Praktyczną metodą szacowania mocy promieniowania otoczenia i wartości temperatury tła jest umieszczenie lustra w miejscu, które jest badane, np. na ścianie budynku. Wykonywany jest wówczas kamerą termowizyjną pomiar temperatury radiacyjnej promieniowania odbitego. Istotne jest by obiekt i kamera były w tym samym miejscu, zarówno w czasie pomiaru promieniowania odbitego od lustra, jak i promieniowania badanego obiektu. Innymi słowy, lustro powinno być możliwie blisko powierzchni badanej. Oczywiście, ta metoda nie jest pozbawiona wad. Lustro jest obiektem o zwierciadlanym (kierunkowym) charakterze odbicia, a obiekt może być powierzchnią dyfuzyjną, rozpraszającą promieniowanie we wszystkich kierunkach [2.6]. Powierzchnie dyfuzyjne (lambertowskie) charakteryzują się na ogół dużą wartością emisyjności i wówczas problem odbić promieniowania tła jest mniej ważny, a często pomijany.
Wpływ atmosfery
Atmosfera charakteryzuje się współczynnikiem tłumienia τatm. Wartość współczynnika transmisji atmosfery zależy od wielu czynników, głównie od grubości warstwy, długości fali, temperatury, składu chemicznego i stężenia składników atmosfery. Czasem współczynnik transmisji jest nazywany transmisyjnością lub transmitancją. W wielu kamerach termowizyjnych istnieje możliwość określenia zależności wartości współczynnika transmisji w funkcji odległości (grubości warstwy d) – równanie (2.8). Zależność ta wynika bezpośrednio z prawa absorpcji Beera-Lamberta [2.5, 2.6]:
gdzie α (m–1) oznacza współczynnik pochłaniania (tłumienia, absorpcji), τ0atm jest wartością współczynnika transmisji atmosfery dla odległości d0 między kamerą a miejscem kalibracji modelu transmisji atmosfery.
Współczynnik tłumienia można wyrazić jako α = 1/La, gdzie La jest tzw. drogą absorpcji, czyli odległością między kamerą a obiektem, przy której współczynnik transmisji spada do poziomu 1/e = 0,368. Dwa główne zjawiska wpływają na wartość współczynnika transmisji: pochłanianie w zakresie podczerwieni i rozpraszanie [2.6]. Rozpraszanie jest związane ze zmianą kierunku ruchu fotonów i zależy od długości fali i wielkości cząstek, które rozpraszają promieniowanie. Rozpraszanie Rayleigha występuje wtedy, gdy długość fali jest dużo mniejsza od wielkości cząstek. Tłumienie wynikające z rozpraszania Rayleigha maleje wraz z długością fali (~ 1/λ4) i często jest pomijane w zakresie podczerwieni MWIR i LWIR. Nie do pominięcia jest natomiast rozpraszanie Mie, dla którego wielkość cząstek jest porównywalna z długością fali oraz rozpraszanie Ramana, związane nie tylko ze zmianą kierunku, ale także ze zmianą długości fali. Należy wspomnieć, że współczynnik tłumienia α zależy od długości fali i stężenia gazu w atmosferze. Według prawa Beera-Lamberta współczynnik ten liniowo zależy od stężenia gazu w atmosferze. Dla dużych stężeń obserwuje się odstępstwa od prawa Beera-Lamberta.
Jak wspomniano w rozdz. 1., głównym czynnikiem tłumienia atmosfery w zakresie podczerwieni, jest para wodna. Przykładowe wartości współczynnika tłumienia dla atmosfery o różnej wartości wilgotności wyznaczono na podstawie rozważań przedstawionych w rozdz. 1. – tab. 2.2.
Tabela 2.2. Przykładowe wartości współczynnika pochłaniania (na podstawie danych z rys. 1.34÷1.40)
Atmosfera promieniuje, o ile współczynnik emisyjności εatm ≠ 0. Promieniowanie to jest nie do pominięcia, jeśli wartość temperatury atmosfery jest duża w porównaniu z temperaturą pokojową (temperaturą detektora). Taka sytuacja może wystąpić w warunkach przemysłowych (hutnictwo, metalurgia, pomiary temperatury pieców, kotłów, …). Przyjmując, że współczynnik transmisji atmosfery wynosi τatm, współczynnik emisji atmosfery jest równy εatm = 1 – τatm. W kamerze termowizyjnej należy ustawić wartość temperatury atmosfery Tatm. Dodatkowo należy podać wartość współczynnika transmisji τatm, lub wartości parametrów modelu transmisji atmosfery α, d0, τ0atm, RH.
Wpływ odległości między kamerą a obiektem
Odległość między kamerą a obiektem ma podwójne znaczenie w badaniach termowizyjnych. Wcześniej omówiono wpływ odległości na tłumienie atmosfery. Ponadto odległość związana jest z rozdzielczością przestrzenną kamery FOV i IFOV – p. 1.6. Im dalej obiekt od kamery, tym większy musi być obiekt, aby poprawnie zmierzyć wartość jego temperatury. Z dobrym przybliżeniem można wyznaczyć wartość IFOV z równania (1.58). Na rysunku 2.3 przedstawiono przykładowe minimalne wielkości obiektu, którego temperatura może być poprawnie wyznaczona. Przyjęto, ogniskową obiektywu f = 3 cm, rozmiar detektora ld = 17 μm oraz założono, że rozmiar obiektu jest dwukrotnie większy niż rozmiar wynikającego pola widzenia detektora IFOV.
Rys. 2.3. Zależność minimalnego wymiaru liniowego obiektu w funkcji odległości między kamerą a obiektem, f = 3 cm, detektor (17 × 17) μm2
Można zauważyć, że dla odległości obiekt–kamera d = 1 km, minimalny liniowy wymiar obiektu wynosi ponad 1 m.
Zmiana warunków zewnętrznych (temperatury otoczenia)
Ważnym parametrem kamery termowizyjnej jest stabilność cieplna. Na początku rozwoju technologii detektorów bolometrycznych stosowano systemy stabilizacji temperatury detektorów za pomocą ogniw Peltiera [2.3, 2.6]. Chłodziarki termoelektryczne ciągle są jeszcze stosowane w bardziej zaawansowanych rozwiązaniach. Brak stabilizacji temperatury detektora powoduje, że detektor jest bardzo wrażliwy na zmiany warunków otoczenia, co objawia się dużym dryftem termicznym. W systemach metrologicznych do kompensacji dryftu termicznego detektora jest stosowana powszechnie mechaniczna migawka. Obecnie obserwuje się rozwój masowej produkcji detektorów i kamer bolometrycznych oraz zapotrzebowanie na systemy energooszczędne z zasilaniem bateryjnym, w tym także systemy niemetrologiczne – obserwacyjne. Skutkiem tego jest produkcja tanich rozwiązań bez stabilizacji temperatury. Mechaniczna migawka w sytuacji gwałtownej zmiany temperatury otoczenia będzie działać znacznie częściej w porównaniu z warunkami, w których temperatura otoczenia jest stała. Należy zwrócić uwagę, że dryft termiczny jest nieodłącznym i permanentnym efektem, który towarzyszy działaniu każdej kamery termowizyjnej, nawet w warunkach ustalonych – rys. 2.4. Z tego powodu zaleca się termiczne ustabilizowanie pracy kamery, zarówno po włączeniu i rozpoczęciu sesji pomiarowej, jak również w trakcie badań, w przypadku zmiany warunków otoczenia. Ma to miejsce, np. przy badaniach budynków i wyjściu z budynku na otwartą przestrzeń lub odwrotnie, przy znacznej różnicy wartości temperatur wewnętrznej i zewnętrznej. Zaleca się, by po zmianie warunków otoczenia, rozpocząć badania po kilku, a nawet kilkunastu minutach.
Rys. 2.4. Dryft i szum termiczny detektora matrycy bolometrycznej w jednostkach IU w warunkach ustalonych z aktywnym systemem stabilizacji z ogniwem Peltiera [2.6]
Na rysunku 2.5 przedstawiono typową zmianę w czasie wartości temperatury mierzonej metrologiczną kamerą bolometryczną bez stabilizacji temperatury detektora a-Si, po zablokowaniu migawki. Oszacowano dryft termiczny na poziomie 0,7°C/min.
Rys. 2.5.