Глава 1 Введение
- Назначение систем тепловидения
Системы тепловидения расширяют возможности нашего зрения, делая видимым естественное излучение нагретых объектов в диапазоне от коротковолновых красных лучей до дальней инфракрасной области спектра. За пределами области видимого света (0,4— 0,7 мкм) глаз нечувствителен, поэтому необходим прибор, который будет создавать изображение, используя излучаемую ночью энергию, подобно тому, как глаз делает это днем. Такой «ночной глаз» должен быть чувствителен главным образом к фотонам, испускаемым телами, поскольку в отсутствие отраженного солнечного света доминирующим становится тепловое излучение тел. Точнее, «ночной глаз» должен иметь спектральную чувствительность на длинах волн, на которых наиболее существенным образом проявляются различия в излучательной способности и температуре, а также в отражательной способности различных элементов рассматриваемой картины. Необходимо также, чтобы получаемое изображение в достаточной мере соответствовало видимой картине, обусловленной различием в отражательной способности в видимой области спектра. Это обеспечит возможность визуального восприятия преобразованного изображения *). Кроме того, спектральный рабочий диапазон должен быть согласован с «окнами» пропускания атмосферы, в которых излучение поглощается не столь сильно.
Принимая во внимание совершенство, с которым глаз воспроизводит видимое изображение, можно в достаточной мере оценить трудности получения тепловых изображений. Глаз является оптимальным приемником видимого излучения с трех точек зрения. Во-первых, спектральный рабочий диапазон глаза (0,4—0,7 мкм) совпадает с максимумом спектральной кривой излучения солнца. На этот диапазон приходится приблизительно 38% энергии солнечного излучения *), и земные материалы обычно хорошо отражают излучение в этой области спектра. Во-вторых, глаз является идеальным приемником, возможности которого ограничены квантовыми шумами, поскольку чувствительные элементы сетчатки имеют низкие собственные шумы. В-третьих, чувствительность элементов сетчатки к фотонам, испускаемым телами за счет собственной температуры, пренебрежимо мала, так что эта длинноволновая тепловая энергия не мешает воспринимать излучение в рабочем диапазоне. Перечисленные оптимальные свойства позволяют глазу осуществлять свои основные функции, которые заключаются в обнаружении различий в отражательной способности объектов, освещенных излучением с длинами волн 0,4—0,7 мкм, в распознавании изображений, возникающих за счет таких различий, и в оценке их на основе предшествовавшего опыта, накопленного в процессе восприятия окружающего мира при помощи зрения и других органов чувств. Чтобы быть столь же эффективной, тепловизионная система, как и человеческий глаз, должна создавать изображение, используя доминирующее излучение, ее чувствительность должна быть ограничена квантовыми шумами, а влияние постороннего света должно быть устранено.
*Для сравнения укажем, что на диапазон 8—14 мкм приходится только 0,08% солнечной энергии.
В то время как изображения в области видимого спектра образуются прежде всего за счет отражения и различий в отражательной способности, тепловые изображения создаются главным образом за счет собственного излучения и различий в излучательной способности. Таким образом, при получении теплового изображения для нас представляют интерес картины, создаваемые за счет энергии собственного теплового излучения. Обычно возможности тепловых систем оцениваются не по излучению, а по температуре отдельных элементов картины. Это требует некоторых пояснений. Совместное действие температуры и отражательной и излучательной способности в некоторой точке картины может быть представлено эффективной температурой в этой точке. При такой температуре достигалась бы измеренная поверхностная плотность потока излучения в районе рассматриваемой точки, если бы точка была идеальным абсолютно черным телом, т. е. если бы она испускала максимальное, теоретически возможное излучение при эффективной температуре. Аналогично поверхностную плотность потока излучения, измеренную через ослабляющий слой атмосферы, можно представить себе как результат излучения при кажущейся температуре, меньшей, чем эффективная температура.
Подобное упрощение возможно, поскольку большинство систем тепловидения имеет широкий спектральный рабочий диапазон и воспринимает излучение независимо от его поляризации. Следовательно, они не чувствительны к механизму, определяющему разность температур. Изменения эффективной температуры картины в определенной мере соответствуют деталям визуально наблюдаемой картины, и таким образом тепловизионная система создает видимый аналог теплового изображения, обеспечивая эффективную передачу полезной информации из одного спектрального диапазона в другой. Преимущества систем тепловидения и принципы работы обычных тепловизоров описаны Уормсером [1].
Данная книга посвящена главным образом таким устройствам с механическими системами сканирования, которые преобразуют излучение дальней инфракрасной области в видимое излучение в реальном масштабе времени при скорости смены информации (или частоте кадров), сравнимой с применяемой в телевидении. Широко распространенным сокращенным обозначением в области тепловидения является FLIR (аналогично, например, сокращению TV в телевидении). FLIR — первые буквы английского термина «Forward Looking Infra-Red» —инфракрасная система переднего обзора. Этим термином обозначаются системы тепловидения с быстрой кадровой разверткой в отличие от направленных вниз одноканальных систем для получения тепловых карт местности и однокадровых термографических камер. Хотя первоначально сокращенное обозначение FLIR относилось к самолетным инфракрасным системам переднего обзора, в настоящее время оно широко используется для обозначения любой системы тепловидения с быстрой кадровой разверткой.
Тепловое изображение в системе FLIR получается следующим образом. Оптическая система собирает инфракрасное излучение картины, осуществляет спектральную фильтрацию и фокусирует его на многоэлементную мозаику чувствительных площадок приемника излучения, которая сканирует пространство. Чувствительные элементы приемника излучения преобразуют оптические сигналы в соответствующие электрические сигналы, которые затем усиливаются и воспроизводятся в виде изображения на видеоконтрольном устройстве. Внешне система FLIR подобна телевизионной системе; конечное изображение часто получают на мониторе телевизионного типа, работающем с кадровой частотой, применяемой в телевидении. Контраст (видеоусиление) и яркость (уровень фона) регулируются таким образом, чтобы изображение тепловой картины походило на соответствующее видимое изображение.
Большинство применений инфракрасных систем тепловидения в реальном масштабе времени в настоящее время относится к области военной техники. По имеющимся публикациям [2] можно судить, что вооруженные силы используют тепловые стрелковые и артиллерийские прицелы, тепловые прицелы для наведения управляемых снарядов и авиационные системы FLIR. Функции этих систем включают обзор, разведку и сбор информации, поиск и захват целей, управление огнем, аэронавигацию. Область невоенных применений систем тепловидения ограничена, но все время расширяется. Сюда относятся тепловой обзор местности в интересах охраны окружающей среды, раннее обнаружение рака молоч-
ной железы и другая медицинская диагностика, обнаружение лесных пожаров, поиск при различных спасательных работах, контроль качества продукции в промышленности, обнаружение трещин и осыпей в угольных шахтах, профилактическое обследование электроэнергетического оборудования, разведка земных ресурсов. Если учесть тенденции расширения области применения систем тепловидения, этот список можно продолжить. В частности, системы тепловидения могут найти применение в качестве вспомогательных средств при посадке самолетов гражданской авиации, в криминалистике и горном деле, а также использоваться как средства наблюдения сквозь дым для пожарных.
Преимуществом систем тепловидения по сравнению с другими пассивными электронно-оптическими и оптико-электронными изображающими системами является их способность работать в любое время суток в неблагоприятных погодных условиях. Основная причина такого преимущества — эффективная передача контраста и работа в оптимальных окнах прозрачности атмосферы. Для получения изображения в электронно-оптических преобразователях и системах низкоуровневого телевидения используются главным образом различия в отражательных свойствах объекта и фона. В видимом спектральном диапазоне наблюдается тенденция к уменьшению разности в отражении между характерными объектами и фонами при воспроизведении их черно-белого (нецветного) изображения, особенно когда применяются специальные меры маскировки объектов.
В системах тепловидения средняя величина яркости картины (постоянная составляющая или фон) обычно подавляется, так что на индикатор передаются только изменения яркости относительно среднего уровня. Благодаря этому достигаются высокие значения контраста изображения, особенно если учесть, что маскировку разностей температур произвести очень трудно. В гл. 10 будет показано, что способность наблюдателя эффективно воспринимать картину в очень сильной степени зависит от контраста, поэтому тепловые системы в этом отношении имеют преимущество по сравнению с большинством приборов видимого диапазона.
Небольшой недостаток систем тепловидения заключается в том, что тепловое изображение в отличие от видимого практически не имеет теней, поэтому пространственное восприятие объектов в тепловых системах хуже. Этот недостаток несколько возмещается тем, что мы видим все фронтальные поверхности объекта, поскольку все поверхности излучают тепловую энергию. Другой не очень существенный недостаток связан с тем, что тепловые излучатели не обязательно хорошо отражают видимый свет, так что яркие участки видимого изображения могут оказаться темными в тепловом изображении и наоборот. Тем не менее тепловое изображение обычно дает значительную информацию. Тепловые системы позволяют, например, определять уровень жидкости в цистерне и производить обнаружение кильватерного следа судов, недавно выключенных двигателей автомотосредств, промышленных предприятий (по излучению горячих газов или нагретых площадей), а также опознавание объектов по картине нагрева поверхностей.
