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.
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.
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.
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 Wхарактеризуется 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
| Космические лучи | Гамма-лучи | Рентгеновские лучи | УФ-излучение | Инфракрасное излучение | Радиоволны | ||||||||||||||||
| свч | укв | вч | пч | нч | |||||||||||||||||
| л | 0,001Ǻ 0.1Ǻ 1Ǻ 10 Ǻ 100 Ǻ 0,1 мкм 1 мкм 10 мкм 100 мкм 0,1 см 1 см 10 см 1 м 10 м 100 м 1 км 10 км 100 км | ||||||||||||||||||||
| н, Гц | 3*1021 3*1019 3*1018 3*1017 3*1016 3*1015 3*1014 3*1013 3*1012 3*1010 3*108 3*106 3*104 | ||||||||||||||||||||
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°С 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 = 1,38054*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=fт(л)
Кривая спектрального распределения величины dR (л, T)/dл 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 максT)/dл= 1,286*10-15Т5 Вт/см2*мкм
где температура Т выражена в Кельвинах.
Следовательно, объект при температуре окружающей среды Т = 290 К имеетмаксимум 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.