Разработка тепловизионного канала СП-1 АСДМ "Лидар" (стр. 3 из 7)
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 КС\ЧС. 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
| ламкм | лbмкм | Т=280К[Вт/см2] | Т=290К[Вт/см2] | Т=300К[Вт/см2] | Т=310К[Вт/см2] | Т=750К[Вт/см2] | Т=1000К[Вт/см2] |
| 3.5 | 5,5 | 5,36∙10-4 | 7,73∙10-4 | 1,09∙10-3 | 1,50∙10-3 | 5,68∙10-1 | 2,38 |
| 8 | 14 | 1,26∙10-2 | 1,48∙10-2 | 1,74∙10-2 | 2,01∙10-2 | 3,34∙10-1 | 6,05 |
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 - Tf 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 18х14 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 8¸13 мкм, имеет разрешение 320х240 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
| Наименование параметра | Значение |
| Предельная дальность обнаружения АТВ, имеющих размеры не менее 50 х 50 м:- при МДВ > 15 км, км- в тумане при МДВ < 15 км, кмДиапазон рабочих ИК волн, мкмПоле зрения тепловизионной камеры:- по азимуту-по углу местаМгновенное поле зрения, мрад.Диапазон углов наведения тепловизионной камеры (обеспечивается приводами ОСН):-по азимуту-по углу местаТемпературный контраст, 0СУсловия работы тепловизора:-диапазон температур, 0С-влажность, % | ³ 10уточняют при опытной эксплуатации СП-13ч5 или 8ч12³ 10–110³ 10–110< 4от 0 до ³ 3600± 150<5открытая атмосфера-40 ч +40до 100 |
Постановка задачи
Согласно техническому заданию разработать тепловизионный канал анализа КС/ЧС для стационарного поста СП-1 АСДМ «Лидар».