Ллойд Дж. Системы тепловидения (1978), страница 3

Широко распространенным сокращенным обозначением в области тепловидения является г'ЫВ (аналогично, например, сокращению ТУ в телевидении). гЫК вЂ” первые буквы английского термина «гогиагй Боо)г[ня 1п1га-Кей» вЂ” инфракрасная система переднего обзора. Этим термином обозначаются системы тепловидения с быстрой кадровой разверткой в отличие от направленных вниз одноканальных систем для получения тепловых карт местности и однокадровых термографических камер. Хотя первоначально сокращенное обозначение гЫВ относилось к самолетным инфракрасным системам переднего обзора, в настоящее время оно широко используется для обозначения любой системы тепловидения с быстрой кадровой разверткой. Тепловое изображение в системе гЫК получается следующим образом.

Оптическая система собирает инфракрасное излучение картины, осуществляет спектральную фильтрацию и фокусирует его на многоэлементную мозаику чувствительных площадок приемника излучения, которая сканирует пространство. Чувствительные элементы приемника излучения преобразуют оптические сигналы в соответствующие электрические сигналы, которые затем усиливаются и воспроизводятся в виде изображения на видеоконтрольном устройстве.

Внешне система гЫВ подобна телевизионной системе; конечное изображение часто получают на мониторе телевизионного типа, работающем с кадровой частотой, применяемой в телевидении. Контраст (видеоусиление) и яркость (уровень фона) регулируются таким образом, чтобы изображение тепловой картины походило на соответствующее видимое изображение. Большинство применений инфракрасных систем тепловидения в реальном масштабе времени в настоящее время относится к области военной техники. По имеющимся публикациям [2) можно судить, что вооруженные силы используют тепловые стрелковые и артиллерийские прицелы, тепловые прицелы для наведения управляемых снарядов и авиационные системы гЫВ. Функции этих систем включают обзор, разведку и сбор информации, поиск и захват целей, управление огнем, аэронавигацию. Область невоенных применений систем тепловидения ограничена, но все время расширяется.

Сюда относятся тепловой обзор местности в интересах охраны окружающей среды, раннее обнаружение рака молоч- 2 ОЗТЗ 18 ГЛАВА 1 ной железы и другая медицинская диагностика, обнаружение лесных пожаров, поиск при различных спасательных работах, контроль качества продукции в промышленности, обнаружение трещин н осыпей в угольных шахтах, профилактическое обследование электроэнергетического оборудования, разведка земных ресурсов. Если учесть тенденции расширения области применения систем тепловидения, этот список можно продолжить. В частности, системы тепловидения могут найти применение в качестве вспомогательных средств при посадке самолетов гражданской авиации, в криминалистике и горном деле, а также испольаоваться как средства наблюдения сквозь дым для пожарных. Преимуществом систем тепловидения по сравнению с другими пассивными электронно-оптическими и оптико-электронными изображающими системами является их способность работать в любое время суток в неблагоприятных погодных условиях.

Основная причина такого преимущества — эффективная передача контраста и работа в оптимальных окнах прозрачности атмосферы. Для получения иэображения в электронно-оптических преобразователях и системах низкоуровневого телевидения используются главным образом различия в отражательных свойствах объекта и фона. В видимом спектральном диапазоне наблюдается тенденция к уменьшению разности в отражении между характерными объектами и фонами при воспроизведении их черно-белого (нецветного) изображения, особенно когда применяются специальные меры маскировки объектов.

В системах тепловидения средняя величина яркости картины (постоянная составляющая или фон) обычно подавляется, так что на индикатор передаются только изменения яркости относительно среднего уровня. Благодаря этому достигаются высокие значения контраста изображения, особенно если учесть, что маскировку разностей температур произвести очень трудно. В гл. 10 будет показано, что способность наблюдателя эффективно воспринимать картину в очень сильной степени зависит от контраста, поэтому тепловые системы в этом отношении имеют преимущество по сравнению с большинством приборов видимого диапазона. Небольшой недостаток систем тепловндения заключается в том, что тепловое изображение в отличие от видимого практически не имеет теней, поэтому пространственное восприятие объектов в тепловых системах хуже.

Этот недостаток несколько возмещается тем, что мы видим все фронтальные поверхности объекта, поскольку все поверхности излучают тепловую энергию. Другой не очень существенный недостаток связан с тем, что тепловые излучатели не обязательно хорошо отражают видимый свет, так что яркие участки видимого изображения могут оказаться темными в тепловом изображении и наоборот. Тем не менее тепловое изображение обычно дает значительную информацию.

Тепловые системы позво- ВВЕДЕНИЕ ляют, например, определять уровень жидкости в цистерне и производить обнаружение кильватерного следа судов, недавно выключенных двигателей автомотосредств, промышленных предприятий (по излучению горячих газов или нагретых площадей), а также опознавание объектов по картине нагрева поверхностей. 1.2. История систем тепловидения Первым тепловизионным прибором теплового изображения был появившийся в конце 20-х годов эвапорограф — сравнительно малочувствительное устройство без сканирования, описанное в равд. 8.7.

Эвапорограф не мог удовлетворить требованиям большинства задач получения теплового изображения из-за присущих ему ограничений в таких характеристиках, как контрастность, чувствительность и постоянная времени. Два различных пути получения тепловых изображений наметились в 40-е годы. Один иа них — разработка систем, аналогичных телевизионным, с использованием дискретных приемников излучения и механических систем сканирования.

Другой путь — развитие инфракрасных видиконов или других приборов без механического сканирования. Первый путь оказался чрезвычайно плодотворным, тогда как на втором пути к настоящему времени достигнуты сравнительно скромные результаты. В связи с тем что приборы без сканирования по своим характеристикам все еще уступают приборам со сканированием, отложим их рассмотрение до гл. 8.

Первые сканирующие приборы получили название термографических камер. Это системы с одноэлементным приемником излучения, двумерной малокадровой разверткой и регистрацией изображения на фотографической пленке, в связи с чем изображение получается не в реальном масштабе времени. В 1952 г. для Армии США была создана первая термографическая камера с двумерным сканированием, использующая прожектор с 16-дюймовым (около 40 см) отражателем и болометр в качестве приемника излучения.. В период 1956 — 1960 гг. при поддержке вооруженных сил началось.

довольно быстрое развитие термографических камер, которые затем стали применяться почти исключительно в мирных целях. До конца 50-х годов разработка тепловизоров с быстрой кадровой разверткой была практически невозможна из-за отсутствия приемников излучения с малой постояняой времени. Достижимая полоса электрических частот была ограничена несколькими сотнями герц, поскольку малая чувствительность приемников излучения при более высоких частотах приводила к очень низким отношениям сигнала к шуму в изображении. Разработка охлаждаемых малоинерционных приемников на основе антнмонида индия 1НВЬ и легированного ртутью германия Ое: Нд сделала возмож- 2* 20 ГЛАВА « ным создание приемных устройств с быстрой кадровой разверткой.

Первая система РЫК в реальном масштабе времени была создана на основе самолетного, смотрящего вниз устройства для получения тепловых карт местности со сканированием в горизонтальном направлении. В таких устройствах, представляющих собой по существу термографические камеры, развертка по вертикали обеспечивается перемещением самолета относительно поверхности земли; наиболее интенсивно они применяются Армией и ВВС США для разведки.

Первый образец длинноволновой системы РЫК был создан в Чикагском университете в 1956 г. при поддержке ВВС. Он представлял собой модификацию системы для получения тепловых карт Аг(/АА8-3 и был обозначен ХА-1. Модификация заключалась в добавлении к вращающемуся с переменой направления оптическому клину в сканирующей системе Ар(/ААЯ-3 качающегося по углу места зеркала, и в результате одноэлементный приемник сканировал пространство, образуя двумерный растр. После окончания войны в Корее дальнейшая разработка этой системы прекратилась. Насколько известно автору, следующим прибором с разверткой в реальном масштабе времени была наземная система РЫК, созданная фирмой «Перкин — Элмер» для сухопутных войск в 1960 г.