепловизионной камеры и их характеристики

Типичная инфракрасная тепловизионная камера (или инфракрасная система визуализации) в основном состоит из оптической системы, детектора, электронной системы обработки сигналов, системы отображения и других компонентов. В этой главе мы сосредоточимся на значении основных параметров детектора и оптической системы и дадим полезные рекомендации по выбору каждого компонента, учитывая требования к съемке в сфере контроля электрических сетей.

Инфракрасный детектор

Инфракрасный детектор является основным компонентом любой инфракрасной тепловизионной камеры. Этот прибор обнаруживает и измеряет инфракрасное излучение объектов и преобразует это значение в электрическое изображение, на котором отображается видимая температура поверхности измеряемого объекта.

Инфракрасный детектор может принимать передаваемую энергию, излучаемую объектом, а также отраженную энергию от этого объекта. Температура окружающей среды вблизи объекта также может влиять на отражение энергии, и поэтому ее необходимо учитывать.

Типы инфракрасного детектора

Существуют два основных типа детекторов – тепловые и фотонные. Тепловые детекторы не обнаруживают фотоны напрямую, а реагируют на повышение температуры, вызванное поглощением поступающего инфракрасного света. Фотонный детектор – это детектор, который завершает фотоэлектрическое преобразование посредством взаимодействия фотонов с электронами внутри вещества, что приводит к изменению энергетического состояния электронов.

В соответствии с методом получения тепловизионного изображения, инфракрасные детекторы можно разделить на охлаждаемые инфракрасные детекторы и неохлаждаемые инфракрасные детекторы.

Охлаждаемые инфракрасные детекторы

Неохлаждаемые инфракрасные детекторы

Охлаждаемые инфракрасные детекторы

Неохлаждаемые инфракрасные детекторы

Спектральный диапазон

Спектральный диапазон – это длина волны инфракрасного излучения, которую может увидеть инфракрасная тепловизионная камера, измеряемая в микрометрах (мкм). В соответствии с Международной системой единиц измерения, 1 нанометр эквивалентен 0,001 мкм, что означает, что в 1 микрометре содержится 1000 нм. Обычный человеческий глаз реагирует на длины волн от 380 до 750 нанометров.
Люди чувствуют тепло, но не могут увидеть инфракрасное излучение. Почему это так? Потому что это инфракрасное излучение – это электромагнитная волна, которую глаз человека не может обнаружить. Тепловизионные камеры предназначены для преобразования инфракрасных сигналов в нечто видимое для человека.

Выбор спектрального диапазона зависит от двух ключевых факторов: один из них – закон смещения Вина, другой – «инфракрасное атмосферное окно».

Закон смещения Вина

Закон смещения Вина гласит, что длина волны, на которую приходится максимальная интенсивность электромагнитного излучения, испускаемого нагретым телом, обратно пропорциональна его температуре.

В следующей таблице приведены диапазоны пиковых температур, соответствующие различным длинам волн, в соответствии с законом смещения Вина.

Диапазоны длин волн (мкм)	Абсолютная температура (К)	Цельсий (°C)
NIR 0.75~3	966~ 3864	693~3591
Mid IR 3~6	483~966	210~ 693
Far IR 6~15	193~483	-80~210
VLWIR 15~1000	3~193	-270~-80

Инфракрасное атмосферное окно

Инфракрасное атмосферное окно относится к области инфракрасного спектра, где атмосферные газы относительно слабо поглощают тепловое излучение земли. Существует три спектральных диапазона, называемых “атмосферным окном”, это NIR (1~2,5 мкм), MIR (3~5 мкм), FIR (8~14 мкм).

Исходя из двух вышеперечисленных соображений, а также температурных характеристик электросетевого оборудования для возможных различных условий эксплуатации, рекомендуется выбирать инфракрасную тепловизионную камеру в диапазоне 8-14 мкм для контроля мощности в инфракрасном диапазоне и измерения температуры.

Температура, эквивалентная уровню шума

NETD (Разница температур, эквивалентная уровню шума) – это показатель того, насколько хорошо инфракрасное тепловое оборудование способно различать небольшие различия в тепловом излучении на изображении. NETD обычно выражается в миллиэлектронных единицах (мК). Его также иногда называют “тепловым контрастом”. Чем меньше значение NETD, тем чувствительнее детектор.

Для инфракрасной съемки для осмотра электросетей, NET используется для измерения относительной разницы температур. Типичное значение для инфракрасной тепловизионной камеры, установленной на беспилотном летательном аппарате, составляет ≤50 Мкс при температуре 30°C. Это означает, что чувствительность составляет более 50 Мкм при температуре окружающей среды 30°C.

Оптическая система

Фокус

В инфракрасных тепловизионных камерах могут быть установлены разные объективы: фиксированные объективы, объективы с двойным углом обзора и объективы с непрерывным зумом – тип объектива указывается в технических характеристиках камеры, и каждый тип предназначен для своих целей.

Производительность также зависит от разрешения детектора и размера пикселя.

Как правило, диаметр объектива с фиксированным фокусным расстоянием не превышает 50 мм, а размер объектива с двойным полем обзора намного больше – обычно он превышает 150 мм в диаметре. Кроме того, его вес намного больше, чем у объектива с фиксированным фокусным расстоянием. Из-за этого он не подходит для фиксирования длинных волн и не поддерживает функцию измерения температуры. Объектив с фиксированным фокусом имеет небольшие размеры и легкий вес и подходит для использования на беспилотных летательных аппаратах.

При съемке электросети и фиксирования ее температуры, расстояние между дроном и обнаруженной целью должно составлять от 5 до 20 метров, а размер обнаруженных дефектов чаще всего находится в диапазоне от 10 до 20 мм. Разрешение основного детектора составляет 640*512 пикселей, а размер пикселя – 12 мкм, поэтому рекомендуется выбирать фокусное расстояние в диапазоне от 9 до 25 мм. Размер, вес и характеристики объектива с таким фокусным расстоянием соответствуют друг другу и подходят для использования на беспилотнике.

Апертурная диафрагма

Апературная диафрагма камеры – это размер отверстия (а иногда и внутреннего светового пути) объектива. Хотя диафрагму можно измерить самостоятельно, измерив диаметр отверстия, чаще всего она измеряется по сравнению с фокусным расстоянием объектива и выражается в виде f-числа. Чем меньше f-число, тем больше апертура, и тем более высокую способность улавливать свет (или тепловую инфракрасную энергию) она имеет. Высокое f-число приводит к более низкой способности улавливать свет (или тепловую инфракрасную энергию).

Тепловизионная инфракрасная камера обычно имеет большую диафрагму в диапазоне от ƒ/0,9 до ƒ/1,3. Большая диафрагма увеличивает контрастность и четкость изображения, что приводит к увеличению расстояния обнаружения и в то же время к увеличению веса камеры. Таким образом, для тепловизионной съемки с помощью беспилотника рекомендуется выбирать диафрагму в диапазоне от ƒ/1.0 доƒ/1.2

Пространственное разрешение

Чтобы разобраться в понятии «пространственное разрешение», давайте сначала разберемся с полем зрения (FOV). FOV – это мера углового обзора того, что видит инфракрасная камера. Она определяет общую зону обзора тепловизора и определяется горизонтальными и вертикальными углами, измеряется в градусах. Чем больше угол обзора, тем больше поле зрения.

Мгновенное поле зрения (FOV) характеризует пространственное разрешение устройства формирования изображения. Проще говоря, IFOV – это наименьший размер объекта, который инфракрасная камера может различить на заданном расстоянии при заданном типе объектива и размере детектора. Обычно в технических характеристиках тепловизора указывается угол измерения в миллирадианах или мРад. Чем меньше значение марки, тем уже угол обзора и тем лучше разрешение камеры (т.е. она может видеть объекты меньшего размера на больших расстояниях).

Из приведенной выше формулы видно, что чем меньше угол обзора или чем больше разрешение детектора, тем выше способность системы инфракрасных тепловизионных камер различать пространственные размеры.

На приведенном выше рисунке серый цвет обозначает объект обнаружения, а красный – различные пространственные разрешения. Объект обнаружения слева полностью закрывает угол обзора, и излучение, принимаемое датчики, исходит только от объекта, поэтому инфракрасная тепловизионная камера может точно измерить его температуру; в то время как справа датчики не только видят объект обнаружения, но и получают излучение сбоку и сзади объекта. Таким образом, температура, измеряемая системой, не может точно отражать объект обнаружения.

В соответствии с современными технологиями обнаружения, для обеспечения точности измерений изображение объекта на детекторе должно быть с разрешением не менее 3×3 пикселей. Часто при проведении осмотра требуется сократить расстояние между дроном и объектом обнаружения или выбрать большее фокусное расстояние.

Другие особенности

Частота съемки

Частота съемки – это частота, с которой инфракрасный детектор создает изображения в секунду. Для камеры с частотой 50 Гц съемка происходит 50 раз в секунду. Низкая частота обновления приводит к размытию изображения и снижению качества тепловизионного изображения. Для осмотра линий электропередач частота съемки должна быть не ниже 30 Гц, другими словами, частота кадров должна быть не менее 30 кадров в секунду

Получение более качественных тепловизионных изображений с помощью беспилотника

Чтобы сделать четкие снимки во время инфракрасной съемки и проанализировать их для получения точных результатов, важно понимать значения и настройки различных параметров во время тепловизионной съемки с помощью дрона. Кроме того, необходимо будет настроить расстояние, угол обзора, временной интервал и другие параметры съемки. В этой главе рассмотрим эти параметры и дадим рекомендации по съемке, основанные на конкретных компонентах оборудования.

Работа в ИК-режиме

Режимы усиления

Тепловизионная камера DJI может работать в двух режимах: режиме с высоким коэффициентом усиления и режиме с низким коэффициентом усиления. В режиме с высоким коэффициентом усиления камера измеряет меньший диапазон температур, но более чувствительна к перепадам температур. В режиме с низким коэффициентом усиления камера измеряет больший диапазон температур, но менее чувствительна к перепадам температур. Для получения информации о конкретном диапазоне измерения температуры, пожалуйста, ознакомьтесь с подробными параметрами каждого устройства в приложении.

Для съемки ЛЭП рекомендуется использовать режим с высоким коэффициентом усиления для повышения точности измерения температуры.

Цветовая гамма

Различные цвета на тепловизионном изображении используются для отображения разницы температур, которая зависит от интенсивности оттенков серого. Температурный диапазон изображения преобразуется в 256 цветов и отображается в 8-битном формате JPEG или MP4. Тепловизоры DJI предлагают 12 различных цветовых палитр, которые можно выбирать в зависимости от предпочтений.

Для съемки ЛЭП, чтобы увидеть больше деталей и измерить температуру, рекомендуется использовать цветовую палитру «Iron Red» или «Hot Iron» для дневных работ, а для ночных – «Tint».

В следующей таблице показаны все параметры палитры.

Изотерма

Функция «Изотерма» позволяет отображать определенные температурные диапазоны в различных цветовых схемах, чтобы объекты в пределах этого диапазона были более контрастными и лучше просматривались. Температурный диапазон задается верхним и нижним пороговыми значениями. Во время проверки можно установить подходящий температурный диапазон в соответствии с температурой окружающей среды на объекте или нормальной рабочей температурой тестируемого оборудования, это поможет снизить влияние источников тепла с поверхности земли.

Предупреждение о высокой температуре

При включении функции измерения площади можно установить предупреждающее значение температуры, и когда самая высокая температура в выбранной области превысит предупреждающее значение, в DJI Pilot появится экранное уведомление.

Выделение интересующей области (ROI)

Используйте эту функцию для управления распределением цветового диапазона по экрану, чтобы добиться максимальной контрастности в наиболее интересующих вас областях. Выберите функцию «полностью (Full)» чтобы равномерно распределить цветовой спектр по всему изображению.

Например, если на вашем изображении большой участок неба (при относительно низкой температуре), большая часть цветового спектра будет выделена в более низком диапазоне, что означает, что другие части спектра будут иметь меньшую контрастность. В этом случае вы можете выбрать «Исключение неба (33%)» или «Исключение неба (50%)», чтобы игнорировать области неба и распределить большую часть спектра на оставшиеся области, обеспечивая более высокую контрастность и удобство анализа.

Для осмотра ЛЭП рекомендуется выбрать «Исключение неба (50%)».

Параметры съемки

Мгновенно улучшайте качество снимков, выбирая параметры по умолчанию, для осмотра или вручную. Камера автоматически применит следующие свойства для получения наилучшего результата.

DDE (Цифровое улучшение детализации): Улучшает детализацию изображения и /или подавляет фиксированный уровень шума
Контрастность: соотношение черного и белого в изображении. При высоком значении цвета будут более насыщенными и контрастными.
Яркость: яркость изображения.

Калибровка FFC (Коррекция плоского поля)

Калибровка FFC – это своего рода функция настройки тепловизионной камеры, которая используется для улучшения качества изображения. Во время калибровки экран может зависнуть на мгновение, примерно на 1 секунду, и камера издаст щелчок. При этом калибровку FFC можно использовать для устранения остаточного изображения, когда тепловизионная камера направлена на солнце или объект с высокой температурой.

Для осмотра ЛЭП рекомендуется выполнять калибровку FFC каждый раз перед проверкой на температуру, чтобы устранить ошибки измерения температуры, накопившиеся за определенный период времени.

Режим отображения SBS

Переключайтесь между ИК-режимом и режимом отображения реального объекта (обычная камера) во время проведения тепловизионной съемки.

ИК-режим: отображает только кадры, снятые инфракрасной тепловизионной камерой.
Разделенные кадры, снятые инфракрасной тепловизионной камерой и камерой с зумом, будут отображаться рядом.
Во время осмотра ЛЭП разделенный режим поможет визуально выявить повреждения при обнаружении точки с повышенной температурой.

Выбор объекта для измерения температуры

Дальность измерения коэффициента излучения и температуры может быть настроено индивидуально, в зависимости от конкретных условий и рассматриваемого объекта – это помогает повысить точность измерений. Рекомендуется проводить осмотр на расстоянии от 5 до 20 метров.

Примечание: эта функция доступна только в серии Mavic 3 thermal.

Инфракрасное изображение высокого разрешения

При использовании серии Mavic 3T или Matrices M30T в ИК-режиме можно получать более четкие инфракрасные изображения в условиях низкой освещенности, если включена функция сверхразрешения инфракрасного изображения. Размер изображения в обычном режиме составляет 640×512, в режиме сверхразрешения инфракрасного изображения – 1280×1024.

Проведение точных тепловых измерений

Расстояние: В целях безопасности расстояние между дроном и измеряемой целью должно быть в пределах 5-10 метров, слишком большое расстояние приведет к большим погрешностям измерений. При использовании дронов серий M350 RTK и M30 расстояние до цели можно определить с помощью функции лазерного дальномера (RNG), а для других моделях, таких как серия M3T, это расстояние определяется системой обхода препятствий.

Угол съемки: Для обеспечения точных измерений температуры лучше всего установить угол наклона, при котором объект съемки будет находиться на фоне чистого неба, что позволит избежать влияния на изображение и температуру других сложных объектов, таких как земля и растительность. Рекомендуется устанавливать угол обзора примерно на 10-15 градусов, но не более чем на 30 градусов. Это может уменьшить коэффициент отражения солнечных лучей, вместо того чтобы делать несколько снимков неба под разными углами / точками обзора вокруг рассматриваемого объекта, поскольку настоящая проблема может быть скрыта за куском металла, а вы можете видеть лишь нагретый объект, без определения причины поломки.

Время съемки: По возможности избегайте работы при ярком освещении, так как солнечный свет может привести к большим погрешностям измерения температуры.

Для обеспечения точного измерения температуры объект должен занимать на экране не менее 3*3 пикселей и располагаться в центре экрана.

Когда заданная температура относительно близка к температуре окружающей среды в дневное время, окружающее атмосферное излучение оказывает очень сильное влияние на измеряемую температуру, и в этом случае необходимо внести поправку на температуру окружающей атмосферы.

В случае, когда влажность воздуха составляет более 85%, из-за поглощения инфракрасного излучения водяным паром, излучения от изучаемого объекта снижается, поэтому съемку нельзя проводить в туманные и дождливые дни.

Вторая часть руководства доступна по ссылке в нашем Блоге здесь.

Коллеги! Если у вас остались вопросы по данному материалу или вы хотите обсудить какие-то другие темы, касающиеся промышленных беспилотных технологий, присоединяйтесь к нашему телеграм-чату специалистов.

Напряжение,(кВ)	Минимальное расстояние от оборудования, (м)	Минимальное расстояние при ручном управлении БПЛА, (м)	Минимальное расстояние в автоматическом режиме, (м)	Замечание
10	0.5	1.5	3.0	Пожалуйста, увеличьте дистанцию при проведении съемки вручную в ночное время*
35	0.5	1.5	3.0
110	0.5	1.5	3.0
220	1.0	2.0	3.0
330	2.5	3.0	4.5
500	3.0	3.5	5.0
750	4.0	4.5	6.0
1000	5.5	6.0	8.0
±400	2.5	3.0	4.5
±500	3.0	3.5	5.0
±600	4.0	5.0	6.0
±800	6.0	7.0	8.0
±1100	8.0	9.0	10.0

Получение тепловизионных снимков с дрона