Использование тепловизоров для снятия тепловых карт местности основано на дистанционном измерении температуры земной поверхности с самолета или с ИСЗ. Получаемые тепловые карты несут информацию об энергетическом состоянии исследуемых участков поверхности Земли, что используется для решения различных научных и практических задач.
Тепловые карты позволяют судить о геологическом строении и полях активности кратеров, способствуют поискам и регистрации тепловых источников, гейзеров, мест подземных утечек в энергосистемах, тепломагистралях, дренажных устройствах, позволяет своевременно обнаруживать очаги за- рождающихся пожаров и определять границы крупных пожаров сквозь пелену сплошного дыма, а также границы пожаров горючих ископаемых по скрытым очагам в штабелях угля, сланцев, шахтных отвалов и т. д.
Большое внимание в нашей стране и за рубежом уделяется использованию самолетных тепловизоров при борьбе с лесными пожарами. При этом выделяют три основные задачи: обнаружение малых (площадью не менее 0,5 м2) очагов зарождающихся пожаров с температурой 600...700°С; картирование контуров охваченного огнем значительного участка леса или торфяного болота сквозь сплошную пелену дыма, когда визуальные методы неэффективны; контроль за затухшим или затухающим пожаром, обнаружение участков кромки, где можно ожидать вторичного возгорания.
Тепловые карты применяют также для изучения океанских течений и течений, обусловленных стоком рек; обнаружения заболеваний лесной и сельскохозяйственной растительности; определения мощности и возраста льдов, прогнозирования образования ледовых трещин; исследования природных ресурсов Земли и т. д.
Тепловые карты существенно отличаются от обычных аэрофотоснимков, так как в формировании последних участвует отраженное излучение, в формировании тепловых карт — отраженное и собственное излучение, а в ряде случаев лишь последнее. Поэтому на тепловых картах обнаруживаются нагретые объекты или участки местности, которые не выявляются на фотоснимках. Особенностью тепловых карт является зависимость динамики тепловых процессов, протекающих в течение суток. В связи с этим тепловые карты, полученные в разное время даже от одних и тех же объектов отличаются друг от друга.
Основные требования, предъявляемые к тепловизионной аппаратуре для снятия тепловых карт местности: рабочий спектральный диапазон должен соответствовать спектральным областям наибольшего пропускания инфракрасного излучения атмосферой и областям максимального излучения исследуемой поверхности; чувствительность и разрешающая способность должны позволять обнаруживать и регистрировать мелкие объекты с малыми температурными контрастами; угол обзора должен быть достаточно большим, но при этом ухудшение разрешающей способности на краю поля обзора не должно превышать допустимые значения.
Тепловизоры, предназначенные для снятия тепловой карты местности и устанавливаемые на летательных аппаратах, выполняют сканирование мгновенного угла зрения только в плоскости, перпендикулярной направлению полета, обеспечивая просмотр по строке. Просмотр по кадру осуществляется за счет прямолинейного движения носителя аппаратуры. Обычно в таких тепловизорах применяют систему с оптико-механическим сканированием, реже — системы с электронным сканированием и самосканированием (на основе приборов с зарядовой связью, чувствительных в ИК области спектра).
Наиболее простая тепловизионная система для снятия тепловой карты местности содержит одноэлементный приемник излучения 1 (рис. 5.6,а) и плоское качающееся зеркало 2, расположенное в сходящемся пучке лучей за объективом 3. Ширина строки /, просматриваемой за один период качания зеркала I = бп/об, где бп — линейный размер чувствительной площадки ПИ в направлении полета летательного аппарата; Н — высота полета; fo6— фокусное расстояние объектива. Период сканирования строки Тс= 1/V, где V — скорость полета летательного аппарата. Число элементов разложения вдоль строки Nc= vo63/vHrlI.
В оптико-механических сканирующих устройствах тепловизионных систем, предназначенных для снятия тепловой карты местности, используются также многогранные призмы и многогранные усеченные пирамиды.
Несмотря на некоторые достоинства тепловизнонных систем с одним ПИ (простота конструкции, малые размеры приемника, упрощающие его систему охлаждения) они заменяются системами с многоэлементным (линейным) приемником. За период сканирования просматривается одновременно п строк, где п — число ЧЭ ПИ.
Выходные сигналы чувствительных элементов можно обрабатывать параллельно в п каналах и последовательно, сведя все сигналы в единый канал. Последовательная обработка сигналов может быть реализована высокоскоростной коммутацией или мультиплексированием с помощью приборов с зарядовой связью.
Рис. 5.6. Схема тепловизионной системы с одноэлементным (а) и с матричным приемниками излучения (б)
В Институте космических исследований АН СССР была разработана схема тепловизионной аппаратуры с матричным приемником излучения. Аппаратура состоит из двух каналов ab и cd (рис. 5.6,6) с поддиапазонами с, б 0,4...2,4 и с, d 3,2...14 мкм. Каждый канал состоит из колеблющегося зеркала /, объективов 2 и 4, щелевых диафрагм 3, дифракционных решеток 5 и матричных приемников излучения 6. Изображение, вырезаемое щелью 3, разлагается в спектр. Полученный кадр считывается матричным ПИ. Каждая строка кадра соответствует изображению узкой полосы сканируемой поверхности в определенной области спектра.
Колебания самолета относительно его центра масс вызывают искажения геометрических контуров при снятии тепловой карты местности и ухудшают разрешающую способность тепловизора. Колебания по углу тангажа и приводят к периодическому сгущению и разрежению строк сканирования (рис. 5.7, а), по углу крена y—к смещению во времени строк параллельно самим себе по синусоидальному закону (рис. 5.7,6), а по углу рысканья -ф — к веерообразному периодическому развороту строк (рис. 5.7, в).
Рис. 5.7. Влияние колебаний самолета на искажения геометрических контуров при линейно-строчном обзоре местности
Рис. 5.8. Схема самолетного тепловизора с гироскопической стабилизацией
На краях полосы просмотра разрешающая способность ухудшается до-, полнительно из-за рысканья самолета.
В табл. приведены значения разрешающей способности для телевизоров (тепловизоров) с одноэлементным (п = 1) и многоэлементными (я =10) линейными ПИ для двух типов самолетов; ширина полосы просмотра принята равной 60°.
Устранение влияния колебаний самолета относительно его центра масс на искажение геометрических контуров при снятии тепловой карты местности и ухудшение разрешающей способности тепловизоров достигается гироскопической стабилизацией (рис. 5.8). В кардановом подвесе с внешней 5 и внутренней 7 рамками размещается трехгранная зеркальная пирамида 6, приводимая во вращение двигателем 9. Пирамида выполняет функции сканирующего устройства и ротора трехстепенного гироскопа. Коррекция гироскопа по курсу производится датчиком момента 1 от самолетного гирокомпаса; коррекция по тангажу — датчиком момента, расположенным на вертикальной оси (на рисунке не показан), который отрабатывает сигнал тангажа, выдаваемый датчиком 2 встроенной гировертикали 3.
В схему тепловизора входят также магнитная головка 4 синхронизации развертки визирного луча с разверткой электронного луча ВКУ и приемник излучения 8. Головка связана с выходной осью по углу крена встроенной гировертикали передачей 1:1. Таким образом, поле обзора тепловизора стабилизировано по всем трем осям xlt yt и гг.
Рассмотренные системы с линейно-строчным обзором местности обладают следующими недостатками: зависимость потребной частоты вращения зеркального барабана от скорости полета носителя при заданном коэффициенте перекрытия строк; необходимость вращения с большой частотой крупноразмерных оптических элементов; различная амплитуда сигналов от одинаковых объектов, расположенных в разных местах зоны обзора (вследствие того, что излучающие объекты находятся на разных расстояниях от носителя в пределах угла обзора); нелинейная форма строки (рис. 5.9).
Этих недостатков во многом лишена система с коническим обзором (см. рис. 6), в которой мгновенный угол зрения вращается относительно оси сканирования, совмещаемой с вертикалью. При этом размер площадки земной поверхности, проектируемый в каждый момент времени на ЧЭ_ПИ, остается неизменным.
Для уменьшения отражений от неба и облаков составляющей инфракрасного излучения угол визирования а выбирается близким к углу Брюстера (60°). За счет полета самолета круговая траектория сканирования превращается в трохоидальную. Шаг трохоиды определяет расстояние между ее витками, равное при любом угле сканирования расстоянию; которое пролетает самолет за один цикл сканирования.
В системах сканирования с разверткой визирного луча по образующей конуса сканирование земной поверхности без пропусков и наложения строк получается при соотношении размеров чувствительной площадки ПИ, равном 1 : 3; применение мозаичного ПИ с числом ЧЭ 6 X 2 приводит к небольшому выигрышу в чувствительности за счет снижения скорости сканирования в 6 раз и накопления сигнала на двух площадках, последовательно просматривающих элементы тепловой карты местности;
сканирование визирного луча по образующей конуса позволяет получать квазипараллельное движение проекции ЧЭ приемника на местности. Траектории просмотра земной поверхности каждой точкой не пересекаются между собой;
при использовании однозеркального сканера мозаичный ПИ не применяют, так как невозможна ориентация проекции его ЧЭ вдоль направления полета ЛA.
В схеме одного из тепловизоров для картографирования и обзора местности с самолета, изображенной на рис. 5.10, в качестве сканирующего устройства используется вращающаяся зеркальная пирамида, которая перемещает мгновенный угол зрения в плоскости, перпендикулярной направлению полета J1A. Поток излучения участка земной поверхности попадает в объектив и фокусируется на ЧЭ приемника излучения. Электрический сигнал с выхода ПИ, пропорциональный принятому потоку излучения, усиливается и подается на модулирующий электрод электронно-лучевой трубки. Развертка вдоль горизонтальных строк производится синхронно с вращением призмы, а перемещение строк по кадру происходит в соответствии с высотой и скоростью полета ЛA. В результате на экране трубки воспроизводится тепловое изображение участка местности.
Рис. 5.9. Форма строки при сканировании многогранной зеркальной призмой
Рис. 5.10. Функциональная схема тепловизора для картографирования и обзора местности с самолета:
1 — кинескоп; 2 — усилитель фототока; 3 — приемник излучения; 4 — объектив; 5 — вращающаяся зеркальная пирамида; 6 — двигатель вращения пирамиды; 7 — синхронизирующее устройство
Эффективность аппаратуры для аэросъемки при решении конкретных задач зависит от правильного выбора порога температурной чувствительности АТ и разрешающей способности прибора. Практика применения тепловизионной аппаратуры для изучения природных ресурсов показывает, что удовлетворительные результаты получают при AT = 0,3...0,5 °С на фоне 20 °С и й = 5...7' (1,5...2 мрад). Рекомендуется в тепловизорах для изучения природных ресурсов с воздуха иметь два канала — один, с высоким пространственным разрешением (5...7'), другой с низким (50...70'). В полете нет необходимости производить непрерывную одновременную регистрацию по обоим каналам. В необходимых случаях оператор использует тот или иной канал простым переключением на фоторегистрирующее устройство.
Тепловизионную аппаратуру широко применяют в авиации для обзора местности перед самолетом, обнаружения низкотемпературных излучающих объектов, при посадке летательных аппаратов в условиях пониженной видимости, для картографирования местности и т. д.
Конструктивные особенности такой аппаратуры можно проиллюстрировать на примере установки AAD-4 фирмы «Тексас инструмент» (США), предназначенной для обнаружения с вертолета теплоизлучающих наземных целей. Сканирующее устройство, ПИ и электронная аппаратура смонтированы на кардановом подвесе внутри вертолета. Ось визирования наводится на цель, изображение местности индицируется на ЭЛТ с диагональю экрана 36 см. Приемник инфракрасного излучения выполнен на основе германия с примесью ртути и представляет собой мозаику с 400 ЧЭ, охлаждаемыми до температуры 24...28 К. Поле зрения прибора в режиме поиска 23 X 30°, в режиме слежения '5,75 X 7,5°. Сканирование по азимуту осуществляется в пределах 360°, а по углу места — в пределах 90° (+20...—70°). Порог температурной чувствительности составляет 0,14 °С в режиме поиска цели и 0,28 °С — в режим слежения. Частота кадров 30 кадр./с. Масса всей установки, включая карданный подвес (60 кг), электронный блок (60 кг) и блок питания (50 кг), составляет примерно 290 кг. Для интерпретации результатов информации, полученной с помощью тепловизионной системы, наблюдатель должен обладать большим опытом, так как даже в изображении известных объектов в ряде случаев обнаруживаются непонятные детали.
Рис. 5.11. Схема тепловизора для получения тепловых стереопар:
1 — усилитель фототока; 2 — приемник излучения; 3 — неподвижное зеркало,
4— объектив; 5 — вращающаяся зеркальная призма: в, 8 — фотопленка; 7 — вращающийся объектив; 9 — кинескоп
В современных тепловизионных системах, предназначенных для установки на ЛА, используют также ПИ из HgCdTe, работающие при температуре жидкого азота. На основе этих систем фирмой «Дженерал дайнемикс» разработано несколько картографических устройств с линейным сканированием, осуществляющих съемку непосредственно под самолетом.
Хотя туман и влажность атмосферы оказывают неблагоприятное влияние на работу тепловизионных систем, инфракрасное излучение лучше распространяется в такой среде, чем видимый свет в дневных условиях. Например, в случае, когда дальность метеорологической видимости составляла всего 800...1400 м из-за наличия густого тумана с дымом, получено хорошее изображение местности при съемке с больших расстояний.
Во всех рассмотренных тепловизорах для снятия тепловой карты местности предусматривается сканирование последней под ЛА, в связи с чем они не позволяют получить продольную стереопару тепловых карт. В настоящее время разработаны тепловизоры, позволяющие за один проход получить ИК стереопару (рис. 5.11). В таком тепловизоре зеркальные грани призмы расположены под разными углами, благодаря чему при вращении ее производится поочередное сканирование в двух плоскостях, расположенных под углом 30°. Оптическая система фокусирует ИК излучение участка земной поверхности на ЧЭ ПИ. Выходной сигнал приемника после усиления подается на модулирующий электрод электронно-лучевой трубки. Световое пятно на
экране трубки с помощью объектива, вращающегося синхронно с призмой, формирует строки изображений поочередно на двух фотопленках. Таким образом, создаются два тепловых изображения одного и того же объекта, отснятые под разными углами, что позволяет использовать для распознавания объекта такой параметр, как его высота.
