Введение
При высокойплотности населения и промышленных предприятий в
современных мегаполисах резковозрастает опасность массового
поражения людей при неизбежно возникающихчрезвычайных ситуациях и
экологических катастрофах (пожарах, взрывах свыделением ядовитых
веществ, загрязнение атмосферы транспортом,
промышленнымипредприятиями и др.).
В полной мереэто относится к Москве, с тем отличием, что большой
износ промышленногооборудования 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
управлениягородским хозяйством особую роль играют системы
оперативного предупреждения очрезвычайных ситуациях: пожарах,
взрывах, химических выбросах, экологическихкатастрофах и т.д. Как
правило, подобные узкопрофессиональные системыпредупреждения могут
охватывать отдельные помещения, здания, районы города иливесь город
целиком. Задачи, решаемые подобными системами, во многом схожи.
В дипломнойработе проводится разработка тепловизионного канала СП-1
АСДМ «Лидар» и егоэкспериментальное исследование на соответствие
задачам мониторинга КС.
Автоматическаясистема дистанционного мониторинга «Лидар»
предназначена для обнаружениякризисных и чрезвычайных ситуаций в
городе Москва, одним из показателей которыхявляется аварийный
аэрозольный выброс в атмосферный воздух. Стационарный пост 1(СП-1)
работает в режиме круглосуточного оперативного мониторинга КС.
Согласноконцепции системы, планируется установка трёх СП с зоной
охвата 10–12 кмкаждый, что позволит охватить всю территорию
Москвы. СП-2, второй пост системыАСДМ «Лидар», является
эволюционным продолжением СП-1. Совокупность решений,применённых в
СП-1 и СП-2, послужат базой для разработки СП-3 –
полностьюавтоматического поста.
Тепловизионныйканал в составе АСДМ «Лидар» предназначен для ведения
мониторинга в сложныхметеорологических 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 фонегородской
застройки.
1. Тепловизионные приборы и системы для задач мониторинга
кризисныхситуаций в мегаполисе
В этой частидипломного проекта рассмотрены принципы построения
тепловизионных системмониторинга КС, выделены основные задачи
систем такого рода. Проанализированосостояние современного уровня
техники. Также были выдвинуты требования ктепловизионной системе
СП-1, на основе которых сформулировано техническоезадание.1.1
Физические основы тепловизионных приборов1.1.1 Историческая
справка
Существование тепловогоизлучения за пределами видимого спектра было
открыто Уильямом Гершелем в 1800 г.С помощью термометра,
помещаемого за красным участком солнечного спектра припрохождении
излучения сквозь диспергирующую призму, Гершель обнаружил
невидимоеглазом излучение, несущее энергию и проявляющееся своим
тепловым действием.Впоследствии он доказал, что это излучение,
названное инфракрасным, подчиняетсятем же законам, что и видимый
свет.
Только в 1830 г.появились первые приемники инфракрасного
излучения на основе принципа работытермопары, которые стали
называть термоэлементами. Появление в 1880 г.терморезистивных
материалов, т.е. материалов, электрическое сопротивлениекоторых
изменяется в зависимости от температуры (болометры),
позволилосущественно улучшить чувствительность приемников
инфракрасного излучения.
В период 1870–1920 гг.прогресс техники обеспечил разработку
первых фотонных приемников, основанных напрямом взаимодействии
между фотонами излучения и электронами материалаприемника. Природа
обнаружения излучения здесь другая – речь идет уже не
овозникновении электрического сигнала в ответ на тепловое
воздействие, а онепосредственном преобразовании излучения в
электрический сигнал. Этиприемники, фоторезисторы или фотодиоды,
имеют гораздо большее быстродействие иболее высокую
чувствительность, чем тепловые приемники.
В период 1930–1944 гг.были разработаны приемники на основе
сульфида свинца (PbS). Эти приемникичувствительны в спектральном
диапазоне 1,5 ч3 мкм. В 1940–1950 гг. рабочийспектральный
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 высокойчувствительности и
быстродействию позволили разработать термографические
итепловизионные системы, основанные на обнаружении инфракрасного
излучения,испускаемого телами в интервале длин волн 2ч15
мкм. 1.1.2 Физическиепринципы
Материянепрерывно испускает и поглощает электромагнитное излучение.
Процесс излучениясвязан с возбуждением молекул внутри вещества, в
результате чего возникаютизлучательные переходы электронов.
Выделяющаяся энергия уносится квазичастицами– квантами (фотонами)
электромагнитного поля, имеющими энергию W.
Освобожденная в форме излучения энергия W характеризуется
длинойволны 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 обратнопропорциональна энергии,
выделившейся при переходе. Важно отметить в этойсвязи, что в
инфракрасной области по сравнению с видимой длины волн велики
иэнергия соответственно мала. Это предопределяет трудности
обнаружения отдельныхфотонов инфракрасного излучения.
Если в веществе происходят все возможные переходы(тепловое
возбуждение молекул), то каждый атом излучает определенную энергию,
ав совокупности энергетические уровни принимают все возможные
значения;распределение энергии по длинам волн в таком случае
непрерывное и спектр испусканияизлучения непрерывный.
В некоторых средах разрешенными оказываютсятолько вполне
определенные переходы (квантованные переходы электрона внутри
атома),излучение происходит тогда на дискретных длинах волн и
спектр испусканияизлучения линейчатый. Явление поглощения излучения
веществом является обратнымпроцессом и может быть более или менее
селективным на длинах волн, присущихрассматриваемой среде.
Спектризлучения произвольно делят на области по признаку
функциональных особенностейисточников или приемников излучения.
Участки электромагнитного спектра показаныниже в таблице 1.1.
Таблица 1.1. Спектр электромагнитного излученияКосмические 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 областиизлучения 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, следуетохлаждать. Так, для уменьшения в 100 раз излучения
в окрестности л = 4 мкмобъекта с температурой + 20°С его следует
охладить примерно на сотню градусов.
С учетом характеристик приемников, используемыхдля обнаружения
излучения, инфракрасную область делят на три больших участка –
ближняяинфракрасная область (длины волн 0,75ч1,5 мкм), средняя
инфракрасная область(длины волн 1,5ч20 мкм) и дальняя инфракрасная
область (длины волн 20ч1000мкм).
Инфракрасное излучение в ближней инфракраснойобласти обнаруживается
специальными фотографическими эмульсиями(чувствительными в области
до л = 1 мкм), фотоэлементами с внешнимфотоэффектом, а также
фоторезисторами и фотодиодами. В средней инфракраснойобласти
инфракрасное излучение обнаруживается тепловыми
приемниками,фоторезисторами и фотодиодами. В дальней инфракрасной
области для обнаруженияизлучения применяются в основном тепловые
приемники.
Спектр излучения черного тела можно рассчитать всоответствии 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 единичноминтервале длин волн; h =
6,6256*10-34 Дж*с, или Вт*с2 – постояннаяПланка; к = 1,38054*10-23
Дж/К – постоянная Больцмана; с =2,998* 108м/с – скорость света; Т –
абсолютная температура черного тела в Кельвинах.
Спектральная плотность потока излучения черноготела зависит от
длины волны и от температуры. Удобно представить закон Планка
вформе семейства кривых:
dR (л, T)/dл=fт(л)
Кривая спектрального распределения величины dR (л, T)/d л при
заданном значениитемпературы Tпроходит через максимум. Смещение
максимума в функции температуры описываетсязаконом смешения Вина,
который получают дифференцированием закона Планка:
лмакс= 2898/ Т мкм,
dR(лмакс T)/dл= 1,286*10-15Т5 Вт/см2*мкм
где температура Т выражена в Кельвинах.
Следовательно, объект при температуре окружающейсреды Т = 290 К
имеет максимумспектральной плотности потока излучения при лмакс=10
мкм, в товремя как Солнце, эффективная (кажущаяся) температура
которого ~ 6000 К, имеетмаксимум при лмакс=0,5 мкм. Заметим, что
жидкий азот (Т = 77К)имеет максимум при лмакс=38 мкм.
Закон смещения Вина наглядно объясняет сдвиг всторону коротких волн
максимума (видимого или невидимого) излучения тел по мереих
нагрева.
Закон, получаемый интегрированием закона Планкапо л в пределах от
нуля до бесконечности называется законом Стефана –Больцмана. Он
определяет интегральную плотность (мощность) потока
излучениячерного тела при температуре Т:
RT=уT4
у=2р5k4/15c2h3=5,67*1012 Вт/(см2*К4)=5,67*108Вт(м2*К4) – постоянная
Стефана – Больцмана.
/>
Рис. 1.1 Спектральное распределениеповерхностной плотности
потока излучения различных источников: 1 – Солнце, Т – 6000 К; 2–
излучение черного тела при температуре окружающей среды Т – 290 К;
3 – излучениечерного тела при температуре Т=77 К
Физически RТ представляет собойплощадь под кривой dR (л, T)/d
л=fT(л).
Если закон планка проинтегрировать по диапазонудлин волн ла – лb,
то мы получим мощность излучения черного тела вэтом диапазоне при
температуре Т:
/>
где ла – нижняя граница диапазона, лb – верхняя граница.
/>
Рис. 1.2. Поверхностная плотность потока излученияв
спектральной полосе1.1.3 Приемники инфракрасного излучения
Приемники излучения являются незаменимыми элементами
инфракрасныхприборов и предназначены для преобразования энергии
оптического излучения вэлектрическую (или какую-либо другую)
энергию, более удобную длянепосредственного измерения.
По принципу действия приемники делят на две большие группы:тепловые
и фотонные. Тепловые приемники основаны на изменении тех или
иныхсвойств при изменении температуры, образующейся под
воздействием падающеголучистого потока, независимо от его
спектрального состава. В фотонныхприемниках имеет место прямое
взаимодействие между падающими фотонами и электронамиматериала
чувствительного элемента.
Среди тепловых приемников в последнее время большоераспространение
получили микроболометрические матрицы с максимумомчувствительности
в диапазоне 8ч12 мкм. Принцип действия болометров основан
наизменении электрического сопротивления полупроводника или металла
при изменениитемпературы, вызванном воздействием падающего
лучистого потока.Микроболометрические матрицы не требуют
охлаждения.
Среди фотонных приемников распространены фоторезисторы,
принципдействия которых основан на внутреннем фотоэффекте,
заключающемся в образованиисвободных электронов в твердом теле и
изменении его электропроводности припоглощении квантов излучения.
Различают три группы фоторезисторов: пленочные,монокристаллические
и легированные примесями. К первой группе относятсернисто-свинцовые
(PbS), селенисто-свинцовые (PbSe) и теллуристо-свинцовые (РbТе)
фоторезисторы. Вторуюгруппу составляют фоторезисторы из антимонида
индия (lnSb) и теллуридов ртути икадмия (HgСdTe); третью группу –
фоторезисторы из германия (Ge), легированногоразличными
примесями.
/>
Рис. 1.3. Энергетические зоны в фоторезисторе
В фоторезисторе дискретные энергетические уровни,которые занимают
электроны, образуют зоны. Наивысшую энергетическую зону,полностью
заполненную электронами, называют валентной. Более
высокуюэнергетическую зону, которая может быть и не заполненной
электронами, называютзоной проводимости. Проводимость материала
определяется электронами,находящимися в зоне проводимости. В
соответствии с квантово-механическимиусловиями между валентной
зоной и зоной проводимости находится запрещеннаяэнергетическая
зона.
Проводник характеризуется частичным заполнениемзоны проводимости; в
изоляторе запрещенная энергетическая зона настолько широка(3 эВ и
более), что энергия валентных электронов недостаточна для их
перехода взону проводимости, поэтому в ней отсутствуют электроны
(рис. 1.3 б). Полупроводник занимает промежуточное положение
между проводником и изолятором. Внем ширина запрещенной зоны
настолько мала (доли электронвольта), что даже прикомнатной
температуре энергия некоторых валентных электронов достаточна для
ихперехода через запрещенную зону в зону проводимости
(рис. 1.3 в). Состояния,ранее занятые этими электронами,
называют дырками.
Под действием электрического или магнитного полейдырки могут
перемещаться аналогично электронам, но в
противоположномнаправлении. Следовательно, в чистом полупроводнике
переход электрона в зону проводимостисоздает электронно-дырочную
пару носителей заряда, повышающую проводимость.Этот вид
проводимости называют собственной проводимостью. Падающие
наполупроводник фотоны отдают свою энергию валентным электронам,
которыепереходят в зону проводимости и образуют электронно-дырочные
пары, изменяющиепроводимость полупроводника (явление фото
проводимости).
Пороговую длину волны л0, за которойэнергия фотона недостаточна дли
создания электронно-дырочной пары, называютдлинноволновой границей
и определяют следующим отношением: л0=1,24/Езапр.мкм, где Езапр. –
ширина запрещенной зоны, эВ.
Приемники излучения с собственной проводимостьюимеют ширину
запрещенной зоны при комнатной температуре Езапр. ≥0,18эВ, поэтому
для них л0
Если примесный атом имеет меньшее количествовалентных электронов
чем основной материал, то недостающие ковалентные
связиобеспечиваются соседними атомами; в результате этого возникают
дырки ввалентной области, которые становятся зарядоносителями и
образуют материалр-типа.
Примеси, приводящие к недостатку электронов,называют акцепторными,
так как они акцептируют (забирают) электроны изосновного
материала.
Если примесный атом имеет большее количествовалентных электронов,
чем основной материал, то он действует как донорэлектронов и в
результате образуется материал n-типа. Во всех
приемникахинфракрасного излучения используют материал р-типа.
Для получения приемника, чувствительного вдлинноволновой области,
выбирают материал с узкой запрещенной зоной. Но чем ужезапрещенная
зона, тем больше носителей, возбужденных не фотонами, а
термическимпутем. В первом приближении считают, что фоторезисторы,
чувствительные кизлучению с длиной волны до 3 мкм, не требуют
охлаждения; а диапазоне 3ч8 мкмнеобходимо умеренное охлаждение (до
77К), а для фоторезисторов, работающих вдиапазоне 8 ч14 мкм,
необходимо глубокое охлаждение (несколько кельвинов).
Фоторезистор подключают к источнику питанияпоследовательно с
нагрузочным резистором. При облучении чувствительной
площадкиизменяется ее электрическое сопротивление; паление
напряжения на нагрузочномрезисторе представляет собой рабочий
сигнал, который через емкостную связьподают в предусилитель.1.2
Особенности построения тепловизионных систем контроля
кризисныхситуаций1.2.1 Рабочий диапазон температур
Тепловизионныесистемы контроля кризисных ситуаций в мегаполисе
предназначены для наблюденияпанорамы городской застройки, при
колебаниях температуры окружающей среды впределах от -40 до +400С
(233ч3130К). При этом в зонекризисной ситуации температура, как
правило, не превышает температуруокружающей среды более чем на
2000С и не ниже ее более чем на 500С.При этом, в какой либо зоне,
колебания температуры могут быть и выше и нижеуказанных значений,
но для определения их чрезвычайного характера такого запасаболее
чем достаточно. Так, например, нагрев стены здания на 100Свыше
температуры окружающей среды уже дает повод для изучения ситуации в
этой точкепанорамы. Поэтому чувствительность канала к разнице
температур (температурныйконтраст) должна быть не хуже 50С, т.е. с
двукратным запасом напомехи, налагаемые атмосферой. По тем же
соображениям для обнаружения зон КСдостаточно погрешности измерения
температуры 50С.
Соответственнодиапазон рабочих температур для системы контроля
кризисных ситуаций в условияхмегаполиса от -50 до +2400С
(223ч5130К), максимальнаяспектральная плотность потока излучения
соответствует диапазону длин волн лмакс≈ от 13 до 5,6 мкм.1.2.2
Пространственное разрешение
Исходя изконфигурации АСДМ «Лидар», частью которой является СП-2,
диапазон дальности егодействия составляет 0,5ч12 км, этому же
требованию должна соответствоватьи ТепСКО. При этом тепловизионная
система наблюдает панораму городскойзастройки, на которой
необходимо выделять зоны или тела с аномальнойтемпературой, это
могут быть стены зданий, выбросы дыма и пара, а такжеоткрытое
пламя. Размеры таких объектов, как правило, не менее
20х20 м,однако могут сильно отличаться в начальной и конечной
стадии своего развития.Например, по мере разгорания пожара
увеличивается его площадь, а шлейфвыбрасываемого дыма может
значительно превышать по площади 50х50 м.
В условияхмегаполиса большинство удаленных строений перекрыты
городской застройкой,поэтому КС на дальности 8 – 12 км, в
большинстве случаев, возможнозарегистрировать только по выбросам
нагретых аэрозолей. Исходя из этого,системе, для уверенного
обнаружения КС, достаточно различать на расстоянии
12 кмобъекты размером 50х50 м, что соответствует
мгновенному полю зрения около 4мрад. Это позволит различать на
8 км объекты минимальным размером 25х25 м.
Поэтому втепловизионном канале СП-1 необходимо использовать
тепловизионную камеру с мгновеннымполем зрения 1.2.3 Особенности
городской атмосферы. Выбор спектрального окнаработы ИК-камеры
В современномгороде состояние атмосферы далеко от идеального как
для проживания человека,так и для функционирования тепловизионных
систем мониторинга КС\ЧС. Врезультате деятельности промышленных
предприятий воздушный бассейн загрязненразличными газами, также
характерны дымка, образование тумана, высокаявлажность. Когда
излучение проходит через большую толщу атмосферы, проявляютсяполосы
поглощения присутствующего в атмосфере водяного пара. Эта
составляющаяатмосферы в значительной мере определяет поглощение в
инфракрасной области. Издругих газов важнейшим является углекислый
газ, поглощающее действие которогослабее, чем паров воды.
Основные полосы поглощения водяного парарасположены на участках 2,6
мкм, между 5,5 и 7,5 мкм и за пределами 20 мкм; вэтих полосах
излучение поглощается практически полностью на длине трассы
100 ми более. Следует отметить очень важное для практических
примененийобстоятельство – существование определенного числа
прозрачных участков, оконпрозрачности, т.е. областей, внутри
которых поглощение очень слабое. Эти окнарасположены в следующих
интервалах длин волн 0,4ч1,0 мкм, 1,2ч1,3 мкм, 1,5ч1,8мкм, 2,1ч2,5
мкм, 3ч5 мкм, 8ч13 мкм.
Последнееокно (8ч13 мкм), в котором хотя и сохраняется слабое
поглощение, имеет оченьбольшое значение, поскольку оно
соответствует по длинам волн максимумутеплового излучения тел при
окружающей температуре. Окно 3ч5 мкм выгодноиспользовать для
обнаружения более нагретых тел или объектов, сильно излучающихв
этом диапазоне (например, в случае излучения полосы углекислого
газа –остатка практически всех продуктов сгорания).
/>
Рис. 1.4.Пропускание атмосферы на трассе 1,8 км, на
уровне моря при толщине слояосажденной воды 17 мм
Пропускание атмосферы зависит от длины трассы, атакже от
метеорологических условий. Измерения и расчеты спектрального
коэффициентаослабления излучения атмосферой позволяют определить
наиболее благоприятные дляпроведения измерений спектральные
области.
Если этотфактор довольно слабо действует на очень коротких
дистанциях, то этого уженельзя сказать для расстояний в несколько
сотен метров, на которых атмосфера нетолько поглощает часть
излучения, но и добавляет собственное излучение натрассе. В общем
случае очень влажная атмосфера оказывает большее влияние вдиапазоне
8ч12 мкм, тогда как аэрозоли и дымка особенно неблагоприятны
длядиапазона 3ч5 мкм. Необходимо также отметить очень сильное
поглощениеуглекислым газом в интервале длин волн 4,2ч4,4 мкм.
Если на коротких дистанциях, влияние пропусканияатмосферы мало (оно
очень хорошее в обоих диапазонах: и в 3ч5 мкм, и в 8ч12мкм), то на
больших дистанциях выигрывает диапазон 8ч12 мкм.
Мощностьиспускаемого объектом излучения после прохождения через
атмосферу, оптику ифильтры должна достигнуть приемника, имея
величину, превышающую величину шума. Следовательно,при низких
температурах на пороге обнаружения в канале 3ч5 мкм сигнал
болееблизок по величине к шумам. Отношение сигнала к шуму в этом
канале меньше, чемв канале 8ч12 мкм.
/>
Рис. 1.5 Спектральное пропускание атмосферы
Помимо пропускания атмосферы важным факторомявляется поверхностная
плотность (мощность) излучения самого наблюдаемогообъекта при
разных температурах в данных спектральных диапазонах.
Таблица 1.2. Поверхностная плотность потока вспектральных полосах
3,5–5,5 и 8–14 при разных температурах
ла
мкм
лb
мкм
Т=280К
[Вт/см2]
Т=290К
[Вт/см2]
Т=300К
[Вт/см2]
Т=310К
[Вт/см2]
Т=750К
[Вт/см2]
Т=1000К
[Вт/см2] 3.5 5,5
5,36∙10-4
7,73∙10-4
1,09∙10-3
1,50∙10-3
5,68∙10-1 2,38 8 14
1,26∙10-2
1,48∙10-2
1,74∙10-2
2,01∙10-2
3,34∙10-1 6,05
Как видно из таблицы 1.2 в диапазоне длин волн8ч14 мкм мощность
излучения, испускаемая слабо нагретыми телами, значительновыше, чем
в диапазоне 3,5ч5,5 мкм.
Указанныенедостатки диапазона 3ч5 мкм частично компенсируются
лучшей обнаружительнойспособностью. Это означает, что при
одинаковых площадях фоточувствительногоэлемента и одинаковых
электрических полосах пропускания приемники 3ч5 мкмчувствительны к
более слабым сигналам, чем приемники 8ч12 мкм.
Такженеобходимо учесть влияние теплового контраста,
характеризующегодифференциальную чувствительность измерений.
Кривые изменения теплового контраста для спектральных интервалов3ч
5 и 8ч14 мкм показывают, что для данного перепада температур ∆T=Т0
— Tf в окрестности определеннойокружающей температуры тепловые
контрасты изображения в интервале длин волн3,5ч5,5 мкм превосходят
тепловые контрасты в интервале длин волн 8ч14 мкм.
/>
Рис. 1.6 Тепловые контрасты спектральной Рис. 1.7
Тепловые контрастыспектральной области области ∆л=3,5ч5,5 мкм ∆л=8ч
14 мкмДля системы тепловизионного мониторинга КС возможно
использование какдиапазона 3ч5 мкм, так и диапазона 8ч12 мкм.
Диапазон 3ч5 мкм позволяетнаблюдать слабоконтрастные объекты, что
необходимо при ведении мониторинга,также помимо лучшего
температурного контраста, на этот диапазон приходитсямаксимум
спектра излучения факела пламени и большинства
строительныхматериалов. А диапазон 8ч12 мкм более выгоден на
длинных дистанциях исоответствует наблюдаемому диапазону
температур. Поэтому оптимальным решениемдля задач мониторинга
является использование двух диапазонов одновременно, чтопозволит
совместить их преимущества и сгладить недостатки. 1.3. Состояние
рынка тепловизионных камер1.4 Тепловизионные системы контроля
КС
На сегодняшний день в России не существует системтепловизионного
контроля КС за исключением ТепСКО СП-1 АСДМ «Лидар».Представленные
на рынке системы предназначены для охранной,поисково-спасательной
деятельности, медицинской диагностики, а также нуждпромышленности и
мало подходят для мониторинга КС.
В настоящее время в системе «АСДМ-Лидар» втепловизионном канале
СП-1 используется тепловизор «Скат». Поле зренияобъектива
тепловизора «Скат» равно 18х14 угл. град., причём
конструкциятепловизора позволяет использовать объективы с меньшим
полем зрения дляобеспечения надёжного обнаружения КС (на предельных
расстояниях),сопровождающихся тепловыми выбросами. Тепловизор
«Скат» работает в диапазоне 8¸13 мкм, имеет разрешение320х240
точек, не требует охлаждения жидким азотом. Интерфейс связи
скомпьютером RS-485. Для вывода изображения в телевизионном
стандартеиспользуется цифро-аналоговый преобразователь,
установленный между системнымблоком компьютера и его монитором.
Тепловизор установлен на опорно-поворотноеустройство, позволяющее
направлять его на нужный сектор панорамы. Поле зрениятепловизора
совпадает с полем визирующей камеры.
Система функционирует с 2007 г. по нынешнийдень и в ходе
реальной эксплуатации показала пригодность тепловизора «Скат»
длямониторинга КС. Частота кадров 25 Гц позволяет вести мониторинг
в реальномвремени.
ТепСКО СП-1 при хороших погодных условияхобеспечивает видимость до
12 км (Останкинская телебашня на рис. 1.8).Для СП-1
существуют два штатных тест-объекта: здание завода
«Фрезер»находящееся на расстоянии 800 м от поста и здание НИИ
«Орион» нарасстоянии 2 км. Тепловизионный канал СП-1 дает
возможность получатьконтрастное изображение дымов на фоне городской
застройки и неба.
/>
Рис. 1.8 Останкино, Скат. МДВ -13 км,температура -10С,
влажность 75%
/>
Рис. 1.9 Тест-объект «Орион», Скат. МДВ
-13 км,температура 110С, влажность 60%
/>/>/>/>/>
Рис. 1.10 Тест-объект «Фрезер», Скат. МДВ-14 км,
температура 130С, влажность 50%
/>
Рис. 1.11 Дым на фоне неба, Скат. МДВ -10 км,температура
-50С, влажность 83%1.5 Постановка задачи
Тепловизионнаясистема кругового обзора (ТепСКО) СП-1
Наименование параметра
Значение
Предельная дальность обнаружения АТВ, имеющих размеры не менее 50 х
50 м:
— при МДВ > 15 км, км — в тумане при МДВ
Диапазон рабочих ИК волн, мкм
Поле зрения тепловизионной камеры:
— по азимуту
-по углу места
Мгновенное поле зрения, мрад.
Диапазон углов наведения тепловизионной камеры (обеспечивается
приводами ОСН):
-по азимуту
-по углу места
Температурный контраст, 0С
Условия работы тепловизора:
-диапазон температур, 0С
-влажность, %
³ 10
уточняют при опытной эксплуатации СП-1
3ч5 или 8ч12
³ 10–110
³ 10–110
от 0 до ³ 3600
± 150
открытая атмосфера
-40 ч +40
до 100
Постановка задачи
Согласно техническому заданию разработатьтепловизионный канал
анализа КС/ЧС для стационарного поста СП-1 АСДМ «Лидар».
Тепловизионныйканал должен включать в себя:
– тепловизионнуюкамеру, имеющую окно спектральной
чувствительности в диапазоне 3ч5 мкм или 8ч12мкм;
– сканирующееустройство;
– персональныйкомпьютер на рабочем месте оператора со
специальным программным обеспечением.
При разработке необходимо учесть возможностьмодернизации системы с
заменой отдельных узлов или без таковой. А такжепроанализировать
возможность доработки системы до полностью автоматической.Т.е.
возможность ввода изображения в программу «Alarm» для
автоматическогораспознавания зон КС.
2. Разработка оптико-электронной схемы тепловизионного канала
В этой главепроизводится обоснованный выбор тепловизионной камеры,
а также разработкаоптико-электронной схемы канала на основе
выбранной камеры. Приведено описаниеприменяемых решений и
устройств.
тепловизионныйкамера мониторинг2.1 Тепловизионные системы контроля
КС
На сегодняшний день в России не существует системтепловизионного
контроля КС за исключением ТепСКО СП-1 АСДМ «Лидар»,
развитиемкоторой является разрабатываемый ТепСКО СП-2.
Представленные на рынке системыпредназначены для охранной,
поисково-спасательной деятельности, медицинскойдиагностики, а также
нужд промышленности и мало подходят для мониторинга КС.
Для тепловизионного канала СП-1 необходимовыбрать тепловизионную
камеру, удовлетворяющую поставленным условиям. На данныймомент
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 тепловизионномканале СП-1 является
тепловизор ИРТИС-2000, имеющий электромеханическуюразвёртку с
периодом обновления информации 1,5 сек., что
налагаетсущественные ограничения на быстродействие
автоматизированной системыобнаружения ЧС в ИК диапазоне. Поле
зрения объектива тепловизора ИРТИС-2000равно 20х20 угл. град.,
причём конструкция тепловизора не позволяет использоватьобъективы с
меньшим полем зрения для обеспечения надёжного обнаружения КС
(напредельных расстояниях), сопровождающихся тепловыми выбросами.
Тепловизор ИРТИС-2000работает в диапазоне 3¸5 мкм, имеет разрешение
256х256 точек, требуетохлаждения жидким азотом. Интерфейс связи с
компьютером RS-485. Для выводаизображения в телевизионном стандарте
используется цифро-аналоговыйпреобразователь, установленный между
системным блоком компьютера и егомонитором.
Тепловизор установлен на опорно-поворотноеустройство, позволяющее
направлять его на нужный сектор панорамы. Поле зрениятепловизора
совпадает с полем визирующей камеры. Для защиты от внешней
средытепловизионная камера установлена в гермобокс, в котором, за
счет обогрева ивентиляции, поддерживаются оптимальные для ее работы
климатические условия.
Система входе реальной эксплуатации показала пригодность
тепловизора ИРТИС-200 длямониторинга КС. Так времени формирования
кадра 1,5 с. оказалось вполнедостаточно для наблюдения за
реальными КС, одной заправки жидким азотом хватаетна срок до 6
часов непрерывной работы.
Тепловизор«ИРТИС-2000» представляет собой прецизионный
оптико-механический сканирующийинфракрасный прибор для визуализации
и измерения тепловых полей.
Принципработы «ИРТИС-2000» основан на сканировании излучения в поле
зрения камеры оптико-механическимсканером с одноэлементным
высокочувствительным ИК-приемником (рисунок 2.1). Приэтой схеме
разрешение 320х240 соответствует 240 строкам, в каждой из
которых,считывание сигнала с ИК-приемника производится 320 раз.
Сканирование повертикали обеспечивает зеркало 1, а по горизонтали
зеркало 2. Помимо этогозеркало 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 направой
стороне корпуса тепловизора, имеется регулировочная ручка (рисунок
2.2).
Входнойиллюминатор тепловизионной камеры изготовлен из тонкой
пленки прозрачной дляИК-излучения, однако имеющей низкую
устойчивость к механическим воздействиям.
Втепловизионной камере установлен фотоприемник из антимонида индия
(InSb) с максимумомспектральной чувствительности в диапазоне длин
волн 3ч5 мкм, который для работытребует охлаждения до 720К.
Охлаждение обеспечивается заливкой жидкогоазота в криостат, к
которому и прикреплен фотоприемник. Согласно даннымпроизводителя
одной заливки криостата жидким азотом хватает более чем на 5часов
работы.
/>
Рис. 2.1Схема работы тепловизора «ИРТИС-2000»
/>
Рис. 2.2Общий вид тепловизора «Иртис» в процессе установки в
гермобокс
Аналоговыйсигнал от поступающий от ИК-приемника, а также задающие
импульсы от зеркал, мультиплексируютсяи преобразуется АЦП в
цифровой сигнал. Далее сигнал передается сетевымконтроллером на
компьютер, где программа «ScanIR» формирует на экраневидео
изображение, соответствующее тепловому полю в фокальной
плоскостиобъектива. Тепловизор «Иртис-2000» использует для связи с
компьютером интерфейсEthernet 10BST, аналоговых
видеовыходовтепловизор не имеет. Тепловизионную камеру подключают к
компьютеру стандартнымсетевым кабелем UTP 5kat. Соответственно
обязательное требование к компьютеру для работы скамерой – наличие
сетевой карты поддерживающей данный интерфейс.
Стандартнотепловизор «Иртис-2000» питается от литиевого
аккумулятора, унифицированного сбытовыми видеокамерами, напряжением
6 вольт. Для подключеня аккумулятора назадней стенке камеры
находится специальное крепление.
/>
Рис. 2.3Ручка фокусировки
Программа «ScanIR» производит обработкуполученного от
тепловизионной камеры цифрового сигнала и производит
еговизуализацию на мониторе компьютера. Помимо этого она содержит
программныйдрайвер для установки соединения с камерой и управления
скоростью сканирования(формирования кадра). «ScanIR» позволяет
изменять параметры визуализацииотображаемого тепловизионного
изображения, для улучшения его информативности.
Весь наборфункций «Иртис-2000» заложен в его
программно-математическом обеспечении.Функциональная схема
канала
Для защиты отвоздействий внешней среды тепловизионная камера
«ИРТИС-2000» должна бытьпомещена гермобокс. Возможность
сканирования различных секторов панорамыобеспечивается установкой
гермобокса с тепловизором внутри на опорнуюповоротную площадку ОСН
СП-1. Питание, 6 вольт постоянного тока, тепловизионной
камерыобеспечивает блок установленный на СП-1 в составе блока
питания СП-1. Дляподвода питания к камере используется переходник,
изготовленный из аккумулятораот бытовой видеокамеры. Управление
питанием тепловизионной камерыосуществляется с ПЭВМ ВУК СП-1.
Тепловизионнаякамера соединена с процессорным блоком тепловизора
посредством сетевого кабеля UTP kat.5, в котором установленасетевая
карта, поддерживающая интерфейс Ethernet 10BST.
Для связи степловизором и обработки поступающей от него информации
в процессорный блокустановлено ПМО входящие в комплект «ИРТИС-2000»
– программа «ScanIR». Эта программаобеспечивает визуализацию и
запись тепловизионных кадров.
Для вводатепловизионного изображения в программу «Alarm» необходим
аналоговыйсигнал 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
аналоговыхвидеовходов и осуществляющая в режиме обнаружения КС
последовательноепереключение между ними (мультиплексирование).
Сигнал с карты FS5 поступает начерно-белую карту RT-822, которая
производит его оцифровку и передачу в программу «Alarm». Карта FS5
не имеет цифровоговхода.
Вывод тепловизионногоизображения в PAL формате для отображения на
TV мониторе, а также вводав программу «Alarm» для автоматического
обнаружения КС, производится с видеокарты «ASUS V9520»
установленной впроцессорный блок тепловизора и оборудованной
специальным видеовыходом. Выборвидеокарты «ASUS V9520» обусловлен
высоким быстродействием примененного процессорафирмы Nvidia и
высоким качеством цифро-аналогового преобразователя.
Чтообеспечивает минимальные потери в качестве получаемого TV
сигнала.
Программа «ScanIR» была доработанапроизводителем для отображения
только тепловизионного изображения без полейнастройки и шкалы
температур.
Функциональнаясхема тепловизионного канала СП-1 представленна на
рисунке 2.4.
/>
Рис. 2.4Функциональная схема тепловизионного канала СП-1
Поле зрениятепловизионной камеры совпадает с полем зрения
визирующей камеры СП-1 (присоответствующей установке трансфокатора
последней), что облегчает наведение назаданный 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
относительносистемы приводов.
Гермобокстепловизионной камеры представляет собой изолированную
камеру с иллюминатором,из тонкого пленочного материала, прозрачного
для ИК-волн в диапазоне 3ч5 мкм. Вгермобоксе для поддержания
микроклимата находится система климат-контролявключающая:
температурный датчик, осушитель, вентилятор продувки
внутреннегопространства, а также нагревательный элемент.
Регулировка микроклиматапроизводится автоматически, в результате
чего внутри объема поддерживаютсятемпература и влажность,
предусмотренные режимом нормального функционированиятепловизионной
камеры, в соответствии с паспортом тепловизора.
Конструкциягермобокса обеспечивает подвод питания и интерфейсного
кабеля к тепловизионнойкамере без нарушения
герметичности.Программно-математическое обеспечение
«ИРТИС-2000»
Программныйпакет IRTIS разработан для эффективного функционирования
системы в полевых илабораторных условиях.
Включенный встандартный комплект поставки прибора и являющийся
неотъемлемой частьютепловизионной камеры «ИРТИС-2000» программный
пакет обеспечивает отображение,анализ, обработку, просмотр и
распечатку кадров. Основная программа пакета – ScanIR, также в
пакет входитпрограмма для обработки термограмм, построения
термопрофилей и облегченияподготовки термографических отчетов –
IRPreview. Пакет разработан для ОС Windows 95/98/NT/2000/XP.
По желаниюпользователя разработчиками ПМО к программам могут быть
добавленыдополнительные функции, необходимые для более эффективного
функционированиясистемы в соответствии с конкретным ее
применением.
Программныйпакет позволяет записывать динамический термографический
фильм, измерятьабсолютное значение температуры в любой точке или
области термоизображения,конвертировать термограммы и данные,
полученные в ходе обработки в стандартныеформаты для последующего
использования в другом ПО.
ПМОтепловизора «ИРТИС-2000» поддерживает большой набор сервисных
функций, такихкак:
– выводмаксимальной, минимальной и средней температур в поле
кадра;
– остановкакадра для предварительного анализа;
– записьдинамического термографического фильма;
– записьотдельных термограмм;
– измерениетемператур;
– автонастройкадинамического диапазона;
– выборразличных палитр и изотерм;
– покадровоесуммирование;
– сглаживание(smoothing);
– увеличениерезкости (sharpening);
– контрастирование(contrasting);
– кадрирование(cutting);
– вращение(rotation);
– цветоваякоррекция (color correction);
– конвертированиев формат PCX и BMP.
Программа «ScanIR» необходима дляфункционирования тепловизора
«Иртис-2000», без нее невозможна визуализацияпередаваемого
тепловизионной камерой изображения. «ScanIR» включает в
себяпрограмный драйвер тепловизионной камеры и набор инструментов
для измененияпараметров визуализации изображения.
Для установки«ScanIR» необходимо скопироватьпапку с программой и
дополнительными файлами с компакт-диска прилагаемого ктепловизору
на жесткий диск компьютера. Для запуска программы
необходимозапустить ScanIR.exe.
Минимальные требования к компьютеру:
– компьютер– Pentium – 200 MMX;
– жесткийдиск – HDD 2 Gb;
– оперативнаяпамять – 64 Mb;
– операционнаясистема – Windows 95/98/2000/XP.
Для установкисоединения между тепловизором и компьютером необходимо
провести настройкусетевой карты. Нужно в свойствах протокола TCP/IP
указать:
– IP-адрес: 192.168.0.1(последнее значение может варьироваться
от 1 до 255 кроме 32);
– маскуподсети: 255.255.255.0;
– подтвердитьуказанные изменения;
– перезагрузитькомпьютер.
– запустить«ScanIR».
– установитьсоединение нажав F5.
В программе «ScanIR» широко используются«горячие» клавиши, с их
помощью достигается необходимая оперативность доступа кфункциям,
заложенным в программе.
«ScanIR» поддерживает 8 палитрпсевдоцвета переключение, между
которыми осуществляется прямо во времясканирования, а также
возможно и с уже сохраненным кадром. Также существуетрежим инверсии
палитры включаемый нажатием клавиши 9.
Нажатиемклавиши F1включается режим «только тепловизионное
изображение», используемый при вводеизображения в программу
«Alarm».
Для улучшенияинформативности кадров возможны следующие
действия:
– изменениедиапазона отображаемых температур;
– автоподстройкадиапазона отображаемых температур под каждый
кадр (F8);
– сдвигпалитры относительно шкалы температур;
– оконтуриваниеизображений (нажатием сочетания клавиш
Alt+F3);
– сглаживаниеизображения (F3);
– нерезкоемаскирование (F4);
– изменениескорости сканирования (Alt+1,2,3,0)
Программадает возможность записать последовательность
тепловизионных кадров в видефильма (Alt+F),что позволяет
отслеживать динамику развития событий при КС.2.3 Тепловизор
«Скат»Описание работы и функции тепловизора «Скат»
Тепловизор«Скат» представляет собой оптический инфракрасный прибор,
предназначенный дляобнаружения и визуализации тепловых полей.
Приёмниктеплового излучения в тепловизоре представляет собой
неохлаждаемуюмикроболометрическую матрицу на основе пироэлектрика.
Пироэлектрики (от греч.pyr – огонь) – кристаллические диэлектрики,
обладающие спонтанной(самопроизвольной) поляризацией, то есть
поляризацией в отсутствии внешнихвоздействий. Обычно спонтанная
поляризация пироэлектриков не заметна, так какэлектрическое поле,
создаваемое ею, компенсируется полем свободныхэлектрических
зарядов, которые «натекают» на поверхность из его объёма и
изокружающего воздуха. При изменении температуры величина
спонтанной поляризацииизменяется, что вызывает появление
электрического поля, которое можнонаблюдать, пока свободные заряды
не успеют его скомпенсировать. Это явлениеназывается
пироэлектрическим эффектом или пироэлектричеством.
Типичныепредставители пироэлектриков: турмалин, триглицинсульфит,
титанат бария,титанат свинца, сегнетоэлектрические цирконаты
свинца, сополимерывинилиденфторида (PVDF), моногидрат сульфат
лития.
Действиепироэлектрика в тепловизоре основано на регистрации
электрических сигналов,возникающих в кристалле при изменении его
температуры под действием излучения.
Приёмникизлучения имеет максимум спектральной чувствительности в
диапазоне длин волн 8ч13 мкм. Подобныемикроболометрические матрицы
очень перспективны, поскольку являютсянеохлаждаемыми и не требуют
заливки жидкого азота.
Объективтепловизора с фокусным расстоянием F=50 мм изготовлен
из германия, материала,прозрачного для теплового излучения в
диапазоне 8ч13 мкм.
Тепловизор«Скат» имеет класс защиты корпуса от внешних воздействий
IP65, что характеризует егокак прибор с пыленепроницаемой
конструкцией, защищённой от попадания водяныхструй. Таким образом,
тепловизор является всепогодным.
Тепловизоримеет высокостабильную электронную развёртку («жесткий
растр»), частотукадровой развёртки 25 Гц, что обеспечивает быстрое
обновление тепловойинформации, а, следовательно, и высокое
быстродействие тепловизионной системыобнаружения аномальных
тепловых выбросов. Отсутствие электромеханической системыразвёртки
и необходимости охлаждения приёмной матрицы обеспечивает
высокуюнадёжность ибольшой (не менее 10 000 часов)срок службы, что
делает тепловизор «Скат» идеальным для использования в
системемониторинга.
Помимо этогоосновного преимущества, «Скат» имеет большое количество
сервисных возможностей,таких как: автоматическая коррекция
температурного диапазона, высокуютемпературную чувствительность,
высокую скорость обработки тепловой информации.Имеется возможность
вывода информации как на аналоговый телевизионный монитор,так и
ввода информации в ПК по высокоскоростной цифровой линии
передачи.
Общий видтепловизора «Скат» и вид установленного на ОСН тепловизора
показаны на рисунках2.6 и 2.7 соответственно.
/>
Рис. 2.7.Общий вид тепловизора «Скат»
/>
Рис. 2.8.Тепловизор «Скат», установленный на ОСН СП-1 вместе с
визирующей камерой Программно-математическое обеспечение
ПМО,применяемое для обработки информации с тепловизора «Скат»,
отличается от ПМОдля тепловизора «ИРТИС». Дело в том, что
термограммы, полученные термографом«ИРТИС» и обрабатываемые
программой ScanIR, изначально несут в себе информацию отемпературе
наблюдаемого объекта, и программа может измерять значениеабсолютной
температуры при обработке термограмм. К тому же
визуализациятепловизионного изображения с «ИРТИС» невозможна без
самой программы ScanIR.
Тепловизионныеизображения «Ската» снимаются непосредственно в
программе «Alarm», выходной форматизображения – .jpeg. Данный
формат не несёт в себе информации о температуре объекта,но
получающиеся чёрно-белые изображения являются визуализацией
интенсивноститеплового излучения наблюдаемого объекта.
Для обработкиинформации тепловизионных изображений с тепловизора
«Скат» на СП-1 используетсяпрограмма MIM Visualizer 1.0. Программа
поддерживает большой набор сервисных функций:
– просмотризображений форматов.bmp и.jpg;
– построениесечений (профилей интенсивности) изображения по
вертикали, горизонтали и влюбом направлении в пределах кадра;
– выводраспределения интенсивности в трёхмерном виде;
– настройкашкалы интенсивности изображения;
– построениегистограммы изображения;
– просмотризображения в чёрно-белой и цветной палитрах;
– настройкарезкости и размытия изображения;
– операциисложения и вычитания между несколькими
изображениями;
– инвертированиеизображения.
– измерениерасстояния между двумя точками (в пикселях)Описание
программы MIM Visualizer
Для установкипрограммы MIM Visualizer необходимо скопировать папку
с программой на жёсткий дисккомпьютера. Длязапуска программы
необходимо запустить файл mimvis.exe. При появлении сообщенияо
необходимости ввода серийного номера программы нужно открыть файл
serial.txt, находящийся в папке спрограммой, и скопировать серийный
номер.
MIM Visualizer отображает интенсивностьтепловизионного изображения
и включает в себя набор инструментов для измененияпараметров
визуализации изображения.
MIM Visualizer поддерживает две палитрыпсевдоцвета – в градациях
серого и многоцветная, переключение между которымиосуществляется с
уже сохранённым кадром.
Основное окнопрограммы MIM Visualizer представлено на
рис. 2.8.
Панельуправления подробно представлена на рис. 2.9.
/>
Рис. 2.9.Основное окно программы MIM Visualizer (включена
многоцветная палитра)
/>
Рис. 2.10.Панель управления
1. Многоцветноеотображение.
2. Отображениев градациях серого.
3. Трёхмернаямодель изображения.
4. Выделениеколонки (сечение по вертикали).
5. Выделениегоризонтальной линии.
6. Выделениепроизвольного сечения.
7. Измерениерасстояния между двумя точками (в пикселях).
8. Выделениеобласти.
9. Инвертироватьтекущее изображение.
10. Повернутьтекущее изображение на 180 градусов.
11. Повернутьтекущее изображение на 90 градусов по часовой
стрелке.
12. Повернутьтекущее изображение на 90 градусов против часовой
стрелки.
13. Повернутьтекущее изображение на произвольный угол.
14. Зеркальноотобразить текущее изображение по
горизонтали.
15. Зеркальноотобразить текущее изображение по вертикали.
16. Повыситьрезкость в выделенной области или на всём
изображении.
17. Применитьразмытие к выделенной области или на всём
изображении.
18.Построение гистограммы для выделенной области или на всём
изображении.
Примертепловизионного изображения и построения его термопрофиля
(сечения) с помощьюпрограммы MIM Visualizer показан на
рис. 2.11:
/>
Рис. 2.11.Тепловизионное изображение штатного тест-объекта
СП-1 (ТЭЦ-8) и термопрофиля,полученного проведением сечения по
горизонтали. Включена палитра градацийсерого
Следуетотметить, что в программе имеется некоторое количество
других функций, которыене имеют практического значения при
обработке тепловизионных изображений«Ската». Но одна из функций
имеет большое значение. Эта функция позволяетвычитать одно
изображение из другого и в результате выводить
тепловизионнуюкартинку, представляющую собой разницу между
изначальными двумя изображениями.Разница выражается в изменении
интенсивности температурной картинки с течениемвремени и позволяет
наблюдать за изменением температуры наблюдаемого объекта.
На рисунке2.12 представлены две термограммы, которые предполагается
вычесть друг из другадля выявления температурной разницы между
ними. На термограммах изображёнштатный тест-объект СП-1 ТЭЦ-11.
Термограммы сняты с интервалом в 15 секунд.
/>
/>
Рис. 2.12.Примеры термограмм для обработки в программе MIM
Visualizer.
Для операциивычитания в программе должны быть открыты два
изображения. Активным должно бытьокошко с тем изображением, из
которого предполагается вычесть второеизображение
(рис. 2.13):
/>
Рис. 2.13.Вид основного окна MIM Visualizer с открытыми
термограммами
Далеенеобходимо выполнить команду меню Изображение / Операции /
Вычесть… Иликликнуть на активном изображении правой кнопкой мыши,
далее команды Операции /Вычесть… Появится окошко следующего вида
(рис. 2.14):
/>
Рис. 2.15.Окошко вычитания изображений
Под графой«Изображение» отображается список изображений, которые
предполагается вычестьиз исходного. Поскольку изображение в списке
только одно, жмём OK.
Получаетсятепловизионное изображение, являющееся разницей в
распределении температурмежду двумя изображениями
(рис. 2.16):
/>
Рис. 2.16.Результат применения функции «Вычитание»
Полученноеизображение показывает, что окружающие объекты не
поменяли температурнойинтенсивности, но заметна разница в
отображении поднимающихся тепловых потоковиз труб ТЭЦ-11. При
обработке термограмм, снятых с большим интервалом времени(около
часа или двух), результат вычитания будет более заметен, в том
числе ина окружающих зданиях, поскольку температурная интенсивность
за более долгоевремя может измениться.2.4 Сравнительный анализ
тепловизоров «ИРТИС» и «Скат»
Был проведёнсравнительный анализ двух тепловизоров – «ИРТИС» и
«Скат», проанализированы ихсвойства, функции, принципы работы. В
ходе экспериментов были выявлены явныепреимущества и недостатки
каждого прибора.
«ИРТИС-2000»работает в диапазоне 3ч5 мкм, что позволяет наблюдать
слабоконтрастные объекты,и на этот диапазон приходится максимум
спектра излучения факелов пламени. ПМО ктепловизору позволяет
измерять значения абсолютной температуры, строитьтермопрофили
выбранной области термограммы, конвертировать термограммы вформаты,
пригодные для обработки в другом ПО. Кроме того, данный
термографявляется полностью Российской разработкой.
Изнедостатков тепловизора ИРТИС наиболее существенными оказались
необходимостьпостоянной заливки жидкого азота для охлаждения
приёмника излучения иограничение непрерывной работы тепловизора.
Время формирования кадра 1,5 с, чтоналагает существенные
ограничения на непрерывный мониторинг. Тепловизор длязащиты от
внешних воздействий (улица) необходимо устанавливать в
специальноизготовленный термобокс. Эксперимент с тепловизором
проводился около года,данные недостатки показали, что «ИРТИС-2000»
не вполне пригоден длянепрерывного круглосуточного мониторинга КС.
Дальнейшие эксперименты с ним непроводились.
Преимуществатепловизора «Скат»: неохлаждаемая микроболометрическая
матрица не требуетзаливки жидким азотом; частота развёртки кадров
25 Гц обеспечивает болеевысокое быстродействие тепловизионного
канала; высокая надёжность и времянепрерывной работы более 10000
часов. Диапазон 8ч13 мкм выигрывает на большихдистанциях, поскольку
отношение сигнала к шуму в изображениях слабо нагретыхтел выше, чем
при диапазоне 3ч5 мкм. Программа MIM Visualizer, которой
обрабатываютсятермограммы «Ската», имеет множество полезных
функций, таких как наличие двухпалитр отображения термограмм,
отображение интенсивности температурной картинына теплоизображении;
построение термопрофиля (сечения) изображения любой длиныи
направления в пределах кадра; функция вычитания одного кадра из
другого, чтопозволяет наблюдать изменение температурной
интенсивности с течением времени.
Изнедостатков тепловизора «Скат» можно выделить посредственное
качествотермограмм при чересчур влажной атмосфере; при одинаковых
площадяхфоточувствительного элемента и одинаковых электрических
полосах пропускания приемники3ч5 мкм чувствительны к более слабым
сигналам, чем приемники 8ч12 мкм. Такжеследует выделить тёмный
ореол вокруг сильно нагретых объектов, возникающийиз-за неточной
настройки апертурной диафрагмы тепловизора.
В ходеэкспериментальной эксплуатации тепловизор «Скат» показал себя
с очень хорошейстороны. Стабильная работа, высокая частота кадров,
защищённость прибора отдождя и ветра показали отличную пригодность
«Ската» для круглосуточногомониторинга КС. Дальнейшие эксперименты
на СП-1 проводились с тепловизором«Скат».
3. Экспериментальная отработка возможностей тепловизора «Скат»
В даннойглаве приводятся результаты экспериментальной отработки
возможностейтепловизора «Скат» с помощью программы построения
интенсивности тепловогоизображения MIM Visualizer. Приводятся
примеры построения термопрофилей изображений сцелью демонстрации
возможностей тепловизора и программы MIM Visualizer. Приводятся
примерытермограмм различных объектов, интересных с точки зрения
мониторинга ипоставленных задач, таких как: обнаружение аномально
нагретых объектов итепловых вулканов, обнаружение очагов
возгорания, которых не видно невооружённымглазом, наблюдение
теплового контраста изображений при различнойметеорологической
дальности видимости (МДВ), обнаружение очагов возгорания ипожаров
(КС, ЧС).3.1 Построение и анализ термопрофилей изображения
Термопрофильизображения позволяет получить картинку интенсивности
теплового излучениянаблюдаемого объекта. Также он позволяет
проанализировать тепловизионноеизображение на предмет шумов и
слабоконтрастных областей, могущих бытьинтересными.
На рисунках3.1 и 3.2 представлены термограммы, на которых изображён
штатный тест-объект СП-1– здание завода «Фрезер» и проведённые
через его изображение сечения погоризонтали и вертикали. Это здание
играет для СП-1 роль натуральнойтепловизионной миры, по которой
определяется разрешающая способностьтепловизора. Судя по полученным
изображениям термопрофилей, тепловизор всостоянии различить сетку
окон здания и построить её контрастную картину.
Натермограммах обозначены начало (1) и конец (2) линии сечения. На
термопрофиляхлиния сечения по умолчанию идёт только слева направо.
Далее по тексту третьейглавы сохраняются такие же настройки
программы.
/>
Рис. 3.1.Термограмма «Фрезера» и термопрофиль, проведённый
На рисунке3.3 представлена термограмма с изображением ещё одного
штатного тест-объекта –ТЭЦ-11 с проведённым сечением через всё
изображение по горизонтали. Окошкотермопрофиля растянуто в
соответствии с изображением. Согласно полученнойкартинке, программа
отлично распознаёт контрастные профили труб (два высокихпика в
центре термопрофиля), а также менее контрастные профили
тепловыхпотоков, поднимающихся из труб (1 и 2).
Сечение 2проведено через участок неба, близкий к горизонту, при
этом оно затрагивает слабоконтрастныйшлейф от трубы котельной,
расположенной от СП-1 примерно в 5 км. Натермопрофиле 2 виден
ясно отчётливый пик, образованный большей
температурнойинтенсивностью этого шлейфа. Пик обозначен на
термопрофиле буквой S. Программа позволяетобнаруживать на
термограммах слабоконтрастные объекты.
3.2 Обнаружениеаномально нагретых объектов
Обнаружениеаномально нагретых объектов – одна из основных задач
мониторинга СП-1 системыАСДМ «Лидар». Аномально нагретые объекты
характеризуются высоким температурнымконтрастом на термограмме по
отношению к окружающим объектам. Данныетермограммы позволяют судить
о некой нештатной ситуации на объекте наблюдения.В ряде случаев
анализ изображений сразу после съёмки позволяет судить об
аномальномтепловом выбросе или о начинающемся пожаре.
В этой частиглавы представлены серии из изображений визирующей
телевизионной камеры итепловизора «Скат» в одинаковом ракурсе.
Изображения сняты с интервалом внесколько секунд, чтобы изображения
как можно более соответствовали друг другу.
Натепловизионной картинке видны сильно нагретые трансформаторы на
крышеэлектропоезда, а также нагретые от трения колёсные пары
вагонов. По даннойкартинке можно судить, что электропоезд находится
в движении достаточно долгоевремя. Если поезд совсем недавно вышел
из депо, колёсные пары не успеваютдостаточно нагреться, и на
тепловизоре их контрастного изображения видно небудет.
На территориирасположен небольшой бункер, где практически постоянно
сжигают мусор. На изображениион обведён белым прямоугольником.
Натепловизионном изображении, снятом секундой позже в том же
ракурсе, на местебункера видно резко контрастирующее с окружающими
предметами яркое пятно,обозначающее источник сильного нагрева.
Благодаря таким изображениям, можно свысокой степенью достоверности
обнаруживать источники открытого огня.
Темный ореолвокруг сильно нагретого источника обусловлен неточной
настройкой апертурнойдиафрагмы тепловизора; в идеале тёмного ореола
не должно быть вообще, а остальнаякартинка по сравнению с нагретым
участком должна несколько бледнеть, чтобыскомпенсировать
распределение интенсивности.
Натермопрофиле отчетливо виден пик интенсивности, приходящийся на
наиболеенагретую область изображения. При анализе подобных
изображений нужно преждевсего обращать внимание на максимумы
интенсивности температуры натермопрофилях.
/>
Рис. 3.9.Термопрофиль изображения 3.8. Виден максимум
интенсивности3.3 Обнаружение «тепловых вулканов»
«Тепловымивулканами» называют ярко выраженные выбросы тепла, хорошо
регистрируемыеприёмниками теплового излучения. Такие выбросы тепла
могут свидетельствовать оналичии возгорания или аварийного выброса
на предприятиях, когда источник невиден, но видны тепловые потоки,
поднимающиеся над объектом наблюдения.
На рис. 3.10изображено близлежащее здание, снятое
телевизионной камерой. На рис. 3.11изображение того же здания,
снятое тепловизором. На тепловизионной картинкеявно заметны выбросы
тепла, вырывающегося из здания. Это связано с тем, что напоследних
двух этажах кое-где открыты нижние фрамуги окон (1), и заметен
выбростепла из технической шахты (2). В ряде случаев такие выбросы
предшествуютвозгораниям, поэтому необходимо вести за ними
пристальное наблюдение.
Заключение
Разработанныйв данной дипломной работе тепловизионный канал СП-1
АСДМ «Лидар» представляетсобой современный технический продукт,
полностью отвечающий задачам мониторингаКС.
В ходе работынад дипломным проектом были проведены эксперименты, в
ходе которых выявленыявные преимущества и недостатки каждого
тепловизора. Сопоставив их, былавыбрана тепловизионная камера
«Скат», удовлетворяющая условиям всех задачмониторинга. Высокая
надежность, длительное время непрерывной работы,всепогодность,
возможность снимать контрастные тепловые изображения днём иночью
при различной МДВ, делают тепловизор «Скат» незаменимым
инструментоммониторинга. Программа MIM Visualizer позволяет строить
сечения тепловых изображений«Ската» с целью визуализации профилей
интенсивности теплового излучения отнаблюдаемого объекта.
Сочетаниевыбранного тепловизора и описанного программного
обеспечения гарантирует надежную и безотказнуюработу
тепловизионного канала в течение всего срока службы.
Также вданной дипломной работе проведены организация и планирование
работ по теме,составлена смета затрат на тему, дана экономическая
оценка результатовпроведённой работы.
В ходе работнад дипломным проектом спроектированы оптимальные
условия трудаинженера-разработчика.
Список использованной литературы
1. Ж. Госсорг.Инфракрасная термография. Основы, техника,
применение. Москва, «Мир» 1988 г.
2. Л.З. Криксунов.Справочник по основам инфракрасной техники.
Москва, «Советское радио» 1978 г.
3. В.П. Вавилов, А.Н. Александров.Инфракрасная
термографическая диагностика в строительстве и энергетике.
Москва,НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик» 2003 г.
4. Методические указанияпо Организационно-экономической части
дипломных проектов. 1990 г.
5. Методические указанияпо дипломному проектированию раздела Охрана
труда и окружающей среды. 1980 г.
6. B.C. Розанов, А.В. Рязанов.Безопасность жизнедеятельности.
1994 г.
7. ГОСТ 12.2.032–78 ССБТ,СанПиН 2.2.2.542–96.