Разработка тепловизионного канала СП-1 АСДМ «Лидар»

При высокой плотности населения и промышленных предприятий в современных мегаполисах резко возрастает опасность массового поражения людей при неизбежно возникающих чрезвычайных ситуациях и экологических катастрофах (пожарах, взрывах с выделением ядовитых веществ, загрязнение атмосферы транспортом, промышленными предприятиями и др.).

В полной мере это относится к Москве, с тем отличием, что большой износ промышленного оборудования во много раз увеличивает вероятность возникновения кризисных (КС) и чрезвычайных ситуаций (ЧС). В связи с этим резко возрастает роль структур, занимающихся мониторингом и прогнозированием КС и ЧС. В механизме управления городским хозяйством особую роль играют системы оперативного предупреждения о чрезвычайных ситуациях: пожарах, взрывах, химических выбросах, экологических катастрофах и т. д. Как правило, подобные узкопрофессиональные системы предупреждения могут охватывать отдельные помещения, здания, районы города или весь город целиком. Задачи, решаемые подобными системами, во многом схожи.

В дипломной работе проводится разработка тепловизионного канала СП-1 АСДМ «Лидар» и его экспериментальное исследование на соответствие задачам мониторинга КС.

Автоматическая система дистанционного мониторинга «Лидар» предназначена для обнаружения кризисных и чрезвычайных ситуаций в городе Москва, одним из показателей которых является аварийный аэрозольный выброс в атмосферный воздух. Стационарный пост 1 (СП-1) работает в режиме круглосуточного оперативного мониторинга КС. Согласно концепции системы, планируется установка трёх СП с зоной охвата 10−12 км каждый, что позволит охватить всю территорию Москвы. СП-2, второй пост системы АСДМ «Лидар», является эволюционным продолжением СП-1. Совокупность решений, применённых в СП-1 и СП-2, послужат базой для разработки СП-3 — полностью автоматического поста.

Тепловизионный канал в составе АСДМ «Лидар» предназначен для ведения мониторинга в сложных метеорологических условиях, когда обычные камеры не позволяют вести наблюдение. В составе СП-1 тепловизионный канал убедительно доказал свою эффективность, позволяя отчётливо различать как шлейфы дыма, так и нагретые тела на фоне городской застройки.

1. Тепловизионные приборы и системы для задач мониторинга кризисных ситуаций в мегаполисе

В этой части дипломного проекта рассмотрены принципы построения тепловизионных систем мониторинга КС, выделены основные задачи систем такого рода. Проанализировано состояние современного уровня техники. Также были выдвинуты требования к тепловизионной системе СП-1, на основе которых сформулировано техническое задание.

1.1 Физические основы тепловизионных приборов

1.1.1 Историческая справка

Существование теплового излучения за пределами видимого спектра было открыто Уильямом Гершелем в 1800 г. С помощью термометра, помещаемого за красным участком солнечного спектра при прохождении излучения сквозь диспергирующую призму, Гершель обнаружил невидимое глазом излучение, несущее энергию и проявляющееся своим тепловым действием. Впоследствии он доказал, что это излучение, названное инфракрасным, подчиняется тем же законам, что и видимый свет.

Только в 1830 г. появились первые приемники инфракрасного излучения на основе принципа работы термопары, которые стали называть термоэлементами. Появление в 1880 г. терморезистивных материалов, т. е. материалов, электрическое сопротивление которых изменяется в зависимости от температуры (болометры), позволило существенно улучшить чувствительность приемников инфракрасного излучения.

В период 1870—1920 гг. прогресс техники обеспечил разработку первых фотонных приемников, основанных на прямом взаимодействии между фотонами излучения и электронами материала приемника. Природа обнаружения излучения здесь другая — речь идет уже не о возникновении электрического сигнала в ответ на тепловое воздействие, а о непосредственном преобразовании излучения в электрический сигнал. Эти приемники, фоторезисторы или фотодиоды, имеют гораздо большее быстродействие и более высокую чувствительность, чем тепловые приемники.

В период 1930;1944 гг. были разработаны приемники на основе сульфида свинца (PbS). Эти приемники чувствительны в спектральном диапазоне 1,5 ч3 мкм. В 1940;1950 гг. рабочий спектральный диапазон был расширен на среднюю инфракрасную область (3 ч5 мкм), когда появился приемник из антимонида индия (InSb), а в 1960;х гг. началось применение в более длинноволновом диапазоне 8 ч14 мкм приемников КРТ (кадмий — ртуть — теллур (HgCdTe)). Приемники этих типов требуют охлаждения.

Фотонные приемники благодаря высокой чувствительности и быстродействию позволили разработать термографические и тепловизионные системы, основанные на обнаружении инфракрасного излучения, испускаемого телами в интервале длин волн 2ч15 мкм.

1.1.2 Физические принципы

Материя непрерывно испускает и поглощает электромагнитное излучение. Процесс излучения связан с возбуждением молекул внутри вещества, в результате чего возникают излучательные переходы электронов. Выделяющаяся энергия уносится квазичастицами — квантами (фотонами) электромагнитного поля, имеющими энергию W.

Освобожденная в форме излучения энергия W характеризуется длиной волны л;

W = hc / л,

где h= 6,63*10^-34 Дж*с — постоянная Планка, с = 3 * 10⁸ м/с — скорость света.

Длина волны испускаемого излучения обратно пропорциональна энергии, выделившейся при переходе. Важно отметить в этой связи, что в инфракрасной области по сравнению с видимой длины волн велики и энергия соответственно мала. Это предопределяет трудности обнаружения отдельных фотонов инфракрасного излучения.

Если в веществе происходят все возможные переходы (тепловое возбуждение молекул), то каждый атом излучает определенную энергию, а в совокупности энергетические уровни принимают все возможные значения; распределение энергии по длинам волн в таком случае непрерывное и спектр испускания излучения непрерывный.

В некоторых средах разрешенными оказываются только вполне определенные переходы (квантованные переходы электрона внутри атома), излучение происходит тогда на дискретных длинах волн и спектр испускания излучения линейчатый. Явление поглощения излучения веществом является обратным процессом и может быть более или менее селективным на длинах волн, присущих рассматриваемой среде.

Спектр излучения произвольно делят на области по признаку функциональных особенностей источников или приемников излучения. Участки электромагнитного спектра показаны ниже в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Спектр электромагнитного излучения

Инфракрасный спектр соответствует области излучения вещества при температурах, наблюдаемых обычно на поверхности Земли. При этих температурах, называемых обычными, все тела имеют заметное излучение. Объект, который не должен наблюдаться в инфракрасной области, следует охлаждать. Так, для уменьшения в 100 раз излучения в окрестности л = 4 мкм объекта с температурой + 20 °C его следует охладить примерно на сотню градусов.

С учетом характеристик приемников, используемых для обнаружения излучения, инфракрасную область делят на три больших участка — ближняя инфракрасная область (длины волн 0,75ч1,5 мкм), средняя инфракрасная область (длины волн 1,5ч20 мкм) и дальняя инфракрасная область (длины волн 20ч1000 мкм).

Инфракрасное излучение в ближней инфракрасной области обнаруживается специальными фотографическими эмульсиями (чувствительными в области до л = 1 мкм), фотоэлементами с внешним фотоэффектом, а также фоторезисторами и фотодиодами. В средней инфракрасной области инфракрасное излучение обнаруживается тепловыми приемниками, фоторезисторами и фотодиодами. В дальней инфракрасной области для обнаружения излучения применяются в основном тепловые приемники.

Спектр излучения черного тела можно рассчитать в соответствии с законом Планка:

dR (л, T)/dл= 2 рhc² л^-5/[exp (hc/ лkT) — 1] Bт/м³

Здесь dR (л, T)/dл — спектральная поверхностная плотность потока излучения, т. е. мощность излучения, испускаемого единицей поверхности черного тела в единичном интервале длин волн; h = 6,6256*10^-34 Дж*с, или Вт*с² — постоянная Планка; к = 1,38 054*10^-23 Дж/К — постоянная Больцмана; с =2,998* 10⁸ м/с — скорость света; Т — абсолютная температура черного тела в Кельвинах.

Спектральная плотность потока излучения черного тела зависит от длины волны и от температуры. Удобно представить закон Планка в форме семейства кривых:

dR (л, T)/dл=f_т(л)

Кривая спектрального распределения величины dR (л, T)/d л при заданном значении температуры T проходит через максимум. Смещение максимума в функции температуры описывается законом смешения Вина, который получают дифференцированием закона Планка:

л _макс= 2898/ Т мкм,

dR (л _макс T)/dл= 1,286*10^-15Т⁵ Вт/см²*мкм

где температура Т выражена в Кельвинах.

Следовательно, объект при температуре окружающей среды Т = 290 К имеет максимум спектральной плотности потока излучения при л _макс=10 мкм, в то время как Солнце, эффективная (кажущаяся) температура которого ~ 6000 К, имеет максимум при л _макс=0,5 мкм. Заметим, что жидкий азот (Т = 77К) имеет максимум при л _макс=38 мкм.

Закон смещения Вина наглядно объясняет сдвиг в сторону коротких волн максимума (видимого или невидимого) излучения тел по мере их нагрева.

Закон, получаемый интегрированием закона Планка по л в пределах от нуля до бесконечности называется законом Стефана — Больцмана. Он определяет интегральную плотность (мощность) потока излучения черного тела при температуре Т:

R_T=уT⁴

у=2р⁵k⁴/15c²h³=5,67*10¹² Вт/(см²*К⁴)=5,67*10⁸ Вт (м²*К⁴) — постоянная Стефана — Больцмана.

Рис. 1.1 Спектральное распределение поверхностной плотности потока излучения различных источников: 1 — Солнце, Т — 6000 К; 2 — излучение черного тела при температуре окружающей среды Т — 290 К; 3 — излучение черного тела при температуре Т=77 К

Физически R_Т представляет собой площадь под кривой dR (л, T)/d л=f_T(л).

Если закон планка проинтегрировать по диапазону длин волн л_а — л_b, то мы получим мощность излучения черного тела в этом диапазоне при температуре Т:

где л_а — нижняя граница диапазона, л_b — верхняя граница.

Рис. 1.2. Поверхностная плотность потока излучения в спектральной полосе

1.1.3 Приемники инфракрасного излучения

Приемники излучения являются незаменимыми элементами инфракрасных приборов и предназначены для преобразования энергии оптического излучения в электрическую (или какую-либо другую) энергию, более удобную для непосредственного измерения.

По принципу действия приемники делят на две большие группы: тепловые и фотонные. Тепловые приемники основаны на изменении тех или иных свойств при изменении температуры, образующейся под воздействием падающего лучистого потока, независимо от его спектрального состава. В фотонных приемниках имеет место прямое взаимодействие между падающими фотонами и электронами материала чувствительного элемента.

Среди тепловых приемников в последнее время большое распространение получили микроболометрические матрицы с максимумом чувствительности в диапазоне 8ч12 мкм. Принцип действия болометров основан на изменении электрического сопротивления полупроводника или металла при изменении температуры, вызванном воздействием падающего лучистого потока. Микроболометрические матрицы не требуют охлаждения.

Среди фотонных приемников распространены фоторезисторы, принцип действия которых основан на внутреннем фотоэффекте, заключающемся в образовании свободных электронов в твердом теле и изменении его электропроводности при поглощении квантов излучения. Различают три группы фоторезисторов: пленочные, монокристаллические и легированные примесями. К первой группе относят сернисто-свинцовые (PbS), селенисто-свинцовые (PbSe) и теллуристо-свинцовые (РbТе) фоторезисторы. Вторую группу составляют фоторезисторы из антимонида индия (lnSb) и теллуридов ртути и кадмия (HgСdTe); третью группу — фоторезисторы из германия (Ge), легированного различными примесями.

Рис. 1.3. Энергетические зоны в фоторезисторе

В фоторезисторе дискретные энергетические уровни, которые занимают электроны, образуют зоны. Наивысшую энергетическую зону, полностью заполненную электронами, называют валентной. Более высокую энергетическую зону, которая может быть и не заполненной электронами, называют зоной проводимости. Проводимость материала определяется электронами, находящимися в зоне проводимости. В соответствии с квантово-механическими условиями между валентной зоной и зоной проводимости находится запрещенная энергетическая зона.

Проводник характеризуется частичным заполнением зоны проводимости; в изоляторе запрещенная энергетическая зона настолько широка (3 эВ и более), что энергия валентных электронов недостаточна для их перехода в зону проводимости, поэтому в ней отсутствуют электроны (рис. 1.3 б). Полу проводник занимает промежуточное положение между проводником и изолятором. В нем ширина запрещенной зоны настолько мала (доли электронвольта), что даже при комнатной температуре энергия некоторых валентных электронов достаточна для их перехода через запрещенную зону в зону проводимости (рис. 1.3 в). Состояния, ранее занятые этими электронами, называют дырками.

Под действием электрического или магнитного полей дырки могут перемещаться аналогично электронам, но в противоположном направлении. Следовательно, в чистом полупроводнике переход электрона в зону проводимости создает электронно-дырочную пару носителей заряда, повышающую проводимость. Этот вид проводимости называют собственной проводимостью. Падающие на полупроводник фотоны отдают свою энергию валентным электронам, которые переходят в зону проводимости и образуют электронно-дырочные пары, изменяющие проводимость полупроводника (явление фото проводимости).

Пороговую длину волны л₀, за которой энергия фотона недостаточна дли создания электронно-дырочной пары, называют длинноволновой границей и определяют следующим отношением: л₀₌1,24/Е_запр. мкм, где Е_запр. — ширина запрещенной зоны, эВ.

Приемники излучения с собственной проводимостью имеют ширину запрещенной зоны при комнатной температуре Е_запр. ?0,18 эВ, поэтому для них л₀< 7 мкм. При охлаждении ширина запрещенной зоны уменьшается и длинноволновая граница приемника увеличивается. Такой же эффект может быть получен введением небольших количеств примесей других чистых полупроводников; этот процесс называют легированием, а полученные материалы — примесными полупроводниками.

Если примесный атом имеет меньшее количество валентных электронов чем основной материал, то недостающие ковалентные связи обеспечиваются соседними атомами; в результате этого возникают дырки в валентной области, которые становятся зарядоносителями и образуют материал р-типа.

Примеси, приводящие к недостатку электронов, называют акцепторными, так как они акцептируют (забирают) электроны из основного материала.

Если примесный атом имеет большее количество валентных электронов, чем основной материал, то он действует как донор электронов и в результате образуется материал n-типа. Во всех приемниках инфракрасного излучения используют материал р-типа.

Для получения приемника, чувствительного в длинноволновой области, выбирают материал с узкой запрещенной зоной. Но чем уже запрещенная зона, тем больше носителей, возбужденных не фотонами, а термическим путем. В первом приближении считают, что фоторезисторы, чувствительные к излучению с длиной волны до 3 мкм, не требуют охлаждения; а диапазоне 3ч8 мкм необходимо умеренное охлаждение (до 77К), а для фоторезисторов, работающих в диапазоне 8 ч14 мкм, необходимо глубокое охлаждение (несколько кельвинов).

Фоторезистор подключают к источнику питания последовательно с нагрузочным резистором. При облучении чувствительной площадки изменяется ее электрическое сопротивление; паление напряжения на нагрузочном резисторе представляет собой рабочий сигнал, который через емкостную связь подают в предусилитель.

1.2 Особенности построения тепловизионных систем контроля кризисных ситуаций

1.2.1 Рабочий диапазон температур

Тепловизионные системы контроля кризисных ситуаций в мегаполисе предназначены для наблюдения панорамы городской застройки, при колебаниях температуры окружающей среды в пределах от -40 до +40⁰С (233ч313⁰К). При этом в зоне кризисной ситуации температура, как правило, не превышает температуру окружающей среды более чем на 200⁰С и не ниже ее более чем на 50⁰С. При этом, в какой либо зоне, колебания температуры могут быть и выше и ниже указанных значений, но для определения их чрезвычайного характера такого запаса более чем достаточно. Так, например, нагрев стены здания на 10⁰С выше температуры окружающей среды уже дает повод для изучения ситуации в этой точке панорамы. Поэтому чувствительность канала к разнице температур (температурный контраст) должна быть не хуже 5⁰С, т. е. с двукратным запасом на помехи, налагаемые атмосферой. По тем же соображениям для обнаружения зон КС достаточно погрешности измерения температуры 5⁰С.

Соответственно диапазон рабочих температур для системы контроля кризисных ситуаций в условиях мегаполиса от -50 до +240⁰С (223ч513⁰К), максимальная спектральная плотность потока излучения соответствует диапазону длин волн л_макс? от 13 до 5,6 мкм.

1.2.2 Пространственное разрешение

Исходя из конфигурации АСДМ «Лидар», частью которой является СП-2, диапазон дальности его действия составляет 0,5ч12 км, этому же требованию должна соответствовать и ТепСКО. При этом тепловизионная система наблюдает панораму городской застройки, на которой необходимо выделять зоны или тела с аномальной температурой, это могут быть стены зданий, выбросы дыма и пара, а также открытое пламя. Размеры таких объектов, как правило, не менее 20×20 м, однако могут сильно отличаться в начальной и конечной стадии своего развития. Например, по мере разгорания пожара увеличивается его площадь, а шлейф выбрасываемого дыма может значительно превышать по площади 50×50 м.

В условиях мегаполиса большинство удаленных строений перекрыты городской застройкой, поэтому КС на дальности 8 — 12 км, в большинстве случаев, возможно зарегистрировать только по выбросам нагретых аэрозолей. Исходя из этого, системе, для уверенного обнаружения КС, достаточно различать на расстоянии 12 км объекты размером 50×50 м, что соответствует мгновенному полю зрения около 4 мрад. Это позволит различать на 8 км объекты минимальным размером 25×25 м.

Поэтому в тепловизионном канале СП-1 необходимо использовать тепловизионную камеру с мгновенным полем зрения < 4 мрад.

1.2.3 Особенности городской атмосферы. Выбор спектрального окна работы ИК-камеры

В современном городе состояние атмосферы далеко от идеального как для проживания человека, так и для функционирования тепловизионных систем мониторинга КСЧС. В результате деятельности промышленных предприятий воздушный бассейн загрязнен различными газами, также характерны дымка, образование тумана, высокая влажность. Когда излучение проходит через большую толщу атмосферы, проявляются полосы поглощения присутствующего в атмосфере водяного пара. Эта составляющая атмосферы в значительной мере определяет поглощение в инфракрасной области. Из других газов важнейшим является углекислый газ, поглощающее действие которого слабее, чем паров воды.

Основные полосы поглощения водяного пара расположены на участках 2,6 мкм, между 5,5 и 7,5 мкм и за пределами 20 мкм; в этих полосах излучение поглощается практически полностью на длине трассы 100 м и более. Следует отметить очень важное для практических применений обстоятельство — существование определенного числа прозрачных участков, окон прозрачности, т. е. областей, внутри которых поглощение очень слабое. Эти окна расположены в следующих интервалах длин волн 0,4ч1,0 мкм, 1,2ч1,3 мкм, 1,5ч1,8 мкм, 2,1ч2,5 мкм, 3ч5 мкм, 8ч13 мкм.

Последнее окно (8ч13 мкм), в котором хотя и сохраняется слабое поглощение, имеет очень большое значение, поскольку оно соответствует по длинам волн максимуму теплового излучения тел при окружающей температуре. Окно 3ч5 мкм выгодно использовать для обнаружения более нагретых тел или объектов, сильно излучающих в этом диапазоне (например, в случае излучения полосы углекислого газа — остатка практически всех продуктов сгорания).

Рис. 1.4. Пропускание атмосферы на трассе 1,8 км, на уровне моря при толщине слоя осажденной воды 17 мм

Пропускание атмосферы зависит от длины трассы, а также от метеорологических условий. Измерения и расчеты спектрального коэффициента ослабления излучения атмосферой позволяют определить наиболее благоприятные для проведения измерений спектральные области.

Если этот фактор довольно слабо действует на очень коротких дистанциях, то этого уже нельзя сказать для расстояний в несколько сотен метров, на которых атмосфера не только поглощает часть излучения, но и добавляет собственное излучение на трассе. В общем случае очень влажная атмосфера оказывает большее влияние в диапазоне 8ч12 мкм, тогда как аэрозоли и дымка особенно неблагоприятны для диапазона 3ч5 мкм. Необходимо также отметить очень сильное поглощение углекислым газом в интервале длин волн 4,2ч4,4 мкм.

Если на коротких дистанциях, влияние пропускания атмосферы мало (оно очень хорошее в обоих диапазонах: и в 3ч5 мкм, и в 8ч12 мкм), то на больших дистанциях выигрывает диапазон 8ч12 мкм. Мощность испускаемого объектом излучения после прохождения через атмосферу, оптику и фильтры должна достигнуть приемника, имея величину, превышающую величину шума. Следовательно, при низких температурах на пороге обнаружения в канале 3ч5 мкм сигнал более близок по величине к шумам. Отношение сигнала к шуму в этом канале меньше, чем в канале 8ч12 мкм.

Рис. 1.5 Спектральное пропускание атмосферы

Помимо пропускания атмосферы важным фактором является поверхностная плотность (мощность) излучения самого наблюдаемого объекта при разных температурах в данных спектральных диапазонах.

Таблица 1.2. Поверхностная плотность потока в спектральных полосах 3,5−5,5 и 8−14 при разных температурах

Как видно из таблицы 1.2 в диапазоне длин волн 8ч14 мкм мощность излучения, испускаемая слабо нагретыми телами, значительно выше, чем в диапазоне 3,5ч5,5 мкм.

Указанные недостатки диапазона 3ч5 мкм частично компенсируются лучшей обнаружительной способностью. Это означает, что при одинаковых площадях фоточувствительного элемента и одинаковых электрических полосах пропускания приемники 3ч5 мкм чувствительны к более слабым сигналам, чем приемники 8ч12 мкм.

Также необходимо учесть влияние теплового контраста, характеризующего дифференциальную чувствительность измерений.

Кривые изменения теплового контраста для спектральных интервалов 3ч 5 и 8ч14 мкм показывают, что для данного перепада температур? T=Т₀ — T_f в окрестности определенной окружающей температуры тепловые контрасты изображения в интервале длин волн 3,5ч5,5 мкм превосходят тепловые контрасты в интервале длин волн 8ч14 мкм.

Рис. 1.6 Тепловые контрасты спектральной Рис. 1.7 Тепловые контрасты спектральной области области? л=3,5ч5,5 мкм? л=8ч 14 мкм

Для системы тепловизионного мониторинга КС возможно использование как диапазона 3ч5 мкм, так и диапазона 8ч12 мкм. Диапазон 3ч5 мкм позволяет наблюдать слабоконтрастные объекты, что необходимо при ведении мониторинга, также помимо лучшего температурного контраста, на этот диапазон приходится максимум спектра излучения факела пламени и большинства строительных материалов. А диапазон 8ч12 мкм более выгоден на длинных дистанциях и соответствует наблюдаемому диапазону температур. Поэтому оптимальным решением для задач мониторинга является использование двух диапазонов одновременно, что позволит совместить их преимущества и сгладить недостатки. 1.3. Состояние рынка тепловизионных камер

1.4 Тепловизионные системы контроля КС

На сегодняшний день в России не существует систем тепловизионного контроля КС за исключением ТепСКО СП-1 АСДМ «Лидар». Представленные на рынке системы предназначены для охранной, поисково-спасательной деятельности, медицинской диагностики, а также нужд промышленности и мало подходят для мониторинга КС.

В настоящее время в системе «АСДМ-Лидар» в тепловизионном канале СП-1 используется тепловизор «Скат». Поле зрения объектива тепловизора «Скат» равно 18×14 угл. град., причём конструкция тепловизора позволяет использовать объективы с меньшим полем зрения для обеспечения надёжного обнаружения КС (на предельных расстояниях), сопровождающихся тепловыми выбросами. Тепловизор «Скат» работает в диапазоне 813 мкм, имеет разрешение 320×240 точек, не требует охлаждения жидким азотом. Интерфейс связи с компьютером RS-485. Для вывода изображения в телевизионном стандарте используется цифро-аналоговый преобразователь, установленный между системным блоком компьютера и его монитором.

Тепловизор установлен на опорно-поворотное устройство, позволяющее направлять его на нужный сектор панорамы. Поле зрения тепловизора совпадает с полем визирующей камеры.

Система функционирует с 2007 г. по нынешний день и в ходе реальной эксплуатации показала пригодность тепловизора «Скат» для мониторинга КС. Частота кадров 25 Гц позволяет вести мониторинг в реальном времени.

ТепСКО СП-1 при хороших погодных условиях обеспечивает видимость до 12 км (Останкинская телебашня на рис. 1.8). Для СП-1 существуют два штатных тест-объекта: здание завода «Фрезер» находящееся на расстоянии 800 м от поста и здание НИИ «Орион» на расстоянии 2 км. Тепловизионный канал СП-1 дает возможность получать контрастное изображение дымов на фоне городской застройки и неба.

Рис. 1.8 Останкино, Скат. МДВ -13 км, температура -1⁰С, влажность 75%

Рис. 1.9 Тест-объект «Орион», Скат. МДВ -13 км, температура 11⁰С, влажность 60%

Рис. 1.10 Тест-объект «Фрезер», Скат. МДВ -14 км, температура 13⁰С, влажность 50%

Рис. 1.11 Дым на фоне неба, Скат. МДВ -10 км, температура -5⁰С, влажность 83%

1.5 Постановка задачи

Тепловизионная система кругового обзора (ТепСКО) СП-1

Постановка задачи Согласно техническому заданию разработать тепловизионный канал анализа КС/ЧС для стационарного поста СП-1 АСДМ «Лидар».

Тепловизионный канал должен включать в себя:

— тепловизионную камеру, имеющую окно спектральной чувствительности в диапазоне 3ч5 мкм или 8ч12 мкм;

— сканирующее устройство;

— персональный компьютер на рабочем месте оператора со специальным программным обеспечением.

При разработке необходимо учесть возможность модернизации системы с заменой отдельных узлов или без таковой. А также проанализировать возможность доработки системы до полностью автоматической. Т. е. возможность ввода изображения в программу «Alarm» для автоматического распознавания зон КС.

2. Разработка оптико-электронной схемы тепловизионного канала

В этой главе производится обоснованный выбор тепловизионной камеры, а также разработка оптико-электронной схемы канала на основе выбранной камеры. Приведено описание применяемых решений и устройств.

тепловизионный камера мониторинг

2.1 Тепловизионные системы контроля КС

На сегодняшний день в России не существует систем тепловизионного контроля КС за исключением ТепСКО СП-1 АСДМ «Лидар», развитием которой является разрабатываемый ТепСКО СП-2. Представленные на рынке системы предназначены для охранной, поисково-спасательной деятельности, медицинской диагностики, а также нужд промышленности и мало подходят для мониторинга КС.

Для тепловизионного канала СП-1 необходимо выбрать тепловизионную камеру, удовлетворяющую поставленным условиям. На данный момент наиболее пригодными для задач мониторинга являются:

· Тепловизор «ИРТИС-200»;

· Тепловизор «Скат».

2.2 Тепловизор «ИРТИС-2000»

Описание работы и функций тепловизора «ИРТИС-2000»

Пригодным для использования в тепловизионном канале СП-1 является тепловизор ИРТИС-2000, имеющий электромеханическую развёртку с периодом обновления информации 1,5 сек., что налагает существенные ограничения на быстродействие автоматизированной системы обнаружения ЧС в ИК диапазоне. Поле зрения объектива тепловизора ИРТИС-2000 равно 20×20 угл. град., причём конструкция тепловизора не позволяет использовать объективы с меньшим полем зрения для обеспечения надёжного обнаружения КС (на предельных расстояниях), сопровождающихся тепловыми выбросами. Тепловизор ИРТИС-2000 работает в диапазоне 35 мкм, имеет разрешение 256×256 точек, требует охлаждения жидким азотом. Интерфейс связи с компьютером RS-485. Для вывода изображения в телевизионном стандарте используется цифро-аналоговый преобразователь, установленный между системным блоком компьютера и его монитором.

Тепловизор установлен на опорно-поворотное устройство, позволяющее направлять его на нужный сектор панорамы. Поле зрения тепловизора совпадает с полем визирующей камеры. Для защиты от внешней среды тепловизионная камера установлена в гермобокс, в котором, за счет обогрева и вентиляции, поддерживаются оптимальные для ее работы климатические условия.

Система в ходе реальной эксплуатации показала пригодность тепловизора ИРТИС-200 для мониторинга КС. Так времени формирования кадра 1,5 с. оказалось вполне достаточно для наблюдения за реальными КС, одной заправки жидким азотом хватает на срок до 6 часов непрерывной работы.

Тепловизор «ИРТИС-2000» представляет собой прецизионный оптико-механический сканирующий инфракрасный прибор для визуализации и измерения тепловых полей.

Принцип работы «ИРТИС-2000» основан на сканировании излучения в поле зрения камеры оптико-механическим сканером с одноэлементным высокочувствительным ИК-приемником (рисунок 2.1). При этой схеме разрешение 320×240 соответствует 240 строкам, в каждой из которых, считывание сигнала с ИК-приемника производится 320 раз. Сканирование по вертикали обеспечивает зеркало 1, а по горизонтали зеркало 2. Помимо этого зеркало 1 выдает импульс начала кадра, а зеркало 2 начала строки. Излучение, прошедшее через зеркальный сканер, фокусируется объективом на фотоприемник. Объектив камеры может быть сфокусирован на разные расстояния, для чего на правой стороне корпуса тепловизора, имеется регулировочная ручка (рисунок 2.2).

Входной иллюминатор тепловизионной камеры изготовлен из тонкой пленки прозрачной для ИК-излучения, однако имеющей низкую устойчивость к механическим воздействиям.

В тепловизионной камере установлен фотоприемник из антимонида индия (InSb) с максимумом спектральной чувствительности в диапазоне длин волн 3ч5 мкм, который для работы требует охлаждения до 72⁰К. Охлаждение обеспечивается заливкой жидкого азота в криостат, к которому и прикреплен фотоприемник. Согласно данным производителя одной заливки криостата жидким азотом хватает более чем на 5 часов работы.

Рис. 2.1 Схема работы тепловизора «ИРТИС-2000»

Рис. 2.2 Общий вид тепловизора «Иртис» в процессе установки в гермобокс

Аналоговый сигнал от поступающий от ИК-приемника, а также задающие импульсы от зеркал, мультиплексируются и преобразуется АЦП в цифровой сигнал. Далее сигнал передается сетевым контроллером на компьютер, где программа «ScanIR» формирует на экране видео изображение, соответствующее тепловому полю в фокальной плоскости объектива. Тепловизор «Иртис-2000» использует для связи с компьютером интерфейс Ethernet 10BST, аналоговых видеовыходов тепловизор не имеет. Тепловизионную камеру подключают к компьютеру стандартным сетевым кабелем UTP 5kat. Соответственно обязательное требование к компьютеру для работы с камерой — наличие сетевой карты поддерживающей данный интерфейс.

Стандартно тепловизор «Иртис-2000» питается от литиевого аккумулятора, унифицированного с бытовыми видеокамерами, напряжением 6 вольт. Для подключеня аккумулятора на задней стенке камеры находится специальное крепление.

Рис. 2.3 Ручка фокусировки Программа «ScanIR» производит обработку полученного от тепловизионной камеры цифрового сигнала и производит его визуализацию на мониторе компьютера. Помимо этого она содержит программный драйвер для установки соединения с камерой и управления скоростью сканирования (формирования кадра). «ScanIR» позволяет изменять параметры визуализации отображаемого тепловизионного изображения, для улучшения его информативности.

Весь набор функций «Иртис-2000» заложен в его программно-математическом обеспечении.

Функциональная схема канала

Для защиты от воздействий внешней среды тепловизионная камера «ИРТИС-2000» должна быть помещена гермобокс. Возможность сканирования различных секторов панорамы обеспечивается установкой гермобокса с тепловизором внутри на опорную поворотную площадку ОСН СП-1. Питание, 6 вольт постоянного тока, тепловизионной камеры обеспечивает блок установленный на СП-1 в составе блока питания СП-1. Для подвода питания к камере используется переходник, изготовленный из аккумулятора от бытовой видеокамеры. Управление питанием тепловизионной камеры осуществляется с ПЭВМ ВУК СП-1.

Тепловизионная камера соединена с процессорным блоком тепловизора посредством сетевого кабеля UTP kat.5, в котором установлена сетевая карта, поддерживающая интерфейс Ethernet 10BST.

Для связи с тепловизором и обработки поступающей от него информации в процессорный блок установлено ПМО входящие в комплект «ИРТИС-2000» — программа «ScanIR». Эта программа обеспечивает визуализацию и запись тепловизионных кадров.

Для ввода тепловизионного изображения в программу «Alarm» необходим аналоговый сигнал в PAL формате, что обусловлено техническим решением, примененным в СП-1. Для ввода сигнала от камер СП-1 используется карта FS5 фирмы Flystreem имеющая 16 аналоговых видеовходов и осуществляющая в режиме обнаружения КС последовательное переключение между ними (мультиплексирование). Сигнал с карты FS5 поступает на черно-белую карту RT-822, которая производит его оцифровку и передачу в программу «Alarm». Карта FS5 не имеет цифрового входа.

Вывод тепловизионного изображения в PAL формате для отображения на TV мониторе, а также ввода в программу «Alarm» для автоматического обнаружения КС, производится с видеокарты «ASUS V9520» установленной в процессорный блок тепловизора и оборудованной специальным видеовыходом. Выбор видеокарты «ASUS V9520» обусловлен высоким быстродействием примененного процессора фирмы Nvidia и высоким качеством цифро-аналогового преобразователя. Что обеспечивает минимальные потери в качестве получаемого TV сигнала.

Программа «ScanIR» была доработана производителем для отображения только тепловизионного изображения без полей настройки и шкалы температур.

Функциональная схема тепловизионного канала СП-1 представленна на рисунке 2.4.

Рис. 2.4 Функциональная схема тепловизионного канала СП-1

Поле зрения тепловизионной камеры совпадает с полем зрения визирующей камеры СП-1 (при соответствующей установке трансфокатора последней), что облегчает наведение на заданный сектор панорамы. Это достигается за счет общего угломестного привода, и установкой обеих камер на ОСН. Помимо того, для более точного совмещения, кронштейны обеих камер имеют возможность менять свое положение относительно системы приводов.

Гермобокс тепловизионной камеры представляет собой изолированную камеру с иллюминатором, из тонкого пленочного материала, прозрачного для ИК-волн в диапазоне 3ч5 мкм. В гермобоксе для поддержания микроклимата находится система климат-контроля включающая: температурный датчик, осушитель, вентилятор продувки внутреннего пространства, а также нагревательный элемент. Регулировка микроклимата производится автоматически, в результате чего внутри объема поддерживаются температура и влажность, предусмотренные режимом нормального функционирования тепловизионной камеры, в соответствии с паспортом тепловизора. Конструкция гермобокса обеспечивает подвод питания и интерфейсного кабеля к тепловизионной камере без нарушения герметичности.

Программно-математическое обеспечение «ИРТИС-2000»

Программный пакет IRTIS разработан для эффективного функционирования системы в полевых и лабораторных условиях.

Включенный в стандартный комплект поставки прибора и являющийся неотъемлемой частью тепловизионной камеры «ИРТИС-2000» программный пакет обеспечивает отображение, анализ, обработку, просмотр и распечатку кадров. Основная программа пакета — ScanIR, также в пакет входит программа для обработки термограмм, построения термопрофилей и облегчения подготовки термографических отчетов — IRPreview. Пакет разработан для ОС Windows 95/98/NT/2000/XP.

По желанию пользователя разработчиками ПМО к программам могут быть добавлены дополнительные функции, необходимые для более эффективного функционирования системы в соответствии с конкретным ее применением.

Программный пакет позволяет записывать динамический термографический фильм, измерять абсолютное значение температуры в любой точке или области термоизображения, конвертировать термограммы и данные, полученные в ходе обработки в стандартные форматы для последующего использования в другом ПО.

ПМО тепловизора «ИРТИС-2000» поддерживает большой набор сервисных функций, таких как:

— вывод максимальной, минимальной и средней температур в поле кадра;

— остановка кадра для предварительного анализа;

— запись динамического термографического фильма;

— запись отдельных термограмм;

— измерение температур;

— автонастройка динамического диапазона;

— выбор различных палитр и изотерм;

— покадровое суммирование;

— сглаживание (smoothing);

— увеличение резкости (sharpening);

— контрастирование (contrasting);

— кадрирование (cutting);

— вращение (rotation);

— цветовая коррекция (color correction);

— конвертирование в формат PCX и BMP.

Программа «ScanIR» необходима для функционирования тепловизора «Иртис-2000», без нее невозможна визуализация передаваемого тепловизионной камерой изображения. «ScanIR» включает в себя програмный драйвер тепловизионной камеры и набор инструментов для изменения параметров визуализации изображения.

Для установки «ScanIR» необходимо скопировать папку с программой и дополнительными файлами с компакт-диска прилагаемого к тепловизору на жесткий диск компьютера. Для запуска программы необходимо запустить ScanIR.exe.

Минимальные требования к компьютеру:

— компьютер — Pentium — 200 MMX;

— жесткий диск — HDD 2 Gb;

— оперативная память — 64 Mb;

— операционная система — Windows 95/98/2000/XP.

Для установки соединения между тепловизором и компьютером необходимо провести настройку сетевой карты. Нужно в свойствах протокола TCP/IP указать:

— IP-адрес: 192.168.0.1 (последнее значение может варьироваться от 1 до 255 кроме 32);

— маску подсети: 255.255.255.0;

— подтвердить указанные изменения;

— перезагрузить компьютер.

— запустить «ScanIR».

— установить соединение нажав F5.

В программе «ScanIR» широко используются «горячие» клавиши, с их помощью достигается необходимая оперативность доступа к функциям, заложенным в программе.

«ScanIR» поддерживает 8 палитр псевдоцвета переключение, между которыми осуществляется прямо во время сканирования, а также возможно и с уже сохраненным кадром. Также существует режим инверсии палитры включаемый нажатием клавиши 9.

Нажатием клавиши F1 включается режим «только тепловизионное изображение», используемый при вводе изображения в программу «Alarm».

Для улучшения информативности кадров возможны следующие действия:

— изменение диапазона отображаемых температур;

— автоподстройка диапазона отображаемых температур под каждый кадр (F8);

— сдвиг палитры относительно шкалы температур;

— оконтуривание изображений (нажатием сочетания клавиш Alt+F3);

— сглаживание изображения (F3);

— нерезкое маскирование (F4);

— изменение скорости сканирования (Alt+1,2,3,0)

Программа дает возможность записать последовательность тепловизионных кадров в виде фильма (Alt+F), что позволяет отслеживать динамику развития событий при КС.

2.3 Тепловизор «Скат»

Описание работы и функции тепловизора «Скат»

Тепловизор «Скат» представляет собой оптический инфракрасный прибор, предназначенный для обнаружения и визуализации тепловых полей.

Приёмник теплового излучения в тепловизоре представляет собой неохлаждаемую микроболометрическую матрицу на основе пироэлектрика. Пироэлектрики (от греч. pyr — огонь) — кристаллические диэлектрики, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, то есть поляризацией в отсутствии внешних воздействий. Обычно спонтанная поляризация пироэлектриков не заметна, так как электрическое поле, создаваемое ею, компенсируется полем свободных электрических зарядов, которые «натекают» на поверхность из его объёма и из окружающего воздуха. При изменении температуры величина спонтанной поляризации изменяется, что вызывает появление электрического поля, которое можно наблюдать, пока свободные заряды не успеют его скомпенсировать. Это явление называется пироэлектрическим эффектом или пироэлектричеством.

Типичные представители пироэлектриков: турмалин, триглицинсульфит, титанат бария, титанат свинца, сегнетоэлектрические цирконаты свинца, сополимеры винилиденфторида (PVDF), моногидрат сульфат лития.

Действие пироэлектрика в тепловизоре основано на регистрации электрических сигналов, возникающих в кристалле при изменении его температуры под действием излучения.

Приёмник излучения имеет максимум спектральной чувствительности в диапазоне длин волн 8ч13 мкм. Подобные микроболометрические матрицы очень перспективны, поскольку являются неохлаждаемыми и не требуют заливки жидкого азота.

Объектив тепловизора с фокусным расстоянием F=50 мм изготовлен из германия, материала, прозрачного для теплового излучения в диапазоне 8ч13 мкм.

Тепловизор «Скат» имеет класс защиты корпуса от внешних воздействий IP65, что характеризует его как прибор с пыленепроницаемой конструкцией, защищённой от попадания водяных струй. Таким образом, тепловизор является всепогодным.

Тепловизор имеет высокостабильную электронную развёртку («жесткий растр»), частоту кадровой развёртки 25 Гц, что обеспечивает быстрое обновление тепловой информации, а, следовательно, и высокое быстродействие тепловизионной системы обнаружения аномальных тепловых выбросов. Отсутствие электромеханической системы развёртки и необходимости охлаждения приёмной матрицы обеспечивает высокую надёжность и большой (не менее 10 000 часов) срок службы, что делает тепловизор «Скат» идеальным для использования в системе мониторинга.

Помимо этого основного преимущества, «Скат» имеет большое количество сервисных возможностей, таких как: автоматическая коррекция температурного диапазона, высокую температурную чувствительность, высокую скорость обработки тепловой информации. Имеется возможность вывода информации как на аналоговый телевизионный монитор, так и ввода информации в ПК по высокоскоростной цифровой линии передачи.

Общий вид тепловизора «Скат» и вид установленного на ОСН тепловизора показаны на рисунках 2.6 и 2.7 соответственно.

Рис. 2.7. Общий вид тепловизора «Скат»

Рис. 2.8. Тепловизор «Скат», установленный на ОСН СП-1 вместе с визирующей камерой

Программно-математическое обеспечение

ПМО, применяемое для обработки информации с тепловизора «Скат», отличается от ПМО для тепловизора «ИРТИС». Дело в том, что термограммы, полученные термографом «ИРТИС» и обрабатываемые программой ScanIR, изначально несут в себе информацию о температуре наблюдаемого объекта, и программа может измерять значение абсолютной температуры при обработке термограмм. К тому же визуализация тепловизионного изображения с «ИРТИС» невозможна без самой программы ScanIR.

Тепловизионные изображения «Ската» снимаются непосредственно в программе «Alarm», выходной формат изображения — .jpeg. Данный формат не несёт в себе информации о температуре объекта, но получающиеся чёрно-белые изображения являются визуализацией интенсивности теплового излучения наблюдаемого объекта.

Для обработки информации тепловизионных изображений с тепловизора «Скат» на СП-1 используется программа MIM Visualizer 1.0. Программа поддерживает большой набор сервисных функций:

— просмотр изображений форматов. bmp и.jpg;

— построение сечений (профилей интенсивности) изображения по вертикали, горизонтали и в любом направлении в пределах кадра;

— вывод распределения интенсивности в трёхмерном виде;

— настройка шкалы интенсивности изображения;

— построение гистограммы изображения;

— просмотр изображения в чёрно-белой и цветной палитрах;

— настройка резкости и размытия изображения;

— операции сложения и вычитания между несколькими изображениями;

— инвертирование изображения.

— измерение расстояния между двумя точками (в пикселях)

Описание программы MIM Visualizer

Для установки программы MIM Visualizer необходимо скопировать папку с программой на жёсткий диск компьютера. Для запуска программы необходимо запустить файл mimvis.exe. При появлении сообщения о необходимости ввода серийного номера программы нужно открыть файл serial. txt, находящийся в папке с программой, и скопировать серийный номер.

MIM Visualizer отображает интенсивность тепловизионного изображения и включает в себя набор инструментов для изменения параметров визуализации изображения.

MIM Visualizer поддерживает две палитры псевдоцвета — в градациях серого и многоцветная, переключение между которыми осуществляется с уже сохранённым кадром.

Основное окно программы MIM Visualizer представлено на рис. 2.8.

Панель управления подробно представлена на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Основное окно программы MIM Visualizer (включена многоцветная палитра)

Рис. 2.10. Панель управления

1. Многоцветное отображение.

2. Отображение в градациях серого.

3. Трёхмерная модель изображения.

4. Выделение колонки (сечение по вертикали).

5. Выделение горизонтальной линии.

6. Выделение произвольного сечения.

7. Измерение расстояния между двумя точками (в пикселях).

8. Выделение области.

9. Инвертировать текущее изображение.

10. Повернуть текущее изображение на 180 градусов.

11. Повернуть текущее изображение на 90 градусов по часовой стрелке.

12. Повернуть текущее изображение на 90 градусов против часовой стрелки.

13. Повернуть текущее изображение на произвольный угол.

14. Зеркально отобразить текущее изображение по горизонтали.

15. Зеркально отобразить текущее изображение по вертикали.

16. Повысить резкость в выделенной области или на всём изображении.

17. Применить размытие к выделенной области или на всём изображении.

18. Построение гистограммы для выделенной области или на всём изображении.

Пример тепловизионного изображения и построения его термопрофиля (сечения) с помощью программы MIM Visualizer показан на рис. 2.11:

Рис. 2.11. Тепловизионное изображение штатного тест-объекта СП-1 (ТЭЦ-8) и термопрофиля, полученного проведением сечения по горизонтали. Включена палитра градаций серого

Следует отметить, что в программе имеется некоторое количество других функций, которые не имеют практического значения при обработке тепловизионных изображений «Ската». Но одна из функций имеет большое значение. Эта функция позволяет вычитать одно изображение из другого и в результате выводить тепловизионную картинку, представляющую собой разницу между изначальными двумя изображениями. Разница выражается в изменении интенсивности температурной картинки с течением времени и позволяет наблюдать за изменением температуры наблюдаемого объекта.

На рисунке 2.12 представлены две термограммы, которые предполагается вычесть друг из друга для выявления температурной разницы между ними. На термограммах изображён штатный тест-объект СП-1 ТЭЦ-11. Термограммы сняты с интервалом в 15 секунд.