Стартовая >> Архив >> Системы тепловидения

История систем тепловидения - Системы тепловидения

Оглавление
Системы тепловидения
Назначение систем тепловидения
История систем тепловидения
Основы получения теплового изображения
Источники информации, пример системы
Теория теплового излучения
Пропускание излучения атмосферой
Теория линейной фильтрации
Сокращенная система обозначений в фурье-анализе
Эквивалентная полоса частот
Физиология зрительного восприятия
Пространственно-частотная характеристика
Визуальная чувствительность к пространственной частоте случайного шума
Интегрирующие свойства глаза
Влияние кадровой развертки на восприятие изображения
Обнаружение объектов на фоне случайных шумов
Субъективное восприятие резкости изображения
Обобщенные критерии
Минимальная разрешаемая разность температур
Параметры эффективности работы
Оптика
Оптические материалы для тепловизионных систем
Сканирующие устройства
Вращающиеся преломляющие клинья
Другие системы сканирования
Эффекты затемнения
Типы тепловизионных систем
Эвапорографы и видиконы
Инфракрасные квантовые счетчики
Выборка
Выборка в системах с коммутацией
Визуальное восприятие объектов
Разрешение эквивалентных штриховых мир
Вероятность обнаружения и опознавания
Эксперименты с обработкой на ЭВМ
Другие ограничения при наблюдении
Измерение характеристик систем
Тепловые изображения
  1. История систем тепловидения

Первым тепловизионным прибором теплового изображения был появившийся в конце 20-х годов эвапорограф — сравнительно малочувствительное устройство без сканирования, описанное в разд. 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 из 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 постоянной 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 антимонида индия InSb и легированного ртутью германия Ge : Hg сделала возможным создание приемных устройств с быстрой кадровой разверткой.

Первая система FLIR 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 FLIR был создан в Чикагском университете в 1956 г. при поддержке ВВС. Он представлял собой модификацию системы для получения тепловых карт AN/AAS-3 и был обозначен ХА-1. Модификация заключалась в добавлении к вращающемуся с переменой направления оптическому клину в сканирующей системе AN/AAS-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 FLIR, созданная фирмой «Перкин — Элмер» для сухопутных войск в 1960 г. В сканирующей системе использовались две вращающиеся преломляющие призмы (клина) для получения спиральной развертки с одноэлементным приемником излучения на основе антимонида индия. Мгновенное поле составляло 1 мрад при круглом поле обзора 0,087 рад (5°), кадровая частота 0,2 кадр/с, чувствительность — около 1 °С; в качестве индикатора использовалась электронно-лучевая трубка с длительным послесвечением экрана. С этой системы началось развитие наземных приемных устройств для военных и гражданских применений; возможности дальнейшего сокращения габаритов систем и использования их преимуществ в мирных целях еще не исчерпаны.
Интерес к самолетным системам FLIR был возрожден в двух независимых программах начала 60-х годов: ВВС совместно с фирмой «Тексес инструменте» и ВМС совместно с фирмой «Хьюз эйркрафт». Опытные образцы были созданы и прошли летные испытания в 1965 г. Результаты были столь успешными, что вызвали расширение производства самолетных FLIR и сферы их применения. С этого момента начался расцвет систем FLIR, и в период 1960—1974 гг. было разработано по меньшей мере 60 различных систем FLIR и несколько сот таких систем изготовлено. Наземные и самолетные FLIR стали функционально подобными, а во многих случаях одинаковыми, так что термин FLIR теперь практически означает любую систему тепловидения в реальном масштабе времени.
Техника создания FLIR достигла полной силы с разработкой многоэлементных приемников излучения с чувствительностью, близкой к теоретическому пределу, и с достаточно малой инерционностью, обеспечивающей широкую полосу, необходимую для получения высокого отношения общего поля зрения к мгновенному полю зрения. Малогабаритные и эффективные криогенные системы охлаждения для приемников излучения сделали возможным создание FLIR с приемлемым потреблением мощности, а постоянный прогресс в миниатюризации электроники обеспечил уменьшение габаритов блоков обработки сигнала и дальнейшее снижение потребления мощности. Техника создания FLIR быстро развивается в направлении уменьшения габаритов и потребляемой мощности и достижения умеренной стоимости, что необходимо для превращения FLIR в оптико-электронную систему широкого применения.
Для первых систем FLIR анализ и оценка качества теплового изображения базировались на таких же полуэмпирических принципах, что и конструирование самих систем. Качество изображения определялось пространственным разрешением двух точек и входной облученностью, обеспечивающей получение отношения сигнала к шуму на выходе приемного устройства, равного единице. Эти параметры обычно измерялись на выходе предусилителя, а не на индикаторном устройстве. Разрешение и тепловая чувствительность определялись низкими характеристиками приемников излучения того времени, так что качество изображения действительно неплохо соответствовало результатам измерений на выходе предусилителя.
Однако с усовершенствованием технологии и разработкой малошумящих элементов с высоким разрешением качество изображения существенно не улучшилось. Причина этого заключается в том, что не был использован опыт построения аналогичных оптико-электронных систем. Проблемы качества изображения и применение к FLIR идей, уже развитых применительно к другим устройствам, в значительной мере определяют предмет данной книги. Мы увидим, что весьма поучительным является опыт современной оптики, фотографии, телевидения и физиологии зрительного восприятия. На основе этого опыта можно получить совокупность основных параметров, определяющих качество изображения, которые применимы для FLIR и позволяют провести анализ, необходимый для получения качества изображения современных FLIR, сравнимого с качеством телевидения.
Тепловидение — интересная, но достаточно сложная область техники. Для успешного проектирования приборов тепловидения нужны знания следующих дисциплин:
теории излучения и характеристик излучения объектов;
пропускания атмосферой теплового излучения;

Процесс получения теплового изображения
Фиг. 1.1. Процесс получения теплового изображения.

прикладной оптики;
приемников излучения и работы систем охлаждения приемников;
электронной обработки сигналов; визуальных индикаторов изображения;
процессов зрительного поиска и зрительного восприятия при использовании FLIR.
В следующем разделе содержится минимум основных сведений, необходимых для понимания более подробной информации, приведенной в последующих главах.



 
« Система обслуживания и ремонта оборудования энергохозяйств промпредприятий   Совершенствование управления энергетическим объединением на основе локальных вычислительных сетей »
электрические сети