Лучистая энергия и ее основные информационные характеристики

Содержание

Список сокращений

Введение

Интенсивное развитие оптико-электронного приборостроения, микроэлектроники и микропроцессорной техники определило дальнейший прогресс в создании современных систем наведения автономных летательных аппаратов.

В первую очередь это связано с разработкой высокочувствительных приемников инфракрасного излучения и эффективных средств обработки информационных сигналов.

Создание качественных тепловизионных систем стимулировалось требованиями народного хозяйства и военной техники.

Быстрое обнаружение с самолетов и спутников лесных пожаров, выявление утечки тепла из трубопроводов, обнаружение людей в задымленных помещениях при пожарах и их спасение, дистанционное определение перегретых элементов высоковольтных ЛЭП, проводка судов глубокой ночью по узким фарватерам, ранняя диагностика злокачественных опухолей - вот неполный перечень тех многочисленных проблем, которые эффективно решаются с помощью тепловизионных приборов.

Практическая реализация тепловизионных приборов активизировалась также в интересах создания прицельных комплексов боевых самолетов, вертолетов, танков и головок самонаведения (ГСН) ракетного и авиационного оружия [1].

При этом в основе требований к тепловизионным прицелам и ГСН лежит формула «Боевая дальность оружия ночью должна быть равна боевой дальности оружия днем» [2].

Инфракрасные приборы в настоящее время широко используются и в космических исследованиях.

Инфракрасная вертикаль является составной частью системы ориентации космических аппаратов.

Загрязнение мирового океана, оценка состояния посевов и лесных массивов, определение ледовой обстановки в высоких широтах – эти и другие задачи решаются также эффективно с помощью инфракрасных ИП.

Наконец, определение старта баллистических ракет и контроль за ядерными взрывами осуществляются также из космоса с помощью инфракрасных телескопов.

Инфракрасные информационные приборы (ИК ИП) предназначены для наблюдения нагретых объектов по их собственному тепловому излучению. Эти приборы преобразуют невидимое глазом человека собственное инфракрасное излучение тел в электрические сигналы, которые после усиления и автоматической обработки формируют изображение на визуальном - телевизионном - экране.

В отличие от изображений в видимой области спектра, полученных за счет отраженного телами солнечного излучения и различий в отражательной способности элементов объекта и окружающего фона, тепловые (инфракрасные) изображения создаются за счет собственного теплового излучения объекта и определяются различиями в температуре и излучательной способности его элементов и окружающего фона. Изменения температуры поверхности излучения объекта в определенной мере соответствуют деталям визуально наблюдаемой картины, поэтому формируемые инфракрасным информационным прибором (тепловизором) изображения объектов и окружающей местности в основном отвечают представлениям о форме и размерах визуально наблюдаемой сцены.

Инфракрасные (тепловизионные) ИП (ТП ИП) в качестве входной информации используют собственное инфракрасное излучение объектов в среднем (3…5мкм) и в дальнем (8…14 мкм) ИК – диапазоне.

В связи с этим ТП ИП являются приборами, обеспечивающими круглосуточное применение летательных аппаратов (ЛА). В условиях ограниченной видимости ТП ИП в полтора, два раза увеличивают дальность обнаружения/различения объектов по сравнению с телевизионными ИП.

ТП ИП позволяют, по крайней мере, в три раза увеличить, по сравнению с телевизионными ИП, время работы носителей ЛА.

Тепловизионные ИП, работающие в дальнем ИК-диапазоне, устойчиво функционируют в условиях развитой атмосферной дымки, пыли и дыма поля боя.

Однако ТП ИП не являются всепогодными. Они неустойчиво работают в условиях дождя и непосредственно после дождя, когда температурные градиенты объектов и фона сглажены.

Через облака ТП ИП объекты не «видят». В то же время ТП ИП в состоянии на естественном фоне выделить замаскированные объекты, чего не могут сделать телевизионные ИП.

Два раза в сутки - перед восходом солнца и после его захода –наблюдаются моменты времени, когда тепловой контраст объектов и фона исчезает. Эти моменты времени называются инверсионными. В эти моменты времени круглосуточность работы ТП ИП нарушается.

Работа операторов при обнаружении объектов по их тепловизионному изображению существенно усложняется. Это связано с тем, что тепловизионное изображение объектов существенно менее рельефно, чем телевизионное, если в телевизионном изображении объектов градации яркости достигают существенных значений 20…25 и более, то в тепловизионном изображении объектов градации температурного контраста невелики: температурные градации меняются примерно в пять – шесть раз. В тепловизионной сцене отсутствуют цвета и тени.

Тепловизионные портреты объектов существенно зависят от суточной, сезонной и погодной изменчивости, что требует более углубленной тренировки операторов при работе с ЛА, оснащенными ТП ИП. Достаточно легко операторами обнаруживаются и различаются на местности объекты с характерной топологической структурой.

Например, взлетно-посадочные полосы (ВПП). Мост через реку, самолет на рулежной дорожке и т.д. Другие объекты, не имеющие характерных топологических особенностей, обнаружить сложнее, суточный диапазон изменяет тепловизионную обстановку в районе обнаруживаемого объекта.

Структурно ТП ИП подобны телевизионным ИП (ТВ ИП). Основное отличие заключается в типе преобразователя «излучение-сигнал». Поэтому массогабаритные характеристики ТП ИП и ТВ ИП примерно одинаковы. Так как приемники ИК-излучения достаточно дороги, то стоимость ТП ИП выше, чем стоимость ТВ ИП.

Температурная чувствительность ТП ИП на крупных деталях местности в настоящее время составляет 0,1…0,2 ºК, на мелких деталях местности 3…5 ºК.

Четкость тепловизионной картины местности соответствует разрешению ТП ИП в 350…400 телевизионных линий (ТВЛ).

Процесс создания инфракрасных ИП целиком был связан с разработкой чувствительных элементов преобразователей «излучение-сигнал».

ИК - фотоприемники начали разрабатываться в конце 1930 года. Первым практически использовавшимся ИК – приемником был фоторезистор на основе сульфида свинца PbS, разработанный в Германии перед 2-й мировой войной и применявшийся во время войны.

В начале 1950-х гг. был разработан ряд новых материалов для приема ИК - излучения. Такой материал, как селенид свинца PbSe, позволил продвинуться в более длинноволновую область, соответствующую окну прозрачности 3…5 мкм. В этот же период на основе германия удалось создать фоторезисторы для дальнего окна прозрачности 8…14 мкм.

В конце 50-х гг. начали появляться первые разработки на основе теллурида кадмия-ртути (КРТ).

В начале 1970 года были созданы линейки датчиков на КРТ, позволившие сконструировать тепловизионные системы для среднего и дальнего ИК - диапазона.

Изобретение в конце 1960-х гг. приборов с зарядовой связью позволило создать многоэлементные приемники, совмещенные со схемами обработки сигнала.

В 1978 году были созданы матрицы ИК –датчиков размером 32 х 32 элементов.

В настоящее время матрицы ИК –датчиков размерности 256х256, 512х512 элементов с температурной чувствительностью ≈0,1 ºК являются основой большинства инфракрасных ИП.

Для своей работы ИК - датчики требуют охлаждения жидким азотом (77ºК), что повышает стоимость матриц и усложняет эксплуатацию ИК – приборов.

Поэтому создание высокотемпературных чувствительных преобразователей «излучение сигнал», не требующих для своей работы глубокого охлаждения жидким азотом, являются в настоящее время одной из главных научных и инженерных задач ИК - техники.

Для создания тепловизионной картины местности высокой четкости современный тепловизор обязательно должен включать в свой состав видеопроцессор. На большой дальности наблюдения матрица чувствительных элементов формирует тепловизионное изображение местности, сильно зашумленное, неудобное для восприятия оператором.

Современные методы цифровой обработки информационных сигналов от датчиков позволяют существенно улучшить тепловизионные изображение местности, предъявляемое оператору.

В данных методических материалах излагаются теоретические и инженерные основы построения современных инфракрасных информационных систем.

Методические материалы содержат сведения по информационным характеристикам ИК - излучения, прохождения его через атмосферу, приведены основные технические характеристики приемников ИК –излучения, дана типовая структура тепловизионного ИП, изложены особенности формирования тепловизионного изображения местности на экранах визуальных индикаторов, даны методики оценки максимальной дальности работы ТП ИП, приведены основные технические характеристики современных ИК – приборов.

В методических материалах приводятся также основные научные и технические проблемы при создании перспективных инфракрасных информационных систем.

Лучистая энергия и ее основные информационные характеристики