Разработка и производство тепловизионной поисково-досмотровой техники для решения антитеррористических задач

Доступен только на StudyGur

Тема:
Скачиваний: 1
Страниц: 0
Опубликован:
ЧИТАЙТЕ ПОЛНЫЙ ТЕКСТ ДОКУМЕНТА

ПРЕДПРОСМОТР

Разработка и производство
тепловизионной поисково-досмотровой
техники для решения
антитеррористических задач
А.А. Ковалев
А.В. Ковалев
(ЗАО НИИИН МНПО "Спектр", ООО "Таск-Т", Москва)
Вопросы, связанные с терроризмом и безопасностью, обсуждаются в настоящее время на разных
уровнях, с различным итогом. Это, бесспорно, необходимо, но следует понимать, что проблемы
безопасности требуют тщательного изучения и анализа с обязательным прогнозированием результата.
Такой процесс принято называть диагностикой. Диагностика в ее широком понимании — основа
безопасности.
Одной из главных причин подавляющего большинства чрезвычайных событий и террористических
актов является отсутствие эффективной диагностики. Диагностика — это техническое и методическое
обеспечение безопасности, ее интеллект. Если говорить об антитеррористическом аспекте безопасности, то
антитеррористическую и криминалистическую диагностику (АТКД) можно определить как совокупность
принципов, методов и средств предотвращения и предупреждения террористических актов и других
криминальных проявлений, или, другими словами, как активную составляющую технического обеспечения
безопасности страны, общества и предотвращения терроризма.
Рассмотрим возможности методов неразрушающего контроля (НК) для создания аппаратурных средств,
предназначенных для предотвращения террористических актов, повышения безопасности общества и
решения криминалистических задач. Более конкретно познакомимся с тепловизионным метолом контроля,
его особенностями, этапами развития и современным аппаратурным арсеналом.
Общеизвестно, что высокая информативность и широчайшие потенциальные возможности методов НК
обусловлены использованием практически всего частотного диапазона электромагнитного спектра, что
позволяет создавать технические средства, обладающие возможностью "видения" в оптически
непрозрачных средах. Процесс видения осуществляется с помощью оптико-электронных систем путем
визуализации невидимых человеческому глазу изображений, создаваемых в рентгеновском,
ультрафиолетовом. инфракрасном и других диапазонах электромагнитного спектра. Оптические
изображения и образы являются высшей формой получения, хранения и передачи информации, а также ее
наиболее удобным, оптимальным видом, воспринимаемым человеком.
В спектре электромагнитного излучения видимый диапазон, в котором для зрительного восприятия
человеку не требуются технические средства, занимает лишь небольшую часть. Естественно, что для
получения большей информации об окружающем мире или отдельных объектах необходимо "видение" в
других диапазонах.
Достаточно интересным и информативным является инфракрасный (И К) диапазон спектра, так как
именно здесь сосредоточена основная доля собственного электромагнитного излучения большинства
окружающих человека объектов естественного и искусственного происхождения. ИК-диапазон охватывает
длины волн от 0.76 до 1000 мкм (что соответствует частотам от 300 до 0.3 ТГц ). Эта широкая область
спектра условно делится на пять промежуточных диапазонов: ближний (0.76...1.1 мкм). коротковолновый
(1,1...2,5 мкм), средневолновый (3.0...5,5 мкм), длинноволновый (8... 14 мкм) и дальний (15... 1000 мкм).
Иногда два первых диапазона для удобства объединяют в один (0.76...2.5 мкм).
ИК-диапазоны 3...5.5 и 7... 14 мкм являются рабочими зонами тепловизионного метода
неразрушающего контроля. Особый интерес вызывает более информативный диапазон 7... 14 мкм,
полностью совпадающий с наиболее широким окном прозрачности атмосферы и соответствующий максимальной излучательной способности наблюдаемых объектов в температурном диапазоне от —50 до +500
°С.
Тепловизионный метод контроля основан на том. что любые процессы в природе и человеческой
деятельности сопровождаются поглощением и выделением, изменяя внутреннюю энергию тела, которая в
состоянии термодинамического равновесия пропорциональна температуре вещества. В результате
поверхности физических тел приобретают специфическое температурное распределение. Основным путем
реализации тепловизионного метода является создание аппаратурных средств, обеспечивающих
преобразование температурного распределения или инфракрасного излучения в видимое изображение.
Реализация возможностей тепловизионного метода, обеспечивающего как выявление внутренних дефектов
в различных объектах, так и эффективное решение проблемы "ночного видения", обнаружения скрытых
или замаскированных объектов или осуществление поисковых мероприятий в сложных метеоусловиях,
обусловила создание широкого спектра тепловизионных аппаратурных средств: портативных, мобильных,
стационарных.
В основу принципа действия тепловизионных приборов положено двумерное преобразование
собственного теплового излучения от объектов и местности или фона в видимое изображение.
Тепловизионная техника обладает рядом достоинств и присущих только ей возможностей: обнаружение
удаленных теплоизлучающих объектов (или целей) независимо от уровня естественной освещенности, а
также до определенной степени тепловых или других помех (дыма, дождя. тумана, снега, пыли и т.п.).
Начало развития тепловизионной техники было положено в начале 60-х годов XX столетия
исследованиями и разработкой приборов по двум основным направлениям: с использованием дискретных
приемников излучения совместно с системами сканирования (развертки) изображения и аппаратуры без
механического сканирования на базе двумерных ИК-приемников. Сегодня можно условно выделить
четыре поколения развития такой техники.
Нулевое поколение основано на применении единичных охлаждаемых приемников и двумерной
(строчной и кадровой) развертки с помощью сканирующей оптико-механической системы; первое
поколение — на использовании строчных линеек приемников и упрощенной кадровой развертки; второе
поколение — на применении сгруппированных линеек (с временной задержкой и накоплением) и более
низко-скоростной системой развертки. Ко второму поколению относят вакуумные приборы с электронным
сканированием приемной мишени - пироконы.
Принципиально новое третье поколение основано на применении "одновременно смотрящих", т.е.
фокально-плоскостных (FPA — Focal Plate Area), двумерных твердотельных многоэлементных
(матричных) приемников излучения (МПИ), т.е. без использования оптико-механических систем развертки.
В последние годы развитие тепловизионной техники идет в основном по пути применения
неохлаждаемых многоэлементных МПИ. физические характеристики которых весьма высоки и
практически не уступают охлаждающим системам. Современные тепловизионные системы (ТПС) имеют
малые массогабаритные характеристики и энергопотребление, обеспечивают бесшумную работу и высокое
качество тепловизионного изображения, широкий динамический диапазон при работе в режиме
вещательного телевизионного стандарта, цифровую обработку в реальном масштабе времени, связь с ЭВМ
и т.п. и делятся на два основных класса:
- наблюдательные (показывающие);
- измерительные или радиометрические (термографы).
Наблюдательные ТПС предназначены для обнаружения, распознавания и визуализации на фоне тепловых
помех удаленных теплоизлучающих объектов (или целей). Такие системы могут дополняться автономными
каналами, содержащими, как правило, отмасштабированный телевизионный и канал дистанционного
измерения температуры с лазерным целеуказанием, а также лазерными дальномерами. Такое дополнение
наблюдательных ТПС позволяет им частично выполнять измерительные функции.
Измерительные (радиометрические) ТПС используются преимущественно для квалифицированной
тепловой диагностики различных промышленных объектов, техники, зданий. сооружений, механизмов и
т.п.
Классы ТПС различаются спецификой практического применения (рыночная ниша) и
эксплуатационными возможностями.
Рассмотрим наблюдательные ТПС. которые занимают особое место при решении поисковых и
досмотровых задач. ТПС, выполняющие такие функции, наряду с наблюдательными называют поисководосмотровыми или просто поисковыми.
Поисковые ТПС обеспечивают возможность видения на значительных расстояниях независимо от
уровня естественной освещенности, интенсивности световых помех, степени прозрачности атмосферы. Эти
приборы способны регистрировать тепловое излучение от объектов через среды, непрозрачные для
видимого и ближнего ИК-излучения, но прозрачные для теплового излучения: листва, маскировочные сети,
небольшой слой земли, нагромождение предметов и пр., что дает возможность обнаруживать
замаскированные
Рис. 1. Результаты обнаружения и идентификации
различных объектов тепловизионной системой на
основе
неохлаждаемой
болометрической
тепловизионной матрицы формата 320x240 элементов (размер пикселя 50 мкм) с объективом с
фокусным расстоянием 100 мм
или скрытые объекты. Поисковые тепловизионные системы могут использоваться для круглосуточного
всепогодного наблюдения. разведки, прицеливания, сопровождения целей, охраны объектов, таможенного
контроля, для решения криминалистических задач, вождения транспортных средств, поиска раненых и
пострадавших в результате военных действий или стихийных бедствий, для обнаружения мин и т.п.
Возможности поисковых ТПС по обнаружению и распознаванию техники и людей на значительных
расстояниях демонстрирует рис. 1, на котором показаны результаты обнаружения различных объектов
тепловизионной системой на основе неохлаждаемой болометрической тепловизионной матрицы формата
320x240 элементов (размер пикселя 50 мкм) с объективом с фокусным расстоянием 100 мм. Здесь
представлены предельно достижимые результаты обнаружения и распознавания. На практике результаты
будут скромнее, что объясняется неоптимальными условиями контроля, пониженной прозрачностью
атмосферы и рядом других факторов, снижающих характеристики аппаратуры. Рассмотрим подробнее эти
факторы.
Влияние атмосферы на процесс распространения инфракрасного излучения при наблюдении за
удаленными объектами выражается в виде ослабления собственного излучения объекта и обусловлено
двумя основными факторами:
—поглощением излучения, в результате которого происходит преобразование его энергии в другие ее
виды;
—ослаблением или рассеянием излучения.
Результатом действия указанных факторов является ослабление энергии сигнала от объекта контроля,
снижение контраста изображения, искажение его пространственной структуры, что ухудшает качество
изображения и уменьшает дальность видения.
Действительно, согласно пространственно-частотным представлениям, основанным на математическом
аппарате преобразований Фурье, пространственное распределение яркости любого объекта всегда можно
представить в виде некоторого набора (спектра) пространственных частот, каждая составляющая которого
имеет определенную амплитуду и фазу. Слой рассеивающей среды (атмосфера) пропускает каждую из этих
составляющих с некоторым коэффициентом передачи, зависящим от пространственной частоты. В
результате первоначальный пространственно-частотный спектр искажается.
Количественное описание всех факторов, влияющих на качество ИК-изображения и дальность видения,
не входит в задачи настоящей работы, поскольку это достаточно трудоемкий и объемный процесс.
Ограничимся примером, демонстрирующим классическую картину пропускания атмосферы для приземной
трассы длиной 1 км (рис. 2). Вид представленной картины в общем случае зависит от концентрации в
атмосфере поглощающих веществ, изменяющейся с высотой трассы, а часто и по длине трассы, а также от
ряда других факторов.
Условно ТПС в зависимости от дальности действия делятся на три группы:
— ТПС малой дальности действия: до 0,7... 1,0 км по ростовой фигуре человека и до 1.5...2.0 км по
автомашине:
— ТПС средней дальности действия: соответственно 1.2... 1.5 и 2...4 км, а также до 8 км по самолету;
— ТПС повышенной дальности действия, превышающей значения, соответствующие средней
дальности.
К поисковым ТПС первой группы относятся портативные тепловизоры массой до 2 кг, малогабаритные
прицелы для стрелкового оружия, нашлемные и наголовные приборы наблюдения. Поисковые ТПС второй
группы составляют носимые или временно устанавливаемые на штативе приборы наблюдения.
13
Рис. 2. Пропускание атмосферы в приземном
слое на дистанции 1850 м
Третья группа поисковых ТПС - это стационарно размещаемые приборы, оснащенные длиннофокусной
оптикой, а также возимые или устанавливаемые на плавсредствах системы наблюдения.
В основе современных поисковых ТПС лежат неохлаждаемые преобразователи ИК-излучения,
представляющие собой фокально-плоскостные двумерные многоэлементные матрицы, способные
воспринимать температурные контрасты до 50...80 мК.
В спектральном диапазоне 7... 14 мкм в неохлаждаемых ТПС используются в качестве преобразователей
микроболометрические (МБ) фокальные матрицы большого формата и многоэлементные приемники на
основе пироэлектриков (ППИ) или сегнетоэлектриков.
Основное преимущество МБ-систем — отсутствие охлаждения - делает их экономичными по
потребляемой мощности, более легкими и дешевыми, чем охлаждаемые ТПС. МБ-системы способны
выходить на рабочий режим за несколько секунд. Вторым важным преимуществом МБ-систем по
сравнению с другими неохлаждаемыми системами, например на пироэлектрических приемниках
излучения, является возможность работы без механических модуляторов. МБ-системы бесшумны, что
немаловажно для работы в условиях скрытого наблюдения. Третье важное преимущество —
чувствительность МБ-приемников в широком спектральном диапазоне. В настоящее время на практике используется наиболее распространенный диапазон 7-14 мкм, но МБ потенциально пригодны для создания
перспективных многоспектральных систем.
Формат МБ-матриц подавляющего числа моделей, особенно на начальном периоде их серийного
выпуска, был двух типов: 320x240 и 160x120 элементов, а температурная чувствительность, равная
минимальной эквивалентной шуму разности температур NETD (Noise Equivalent Temperature Difference),
составляла 100... 150 мК. При этом размер элемента матрицы составлял 50x50 мкм. Несколько позднее
появились матрицы форматом 640x480 элементов, размер пикселя уменьшился до 28x28 мкм. a NETD
достигла 50 мК. Программа совершенствования неохлаждаемых тепловизионных систем (Advanced
Uncooled Thermal Imaging Program) Агентства по перспективным оборонным научно-исследовательским
проектам (Defense Advanced Research Projects Agency - DARPA) предусматривает создать микроболометр
формата 1280x960 с размером пикселей 15 мкм при температурном разрешении 10 мК. В настоящее время
уже производятся матрицы размером 640x480 мкм при размере пикселя 17 мкм (L-3 Communication, США),
а к 2009 г. ожидается серийный выпуск этой фирмой матриц форматом 1280x1024 с размером пикселя 17
мкм и чувствительностью менее 20 мК. Применение таких матриц значительно улучшит пространственное
и температурное разрешение ТПС.
Что касается другого типа неохлаждаемых матричных ИК-приемников — пироэлектрических (ППИ), то
по чувствительности они несколько уступают МБ-матрицам. NETD ППИ не превышает 80 мК. типичное
значение лежит в пределах 100... 150 мК. Наиболее используемый формат 320x240 элементов, в последнее
время появились матрицы форматом 640x512 и 512x256 пикселей. Существует сфера применения
пироэлектрических матриц, где они имеют явное преимущество над болометрическими, - это круглосуточные системы наблюдения, при работе которых имеется вероятность прямого солнечного воздействия на
чувствительную область матрицы. В этом случае вероятность выхода из строя пироэлектрической матрицы
значительно ниже, чем болометрической.
Поисковые тепловизионные системы, как и любые другие функциональные устройства,
характеризуются совокупностью показателей, определяющих их эффективность, к основным из которых
относятся:
—вероятность обнаружения, различения и распознавания объекта на заданной дальности:
—минимальная обнаруживаемая разность температур;
—минимальная разрешаемая разность температур;
—угловое (линейное) разрешение;
—ширина полосы захвата местности (угол обзора);
— число воспроизводимых градаций температур.
Несмотря на относительную полноту и универсальность применения, основные показатели
эффективности не пригодны для описания собственно аппаратуры, ибо они зависят не только от нее самой,
но также и oт условий ее использования, параметров объекта и фона. Поэтому для оценки собственно
тепловизионной аппаратуры целесообразно применять систему ее основных (обобщенных) технических
параметров, основными из которых являются:
—порог чувствительности (NETD);
—угловой элемент разрешения;
—угол обзора;
—спектральный рабочий диапазон;
—диапазон регистрируемых разностей температур:
—диапазон плотностей изображения:
—быстродействие:
— дальность обнаружения/распознавания объекта.
Для поисковых ТПС дальность обнаружения/распознавания объекта является обобщающей
характеристикой, которая в совокупности с массогабаритными параметрами аппаратуры определяет
обоснованный выбор поискового средства для решения конкретной поисковой задачи.
Дальность наблюдения зависит от пространственного и температурного разрешения ТПС и может быть
математически определена из выражения, описывающего процесс восприятия и интерпретации
изображения зрительным анализатором. Поскольку процесс наблюдения и принятия решения зависит от
ряда случайных факторов и является вероятностным. необходим критерий, позволяющий с определенной
степенью достоверности принимать решение, т.е. говорить об успешном выполнении задачи наблюдения.
Впервые такой критерий был сформулирован и развит Джонсоном (1957 г.). Суть критерия состоит в
том, что для зрительного анализатора выделено несколько уровней восприятия изображения, нижний из
которых (обнаружение объекта) соответствует выделению какого-то размытого пятна на фоне помех, а
высший - точной идентификации объекта и определению его специфических особенностей. Между этими
уровнями находится ряд промежуточных уровней восприятия. В качестве параметра, характеризующего
возможный уровень восприятия изображения, используют разрешение штриховых мир, эквивалентных
1. Критерии Джонсона
Уровень видения
Число разрешаемых периодов штриховой
миры на критическом размере
наблюдаемого объекта
Обнаружение
1(0,25)
Определение
ориентации
1,4(0,35)
Различение
4(0 ,8 )
Идентификация
(опознавание)
6,4(1,5)
2. Современные критерии визуального восприятия
Уровень видения
Описание
N
Обнаружение
Выделение размытого пятна
на фоне помех
1,0
Различение
Выделение объекта с достаточной ясностью и дифференциация по принадлежности к классу
4,0
Идентификация
(опознавание)
Дифференциация объекта по
принадлежности к типу
внутри класса
8,0
объекту наблюдения. При этом предполагается, что объект характеризуется неким минимальным
(критическим) размером, вдоль которого ведется анализ его изображения для выявления характерных
геометрических признаков объекта. Эквивалентной штриховой мирой называют миру прямоугольной формы,
ширина которой равна минимальному (критическому) размеру объекта, а длина соответствует его размеру в
направлении, перпендикулярном критическому. Джонсон на примере наблюдения военных транспортных
средств провел сравнение способности наблюдателя разрешать изображение миры с его способностью
воспринимать объекте различным качеством видения. Результатом таких экспериментальных исследований
явилась разработка критериев Джонсона, представляющих собой соответствие между числом разрешаемых
периодов эквивалентной миры, укладывающихся на критическом размере наблюдаемого объекта, и уровнем
видения. Один период эквивалентной миры содержит два штриха равной толщины — темный и светлый.
Критерии Джонсона, приведенные в табл. 1. лежат в основе современной методологии восприятия
изображений.
С течением времени критерии Джонсона уточнялись, и их современная трактовка, представленная в табл.
2. несколько отличается от значений, приведенных в табл. 1, но их также называют критериями Джонсона.
Следует отметить, что в отечественной научно-технической литературе, как правило, используют только два
уровня восприятия — обнаружение и распознавание, которые соответствуют уровню идентификации по
критериям Джонсона.
Величина N в табл. 2 определяет количество периодов эквивалентной миры, разрешаемых наблюдателем,
для данного уровня восприятия с 50%-ной вероятностью.
Для оценки других величин вероятности восприятия. подчиняющейся логонормальному интегральному
закону распределения, вычислены множители для пересчета вероятности восприятия, величины которых
указаны в табл. 3.
Из приведенной информации наглядно видно, что, например, для идентификации объекта с вероятностью
0,95 необходимо, чтобы на его критическом размере уложилось 8x2=16 периодов эквивалентной миры.
Числовые значения вероятности восприятия как функции пространственной частоты, в качестве которой
взято число периодов пространственной структуры (миры), могут быть представлены в графическом виде.
Графики зависимости трех уровней восприятия называются функциями передачи вероятности восприятия
цели.
Следует заметить, что описанные выкладки относятся к горизонтальным трассам. При наклонных или
вертикальных трассах числовые значения могут существенно изменяться.
Таким образом, изложенный материал позволяет представить возможности тепловизионной техники по
решению поисково-досмотровых и других задач, связанных с обнаружением. выделением и распознаванием
температурных аномалий.
Российские производители неохлаждаемых ТПС предлагают достаточно широкий ряд аппаратурных
тепловизионных средств с точки зрения функциональных и весогабаритных характеристик, а также ценовых
рамок.
Одним из разработчиков и производителей неохлаждаемых ТПС на основе твердотельных
многоэлементных фокально-плоскостных матриц является Институт интроскопии МНПО "Спектр",
предлагающий четыре класса тепловизионных систем, показанных на рис. 3:
—носимые:
—мобильные;
—стационарные:
—размещаемые на носителях.
Носимые тепловизоры серии "Катран" и "Спрут" относятся к системам малой дальности. Их
характеристики представлены в табл. 4, и для сравнения приведены параметры американского портативного
тепловизора типа Thermal-Eye Х200ХР. Эта аппаратура предназначена для использования
правоохранительными и силовыми структурами, государственными органами безопасности и охраны
правопорядка, частными охранными предприятиями, подразделениями МЧС, экологами, яхтсменами,
натуралистами и другими
пользователями, кому необходимо эффективное всепогодное круглосуточное наблюдение, в том числе и в
сложных условиях (дым. туман и т.п.). Такие тепловизионные приемники применяются при охране
сухопутной и морской границы. контроле за распространением наркотиков, охране зданий, сооружений,
различных режимных объектов и зон. Носимые ТПС являются эффективным средством при поисковоспасательных операциях, поиске улик, скрытых захоронений. ночном патрулировании, скрытом
наблюдении и слежении, обеспечении безопасности при проведении массовых мероприятий, охране
окружающей среды и т.п.
Основные пользователи мобильных тепловизионных систем в военной сфере — подразделения
сухопутных войск. мобильные пограничные наряды, поисково-разведовательные группы, спецназ и т.п. К
мобильным ТПС предъявляются. казалось бы. противоречивые требования. С одной стороны, они должны
иметь качественную оптику, хорошее температурное и пространственное разрешение для наблюдения и
разведки на расстоянии 1000...2000 м. С другой -требуются небольшие размеры, масса, энергопотребление.
обеспечивающее длительную автономную работу, высокая защищенность от влаги и пыли, прочность
корпуса и удобство эксплуатации. Практически всем этим требованиям соответствуют ТПС серии "Катран"
и "Спрут".
Тепловизоры серии "Катран" обладают высокой температурной чувствительностью и пространственным
разрешением, что позволяет обнаруживать людей и технику на расстояниях до 1000 и 2000 м
соответственно. Пластмассовый термо- и ударопрочный корпус обеспечивает при небольших
массогабаритных характеристиках высокую степень пыле- и влагозащищенности. Особо отметим
тепловизор "Спрут", который является комплексной системой наблюдения. Помимо тепловизионного
канала на основе современной микроболометрической матрицы форматом 320x240 пикселей аппаратура
имеет дополнительный канал, в качестве которого может быть:
1) система лазерной локации, предназначенная для решения задачи обнаружения на значительных
расстояниях длиннофокусной оптики, или, другими словами, выявления факта наблюдения или
прицеливания. Таким образом, система "Спрут" в этом варианте объединяет в себе тепловизор с
характеристиками "Катран-3" и изделие "Спин-2", обеспечивающее обнаружение на расстоянии до 1000 м
снайперских прицелов, приборов ночного видения, фото- и видеокамер, ведущих наблюдение или скрытую
съемку. Канал лазерной локации может работать в режиме высокоэффективного активного прибора
ночного видения (ПНВ);
2) высокочувствительная телевизионная камера с объективом, оптические характеристики которого
обеспечивают получение телевизионного изображения объекта контроля, одномасштабного с
тепловизионным;
3) лазерный дальномер, что значительно расширяет возможности тепловизора, особенно при
использовании в системах военного назначения и разведки.
Мобильные тепловизионные системы (МТПС) производства НИИИН МНПО "Спектр" в качестве ИКпрсобразова-телей используют как болометрические матрицы формата 160x120 и 320x240, так и
неохлаждаемые пироэлектрические матрицы с размером чувствительной области 320x240 пикселей.
В табл. 5 приведены основные характеристики МТПС. относящихся к системам средней дальности, и для
сравнения указаны параметры американского тепловизионного приемника такого же класса — "ThermalEye 250D". Сфера применения МТПС несколько шире, чем носимых систем, поскольку помимо решения
тех же залам. что и мобильные системы, МТПС можно использован, для более сложных поисковых задач,
например кругового обзора за счет установки на штатив или опорно-поворотное устройство (ОПУ).
Массо-габаритные характеристики МТПС выше, чем у мобильных систем, поскольку они, как правило,
имеют более длиннофокусные объективы, встроенные микропроцессорные системы для обработки
изображения и улучшения видения, дополнительные выносные мониторы, модуль памяти для фиксации
изображения (от единиц до сотен кадров), дополнительные каналы, расширяющие функциональные
возможности МТПС. Одним из бурно развивающихся направлений является использование МТВС для
вождения транспортных средств ночью и в условиях ограниченной видимости (дымка, туман, дождь,
снегопад, пыль, дым, смог, световые помехи и т.п.).
Рис. 4. Примеры тепловизионных изображений, полученных с помощью носимых и
мобильных тепловизионных систем
Из представленных в табл. 5 МТВС
наибольший интерес представляет ТН-4604
МП. Эта тепловизионная система, в основе
которой лежит пироэлектрическая матрица
типа 300Д фирмы Thermal Eye (США),
пользуется спросом в течение нескольких лет.
Помимо тепловизионного канала в приборе
предусмотрена
возможность
установки
отмасштабированного
ТВ-канала
и
дистанционного измерителя температуры с
лазерным
целеуказателем.
Встроенный
процессор обеспечивает легкое переключение
тепло- и телевизионного каналов, а также
включение канала измерения температуры.
Предусмотрена память на 100 кадров теле- или
тепловизионного изображения.
Тепловизор
"Скат"
является
модифицированным вариантом ТН-4604 МП,
предназначенным для использования в полевых условиях. Термо-, ударопрочный и пыле- и
влагозащищенный корпус, отсутствие подвижных деталей и конструктивная защита объектива делают этот
тепловизор надежным средством наблюдения и контроля при поисково-досмотровых мероприятиях в
сложных условиях. В качестве ИК-преобразователя использована пироэлектрическая матрица форматом
320x240. Предусмотрена возможность применения объективов с фокусным расстоянием от 18 до 150 мм.
Изделие "Скат" легко устанавливается на штатив или ОПУ. Имеется неединичный опыт использования
этого тепловизионного приемника как выносного устройства на расстоянии более 200 м от пульта контроля
и управляемого с помощью RS-порта.
В качестве примера на рис. 4 показаны тепловизионные изображения различных объектов, полученные
с помощью носимых и мобильных тепловизионных систем.
Стационарные тепловизионные системы производства НИИИН МНПО "Спектр" с основными
характеристиками приведены в табл. 6. Для сравнения здесь же представлены характеристики изделия
"Thermal-Eye 5000XP" производства фирмы L-3 Communication (США). В тепловизорах этого класса
используются пироэлектрические (ТН-4604 МП-100 и ТСН-МП-50) и болометрические (ТСН-МБ-2-12)
ИК-преобразователи, а также объективы с различным фокусным расстоянием. Тепловизор ТН-4604 МП100 оснащен светосильным 100 мм объективом и может решать не только задачи наблюдения, поиска,
сопровождения, но и более сложные - детального анализа тепловых полей на небольших (до 10 м)
расстояниях. Этот прибор может оснащаться дополнительными канатами: измерения температуры,
телевизионным, измерения расстояния (дальномер) и т.п. Тепловизоры серии ТСН выполнены в
термокожухе, что обеспечивает их работу при пониженных температурах (до -45...-50 °С ), обладают
высокой степенью защищенности (IP 66—IP 67) от влаги, пыли и т.п., имеют универсальное крепление для
установки на штативе (кронштейне) или опорно-поворотном устройстве. В корпусе тепловизоров
предусмотрено установочное место для печатной платы RS-порта, обеспечивающего управление
тепловизором с расстояния до 500 м.
Наибольший интерес, по мнению авторов, представляет многоканальная обзорно-поисковая система
"Спектр". Эта система может включать в себя два, три и даже четыре канала, работающих в различных
спектральных диапазонах и объединенных в единый корпус, устанавливаемый на ОПУ. Каждый канал
имеет собственное входное окно, может работать как самостоятельно, так и одновременно с другими
каналами. Изображения от каждого канала выводятся на отдельные мониторы и одновременно вводятся в
ЭВМ, которая обрабатывает информацию от отдельных каналов и совместную по алгоритмам,
выбираемым оператором.
В системе "Спектр" могут быть реализованы следующие каналы:
- тепловизионный, рабочий диапазон 7... 14 мкм;
- лазерный локационный, рабочий диапазон 780...940 нм;
- ближний ИК, рабочие диапазоны 700... 1000 и 1000... 1700 нм;
телевизионный, рабочий диапазон 350...700 нм со спектральными поддиапазонами 20...50 нм,
выделяемыми автоматически устанавливаемыми интерференционными фильтрами;
Рис. 5. Пример теле- и тепловизионного изображений объекта
- измерительный (лазерный дальномер), рабочая длина волны - 1,54 мкм;
- вспомогательный, для установки различных осветителей и ИК-прожекторов.
Такое объединение различных информационных каналов в одном модуле позволяет недостатки одних
каналов компенсировать достоинствами других, что обеспечивает эффективную круглосуточную работу
системы в целом. В табл. 6 представлены характеристики только тепловизионного канала системы
"Спектр" с объективом 100 мм.
Пример работы тепловизионного каната системы "Спектр" приведен на рис. 5. На телевизионном
изображении человек держит руку в черном непрозрачном пакете, а на тепловизионном изображении той
же картинки отчетливо видно оружие в руке.
И наконец, о тепловизионных системах, устанавливаемых на носителях. Это новые разработки,
внешний вид которых и основные характеристики приведены в табл. 7.
Система "Сплит", где в качестве носителя тепловизионного канала применяется беспилотный
летательный аппарат (БПЛА), является эффективным и перспективным средством наблюдения и
контроля за протяженными объектами пли территориями. Поскольку средства наблюдения с воздуха
находятся вне конкуренции по охвату наблюдаемых площадей, им нет альтернативы при применении на
участках со сложным (изрезанным) рельефом, высокой растительностью, в населенных пунктах, т.е. там,
где не обеспечивается прямая видимость средств наблюдения, расположенных у поверхности Земли.
Комплекс "Сплит" предназначен для дистанционного обзора земной и водной поверхностей в заданном
районе в целях контроля обстановки и выявления объектов с привязкой их к конкретной точке поверхности
путем передачи в реальном масштабе времени полученной видео-, тепловизионной. навигационной и
служебной информации на пункт управления. Объектами могут быть люди, транспортные и плавсредства,
военная техника, сооружения, следы и т.п. Комплекс состоит из миниатюрного БПЛА, тепловизионного
модуля, а также наземной системы управления на базе портативного планшетного компьютера, блока приемопередатчика и антенной системы.
Технические характеристики комплекса "Сплит"
Радиус применения, км .... ………….До 10
Время полета, мин............. ………….До 90
Воздушная скорость, км/ч ………….65... 105
Потолок, м ......................... ………….3000
Захват на местности, м ...... ………….0,2...0,4
от высоты полета
Режимы полета .................................. Автономный, радио
командный. облет за
данной точки, автовозврат
Навигация .......................... ………….GPS
Точность определения
координат, м ...................... ………….25
Силовая установка ............ ………….Электродвигатель
Способ старта ................... ………….С руки с помощью жгута
Способ посадки ................. ………….На парашюте
Диапазон температур применения, °С ................................ …………..-20...+40
БПЛА состоит из: фюзеляжа, консолей крыла с поворотными узлами, вертикального оперения. На крыле
установлены элероны, обеспечивающие управление БПЛА в полете. Стартовым крюком на фюзеляже
БПЛА прикрепляется к пусковому устройству. В носовой части фюзеляжа установлена тепловизионная и
(или) видеокамера в стабилизирующем подвесе. Для защиты камер от повреждений при посадке фюзеляж
закрывается подвижным забралом.
В состав бортового оборудования входят:
• новейшая автоматическая пилотажно-навигационная система:
• антенна радиомодема:
• антенна приемника СРНС (GPS):
• канал передачи данных шифрованный с ППРЧ;
• тепловизионная камера в стабилизирующем карданном подвесе;
• ТВ-камера:
• передатчик ТВ-сигнала с антенной;
• аккумуляторная батарея.
Внешний вид комплекса, включая БПЛА и наземную станцию, представлен на рис. 6.
Полет летательного аппарата может проходить в двух режимах управления - автоматическом и ручном.
При автоматическом режиме полет выполняется по программе, введенной в компьютер станции
управления, при этом сигналы управления полетом со станции управления на БПЛА подаются
автоматически.
При ручном режиме полет выполняется по командам оператора, подаваемым с клавиатуры станции
управления на БПЛА.
В течение полета БПЛА передает по радиоканалу информацию с теле- или тепловизионной камеры с
привязкой к карте текущих координат БПЛА. Маршрут полета может включать в себя до 99 поворотных
пунктов с заданными координатами, оператор в любой момент может перейти в ручной режим управления
и вернуться в автоматический, а также включить режим "облет точки", при котором БПЛА совершает
стандартный маневр полета вокруг точки с координатами, соответствующими моменту включения
маневра.
Станция управления представляет собой комплекс устройств, предназначенных для дистанционного
управления полетом летательного аппарата, приема и отображения тепловизионной. телеметрической и
видеоинформации, передаваемой с борта БПЛА.
Станция управления включает в себя:
• планшетный компьютер TS-006 с дисплеем, видеомонитором TS-007, клавиатурой управления,
блоком аппаратного видеокодека и аккумуляторной батареей в чемодане;
• радиомодем линии радиоуправления с антенной;
• приемный блок с антенной и контрольным видеомонитором;
• штатив.
Опыт применения БПЛА имеют ряд стран, и в первую очередь США. Использование комплексов
воздушной разведки с БПЛА началось еще во время вьетнамской войны. После этого были Афганистан,
Ирак, Косово и т.д. Сегодня в США беспилотные системы успешно применяются при охране границы с
Мексикой и морских побережий, а также охране воздушного пространства в связи с возросшей угрозой
терроризма.
В России применение БПЛА как поискового средства, в том числе и в целях регулярного наблюдения
участков государственной границы, пока носит опытный характер. Это обусловлено многими причинами,
среди которых проблема получения стабильного изображения контролируемых площадей, поскольку полет
легкого летательного аппарата на приземных высотах связан с достаточно ощутимыми вибрациями и
непроизвольным изменением направления полета, высоты, крена и т.п., что усложняет наблюдение и анализ получаемых изображений. Высокая турбулентность атмосферы в приземном слое и небольшая масса
летательного аппарата требуют поиска различных способов и алгоритмов получения стабильного
изображения контролируемых объектов или пространств для их последующей обработки и анализа. Такая
работа в настоящее время ведется, и положительные результаты ожидаются в самое ближайшее время. В
заключение следует сказать, что в последние годы тепловизионная техника бурно развивается,
обеспечивая, с одной стороны, появление практически универсального диагностического средства, а с
другой — благодаря своим функциональным возможностям превращаясь в ключевой элемент,
определяющий тактико-технические характеристики новых видов вооружений, военной техники и
специальных поисково-досмотровых средств.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Неразрушаюший контроль: справочник: в 8 т. / под ред. В.В. Клюева. Т. 8. Кн. 2.
Антитеррористическая и криминалистическая диагностика /А.В. Ковалев. М.: Машиностроение, 2005. 789 с:
ил.
2. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Тенденции развития инфракрасных систем "смотрящего" типа //
Специальная техника. 2004. № 1.С. 24-37; № 3. С. 16-25.
3. Волков В.Г., Ковалев А.В., Федчишин В.Г. Тепловизионные приборы нового поколения. Ч. 1 //
Специальная техника. 2001. № 6. С. 2-10.
4. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы "смотрящего" типа. М.: Логос. 2004. 444 с.
5. Карасик В.Е., Орлов В.М. Лазерные системы видения. М: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. 352
с. ил.
6. Ллойд Дж. Системы тепловидения / пер. с англ. под ред. А.И. Горячева. М.: Мир, 1978. 416 с.
7. Роуз. А. Зрение человека и электронное зрение: пер. с англ. М.: Мир. 1977. 216 с.
8. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Тенденции развития тепловизионных систем второго и третьего
поколений и некоторые особенности их моделирования (по материалам зарубежной печати) // Оптикоэлектронные системы визуализации и обработки оптических изображений / ЦНИИ "Циклон". 2001. Вып. 1.
С. 3-18.
9. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы. Техника. Применение. М.: Мир, 1988.
10. Ковалев А.В., Федчишин В.Г., Щербаков М.И. Тепловидение сегодня // Специальная техника. 1999.
№ 3. С. 13—18; 1999. № 4. С. 19-23.
11. Вавилов В.П. Тепловые методы неразрушаюшего контроля: справочник. М.: Машиностроение, 1991.
12. Волков В.Г. Тепловизионные приборы средней дальности действия // Специальная техника. 2005. №
4. С. 2-17.
ЗАРЕГИСТРИРУЙТЕСЬ - ЭТО БЕСПЛАТНО

Похожие документы