3993

Вимірювання модуляційної передавальної функції мікроболометричної тепловізійної камери

Лабораторная работа

Производство и промышленные технологии

Лабораторна робота №4 Вимірювання модуляційної передавальної функції мікроболометричної тепловізійної камери Мета роботи Ознайомлення з основними методами вимірювання модуляційних передавальних функцій тепловізійних камер, набуття навичок роботи з т...

Украинкский

2012-11-10

228.2 KB

8 чел.

Лабораторна робота №4

Вимірювання модуляційної передавальної функції

мікроболометричної тепловізійної камери

Мета роботи

Ознайомлення з основними методами вимірювання модуляційних

передавальних функцій тепловізійних камер, набуття навичок роботи з

тепловізором на мікроболометричній матриці.

Завдання

1. Ознайомитись з основами роботи тепловізійних камер на

мікроболометричній матриці та з критеріями оцінки якості тепловізійного

зображення.

2. Визначити модуляційну передавальну функцію тепловізійної камери за

результатами вимірювань функції передачі контрасту штрихових мір.

Прилади та обладнання

1. Тепловізійна камера на базі мікроболометричної матриці.

2. Відеоконтрольний пристрій або комп’ютерний монітор з інтерфейсним

блоком (фрейм грабером).

3. Імітатор теплових полів: фоновий випромінювач, температура якого може

змінюватись, та набір штрихових тест-об'єктів.

4. Осцилограф С1-81.

5. Вимірювальна лінійка або рулетка.

Основні положення

Досить змістовним критерієм оцінки якості тепловізорів як зображуючих

систем є модуляційна передавальна функція (МПФ). Ця функція є модулем

передавальної функції H (ν x ,ν y ) :

H (ν x ,ν y ) = M (ν x ,ν y ) .

Передавальна функція є нормованим двовимірним перетворенням Фур'є від

функції розсіювання точки і характеризує поведінку оптично-електронної

системи в області просторових частот та визначається залишковим контрастом

зображення синусоїдальної міри одиничного контрасту.

Поняття передавальної функції, а отже і МПФ можна застосовувати лише

для інваріантних систем. Тепловізор є системою у складі тепловізійної камери

та монітору. При невеликих температурних контрастах і невеликих полях зору

ця система може вважатись інваріантною і її МПФ визначається добутком

(4.1)

M (ν x ,ν y ) = M к (ν x ,ν y ) ⋅ M м (ν x ,ν y ) ,

де M к (ν x ,ν y ) - МПФ тепловізійної камери; M м (ν x ,ν y ) - МПФ монітору.


Експериментальні та теоретичні дослідження свідчать про те, що МПФ

більшості тепловізорів визначаються насамперед МПФ тепловізійної камери:

M (ν x ,ν y ) ≈ M к (ν x ,ν y ) .

Вимірювання МПФ

Для вимірювання МПФ можна використовувати як прямі, так і непрямі

методи. Серед непрямих методів вимірювань найбільш розповсюдженим є

обчислення МПФ як просторового Фур'є-спектру від функції розсіювання лінії.

Прямі методи полягають в вимірюванні рівня сигналу від періодичного

тест-об'єкту з синусоїдальним розподілом енергетичної яскравості вздовж однієї

координати (рис.1, а). Практична реалізація таких вимірювань в

інфрачервоному діапазоні спектру з достатньою точністю наразі є дуже

проблематичною внаслідок складності виготовлення синусоїдальних тестоб'єктів різної просторової частоти. Тому в вимірювальних стендах для

тепловізійної апаратури часто використовуються скінченні штрихові періодичні

тест-об'єкти (рис. 4.1, б).

а)

б)

Рис. 4.1. Штрихова тест-міра для вимірювання МПФ: а) синусоїдальний тестоб'єкт; б) штрихова тест-міра

В цьому випадку для розрахунків фактичних МПФ необхідно враховувати,

по-перше, просторову обмеженість тестових мір, по-друге, відмінність

розподілу вхідного сигналу від гармонійного.

Для того, щоб досліджувана оптично-електронна система реагувала на

реальний тест-об'єкт як на нескінченно-протяжний, ширина зображення

кожного штриха міри певної просторової частоти, повинна істотно

перевищувати ширину функції розсіювання досліджуваної системи (інакше не

вдасться точно виміряти найбільший і найменший сигнали при скануванні

вздовж вибраного напрямку). Як показують розрахунки, в ідеальному

випадку з безабераційним об’єктивом результат вимірювання МПФ перестає

залежати від числа n періодів міри вже при n = 7, а при n = 5 похибка у

визначенні МПФ не перевищує 1%.

В разі заміни об’єкту з синусоїдальним розподілом енергетичної яскравості

на штрихову тест-міру, вхідний сигнал є сумою елементарних синусоїд з


частотами, кратними 2n +1, де n - номер гармоніки. Для розрахунку МПФ по

штриховому тест-об'єкту необхідно виділити першу гармоніку у виміряному

сигналі. Основними методами виділення потрібної гармоніки з сумарного

сигналу є фільтрація за допомогою електричного фільтру, оптична фільтрація з

використанням перетворення Фур’є, перерахунок контрасту зображення

штрихової міри в контраст зображення синусоїдальної міри по формулі

Колтмена (виключно для осьової точки об'єкту) [4].

У даній роботі використовується останній спосіб. Формула Колтмена дає

можливість визначити контраст в зображенні синусоїдальної міри по контрасту

в зображенні штрихової міри і навпаки. За кордоном просторово-частотну

залежність передачі контрасту в зображенні штрихової міри називають

функцією передачі контрасту (Contrast Transfer Function, CTF). Залежність МПФ

від CTF для деякої частоти ν має вигляд:

M (ν ) = K c (ν ) =

π

4

[ K п (ν ) +

ν

K п (3ν ) K п (5ν ) K п (7ν ) K п (11 ) K п( 13ν) K п( 15ν)

+

+

3

5

7

11

13

15

K п (17ν) K п (19ν)

+

...] ,

17

19

(4.2)

де K c (ν ) - контраст зображення синусоідальної міри з частотою ν; K п (ν ) контраст зображення прямокутною міри з частотою ν;

а обернена залежність має вигляд:

K п (ν ) =

4

π

[ M (ν ) −

M (3ν ) M (5ν ) M (7ν ) M (9ν ) M (11 )

ν

+

+

+ ...] .

3

5

7

9

11

(4.3)

Із наведених формул (4.2), (4.3) видно, що перша залежність, на відміну від

другої є нерегулярною. Таким чином, використання формули Колтмена

збільшує об'єм вимірювань внаслідок необхідності визначати контраст по

прямокутній мирі для кількох додаткових значень частот, крім заданих.

Наприклад, якщо смуга частот, які пропускає система обмежена значенням 130

мм-1, то для обчислення МПФ на частоті ν =10 мм-1, необхідно визначити CTF

на 6-ти просторових частотах - ν =10, 30, 50, 70, 110, 130 мм-1:

K п (3 ⋅ 10) K п (5 ⋅ 10) K п (7 ⋅ 10) K п (11 ⋅ 10) K п (13 ⋅ 10)

π

M (10) =

4

[ K п( 10 ) +

3

5

+

7

+

11

13

]

Зазвичай можна обмежитися першими трьома або чотирма членами

формули, оскільки наступні члени мають невеликі значення. Для першої

гармоніки модульованого сигналу формули (4.2), (4.3) спрощуються:

M (ν ) =

π

4

⋅ K п (ν ) , K п (ν ) =

4

π

⋅ K c (ν ) .


Величина CTF K п (ν ) для поточної просторової частоти ν є відношенням

контрасту зображення прямокутною міри цієї частоти до контрасту самої міри.

В разі використання міри одиничного контрасту CTF дорівнює контрасту

зображення міри і обчислюється за формулою

Kп =

Lmax − Lmin

,

Lmax + Lmin

(4.4)

де Lmax , Lmin - максимальна і мінімальна яскравість зображення тест-

об ′ єкту відповідно.

Для визначення

МПФ тепловізійної камери, на виході якої немає

зображення, величини Lmax , Lmin потрібно замінити на відповідні максимальну і

мінімальну амплітуди I max , I min відеосигналу в рядку телевізійної розгортки

(рис. 4.2).

Рис. 4.2. Вимірювання сигналів в рядку для визначення CTF

Схема лабораторної установки

Лабораторна установка складається з імітатора теплових полів, тепловізора

та осцилографа С1-81.

Імітатор теплових полів призначений для встановлення та підтримання

необхідного температурного контрасту на тест-об'єкті заданої просторової

частоти. Він складається з тест-об'єкта 1 (рис. 4.3) і джерела фонового

випромінювння 2. Управління температурою джерела фонового випромінювння

2 здійснюється електричним нагрівачем і контролюється з допомогою

термометра 3.


Рис. 4.3. Схема лабораторної установки для вимірюння МПФ: 1 - тестоб'єкт; 2 - джерело фонового випромінювння; 3 – термометр; 4 - тепловізійна

камера; 5 – ВКП; 6 - осцилограф

Тепловізійна камера 4 Thermal Eye TSC має матричний приймач

випромінювання 160х120 пікселів розміром 30х30 мкм2 кожний і обладнана

об’єктивом з фокусною відстанню 16 мм, що забезпечує кутове поле зору

17ох12о. Вихід тепловізійної камери 4 може підключатись до відеоконтрольного

пристрою 5 (або будь-якого монітору з відповідним інтерфейсом) та до

осциллографу з виділенням рядка С1-81.

Відстань між тест-об'єктом 1 і тепловізійною камерою 4 становить близько

3,8 м.

Заходи безпеки під час виконання лабораторної роботи

В ході виконання лабораторної роботи використовуються прилади, що

підключені до електричної мережі. Виконавцям роботи необхідно

дотримуватись правил безпеки, що викладені в додатку 1 до методичних

вказівок.

Порядок виконання роботи

Вимірювання в даній роботі виконуються тільки для горизонтально

орієнтованої тест-міри починаючи з мір з найменшою просторовою частотою

штрихів.

1. За методичними вказівками, конспектом лекцій, відповідно до

літератури з ′ ясувати мету та зміст роботи, ознайомитись із схемою (рис. 4.3).

Вивчити правила роботи з осцилографом за додатком 2.

2. Ввімкнути тепловізійну камеру, відеоконтрольний пристрій та

осцилограф.


3. З набору штрихових мір перед джерелом фонового випромінювання

(кюветою з водою) встановлюється міра з найменшою просторовою частотою.

Міру, температура якої вважається рівній температурі оточуючого середовища,

розташувати на відстані ≈50 мм від фонового випромінювача в центрі поля зору

тепловізійної камери.

4. За допомогою електроводонагрівача температура фонового

випромінювача доводиться до величини, що на ΔT1 (задається викладачем) є

меншою, ніж температура об'єкту. Температура контролюється термометром.

Рівномірність температури по полю зору необхідно забезпечити

перемішуванням води в кюветі.

5. З допомогою осциллографа визначити максимальну і мінімальну

амплітуди I max , I min відеосигналу від штриха міри в рядку телевізійної розгортки

(рис. 4.2) і занести ці дані в табл. 4.1. В ході вимірювань необхідно запобігати

потраплянню в поле зору тепловізійної камери сторонніх нагрітих предметів та

людей. Вимірювання виконувати в центральній частині штрихової міри.

6. Зимінити штрихову міру на більш високочастотну і повторити п.5 для

всього набору мір.

7. За допомогою електроводонагрівача температуру фонового

випромінювача довести до величини, що на ΔT2 (задається викладачем) є

меншою, ніж температура об'єкту.

8. Повторити пп.5, 6.

9. Після закінчення вимірювань розрахувати для кожної міри її частоту у

кутових одиницях в занести дані до табл. 4.1. Просторова кутова частота ν xi

кожної міри розраховується виходячи з фокусної відстані об’єктива

тепловізійної камери і відстані до об’єкта. За необхідності виміряти рулеткою

чи лінійкою відстань між тепловізійною камерою і тест-об'єктом.

10. За значеннями I max , I min для кожної міри з частотою ν xi розрахувати

контрасти K п (ν xi ) і занести ці дані в табл. 4.1.

11. Для кожної міри частотою ν підібрати частоти в 3 та в 5 разів більші та

K (3ν ) K п (5ν )

і

, занести дані до табл. 4.1.

вирахувати контрасти п

3

5

12. За формулою (4.2) розрахувати значення МПФ M (ν ) на всіх частотах.

В разі відсутності більш високочастотних доданків враховувати ті, що є.

13. По отриманих даних побудувати графіки МПФ для температурного

контрасту ΔT1 , ΔT2 .

Таблиця 4.1

Результати вимірювань модуляційної передавальної функції

ΔT2 = оС

ν xi ,

ΔT1 = оС

міри

мрад-1 I min I max K п (ν ) K п (3ν ) K п (5ν ) M (ν ) I min I max K п (ν ) K п (3ν ) K п (5ν ) M (ν )

5

5

3

3


1

2

3

Зміст звіту

Звіт повинен містити:

1. Схему макету.

2. Заповнену таблицю вимірювань.

3. Графіки МПФ для температурного контрасту ΔT1 , ΔT2 .

4. Висновки.

Контрольні питання

1. МПФ та її зв'язок з іншими характеристиками оптично-електронного

приладу.

2. Способи вимірювання МПФ.

3. Похибки, що виникають при вимірюванні МПФ з допомогою мір Фуко.

4. Формула Колтмена.

Література

1. Колобродов В.Г., Лихоліт М.І. Проектування тепловізійних і

телевізійних систем спостереження. – К.: Політехніка, 2007. – 360 с.

2. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение. –

М.: Мир, 1988. – 216 с.

3. Колобродов В.Г., Шустер Н. Тепловізійні системи. – К.: Тираж, 2001. –

340 с.

4. Coltman J.W. The specification of imaging properties by response to a sinewave input.- J. Opt. Soc. America, 1954, v.44, №6.



 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

15457. Діяльність князів Романа і Данила. Розквіт Галицько-Волинського князівства 31.5 KB
  Діяльність князів Романа і Данила. Розквіт ГалицькоВолинського князівства. Обєднання Галичини й Волині Правління Романа Мстиславича Скориставшись смертю у 1199 р. останнього представника династії Ростиславичів Володимира Ярославича Роман Мстиславич спи...
15458. Зовнішня політика та значення Галицько-Волинської держави 40.5 KB
  Зовнішня політика та значення ГалицькоВолинської держави. По смерті Ярослава Мудрого з початком феодальної роздробленості Галицьке князівство відокремилося від Києва. Першими галицькими князями були нащадки онуків Ярослава Мудрого Ростиславичі а на Волині Мстисла...
15459. Шляхи та причини входження українських земель до Великого князівства Литовського, мовний та культурно-релігійний склад держави 40.5 KB
  Шляхи та причини входження українських земель до Великого князівства Литовського мовний та культурнорелігійний склад держави. В 40х роках ХІV ст. українські землі зазнали розчленування. Після війни 13511352 рр. між Польщею і Литвою Галичина залишилась під владою Польщі а Бе...
15460. Кревська унія 37.5 KB
  Кревська унія. У XIV ст. українські землі роздроблені на окремі князівства й ослаблені зопотоординським ігом підпали під владу кількох феодальних держав. Після смерті 1340 р. галицьковолинського князя Юрія II Польща й Угорщина напали на Галичину яка внаслідок довгої та
15461. Українські землі в складі Речі Посполитої. Люблінська унія та стан справ в українських землях після унії 35 KB
  Українські землі в складі Речі Посполитої. Люблінська унія та стан справ в українських землях після унії. Польські феодали почали наступ на українські землі відразу після монголотатарської навали. Особливо активізувався цей процес у другій половині XVI першій чверт...
15462. Загарбання турками і татарами Південної України і їх наслідки на інші українські землі (друга половина 15 ст.) 27 KB
  Загарбання турками і татарами Південної України і їх наслідки на інші українські землі друга половина 15 ст. Середина XIV ст. стала початком розпаду Золотої Орди. Нескінченні чвари та суперечки суттєво ослабили центральну владу посилили відценіроеі тенденції в Орді що ...
15463. Виникнення і початкова історія українського козацтва 39 KB
  Виникнення і початкова історія українського козацтва. Головною причиною виникнення козацтва на українських землях став дедалі зростаючий соціальний національний та релігійний гніт українського народу. На захист його прав стало козацтво. Козацтво в Україні набуло ш...
15464. Військово-адміністративний устрій Запорозької Січі 44.5 KB
  Військовоадміністративний устрій Запорозької Січі. Питання про утворення Запорозької Січі історики і досі продовжують досліджувати. Вони не дійшли спільної думки чи можна хортицькі укріплення вважати Січчю а князя Дмитра Вишневецького Байду старосту канівського і...
15465. Українське Козацтво в 2ій половині 16 ст. у першій половині 17.ст 42.5 KB
  Українське Козацтво в 2ій половині 16 ст. у першій половині 17.ст. Колоніальна політика Польщі посилення кріпацтва покатоличення викликали активний протест українського населення і зумовили шерег потужних повстань які мали антифеодальний та національновизвольний хар