Entwicklung einer Kalibrierung zur geometrieunabhängigen Temperaturmessung mit Wärmebildkamera

Die Infrarot-(IR)-Thermografie ist ein nicht-invasives, berührungsloses Messverfahren, mit dem
sich die Temperaturverteilung eines Körpers ermitteln lässt. Zu diesem Zweck werden IR-Kameras eingesetzt, die von den abgebildeten Objekten abgestrahlte Infrarotstrahlung erfassen. Das Messsignal wird dann pixelweise mittels einer kameraindividuell bestimmten Kalibrierfunktion in eine Strahlungsintensität und unter Berücksichtigung des  missionsgrades in eine korrespondierende Temperatur umgerechnet. Wie auch im Visuellen entstehen bei der optischen Abbildung der Objekte Fehler, welche insbesondere auch von der Objektgeometrie (z. B. Größe) abhängen. Bei Wärmebildkameras wurde der Beitrag dieser Abbildungsfehler zur Messunsicherheit im akademischen Kontext noch nicht eingehend untersucht, und es ist auch nicht bekannt, dass ein Hersteller dieses Phänomen in seinen Kalibrierungsverfahren berücksichtigt.

Die Korrektur dieser Abbildungsfehler durch die Verbesserung optischer Komponenten ist praktisch ausgeschöpft. Die dem Projekt zugrundeliegende Idee ist es, die Abbildungsfehler durch smarte, digitale Bildverarbeitung zu kompensieren. Jedoch sind die systematischen Abbildungsfehler weder exakt bestimmbar, noch ist es mathematisch möglich, diese zwecks Kompensation direkt zu invertieren. Daher beruht der Lösungsansatz der Kompensation auf einer physikalisch begründeten Meta-Modellstruktur, welche die Inverse über Dekomposition in eine Kette von Teilinversionen annähert und diese Teilmodelle dann datengetrieben parametriert werden. Die Kompensation ist sehr anspruchsvoll, da die Meta-Modellstruktur die Überlagerung der verschiedenen optischen Effekte abbilden muss und diese für die Kalibierdatenerhebung und die Kompensation separiert werden sollen. Darüber hinaus ist aufgrund der großen Kombinationsvielfalt der optischen Komponenten einer High-End-Kamera und aufgrund von Fertigunstoleranzen eine kameraindividuelle Kalibrierung der Kompensation höchstwahrscheinlich unumgänglich. Dies erfordert ein anspruchsvolles Experimentdesign und eine Automatisierung des Kalibrierprozesses zur Erreichung der erforderlichen Reproduzierbarkeit und einer kurzen Messdauer. Die Umsetzung beinhaltet mit der angenommenen Separierbarkeit der Effekte, der unklaren Übertragbarkeit auf beliebige, reale Temperaturverteilungen und der Beherrschbarkeit der Variantenvielfalt der optischen Komponenten wesentliche technische Risiken.

Miguel Méndez, M.Sc. 

Oktober 2022 - Februar 2025

Infratec GmbH – Infrarotsensorik und Messtechnik

1. Miguel Mendez, Jannik Ebert, Lars Sommerlade and Robert Schmoll, Andreas Kroll: Comparative Assessment of the Size-of-Source Effect in Middle and Long-Wavelength Infrared Cameras, QIRT Asia 2023 - The 4th Quantitative Infrared Thermography Conference, 2023