Термовизија

Слика пса снимљена инфрацрвеном техником.

Термовизија или термограм (од грчке речи термо - топло и латинског глагола видео, видере - видети, гледати, у буквалном преводу: »гледање топлоте«, је систем снимања топлоте објеката.

Термовизијско снимање

Термовизијско снимање представља неконтактни метод којим се у делићу секунде региструје емитовање топлоте, односно инфрацрвено зрачење. Сва тела емитују инфрацрвено зрачење, па чак и лед.

Праћење емитовања тих зрачења нашло је широку примену за праћење различитих појава у различитим областима људског деловања, као што су електроника, машинство, грађевинарство и архитектура, али и у медицини. У грађевинарству се овај метод користи да би се идентификовала „лоша” места, као и да би се дала груба процена губитка топлоте.

Камере за термовизијско снимање су по спољашњем изгледу сличне филмским камерама, али су посебно прилагођене да „виде” онај део инфрацрвеног спектра који је за људско око невидљив, те се зато називају још и инфрацрвеним камерама.

Тумачење термограма

Термовизијске фотографије привлаче пажњу због својих живописних боја и чињенице да приказују свет који је људском оку недоступан. Ипак, њихова сврха је да реално прикажу постојеће стање емитовања топлоте, а тек након њихове обраде могу се изводити закључци. Сваки термограм представља слику за себе, јер поседује сопствену палету боја, и два термограма се не могу поредити по бојама, чак и у случају када се ради о истим објектима. Стога, уз сваки термограм мора постојати скала боја, која боје доводи у везу са температуром.

Да би се прецизно могле одредити температуре, термовизијска камера сачињава и температурни дијаграм који приказује промену температуре на објекту и то само дуж линије која је повучена на термограму.

Што су боје уједначеније на термограму, то је уједначеније одавање топлоте, и обрнуто. Да би се установила оквирна мера одавања топлоте потребно је узети у обзир разлику између спољашње и унутрашње температуре зида и ваздуха (спољашњи и унутрашњи снимак).

Светлије и топле боје (жута, црвена) указују на топлија места, а тамније и хладне боје (плава, љубичаста) на хладна места.

Термовизијски уређаји

Термовизијски уређаји су настали због потребе повећања ефикасности при осматрања ноћу и у условима смањене дневне видљивости или лоших временских прилика.

Прва испитивања сензора који мере сопствена зрачења позадине и објекта везана су за експерименте у ИР (Инфра Ред) делу спектра још 1900.године. Прве употребе ИР сензора у војне сврхе забележене су у Првом светском рату, детектовањем авиона на растојању од 1,5 km, а човека на 0,3km.

Брз развој ИР система између два рата довео је до њихове велике употребе у Другом светском рату. Развој технологије је омогућио добијање ИР слике на основу зрачења далеке 1919. год. а тек око 1930. године развијени су први уређаји за осматрање зрачења у ИР опсегу.

Током раних шездесетих година прошлог века почео је развој уређаја који су способни да детектују видљиву светлост ниског интензитета (месечев сјај, звезде) уз примену појачивача светлости, до корисног употребљивог нивоа за људско око. Ови системи раде на детекцији рефлектоване радијације извора ниског интензитета.

Спектрална осетљивост је била ограничена на видљиви део спектра а повећање граничне таласне дужине осетљивости омогућило је рад у подручју (0,9 m). Тако су настали мултиспектрални скенери који дају ИР слику терена из ваздуха. Развијене су диоде које детектују низак ниво термалне радијације.

Тако је настао уређај за термовизијску слику, која се формира на основу сопственог зрачења објекта. Зрачење терена у ИР делу спектра зависи од температуре објекта и позадине, врсте и физичког састава објекта и околине, као и зрачења сунца. ИР сензори на принципу линијског скенирања, имају углавном два опсега рада: - од 3-5 m (нижи опсег), и опсег - од 8-14 m (виши опсег).

При простирању кроз атмосферу слабљење електромагнетних таласа је селективно у односу на таласне дужине и састав атмосфере. Пријемна оптика има задатак да сакупља електромагнетну енергију и усмерава је на детектор.

Сваки објекат на температури изнад апсолутне нуле (-273 0Ц) емитује термалну енергију у инфрацрвеном региону електромагнетног спектра, али њен велики део бива расејан и апсорбован у атмосфери. У оквирима ових прозора апсорпција је минимална и у њима се врши детектовање и праћење. Детекција и праћење објеката у овим дуготаласним регионима се заснива на мерењима температуре и емитансе између објеката и позадине. Кључна кола у овим мерењима су квантни детектори. Квант је одређена количина енергије на датој таласној дужини и квантни детектор је склоп који прима количину топлоте кванта. Најзаступљенији материјал је кадмијум меркури телурид (ЦМТ-Цадмиум Мерцурy Телурид), који мења електричну отпорност када прими квант топлоте.

Основне технике формирања термалних слика

Слика настала термовизијским системом представља објекте и сцену у којима је контраст слике резултат зрачења и емисивности тела на различитим температурама објекта и позадине. Сам процес стварања термалне слике се разликује од начина формирања слике у видљивом делу спектра.

Термално зрачење зависи само од температуре и емисивности тела и ако је температура тела већа од апсолутне нуле (-273.160Ц) по теоријском моделу зрачења црног тела, електромагнетни спектар теоријски обухвата све таласне дужине. Међутим, у пракси објекти се налазе на позадини која мења њихову температурну сигнатуру, и објекти не зраче као идеална црна тела. Ове чињенице указују да термална слика носи више информација него стандардна слика у видљивом делу спектра, добијена процесом рефлексије зрачења изван самих објеката. Сви постојећи термовизијски сензори могу се разврстати по принципу рада на две основне врсте.

То су:

• термовизијски системи са линијским скенирањем (ИРЛС- Инфра Ред Лине Сцанинг) и
• термовизијски системи са детекторима у фокусној равни (ФПА-Фоцал Плане Арраy).

Формирање термалне слике, посматрано са технолошког аспекта, пролазило је кроз четири основне фазе. У самом почетку инфрацрвени лик објекта се формирао коришћењем инфрацрвеног детектора са хлађењем. Одраз на слици се формирао кретањем скенирајућег огледала по хоризонталној и вертикалној равни на који пада инфрацрвено зрачење са терена, анализирајући један по један елемент слике. Рефлектујући се од огледала, ИР зрачење пролази кроз оптику и пада на дискретни детектор. Ова врста детектора названа је електромеханичким скенерима. Фотопроводник ЦМТ је веома осетљив материјал за детекторе и ради на веома ниским температурама, где је однос сигнал/шум висок. Потребно је да се детектор хлади на температури око 80 K.

Његова конструкција зависи од методе хлађења, као што је термоелектрична (Јулл-Тхомпсон) или коришћењем мотора са затвореним циклусом хлађења, на пример коришћењем принципа Стирлинговог циклуса. Појавом линијских детектора, прешло се на скенирање методом линија по линија (линијски скенери). Овде се врши скенирање терена линијом од н детекторских елемената.

Једноелементни ЦМТ детектор се користи за формирање слике малом брзином. У системима који раде са брзином од 25 фпс (фраме фер сецонд), и тамо где је потребна велика резолуција у реалном времену, користи се детекторски низ.

Елеменат детекторског низа се оптички скенира и ствара слику. Недостатак ових метода скенирања је сложеност електронских уређаја потребних за обраду сигнала. У последње време појавом тзв. СПРИТЕ (Сигнал Процессинг Ин Тхе Елемент) детектора, као једне врсте линијских редних скенера, постиже се бољи квалитет слике, уз мању цену и већу брзину рада.

Овакав начин формирања термалне слике назван је електромеханички. У овој методи, још увек постоји скенирајуће огледало које се окреће по хоризонталној и вертикалној оси. СПРИТЕ детектори представљају специјалну врсту термовизијских сензора која је заснована на принципу линијских редних скенера. У СПРИТЕ детектору сваки ред "ин-лине" елемента слике се формира из једне траке ЦМТ елемента. Другим речима детекторски низ фотоосетљивих диода замењен је еквивалентном фотоосетљивом траком. Системи за формирање термалних слика са СПРИТЕ детекторима су мање комплексни а више ефикасни од "ин-лине" детекторских система. Димензије квантног детектора су ограничене компромисом између смањења фактора термалног шума и цене материјала. Појавом такозваног мозаичног система за формирање термалне слике, на најбржи начин се долази до инфрацрвене слике терена, без скенирајућих елемената.

Последње две методе користе поред стандардних сочива и објектива, колиматор и светлосни дисперзер.