Введение

Свет и вода являются главными источниками жизни на Земле. Свет излучают звёзды, такие как солнце. Свет движется со скоростью 300 000 км/с. Он находится повсюду. И мы принимаем его как должное. Солнце является самой близкой звездой и основным источником света, восходит и опускается за горизонт каждый день. День сменяется ночью. Ночь - днём. Однако так ли всё просто? Взглянем на небо. Его глубина поражает. Кто знает сколько на нём звёзд? Веками этот вопрос не давал покоя человечеству. Многие учёные, философы и мечтатели пытались открыть его тайну. Одним из них был сер Фридрих Вильгельм Гершель. Он родился в 1738 году в Германии в городе Гоновер. Гершель знаменит как выдающийся английский астроном немецкого происхождения и музыкант. В 1757 Гершель переехал в Англию. Известность ему принесло открытие планеты Уран, произошедшее 13 марта 1781 года. Гершель посвятил это открытие королю Георгу III и назвал открытую планету в его честь — «Звезда Георга» (Georgium Sidus, название так и не вошло в употребление), а также двух её спутников - Титании и Оберона. Он также является первооткрывателем двух спутников Сатурна и инфракрасного излучения. Однако в 1800 Гершель совершил ещё одно поразительно открытие. Он решил узнать сколько тепла проходит через фильтры разного цвета, которые он использовал, чтобы смотреть на солнце. Учёный заметил, что фильтры разного цвета пропускают разное количество тепла. Он предположил, что сами цвета могут различаться по температуре и для подтверждения этой гипотезы придумал новый эксперимент. Направив солнечный свет через стеклянную призму, он получил цветовой спектр, а затем измерил температуру каждого цвета. Для каждого цвета в спектре Гершель использовал три термометра с затемненным стеклом. Измерив температуру фиолетового, синего, зелёного, желтого, оранжевого и красного света, он обнаружил, что в каждом случае температура была выше контрольной. Кроме того, он выяснил, что температура цветов повышается с фиолетовой до красной части спектра. После этого открытия Гершель решил измерить температуру за красной частью спектра, на участке, не пропускавшем солнечный свет. К своему удивлению, он обнаружил, что температура этого участка была самой высокой. Эксперимент Гершеля имел особую важность, копируя доказательство существования света, невидимого для человеческого глаза. Обнаруженная Гершелем форма света находится в спектре за красным светом и сейчас её называют инфракрасным излучением.

Устройство наших глаз позволяет нам различать только видимый свет, однако Гершель открыл другие невидимые для нас формы света. Некоторые животные видят инфракрасное излучение. Например, у гремучих змей и прочих ямкоголовых змей есть два небольших органа иначе называемых ямками. Они располагаются между глазами и ноздрями змеи и улавливают инфракрасное излучение. Такие змеи могут охотиться на теплокровную добычу даже в темноте. Человеческий глаз видит лишь малую часть электромагнитного спектра. На одном его конце расположены невидимые для нас гамма лучи, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение, а на другом инфракрасное излучение, микроволны и радиоволны, тоже невидимые. Инфракрасное излучение находится между видимой и микроволновой частями электромагнитного спектра. Это излучение отличается от видимого света длиной волны. У инфракрасных лучей длина волны больше, чем у света, который воспринимают наши глаза. Существование подобного света можно также подтвердить с помощью закона излучения, сформулированного Максом Планком в 1900 году. График, построенный по его формуле показывает, что чем теплее тело, тем выше его излучение на каждой длине волны и тем короче длина волны, в которой это излучение достигает пика. Сложно? Только на первый взгляд. Этот график соответствует 37˚С- нормальной температуре тела человека. Излучение достигает наивысшей интенсивности при длине волны, равной 9,3мкм и увидеть его можно только с помощью инфракрасной камеры. Если температуру повысить до 300˚С, примерно равной температуре паяльника, то пик излучения сместится примерно до 5мкм, но его тоже нельзя будет увидеть без инфракрасной камеры. А теперь представим, что температура повысилась до 5500˚С, то есть до температуры Солнца, тогда пик излучения будет при длине волны 0,5мкм. И оно будет находится в видимой для человеческого глаза части спектра. Основным источником инфракрасного излучения является тепло или тепловое излучение. Любой объект с температурой выше абсолютного нуля является источником инфракрасного излучения. Даже объекты, которые кажутся нам очень холодными, например, глыба льда, излучают инфракрасный свет. Каждый день мы сталкиваемся с инфракрасным излучением. Тепло от солнечного света, огня или батареи - это инфракрасное излучение. Наши глаза его не видят, но нервы, расположенные в нашей коже чувствуют его как тепло. Чем теплее объект, тем больше от него исходит инфракрасного излучения.

Инфракрасная камера, также называемая тепловизионной, измеряет количество инфракрасного излучения, падающего на её детектор. По разнице в излучении объекта тепловизионная камера создаёт четкий тепловой снимок даже в полной темноте. Тепловизионная камера- это не прибор ночного видения. Нет, приборы ночного видения позволяют видеть в темноте, потому что усиливают воздействие небольшого количества видимого света. Их можно использовать при наличии какого-нибудь света. Например, света луны и звёзд. А тепловизионная камера улавливает тепловую энергию, которую излучают объекты и поэтому работает даже в полной темноте.

Благодаря чудесному открытию Вильгельма Гершеля и лучшим на рынке тепловизионным камерам, которые постоянно самосовершенствует их производитель, теперь некоторые вещи можно увидеть в ином свете, даже сам свет.

Глава I. Что такое тепловидение

“Изображение может сказать больше, чем тысяча слов”

Daniel Auer

Тепловидение. "Тепло" и "видеть". Как такое возможно? Наши глаза способны воспринимать только видимый свет, и мы привыкли, что тепло можно ощутить только на ощупь. Чтобы проверить - теплый чайник или уже остыл - мы подносим к нему руку, мы не видим его температуру. Но находясь рядом с мощным источником тепла, например, рядом с костром мы можем ощутить исходящий от него жар без непосредственного контакта, дистанционно.

Увидеть тепло глазами невозможно, поэтому само понятие «тепловидение» подразумевает использование неких приспособлений или приборов, которые могут дистанционно воспринимать тепловую картину. Воспринимать тепловое излучение мы тоже умеем, но не зрением, а рецепторами кожи. Тепловое излучение костра, печки или солнца настолько мощное, что вызывает дистанционный нагрев участков кожи. Тепловидение можно назвать универсальным способом получения различной информации об окружающем нас мире. Как известно, тепловое излучение имеет любое тело, температура которого отлична от абсолютного нуля. Кроме того, подавляющее большинство процессов преобразования энергии (а к ним относятся все известные процессы) протекает с выделением или поглощением тепла. Так как средняя температура на Земле не высока, большинство процессов проходят с малым удельным выделением тепла и при небольших температурах. Соответственно и максимум энергии излучения таких процессов попадает в инфракрасный микроволновый диапазон. Инфракрасное  излучение  невидимо  для  человеческого  глаза, но  может  быть  обнаружено  различными  приемниками  теплового  излучения  и  тем  или  иным  способом  преобразовано  в  видимое изображение.

Итак, что же такое тепловидение?

Тепловидение – это совокупность методов и средств получения видимых изображений по тепловому излучению объектов. Тепловое излучение - естественное электромагнитное излучение, испускаемое любым объектом, температура которого выше абсолютного нуля (0 К = -273,16°С). Это излучение зависит от температуры объекта. С её повышением возрастает общая энергия испускаемого теплового излучения (пропорционально абсолютной температуре в четвертой степени), а максимум спектра излучения перемещается в область малых длин волн (см. рис. 1). Спектральный максимум теплового излучения солнца (5800К) 0,5 мкм расположен в видимой области спектра, а максимум теплового излучения тел комнатной температуры (18…22°С) 10 мкм – в дальнем инфракрасном диапазоне.

Рис. 1. Спектральная плотность энергетической светимости абсолютно черного тела в зависимости от длины волны при различных температурах. Штриховая линия, проходящая через максимумы кривых Планка, представляет закон смещения Голицына — Вина. При температурах поверхности тел 500-600°С тепловое излучение становится видимым - малиновое свечение. Следовательно для наблюдения теплового излучения тел с температурой ниже 600°С тепловизионная система должна быть чувствительна в инфракрасном диапазоне (длины волн более 0,75 мкм). Современные тепловизионные системы, как правило, работают в спектральном диапазоне дальнего ИК (8…12 мкм) и контролируют объекты с минимальной температурой до - 40°С.  Тепловизионные системы делятся на наблюдательные и измерительные. Наблюдательные тепловизионные приборы – оптико-электронные приборы для поиска, обнаружения и распознавания объектов по их тепловому излучению. Они формируют временную последовательность тепловых изображений – электронных изображений (черно-белых или в условных цветах) где яркость или цвет соответствуют распределению интенсивности теплового излучения в поле зрения прибора (см. рис. 2).

Рис. 2. Тепловое изображение, полученное в спектральном диапазоне 8…12 мкм.

Измерительные тепловизионные приборы - оптико-электронные приборы, предназначенные для бесконтактного (дистанционного) наблюдения, измерения и регистрации пространственно-временного распределения радиационной температуры объектов, находящихся в поле зрения прибора, путем формирования временной последовательности термограмм и определения истинной температуры поверхности объекта по известным значениям коэффициента излучения и параметров съемки (температуры радиационного фона, дистанции и т. д.).

Для целей диагностики и контроля качества инженерно-технических объектов и сооружений, в том числе и ограждающих конструкций зданий, используются измерительные тепловизоры. Как любые средства измерения измерительные тепловизоры для правомочного использования на территории Российской Федерации должны иметь Сертификат ГОССТАНДАРТА (теперь РОСТЕХРЕГУЛИРОВАНИЯ) России об утверждении типа средств измерений. Измерительные тепловизоры должны проходить периодическую поверку и иметь соответствующее Свидетельство о поверке. Сертификат устанавливает межповерочный интервал. Для тепловизоров, как и для пирометров – 1 год.

Сейчас тепловизоры широко применяются в самых различных областях –от научных исследований и медицины до промышленных предприятий и атомной энергетики. Тепловизор, как универсальный прибор, может быть использован для решения актуальных задач диагностики, мониторинга, неразрушающего контроля и энергетических обследований.