Efficient infrared radiation calibration method for wide dynamic range infrared radiation measurement systems
تقترح هذه الورقة طريقة معايرة فعالة لأنظمة قياس الإشعاع بالأشعة تحت الحمراء ذات النطاق الديناميكي الواسع، والتي تستخدم نموذج استجابة غير خطي شامل لتقليل وقت المعايرة بشكل كبير مع التكيف مع مجموعة أوسع من تكوينات الأنظمة دون اشتراط الخطية الصارمة في التوهين البصري أو زمن التكامل.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في عالم الحرارة غير المرئي، حيث تتوهج الأجسام بضوء الأشعة تحت الحمراء بدلاً من الألوان المرئية، يعتمد العلماء على كاميرات متخصصة لرؤية ما لا يمكن رؤيته. هذه الأدوات ضرورية لرصد الطائرات في السماء، أو فحص سلامة المواد الشبحية، أو قياس درجات الحرارة دون لمس الأسطح أبداً. ولجعل هذه الكاميرات دقيقة، يجب معايرتها: وهي عملية تعليم الآلة مقدار الإشارة الرقمية التي يجب أن تنتجها مقابل كل كمية محددة من الحرارة الواردة. يتم ذلك عادةً عبر توجيه الكاميرا نحو "جسم أسود"، وهو مصدر مثالي للحرارة يمكن ضبطه على درجات حرارة دقيقة. ومع ذلك، عندما تحتاج هذه الكاميرات إلى رؤية أهداف تتراوح بين أجسام أرضية باردة ومحركات شديدة السخونة، يجب تزويدها بإعدادات متغيرة؛ فهي تستخدم مرشحات (فلاتر) لتقليل الضوء المكثف وتعديل المدة التي "تنظر" فيها إلى المشهد لالتقاط القدر المناسب من التفاصيل. تكمن المشكلة في أن معايرة كاميرا تحتوي على هذا العدد الكبير من الإعدادات المختلفة هي عملية شاقة ومملة؛ فهي تتطلب التقاط آلاف الصور عند عشرات الدرجات المختلفة من درجات الحرارة، وهي عملية قد تستغرق يوماً كاملاً أو أكثر، وخلالها قد تتغير درجة حرارة المختبر نفسه مما يؤدي إلى إفساد القياسات.
لقد طور فريق من الباحثين من الأكاديمية الصينية للعلوم طريقة لتقليص هذا الوقت بشكل كبير دون التضحية بالدقة. فبدلاً من معاملة كل مزيج من المرشحات وإعدادات الكاميرا كمسألة منفصلة تحتاج إلى قواعدها الخاصة، ابتكروا نموذجاً رياضياً موحداً واحداً يفهم كيف يعمل النظام بأكره ككتلة واحدة. لقد أدركوا أن العلاقة بين الحرارة القادمة والصورة التي تلتقطها الكاميرا ليست خطاً مستقيماً بسيطاً، بل تنحني وتتغير اعتماداً على مقدار الضوء الذي يحجبه المرشح ومدة انتظار الكاميرا لالتقاط الصورة. ومن خلال بناء نموذج يأخذ في الاعتبار هذه المنحنيات والانحناءات، استطاع الباحثون تحديد سلوك الكاميرا باستخدام عدد قليل فقط من نقاط البيانات. وفي اختباراتهم، خفضوا عدد خطوات درجة الحرارة المطلوبة للمعايرة من أربع وعشرين خطوة إلى خمس خطوات فقط. هذا التغيير قلص وقت المعايرة من أكثر من اثنتين وعشرين ساعة إلى جزء بسيط من ذلك، مما سمح للنظام بأن يكون جاهزاً للاستخدام بسرعة أكبر بكثير.
اختبر الباحثون هذا النهج الجديد على نظام تصوير بالأشعة تحت الحمراء ضخم بفتحة عدسة تبلغ 600 ملم، قادر على رؤية الحرارة في نطاق محدد من طيف الأشعة تحت الحمراء. وقد زودوا الكاميرا بثلاثة مرشحات مختلفة تسمح بمرور 100% و10% و1% من الضوء، واختبروها عند أربع سرعات مختلفة لالتقاط الصور. في الطريقة القديمة المتبعة، لمعايرة هذا النظام، سيتعين عليهم التقاط صور لمصدر حراري عند درجات حرارة تتراوح من 50 درجة مئوية إلى 1200 درجة مئوية، مع زيادة قدرها 50 درجة في كل مرة. تطلب هذا التقاط مئات الصور والانتظار حتى يستقر المصدر الحراري عند كل خطوة، وهي عملية استغرقت 22 ساعة و10 دقائق. أما مع الطريقة الجديدة، فقد اختار الفريق خمس درجات حرارة محددة فقط توفر المعلومات الأكثر فائدة عبر جميع الإعدادات المختلفة. ثم أدخلوا هذه النقاط القليلة من البيانات في نموذجهم المعقد، الذي استخدم عملية حسابية متطورة لتحديد سلوك النظام بأكره في آن واحد. وكانت النتيجة عبارة عن مجموعة من القواعد التي يمكنها التنبؤ باستجابة الكاميرا لأي إعداد بدقة عالية.
وعندما قارنوا نتائج هذه الطريقة الفعالة بالمنهج التقليدي البطيء، وجدوا أن الدقة متطابقة تقريباً. فقد سجلت الطريقة الجديدة متوسط خطأ قدره 1.81 بالمئة، وهو قريب جداً من نسبة الخطأ البالغة 1.03 بالمئة في النهج التقليدي. وهذا يعني أن الكاميرا تظل بنفس الموثوقية، ولكنها تصبح جاهزة للعمل في جزء بسيط من الوقت. كما اختبر الباحثون طريقتهم مقابل تقنية معايرة "سريعة" أخرى اقترحها علماء آخرون. كانت تلك الطريقة السريعة القديمة تفترض أن استجابة الكاميرا مستقيمة ومتوقعة تماماً، مثل المسطرة. ومع ذلك، نادراً ما تكون الكاميرات في العالم الحقيقي مثالية بهذا الشكل؛ إذ يمكن أن تكون منحنيات استجابتها منحنية قليلاً. ولأن الطريقة الجديدة تأخذ هذه الانحناءات في الاعتبار، فقد حققت أداءً أفضل بكثير على المعدات الفعلية. أما الطريقة السريعة القديمة فقد أنتجت أخطاءً كبيرة جداً لدرجة تجعلها غير مفيدة، مما أثبت أن محاولة فرض حل بسيط ومستقيم على واقع معقد ومنحنٍ يؤدي إلى وقوع الأخطاء.
كما طبق الفريق هذا المنطق على تقنية معايرة أكثر تعقيداً تُعرف باسم معايرة "الداخل-الخارج" (inner-outer)، والتي تُستخدم عندما لا يستطيع مصدر حراري واحد تغطية نطاق درجة الحرارة المطلوب بالكامل. تتضمن هذه الطريقة عادةً معايرة الكاميرا باستخدام مصدر حراري كبير ومنخفض الحرارة للطرف البارد من المقياس، ومصدر صغير وعالي الحرارة للطرف الساخن، ثم دمج الاثنين معاً. عملية الدمج هذه صعبة وتستغرق وقتاً طويلاً بشكل ملحوظ. وباستخدام نموذجهم الموحد، تمكن الباحثون من إجراء عملية الدمج هذه بكفاءة، مما قلل عدد نقاط درجات الحرارة المطلوبة من ست وعشرين نقطة إلى ست نقاط فقط. وكانت الدقة الناتلة ممتازة، بمتوسط خطأ قدره 2.08 بالمئة فقط، وهو أفضل بكثير من نسبة الخطأ البالغة 25.8 بالمـئة التي لوحظت في طريقة "الداخل-الخارج" التقليدية. هذا النجاح يثبت أنه من خلال فهم الفيزياء الكامنة وراء كيفية تفاعل الضوء والوقت داخل الكاميرا، يمكن للعلماء تجاوز الحاجة إلى الاختبارات الشاملة والمضنية.
هذا العمل مهم لأنه يغير مدى سرعة نشر هذه الأدوات القوية. ففي مجالات مثل الطيران أو الدفاع، حيث يجب على الأنظمة الأرضية مراقبة السماء باستمرار بحثاً عن أهداف، فإن القدرة على إعادة معايرة المستشعر بسرعة تعد ميزة كبيرة. فإذا احتاج النظام إلى إعادة المعايرة بسبب تغير الطقس أو تحريك المعدات، فإن الطريقة القديمة ستعطل النظام لمدة يوم كامل تقريباً. أما الطريقة الجديدة فتسمح بإعادة المعايرة في غضون ساعات أو حتى دقائق، اعتماداً على الإعداد. وقد أظهر الباحثون أن هذه الكفاءة لا تأتي على حساب الدقة؛ إذ تظل الكاميرا بنفس دقة السابق. ومن خلال الابتعاد عن فكرة أن كل إعداد يحتاج إلى معايرة منفصلة، وتبني نموذج يرى النظام بأكمله كوحدة واحدة متصلة، جعل الفريق قياس الأشعة تحت الحمراء أسرع، وأكثر مرونة، وأكثر عملية للاستخدام في العالم الحقيقي.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.