Radiometrische Kalibrierung ungekühlter Infrarot-Kameras
Radiometrische Kalibrierung
Budzier, Helmut
Radiometrische Kalibrierung ungekühlter Infrarot-Kameras
Dresdner Beiträge zur Sensorik - Herausgegeben von Gerald Gerlach
Band 51
2014
145 Seiten
ISBN-13: 978-3-944331-45-4 TUDpress, Dresden
Kurzbeschreibung
In den letzten Jahren hat sich die Thermographie ungewöhnlich stark entwickelt. Die Grundlage dieses großen Markterfolges sind Infrarot-(IR-)Bildsensoren auf der Basis von Mikrobolometerarrays, da diese eine hervorragende thermische und räumliche Auflösung bei einer geringen Leistungsaufnahme und geringen Kosten besitzen. Da Mikrobolometer keine Kühlung erfordern und bei Umgebungstemperatur arbeiten, spricht man beim Einsatz von Mikrobolometerarrays in IR-Kameras von ungekühlten IR-Kameras.
Der vorliegende Band 51 der Dresdner Beiträge zur Sensorik beschreibt nun den Kalibrierprozess von temperaturmessenden ungekühlten IR-Kameras. Ziele der Arbeit sind dabei eine komplette Beschreibung der Kalibrierung von IR-Kameras mit und ohne temperaturstabilisierten Mikrobolometerarrays und der dafür erforderlichen Geräte- und Messtechnik.
Im ersten Teil des Bandes werden zunächst ausgehend vom Stand der Technik Entwicklungstrends der Mikrobolometerarrays vorgestellt. Anschließend wird eine Systemübersicht gegeben und der Aufbau und die Funktionsweise von Mikrobolometerarrays beschrieben. Dann werden die erforderlichen Kenngrößen, wie z.B. die NETD, und theoretische Kameramodelle zur Berechnung der Signale der einzelnen Pixel erläutert. Die Art und Weise der Kalibrierung hängt auch von der zur Verfügung stehenden Messtechnik ab, die ausführlich dargestellt wird. Im zweiten Teil des Buches wird dann die Kalibrierung beschrieben. Nach dem Einstellen des Arbeitspunktes des Mikrobolometerarrays wird dessen Ungleichförmigkeit mittels einer Zweipunktkorrektur beseitigt. Hierbei muss zwischen temperaturstabilisierten und nicht stabilisierten Sensorarrays unterschieden werden. Dann werden alle defekten Pixel eliminiert und die Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur korrigiert. Abschließend erfolgt die Temperaturanbindung der Pixelkennlinie, d.h. die radiometrische Kalibrierung.
Inhaltsverzeichnis
0. Vorwort 9
Teil I Grundlagen 11
1. Einführung 12
1.1. Motivation und Ziele der Arbeit 12
1.2. Verwendete Notation 15
1.3. Getroffene Vereinbarungen 17
2. Aufbau und Funktionsweise ungekühlter IR-Kameras 18
2.1. Stand der Technik und Entwicklungstrends 18
2.2 Systemübersicht 22
2.3. Mikrobolometerarrays 24
2.4. IR-Optik 29
3. Radiometrisches Kameramodell 33
3.1. Kenngrößen 33
3.1.1. Strahlungsgrößen 33
3.1.2. Spannungsempfindlichkeit 36
3.1.3. Signalübertragungsfunktion 36
3.1.4. Temperaturempfindlichkeit 36
3.1.5. Rauschäquivalente Temperaturdifferenz 37
3.1.6. Strahlungsbegrenzte Temperaturauflösung 38
3.1.7. Inhomogenitätsäquivalente Temperaturdifferenz 39
3.1.8. Kontrastumfang und Dynamikbereich 39
3.1.9. Linearität 41
3.2. Kameramodell mit temperaturstabilisiertem Mikrobolometerarray 43
3.3. Kameramodell ohne temperaturstabilisiertes Mikrobolometerarray 47
4. Geräte- und Messtechnik 49
4.1. Messverfahren 49
4.1.1 Messung der Grauwerte 49
4.1.2 Schwarze Strahler 54
4.2. Messeinrichtungen 60
4.2.1. Sensormessplatz 60
4.2.2. Optischer Messplatz 61
4.2.3. Temperaturschrankmessplatz 62
4.2.4. Software 64
4.3. IR-Kamera 65
Teil II Radiometrische Kalibrierung 69
5. Grundlegender Ablauf der radiometrischen Kalibrierung 70
6. Bestimmung des Arbeitspunktes der Pixel 75
7. Korrektur der Ungleichförmigkeit 80
7.1 Abgleich der Kennlinie 80
7.1.1 Abgleich der Kennlinien bei konstanter Sensortemperatur 80
7.1.2 Korrigierbarkeit 84
7.1.3. Beispiel für eine Zweipunktkorrektur 87
7.2. Temperaturabhängige Korrektur der Kennlinie bei TEC-losen Arrays 93
7.2.1. Korrektur der Empfindlichkeitstemperaturabhängigkeit 93
7.2.2. Korrektur der Offsettemperaturabhängigkeit 94
7.2.3. Beispiel der temperaturabhängigen Kennlinienkorrektur 97
8. Korrektur defekter Pixel 103
8.1. Definition und Zulässigkeit defekter Pixel 103
8. 2. Methoden zur Defektpixelkorrektur 106
9. Umgebungstemperaturkorrektur 108
9.1. Temperaturabhängigkeit der Strahldichte des Kamerainnenraumes 108
9.2. Bestimmung der Shutterkennlinie 109
10. Radiometrischer Abgleich 113
10.1. Spannungs-Temperatur-Kennlinie 113
10.2. Kennlinienbestimmung 118
11. Zusammenfassung 120
11.1. Kalibrierprozess 120
11.2. Gesamtmessabweichung 123
11.3. Ausblick 125
12. Literaturverzeichnis 128
13. Formelzeichen, Indizes und Abkürzungen 132
Anhang A1. Ausgleichsrechnung 136
A1.1. Einfache lineare Regression 136
A1.2. Bivariate lineare Regression 141