Инфракрасные системы «смотрящего» типа

ИНФРАКРАСНЫЕ СИСТЕМЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРАВООХРАНИТЕЛЬНЫМИ И ДРУГИМИ ОРГАНАМИ И СЛУЖБАМИ

С 80-х годов службы береговой охраны и контроля за распространением наркотиков США стали применять ИКС. С начала 90-х годов вертолеты этих служб оборудуются ОЭС, работающими в двух спектральных диапазонах (0,4... 1,1 и 8... 12 мкм) и имею­щими в своем составе лазерные дальномеры. Угловое поле ОЭС может изменяться в диапазоне 0,4... 1,1 мкм от 4 до 40°, а в диапазоне 8... 12 мкм оно равно 5...8° либо 3°. Соответственно угловое разрешение в первом диапазоне составляет 0,3...0,4 угл. мин, а во втором - 12...20 угл. с. Мощность излучения в импульсе лазерных дальномеров, ра­ботающих на длине волны 1,06 мкм, около 20 мДж, длительность импульсов 12 не при частоте их повторения 1 Гц. Угол расходимости лазерного пучка равен 0,7 угл. мин. Масса таких систем составляла от 11 до 19 кг. Стоимость отдельных модулей была равна: 3...15 тыс. долл. (модуль видимого и ближнего ИК-канала), 100... 150 тыс. долл. (длинноволновый ИК-канал) и 1,6...5,0 тыс. долл. (лазерный дальномер). Учитывая ряд недостатков этих систем, в частности опасность излучения с длиной волны 1,06 мкм для глаза, большие габариты и массу, а главное высокую стоимость, уже с середины 90-х годов наметился переход к облегченным портативным и менее дорогим системам, часть из которых представлена в табл. 14.1 и 14.2.

На малых вертолетах правоохранительных органов США используются ИКС, смон­тированные внутри стабилизированных гироскопических шаровых устройств диамет­ром около 250 мм. Наиболее распространены ИКС с ФПУ на базе InSb, работающие в спектральном диапазоне 3...5 мкм.

Фирма «Indigo Systems» (США) предлагает правоохранительным органам двухка­нальный (телевизионный и тепловизионный каналы) прибор Thermocorder массой око­ло 1 кг и энергопотреблением менее 4 Вт. Тепловизионный канал имеет неохлаждае - мую микроболометрическую матрицу формата 120 х 160 и объектив с угловым полем 30x40°. Возможно использование более длиннофокусных объективов, что приводит к сужению поля до 19x25 и 11x15°. Эквивалентная шуму разность температур ФПУ око­ло 100 мК, что достаточно для обнаружения мокрых следов; брошенного в траву или кусты оружия; нарушений поверхности грунта, произведенных несколько дней назад; следов припарковки автомобиля через несколько часов и т. п.

По заказу командования ракетно-космических войск США компания «Boeing» разработала малогабаритную ИКС на микроболометрической матрице формата 320x240 пикселов размером 51 мкм [73]. Камера с германиевым объективом if' = 25 мм, К = 1) имеет ДГР « 50 мК. Масса камеры менее 500 г, что позволяет использовать ее в нашлемном варианте. Предполагается усовершенствовать ФПУ и уменьшить размер пиксела до 25 мкм.

Испытания показали, что диапазон спектральной чувствительности ФПУ простира­ется до длин волн 25 мкм и более. Это позволяет рекомендовать систему для обнару­жения и наблюдения таких слабо нагретых объектов, которые «недоступны» ИКС на охлаждаемых KPT-матрицах, в частности оружия, спрятанного под одеждой, что очень интересует пограничные и правоохранительные службы. Как и другие малогабаритные ИКС на неохлаждаемых болометрических ФПУ, эта ИКС может с успехом использо­ваться не только в военных целях, но и в большом числе гражданских (коммерческих) применений.

Для пограничного патрулирования, охраны зданий и сооружений, полицейского на­блюдения, поисковых и спасательных операций, пресечения перевозки наркотиков, об­наружения террористической деятельности, а также для мониторинга окружающей среды фирма «FLIR Systems» предлагает ИКС дальнего радиуса действия ThermoVision 2000, устанавливаемую на специальную платформу. Оптическая система имеет три уг­ловых поля: 25x19°, 6,0x4,5° и 0,99x0,74°. В ИКС используется ФКЯ-охлаждаемый МПИ формата 320х240 пикселов, работающий в диапазоне 8...9 мкм с температурным разрешением 0,03 °С при частоте кадров 50/60 Гц. Дальность обнаружения цели типа танка НАТО STANAG 4349 составляет 17 км. Система потребляет мощность 20 Вт, имеет массу 18 кг и габариты 503x312x267 мм. Выход на режим охлаждения по циклу Стирлинга не превышает 6 мин.

Для оснащения постов пограничного контроля ОАО «Красногорский завод им. С. А. Зверева» и ОАО «ЦНИИ Циклон» был разработан автоматизированный комплекс «ЗЕНИТ-БАРЬЕР-ТП». Комплекс базируется на ИКС с микроболометром формата 320x240 и обеспечивает автоматизированную обработку видеоизображений с 12 по­стов. При обнаружении объекта (человека) с возможными признаками атипичной пневмонии, т. е. наблюдаемой поверхности тела с повышенной температурой, подается сигнал тревоги.

Для охранных систем, предназначенных для обнаружения и идентификации апри­орно известных объектов (людей, животных) в небольших помещениях, мохуг исполь­зоваться ИКС с МПИ небольшого формата. В [189] описывается такая ИКС низкого разрешения на базе дешевого неохлаждаемого МПИ, работающего в диапазоне

6.. . 14 мкм. Авторы приводят простую методику расчета основных геометрооптических параметров системы, предназначенной для обнаружения и идентификации людей внут­ри помещения на расстояниях до 15 м. Угловое поле объектива равно 50°, фокусное расстояние — 6 мм. Общий размер чувствительного слоя МПИ формата 64x64 составля­ет 5,6Х5,6 мм. Система крепится на высоте 2 м, угол наклона оптической оси объекти­ва, смотрящего вниз, 25°. При частоте кадров 30 Гц, эквивалентной шумовой полосе частот 62 кГц, D = 5,5* 10 8 Вт'-смТц1^ значение ДГП составляет 0,5°С, что вполне дос­таточно для решения представленной задачи.

Журнал «Nature» от 2 января 2002 г. (с. 35) сообщил о разработке ИКС высокого разрешения, которая способна обнаруживать мгновенный прилив крови к области во­круг глаз, возникающий, когда человек говорит неправду, поскольку в этом случае температура повышается на несколько градусов. Хотя такой эффект сугубо индивидуа­лен, испытания этого своеобразного детектора лжи показали, что подобное устройство обеспечивает гораздо большее быстродействие, нежели стандартные полиграфы, и не­сколько большую вероятность обнаружения попытки обмана.

В криминалистике с помощью ИКС проводят экспертизу документов, испорченных краской, копотью, плесенью, определяют подлинность произведений живописи по скрытому под слоем краски изображению. В [222] описываются эксперименты по рас­познаванию отпечатков пальцев с помощью ИКС на базе V02-термистора формата 128x128 пикселов с шагом 52 мкм, что грубо соответствует требуемому ФБР США раз­решению 500 точек на дюйм. Термоэлектрический холодильник стабилизирует рабо­чую температуру системы, специальная защитная крышка предохраняет схему считы­вания от непосредственного контакта с пальцами обследуемого. Эксперимент подтвер­дил возможность получения достаточно четких отпечатков с высоким контрастом и, что очень важно, в реальном масштабе времени.

Одно из наиболее перспективных применений ИКС - обнаружение очагов пожаров и пожароопасных зон. В настоящее время существует довольно много ИКС «смотряще­го» типа, успешно решающих эту задачу и построенных на базе пироэлектрических приемников, ферроэлектрических и резистивных микроболометров (см. табл. 14.1 и

14.2) . Бесконтактный метод работы таких ИКС обеспечивает контроль за удаленными и труднодоступными объектами и зонами, а также безопасность персонала. Эти системы могут функционировать в условиях задымления, обладают большим быстродействием, нежели контактные датчики. С их помощью можно быстро определить наличие и раз­меры зон опасного нагрева зданий, инженерных сооружений, оборудования и т. п. Осо­бенности условий работы ИКС, используемых при тушении пожаров, для обнаружения и эвакуации пострадавших, предъявляют ряд специфических требований: максималь­ные простота конструкции системы и порядок работы с ней, меньшая масса, автоном­ный источник питания, устойчивость к разнообразным внешним воздействиям и т. п. Нужно учитывать, что зачастую динамический диапазон сигналов, с которыми прихо­диться работать ИКС, очень велик, поскольку, например, желательно использовать од­ну систему и для обнаружения очагов возгорания, т. е. для приема малых потоков излу­чения, и для распознавания малых разностей температур на очень мощном фоне излу­чения горящих объектов.

Такие системы, например модули SIM 200 фирмой «Lockheed Martin IRS», выпус­каются в ручном или наголовном исполнении. Малые масса и габариты, незначитель­ная потребляемая мощность и большой срок службы батарей питания придают им ав­тономность, а верхний предел рабочих температур (до +160°С) позволяет работать в сложных эксплуатационных условиях. Для ряда применений очень важна возможность передачи высококачественного изображения в телевизионном стандарте с частотой 60 Гц и в диапазоне до 120 дБ.

В [182] описываются малогабаритные, облегченные и надежные ИК-камеры для противопожарных служб. Как утверждается в [182], это - самые дешевые системы та­кого назначения на базе микроболометров аморфного кремния. Формат микроболомет­ра - 160x128 пикселов размером 46,5 мкм. Спектральный рабочий диапазон 7... 14 мкм. В микроболометрическом ФПУ применено термоэлектрическое охлаждение. При объ­ективе с К = 1,025 значение АТП <100 мК. Динамический диапазон регистрируемых температур превышает 80°С. Камеры не имеют движущихся узлов (затворов, обтюра­торов) и готовы к работе через 15 с после включения. Угловые поля сменных объекти­вов, состоящих из германиевых линз, 13,6x18,2° при фокусном расстоянии 25 мм и 34,3x48,0° при фокусном расстоянии 9 мм. Угловое разрешение соответственно состав­ляет 2 и 5,5 мрад. Диапазон фокусировки камер - от 1 м до бесконечности. Помимо вы­хода на ИКС-дисплей формата 320x240, камера имеет стандартные выходы RS-170 и RS-485. Напряжение питания в автономном режиме равно 3 В; камеры в течение

2,5.. .3,5 ч могут работать от малогабаритных элементов питания серии АА. Потреб­ляемая мощность при использовании дисплея не превышает 800 мВт, а при его отсут­ствии и использовании цифрового выхода с разрядностью 8 бит — 380 мВт.

Такие камеры применяют не только при борьбе с пожарами, но и для их предотвра­щения путем дистанционного контроля пожароопасных ситуаций и сооружений и вы­явления нагретых сверх допустимых пределов зон. Как и другие ИКС, такие камеры могут быть полезны в охранных комплексах, медицинских установках, транспортных системах, промышленных системах технического зрения и др. [169, 182].

Достаточно показателен созданный фирмой «Cairns Advanced Technologies» тепло - визионный прибор Cairns VIPER, работающий в диапазоне 8... 12 мкм и заключенный в легкий, ударопрочный и влагостойкий корпус. Время непрерывной работы прибора 1,5 ч. Функции приемника выполняет микроболометр формата 320x240 с ДГП = 70 мК. Прибор дополнен системой передачи видеоизображения по радиоканалу и устройством записи изображений.

Фирма «Bullard» выпускает индивидуальный прибор для пожарных Bullard Thermal Imager (рис. 14.8 на вклейке), имеющий термостойкий, влагозащищенный и ударопроч­ный корпус. Неохлаждаемый диэлектрический микроболометр на базе BST формата 320x240 работает в спектральном диапазоне 8...14 мкм при ДГП= 50 мК. Объектив при­бора имеет f = 18 мм, диафрагменное число К = 1, угловое поле 55°. Время непрерыв­ной работы 1,5... 1,75 ч. Прибор снабжен интерфейсом RS-170 и имеет ЖК-дисплей с размером диагонали около 100 мм.

Группа компаний «ISC Thermal Systems Group» представляет на рынке пожарной и спасательной техники прибор К-901 Talisman Plus, имеющий тепловизионный канал, работающий в диапазоне 8... 14 мкм и построенный на микроболометре формата 160x120 компании «Raytheon» с Д7’1| <100 мК.

Портативная тепловизионная камера «Талисман» на базе пировидикона, функцио­нирующая в диапазоне 8... 14 мкм, рекомендуется разработчиком (ЦНИИ «Электрон») для систем поиска и охраны в ночное время и в условиях плохой видимости, для тамо­женного досмотра, обнаружения пожаров на ранних стадиях возгорания, а также для вождения судов и наземных транспортных средств. Камера имеет полностью автомати­зированное управление и автономное питание, а также канал изображения в видимом диапазоне, который обеспечивает идентификацию объектов и ориентирование на мест­ности. Габариты камеры 310*156x115 мм> масса с аккумулятором 2,7 кг. Она разреша­ет 220 TBJI по вертикали и 150 по горизонтали при угловом поле 40° и фокусном рас­стоянии объектива 18 мм. Температурное разрешение АТП = 100 мК. Длительность ра­боты от аккумулятора составляет 1 ч.

В [133] описываются одно - и двухдиапазонные (8...9 и 14...15 мкм) матрицы на ФКЯ формата 256*256, охлаждаемые до 70 К. Портативные камеры на базе этих мат­риц с успехом использовались для обнаружения очагов пожаров с борта вертолета в условиях задымления.