1)Тепловизоры и теплопеленгаторы

Наиболее значительные успехи в ИК-технике достигнуты в последние годы в области автономных переносных поисковых и диагностических тепловизионных систем с охлаждаемыми и неохлаждаемыми приемниками излучения.

Тепловизор с охлаждаемым единичным приемником содержит прецизионную систему оптикомеханического сканирования (ОМС) наблюдаемого пространства с последующим воспроизведением полученных сигналов в виде кадра. Визуализация объектов в движении требует быстрой смены кадров, поэтому предпочтение отдается приемникам с квантовым механизмом реакции на ИК-излучение, т.к. быстродействие фотонных приемников составляет около 1мкс. Из-за трудностей создания сверхбыстродействующих систем ОМС такие тепловизоры работают в малокадровом режиме или используют линейки идентичных приемников.

В ряде случаев применяются матричные (до 10 элементов) квантовые приемники, что позволяет исключить ОМС в системах наблюдения. Первичная обработка сигналов проводится поочередным подключением пикселей (микроболометров) к одному из каналов предварительного усиления, имеющих достаточную полосу пропускания в соответствии с ее емкостью (например, 8х10 ) и длительностью кадра (4х10 ֿ² с, т.е 25 Гц). Тогда для того, чтобы опросить за 1 кадр каждый пиксель хотя бы 1 раз, постоянная времени предусилителя должна быть не более 5х10 с, т.е. полоса пропускания должна быть не менее 2 МГц. Декодеры, управляющие блоком логики, посылают управляющие сигналы на встроенный в матрицу мультиплексор, позволяющий прикладывать требуемое напряжение смещения к выбранным микроболометрам. Формируемые единичными микроболометрами электрические аналоговые сигналы считываются одновременно по всем параллельным каналам, а затем усиливаются, оцифровываются и преобразуются в стандартные видеосигналы изображения по обычным алгоритмам, предусматривающим коррекцию сдвига и усиления, замещение дефектных («слепых») пикселей, а также регулировку яркости и контраста в пределах выбранного динамического диапазона температур наблюдаемых объектов, который при максимальном усилении составляет около 2 ˚С, а при минимальном – более 60 ˚С.

С целью устранения фундаментальных шумов, для рассеяния избыточной мощности и соответственно улучшения чувствительности все фотонные приемники, работающие в спектральных диапазонах 3...5,5 или 8...14 мкм, оборудуются системами криогенного охлаждения (например, жидкого азота с Т=77К).

Регистрируемая межкадровая разность температур (температурное разрешение) составляет не хуже 30 мК (0,03˚С). Для тепловизора построенного на матричном приемнике с числом элементов 300х300 и светосильным ИК объективом расчетная величина МРТ составляет менее 10ֿ² К. Использование микропроцессорных или термоэлектрических охлаждающих систем (Т=160К...190К) пропорционально ухудшает эти параметры.

В тепловизорах с неохлаждаемым приемником излучения, на базе пировидиконов (пироконов) исключены вообще прецизионные ОМС устройства кадровой и строчной разверток изображения, а также технические средства охлаждения ИК приемника.

Собственное излучение наблюдаемых объектов проецируется ИК объективом на мишень пирокона, образуя кратковременно существующий на ее поверхности тепловой рельеф. В силу присущего материалу мишени из триглицинсульфата или фторбериллата пироэлектрического эффекта возникающий (адекватно тепловому) потенциальный рельеф зависит в каждом элементарном участке мишени только от скорости изменения температур и совершенно не зависит от ее абсолютной величины или градиента, т.е. при стационарном и равномерном потоке он отсутствует.

Заряды, построчно считываемые электронным лучом с элементарных участков мишени, модулируют в цепи сигнальной пластины ток порядка 2…50 нА и преобразуются в несущие всю полезную информацию видеосигналы, которые, после усиления, межкадровой разностной обработки и преобразования, воспроизводятся на экране монитора в виде изображений.

При постоянном облучении мишени неравномерным тепловым потоком (в режиме «панорамирования») пировидиконная камера обладает присущим только ей уникальным свойством – возможностью визуализации только движущихся теплоизлучающих объектов и невоспроизведением даже более интенсивных неподвижных. Однако в силу невысокого геометрического разрешения этот режим является вспомогательным.

Встроенный в электронный модуль тепловизионной камеры, работающий в реальном масштабе времени, процессор межкадровой разностной обработки позволяет путем попарного сравнения разнополярных сигналов в соседних полукадрах (положительных при открытой, т.е. нагреваемой, мишени и отрицательных при остываемой закрытой) увеличить геометрическую разрешающую способность сплошной мишени от 120-130 до 160-180 телевизионных линий, а также увеличить межкадровую разность температур: в режиме «панорамирования» по крупным деталям изображения - от 0,25 до 0,15˚С; в режиме «модуляции» при 50 твл/мишень – от 0,7 до 0,35 ˚С.

Одновременно при этом оцифровка видеосигналов полностью устраняет неприятный для оператора эффект «мерцания» изображений на экране монитора, что особенно важно при визуализации мелких деталей малоконтрастных объектов. Дополнительно введенная возможность накопления с усреднением нескольких кадров улучшает на 25…30% отношение сигнал/шум.

Теплопеленгация

Теплопеленгация представляет собой способ обнаружения и определения направления на нагретые тела (корабли, самолеты, танки и т.п.) по их тепловому излучению. При движении этих объектов находящиеся на них машины и двигатели выделяют теплоту и повышают температуру наружных поверхностей. Обнаружение таких объектов тем легче, чем сильнее они нагреты. Теплопеленгация состоит в обнаружении контраста излучений цели и фона, на котором она наблюдается. Поэтому возможна пеленгация целей более холодных, чем фон. В противоположность радиолокационным установкам теплопеленгаторы не посылают во время работы никакой энергии к объекту наблюдения, а действуют на пассивном принципе, получая излучение от цели и от фона и реагируя на контраст этих излучений.

Теплопеленгаторы используются главным образом ночью, когда нет мешающего действия дневного излучения солнца, неба и окружающих фонов. Дальность действия теплопеленгаторов заметно зависит от метеорологических условий, влияющих на потери энергии в слое атмосферы, отделяющем цель от прибора.

Теплопеленгаторы в зависимости от того, где они установлены, и какие задачи выполняют, могут быть корабельными, береговыми и самолетными. Почти все теплопеленгаторы работают автоматически: осматривая определенную часть пространства, они обнаруживают цель, если она появилась в поле зрения прибора.

Приемником инфракрасных излучений в теплопеленгаторе может служить термоэлемент, болометр или фотосопротивление. Вид приемника выбирается в зависимости от характера ожидаемого спектрального распределения излучения цели. Так, например, корабли имеют поверхности как нагретые до температуры, мало отличающейся от температуры окружающей среды, так и нагретые значительно сильнее – до 100º С и более (поверхности труб и газовый факел). В общем, при теплопеленг8ации используются участки инфракрасного спектра приблизительно до 12 мк.

Назначение теплопеленгационной станции состоит в обнаружении цели в заданном секторе наблюдения и указании пеленга на нее. Для выполнения этих функций теплопеленгаторная станция состоит из следующих основных частей:

1) приемного устройства, содержащего обычно параболический отражатель, в фокусе которого расположен приемник излучений;

2) усилительного устройства, усиливающего сигнал, полученный приемником, до величины, позволяющей приводить в действие автоматику станции;

3) проборов автоматики и электрического привода, приводящих приемное устройство во вращение, осуществляющих реверс и удержание цели на оптической оси приемного устройства;

4) индикаторного устройства, показывающего наличие цели и ее пеленг.