RU2633645C1 - Thermal video information processing method and decisive device for determining object temperature at method implementation - Google Patents
Thermal video information processing method and decisive device for determining object temperature at method implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2633645C1 RU2633645C1 RU2016140647A RU2016140647A RU2633645C1 RU 2633645 C1 RU2633645 C1 RU 2633645C1 RU 2016140647 A RU2016140647 A RU 2016140647A RU 2016140647 A RU2016140647 A RU 2016140647A RU 2633645 C1 RU2633645 C1 RU 2633645C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- output
- image
- circuit
- wavelength
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 230000010365 information processing Effects 0.000 title description 7
- 238000003672 processing method Methods 0.000 title 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 43
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 13
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 4
- 230000004807 localization Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 17
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 7
- 230000017105 transposition Effects 0.000 claims description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000001429 visible spectrum Methods 0.000 description 6
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 5
- 238000001931 thermography Methods 0.000 description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 244000025254 Cannabis sativa Species 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002650 habitual effect Effects 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 1
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/02—Constructional details
- G01J5/03—Arrangements for indicating or recording specially adapted for radiation pyrometers
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
- H04N23/10—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof for generating image signals from different wavelengths
- H04N23/11—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof for generating image signals from different wavelengths for generating image signals from visible and infrared light wavelengths
Abstract
Description
Изобретение относится к области тепловизионной техники, а именно к способам обработки и отображения измеренной яркостной температуры объекта.The invention relates to the field of thermal imaging technology, and in particular to methods for processing and displaying the measured brightness temperature of an object.
Любой объект излучает электромагнитные волны в инфракрасном (ИК), видимом (ВД) и ультрафиолетовом (УФ) диапазонах частот. Интенсивность теплового излучения напрямую зависит от температуры объекта и лишь в очень малой степени зависит от условий освещенности в видимом диапазоне. Таким образом, при помощи тепловизионного прибора о любом наблюдаемом объекте может быть собрана и визуализирована дополнительная информация, недоступная человеческому глазу и приборам. Это открывает ряд уникальных возможностей для различных сфер деятельности, в том числе для контроля технологических процессов, например обеспечения безопасности объектов, таких как космические аппараты и ракеты-носители, имеющих термонагруженные элементы (ракетные двигатели, насосы подачи топлива и окислителя, либо элементы ядерного реактора).Any object emits electromagnetic waves in the infrared (IR), visible (VD) and ultraviolet (UV) frequency ranges. The intensity of thermal radiation directly depends on the temperature of the object and only to a very small extent depends on the lighting conditions in the visible range. Thus, using a thermal imaging device about any observed object can be collected and visualized additional information inaccessible to the human eye and devices. This opens up a number of unique opportunities for various fields of activity, including the control of technological processes, for example, ensuring the safety of objects such as spacecraft and launch vehicles with thermally loaded elements (rocket engines, fuel and oxidizer pumps, or elements of a nuclear reactor) .
Принцип действия современных тепловизоров основан на способности материалов фиксировать излучение в различных диапазонах длин волн. Посредством оптического прибора, в состав которого входят линзы, изготовленные с применением материалов, прозрачных для определенного типа излучения (таких как германий), тепловое излучение объектов проецируется на матрицу датчиков, информация с этих датчиков считывается и генерируется видеосигнал, где разной температуре наблюдаемого объекта соответствует разный цвет изображения. Шкала соответствия цвета точки на изображении к абсолютной температуре наблюдаемого объекта может быть выведена поверх кадра. Также возможно указание температур наиболее горячей и наиболее холодной точки на изображении. Многие тепловизионные приборы также оснащены устройствами памяти для записи полученного видеоизображения картины теплового излучения, производительными микропроцессорами, позволяющими осуществлять в режиме реального времени минимальную аналитику полученного в результате сканирования изображения источника излучения.The principle of operation of modern thermal imagers is based on the ability of materials to capture radiation in different wavelength ranges. By means of an optical device, which includes lenses made using materials transparent to a certain type of radiation (such as germanium), the thermal radiation of objects is projected onto a sensor matrix, information from these sensors is read and a video signal is generated, where different temperature of the observed object corresponds to different image color. The scale of correspondence of the color of a point in the image to the absolute temperature of the observed object can be displayed on top of the frame. It is also possible to indicate the temperatures of the hottest and coldest points in the image. Many thermal imaging devices are also equipped with memory devices for recording the received video image of the pattern of thermal radiation, efficient microprocessors that allow real-time minimal analytics of the radiation source image obtained as a result of scanning the image.
Известно совместное использование тепловизора и видеокамеры, что позволяет в общем случае получить изображение объекта в «расширенном» диапазоне объединенных ИК и видимого спектров, а в неблагоприятных условиях, например при отсутствии освещения объекта, наблюдать объект хотя бы в одном из диапазонов. Например, ИК или видимый диапазон могут как накладываться друг на друга, так и транслироваться отдельно. Примером такой конфигурации может являться тепловизионная система TI3000 компании ULIRVISION (КНР) (www.ulirvision.com).The joint use of a thermal imager and a video camera is known, which allows in the general case to obtain an image of an object in the "extended" range of combined IR and visible spectra, and in adverse conditions, for example, in the absence of illumination of the object, observe the object in at least one of the ranges. For example, the IR or visible range can either overlap or be broadcast separately. An example of this configuration is the ULIRVISION TI3000 thermal imaging system (PRC) (www.ulirvision.com).
Также, из уровня техники известен способ визуального спектрального анализа телевизионного изображения дальнего ИК-спектра (патент на изобретение RU 2233559), который может быть принят в качестве прототипа. В RU 2233559 используют транспонирование ИК-изображения объекта в видимый диапазон спектра. Привычные объекты (например, лицо человека, снег, трава и т.д.) передаются привычными цветами (телесный, белый, зеленый и т.д.), что обеспечивает оценку и анализ спектральных и яркостных характеристик объектов оператором по их телевизионным изображениям в дальнем ИК-диапазоне. В результате, обеспечивается психологически привычное восприятие телевизионного изображения объектов. Недостатком данного метода является достаточно узкий диапазон частот регистрируемых сигналов, что ограничивает возможности оператора по анализу изображения и принятию решения в нештатной ситуации. Также, невозможно осуществлять зонный анализ температур в автоматизированном режиме.Also, the prior art method of visual spectral analysis of television images of the far infrared spectrum (patent RU 2233559), which can be adopted as a prototype. RU 2233559 uses transposing an infrared image of an object into the visible range of the spectrum. Habitual objects (for example, a person’s face, snow, grass, etc.) are transmitted in familiar colors (flesh, white, green, etc.), which provides an assessment and analysis of the spectral and brightness characteristics of objects by the operator from their television images in the far IR range. As a result, the psychologically familiar perception of the television image of objects is provided. The disadvantage of this method is the rather narrow frequency range of the recorded signals, which limits the operator's ability to analyze the image and make decisions in an emergency. Also, it is impossible to carry out zone temperature analysis in an automated mode.
В свою очередь предлагаемая группа изобретений позволит учесть существующие технические проблемы, перечисленные выше, и, в итоге, повысить достоверность контроля температуры термонагруженных узлов космических аппаратов и ракет-носителей.In turn, the proposed group of inventions will allow to take into account the existing technical problems listed above, and, as a result, increase the reliability of temperature control of thermally loaded nodes of spacecraft and launch vehicles.
Способ обработки термовидеоинформации предусматривает видеозапись теплового излучения исследуемого объекта и транспонирование полученного видеоизображения в видимый диапазон, генерацию видеосигнала, где разной температуре наблюдаемого объекта соответствует разный цвет изображения с последующим анализом оператором полученного изображения. В предложенном способе видеозапись теплового излучения осуществляется на борту, по преимуществу на борту космического аппарата, одновременно двумя камерами инфракрасного и ультрафиолетового диапазона посредством приборов с зарядовой связью (ПЗС) и объективов двух типов. Первый из двух типов приборов - ПЗС с «виртуальной» фазой (ВФПЗС) и объектив для диапазона длин волн 0,3…1,0 мкм, например объектив из кварцевого стекла, а второй - инфракрасный ПЗС (ИК ПЗС) с объективом для диапазона длин волн 1,1…5,3 мкм, например объективом из оптического кремния. Для записанного теплового излучения измеряют температуру в i,j-й точке поля изображения, локализуют участки изображения с температурой, превышающей пороговое значение, и передают видеоизображения по радиоканалу на наземные пункты приема данных для анализа. Транспонирование полученного видеоизображения в видимый диапазон (λвд) осуществляется по зависимости типа λвд=f(λ, λmin, Δλпд), например, путем вычисления по формуле 
Для обработки термовидеоинформации используют решающее устройство, обеспечивающее вычисление значение температуры в рассматриваемой точке поля изображения. Решающее устройство системы обработки термовидеоинформации состоит из совокупности функциональных блоков обработки сигнала «холодного» изображения и яркостных сигналов i,j-й точке поля изображения в соответствии с планковским распределением в диапазоне длин волн. Решающее устройство включает последовательно связанные первую и вторую схемы, относящиеся к «холодному» изображению и выдающие значения энергии светового излучения и интегрального коэффициента излучения заданного типа материала по единственному значению яркости; последовательно связанные третью и четвертую схемы, параллельные первой и второй схемам и относящиеся к текущему значению яркости в i,j-й точке поля изображения, по которому выдается значение энергии светового излучения и значение интегрального коэффициента излучения заданного типа материала. Решающее устройство системы обработки термовидеоинформации включает четыре схемы сравнения, пять схем деления, четыре схемы умножения, два блока вычисления длины волны, блок логарифмирования, блок возведения в пятую степень, блок возведения в минус первую степень, блок возведение величины е в заданную степень, блок вычитания.To process the thermal video information, a decisive device is used that provides the calculation of the temperature value at the considered point of the image field. The decisive device of the thermal video information processing system consists of a set of functional blocks for processing a “cold” image signal and luminance signals of the i, jth point of the image field in accordance with the Planck distribution in the wavelength range. The solver includes sequentially connected first and second circuits related to the "cold" image and issuing the values of the energy of light radiation and the integral emissivity of a given type of material for a single brightness value; sequentially connected to the third and fourth schemes, parallel to the first and second schemes and related to the current brightness value at the i, jth point of the image field, according to which the value of the energy of light radiation and the value of the integral emissivity of a given type of material are output. The solver of the video and thermal information processing system includes four comparison schemes, five division schemes, four multiplication schemes, two wavelength calculation blocks, a logarithm block, a fifth power block, a minus first power block, a e power to a given power block, a subtraction block .
Первый вход решающего устройства является входом яркостного сигнала «холодного изображения» и входом первой схемы сравнения, на выходе которого формируется информация об энергии излучения объекта в нормальных условиях. Выход первой схемы сравнения соединен со входом первого блока вычисления длины волны, выход которого соединен со входом второй схемы сравнения, откуда получают информацию об интегральном коэффициенте теплового излучения объекта в нормальных условиях, первым входом первой схемы умножения и вторым входом второй схемы деления. Второй вход решающего устройства является входом яркостного сигнала в i,j-точке поля изображения и входом третьей схемы сравнения, на выходе которого формируется информация об энергии излучения объекта в i,j-точке поля изображения в текущий момент времени. Выход третьей схемы сравнения соединен с входом второго блока вычисления длины волны. Выход второго блока вычисления длины волны соединен с входом четвертой схемы сравнения, откуда получают информацию об интегральном коэффициенте теплового излучения объекта в в i,j-точке поля изображения в текущий момент времени, первым входом второй схемы деления и первым входом третьей схемы деления.The first input of the solver is the input of the luminance signal of the "cold image" and the input of the first comparison circuit, the output of which is formed information about the radiation energy of the object in normal conditions. The output of the first comparison circuit is connected to the input of the first wavelength calculation unit, the output of which is connected to the input of the second comparison circuit, from which information is obtained about the integral coefficient of thermal radiation of the object under normal conditions, the first input of the first multiplication circuit and the second input of the second division circuit. The second input of the deciding device is the input of the brightness signal at the i, j-point of the image field and the input of the third comparison circuit, the output of which generates information about the radiation energy of the object at the i, j-point of the image field at the current time. The output of the third comparison circuit is connected to the input of the second wavelength calculation unit. The output of the second wavelength calculation unit is connected to the input of the fourth comparison circuit, from which information about the integral coefficient of thermal radiation of the object at the i, j point of the image field at the current time, the first input of the second division circuit and the first input of the third division circuit is obtained.
Первый вход первой схемы деления соединен с первым входом устройства. Второй вход первой схемы деления соединен со вторым входом устройства, где вычисляется отношение интенсивностей излучения в текущих и нормальных условиях. Выход первой схемы деления соединен с первым входом второй схемы умножения. Выходы второй и четвертой схемы сравнения соединены соответственно с первым и вторым входом четвертой схемы деления, где вычисляется отношение интегральных коэффициентов теплового излучения объекта в текущих и нормальных условиях. Выход четвертой схемы деления соединен соответственно со вторым входом втором схемы умножения. Выход второй схемы деления соединен с входом блока возведения в пятую степень, выход которого соединен с третьим входом втором схемы умножения. Выход второй схемы деления, где вычисляется отношение длин волн излучения объекта в текущих и нормальных условиях, соединен с входом блока возведения в пятую степень. Выход блока возведения в пятую степень соединен с третьим входом второй схемы умножения.The first input of the first division circuit is connected to the first input of the device. The second input of the first division circuit is connected to the second input of the device, where the ratio of the radiation intensities in the current and normal conditions is calculated. The output of the first division circuit is connected to the first input of the second multiplication circuit. The outputs of the second and fourth comparison circuits are connected respectively to the first and second input of the fourth division circuit, where the ratio of the integral coefficients of thermal radiation of the object is calculated under current and normal conditions. The output of the fourth division circuit is connected respectively to the second input of the second multiplication circuit. The output of the second division circuit is connected to the input of the fifth degree block, the output of which is connected to the third input of the second multiplication circuit. The output of the second division circuit, where the ratio of the wavelengths of the radiation of the object under current and normal conditions is calculated, is connected to the input of the fifth degree block. The output of the fifth degree block is connected to the third input of the second multiplication circuit.
Выход первой схемы умножения соединен с первым входом пятой схемы деления. Выход блока памяти, где хранится информация о константах h, с и k, а также о значении температуры «холодного изображения», соединен со вторыми входами третьей и пятой схемы деления. Выход второй схемы умножения соединен с первым входом третьей схемы умножения. Вход блока возведения константы е в заданную степень соединен с выходом пятой схемы деления, а выход - с входом блока вычитания. Второй вход третьей схемы умножения соединен с выходом блока вычитания, а выход - с входом блока логарифмирования, выход которого соединен с входом блока возведения в минус первую степень, выход которого соединен с первым входом четвертой схемы умножения, второй вход которого соединен с выходом третьей схемы деления. Выход четвертой схемы умножения является выходом решающего устройства, где вычисляется значение температуры в i,j-точке поля изображения.The output of the first multiplication circuit is connected to the first input of the fifth division circuit. The output of the memory block, which stores information about the constants h, c, and k, as well as the temperature value of the "cold image", is connected to the second inputs of the third and fifth division circuits. The output of the second multiplication circuit is connected to the first input of the third multiplication circuit. The input of the block raising the constant e to a predetermined degree is connected to the output of the fifth division circuit, and the output to the input of the subtraction block. The second input of the third multiplication circuit is connected to the output of the subtraction block, and the output is connected to the input of the logarithm unit, the output of which is connected to the input of the minus block of the first degree, the output of which is connected to the first input of the fourth multiplication circuit, the second input of which is connected to the output of the third division circuit . The output of the fourth multiplication circuit is the output of the decider, where the temperature value at the i, j-point of the image field is calculated.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что контроль и измерение температуры термонагруженного объекта осуществляется одновременно двумя цифровыми камерами, работающими в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. Обработка данных с этих камер выполняется частично на борту космического аппарата или иного летающего объекта, а частично - в процессе наземной обработки. Для анализа оператором температурной ситуации на объекте данные с видеокамер транспонируются из инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов в видимый диапазон, каждой температуре из рабочего диапазона соответствует свой цвет на экране дисплея на рабочем месте оператора. Разделение обработки температурной информации на бортовую и наземную позволяет осуществлять на борту локализацию отдельных участков (или точек) поля изображения объекта с температурой, превышающей допустимую. Допустимый порог температуры либо вводится на Земле оператором при непосредственном отслеживании термообстановки объекта, либо однократно программируется при разработке программы функционирования бортового процессора. Полученные на борту данные передаются вместе с телеметрической информацией на Землю. В результате, данный подход позволяет существенно сократить информационный поток, предназначенный для видеоинформации, передаваемой на Землю.The claimed technical result is achieved due to the fact that the control and measurement of the temperature of the thermally loaded object is carried out simultaneously by two digital cameras operating in the infrared and ultraviolet ranges. Data processing from these cameras is carried out partly on board a spacecraft or other flying object, and partly during ground processing. For the operator to analyze the temperature situation at the facility, the data from the cameras is transposed from the infrared and ultraviolet ranges to the visible range, each temperature from the operating range has its own color on the display screen at the operator’s workplace. The separation of the processing of temperature information into airborne and ground allows the on-board localization of individual sections (or points) of the image field of the object with a temperature exceeding the permissible value. The permissible temperature threshold is either entered on the Earth by the operator when directly monitoring the thermal situation of the object, or is programmed once when developing a program for the operation of the onboard processor. The data received on board are transmitted along with telemetry information to Earth. As a result, this approach can significantly reduce the information flow intended for video information transmitted to the Earth.
Человеческому глазу доступен только видимый диапазон длин волн 0,38…0,74 мкм, однако изменение температуры в изображении исследуемой области должно быть видимо при любом диапазоне длин волн. Для этого в разработанном способе обработки термовидеоинформации предложен следующий алгоритм пересчета длин волн из инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов в видимый диапазон длин волн, который заключается в следующем.Only the visible wavelength range of 0.38 ... 0.74 μm is accessible to the human eye, however, the temperature change in the image of the studied area should be visible for any wavelength range. For this, in the developed method for processing thermal video information, the following algorithm is proposed for converting wavelengths from the infrared and ultraviolet ranges to the visible wavelength range, which is as follows.
Если воспользоваться законом смещения Вина:If you use the law of Wien bias:
где b - постоянная Вина, равная 2896 мкм*K,where b is the Wien constant equal to 2896 μm * K,
λ - длина волны,λ is the wavelength
можно получить выражение для температуры:you can get an expression for temperature:
Полный диапазон длин волн для отслеживания температурных параметров наблюдаемого объекта разбивается на поддиапазоны ИК1 - средний ИК-поддиапазон, ИК2 - ближний ИК-поддиапазон, ВД - видимый поддиапазон длин волн, УФ - ближний ультрафиолет и в соответствии с (2) вычислим температурные диапазоны для каждого из них, результаты вычислений приведены в табл. 1.The full range of wavelengths for tracking the temperature parameters of the observed object is divided into subbands IK1 - middle IR subband, IK2 - near infrared subband, VD - visible subwavelength, UV - near ultraviolet, and in accordance with (2) we calculate the temperature ranges for each of them, the calculation results are given in table. one.
Столь высокие температуры взяты по причине возникновения туннельного эффекта - резкого выброса энергии в данном случае за счет резкого повышения температуры. Так, в силу специфики материалов, из которых изготовлены элементы космического аппарата, их разрушение происходит при Т >(1500…2000) K. Следовательно, области, подвергшиеся резкому повышению температуры, требуют особого внимания к их рассмотрению и анализу.Such high temperatures are taken due to the occurrence of the tunneling effect - a sharp release of energy in this case due to a sharp increase in temperature. So, due to the specifics of the materials from which the elements of the spacecraft are made, their destruction occurs at T> (1500 ... 2000) K. Therefore, the areas subjected to a sharp increase in temperature require special attention to their consideration and analysis.
Для отображения на дисплее монитора все значения температур должны попадать в видимый диапазон длин волн от 0,38 мкм до 0,74 мкм.For display on the monitor display, all temperature values must fall into the visible wavelength range from 0.38 μm to 0.74 μm.
Δλвд=0,74-0,38=0,36 мкмΔλ tm = 0,74-0,38 = 0,36 microns
В силу того, что в данном способе идет цифровая обработка сигнала, сначала вычисляется цена кванта для каждого из поддиапазонов длин волн, приведенных в табл. 1, взяв шаг по температуре равным средней погрешности измерения температуры у цветовых пирометров ΔТ=2KDue to the fact that this method is digitally processing the signal, the quantum price is first calculated for each of the sub-ranges of wavelengths given in Table. 1, taking a step in temperature equal to the average temperature measurement error for color pyrometers ΔТ = 2K
где 
ΔT - погрешность измерения температуры.ΔT is the error of temperature measurement.
Из табл. 2 видно, чтоFrom the table. 2 shows that
Теперь в соответствии с (3) можно найти цену кванта для каждого из поддиапазонов.Now, in accordance with (3), one can find the quantum price for each of the subbands.
Полученные результаты расчетов цены кванта поддиапазонов длин волн приведены в табл. 3.The obtained results of calculating the price of quantum subbands of wavelengths are given in table. 3.
Пересчет длин волн в видимый спектр иллюстрируется фиг. 1.The conversion of wavelengths into the visible spectrum is illustrated in FIG. one.
Пусть λ - текущее значение длины волны, а у - вспомогательная промежуточная величина для пересчета, которая определяется выражениемLet λ be the current value of the wavelength, and let y be an auxiliary intermediate quantity for conversion, which is determined by the expression
где 
Тогда пересчитанное в видимый спектр значение длины волны будетThen the wavelength converted to the visible spectrum will be
где 
Так как Δλвд=0,36 мкм, а 
Следующий пример иллюстрирует предложенный способ транспонирования, например диапазона ИК2 в видимый диапазон.The following example illustrates the proposed transposition method, for example, the IR2 range into the visible range.
Возьмем крайнее значение длины волны 
Следовательно, соотношение (15) адекватно для пересчета длин волн в видимый спектр из любого диапазона.Therefore, relation (15) is adequate for recalculating wavelengths into the visible spectrum from any range.
Блок-схема алгоритма предложенного способа обработки термовидеоинформации, содержащая следующие блоки, представлена на фиг. 2: блок видеозаписи изображений ИК- и УФ-видеокамерами 1; блок измерения температуры объекта в i,j-точке видеокадра 2; блок локализации участков изображения с температурой, превышающей пороговое значение 3; блок передачи видеоизображения на на земную станцию обработки информации 4; блок транспонирования видеоизображения из ИК- и УФ-диапазонов в видимый 5; блок запись видеоинформации в память ЭВМ 6; блок анализа видеоизображений оператором 7.The flowchart of the proposed method for processing thermal video information containing the following blocks is shown in FIG. 2: block video recording images of infrared and
Процесс обработки термовидеоинформации складывается из формирования на борту космического аппарата с помощью видеокамер ИК- и УФ-диапазонов видеосигналов изображения исследуемого объекта в блоке видеозаписи 1, определения решающим устройством температуры объекта в i,j-точке поля изображения 2, локализации участков изображения, с температурой превышающей пороговое значение 3, и последующей передачей видеоизображения по радиоканалу на наземные пункты приема данных 4. В процессе наземной обработки данных, поступивших от бортовой аппаратуры космического аппарата, осуществляется транспонирование сигналов видеоизображения из ИК- и УФ-диапазонов в видимый 5, запись транспонированного видеосигнала в память ЭВМ 6 и анализ видеоизображения оператором 7.The process of processing the thermal video information consists of the formation on board the spacecraft of the infrared and ultraviolet ranges of the video signals of the image of the studied object in the
Для наземной обработки оператор получает информацию о номере зоны обзора, координатах наиболее термонагруженных областей (точек), относящихся к данной зоне обзора, их температуру и уровень превышения допустимого температурного порога. Пакеты видеоинформации, поступающие от наземной станции в реальном времени, идут на персональный компьютер оператора, где на мониторе отображается видеоинформация, которая так же автоматически записывается на жесткий диск в формате МР4. Оператор может выводить картинку, получаемую от любой из камер, выбрав интересующую его из заданного списка и рассматривая картинку с нужным ему разрешением. Просмотр видеоизображения в реальном времени позволяет определять температуру в интересующей оператора области космического аппарата.For ground processing, the operator receives information about the number of the viewing area, the coordinates of the most thermally loaded areas (points) related to this viewing area, their temperature and the level of exceeding the permissible temperature threshold. Packages of video information received from the ground station in real time go to the operator’s personal computer, where the video information is displayed on the monitor, which is also automatically recorded on the hard disk in MP4 format. The operator can display a picture received from any of the cameras by selecting him from the given list and viewing the picture with the resolution he needs. Viewing video in real time allows you to determine the temperature in the operator's area of interest of the spacecraft.
В процессе видеоконтроля оператор выбирает зону обзора согласно эксплуатационным данным, спектральный поддиапазона до появления цветной картинки в поле видимого излучения, интересующую область зоны обзора для измерения температуры, масштаба для изменения размеров в пределах зоны обзора видеокамеры (увеличение/уменьшение), координаты точки в пределах зоны обзора, где определяется температура. Расположение зон обзора термонагруженных элементов космических аппаратов и ракет-носителей задается в эксплуатационной документации. Размеры зон обзора видеокамер определяются с учетом характеристик видеорегистрирующей системы при проектировании и наземных испытаниях конкретного космического аппарата или ракеты-носителя.In the process of video monitoring, the operator selects the viewing area according to operational data, the spectral sub-range until a color picture appears in the visible radiation field, the region of the viewing area of interest for measuring temperature, the scale for resizing within the camera’s viewing area (increase / decrease), the coordinates of the point within the zone overview where the temperature is determined. The location of the viewing areas of thermally loaded elements of spacecraft and launch vehicles is specified in the operational documentation. The dimensions of the viewing areas of the cameras are determined taking into account the characteristics of the video recording system during the design and ground tests of a particular spacecraft or launch vehicle.
Каждому спектральному диапазону соответствует своя градуировочная шкала температур. Пурпурный цвет соответствует менее нагретой области зоны обзора выбранного спектрального поддиапазона, темно-фиолетовый цвет - наиболее нагретой области. Видеоизображение отображается всегда в видимом спектре, при этом текущее изображение отображается путем наложения его на «холодное» изображение - изображение, снятое видеокамерой в рассматриваемой зоне обзора при нормальных условиях в соответствии с СП 2.2.4.548-96 и ГОСТ 12.1.005-88 (Тср=20°С, р=747 мм рт.ст., относительная влажность воздуха δ=(40-60)%). Оператор заранее знает цветовую градацию в соответствии с температурой. Видеоизображения сразу после окончания полета космического аппарата или ракеты-носителя должны автоматически сохраняться в указанную в папку, предусмотренную программой для каждого из спектральных поддиапазонов каждой зоны обзора. При просмотре сохраненных видеофайлов оператор может узнавать информацию о температуре и координатах выбранной точки, что позволяет производить детальный анализ термообстановки наблюдаемых узлов космических аппаратов или ракет-носителей.Each spectral range has its own calibration temperature scale. The magenta color corresponds to the less warmed region of the field of view of the selected spectral subband, and the dark violet color corresponds to the warmest region. The video image is always displayed in the visible spectrum, while the current image is displayed by superimposing it on a “cold” image - the image captured by the video camera in the viewing area under normal conditions in accordance with SP 2.2.4.548-96 and GOST 12.1.005-88 (T cf. = 20 ° C, p = 747 mm Hg, relative humidity δ = (40-60)%). The operator knows in advance the color gradation according to the temperature. Video images immediately after the flight of a spacecraft or launch vehicle should be automatically saved in the folder specified by the program for each of the spectral sub-bands of each viewing area. When viewing stored video files, the operator can find out information about the temperature and coordinates of the selected point, which allows a detailed analysis of the thermal environment of the observed nodes of spacecraft or launch vehicles.
Вычисление значения температуры в рассматриваемой точке поля изображения выполняет решающее устройство системы обработки термовидеоинформации, функционирующее на принципе определения температуры по величине отношения интенсивностей излучения в двух длинах волн. За λ1 берется текущее значение длины волны (яркости, энергии) в рассматриваемой точке поля изображения, а за λ2 - «холодное» изображение. Т.о. λ2=λхол. «Холодное» изображение - это изображение, снятое видеокамерой в рассматриваемой зоне обзора при нормальных условиях в соответствии с СП 2.2.4.548-96 и ГОСТ 12.1.005-88 (Тср=20°С, р=747 мм рт.ст., относительная влажность воздуха δ=(40-60)%).The calculation of the temperature value at the considered point of the image field is performed by the decisive device of the thermal video information processing system, operating on the principle of determining the temperature from the value of the ratio of radiation intensities at two wavelengths. For λ 1, the current value of the wavelength (brightness, energy) at the considered point of the image field is taken, and for λ 2 is the "cold" image. T.O. λ 2 = λ cold A “cold” image is an image taken by a video camera in the viewing area under normal conditions in accordance with SP 2.2.4.548-96 and GOST 12.1.005-88 (T cf = 20 ° C, p = 747 mm Hg, relative humidity δ = (40-60)%).
Информация о яркости в ij-й точке k-го кадра Yijk поступает на суммирующее по числу кадров устройствоInformation about the brightness at the ij-th point of the k-th frame Y ijk goes to the device summing by the number of frames
а далее усредняется по общему числу кадров за секунду L:and then averaged over the total number of frames per second L:
Таким образом, получается усредненное по общему числу кадров в секунду значение яркости в рассматриваемой точке Yij.Thus, the brightness value averaged over the total number of frames per second is obtained at the considered point Y ij .
Алгоритм работы решающего устройства основан на планковском распределении в диапазоне длин волн, а именно:The algorithm of the solver is based on the Planck distribution in the wavelength range, namely:
где k=1,38*10-23 Дж/К - постоянная Больцмана, h=6,63*10-34 Дж*с - постоянная Планка, с=3*108 м/с - скорость света, Т - температура, K, λ - длина волны, м, ελ - интегральный коэффициент теплового излучения.where k = 1.38 * 10 -23 J / K is the Boltzmann constant, h = 6.63 * 10 -34 J * s is the Planck constant, s = 3 * 10 8 m / s is the speed of light, T is the temperature, K, λ is the wavelength, m, ε λ is the integral coefficient of thermal radiation.
Отношение интенсивностей текущего изображения в рассматриваемой точке и «холодного» изображения можно выразить в виде следующего выражения:The ratio of the intensities of the current image at the considered point and the “cold” image can be expressed as the following expression:
Зная Tхол=Тср=20°С, найдем Tij из (11):Knowing T cold = T cf = 20 ° C, we find T ij from (11):
Пусть 
Структурная схема решающего устройства обработки термовидеоинформации, реализующего вычисление значение температуры в рассматриваемой точке поля изображения в соответствии с предложенным алгоритмом (14), представлена на фиг. 3.The block diagram of a thermal video information processing device that implements the calculation of the temperature value at the considered point of the image field in accordance with the proposed algorithm (14) is shown in FIG. 3.
Решающее устройство системы обработки термовидеоинформации, включает: четыре схемы сравнения 8, 9, 10, 11; пять схем деления 16, 17, 18, 19, 20; четыре схемы умножения 12, 13, 14, 15; два блока вычисления длины волны 21, 22; блок логарифмирования 23; блок возведения в пятую степень 24; блок возведения в минус первую степень 25; блок возведение величины е в заданную степень 26; блок вычитания 27; блок памяти 28.The decisive device of the thermal video information processing system includes: four
Первый вход решающего устройства является входом яркостного сигнала «холодного изображения» и входом первой схемы сравнения 8, на выходе которой формируется информация об энергии излучения объекта в нормальных условиях. Выход первой схемы сравнения соединен со входом первого блока вычисления длины волны 21, выход которого соединен со входом второй схемы сравнения 10, откуда получают информацию об интегральном коэффициенте теплового излучения объекта в нормальных условиях, первым входом первой схемы умножения 12 и вторым входом второй схемы деления 17.The first input of the solver is the input of the luminance signal of the "cold image" and the input of the
Второй вход решающего устройства является входом яркостного сигнала в i,j-й точке поля изображения и входом третьей схемы сравнения 9, на выходе которого формируется информация об энергии излучения объекта в i,j-точке поля изображения в текущий момент времени. Выход третьей схемы сравнения соединен с входом второго блока вычисления длины волны 22, выход которого соединен с входом четвертой схемы сравнения 11, откуда вытекает информация об интегральном коэффициенте теплового излучения объекта в i,j-й точке поля изображения в текущий момент времени, первым входом второй схемы деления 17 и первым входом третьей схемы деления 18.The second input of the deciding device is the input of the brightness signal at the i, jth point of the image field and the input of the
Первый вход первой схемы деления 16, где вычисляется отношение интенсивностей излучения в текущих и нормальных условиях, соединен с первым входом решающего устройства, второй вход первой схемы деления 16 соединен со вторым входом решающего устройства. Выход первого устройства деления 16 соединен с первым входом второй схемы умножения 13, при этом выходы второй 10 и четвертой схемы сравнения 11 соединены соответственно с первым и вторым входом четвертой схемы деления 19, где вычисляется отношение интегральных коэффициентов теплового излучения объекта в текущих и нормальных условиях. Выход схемы деления 19 соединен соответственно со вторым входом второй схемы умножения 13.The first input of the
Выход второй схемы деления 17, где вычисляется отношение длин волн излучения объекта в текущих и нормальных условиях, соединен с входом блока возведения в пятую степень 24, выход которого соединен с третьим входом второй схемы умножения 13. Выход первой схемы умножения 12 соединен с первым входом пятой схемы деления 20, а выход блока памяти 28, где хранится информация о константах h, с и k, а также о значении температуры «холодного изображения» (20°С), соединен со вторыми входами третьего 18 и пятой схемы деления 20. Выход второй схемы умножения 13 соединен с первым входом третьей схемы умножения 14, при этом вход блока возведения константы е в заданную степень 26 соединен с выходом пятой схемы деления 20, а выход с входом блока вычитания 27.The output of the
Второй вход третьей схемы умножения соединен с выходом блока вычитания 27, а выход - со входом блока логарифмирования 23, выход которого соединен со входом блока возведения в минус первую степень 25, выход которого соединен с первым входом четвертой схемы умножения 15, второй вход которого соединен с выходом третьей схемы деления 18. Выход четвертой схемы умножения 15 является выходом решающего устройства, где вычисляется значение температуры в i,j-й точке поля изображения.The second input of the third multiplication circuit is connected to the output of the
Как видно из фиг. 3, имеют место четыре схемы сравнения:As can be seen from FIG. 3, there are four comparison schemes:
- I 8 и II 10 относятся к «холодному» изображению и по единственному значению яркости выдается соответствующее значение энергии светового излучения Wхол, по которой, в соответствии с законом Планка, вычисляется длина волны: 
- III 9 и IV 11 относятся к текущему значению яркости Yij в рассматриваемой точке поля изображения, по которому выдается соответствующее значение энергии светового излучения Wij, по которой, в соответствии с законом Планка, вычисляется длина волны:-
а также значения интегрального коэффициента излучения ελij заданного типа металла (или графита) при соответствующем значении λij.as well as the values of the integral emissivity ε λij of a given type of metal (or graphite) with the corresponding value of λ ij .
В итоге, достоверность контроля температуры термонагруженных узлов космических аппаратов и ракет-носителей достигается за счет:As a result, the reliability of temperature control of thermally loaded nodes of spacecraft and launch vehicles is achieved by:
анализа термообстановки одновременно в ИК- и УФ-диапазонах длин волн посредством использования двух типов приборов с зарядовой связью (ПЗС) и объективов: ПЗС с «виртуальной» фазой (ВФПЗС) и объектив для диапазона длин волн 0,3…1,0 мкм (из кварцевого стекла) и инфракрасный ПЗС (ИК ПЗС) с объективом для диапазона длин волн 1,1…5,3 мкм (из оптического кремния);analysis of thermal conditions simultaneously in the infrared and ultraviolet ranges of wavelengths using two types of charge-coupled devices (CCD) and lenses: a CCD with a “virtual” phase (VFPS) and a lens for a wavelength range of 0.3 ... 1.0 μm ( from quartz glass) and infrared CCD (IR CCD) with a lens for a wavelength range of 1.1 ... 5.3 microns (from optical silicon);
применения предложенного способа обработки полученного видеосигнала для его транспонирования в видимый диапазон, что обеспечивает эффективный анализ оператором термообстановки исследуемого объекта в расширенном диапазоне длин волн (от ИК до УФ);application of the proposed method for processing the received video signal for its transposition into the visible range, which provides an effective analysis by the operator of the thermal environment of the investigated object in the extended wavelength range (from IR to UV);
использования предложенного решающего устройства для обработки термовидеоинформации, обеспечивающего вычисление значения температуры в рассматриваемой точке поля изображения.the use of the proposed solver for processing thermal video information, providing the calculation of the temperature at the considered point of the image field.
Claims (60)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016140647A RU2633645C1 (en) | 2016-10-17 | 2016-10-17 | Thermal video information processing method and decisive device for determining object temperature at method implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016140647A RU2633645C1 (en) | 2016-10-17 | 2016-10-17 | Thermal video information processing method and decisive device for determining object temperature at method implementation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2633645C1 true RU2633645C1 (en) | 2017-10-16 |
Family
ID=60129486
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016140647A RU2633645C1 (en) | 2016-10-17 | 2016-10-17 | Thermal video information processing method and decisive device for determining object temperature at method implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2633645C1 (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2546982C2 (en) * | 2013-05-28 | 2015-04-10 | Закрытое акционерное общество "МНИТИ" (ЗАО "МНИТИ") | Method of generating and displaying colour, spectrozonal and thermal image signals |
| US20150304612A1 (en) * | 2014-04-18 | 2015-10-22 | Flir Systems, Inc. | Multi-sensor monitoring systems and methods |
-
2016
- 2016-10-17 RU RU2016140647A patent/RU2633645C1/en active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2546982C2 (en) * | 2013-05-28 | 2015-04-10 | Закрытое акционерное общество "МНИТИ" (ЗАО "МНИТИ") | Method of generating and displaying colour, spectrozonal and thermal image signals |
| US20150304612A1 (en) * | 2014-04-18 | 2015-10-22 | Flir Systems, Inc. | Multi-sensor monitoring systems and methods |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Климов Д.И., Благодырев В.А. "Использование инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов в видеотелеметрии для отслеживания температурных параметров КА и РН", УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ, No 12, 2012 г., стр. 022-026. Климов Д.И., Благодырев В.А. "Представление температурных диапазонов нагретых элементов конструкций космического аппарата в видимом диапазоне длин волн с учетом интегрального коэффициента теплового излучения", ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ И ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ, т. 19, No 3, 2014 г, стр. 62-65. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11796454B2 (en) | Gas leak emission quantification with a gas cloud imager | |
| US10834338B2 (en) | Mobile gas and chemical imaging camera | |
| US7439510B2 (en) | Compact emissivity and temperature measuring infrared detector | |
| EP2942615A1 (en) | Mobile gas and chemical imaging camera | |
| Kreuter et al. | All-sky imaging: a simple, versatile system for atmospheric research | |
| WO1998025129A1 (en) | Method and apparatus for the imaging of gases | |
| Cui et al. | Impact of wavelength shift in relative spectral response at high angles of incidence in landsat-8 operational land imager and future landsat design concepts | |
| Czapla-Myers et al. | On-orbit radiometric calibration of Earth-observing sensors using the Radiometric Calibration Test Site (RadCaTS) | |
| Ring | Beyond human vision: the development and applications of infrared thermal imaging | |
| RU2633645C1 (en) | Thermal video information processing method and decisive device for determining object temperature at method implementation | |
| Guerin et al. | The enhanced MODIS airborne simulator hyperspectral imager | |
| Wright et al. | TIRCIS: thermal infrared compact imaging spectrometer for small satellite applications | |
| Liu et al. | Vicarious calibration of the formosat-2 remote sensing instrument | |
| Gousset et al. | NanoCarb spaceborne miniaturized GHG sensor: first experimental results | |
| Wercinski et al. | Digital still snapshots of the stardust sample return capsule entry | |
| Eichmann et al. | Radiometric temperature analysis of the Hayabusa spacecraft re-entry | |
| Angal et al. | Assessing the calibration differences in the reflective solar bands of Terra MODIS and Landsat-7 enhanced thematic mapper plus | |
| Marinelli et al. | Development of the AIRIS-WAD multispectral sensor for airborne standoff chemical agent and toxic industrial chemical detection | |
| Paris | Remote sensing applications for freshwater systems | |
| Barducci et al. | A new algorithm for temperature and spectral emissivity retrieval over active fires in the TIR spectral range | |
| Hell et al. | Assisting law enforcement tasks with thermal camera drones | |
| Lavigne et al. | Enhanced target detection and identification using multispectral and hyperspectral polarimetric thermal measurements | |
| Hinnrichs et al. | Comparison of QWIP to HgCdTe detectors for gas imaging | |
| Schreer et al. | Dual-band camera system with advanced image processing capability | |
| Müller et al. | Real-time image processing and fusion for a new high-speed dual-band infrared camera |