Radiometrische Kalibrierung ungekühlter Infrarot-Kameras

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