Разработка тепловизионного канала СП-1 АСДМ "Лидар" (стр. 4 из 7)
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 20х20 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 3¸5 мкм, имеет разрешение 256х256 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 320х240 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 UTPkat.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 «ASUSV9520» установленной в процессорный блок тепловизора и оборудованной специальным видеовыходом. Выбор видеокарты «ASUSV9520» 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.