Неохлаждаемые тепловизионные приборы для обнаружения малоразмерных воздушных целей | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 30 ноября, печатный экземпляр отправим 4 декабря.

Опубликовать статью в журнале

Авторы: ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №46 (180) ноябрь 2017 г.

Дата публикации: 17.11.2017

Статья просмотрена: 237 раз

Библиографическое описание:

Ашуров Д. А., Исламов В. К. Неохлаждаемые тепловизионные приборы для обнаружения малоразмерных воздушных целей // Молодой ученый. — 2017. — №46. — С. 40-44. — URL https://moluch.ru/archive/180/46474/ (дата обращения: 18.11.2019).



Изложены основные результаты исследований, направленных на совершенствование научно-методического аппарата для оценки эффективности оптико-электронных систем с тепловизионными приборами. Приведены результаты оценки возможностей по обнаружению малоразмерных воздушных целей с применением тепловизора на основе неохлаждаемого фотоприёмного устройства матричного типа.

Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, противовоздушная оборона, обнаружение малоразмерных воздушных целей, тепловизор, микроболометрическое матричное фотоприёмное устройство, эквивалентная шуму разность температур

За последнее десятилетие в сфере построения и использования авиационной техники произошёл настоящий прорыв. Почти во всех крупных странах большое распространение получили воздушные робототехнические комплексы — беспилотные летательные аппараты (БЛА). Беспилотники успешно выполняют разведывательные, поисковые, охранные, боевые (ударные), транспортные и другие задачи. Особую роль они сыграли и продолжают играть в вооружённых конфликтах и военных операциях.

Современные БЛА отличаются небольшими габаритами, имеют специальную окраску и малую радиолокационную и оптическую заметность. Разнообразные по конструкции машины могут совершать бесшумные полёты на различных высотах: от нескольких метров до 20 км. Разведывательные и боевые воздушные роботы могут представлять угрозу для многих наземных объектов, подлежащих охране и защите. Беспилотные аппараты относятся к важным целям для средств противовоздушной обороны (ПВО).

Обнаружение, сопровождение и поражение БЛА в воздухе является сложной комплексной задачей. Для её решения создаются и применяются радиолокационные станции, оптико-электронные системы (ОЭС) с телевизионными, инфракрасными и тепловизионными камерами, а также акустические комплексы.

Важной и актуальной научно-технической проблемой является разработка, создание и применение эффективных и сравнительно недорогих тепловизионных приборов (ТПВП).

В данной статье приведены результаты изучения принципов создания и характеристик современных оптико-электронных приборов и вариантов построения тепловизионного канала ОЭС на основе неохлаждаемого фотоприёмного устройства матричного типа.

Тепловизионные приборы в зависимости от типа устанавливаемых в них фотоприёмных устройств (ФПУ) подразделяются на два класса — охлаждаемые и неохлаждаемые.

Изучение работ, посвящённых конструированию и возможностям применения тепловизоров, свидетельствует о том, что основной недостаток приборов с охлаждаемыми ФПУ заключается в необходимости иметь сложную систему агрегирования низких температур. Для выхода на рабочий режим требуется понизить температуру ФПУ до минус 190 °С. В настоящее время существует три основных типа охлаждающих систем: брызгающего типа, Джоуля-Томсона, замкнутая микрокриогенная система Стирлинга. Наибольшее распространение в силу обеспечения функциональной автономности получили приборы Стирлинга. Но реализуемое в них техническое решение замкнутого цикла охлаждения существенно увеличивает стоимость охлаждающей системы и накладывает ряд ограничений: длительное время выхода на рабочий режим и относительно небольшой эксплуатационный ресурс.

Изготавливаемые серийно неохлаждаемые фотоприёмники значительно уступали охлаждаемым по показателям чувствительности, поэтому они находили практическое применение лишь в гражданских тепловизорах для инфракрасной термографии. В конструкциях современных средств ПВО также традиционно использовались и продолжают применяться тепловизионные приборы на основе охлаждаемых ФПУ.

Вместе с тем за последние годы различные фирмы-производители стали выпускать новые матрицы и неохлаждаемые фотоприёмники. Появились высокочувствительные микроболометрические матричные фотоприёмные устройства (МФПУ) с компактной электроникой обработки сигнала, которые по стоимости в 1,5–2 раза дешевле охлаждаемых аналогов. У таких появившихся на мировом рынке модулей значение эквивалентной шуму разности температур (ЭШРТ) составляет менее 50 мК. В линейке образцов представлены МФПУ формата 320 × 256, 640 × 512 и 1024 × 768, с размером чувствительных элементов 25 и 17 мкм [1].

Можно предположить, что появление новых матричных модулей и создание на их основе тепловизионных приборов позволит значительно расширить возможности систем обнаружения и сопровождения не только воздушных целей (самолётов, вертолётов, БЛА), но и малоразмерных наземных и надводных объектов.

Порядок оценки характеристик и возможностей применения в конструкциях тепловизоров неохлаждаемых МФПУ рассмотрим на примере прибора с матрицей фирмы OPGAL формата 640 × 480 элементов с размером пикселей 17 × 17 мкм. Производителем заявлено, что при использовании объектива с относительным отверстием 1:1 значение ЭШРТ не превышает 50 мК [1].

Основные характеристики тепловизора для оценки показателей эффективности обнаружения малоразмерных объектов (целей) приведены в таблице 1.

Таблица 1

Характеристики тепловизора снеохлаждаемым матричным фотоприёмным устройством

Формат МФПУ

640 × 480

Поле зрения, град.

2,9 × 2,2

Размер элемента, мкм

17 × 17

Диаметр входного зрачка объектива, мм

210

Фокусное расстояние объектива, мм

210

Материал чувствительного слоя МФПУ

amorphous silicon

Спектральный диапазон, мкм

7,5–14

Эквивалентная шуму разность температур, K

0,05

Время выхода на режим, с

6

Габаритные размеры модуля МФПУ

(длина × ширина × высота), мм

48 × 33 × 40

Масса модуля МФПУ, г

80

Оценка показателей эффективности применения тепловизоров с неохлаждаемыми МФПУ проводится на основе преобразования основных (базовых) параметров типовых целей и варьируемых величин, характеризующих возможные или выбранные условия функционирования тепловизионных приборов.

Обозначим: N — отношение сигнал/шум на различных дальностях до объекта обнаружения; Т коэффициент пропускания атмосферы для заданного спектрального диапазона; ΔТЭШ — эквивалентная шуму разность температур; ΔТ — типовые значения радиационного контраста объекта наблюдения.

Формула для расчёта величины сигнал/шум имеет вид:

N = ΔТ · Т / ΔТЭШ(1)

Определение коэффициента Т выполняется по методике, изложенной в работе [2]. Методика позволяет учитывать спектральный диапазон ТПВП, климатический регион применения тепловизора, абсолютную влажность воздуха, метеорологическую дальность видимости и протяжённость трассы наблюдения.

Средняя величина коэффициента пропускания атмосферы для спектрального диапазона рассчитывается по формуле

Т = ТМ · ТА(2)

где ТМ — коэффициент пропускания атмосферы, характеризующий поглощение тепла атмосферными газами, ТА — коэффициент пропускания атмосферы, характеризующий тепловые потери из-за аэрозольного воздействия (влажности воздуха).

Практически все современные станции комплексов ПВО оснащены автоматом захвата тепловизионного изображения целей. В работе [3] показано, что для уверенного обнаружения и сопровождения воздушных целей необходимо обеспечить, соотношение сигнал/шум (N) в тепловизионных каналах не менее 6 единиц. Эта величина является пороговой характеристикой тепловизионного автомата (ТА) захвата целей на различных дальностях.

Для определения величин по формулам (1) и (2) и входящих в них характеристик принимались следующие исходные данные: модель, описывающая дисперсный состав континентального умеренного воздуха в летний сезон; спектральный диапазон 8–12 мкм, абсолютная влажность воздуха 10 г/м³; метеорологическая дальность видимости 20 км, протяжённость трассы от 1 до10 км.

Полученные соотношения сигнал/шум в видеосигнале тепловизора с ТЭШ = 50 мК при условии обнаружения малоразмерных объектов (целей) с радиационными контрастами ΔТ от 0,5 до 2 К на дальностях до 10 км показаны на графиках рисунка 1.

Рис. 1. Зависимость величины сигнал/шум для объектов с различными тепловыми контрастами на дальностях до 10 км

Известно, что для наблюдения за малоразмерными объектами на дальностях 3–5 км необходимо использовать объектив с фокусным расстоянием не менее 210 мм. Значения максимальной дальности обнаружения тепловизором малоразмерных воздушных объектов можно определять по методике, приведенной в работе [4]. Согласно методике с использованием критерия Джонсона устанавливается: на какой дальности минимальный (критический) размер объекта в плоскости МФПУ будет равен размеру двух чувствительных элементов.

Схема преобразования размеров объекта обнаружения в каналах тепловизора с МФПУ показана на рисунке 2.

Рис. 2. Схема получения видеоизображения объекта в тепловизионном канале прибора с МФПУ

Площадь объекта в пределах поля зрения прибора на плоскости МФПУ определяется по формуле

Sab = SAB·f² / Lизм²,(3)

где f — фокусное расстояние объектива, Lизм — дальность наблюдения или измерения, SAB — площадь проекции объекта наблюдения.

Количество элементов МФПУ, воспринимающих и фиксирующих тепловое излучение от объекта (цели), определяется соотношением

Nэл = Sab / Sэл,(4)

где Sab — размер объекта (цели) на чувствительной плоскости МФПУ, Sэл — размер одного чувствительного элемента МФПУ.

Значения Nэл, рассчитанные по формулам (3) — (4) для малогабаритных объектов — БЛА площадью 0,5 и 0,25 м², — показаны на графиках рисунка 3.

Рис. 3. Распределение количества облучённых элементов в плоскости МФПУ

По результатам проведённых расчётов, можно сделать следующие выводы.

Тепловизионный прибор, имеющий неохлаждаемую матрицу формата 640 × 480 элементов и объектив с фокусным расстоянием 210 мм может обеспечить обнаружение и сопровождение низкоконтрастных воздушных целей с ΔТ = 0,5 К на дальностях до 2,5 км. При значениях ΔТ ≥ 1 К дальность обнаружения и сопровождения малоразмерных объектов площадью 0,25 м² может достигать 4 км, а объектов площадью 0,5 м² — 5 км. Для увеличения дальности действия тепловизора, возможно использовать объектив с большим фокусным расстоянием (более 210 мм). Применение МФПУ формата 1024 × 768 позволит увеличить углы поля зрения тепловизора, тем самым расширить зону сканирования и уменьшить время тепловизионного обнаружения воздушных объектов (целей).

Использование в ОЭС тепловизоров с микроболометрическими матричными фотоприёмными устройствами, по сравнению с охлаждаемыми фотоприёмниками, может иметь ряд преимуществ: обеспечить малое время выхода на рабочий режим (менее 10 с), компактные габариты и меньшие стоимости производства и эксплуатации.

Литература:

  1. Opgal family catalog Document P/N TS-ENE17VJ00 2012.
  2. Иванов В. П. Прикладная оптика атмосферы в тепловидении. Казань: Новое Знание, 2000. — C. 127–157.
  3. М. М. Трестман, К. В. Егошин, Н. М. Камашева, Н. И. Харькова. Алгоритм прогноза дальностей обнаружения объектов наблюдения автоматом захвата тепловизионного канала. / НТЦ «Информатика» / Оборонная техника, 2007, № 12. — C. 48–55.
  4. Дж. Ллойд. Системы тепловидения. / Монография, Мир, 1978. — С. 352 362.
Основные термины (генерируются автоматически): спектральный диапазон, шум, тепловизор, прибор, разность температур, коэффициент пропускания атмосферы, фокусное расстояние, рабочий режим, матричный тип, неохлаждаемое фотоприемное устройство.


Похожие статьи

Применение метода устранения шумов изображений, полученных...

Основной проблемой является зашумления полезного сигнала при работе матричных фотоприемных устройств (МФПУ)

Детекторы ИКТ используют, как правило, длины волн, лежащие в окнах прозрачности атмосферы — в диапазоне 3–5 мкм (MIR) и 8–14 мкм (FIR) [4].

Определение физических параметров радиационных процессов...

Современные ВОД позволяют измерять деформацию, давление, температуру, расстояние

Наиболее прямым из них является измерение спектра пропускания-отражения решетки с

Величина нелинейного коэффициента преломления для кварцевых световодов принимает...

Использование ультразвуковых волн для измерения расстояния...

Ультразвуковые датчики бывают двух типов режима работы: диффузионные и оппозитные. Для минимизации размеров схемы обычно используют диффузионный режим работы устройства, когда передатчик и приемник находятся в одном корпусе (рисунок 5) [5].

Определение механических воздействий гидротехнических...

Современные ВОД позволяют измерять деформацию, давление, температуру, расстояние, положение в пространстве, скорость линейного

Такая структура имеет уникальное спектральное свойство, такое как низкополосные коэффициент отражение излучения и очень...

Повышение контраста малоконтрастных изображений объектов...

Ввиду молекулярного состава атмосферы, частицы, входящие в

Рис. 2. Спектральные диапазоны работы ТВ системы.

На больших расстояниях, когда проекция объекта на матрицу ТВ камеры составляет единицы пикселов, объект считается точечной целью.

Оптические фильтры на основе наноструктур с квантовыми точками

При использовании в спектрофотометрии оптические ПФ предпочтительнее монохроматоров в связи с лучшим коэффициентом пропускания и отношение сигнал-шум.

Обработка и сегментация тепловизионных изображений

– для сокращения времени вычислений и отсечения посторонних шумов на изображении значения пикселей приводим в диапазон 0 до 127 логическим сдвигом вправо на

Рассмотрим входное ИК изображение ранг 0 (рис. 2), полученное с тепловизионного устройства.

Электромагнитное излучение, его воздействие на человека

Спектр излучения захватывает значительный диапазон длин волн: от радиоволн длиной

пользователь ПК почти лишен способности работать на дистанции от устройства.

ЭМ волны изменяют условия на рабочем месте, заполняя атмосферу положительно заряженными ионами.

Похожие статьи

Применение метода устранения шумов изображений, полученных...

Основной проблемой является зашумления полезного сигнала при работе матричных фотоприемных устройств (МФПУ)

Детекторы ИКТ используют, как правило, длины волн, лежащие в окнах прозрачности атмосферы — в диапазоне 3–5 мкм (MIR) и 8–14 мкм (FIR) [4].

Определение физических параметров радиационных процессов...

Современные ВОД позволяют измерять деформацию, давление, температуру, расстояние

Наиболее прямым из них является измерение спектра пропускания-отражения решетки с

Величина нелинейного коэффициента преломления для кварцевых световодов принимает...

Использование ультразвуковых волн для измерения расстояния...

Ультразвуковые датчики бывают двух типов режима работы: диффузионные и оппозитные. Для минимизации размеров схемы обычно используют диффузионный режим работы устройства, когда передатчик и приемник находятся в одном корпусе (рисунок 5) [5].

Определение механических воздействий гидротехнических...

Современные ВОД позволяют измерять деформацию, давление, температуру, расстояние, положение в пространстве, скорость линейного

Такая структура имеет уникальное спектральное свойство, такое как низкополосные коэффициент отражение излучения и очень...

Повышение контраста малоконтрастных изображений объектов...

Ввиду молекулярного состава атмосферы, частицы, входящие в

Рис. 2. Спектральные диапазоны работы ТВ системы.

На больших расстояниях, когда проекция объекта на матрицу ТВ камеры составляет единицы пикселов, объект считается точечной целью.

Оптические фильтры на основе наноструктур с квантовыми точками

При использовании в спектрофотометрии оптические ПФ предпочтительнее монохроматоров в связи с лучшим коэффициентом пропускания и отношение сигнал-шум.

Обработка и сегментация тепловизионных изображений

– для сокращения времени вычислений и отсечения посторонних шумов на изображении значения пикселей приводим в диапазон 0 до 127 логическим сдвигом вправо на

Рассмотрим входное ИК изображение ранг 0 (рис. 2), полученное с тепловизионного устройства.

Электромагнитное излучение, его воздействие на человека

Спектр излучения захватывает значительный диапазон длин волн: от радиоволн длиной

пользователь ПК почти лишен способности работать на дистанции от устройства.

ЭМ волны изменяют условия на рабочем месте, заполняя атмосферу положительно заряженными ионами.

Задать вопрос