EXAMENSARBETE 2009:023 CIV Kalibrering och modellering av multispektrala IR-kameror Patrik Broberg Luleå tekniska universitet Civilingenjörsprogrammet Rymdteknik Institutionen för Tillämpad fysik, maskin- och materialteknik Avdelningen för Experimentell mekanik 2009:023 CIV - ISSN: 1402-1617 - ISRN: LTU-EX--09/023--SE
Sammanfattning Vid radiometriska kalibreringar av bildsensorer görs en omvandling av digitala data till radiometriska data. På grund av sensordrift måste kalibreringen upprepas för infraröda sensorer under utdragna fältmätningar om kraven på noggrannhet är höga, vilket gör att kalibreringen blir mer komplex. Ännu svårare blir kalibreringen om mätningar görs i flera spektralband (multispektrala mätningar), om spektralbanden spänner över ett stort spektralområde eller om målobjektens strålnivåer varierar mycket. Detta medför dels att kalibreringen tar mer tid och dels att flera eller mer komplexa referensstrålkällor krävs. Syftet med arbetet var att studera problematiken i sådana kalibreringar och se om kalibreringen kunde göras enklare och robustare. I arbetet har en multispektral sensor använts i det mellanvågsinfraröda området, 1,5µm till 5,5µm. Kamerans spektrala detektorrespons och filterfunktioner mättes upp och två kortvågiga filter i kameran visade sig även transmittera värmestrålning. Övriga identifierade felkällor och förslag till metodik presenteras. En ny kalibreringsmodell ges som bättre beskriver den aktuella sensorn. Driften över tiden hos vissa parametrar i modellen visade sig vara korrelerad med kamerans temperatur. Med hjälp av modellen gjordes en radiometrisk kalibrering av ett högstrålande objekt, där resultatet stämde mycket bra. Uppmätning av olika typer av strålkällor gjordes, med god överensstämmelse mellan strålkällorna. En kortvågig strålkälla för spektralband < 3µm utvecklades som är avsevärt mer praktisk för fältbruk än en integrerande sfär. Nackdelen är att den måste relateras till en kalibrerad strålkälla och att uniformiteten är sämre än hos en integrerande sfär. 1
Abstract This report describes the radiometric calibration of an image sensor i.e. the transformation from digital data to radiometric data. Due to drift in the sensor, the calibrations must be repeated for infrared sensors during exted field trials if the demand on accuracy is high, which makes the calibration even more complex. The calibration gets even harder if the measurement is made in more than one spectral band (multispectral measurement), if the spectral bands span a large spectral area or if the radiation level of the target object varies a lot. The result of this is that the calibration takes more time and that more and more complex reference radiation sources are needed and that the following evaluation gets more time consuming due to large amounts of data. The aim with this work was to study the problems of those kinds of calibrations and to see if the calibration could be simplified and more robust. In this work a multispectral sensor working in the mid-wave infrared spectra, 1.5µm to 5µm, have been used. The spectral detector response of the camera and the filter functions were measured and two of the short-wave filters in the cameras turned out to also transmit thermal radiation. Other sources of errors that were identified and a proposal for a methodology were presented. A new model is given that better describes the sensor in question. The drift over time in some parameters in the model were shown to correlate too temperature of the camera. With the help of the model a radiometric calibration were made of a highly radiating object, where the results agreed very well. The measurement of different kinds of radiation sources were made with a good agreement between the sources. A short-wave radiation source for spectral bands < 3µm was developed that is considerably more practical for field trials than an integrating sphere. The drawback is that it must be related to an integrating sphere and that the uniformity is worse than in an integrating sphere. 2
Innehåll 1 Inledning 5 1.1 Bakgrund............................. 5 1.2 Uppgift.............................. 5 2 Ordlista 7 3 IR-strålning och detektion 10 4 Utrustning 11 4.1 Sensorer.............................. 11 4.1.1 MultiMIR......................... 11 4.1.2 Radiometer........................ 13 4.1.3 IR-termometer...................... 13 4.1.4 Spektrometer....................... 14 4.1.5 Temperatursensor.................... 14 4.2 Referensstrålkällor........................ 15 4.2.1 Ytstrålare......................... 16 4.2.2 Peltierelement...................... 16 4.2.3 Kavitetsstrålare...................... 17 4.2.4 Integrerande sfär..................... 18 4.3 Annan utrustning......................... 19 4.3.1 Monokromator...................... 19 5 Resultat 21 5.1 MultiMIR............................. 21 5.1.1 Filter........................... 21 5.1.2 Detektor.......................... 23 5.2 Modell............................... 24 5.2.1 Behov av en ny modell.................. 26 5.2.2 Framtagning av ny modell................ 26 5.2.3 Parameterdrift...................... 30 5.2.4 Parameterbestämning.................. 33 5.2.5 Sammanfogning av banden............... 34 5.3 Lampa............................... 35 5.3.1 Design........................... 36 5.3.2 Kalibrering........................ 36 5.4 Test av strålkällor........................ 37 5.4.1 Tidigare resultat..................... 37 5.4.2 Resultat från mätning.................. 37 5.4.3 Felkällor.......................... 38 5.5 Provmätning........................... 41 5.6 Kalibreringsmetodik....................... 42 3
5.6.1 Behov........................... 42 5.6.2 Förslag till metodik................... 42 6 Diskussion 45 6.1 Slutsatser............................. 45 6.2 Förslag till fortsatt arbete.................... 46 A Bilaga MATLAB-program 50 A.1 Para.m............................... 51 A.2 Exempel.m............................ 53 A.3 ReadImage D.m......................... 54 A.4 ReadFilename.m......................... 56 A.5 ImageCalc.m.m.......................... 60 A.6 Filterkurvor MMIR.m...................... 62 4
1 Inledning 1.1 Bakgrund En sensors dynamikområde definieras som förhållandet mellan den högsta och den lägsta strålnivån i scenen som sensorn klarar att återge, vilket för bildsensorer typiskt är 10 14 bitar. Vid totalförsvarets forskningsinstitut (FOI) i Linköping görs signaturmätningar med bildalstrande sensorer där strålnivåerna spänner över ett betydligt större dynamikområde än 14 bitar. Vid höga strålnivåer krävs åtgärder såsom ökning av bländartal och/eller minskning av exponeringstid för att undvika överstyrning av pixlar (vilket i extrema fall kan resultera i blooming). Vid låga strålnivåer kan signalnivån tvärtom behöva ökas genom längre exponeringstid, lägre bländartal eller högre förstärkning. Speciell metodik krävs för sådana mätningar om insamlade digitala bilddata med stor noggrannhet ska kunna kvantifieras och översättas till radiometriska strålnivåer. Förutom bildsensorerna behövs referensstrålkällor med väldefinierade strålnivåer. Förutom de ändringar som gjorts av sensorparametrar gäller det också att ha god kontroll på parametrarnas inverkan på exempelvis lineariteten, vilken för en viss sensorparameter kan vara olika för kameror baserade på olika teknik och detektormaterial. En speciell utmaning utgör registreringar i flera spektralband samtidigt (multispektrala mätningar). För att man ska kunna avgöra strålnivån hos ett registrerat objekt så krävs två saker. 1. Att man har en bra modell över sensorn 2. Att sensorn är korrekt kalibrerad Med en radiometrisk kalibrering översätts en sensorsignal [DN, Digital Nivå] till ett radiometriskt mått till exempel radians [ W/(m 2 sr) ]. Till detta behövs en modell som beskriver sambandet mellan sensorsignal och radians. 1.2 Uppgift Radiometrisk kalibrering av stora mängder försöksdata har ofta varit tidsödande på grund av omfattande insamling av referensdata med många strålnivåer och efterföljande hantering av referensdata. Olika strålkällor har dessutom terat att ge olika resultat. Målet med detta examensarbete har varit att föreslå ett effektivare och bättre sätt att utföra radiometriska kalibreringar. Delmoment i examensarbetet har varit följande: Framtagning (utifrån litteraturstudie och lab-mätning) av en modell med relevanta parametrar, en modell som så bra som möjligt beskriver sambandet mellan sensorsignal och registrerad radians, men som ändå 5
är rationell vid radiometrisk kalibrering av stora mängder sensordata under fältförsök, där många ändringar kan ha gjorts av sensorparametrar och där olika referensstrålkällor har använts. Undersökning av parametrar i modellen med avsee på till exempel linearitet och drift och identifiera de parametrar i modellen som inverkar på lineariteten. Utveckling av metodik vid kalibrering av multispektrala sensorer. Förbättring av mjukvara som används vid databehandling och förslag till hur många mätningar (strålkällor och strålnivåer) som behövs vid radianskalibrering. 6
2 Ordlista Apertur Öppning där strålning kan passera. Band Ett våglängdsområde. Band 1 MultiMIRs första filter, 1, 5µm till 1, 8µm Band 2 MultiMIRs andra filter, 2, 1µm till 2, 5µm Band 3 MultiMIRs tredje filter, 3, 5µm till 4, 1µm Band 4 MultiMIRs fjärde filter, 4, 5µm till 5, 2µm Bandpassfilter Filter som släpper igenom strålning som ligger mellan två våglängder. DN Digital Nivå, ett digitalt värde som man får från sensorn. Dynamikområde Förhållandet mellan den högsta och den lägsta strålningsnivån i scenen som sensorn klarar att återge. Emissionsfaktor Mått på ett materials förmåga att absorbera och avge strålning. Filter Tar bort strålning med vissa våglängder. Filterhjul Hjul med ett antal filter som används för att snabbt byta filter. FOI Totalförsvarets forskningsinstitut. FOV Synfält för hela sensorn. IFOV Synfält för en pixel i sensorn. InSb Detektormaterial, Indium-Antimon. Integrationstid Exponeringstid, hur länge detektorn samlar in strålning. Integrerande sfär Kortvågig strålkälla, se 4.2.4. IR Infraröd strålning, våglängdsområdet 720nm till 1mm. Iris Variabel apertur. Kalibrering Mätning för att bestämma värden på modellens parametrar. Kavitetsstrålare En uppvärmd hålighet som strålar som en svartkroppsstrålare se 4.2.3. Kortvågig IR-strålning Strålning i våglängdsområdet 1, 4µm till 3µm. 7
MATLAB Beräkningsprogram. Mellanvågig IR-strålning Strålning i våglängdsområdet 3µm till 8µm. Metodik Metod eller tillvägagångssätt. MCT Detektormaterial, HgCdTe, Kvicksilver-Kadmium-Tellur. Modell Ekvation som beskriver något, till exempel en sensor. Monokromator Instrument för att skapa strålning med ett smalt våglängdsområde, se 4.3.1. MultiMIR Multispektral IR-kamera, se 4.1.1. Multispektral Mäter inom flera spektralband. Mörk ström C DC, signal som detektorn detekterar men som inte kommer från objektet som den tittar på. Parameter Term i modellen. Peltierelement Ytstrålare som kan värmas och kylas genom peltiereffekten, se 4.2.2. Radians Strålnivå mätt i W/(m 2 sr). Radiometer Sensor för att mäta strålning, se 4.1.2. Referensstrålkälla Strålkälla som används som referens vid en kalibrering. Residualer Skillnaden mellan mätvärden och en anpassad ekvation. Responsivitet Hur stor utsignal man får från en detektor för en insignal med en viss våglängd. Spektralband Våglängdsområde. Spektrometer Sensor som sveper igenom ett våglängdsområde och mäter strålningsintensiteten vid varje våglängd. Svartkroppsstrålare Objekt vars strålning helt beror på dess temperatur. TIR Termisk IR > 3µm. Transmission Hur mycket strålning i en viss våglängd som passerar ett medium. Våglängd Färgen på strålningen. 8
Ytstrålare Yta med hög emissionsfaktor som strålar som en svartkroppsstrålare, se 4.2.1 och 4.2.2. Överstyrd När en detektor har nått sitt toppvärde. 9
3 IR-strålning och detektion Den infraröda strålningen var inte känd innan Herschel upptäckte den i början av 1800-talet med hjälp av ett prisma och en termometer [14]. Herschel visste att vitt ljus bestod av flera färger och att ljuset var varmt och tänkte därför mäta vilken av färgerna som innehöll värmen. Ett experiment gjordes därför där han skapade ett spektrum med ett prisma. En termometer fördes sedan igenom färgerna och han antecknade vilken temperatur termometern visade vid en viss färg. När han sedan skulle mäta upp en referenstemperatur så lade han termometern precis utanför den röda färgen och uppmätte där en högre temperatur än hos de andra färgerna. Herschel drog då slutsatsen att där fanns en osynlig färg utanför den röda som innehöll mer värme än de andra färgerna. Efter det att den infraröda strålningen var upptäckt gjordes en hel del arbete av fysiker såsom Kirchhoff, Stefan, Boltzmann, Rayleigh med flera. År 1901 publicerade Max Planck sin ekvation om svartkroppsstrålning (ekvation 1, sidan 15) som beskriver hur strålningen från ett objekt beror på dess temperatur. Idag har vi en god förståelse av infraröd strålning och den har flera användningsområden i vårt vardagliga liv. De tidiga IR-detektorerna var mycket enkla och bestod av en termometer eller ett termoelement som genererar en spänning som beror av temperaturen. Idag finns det ett flertal olika tekniker för att detektera infraröd strålning, från enkla detektorer som tar emot signalen från en fjärrkontroll, till avancerade bildalstrande detektorer såsom värmekameror. Infraröd strålning är i dag definierat som elektromagnetisk strålning med en våglängd mellan 720nm och 1000µm [2]. Detta område kan i sin tur delas in i flera delar. När-IR, NIR 720nm till 1, 3µm Kortvågig IR, SWIR 1, 3µm till 3µm Mellanvågig IR, MWIR 3µm till 8µm Långvågig IR, LWIR 8µm till 15µm Fjärr-IR, FIR 15µm till 1000µm 10
4 Utrustning En hel del utrustning har använts i de experimentella försöken, vilken presenteras här nedan. 4.1 Sensorer I detta arbete har ett flertal sensorer använts, de flesta detekterar strålning i det infraröda spektralområdet. 4.1.1 MultiMIR Huvuddelen av detta arbete fokuseras på MultiMIR-kameran. Metodiken kan dock tillämpas även på andra kameror. MultiMIR [13, 16] är en multispektral mellanvågsir-kamera som är tillverkad av AIM Infrarot-module år 2001 i Tyskland med modifikationer av hård- och mjukvara gjorda på FOI. I kameran sitter en kyld stirrande fokalplansarray med 384 288 pixlar och en pixelstorlek på 20µm 20µm. Detektorn är gjord i kvicksilver-kadmium-tellur (MCT, HgCdTe) och kyls med en Stirlingkylare till en arbetstemperatur på 85,1K, denna temperatur nås ett par minuter efter uppstart. Temperaturupplösningen (NETD) är < 25mK vid 300K. (a) Normalt utförande (b) Utsee utan skal och optik Figur 1: MultiMIR-kameran Till kameran är en dator kopplad, som används för att styra kameran och för att ta emot data. Med programvara kan man bland annat ändra detektorns integrationstid, från 10µs upp till 2560µs, ändra hur stor del av detektorn som skall användas och applicera några enkla bildkorrigeringar. I ett annat program, som är skrivet på FOI, tar man emot data. Data som kommer från kameran har ett bitdjup på 14 bitar per pixel och kan behandlas på olika sätt i programmet, eller sparas för senare behandling i till exempel MATLAB. Detektorn är känslig i våglängdsområdet 1, 5µm till 5, 5µm. Detta område kan i sin tur delas upp i fyra delar med hjälp av fyra 11
Figur 2: Bild från MultiMIR-kameran bandpassfilter. Ett exempel med bilder från de fyra filtren kan ses i figur 2. Uppdelningen sker genom att ett filterhjul med fyra filter roterar framför detektorn, med en hastighet av 25varv/sekund, så att var fjärde bild är inom samma våglngdsområde, man får alltså 25 bilder per sekund för varje våglängdsområde. Anledningen till att man delar upp spektret är för att man då kan bedöma hur mycket strålkällan strålar i fyra våglängdsområden i stället för bara ett. Filtren är anpassade till atmosfärens absorptionsspekta och ligger i de områdena där det är minst absorption. Om man väljer att använda filterhjulet så läggs bilderna från de fyra filtren ihop bredvid varandra till en stor bild när bilderna sparas eller visas på datorskärmen. De fyra bandpassfiltren gör att man ofta pratar om att kameran har fyra Band Våglängdsområde (µm) 1 1,5 1,8 2 2,1 2,5 3 3,5 4,1 4 4,5 5,2 Tabell 1: MultiMIRs fyra våglängdsband som de angavs av tillverkaren band. Våglängdsområdena för dessa fyra band, som de angavs av tillverkaren, ges av tabell 1. Vi kommer senare i detta arbete se att denna tabell bara stämmer mellan 1, 5µm och 5, 2µm. I figur 1a kan man se en bild på hur MultiMIR-kameran ser ut normalt 12
när den används, optiken på bilden är ett teleobjektiv av kisel med ett synfält (FOV) på 5, 3 4, 0, en IFOV på 0, 24mrad och en aperturdiameter på 50mm. Det finns även en annan optik som har en aperturdiameter på 7, 5mm i diameter, en FOV på 35 26 och en IFOV på 1, 6mrad. Figur 1b visar hur kameran ser ut inuti, på bilden kan man se filterhjulet med sina fyra filter. Under 2007 byttes detektorn i kameran eftersom den föregåe hade blivit för dålig och hade allt för många döda pixlar. Se [9] för mer information om HgCdTe-detektorer. 4.1.2 Radiometer När MultiMIR-kamerans detektor skulle mätas upp med en monokromator så användes en radiometer som referens. Radiometern [8] som användes Figur 3: Radiometer av typen C.I Ltd modell SR 426 är en C.I. Ltd modell SR 426 pyroelektrisk radiometer med en okyld litium tantalat (LiTaO 3 ) detektor och kan ses i figur 3. Sensorn har ett brett spektralområde, från 0, 2µm till 25µm, med en väldigt platt responskurva. Nackdelen med detektorn är att den inte är lika känslig som andra tekniker och att den bara kan mäta varierande strålnivåer, inte konstanta. Eftersom de objekt man vill mäta på ofta har en strålnivå som inte varierar så mycket finns det en inbyggd chopper som blockerar strålningen med jämna mellanrum så att den blir varierande. På grund av chopperns hastighet och förstärkarens konstruktion så tar det relativt lång tid för radiometern att nå ett stabilt värde. Beroe på inställningarna kan det ta flera sekunder. Värdet från radiometern avläses på en voltmeter som man kopplar på utgången. Man kan inte avläsa några absolutvärde utan bara hur en strålnivå förhåller sig till en annan. Se [4] för mer information om pyroelektriska radiometrar. 4.1.3 IR-termometer För att mäta temperaturen på svartkroppsstrålkällor och på annan utrustning så har en IR-termometer används och kan ses i figur 4. IR-termometern är en Omega enginering inc. OS86-LS [10] som går att använda från 50 C 13
Figur 4: IR-termometer av typen OS86-LS från Omega enginering inc. till 500 med 0, 1 C noggrannhet. Termometern använder strålningen som ett objekt strålar ut, på grund av svartkroppsstrålning, för att avgöra hur varmt objektet är. Eftersom de flesta ytorna inte är perfekta svartkroppsstrålare så kan man i termometern ställa in emissionsfaktorn på den yta som man tittar på. Den beräknade temperaturen visas kontinuerligt på en display på termometern. 4.1.4 Spektrometer Figur 5: FTIR-spektrometer av typen MR304SC tillverkad av ABB Spektrometern som användes vid uppmätandet av filterkurvorna är en MR304SC Fourier Transform InfraRöd (FTIR) spektroradiometer [1] som är tillverkad av ABB. Spektrometern ger spektrum för den inkommande strålningen och har två detektorer som totalt ger ett spektralområde från 2µm till 15µm. Den första detektorn (2µm till 5, 5µm) är en InSb-detektor och den andra (4µm till 15µm) är en MCT-detektor. Spektralupplösningen är 1cm 1. Se [5] för mer information om FTIR-spektrometrar. 4.1.5 Temperatursensor För att mäta temperaturen i MultiMIR-kameran så användes två digitala temperatursensorer av typen Tinytag Plus. Sensorn består av en liten datorlåda med en ansluten sensor. Sensorn programmeras med ett program 14
i en dator, och man talar då om hur ofta den ska mäta och hur länge. Temperaturen utläses efter experimentet med samma program och ges med två decimalers noggrannhet. Temperatursensorn klarar temperaturer mellan 40 C och 125 C och vid rumstemperatur är mätnoggrannheten bättre än ±0, 5 C. 4.2 Referensstrålkällor Ett flertal olika strålkällor har används och testats under arbetets gång. Dessa strålkällor har en känd strålnivå och används för att kalibrera sensorerna före och efter mätningar. De strålkällor som har använts är antingen svartkroppsstrålare, som strålar beroe på sin temperatur, eller en kortvågig strålkälla. Strålnivån från en svartkroppsstrålare kan man räkna ut med hjälp av Planks strålningslag, L (λ, T ) = 2hc2 λ 5 1 e hc λkt 1 (1) men när man använder kortvågiga strålkällor, såsom lampor eller integrerande sfärer, så får man använda en översättningstabell eftersom de inte är svartkroppar. Figur 6: Spektral radians från svartkroppsstrålare med olika temperaturer. 15
Man kan se i figur 6 hur svartkroppsstrålare strålar vid fyra olika temperaturer. Eftersom det krävs höga temperaturer, flera hundra grader, för att få mycket strålning i det kortvågiga IR-området från en svartkroppsstrålare, använder man oftast kortvågiga strålkällor såsom lampor när man ska kalibrera inom detta område. 4.2.1 Ytstrålare Figur 7: Ytstrålare med kontrollenhet, av typen RCN300 från HGH Infrared Systems Ytstrålaren som har använts och som kan ses i figur 7 är en RCN300 från HGH Infrared Systems [8]. Den fungerar som en svartkroppsstrålare med väldigt hög emissivitet. På kontrollenheten kan man ställa in ytans temperatur mellan cirka 50 C och 300 C, och när den angivna temperaturen är nådd ser ett inbyggt reglersystem till att temperaturen håller sig stabil. Ytstrålaren värms upp med hjälp av en elektrisk värmeslinga som sitter bakom ytan. 4.2.2 Peltierelement Två typer av peltierelement har använts och båda är byggda på FOI. Båda sorterna är svartkroppsstrålare och har en svartmålad matt yta för att öka emissionsfaktorn. Peltierelement är en enklare typ av ytstrålare som är praktiska att använda under fältmätningar. En nackdel är att temperaturintervallet är begränsat. Peltierelementen fungerar på så sätt att när man matar elementet med en ström så får man en varm och en kall sida och om man ökar strömmen så ökar temperaturskillnaden. Genom att ändra riktningen på strömmen kan man bestämma vilken sida som ska vara varm och vilken som ska vara kall. 16
(a) Gammal (b) Ny Figur 8: Tva stycken peltierelement av olika modeller Den a ldre sorten, som kan ses i figur 8a, styrs med ett spa nningsaggregat och temperaturen sta lls in genom att a ndra spa nningen och da rmed stro mmen. Detta peltierelement a r anva ndbart mellan ungefa r 10 C och 80 C. En nackdel med denna typ a r att man inte vet vilken temperatur man fa r vid den spa nningen man sta ller in. En temperaturma tare ma ste anva ndas. En ny typ av peltierelement har nyligen byggts och kan ses i figur 8b, denna typ har en inbyggd stro mka lla och ett reglersystem vilket go r att man bara beho ver sta lla in den pa en temperatur och sedan ha ller den sig vid den. Se [7] fo r mer information om peltierelement. 4.2.3 Kavitetsstra lare En annan sorts svartkroppsstra lare som har anva nts a r kavitetsstra laren. Den besta r i princip av en uppva rmd kavitet med ett ha l, vars stra lningsniva beror pa kavitetens temperatur. En fo rdel med kaviteten a r att den kan na (a) Graseby (b) Mikron (c) HGH Figur 9: Tre kavitetsstra lare av olika storlek och ma rke 17
upp till högre temperaturer än en yta. De som användes i detta arbete, och som kan ses i figur 9 är en Graseby Infrared modell IR-201, en Mikron M360 och en HGH RCN 1400 [8]. Kavitetsstrålarna kan användas vid temperaturer upp till 1050 C, 1100 C respektive 1400 C och man kan variera aperturen mellan 3 och 50 mm på kaviteten från HGH och mellan 2 och ungefär 25 mm på de två andra. 4.2.4 Integrerande sfär En integrerande sfär är ingen svartkroppsstrålare utan fungerar på så sätt att man har en stabil och välkalibrerad lampa som lyser in i en sfär som invändigt är målad med en matt färg som reflekterar nästan all den inkommande strålningen. Eftersom sfären är reflekterande och ljuset inte har mer än några få ställen där det kan komma ut så kommer det att reflekteras fram och tillbaka ett flertal gånger inne i sfären innan det kommer ut. Resultatet blir att när man tittar in genom ett hål så ser man ett homogent ljus med en känd strålningskurva. Mängden strålning som kommer ut ur sfären kan regleras genom att man ändrar storleken på öppningen framför lampan. Den integrerande sfären som har använts i detta arbete är en SR-3B från (a) Integrerande sfär med kontrollenhet och några olika aperturer (b) Den integrerande sfärens strålningskurva Figur 10: Integrerande sfär av typen SR-3B från SphereOptics SphereOptics och kan ses i figur 10a. Som man kan se i figur 10b strålar den integrerande sfären mest vid korta våglängder. Därför används den oftast, istället för en svartkroppsstrålare, när man arbetar med kortvågig IR-strålning, som till exempel med MultiMIRs band 1 och 2. Se [12] för mer information om integrerande sfärer. 18
4.3 Annan utrustning En del annan utrustning har använts, den viktigaste presenteras här. 4.3.1 Monokromator När MultiMIR-kamerans detektor skulle mätas upp så användes en monokromator. Monokromatorn är en apparat som gör monokromt ljus, det vill säga ljus som består av en våglängd, av vanligt ljus. Uppställningen som Figur 11: Monokromator som används för att skapa strålning med ett smalt spektralband användes i detta arbete och som kan ses i figur 11 fungerar på följande sätt. Strålkällan (A), vilket är en kavitetstrålare uppvärmd till 1050 C, lyser på en konkav spegel (B). Strålningen fokuseras där och reflekteras igen på en platt spegel i (C) mot ett filter i (D). Filtret tar bort korta våglängder från ljuset som sedan passerar en variabel spalt (E) som påverkar hur mycket och hur brett spektret blir på det ljus man får ut i slutet. Inne i monokromatorn reflekteras ljuset på en spegel (F) till en annan spegel (G) till ett gitter (H). Gittret delar upp strålningen i olika våglängder och beroe på våglängden reflekteras ljuset i olika vinklar mot en spegel (I). Från spegeln reflekteras ljuset till en variabel spalt (J). Eftersom ljuset, när det kommer till spalten, är uppdelat så kommer bara strålning med en viss våglängd att träffa spalten. Genom att ändra spalten så kan man påverka spektralbredden på det ljus som kommer ut. Om man vrider på ratten (M) så vrids gittret och vinklarna som spektret reflekteras med ändras och man ändrar därmed våglängden på ljuset som man får ut. Anledningen till att det behövs ett 19
filter (D) är för att ljuset som kommer från gittret är en överlagring av flera ordningars spektra. Om man till exempel ställer in så att man ska få ut ljus med en våglängd på 6µm så kommer man utan filtret även få 3µm, 2µm, 1, 5µm och så vidare. Vid utgången sitter en radiometer (K) som läses av på en multimeter (L). Denna radiometer användes som referens när MultiMIR-kamerans detektor skulle mätas upp. Se [11] för mer information om monokromatorn. 20
5 Resultat Arbetet med att förbättra och förenkla mätningarna med IR-kameran har delats upp i flera delar. Först undersökte jag några underligheter med själva sensorn, sedan tittade jag på modellen som beskriver sensorn, eftersom en bra modell är en förutsättning för det resterande arbetet. Efter modellarbetet behandlades olika strålkällor, en kortvågig IR-källa utvecklades och felkällor vid användandet av strålkällorna undersöktes. Resultatet från en provmätning av ett objekt med hög temperatur visas, där kalibreringen gjordes med kalla strålkällor. Slutligen presenteras förslag till metodik vid kalibrering av sensorer så att mätningarna kan göras lättare och med högre noggrannhet, vilket även inkluderar efterföljande databehandling. 5.1 MultiMIR Under arbetet med MultiMIR-kameran har det blivit nödvändigt att mäta upp de fyra filtrens transmissionskurvor och detektorns responsivitetskurva, eftersom de resultat som erhölls vid experiment inte stämde överens med de som förväntades. Detta yttrade sig i att oväntat stora signalförändringar erhlls vid ändringar i referensstrålnivån. 5.1.1 Filter Figur 12: Transmissionskurvor för de fyra filtren, som de gavs av tillverkaren Figur 12 visar filterkurvorna för filter 1 till 4 (motsvarar band 1 till 4) som gavs av tillverkaren vid leveransen av filtren. Anledningen till att kurvan för filter 4 slutar vid 5, 2µm är för att kurvorna inte var uppmätta mer än till den våglängden. Efter bytet av detektor 2007 så har det visat sig att man får en högre signal än man skulle förvänta sig från band 1. Figur 13 visar en mätning, med varierande integrationstid, där målet har varit två ytor med olika temperatur, den ena 7 C och den andra 50 C. Om filter 1 bara släpper igenom kortvågig IR-strålning så skulle det nästan inte vara 21
Figur 13: Resultatet från en mätning av två strålkällor med olika temperaturer någon skillnad mellan signalen från de två temperaturerna, men eftersom det är en klar skillnad så kan man misstänka att transmissionskurvan för filter 1 inte är helt rätt. Figur 14: Schematisk bild som visar uppställningen vid filtermätningen Transmissionskurvorna mättes upp för alla filtren med en spektrometer som i figur 14. En varm (900 C) kavitetstrålare (A) placerades på cirka 3 meters avstånd från spektrometern (C) och framför strålkällan placerades filterhjulet (B). Spektrometern registrerade sedan den transmitterade strålningen genom vart och ett av filtren, samt strålningsnivån utan något filter som referens. I ett MATLAB-program dividerades responsen från var och ett av filtren med referensnivån för att man skulle få ut transmissionskurvorna. Eftersom resultatet innehöll relativt mycket brus och en del spikar så filtrerades kurvorna genom att varje värde blev ett medianvärde av sig själv och de 10 följande värdena. De resulterande kurvorna kan ses i figur 22
15. Figur 15: Uppmätta transmissionskurvor för de fyra filtren Som man kan se transmitterar filter 1, och även till viss del filter 2, strålning över 5, 2µm. Detta har inte varit något problem tidigare då den gamla detektorn bara var känslig upp till precis 5, 2µm och därför påverkades minimalt av den strålningen som detta fel orsakar. Att man får in mellanvågsir-strålning i band 1, där det bara ska vara kortvågig IR-strålning, betyder också att den nya detektorn som används nu är känslig över ett större område än vad den gamla var. Felen i filter 1 och 2, som mest påverkar band 1 eftersom felet i filter 1 är större, gör att man inte kan vara säker på att det man mäter med dessa band verkligen är kortvågig strålning. 5.1.2 Detektor Eftersom den nya detektorn inte verkade ha samma responsivitetskurva som den gamla gjordes en uppmätning av den nya. Mätningen gick till på så sätt att filterhjulet avlägsnades så att strålningen gick från linsen rakt in i detektorn. En monokromator användes för att variera våglängden på den inkommande strålningen (se avsnitt 4.3.1). Först kalibrerades ratten som ändrar våglängden på monokromatorn. Detta gjordes genom att, med filterhjulet i kameran, vrida på ratten tills man fick en topp eller dal i ett av banden. Våglängden noterades ihop med rattens inställning. Med ett antal sådana punkter kunde en ekvation tas fram som översatte rattens gradering till våglängder. Eftersom inte intensiteten på strålningen är densamma vid alla våglängder så mättes denna först upp med hjälp av en radiometer som har en platt responskurva. Motsvarande mätning vid samma våglängder gjordes sedan med MultiMIR-kameran utan filter. För att få en kurva som gick från 1, 5µm till 6µm så blev det nödvändigt att göra mätningen i två steg, med olika filter och gitter i monokromatorn. För att sedan få ut detektorns responskurva så dividerades helt enkelt 23
Figur 16: Resultatet från uppmätningen av detektorns responskurva värdena från MultiMIR med värdena från radiometern. Eftersom inte effektiviteten hos radiometern och den absoluta strålnivån är känd så är inte detektorkurvan absolut utan normerad och kan ses i figur 16. Kurvan liknar motsvarande kurvor som har mätts upp för andra detektorer av samma typ [3]. Tre tydliga fel finns i detektorkurvan. Två dalar, en mellan 2, 5µm och 3, 3µm och en mellan 4, 1µm och 4, 3µm beror på atmosfärisk absorption av CO 2 och H 2 O eftersom kameran stod längre bort från monokromatorn än radiometern och det därför var mer luft mellan. Toppen mellan 5, 1µm och 5, 2µm är av okänt ursprung men uppkommer genom att det är en dal i responsen från radiometern vid de våglängderna, möjligtvis på grund av mätfel. 5.2 Modell Det finns ett antal olika modeller som används i litteraturen för att beskriva sambandet mellan det uppmätta digitala värdet (Digital Nivå, DN) i en bild och den inkommande strålningen. Förutom den inkommande radiansen, L, så innehåller modellerna integrationstiden, t int och en varierande mängd konstanter och bias-värden, det vill säga värden som inte beror på den inkommande strålningen. De vanligaste bias-värdena är C DO, C DC och C 0int. 24
C DO är en digital offset som fås ut från sensorn om förstärkningen i detektorn sätts till 0, denna bias uppkommer vid avläsningen av detektorn. C DC är en mörk ström, Dark Current, som fås även om det inte finns någon inkommande strålning, och som beror på integrationstiden. Denna bias beror på termiskt brus i detektorn och på att det inne i kameran finns strålning som träffar detektorn som inte kommer från målet. C 0int är det biasvärde som fås vid 0 sekunders integrationstid. Den radians som används i vissa modeller är L Filter som är den radiansen som detektorn ser och som beror på detektorns responsivitet, filter och annan optik som är framför detektorn. L F ilter = L T arget (λ)τ Atm (λ)τ F ilter (λ)r Normerad (λ)dλ (2) L Target är målets radians, τ Filter (λ) är transmissionskurvan för filter och annan optik, R Normerad är den normerade responsivitetskurvan för detektorn och τ Atm (λ) är transmissionen i atmosfären och kan försummas vid mätningar på nära håll. I figur 17 kan man se DN som funktion av radiansen hos en svartkroppsstrålare med temperatur 6 C till 170 C. Man kan se att DN fortsätter någorlunda linjärt ända upp tills detektorn bottnar vid DN 16000 (16383 eller 2 14 1 för att vara exakt). Anledningen till att man inte får en högre respons vid högre strålning efter denna punkt är att pixlarna inte kan hålla mer laddning, och att digital till analog-omvandlaren genererar ett 14 bitars tal. Den olinjära detektorresponsen antas oftast vara linjär över det området man jobbar vid men en del arbete har gjorts med att istället försöka anpassa olika kurvor såsom parabler eller S-formade kurvor [15] till responsen. Den modell som har använts tidigare på FOI när inga ändringar av sensorparametrar har gjorts under mätningen är, DN = C L F ilter + DN bias, (3) Om sensorparametrarna ändras under mätningen har istället följande modell använts DN = t [ ] int2 AApertur2 C L F ilter + DN var + DN bias,0 (4) t int1 A Apertur1 I ekvation 3 är DN bias det totala biasvärde för en viss integrationstid. DN var i ekvation 4 är det integrationstidsberoe biasvärdet och DN bias,0 är det integrationstidsoberoe. C beror på sensorns IFOV och detektorns responsivitet enligt ekvation 5. C = R P eak θ 2 IF OV (5) 25
Figur 17: DN som funktion av radiansen, integrationstiden är 1610µs, strålkällorna är ytstrålaren och ett peltierelement 5.2.1 Behov av en ny modell Man kan se i figur 18, som visar det uppmätta värdet DN som funktion av integrationstiden, att DN är beroe av integrationstiden. Därmed behövs en modell som innehåller integrationstiden och som inte är låst vid den integrationstid som användes vid kalibreringen. Det har även visat sig att detektorn inte är linjär vilket betyder att det behövs olinjära termer i modellen. 5.2.2 Framtagning av ny modell I detta arbete har jag utgått från en modell av Lucey et al. [6] som ser ut på följande sett DN = G [(C 1 L F ilter + C DC ) t int + C 0int + C AO ] + C DO (6) och som används för kalibreringen av en infraröd kamera på satelliten Clementine som går i en bana runt månen. I denna ekvation finns konstanterna G (gain) och C AO (analog offset), dessa parametrar har utlästs från sensorn. Då detta inte gick att göra med MultiMIR slogs dessa ihop med de andra 26
Figur 18: DN som funktion av integrationstiden, sensorn tittar på en yta som är 51, 5 C parametrarna. Resultatet blir då vilket också kan skrivas DN = (CL F ilter + C DC ) t int + C 0int (7) DN = L F ilter Ct int + (C DC t int + C 0int ). (8) där C beskrivs av ekvation 5. Om en anpassning görs av ekvation 8 till mätvärdena i figur 18 och residualerna plottas (figur 19) så ses att de följer en parabel relativt väl. Detta medför att en kvadratisk term måste finnas med i modellen för att minimera detta fel. Resultatet blir då DN = L F ilter C 1 t int + ( C 2 t 2 int + C DC t int + C 0int ). (9) Anledningen till att det kommer in en kvadratisk term är inte riktigt känd, det kan bero på en olinjäritet i detektorn till exempel att pixlarna läcker laddning och att läckaget ökar vid längre integrationstider. I figur 20 kan man se vad som händer om sensorns integrationstid ändras till 10µs. Vid korta integrationstider framträder en olinjär komponent som 27
Figur 19: Residualerna om man anpassar ekvation 8 till mätvärdena i figur 18 Figur 20: DN som funktion av radiansen, integrationstiden 10µs, strålkällorna som har använts är ytstrålaren och ett peltierelement 28
böjer av kurvan nedåt vid låga radiansnivåer. Olinjäriteten finns även vid längre integrationstider men då är den så liten i förhållande till den linjära responsen att den blir försumbar. Den bästa anpassningen jag har lyckats göra till denna term är C L Filter, vilket ger DN = L F ilter C 1 t int + L F ilter C 2 + ( C 3 t 2 int + C DC t int + C 0int ). (10) Det fysikaliska ursprunget till olinjäriteten är inte känd men det skulle kunna bero på att detektorn blir något uppvärmd när strålningsnivån ökar och att man därmed ändrar egenskaperna i materialet en aning. Om detta stämmer så skulle det kunna medföra att man får en olinjär term som beror på radiansen men inte på integrationstiden. I praktiken görs inga mätningar med så låg integrationstid och radians som i figur 20 och vid högre radiansnivåer planar kurvan ut och blir approximativt linjär. Vid integrationstider längre än ca 200 µs eller vid radiansnivåer högre än ca 5W/(m 2 sr) kan man försumma den olinjära termen då dess bidrag blir litet i förhållande till de andra. Vid små ändringar av integrationstiden kan man försumma den kvadratiska termen. För att använda modellen för radiometriska kalibreringar bryter man ut L Filter och sätta in parametervärden och DN i den ekvation som man då får. Ibland görs mätningar på objekt som är för ljusstarka även med den kortaste integrationstiden. Då monteras en lös apertur framför linsen som minskar strålningen som når fram till detektorn. I figur 21 kan man se resultatet av ett försök där målet var en kavitetsstrålare inställd på 1200 grader. Vid denna temperatur skulle sensorn ha överstyrt, även vid den korta integrationstiden som användes, om det inte hade suttit en apertur framför linsen. Man kan se att beroet av aperturens area är linjärt. I band 3 överstyrde sensorn när den största aperturen användes. Som jämförelse får detektorn in ungefär 3 gånger så mycket strålning utan apertur som med den största som användes i detta försök. Om man lägger till aperturen i ekvation 10 så fås DN = C 1 L F ilter t int AP +C 2 LF ilter AP + ( C 3 t 2 int + C DC t int + C 0int ) (11) där AP = A Apertur A Optik Ekvation 11 kan i de flesta fall förenklas till = D Apertur D Optik. (12) DN = C 1 L F ilter t int AP + ( C 3 t 2 int + C DC t int + C 0int ) (13) Optikens area A Optik och diameter D Optik är den effektiva arean och diametern, som kan beräknas med A Optik = π ( ) f 2, D Optik = f 2N N (14) 29
Figur 21: DN som funktion av aperturarean, integrationstiden 10µs där f är fokallängden och N är bländartalet. För optiken som används till MultiMIR-kameran, som har f =100 och N = 2, ger detta en effektiv diameter på 50mm. När detta testades genom att sätta en apertur med varierande storlek framför linsen och jämföra detta med värdet om ingen apertur används, så visade det sig att diametern är cirka 51mm. Aperturerna som använts är gjorda av tjock plast. Det upptäcktes dock att de trots detta transmitterar lite IR-strålning, speciellt i band 4. För att minimera felet som kan uppstå på grund av detta så kan man göra om aperturerna i ett annat material som inte släpper igenom någon IR, eller belägga de befintliga med till exempel en metallfilm. 5.2.3 Parameterdrift En del av parametrarna i modellen är inte konstanta. Figur 22 visar hur mätvärdet man får ut från sensorn, DN, varierar under två och en halv timme efter det att man startar kameran. Under hela mätningen tittade sensorn på ett kallt peltierelement vilket betyder att radiansen är liten. Andra mätningar av driften som gjordes under flera timmar visade att DN stiger lite under dagen och minskar under kvällen och natten. Detta gjorde att driften kunde misstänkas bero på temperaturen inne i kamerahuset och därmed även på rumstemperaturen eftersom temperaturen i kamerahuset ökar med 30
Figur 22: DN som funktion av tiden precis efter det att kameran har startats, integrationstiden 1610µs över 10 C när den startas och rumstemperaturen varierar över dygnet. Man kan även se att variationerna är starkt korrelerade mellan banden. För att testa denna hypotes kopplades två temperatursensorer in i kameran som loggade temperaturen dels på kamerahuset och dels på luften i kameran. Temperaturen ändrades i rummet genom att öppna ett fönster, vilket simulerade förhållandena under en fältmätning. Resultatet presenteras i figur 23 och visar ett klart samband mellan driften av DN och kamerans temperatur. I figuren används MultiMIRs band 1 och 4 för att visa på sambandet mellan driften och temperaturen, resultatet var motsvarande i de andra två banden men skillnaden i DN var lägre. Anledningen till att kurvan för band 4 i figur 23c är lite hackig är att reglersystemet i peltierelementet inte klarar att hålla temperaturen helt konstant, så det man ser är variationer i strålkällans temperatur. Man kan se att eftersom luftens och lådans temperatur inte överensstämmer helt perfekt med driften i DN är det även temperaturen av någon annan del av kameran som avgör. Under mätningen tittade sensorn in i ett peltierelement som var inställt på 6, 5 C vilket gör att det mesta av signalen är bias. Genom att jämföra variationen vid 10µs respektive 2560µs integrations- 31
(a) Temperaturvariation 1 (b) Temperaturvariation 2 (c) Drift 1, integrationstid 2560µs (d) Drift 2, integrationstid 10µs Figur 23: Hur bias-nivåerna ändras med temperaturen vid två mätningar Band 1 2 3 4 Ändring av DN 879 524 470 720 Tabell 2: Variation av DN vid 9, 9 C ändring av temperaturen i kameran, integrationstid 2560µs, medeltemperaturen 20 C tid så kan man se att den största delen av bidraget kommer från en förändring i C DC, det vill säga den mörka strömmen. Vid den långa integrationstiden kan man se en klar skillnad mellan driften i de olika banden (tabell 2). Eftersom strålningen är värmestrålning som har en lång våglängd betyder detta att ungefär hälften av strålningen som orsakar variationen passerar genom filtren och eftersom strålkällan håller en konstant temperatur så måste denna del komma från linsen. Den resterande delen kommer från andra delar i kameran som ändrar temperatur, såsom filter och delarna runt detektorn. Det finns även en möjlighet att detektorns temperatur ändras en aning genom att kylaren kan kyla till en lägre temperatur när den jobbar i en kallare 32
omgivning, men då en kallare detektor skulle resultera i en lägre biasnivå är inte detta så troligt. Drift på grund av temperaturen borde gälla för alla sensorer som är känsliga för värmestrålning, speciellt om det finns en lins eller något annat framför detektorn som ändrar temperatur. 5.2.4 Parameterbestämning Det är eftersom vissa parametrar i modellen inte är konstanta som man måste kalibrera sensorn innan en mätning mot en känd strålkälla och sedan räkna ut värdet på parametrarna. Ur fyra mätningar som gjordes med flera dagars mellanrum beräknades värdet på parametrarna i ekvation 10 med hjälp av linjär regression. Från resultatet som visas i tabell 3 kan man se att C 2 är en konstant och C 0int i princip kan ses som en konstant då variationen är liten och den inte ändras speciellt mycket med temperaturen. Eftersom C 0int inte multipliceras med integrationstiden kommer inte små fel i C 0int att ha någon stor inverkan på det totala värdet. Från kapitel 5.2.3 kan man se att konstanten C DC påverkas av den omgivande temperaturen vilket inte märks i dessa resultat eftersom alla mätningarna gjordes vid rumstemperatur och efter det att kamerans temperatur hade stabiliserat sig. C 3 verkar i vissa band vara stabil och i vissa varierar den mycket mellan mätningarna. Det betyder att den måste mätas upp vid varje kalibrering om man inte tar bort den helt ur modellen, vilket man kan göra utan att felet blir så stort om man inte varierar, eller bara gör små variationer av integrationstiden. C 1 är den parametern som Band C 1 10 6 C 2 C 3 10 6 C DC 10 6 C 0int 1 0,31 0,36 39-26,14-26,59 2,00 2,08 1470 1477 2 0,34 0,45 39-8,22-8,94 1,12 1,16 1444 1450 3 0,65 0,71 39-11.94-14,63 1,00 1,06 1441 1445 4 0,58 0,65 39-43,06-75,69 1,81 1,93 1449 1462 Tabell 3: Parametervärde från fyra mätningar visar hur mycket av den inkommande radiansen som registreras i detektorn. Då det finns en viss variation i C 1 så måste den bestämmas i en kalibrering innan mätningen. Det visade sig i de fyra mätningarna att parameterdriften är korrelerad mellan banden, det vill säga om en parameter ökar i ett band så ökar den nästan alltid i alla banden. I de mätningarna som gjordes var alltid C 1 och C DC korrelerade medan C 3 och C 0int var det i de flesta fallen. Parametrarna är även korrelerade mot varandra, i de flesta mätningarna ökade värdet på C 3, C DC och C 0int när värdet på C 1 minskade. 33
I tabell 4 visas en sammanställning av modellens parametrar och vad de beror på. DN Det digitala värdet som fås från sensorn. L Filter Radiansen som ses av ett band när filter- och detektorkurvan har räknats in, se ekvation 2. t int Integrationstiden AP Aperturarean i förhållande till arean på optiken, se ekvation 12 C 1 Hur mycket utsignal man får från en viss radians, se ekvation 5 C 2 Olinjär term vid varierande radiansnivå, kan bero på att strålningen värmer upp detektorn. C 3 Olinjär term vid varierande integrationstid, kan bero på att pixlarna läcker mer laddning vid ökad integrationstid. C DC Strålning som detekteras men inte kommer från målet, kan istället komma från bland annat optik, filtren och insidan av kameran. Beror på kamerans temperatur, se avsnitt 5.2.3. Den signal som fås vid 0 sekunders integrationstid. C 0int Tabell 4: Sammanfattning av modellens parametrar 5.2.5 Sammanfogning av banden När nu detektorkurvan och filterkurvorna är kända så borde, om man plottar data från alla band i samma figur, all data ligga på en linje. Om den gör det så skulle det förenkla kalibreringen genom att parametrarna blir samma för alla band och en strålkälla skulle då, vid en mätning, ge fyra mätpunkter istället för en. När detta testades blev resultatet som i figur 24. Radiansnivån i figurerna är ett mått på hur mycket som borde detekteras i de olika banden baserat på detektorkurvan och transmissionskurvorna för filtren. Man kan se att resultatet har blivit relativt bra i figur 24b där temperaturen på strålkällan var hög. Däremot blev resultatet inte så bra i 24a där temperaturen var lägre. Man kan även se att band 1 avviker i båda försöken. Anledningen till felen kan vara att det är fel i filter- och detektorkurvorna, det kan även vara den uträknade radiansen som är fel. Radiansen är uträknad från strålkällans temperatur med ekvation 1, bidraget från optiken, vilket skiljer mellan banden, är inte medräknat men om man lägger till ett bidrag från en 30 C strålkälla så försvinner inte felen helt, men kan i en del fall bli mindre. Anledningen till att de olika banden passar bättre ihop vid högre temperaturer kan vara att objektets strålning då blir större i förhållande till strålningen från andra källor. 34
(a) Temperatur 3, 8 C till 61 C (b) Temperatur 150 C till 221 C Figur 24: Mätpunkterna från alla band i samma figur, integrationstid 510µs 5.3 Lampa När man ska kalibrera en sensor i det kortvågiga IR-området krävs det mycket höga temperaturer om man ska använda en svartkroppsstrålare. På grund av detta använder man istället en kortvågig strålkälla så som en integrerande sfär. Då en integrerande sfär kan vara otymplig att ha med sig på en fältmätning har FOI byggt och testat en förenklad version som är mindre och lättare att använda. En vidareutveckling av denna lampkonstruktion gjordes under detta arbete eftersom den föregåe gav för låg srålningsnivå. Resultatet kan ses i figur 25. (a) Lampa (b) Schematisk bild över lampan Figur 25: En kortvågig strålkälla som har utvecklats i detta arbete 35
5.3.1 Design En 150W spotlight från Philips (A), som drivs på 12V DC och då genererar cirka 100W, lyser igenom en ställbar iris (B). Irisbländaren har en ytterdiameter på 110mm, en max-apertur på 80,5mm och en min-apertur på 4,5mm. Efter irisen finns ett diffust glas (C), av typen Techspec Ground glass diffuser storlek 100mm 100mm, som sprider ljuset som sedan träffar en blästrad aluminiumplatta (D). En kamera (E) riktas sedan in mot aluminiumplattan och ser då en stor, relativt jämn, ljusfläck. Om storleken ändras på irisen så ändras intensiteten på ljuset. Totalt blev hela strålkällan 350mm lång och 220mm hög, öppningen är 110mm 110mm. 5.3.2 Kalibrering Precis som en integrerande sfär måste lampan kalibreras så att man vet vilken radians man får ut vid en viss slutaröppning. En nackdel med denna konstruktion är att man inte har en jämn radiansnivå över hela fläcken utan den är högst i mitten och avtar ut mot sidorna. Detta betyder att man, när man ska använda lampan för kalibrering, måste använda samma område som man gjorde när lampan kalibrerades. Detta kan avhjälpas genom att man alltid använder det mittersta området där variationerna är relativt små. Kalibreringen gick till på följande sätt. Först gjordes en mätning på den integrerande sfären för ett antal olika radiansnivåer och en mätning med samma integrationstid på lampan med varierande storlek på irisen. Mätningarna gjordes direkt efter varandra för att minimera risken att sensorns drift ska påverka resultatet. När mätningarna var klara beräknades radianserna från sfären och DN från kameran i mätpunkterna och med dessa erhölls en linjär ekvation som beskriver radiansen som funktion av DN. Från mätningen på lampan beräknades DN vid olika storlekar på irisen. DN från lampmätningen översattes sedan till radians med ekvationen från den integrerande sfären. Om storleken på irisen räknas om till area fås radiansen som funktion av arean. Under kalibreringen användes en lampspänning på 12V DC, kameran stod kant i kant med öppningen och integrationstiden var 2560µs. Man kan se i figur 26 att radiansen är linjär mot irisens area upp till en irisdiameter på 32mm, det är därför rekommerat att hålla sig under denna gräns. Anledningen till att kurvan planar ut vid ökad irisöppning är att reflektorn runt lampan är lite mindre än den största irisöppningen och att mindre strålning reflekteras i kanten av reflektorn än i mitten. Vid kalibreringen användes en fyrkant med 10 10 pixlar i den ljusaste delen av bilden. Tabell 5 visar resultatet från kalibreringen. 36
Figur 26: Kalibrering av lampan mot den integrerande sfären, integrationstiden 2560µs Band 1 L Filter = 0, 73 A 0, 12 Band 2 L Filter = 1, 80 A + 0, 40 Tabell 5: Ekvationerna från kalibreringen av lampan, L Filter är radiansen i W/(m 2 Sr) och A är arean på irisslutaren i cm 2 5.4 Test av strålkällor För att verifiera att olika strålkällor ger samma kalibreringsresultat så testades ett flertal olika strålkällor. 5.4.1 Tidigare resultat Vid användandet av strålkällor för kalibrering har olika typer av strålkällor terat att ge olika resultat, det vill säga strålkällorna har inte legat på en linje i en DN mot radians-plott. Exempelvis har inte alltid ytstrålare passat ihop med kaviteter. För att undersöka vad detta beror på jämfördes olika typer av strålkällor. 5.4.2 Resultat från mätning Man kan se i figur 27 att de olika strålkällorna passar relativt väl ihop, ingen uppvisar det fel som hade märkts av tidigare där en strålkälla avvek kraftigt från de andra. Man kan däremot se ett par fel. I band 1 och 2 har svartkroppsstrålarna en lite annan lutning än lampan och den integrerande sfären, detta kan tyda på att där är ett fel i den uppmätta detektorkurvan. Responsen från svartkroppsstrålarna i band 1 och 2 kommer mestadels från strålningsläckaget över 5,2µm. Däremot kommer responsen från lampan och den integrerande sfären från det kortvågiga området där bandet egentligen ska ligga. 37
Figur 27: Mätpunkter från flera olika strålkällor, integrationstiden 810µs I band 3 avviker de två kaviteterna från ytstrålaren när radiansen ökar, detta kan bero på att kaviteterna har högre emissivitet än ytstrålarna. 5.4.3 Felkällor Ett par möjliga felkällor upptäcktes ändå under arbetet med strålkällorna som kan vara orsaken till de avvikelser som har uppträtt tidigare. När kaviteterna testades så kontrollerades även vad som händer om optiken inte är fokuserad på rätt avstånd. Det visade sig, som man kan se i figur 28, att fokuseringen har en stor påverkan. Vid försöket var en kavitetsstrålare uppställd på 2 meters avstånd och mellan varje mätning skruvades optiken ett varv, så att fokalpunkten kom närmare kameran. När DN skulle plockas ut från bilden användes de pixlarna som utgjorde strålkällan i den bilden som var i fokus. När optiken inte är rätt fokuserad blir bilden suddig, detta medför att den strålning som skulle ha träffat detektorn istället blir utspridd på ett större område och signalen därmed blir lägre. Ett liknande försök gjordes med en ytstrålare istället, men eftersom den är så stor att den tar upp hela bilden, till skillnad från kaviteten som bara tar upp en liten del, påverkades inte resultatet alls lika mycket av fokuseringen. Det är troligt att det är detta fenomen som har gett upphov till den större delen av de fel som har påträffats tidigare eftersom kameran vid ett fältförsök ställs 38
Figur 28: Figuren visar hur sensorsignalen [DN] beror av optikens fokusinställning. x-axeln visar antal varv som optiken skruvats där 0 = fokusering på oändligheten. in på en fokallängd, vanligtvis oändligheten, och sedan inte ändras under hela mätningen, inklusive under kalibreringen. Ett annat sätt som fokuseringen kan inverka är om strålkällan står på olika avstånd från sensorn under mätningarna medan fokuseringen är samma. Resultatet av detta blir att den uppmätta strålnivån ändras precis som om fokus hade ändrats och kalibreringen blir då fel. En annan möjlig felkälla är om strålkällan är uppställd i en vinkel mot kameran. Detta testades för ett antal olika vinklar och det visade sig att strålningsnivån minskade med ökad vinkel vilket kan ses i figur 29. Det är däremot inte troligt att detta har påverkat i någon utsträckning under kalibreringar då strålkällan alltid monteras upp så att den står så rakt mot kameran som möjligt. För att det ska bli ett nämnbart fel så måste felet i vinkeln bli så stort att det syns tydligt på de bilderna man tar. Ett annat fel som upptäcktes vid användandet av ytstrålaren, vid höga temperaturer, var att när temperaturen ökade så dök det upp en varm fyrkant mitt i bilden i band 4 och lite i band 3. Denna fyrkant ökade i storlek när temperaturen höjdes, vilket kan ses i bildserien i figur 30. En anledning till detta kan vara att kylningen inte orkar med att hålla nere 39
Figur 29: Mätvärden från en kavitetstrålare med varierande vinkel i förhållande till kameran, integrationstiden 500µs (a) Temperatur 180 C (b) Temperatur 220 C (c) Temperatur 260 C Figur 30: Mätfel på grund av uppvärmning av detektorn vid olika temperaturer på ytstrålaren, band 4, integrationstid 60µs temperaturen i hela detektorn utan bara ute i kanterna, detta skulle i så fall leda till att temperaturen ökar på ett område i mitten och att man där får en högre signal på grund av termiskt brus. Denna teori stärks av att effekten nästan bara uppträder i band 4 där man har mest värmestrålning. Aperturerna som används för att minska strålningen vid mätningar på heta mål är gjorda i en plast som visade sig vara transparent, speciellt i de längre våglängderna. Detta resulterar i ett fel då de används vid kalibre- 40