Поисковые средства на основе тепловизионного метода

Тепловизионные методы и разрабатываемые на их основе аппаратурные средства занимают особую нишу при решении как поисковых задач, так и при дистанционной диагностике различных материалов и изделий. Следует отметить, что существует достаточно большое количество поисковых и диагностических задач, решение которых возможно только методом ТНК, либо он является наиболее эффективным.

В основе современных поисковых тепловизионных систем (ПТС) в подавляющем большинстве лежат неохлаждаемые преобразователи теплового излучения, способные воспринимать температурные контрасты до 0,05... 0,1 К.

ПТС обеспечивают возможность видения на значительных расстояниях независимо от уровня естественной освещенности, уровня интенсивности световых помех, степени прозрачности атмосферы (туман, дождь, снегопад, пыль, дым и т.п.). Эти приборы способны воспринимать тепловое излучение от объектов через среды, непрозрачные для видимого или ближнего инфракрасного излучения, но прозрачные для теплового излучения: листва, маскировочные сети, небольшой слой земли, нагромождение предметов и пр., что дает возможность наблюдать замаскированные или скрытые объекты. ПТС могут использоваться для наблюдения, разведки, прицеливания, сопровождения цели, охраны объектов, таможенного контроля, для решения криминалистических задач, вождения транспортных средств, поиска раненных и пострадавших в результате военных действий или стихийных бедствий, для обнаружения мин, контроля режимов работы машин и пр.

Современные ПТС, относящиеся к третьему поколению тепловизионных приборов, основаны на фокально-плоскостных неохлаждаемых двухмерных многоэлементных матрицах. Характеристики ИК-матриц приведены в табл. 7.

ИК-фотоприемники выполняются на основе различных материалов и в соответствии с этим делятся на три основных типа: КРТ, микроболометры и пироэлектрические приемники.

Температурная чувствительность ИК-матричных приемников, равная минимальной эквивалентной шуму разности температур NETD (Noise Equivalent Temperature Difference), имеет величину, не превышающую 100 К. Величина NETD является главным критерием качества тепловизионного приемника, характеризует его энергетическую чувствительность и представляет собой разность температур, при которой отношение пикового значения сигнала к среднеквадратичной величине шумов на выходе приемной системы, равно единице. Или, иными словами, NETD представляет собой минимальную удельную разность температур, которая может быть измерена аппаратурными средствами.

Реально достигаемые для неохлаждаемых тепловизионных приемников значения NETD, значительно превышают полученные расчетным путем, что обусловлено в основном нерадиационной утечкой тепла в приемнике, шумами и шириной полосы пропускания электронного тракта и др.

Помимо ИК-преобразователей характеристики ПТС определяются применяемой оптикой. Объектив является сложной оптической системой, линзы которой выполнены, как правило, из оптического германия. Коэффициент пропускания объективов лежит в диапазоне 0,78... 0,94. В табл. 8 приведены основные характеристики ИК- объективов для ПТС.

Функциональные возможности ПТС определяются режимом работы, основными из которых являются обнаружение и распознавание.

При решении поисковых задач, связанных с наблюдением удаленных объектов и регистрацией их собственного теплового излучения, основным мешающим фактором является слой атмосферы, увеличивающий свое негативное влияние при высоких концентрациях пыли, осадков в виде дождя, снега, тумана и т.п. Выбор рабочего диапазона ПТС в интервале 8... 13 мкм минимизирует это влияние. Экспериментально установлено, что вероятность обнаружения низколетящих целей на расстоянии около 5 км для диапазона 8... 13 мкм значительно выше, а расчетная величина NETD в этом случае более чем в 7 раз лучше, чем для диапазона 3... 5 мкм. Кроме того, осадки в виде дождя или тумана увеличивают этот разрыв в пользу длинноволнового диапазона.

На рис. 9 приведены расчетные параметры современной ПТС по обнаружению и распознаванию различных объектов при использовании объектива со светосильной оптикой f ' = 100 мм.

Достаточно обширной сферой применения поисковых тепловизионных средств является контроль строительных конструкций, зданий и сооружений из бетона и железобетона. Результативность контроля этих объектов в большой степени зависит от структуры материала, состава и типа наполнителя, степени однородности объекта контроля, равномерности излучательной способности, шероховатости, степени загрязнения и «черноты» поверхности исследуемого объекта, а также характеристик излучателя, необходимого для решения дефектоскопических задач.

Для решения задачи выявления скрытых подповерхностных дефектов в строительных конструкциях (инородные включения, локальные и протяженные пустоты, отверстия, трещины, расслоения и т.п.) с помощью ПТС используется алгоритм поиска, заключающийся в предварительном фиксированном по времени нагреве зоны контроля с последующим наблюдением динамики изменения тепловизионной картины во времени. Нагревание поверхности объекта контроля повышает радиационный контраст и, как следствие, дефектоскопическую чувствительность. Естественно, что нагреватель должен обладать совокупностью характеристик, обеспечивающих с одной стороны достижение требуемой чувствительности контроля, а с другой - отвечать требованиям, предъявляемым к поисковым техническим средствам.

В настоящее время широкое распространение получает использование ПТС в многоканальных приборах ночного видения (МПНВ), компенсирующих недостатки одних каналов за счет достоинств других.

МПНВ делятся на комплексированные, комбинированные и интегрированные.

Комплексированные системы состоят из двух или нескольких каналов, работающих в различных спектральных диапазонах и объединенных в единой конструкции. Эти каналы имеют одно общее или несколько различных входных окон для разных областей спектра. При этом каждый канал может работать самостоятельно в соответствии с его принципиальными возможностями.

Комбинированные состоят из двух или нескольких каналов, работающих в различных спектральных диапазонах и объединенных как конструктивно, так и на основе совмещения оптических осей (полного или частичного).

Отдельные каналы могут работать совместно или автономно.

В интегрированных МПНВ отдельные каналы объединены на основе общей оптической системы, а также системы обработки и представления на единый дисплей интегрированного изображения. Последнее формируется на основе анализа специфических признаков - сигналов с различных каналов, обработки сигналов в реальном масштабе времени в микро-ЭВМ и представления в оптимизированном виде на едином дисплее.

Реализация основных преимуществ ТНП наглядности и оперативности стала возможна в связи с существенным прогрессом аппаратурной базы за последние 10 лет. Одновременно в связи с появлением широкого спектра компьютерных средств стало возможным по- новому интерпретировать известные алгоритмы обработки температурной информации. Метод динамической тепловой томографии, известный в России с 80-х гг., используется в настоящее время как основной инструмент для повышения надежности тепловизионной диагностики. Использование нейтронных сетей, разработка алгоритмов тепловой дефектометрии, преобразование изображений, реализация метода импульсной фазовой термографии с применением одномерного преобразования Фурье во времени, внедрение различных способов выделения сигналов от дефектов на фоне шумов позволяют создавать в настоящее время высокоинформативные компьютеризированные ПТС. 

Дата добавления: 2015-09-06