Инфракрасная радиометрия термически неоднородных объектов с изменяющейся излучательной способностью

Для контроля физических и технологических процессов широко используются радиофизические методы измерений параметров, характеризующих как динамику процессов, так и их качество. Широкое применение нашли акустические, оптические, температурные и другие способы контроля параметров различных объектов и систем: Учитывая^ что большинство физических и химических процессов сопровождаются изменением собственной' температуры объекта, одним из наиболее используемых является^контроль температурных режимов [4].

При решении ряда научных и технических задач [2] .(радиоастрономия, физические и химические эксперименты, контроль, технологических режимов^ дефектоскопия, и т. д.) требуется производить измерение температуры" различных объектов преимущественно бесконтактными методами. Способы, основанные на бесконтактной передаче информации: от закрепленного на объекте-контактного датчика [3], имеют ограниченную область применения и не получили широкого распространения: Это связано с особенностями, контактного измерения температуры: инвазивность метода,, влияние качества контактасложности при измерении температуры движущихся объектов' и т. д. Наиболее часто задачабесконтактной термометрии решается^ путем применения инфракрасных (ИК) радиометров, измеряющих интенсивность собственного теплового излучениям объектов, в широком диапазоне длин волн. .

Температура является информативным показателеми в медицине. Так, различные устойчивые изменения температурного профиля человека часто предшествуют клиническим проявлениям. патологического процесса и, следовательно, являются показателями для ранней диагностики. Перспективность применения радиометров инфракрасного излучения, подтверждается практикой использования ИК тепловидения при медико-биологических исследованиях, при профилактических осмотрах населения, при оценке эффективности и выборе тактики лечения и определения сроков выздоровления. Все это требует разработки прецизионных радиометров теплового радиоизлучения, позволяющих измерять температуру человека с высокой точностью.

Условия, в которых используется современный ИК радиометр для контроля физических экспериментов и технологических процессов, могут выглядеть следующим образом: измерение температуры объекта в широком диапазоне (от отрицательных до нескольких тысяч градусов) с расстояния от 10 мм до 10 метров, с учетом внешних факторов (пыль, рентгеновское излучение, широкий диапазон внешних температур и др.) и особенностей самого объекта измерения (излучательная способность, характер поверхности, размеры и т. д.). Таким образом, возникает необходимость в решении задачи эффективного измерения мощности ИК излучения объекта в широком динамическом диапазоне мощности, как информативного излучения, так и излучения, являющегося помехой.

Сфера применения ИК радиометров постоянно расширяется, при этом повышаются требования, предъявляемые к точности, чувствительности, пространственной разрешающей способности, быстродействию, динамическому диапазону ИК радиометров. Современный радиометр должен обеспечивать:

— высокую пространственную разрешающую способность;

— широкий динамический диапазон значений мощности входного излучения;

— высокую точность измерения;

— достаточное быстродействие;

— устойчивость к внешним факторам;

— высокую надежность, простоту эксплуатации и обслуживания.

Точное определение физической температуры объекта по его тепловому.

ИК радиоизлучению, т. е. по его радиационной температуре, представляет собой сложную задачу и зависит от большого числа внешних факторов. При создании радиометров для контроля температур технологических процессов, медико-биологических исследований, физических экспериментов, возникают следующие внешние мешающие факторы:

— зависимость • излучательной способности объекта от температуры, угла наблюдения и состояния поверхности;

— переменный коэффициент пропускания промежуточной среды, разделяющей поверхности исследуемого образца и измерительной системы;

— помеха, связанная с приемом фонового (мешающего) ИК излучения;

— нагрев оптической^ системы радиометра излучением объекта при измерении высоких температур с небольших расстояний;

— значительные изменения температуры окружающей среды;

— внешние факторы (запыление оптической системы);

— внешние механические воздействия на радиометр.

Из общей постановки, задачи по разработке методикиизмерений и. соответствующего приборного, парка вытекает необходимость решения следующих* частных задач:

— разработка методики радиометрических измерений при, неизвестной^ или/и переменной’излучательнойхпособности*поверхности объекта;

— определение оптимальной конфигурации оптической' системы для различных измерительных задач;

— бесконтактный контроль расстояния до объекта измерения;

— компенсация погрешности модуляционнойрадиометрии, вызванной влиянием внешних температур;

— разработка эффективных* алгоритмов обработки данных при радиометрических измерений.

Рассмотримкак в настоящее время решаются перечисленные задачи, в частности, в существующих серийных ИК радиометрах. Наибольшую погрешность при бесконтактном измерении температуры объекта в широком диапазоне температур, а,' следовательно, в такой области применения, как контроль технологических процессов вносит неизвестная и/или переменная излучательная способность поверхности объекта [21].

Зависимость коэффициента излучения объекта от его температуры, свойственная некоторым веществам, приводит к тому, что полная мощность теплового излучения объекта зависит от его температуры сложным образом [35], что затрудняет бесконтактные измерения. Определенные трудности вызывает многообразие в ИК диапазоне излучательных свойств веществ, резко отличающихся свойствами друг от друга: газы и металлы, керамика и пластика, пыль и композиционные материалы, многослойные покрытия и системы геометрических полостей. Кроме того, одно и то же вещество может иметь различные характеристики при разных состояниях поверхности, а также в монолите и в диспергированном состоянии [27, 28].

Так в источнике [28] авторами даны примеры зависимостей интегральных в ИК диапазоне и спектральных излучательных способностей ряда веществ от температуры и длины волны. Показано, что интегральный коэффициент излучения большинства металлов (диэлектриков) увеличивается (уменьшается) при нагревании.

В работе [31] установлено, что образование оксидного слоя на поверхности вольфрамового проводника резко меняет его излучательные характеристики, к примеру, интегральный в ИК диапазоне коэффициент излучательной способности резко возрастает от 0.16 до 0.8.

В [33] показана зависимость интегрального коэффициента излучения от угла наблюдения. Показано, что металлы починяются закону Ламберта (коэффициент излучения постоянны, для любого направления наблюдения) в интервале углов наблюдения 0-И0°, а диэлектрики — в интервале углов 0-ь60°. За пределами этих значений коэффициент излучения быстро уменьшается до нуля при направлении наблюдения по касательной. В случае металлов этому спаду соответствует небольшой подъем. Излучательная способность воды на длине волны Юмкм близка к абсолютно черному телу при наблюдении по нормали к ее поверхности и становится зеркалом (е= 0) при наблюдении по касательной.

Таким образом, недостаточность сведений об излучательной способности поверхности объекта иот ее температурной и временной зависимости является одной из основных причин значительных погрешностей бесконтактных измерений температуры. Погрешности бесконтактных измерений в реальных условиях может на один-два порядка превосходить ее величину, приведенную в технических данных на прибор. Рассмотрим как сейчас решается эта проблема в существующих ИК радиометрах.

Известно несколько основных методов построения инфракрасных радиометров, позволяющих измерять температуру объекта при отсутствии информации об его излучательной способности:

• аналитический метод определения излучательной способности [29,30,32];

• метод спектрального отношения интенсивностей теплового излучения объекта не менее чем в двух спектральных интервалах [4, 5, 6, 21];

• методы, основанные на* введении дополнительных измерительных каналов, для (Определения коэффициента излучательной способности и пропускания промежуточной среды с последующей коррекции показанийфадиометров*[9, 12, 18−20];

• методы модуляционной рефлектометрии [22, 24].

Аналитический метод:

Известны алгоритмы определения истинной* температуры нагретого тела по его тепловому излучению, основанные на параметрической аппроксимации излучательной способности во всемдоступном* для измерения спектральном диапазоне (глобальная аппроксимация) [32].

Однако параметрическая модель излучательной способности предварительно, как правило, либо не известна, либо не может быть выражена аналитически с помощью небольшого числа параметров. Это приводит к неустранимой методической погрешности в определении физической температуры.

В работах [29, 30] автор предлагает для определения физической температуры объекта использовать фиктивную излучательную способность, которая определяется как отношение зарегистрированной спектральной интенсивности объекта при фиксированной длине волны излучения к спектральной интенсивности черного тела при той же длине волны и произвольно заданной (фиктивной) термодинамической температуре. Фиктивная излучательная способность связана с излучательной способностью объекта через множитель, который зависит от длины волны излучения, искомой истинной температуры и фиктивной температуры. Вывод о величине истинной температуры объекта делается на основании сопоставлении результатов, полученных для различных спектральных интервалов. Однако в данном методе полагается, что в спектре теплового излучения имеются относительно малые спектральные интервалы, в которых излучательная способность линейно зависит от длины волны излучения. В общем случае, это справедливо для металлов, однако для диэлектриков излучательная способность довольно быстро меняется в ИК спектре [4]. Это накладывает ряд ограничений на применимость предложенного метода.

К аналитическим методам можно отнести и традиционный подход, реализованный в большинстве современных серийных ИК радиометрах [15, 16, 17], по которому в радиометре определена таблица лабораторно измеренных излучательных способностей наиболее распространенных материалов, взятая, к примеру, из [33, 34]. Перед каждым измерением необходимо выбрать излучательную способность того же материала, что и исследуемый образец, нагретый до такой же температуры в контролируемых лабораторных условиях, Однако данный метод не дает положительных результатов, когда невозможно определить тип исследуемого материала, что I может привести к значительной погрешности измерений, особенно при контроле технологических процессов. Кроме того, излучательная способность — это функция температуры, угла наблюдения и состояния поверхности (шероховатость, оксидная пленка на поверхности и т. д.).

Метод спектрального отношения:

Существуют пирометры, спектрального отношения [4, 36, 37, 65- 66]- которые позволяют уменьшить погрешность при определении температуры вусловиях неизвестной излучательной способности. Пирометры спектрального отношения работают в нескольких достаточно близких спектральных интервалах, в которых принимаются равными спектральные: излучательные способности объекта.

Потенциальное температурное разрешение многоспектральных систем хуже, чем одно — и двухспектральных [38].

В работе [39] указывается, что многоспектральные системы пригодны для получения! точных результатов только в, ограниченном классе задач и очень требовательны к точности настройюг приборов. В частности, отмечено, что ошибка аппроксимации функции е (Х) порядка 0.1% могут привести: к: погрешности измерения в десятки процентов.

В работе [23] авторами предложен способу позволяющий расширить диапазон измеряемых температур пирометрами-спектрального отношения за счет увеличения числа спектральных диапазонов. В: патенте [67] ¦ автор предлагает конкретную реализацию многоспектрального пирометра (трихроматический пирометр), однако к недостаткам предложенного пирометра можно отнести сложность изготовления! и. юстировки большого количества оптических деталей:

Кроме того, пирометры спектрального отношения! не применимы для использования! в широкомдиапазоне измеряемых температур, что накладывает ограничения? на использовании данных, приборов в промышленности.

В: последние годы появилась возможность в каждомэксперименте непосредственно наблюдать распределение интенсивности в спектре излученияс помощью спектрометров на п.з.с.-фотоприемниках. При этом можно проверить соответствие (хотя бы в отдельных диапазонах) наблюдаемого спектра формуле Планка и определить температуру излучения как параметр равновесного распределения [93].

Так, в работе [94] авторами предложен метод термометрии, в котором^ предлагается регистрировать тепловое излучение объекта в широком участке спектра в области^ Вина и представлять данные в координатной плоскости, в которой функция Планка спрямляется. При этом температуру определяют по наклону прямой> без привлечения гипотез об излучательной способности объекта.

В1 области Вина функция Планка принимает вид 1п (Я5МЛ) — 1п (?лС,) = -С21{ХТ). При- £х= const участок спектра в этой области спрямляется в координатной плоскости (Х, У), где Х = 1п (Л5МХ), у = -с2/Я, причем наклон прямой определяется* температурой излучения. Если ' ех постоянно или слабо меняется в выбранном диапазонето это изменение проявляется в параллельном переносе прямой вдоль оси X, но наклон прямой и искомая! температура остаются постоянными.

Однако в этом методе не учитывается зависимость вида* 1пел, что, в некоторых случаях может привести к значительной? методической погрешности. Насколько широк температурный диапазон и класс объектов, для которых можно* найти спектральные участки, где тепловое излучение описывается* планковским законом и спрямляется< без привлечения каких-либо данных об коэффициенте излучения, в настоящее время не известно.

Кроме того, авторы используют спектрометр с кремниевой п.з.с,-линейкой, чувствительнойв, диапазоне 200-ь850нм, что не позволяет проводить измерения, низких температур (Т<1000 К).

Метод*модуляционной рефлектометрии:.

Метод рефлектометрии основан назаконе Кирхгофа, который связывает излучательную и отражательную способность непрозрачных тел. Так, по закону Кирхгофа1 ?(Я, Г) = 1-р (Я, Г), где е — излучательная способность тела, р — отражательная способность. Это закон также справедлив и для' интегральных величин.

В работе [22] автором предложено пирометрическое устройство, реализующее метод модуляционной рефлектометрии, однако большое количество светофильтров, полупрозрачных зеркал и приемников" излучения уменьшаю чувствительность измерений при низких температурах.

В патенте [10] описан пирометр, предназначенный для контроля излучательной способности и температуры, кремниевых подложек при их выращивании. Данный пирометр содержит источник излучения, позволяющий определять коэффициенты отражения поверхности исследуемого объекта на двух длинах волн и находить их отношение. Полученное значение используется для вычисления физической температуры объекта. Преимуществом описанного устройства является то, что прибор не требует предварительной калибровки излучения подсветки на зеркальную поверхность, однако, основным недостатком описанного устройства, как и всех пирометров работающих в узкой спектральной полосе, является невысокая чувствительность при низких температурах объекта.

Известно устройство [24] для бесконтактного измерения температуры биологических объектов. Данное устройство содержит генератор импульсного питания, последовательно соединенный с лазерным излучателем, работающим в видимом диапазоне длин волн, приемной оптической системой лазерного излучения, — последовательно соединенной со вторым приемником излучения. По величине отраженного от поверхности исследуемого объекта лазерного излучения подсветки оценивают изменение спектральной излучательной способности в видимом диапазоне, в то время как пирометрические измерения проводятся в инфракрасном диапазоне. В общем случае, коэффициент излучения поверхности в видимой области спектра часто почти не связан с коэффициентом излучения на инфракрасном участке спектра [33], т. е. предложенный пирометр не применим для измерения температур в широком диапазоне. Кроме того, лазерный излучатель подсветки не применим в таких областях медицины, как офтальмология.

Так же метод рефлектометрии хорошо известен в СВЧ радиометрии, как метод активно-пассивной локации [122, 123].

Метод введения дополнительных измерительных каналов:

В патенте [9, 12] авторами предложен метод и пирометр, позволяющий измерять излучательную способность и физическую температуру исследуемого объекта. Суть метода заключается в том, что перед началом основных измерений на поверхность исследуемого объекта устанавливается контактный температурный датчик, по которому проводится начальная калибровка пирометра. Этот метод позволяет с хорошей точностью определить коэффициент излучательной способности? и коэффициент пропускания промежуточной среды. Однако предложенному методу присущи все недостатки контактных методов, что существенного ограничивает область его применения.

В работах [18 — 20] авторы предлагают привязывать показания радиометра к характерным температурным точкам, получаемым в ходе эксперимента по косвенным показателям. Однако не всегда возможно точно определить характерные температуры через косвенные измерения.

Источники методических-, ш инструментальных погрешностейИК радиометрии:

Основными элементами модуляционного радиометра являются установленная на входе радиометра оптическая система, приемник теплового излучения, модуляторсистема обработки принятого сигнала и, в ряде конструкций, источник эталонного излучения [76]. Модулятор предназначен для прямоугольной модуляции входного излучения и представляет собой, как правило, насаженный на вал электродвигателя диск с поглощающим покрытием, обеспечивающим амплитудную модуляцию принимаемого излучения с глубиной модуляции равной 100%. Диски с поглощающим покрытием не вызывают переотражения излучения в корпусе радиометра, что способствует повышению точности измерений. Система обработки формирует выходной сигнал, пропорциональный разности мощностей тепловых излучений объекта и теплового излучения модулятора.

Модуляционный принцип измерения радиометров предусматривает формирование выходного сигнала, пропорционального разнице величин, одна из которых пропорциональна температуре объекта, а вторая, опорная величина, пропорциональная температуре эталонного излучателя. В модуляционных радиометрах инфракрасного излучения за эталонное излучение принимается излучение, пропорциональное температуре оптомеханического модулятора, установленного между оптической системой и приемником теплового излучения и предназначенного для снижения аномальных флюктуации коэффициента усиления сигнала в системе его обработки путем амплитудной модуляции теплового излучения и переноса сигнальной функции в область более высоких частот.

Для обеспечения высокой точности измерения температуру эталонного излучателя необходимо поддерживать неизменной или производить ее постоянное прецизионное измерение. Ввиду того, что в рабочем режиме радиометра модулятор находится в постоянном движении, применяются технические средства, позволяющие проводить косвенное измерение его температуры. В одних радиометрах для этих целей модулятор помещают в термостат, в котором поддерживается постоянная известная температура на протяжении всей работы радиометра [58], в других радиометрах используют полупроводниковые датчики, установленные в области, максимально приближенной к модулятору [74]. К недостаткам радиометров с термостатированием следует отнести достаточную громоздкость термостатов, а недостатки радиометров с использованием датчиков связаны с возможным несовпадением температур датчика и модулятора, что влияет на точность измерений.

При работе в сложных внешних условиях специфические требования предъявляются, прежде всего, к оптической системе радиометра. Оптическая система обязательно в том или ином виде присутствует в любом бесконтактном измерителе температуры. Она обеспечивает необходимую пространственную избирательность прибора, т. е. определяет область пространства предметов, в которой температура объектов влияет на показания радиометра. Используемые в ИК радиометрах оптические системы можно разделить на четыре типа: зеркальные, линзовые, диафрагмированные и светопроводные (в т. ч. световодные). Зеркальные и линзовые системы представляют собой набор соответственно отражающих или преломляющих поверхностей, формирующих на приемнике изображение объекта. Диафрагмированные системы представляют собой набор хорошо поглощающих излучение бленд и диафрагм, формирующих сектор визирования путем затенения части пространства. Для сравнения оптических систем в пирометрии введен термин показатель визирования. Показатель визирования — это отношение минимального диаметра круга в плоскости излучателя, перпендикулярной к оптической оси пирометра, к расстоянию от него до переднего среза объектива [120]. Светопроводные системы представляют собой полости с отражающей внутренней поверхностью.

Зеркальные и линзовые оптические системы наиболее распространены, другие оптические системы используются сравнительно редко. Зеркальные оптические системы обладают рядом преимуществ по сравнению с линзами: широкий рабочий спектральный диапазон, более высокая механическая прочность, низкая стоимость изготовления [47, 48]. По этим причинам (особенно важны спектральные характеристики) применение зеркальных систем представляется наиболее оправданным [49] для ИК радиометров. j.

В силу того, что инфракрасный диапазон длин волн находится на «стыке» радио и оптического диапазона, в расчете ИК оптических систем есть определенная специфика.

С одной стороны, для расчета могут быть использованы методы геометрической оптики, с другой стороны, необходимо учитывать дифракционные эффекты. Соотношение размеров оптической системы и длины волны принимаемого излучения таково, что диаграмма направленности формируется на относительно больших расстояниях (порядка сотен метров). В то же время в большинстве случаев (преимущественно в технических, химических, биологических и медицинских применениях радиометров) объект измерения находится на расстоянии от единиц сантиметров до десятка метров, т. е. в зоне геометрической оптики (отметим, что в случае сильно удаленного объекта возникает задача учета затухания ИК излучения в атмосфере [50, 51]).

Тип используемого приемника также накладывает определенные ограничения на метод расчета • оптических систем. Как правило, в ИК радиометрах используются приемники оптического излучения, и, в частности, тепловые приемники излучения. Данные типы приемников являются протяженными (линейные размеры много больше длины волны) и нечувствительными к фазе излучения (чувствительны только к суммарной мощности, падающей на приемник). Исключением являются только антенные тепловые приемники излучения [52], которые близки по параметрам к зеркальным антеннам радиодиапазона.

В [53] рассматриваются общие вопросы проектирования сферических двухзеркальных антенн. Вопросы, связанные с обеспечением неискаженного качания ДН сферической двухзеркальной системы типа системы Кассегрена, рассматриваются в [54]. Подразумевается, что для качания ДН производится перемещение малого зеркала. Также приводятся данные о необходимой точности установки отдельных элементов системы. Результаты данных работ ориентированы на антенны радиодиапазона и не учитывают всей специфики ИК систем.

Диафрагмированные оптические системы, как показывает практика, находят достаточно широкое применение в реализациях радиометров [55 — 58]. Диафрагмированную оптическую систему следует рассматривать как вынужденную альтернативу другим оптическим системам в тех случаях, когда использование последних невозможно из-за внешних воздействий (пыль, испарение металла и т. п.). Главным недостатком такой системы является малое относительное отверстие и, следовательно, меньший (по сравнению с другими оптическими системами) отклик на выходе приемника. Тем не менее, диафрагмированная система в ряде случаев обеспечивает удовлетворительные характеристики при гораздо меньшей стоимости, чем зеркальные или линзовые системы.

Датчик инфракрасного излучения, описанный, в [55], комплектуется насадками с 7 сменными диафрагмами, позволяющими дискретно' регулировать угол обзора через 20°. Максимальныйугол обзора датчика составляет 150°. Аналогичная система [41] обеспечивает сектор визирования диаметром 20 мм на расстоянии 40 мм, т. е. показатель визирования достаточно велик. В приборе, описанном в [41], применена аналогичная диафрагмированная оптическая система, для которой заявлено разрешение по телесному углу Q =7.85−10″ -s-0.125cp. Роль оптической системы выполняет круглое окно в корпусе, на которое насаживается нужная* диафрагма для достижения' необходимого показателя визирования. Очевидно, подобные характеристики приводятся исходя из рассмотренияидеальной* модели оптической системы, что вполне оправдано в случае столь простых систем. •.

В- [42] описаны радиометры, один из которых имеет, оптический блок, построенный на основе камеры-обскуры со сменными диафрагмами. Фактически, диафрагмированная оптическая, система является камерой-обскурой, однако в дальнейшем будем использовать определение «диафрагмированная оптическая система», чтобы подчеркнуть устройство и функциональную принадлежность системы. Следует отметить, что система, описанная^ в [42], используется в неоптимальнойконфигурации, т.к. модулятор расположен между оптической системой и приемником, причем, каких-либо объяснений в-защиту данной конфигурации не приведено. Также не рассматриваются дополнительные погрешности, появление которых в системе с подобной конфигурацией неизбежно.

Некоторые данные о свойствах диафрагмированных оптических систем приведены в [57], где описывается система, применяемая для фотометрии. Указывается, что «хорошо зеднафрашпроващшя трубка значительной длины» обеспечивает погрешность измерения •пе более 0.2%. Однако никаких данных о размерах этой трубкц не пр: тод1Г?.

Таким образом, как и в случае зеркальных систем, возникает необходимость исследования свойств диафрагмированной оптической системы с протяженным тепловым приемником в ближней зоне.

При высокотемпературной радиометрии имеют место различные эффекты, снижающие точность измерений. К таким эффектам, в частности, относятся нагрев радиометра тепловым излучением объекта измерения и зависимость коэффициента излучения объекта от температуры. Кроме того, при высокой температуре объекта и низком давлении возможно распыление нагретого вещества, что приводит к загрязнению датчика. Загрязнение может также происходить из-за пыли, содержащейся в атмосфере.

Нагрев радиометра и, в частности, его оптической системы тепловым излучением объекта проявляется преимущественно при близко расположенном объекте измерения, при этом имеет место ярко выраженный случай' использования оптической системы в зоне геометрической оптики. В общем случае флуктуации температуры оптической системы могут происходить не только от нагрева тепловым излучением объекта, но и в результате изменения температуры окружающей среды.

В тех случаях, когда излучение оптической системы радиометра не промодулировано, оно не входит в измеряемое радиометром значение температуры объекта (например, при расположении модулятора между оптикой и объектом или при лазерной микромодуляции [59]). В остальных ситуациях проблема нагрева радиометра актуальна, причем актуальна для всех типов оптических систем. Меняющаяся мощность теплового излучения оптической системы приводит к изменениям отклика радиометра, т. е. имеет место погрешность измерения.

Основной задачей, на решение которой направлены усовершенствования радиометров, является повышение точности измерений за счет снижения влияния температуры окружающей среды на измеряемую температуру объекта и снижения влияния температурных изменений элементов конструкций радиометров.

В некоторых конструкциях радиометров [60, 61] нагревоптики никак не учитывается, несмотря на высокие заявленные верхние пределы * измеряемых температур. В других случаях используются различные приемы для устранения негативного влияния нагрева оптики: в системе, описанной в [62], применяется термостабилизация оптической головки радиометра (не следует путать термостабилизацию оптической головки и термостабилизацию опорного излучателя, которая применяется очень часто). Недостатком этого радиометра, как и других известных радиометров с термостатами, является наличие в конструкции термостата, имеющего большие габариты и потребляющего большое количество энергии.

В [63] описана система, в которой излучение диафрагмированной оптической системы минимизируется за счет охлаждения диафрагмы. Так, и термостабилизация оптической системы и охлаждение диафрагмы достаточно сложны в реализации, поэтому вопрос о системе компенсации или учета нагрева оптической системы остается открытым.

В. 58] описан радиометр, в котором для снижения влияния температуры окружающей среды на измеряемый параметр и компенсации влияния на результат измерений излучений от посторонних объектов использовано два измерительных канала, на вход одного из которых (сигнального) поступает тепловое излучение от объекта и окружающей среды, а на вход другого (опорного) — только тепловое излучение окружающей среды. Причем опорный канал выполнен в виде трубки оптической системы со специальными отверстиями, находящимися вне апертуры .окна опорного канала и оптически связанный с излучением сигнального канала. Система обработки выходных сигналов обоих каналов призвана выделить сигнал, соответствующий только температуре объекта.

При лабораторных и медико-биологических исследованиях с помощью радиометров инфракрасного излучения стоит задача повышения точности измерений, в том числе, за счет наиболее, полного съема температурной информации с желаемого участка исследуемого объекта и возможности периодического измерения температуры одного и того же объекта исследований. Решить эту задачу можно путем использования приспособлений, позволяющих фиксировать прибор на один и тот же участок объекта и/или проводить измерения на одном и том же расстоянии до объекта.

Для снижения влияния температуры окружающей среды на измеряемый параметр используют прием визирования радиометра на объект через непосредственно подведенные к исследуемому объекту визирные трубы [4].

Недостатком этого радиометра является нецелесообразность его использования при неконтактных измерениях при лабораторных исследованиях различных материалов и сред, а также при проведении измерений температуры различных участков тела человека при некоторых заболеваниях.

Для устранения направленного потока частиц нагретого вещества, вызывающего загрязнение оптикиприменяются различные системы крыльчаток. Так, в [45] используется система вращающихся лопастных колес, которая размещается между расплавленной массой и радиометром.

Вследствие конечной скорости движения молекул, при приеме ИК излучения от исследуемого объекта, молекулы расплавленного материала остаются на лопастях, а зеркало, установленное после данного фильтра, свободно от нежелательного запыления. В подобной системе вращающиеся лопасти могут также служить модулятором, однако при этом возникает проблема измерения температуры лопастей.

Другой подход борьбы с загрязнением оптики заключается не в предотвращении, а в компенсации погрешности, связанной с загрязнением. В [64] предлагается компенсировать погрешность, возникающую вследствие изменения оптических свойств входного окна. В патенте [11] приведена конструкция оптической системы, позволяющая in-situ измерять коэффициент пропускания входного окна радиометра и соответственно, компенсировать влияние изменения этого коэффициента на результат радиометрических измерений.

Из сказанного следует, что* достаточно актуальной является" задача уменьшения погрешностей, возникающих вследствие ряда негативных эффектов при ИК радиометрии: температурная нестабильность оптико-электронного преобразователя, зависимость коэффициента излучения объекта от температуры, наряду с требованиями высокого пространственного разрешения (показатель визированияне хуже 1:50) — незначительной^ относительной погрешностью (не превышающей 0.5% при времени накопления 1с) — широким. динамическим диапазоном измеряемых температур (20^1200°С). Необходимо находить новые технические решения, позволяющие снизить указанные погрешности без существенного увеличения стоимости, радиометра.

Цель исследования:

Целью работы является разработка принципов построения ИК радиометров, работающих в широком диапазоне измеряемых мощностей при неизвестной и/или переменной излучательной способности поверхности объекта излучения.

Зада чи работы:

— Разработка методов устранения инструментальных и методических погрешностей модуляционных ИК радиометроввызванных изменяемыми внешними факторами;

— Создание автоматизированной экспериментальной' установки для исследования интегральных излучательных способностей объектов в широком диапазоне температур;

— Разработка методики активно-пассивной локации в ИК радиометрии и создание ИК радиометра для контроля физических температур термически неоднородных объектов с изменяющейся излучательной способностью.

Методы исследования:

В работе использовались методы статистической радиофизики, методы радиофизических измерений, методы теории сигналов и цепей, теория погрешностей, теория построения микропроцессорных систем и разработки программного обеспечения.

Научная новизна:

— Создан модуляционный ИК радиометр с оптико-электронной системойпозволяющей исключить температурную нестабильность модуляционной^ камеры;

— Разработана методика, и создана автоматизированной установка, дляопределения интегральной излучательной" способности? объектов вИК диапазоне и широком: диапазоне температур- :

— Предложен способ устранения влияния флуктуаций частоты модуляции, в модуляционном радиометре на результаты измерений;

— Разработана методика активно-пассивной) локации в ИК диапазоне и создана измерительная системадля контроляфизических температур? термически* неоднородных объектовс изменяющейся излучательной. способностью-.

— Разработаны, и реализованыалгоритмымикропроцессорной? обработки сигнала в цифровом модуляционном ИК радиометре, обеспечивающие улучшение метрологических свойствприбора и расширение его функциональности:

Научная и практическая значимость:

— Запатентованный способ? компенсации^ погрешностивызванной нестабильностью температуры, модуляционной? камерыможет использоваться* для создания^комплексов радиометрических измерений;

— Предложнаяметодика реализации активно-пассивной локациив ИК. радиометрии^ позволяет уменьшить погрешность радиометрических измерений-, вызваннойнеконтролируемым изменением излучательной способности исследуемого объекта;

— По результатам исследований излучательных способностей лакокрасочных покрытий разработанырекомендации на ТУ для 24 материалов, используемых при покрытии теплоносителей в атомной промышленности;

— Создание адаптированного > к офтальмологическимисследованиямпрецизионного ИК радиометра позволило разработать методику дифференциальной диагностики заболеванишорганов зрения.

На защиту выносятся:

— Модуляционный ИК радиометр с оптико-электронной системой, позволяющейисключить температурную нестабильность модуляционной камеры;

— Методика реализации активно-пассивнотлокации в ИК диапазоне и ее техническое решение для ИК радиометрии термически неоднородных объектов? с изменяющейся излучательной способностью;

— Способ исключения влияния частотной нестабильности опорного колебания^ на погрешности измерений пироэлектрического радиометра- .

— Алгоритмы* микропроцессорной обработкив цифровом модуляционном ИКС радиометре, позволяющие улучшить метрологические свойства прибора и расширить его функциональность.

Вклад автора.

Разработана автоматизированная системадля исследования в широком диапазоне температур5 интегральной в ИК диапазоне излучательной способности объектов;

— Предложен и теоретически обоснован способ компенсации погрешности 5 ИК радиометрии-, вызванной' температурной" нестабильностью модуляционношкамеры-.

— Разработан портативный прецизионный ИК радиометр для медико-биологических исследований;

— Обоснована и экспериментально доказана методика реализации активно-пассивнои локации в ИК радиометрии;

— Разработан, обоснован и реализован алгоритм обработки, модулированного колебания, синхронного детектированияи интегрирования сигнала в цифровом модуляционном ИК радиометре.

Публикацииапробации на конференциях, внедрение.

По результатам работы опубликованы 3 статьи в центральных рецензируемых журналах из списка ВАКполучены патент РФ на изобретение и патент РФ на полезную модель. Опубликованы материалы 7 докладов в Трудах научных конференций.

Результаты исследований были представлены на российских и международных конференциях:

1. 10-я Научная конференция по радиофизике, посвященная 90-летию ННГУ и 100-летию со дня-рождения Г. С. Горелика, г. ННовгород, 2006 г.

2. Всероссийский научно-технический смотр-конкурс «ЭВРИКА-2006», г. Новочеркасск, 2006 г.

3. IV Международная научно-практическая конференция- «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», г. Санкт-Петербург, 2007 г.

4. Всероссийская, молодежнаяконкурс-конференция «Электроника-2007», г. Москва!, 2007 г.

5. XIV Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (RLNG-2008), г. Воронеж, 2008 г.

6. VII Международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии», г. Владимир, 2008 г. Результаты* работы получены* в рамках гранта Президента РФ для поддержки ведущих научных школ (НШ-3700.2010.2), гранта РФФИ (09−297 074), Федеральной программы «Научно-педагогические кадры инновационной России» (госконтракт № 112 308).

Результатыработы использованы в ОКБМ им. И. И. Африкантова, в Нижегородской Медицинской Академии и Нижегородском госуниверситете им. Н. И. Лобачевского, в НИКИЭТ им. Н. А. Доллежаля.

3.4 Выводы.

— Обоснована и экспериментально доказана методика реализации активно-пассивной локации в ИК радиометрии, позволяющая контролировать излучательную способность различных объектов"в.широком диапазоне температур;

— Предложенная методика реализации активно-пассивной локации не зависит от излучательной способности объекта и позволяет отслеживать процессысвязанные с изменением излучательной способности объектов во времени;

— Использование оптической системы ИК радиометра и излучателя подсветки, работающих в одном спектральном диапазоне не требует применения специальных оптических фильтров, дополнительных приемников излучения и, специального пересчета излучательной способности из одного спектрального диапазона в другой;

— Использование импульсного режима работы подсветки, синхронизированного с опорным колебанием радиометрапозволяет исключить влияние излучения подсветки на объект измерения и контролировать излучательную способность и физическую температуру объекта в режиме реального времени;

— Предложенная методика измерения интегральной излучательной способности методом активно-пассивной, локации и ее техническое решение позволяет уменьшить ошибку радиометрических измерений, вызванную неопределенностью излучательной способности объекта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенные исследованияпозволяют сделать ряд выводов и предложений по обеспечению реализации ИК радиометрии локальных температурных неоднородностей с переменной излучательной способностью.

В области пироэлектрического оптико-электронного преобразования ИК излучения:

Показано, что предельное температурное разрешение типичного реального ППИ с ограниченной полосой спектральной чувствительности хуже, чем у приемника полного излучения. Тем не менее, с ростом температуры разрешение улучшается, выходя на примерно постоянный уровень при высоких температурах.

Показано, что погрешность измерения температуры объекта, вызванная неопределенностью излучательной способности, может достигать десятков процентов. При измерении температуры объекта (Тк), мало отличающейся от температуры окружающей среды (Тф), влияние его теплового излучения может вызвать значительную погрешность измерения, еслиизлучательная способность объекта будет меньше единицы. Особенно, влияние фона необходимо* учитывать, при измерении низких температур, например, при, медико-биологических исследованиях.

Определены погрешности измерения радиационной температуры, вызванные различными изменениями внешних режимов работы радиометра, таких как, дрейф температуры оптической системы, частотная нестабильность модулирующей системы, неконтролируемое изменение расстояния до объекта измерения.

Обоснована возможность уменьшения погрешности измерения температуры за счет использования специальных алгоритмов микропроцессорной обработки сигналов. Предложен способ стабилизации частоты вращения двигателя и реализована система, построенная на базе программного ПИД-регулятора. Управление частотой происходит с использованием модуля широтно-импульсного модулятора микроконтроллера.

Использование в модуляционном ИК радиометре светового целеуказателя позволило контролировать расстояние до объекта измерения и площадь поверхности излучения, тем самым повысить точность радиометрических измерений.

В области методики измерения и обработки сигнала:

Разработанные и реализованные алгоритмы обработки данных позволили повысить точность радиометрических измерений, в условиях ограниченности системных ресурсов микроконтроллера;

Использование современной элементной базы и микропроцессорных устройств позволило создать автоматизированную систему определения интегральной излучательной способности материалов в широком диапазоне температур с большим набором сервисных функций и использовать оптимальные алгоритмы управления.

Построение экспериментальной системы на базе микропроцессора позволило* существенно улучшить метрологические свойства прибора, расширить функциональность, использование цифровой обработки сигнала дало возможность проводить эксперимент и анализировать полученные данные с использование ПК, а также существенно упростить конструкцию, улучшить массогабаритные и стоимостные характеристики, экспериментальной системы.

Созданная экспериментальная система, разработанная* методика измерений и внедренные алгоритмы обработки данных позволяют определить излучательную способность с точностью не хуже 0.02 в широком диапазоне температур.

Применение автоматизированной системы позволило провести серию экспериментов, по итогам которых были получены новые данные об интегральной излучательной способности лакокрасочных покрытий, используемых в системах охлаждения атомных станций. По результатам исследований разработаны рекомендации на ТУ для материаловиспользуемых для покрытий теплоносителей в атомной промышленности.

Обоснована и экспериментально доказана^ методика реализации активно-пассивной локации, позволяющая контролировать излучательную способность различных объектов в широком диапазоне температур.

Предложенная методика измерения интегральной излучательной способности методом активно-пассивной локации и ее техническое решение позволяет уменьшить ошибку радиометрических измерений, вызванную неопределенностью излучательной способности объекта. Методика реализации активно-пассивной локации не зависит от излучательной способности объекта и позволяет отслеживать процессы, связанные с изменением излучательной способности объектов во времени.

Использование оптической системы ИК радиометра и излучателя подсветки, работающих в одном, спектральном диапазоне не требует использования специальных оптических фильтров, дополнительных приемников излучения и специального пересчета излучательной способности из одного диапазона в другой.

Использование импульсного режима работы. подсветки, синхронизированного с опорным колебанием радиометра, позволяет исключить влияние излучения^ подсветки на объект измерения и контролировать излучательную способность и физическую температуру объекта в режиме реального времени.

В' области построения^ и разработки приборов для дистанционного бесконтактного измерения температуры на базе пиродатчиков:

Создание портативного прецизионного ИК радиометра, адаптированного к офтальмологическим исследованиям, позволило разработать методику дифференциальной диагностики воспалительных и дистрофических заболеваний глазного яблока и ранней диагностике воспалительных процессов глаза.

Установка модулятора перед оптической системой позволило повысить точность радиометрических измерений, за счет исключения-влияния температурной нестабильности модуляционной камеры на результаты измерений.

Использование дополнительного опорного канала' оптическойсистемы позволяет проводить измерения радиационной температуры объекта относительно^ известной температуры эталонного термодатчика, исключив влияние температурной нестабильности модуляционной камеры.

Разработанная конструкция оптической системы не требует использования в радиометре термостатовчто позволяем реализовать компактный ^ портативный радиометр, удобный при проведении медико-биологических и лабораторных исследований.

Разработанное и реализованное программное обеспечение позволяет осуществлять эффективное использование внутренних аппаратных ресурсов ИК радиометра, выполнять функциипо измерению, преобразованию и обработке входной, аналоговой информации, поддержанию параметров работы такого узла каю модулирующая система, от стабильности и точности функционирования. которой, зависят метрологические параметры прибора.

В* результате апробации* разработанного радиометра были получены новые результаты, которые были опубликованы в медицинских изданиях [82, 83, 121]. Результаты медицинских исследований показывают перспективность использования, разработанного ИК радиометра при медико-биологических исследованиях, в, частности в эргономикедиспансеризации и профосмотрах населенияпри оценки эффективности и выборе тактики^ лечения и определения сроков выздоровления.

Целесообразны дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования по адаптации разработанных методик и технических решений в задачах экспериментальной радиофизики и высокотемпературных технологиях.