- 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;
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.
