ТЕМА 4: Тепловизионные приборы ТЕМА 4: Тепловизионные приборы ЛЕКЦИЯ 4 СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ кафедра радиоэлектроники

Учебные вопросы: 1.Общие положения. 2. Построение аппаратуры. 3. Общие сведения о тепловизорах.

Тепловизионные приборы используют принцип преобразования собственного теплового излучения местности и целей (тепловой картины) в изображение, наблюдаемое человеческим глазом, в том числе в условиях тумана, дождя, снегопада и искусственных помех - задымления и применения маскирующих аэрозольных образований днем и ночью.

Факторы, определяющие создание тепловизионной аппаратуры 1.Опыты боевого применения пассивных ПНВ показали, что эти приборы не сохраняют дальность наблюдения в плохую погоду и, обладая высокой чувствительностью, теряют видимость при попадании в поле зрения ярких источников света: факелов осветительных и сигнальных ракет, вспышек выстрелов, прожекторов и фар видимого и ИК-излучения. 2.Невозможность применения ПНВ в боевых действиях в закрытых помещениях, глубоких траншеях, подземных коммуникациях городов, ущельях, где уровень освещенности крайне недостаточен или отсутствует вообще. 3.Диапазон работы ПНВ охватывает небольшой участок спектра электромагнитного излучения - от видимого до ближнего ИК (тепловидение занимает значительный диапазон в средней и дальней областях ИК-спектра с длинами волн 3-5 и 8-14 мкм). 4.Пассивные ПНВ работают на принципе многократного усиления слабого света, испускаемого звездами как в видимой, так и в ближней ИК-области до длины волны 0,9 мкм (тепловидения использует совершенно иной источник информации, недоступный невооруженному глазу человека, - собственное излучение нагретых тел, не зависящее от уровня освещенности и времени суток). Характеристики пропускания атмосферы (темп.+15º, влажн. 40%).

Принцип работы тепловизионных приборов основан на наблюдении всех тел и предметов в спектре их собственного излучения в области длин волн, соответствующих рабочему диапазону этих приборов. Излучение тепловой энергии присуще всем без исключения телам на земле и в космосе, температура которых отличается от абсолютного нуля по шкале Кельвина (273°С). Идеальным теплоизлучающим телом в физике называют черное тело, полностью поглощающее падающее на него излучение независимо от спектра излучения. Характеристикой абсолютно черного тела является его спектральная плотность излучения, измеряемая в Вт (см 2 ·мкм). Реальные тела, существующие в природе и изготовленные человеком, излучают энергию с коэффициентом меньше единицы, отчего получили название серых в отличие от черного тела, коэффициент излучения которого принят за единицу.

Величина энергии, излучаемой любым телом, связана с температурой этого тела зависимостью, установленной законом Стефана- Больцмана, согласно которому суммарное излучение идеального тела где σ = 5,735· Вт·см -2 ·град -4, откуда следует, что энергия, излучаемая телом, пропорциональна четвертой степени его температуры R=σ(T 1 4 –T 2 4 ),

Графическое представление изотерм, вычисленных по формуле Планка для нагретых тел (пунктирная кривая относится к температуре излучения нагретых тел с максимумом в области 8-14 мкм) Оценивая выбранные для построения тепловизионной аппаратуры длины волн 3-5 и 8-14 мкм, по изотермам Планка видно, что эти диапазоны отвечают максимумам излучения тел, температура которых представляет интерес для разведки целей: слабонагретых (живые цели и технические средства) с температурой около 300 К и сильнонагретых - около 1000 К. Вывод: Диапазон действия тепловизионной аппаратуры по спектральному поглощению атмосферой излучения объектов наблюдения является более благоприятным, чем диапазон ПНВ, где пропускание атмосферы составляет около 60%, в результате чего дальность наблюдения в ПНВ в тумане резко сокращается, не говоря уже о наблюдении в дождь или в снегопад. Аналогичное действие на видимость в ПНВ оказывает задымление, так как размеры частиц дыма значительно превосходят длину волны фотокатодов ЭОП ПНВ. В этом отношении тепловизионные приборы менее уязвимы, чем и определяется их большая дальность действия, так как частицы тумана и дымов меньше рабочей длины волны тепловизионных приборов.

Вывод: Диапазон действия тепловизионной аппаратуры по спектральному поглощению атмосферой излучения объектов наблюдения является более благоприятным, чем диапазон ПНВ, где пропускание атмосферы составляет около 60%, в результате чего дальность наблюдения в ПНВ в тумане резко сокращается, не говоря уже о наблюдении в дождь или в снегопад. Аналогичное действие на видимость в ПНВ оказывает задымление, так как размеры частиц дыма значительно превосходят длину волны фотокатодов ЭОП ПНВ. В этом отношении тепловизионные приборы менее уязвимы, чем и определяется их большая дальность действия, так как частицы тумана и дымов меньше рабочей длины волны тепловизионных приборов.

Положительные качества тепловизионной аппаратуры по сравнению с пассивными приборами ночного видения -полная независимость от освещенности как днем, так и ночью; -абсолютно пассивный принцип работы, исключающий возможность обнаружения аппаратуры по признакам демаскировки, а также путем наблюдения в ПНВ или с помощью РЛС; -значительная дальность действия, обеспечивающая наблюдение тактических целей по их собственному излучению в условиях маскировки в редком кустарнике или масксетями, а также в туман и при использовании обычных средств маскировки; -безотказная работа в условиях слепящих засветок интенсивными источниками света, включая осветительные средства всех видов; -возможность обнаружения следов транспортных и боевых машин на местности; - возможность определения тактических ситуаций (засад).

Теплопеленгация – предшественник тепловидения (предназначенна для обнаружения теплоизлучающих целей: самолетов, надводных кораблей и танков) Основным элементом теплопеленгационной аппаратуры являлся чувствительный приемник, регистрирующий тепловой контраст между целью и фоном, величина которого в лучшем случае могла составлять 0,01, в худшем - 0,03 и даже меньше. Виды приемников приемники теплового излучения приемники фотонов Поглощение приемником падающего излучения повышает температуру чувствительного материала приемника, изменяя свойство, которое используется для обнаружения излучения. В качестве приемников излучения применяют термоэлемент, термистор, пироэлектрический приемник и болометр. Использует электронные переходы, вызванные фотонами, что также приводит к изменению свойств приемника: проводимости - в случае фоторезистора, электрического поля - в случае фотогальванического приемника. Так как визуализация тепловой картины должна производиться в реальном масштабе времени, то наиболее пригодны для использования фотоприемники - фоторезисторы и фотодиоды.

Чувствительность фотоприемника определяется не только его обнаружительной способностью, но и внутренними шумами теплового происхождения и шумом, создаваемым фотонами, падающими на приемник. Чтобы обеспечить высокую чувствительность приемника, нужно его охладить с помощью различных систем охлаждения. Из таблицы видно, что применение таких фотодетекторов, как германий, легированный ртутью, и кремний-индий, ограничено необходимостью их глубокого охлаждения, что представляет собой техническую проблему. Поэтому такие фотоприемники, как бинарный сплав InSb и тройное соединение Нg-Сd-Те - теллурид кадмия и ртути (сокращенно КРТ), предпочтительнее для установки в полевой тепловизионной аппаратуре, работающей в диапазоне 3-5 мкм (InSb и КРТ) при температуре 165 К и в диапазоне 8-14 мкм, где, как правило, используется приемник на КРТ при температуре 77 К, что обеспечивается современной техникой охлаждения.

Требования к аппаратуре военного назначения Разрешение -обеспечивающее решение задач поиска целей и составляющих Детектирование (обнаружение) - опознавание - идентификация В теплопеленгационной аппаратуре поиск цели производился сканированием путем перемещения сферического зеркала с расположенным в его фокусе теплочувствительным приемником, сигналы которого либо преобразовывались для наблюдения в видимый сигнал, либо передавались в счетно-решающий прибор для определения координат цели. В тепловизоре изображение объекта в тепловом контрасте собственного излучения с излучением фона воспроизводится с четкостью, близкой к тепловизионному стандарту, сканированием картины и расположенных на ее фоне объектов с помощью фоточувствительного элемента или решетки из этих элементов путем - применения оптико-механических схем сканирования и электронного преобразования полученных сигналов в видимое изображение. Общий принцип работы

Типовая структурная схема тепловизионной аппаратуры любого назначения Структурная схема тепловизора: 1-объектив; 2-сканер; 3-сервопривод сканера; 4-фотоприемник; 5-система охлаждения; 6-блок электронной памяти и обработки сигнала; 7-видеоконтрольное устройство и блок управления прибором объектив 1 представляет собой линзу или несколько линз, изготовленных из материалов с большим коэффициентом пропускания ИК-излучения в области 3-5 и 8-14 мкм - германия, кремния или оптической керамики. сканер 2 - состоит из колеблющихся или вращающихся оптических зеркал, линз и призм, материалы которых должны иметь высокий коэффициент отражения (зеркала) или пропускания (линзы и призмы). сервопривод 3 сканера предназначен для приведения в колебательное или вращательное движение зеркал, линз и призм с высокой стабильностью скорости вращения с целью обеспечения развертки изображения без искажений. фотоприемник 4, являющийся последним этапом на пути ИК-из­ лучения, представляет собой линейку из п или матрицу из п×s элементов, размер которых выбирается в соответствии с заданной дальностью действия, зависящей от их линейного разрешения и чувствительности. система охлаждения 5 - выбирается в зависимости от типа фотоприемника, т. е. его спектрального диапазона блок электронной памяти и обработки сигнала 6, в который входят предусилители и усилители сигналов, поступающих от детекторов, производит усиление и обработку сигналов изображения синхронно со сканером, с которым этот блок имеет обратную связь, и направляет их на видеоконтрольное устройство (ВКУ) блок ВКУ 7 обеспечивает наблюдение практически в реальном масштабе времени

Достоинства и недостатки ТВП Приборы обладают существенными преимуществами по сравнению с пассивными ПНВ и могут быть использованы для решения тактических задач на суше, море и в воздухе. Технические вопросы - повышение чувствительности ТПВ аппаратуры, осложнялись из-за ее высокой стоимости. Конструкторы пришли к выводу, что главная причина высокой стоимости в многообразии конструкций, так как при заказе новой системы большинство узлов, предназначенных для аналогичного применения, каждый раз конструировалось заново, что препятствовало организации серийного производства и внедрению прогрессивной технологии. + -

Система «Общих модулей» США и ФРГ В системе «Общих модулей» (СМ) в качестве основы системы избран параллельный способ сканирования линейкой детекторов из теллурида кадмия и ртути-КРТ, - состоящей из 60, 120 и 180 элементов в зависимости от вооружения, которому придается ТВП. Так, наблюдательные приборы имеют линейку из 60 элементов КРТ, тепловизионные прицелы для образцов БТТ - из 120 элементов, а ТВП к самолетам и вертолетам - из 180 элементов. Поколение и тип ТВП определяются конфигурацией фотоприемника и способом сканирования. Существуют три способа сканирования: параллельное, последовательное, последовательно-параллельное.

Структурная схема тепловизионного прицела для танка, выполненного по модульной системе СМ с параллельным сканированием и фотоприемником в виде линейки из 120 элементов КРТ в дьюаре и с криогенной машиной, обеспечивающей охлаждение линейки детекторов до 77 К. Структурная схема тепловизора: 1-объек наблюдения; 2-тепловое излучение; 3-головное зеркало; 4-входная оптика переменного увеличения; 5-двузеркальный сканер; 6-объектив; 7-детектор в дьюаре; 8-система охлаждения; 9-предусилитель; 10-усилитель; 11-линейка светодиодов; 12- коллиматор; 13-расщепитель; 14-усилительяркости изображения; 15-окуляр; 16-узел сетки опознавание объекта развертывание изображения в одну плоскость генерация детектора в полном соответствии с излучением картины в ИК- лучах обработка и получение сигналов, управляющих системой воспроизведения изображения. излучение видимого света развертывание света в кадр усиленное изображение рассматривается в окуляр прибора усиление яркости

Второй вариант системы визуализации изображения Схема визуализации тепловизионного изображения на ЭЛТ ВКУ: 1-ИК-объектив; 2-двузеркальный сканер; 3-линейка детекторов; 4-линейка светодиодов; 5-проекционный объектив; 6-видикон; 7-ЭЛТ В данном варианте системы визуализации изображение на линейке светодиодов через обратную сторону качающегося зеркала проецируется с помощью объектива на видикон, а затем уже на электронно-лучевую трубку ВКУ. Такое преобразование с выходом на ЭЛТ используется обычно в тепловизионных прицелах, установленных на подвижных носителях - танке, БМП и БРМ, где изображение воспроизводится на рабочих местах экипажа. Все узлы описанной выше модульной системы ТВП прибора стандартизованы, что позволило создать ряд тепловизионных приборов для СВ, а также для авиации вертолетов и самолетов, действующих на небольшой высоте.

Комплект аппаратуры гиростабилизированного перископа день/ночь с тепловизионным каналом 1-перископ тепловизионного прибора; 2- перископ дневного канала В данном комплекте последовательное сканирование предусматривает линейное расположение детекторов, при котором каждая точка изображения сканируется каждым детектором. Линия задержки, имеющаяся в электронной схеме обработки сигнала, обеспечивает фазовое интегрирование всех детекторов ряда от любой точки картины во время сканирования, что существенно улучшает соотношение сигнал/шум - в число раз, равное числу детекторов в ряду. Большого распространения способ последовательного сканирования не получил, хотя и сыграл определенную роль в британском тепловидении.

Модуль параллельно-последовательного сканирования Структурная схема тепловизионного прибора с последовательно-параллельным сканированием: / - поле зрения в плоскости объекта наблюдения; 2 - проекция детектора в плоскости объекта; 3 - ИК-объектив; 4 - горизонтальная развертка изображения; 5 - вертикальная развертка; 6 - детектор; 7 - блок обработки сигналов; 8 – видеомонитор (Франция) Основные тактико-технические характеристики системы: поле зрения: основная система 54 град; с применением вариофокальных объективов - от 7,7 до 2,6 град; дальность обнаружения: торпедного катера -23 км (с полем зрения 77 град); танка - 4,2 км (с полем зрения 10,8 град); дальность опознавания: торпедного катера- 15,5 км (с полем зрения 2,6 град); танка - 3,1 км (с полем зрения 3,6 град).

Унифицирование модулей Спрайт-детектор Структурная схема тепловизора на Спрайт- детекторе: I - проекция Спрайт-детектора; 2 - вертикальное сканирование; 3 - горизонтальное сканирование; 4 - входная оптика; 5 - вертикальный сканер; 6 - ведомый шкив кулачка; 7 - кулачок; 8 - горизонтальный сканер (зубчатый ротор); 9 - переключающаяся оптика; 10 - Спрайт-детектор; // - модуль предусилителей; 12 - дьюар Новый детектор представляет по конструкции полоску из КРТ (отсюда его название - полосчатый), смонтированную на сапфировой подложке. В отличие от обычных фотоприемников линейного или матричного типа, требующих для обработки сигналов специальных электронных схем, задержка и суммирование принимаемых сигналов происходят внутри самого Спрайт- детектора, что существенно упрощает процесс обработки. Кроме того, значительное сокращение числа соединительных проводов привело к существенному уменьшению паразитных теплопритоков, что позволило сократить габаритные размеры и массу систем охлаждения и снизить мощность двигателей в холодильных машинах (ХМ) с замкнутым циклом Стирлинга.

Обнаружители теплоизлучающих целей Теплообнаружительные приборы (индикаторы теплового излучения) применяются в некоторых зарубежных танках, использующих в качестве приборов ночного видения пассивные приборы наблюдения и прицелы. Принцип работы: - Информация от теплообнаружителя, при обнаружении теплоизлучающей цели накладывается в виде ярких точек на изображение цели в поле зрения ПНВ. Получение дополнительных сведений о цели (является она теплоизлучающей или нет) очень важно для принятия решения о ее подавлении.

Перспективы улучшения ТТХ тепловизионных приборов 1. Изучение тепловой сигнатуры (характерного распределения холодных и теплых мест) танков противника и ее вводом в цифровой код цели для автоматического слежения за ней. Пока одним из способов увеличения информации об объекте наблюдения считается цифровая обработка сигнала. 2. Необходимость сохранения двух основных принципов стандартизации в «Общих модулях» - общности и взаимозаменяемости. 3. Использование тепловизоров в интегрированных системах с применением РЛС миллиметрового диапазона для образования многоспектральных разведывательных систем. 4. Создание фотоприемников с большим числом чувствительных элементов с одновременной обработкой снимаемых с них сигналов, что является движением вперед к новому поколению ТВП, и дальнейшее улучшение Спрайт-технологии в качестве второго пути.

Применение тепловизионных приборов Тепловизионными приборами оснащаются: в сухопутных войсках: танки, боевые машины пехоты, боевые разведывательные машины, истребители танков с пушечным и ракетным вооружением; транспортируемые и мобильные установки ПТУР; боевые вертолеты для разведки наземных целей и наведения на них ПТУР; подразделения разведки и передовые наблюдатели пехотных подразделений; в авиации - самолетные системы разведки, в том числе морской авиации; в военно-морском флоте - корабельные системы управления огнем и перископы подводных лодок.