Absoluuttisen taivastaustan määrittäminen kuvantavilla sensoreilla MWIR-aallonpituuskaistalla
Kaaja, Eero (2019)
Kaaja, Eero
2019
Materiaalitekniikan DI-ohjelma (Degree Programme in Materials Science and Engineering)
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2019-06-20
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-201906202164
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-201906202164
Tiivistelmä
Kaikki kappaleet emittoivat sähkömagneettista säteilyä, jonka voimakkuus ja aallonpituusjakauma riippuvat kappaleen lämpötilasta. Normaaleissa maanpinnan olosuhteissa suurin osa tästä säteilystä on näkyvää valoa pidemmän aallonpituuden omaavaa termistä infrapunasäteilyä, jota voidaan havaita mm. kuvantavilla infrapunasensoreilla, tai infrapunakameroilla.
Termisen infrapunakameran ulostulosignaalin suuruuteen vaikuttavat monet muutkin tekijät kuin kohteesta tai taustasta lähtöisin olevan säteilyn voimakkuus. Tästä syystä mittaustulosten tulkinta on usein haastavaa. Kvalitatiivisten mittausten suorittaminen on varsin yksinkertaista ja tarkkoihin mittaustuloksiin päästään, kunhan kamera on kunnollisesti kalibroitu ennen mittauksia. Mitatusta kohteesta tai taustasta peräisin olevan säteilyn absoluuttisen voimakkuuden määrittäminen on kuitenkin hyvin haastavaa. Pääasiallinen syy tähän on se, että kameran ilmaisimelle päätyy merkittävä määrä kameran komponenteista emittoitunutta säteilyä, joka sisältyy kameran havaitsemaan signaaliin. Tällaista säteilyä kutsutaan loissäteilyksi ja sen voimakkuus vaihtelee riippuen erityisesti kameran rungon lämpötilasta. Täten, jos kohteen absoluuttinen signaali tahdotaan selvittää, on myös loissäteilyn määrä selvitettävä.
Loissäteilyn määrän selvittäminen etenkin kenttämittauksissa on jatkuvasti vaihtelevien olosuhteiden takia hyvin haastavaa. Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia eri menetelmien soveltuvuutta signaalin nollatason selvittämiseen sekä kehittää yksinkertainen kalibrointiprosessi, joka soveltuisi käytettäväksi kenttämittauksissa.
Työssä keskityttiin erityisesti tutkimaan kuinka tarkkoihin mittaustuloksiin päästään, jos signaalin nollatasoa, eli signaalin osuutta, joka koostuu loissäteilystä ja muusta kohinasta, arvioidaan mittaamalla koveran kultapinnoitetun peilin kautta kameran erittäin kylmää ilmaisinta. Tavoitteeseen pyrittiin tutustumalla alan kirjallisuuteen sekä kattavalla kokeellisella osuudella, jossa suoritettiin suuri määrä erilaisia radiometrisiä mittauksia jäähdytetyllä MWIR-kaistan infrapunakameralla.
Työn tulosten perusteella peilin avulla ei kyetä määrittämään nollatasoa riittävällä tarkkuudella, jotta absoluuttinen taivastausta kyettäisiin määrittämään riittävän tarkasti. Syynä tähän on loissäteilyn määrän kasvaminen peiliä mitatessa, mikä johtuu pääasiassa kameran komponenttien emittoiman säteilyn heijastumisesta peilin kautta ilmaisimelle. Lupaavin ratkaisu absoluuttisten mittausten suorittamiseen on tunnetun ympäristön lämpöisen verrokin mittaaminen jokaisen kenttämittauksen yhteydessä.
Termisen infrapunakameran ulostulosignaalin suuruuteen vaikuttavat monet muutkin tekijät kuin kohteesta tai taustasta lähtöisin olevan säteilyn voimakkuus. Tästä syystä mittaustulosten tulkinta on usein haastavaa. Kvalitatiivisten mittausten suorittaminen on varsin yksinkertaista ja tarkkoihin mittaustuloksiin päästään, kunhan kamera on kunnollisesti kalibroitu ennen mittauksia. Mitatusta kohteesta tai taustasta peräisin olevan säteilyn absoluuttisen voimakkuuden määrittäminen on kuitenkin hyvin haastavaa. Pääasiallinen syy tähän on se, että kameran ilmaisimelle päätyy merkittävä määrä kameran komponenteista emittoitunutta säteilyä, joka sisältyy kameran havaitsemaan signaaliin. Tällaista säteilyä kutsutaan loissäteilyksi ja sen voimakkuus vaihtelee riippuen erityisesti kameran rungon lämpötilasta. Täten, jos kohteen absoluuttinen signaali tahdotaan selvittää, on myös loissäteilyn määrä selvitettävä.
Loissäteilyn määrän selvittäminen etenkin kenttämittauksissa on jatkuvasti vaihtelevien olosuhteiden takia hyvin haastavaa. Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia eri menetelmien soveltuvuutta signaalin nollatason selvittämiseen sekä kehittää yksinkertainen kalibrointiprosessi, joka soveltuisi käytettäväksi kenttämittauksissa.
Työssä keskityttiin erityisesti tutkimaan kuinka tarkkoihin mittaustuloksiin päästään, jos signaalin nollatasoa, eli signaalin osuutta, joka koostuu loissäteilystä ja muusta kohinasta, arvioidaan mittaamalla koveran kultapinnoitetun peilin kautta kameran erittäin kylmää ilmaisinta. Tavoitteeseen pyrittiin tutustumalla alan kirjallisuuteen sekä kattavalla kokeellisella osuudella, jossa suoritettiin suuri määrä erilaisia radiometrisiä mittauksia jäähdytetyllä MWIR-kaistan infrapunakameralla.
Työn tulosten perusteella peilin avulla ei kyetä määrittämään nollatasoa riittävällä tarkkuudella, jotta absoluuttinen taivastausta kyettäisiin määrittämään riittävän tarkasti. Syynä tähän on loissäteilyn määrän kasvaminen peiliä mitatessa, mikä johtuu pääasiassa kameran komponenttien emittoiman säteilyn heijastumisesta peilin kautta ilmaisimelle. Lupaavin ratkaisu absoluuttisten mittausten suorittamiseen on tunnetun ympäristön lämpöisen verrokin mittaaminen jokaisen kenttämittauksen yhteydessä.