CC BY-NC
16
Б01: 10.24937/2542-2324-2021-2-396-134-138 УДК 621.384.3+551.46.08
С.С. Зенченко
ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭФФЕКТИВНОГО ПРИМЕНЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Объект и цель научной работы. В работе представлены характеристики современной тепловизионной техники и обоснованы возможности ее расширенного применения.
Материалы и методы. Представлены исследования, основанные на применении метода учета баланса различных составляющих теплового излучения водной поверхности и его изменения посредством применения различных режимов наблюдения водной поверхности, измерений при различной интенсивности излучения небосвода, применения дополнительной естественной подсветки за счет солнечного излучения.
Основные результаты. Выполнен анализ современных тепловизионных средств, затрагивающий удобство измерения за счет применения информационных окон оператора, различных спектральных диапазонов ИК-спектра, различных форматов матричных приемников излучения, а также сравнительного представления поля температуры с применением 3-мерной формы, контрольных точек, линий и т.п.. Приведены результаты сравнительных измерений различных приборов при регистрации естественных и искусственных аномалий теплового излучения, связанных с изменением термодинамической температуры границы раздела «вода - воздух» и аналогичных измерений с превалирующей долей отраженной составляющей теплового излучения. Рассмотрены возможности применения тепловизионных средств с учетом использования дополнительного усиления сигнала посредством методики одновременной регистрации отраженного солнечного излучения; проведено сравнение данных одновременно в видимом и инфракрасном (ИК) диапазоне спектра.
Заключение. Даны выводы об использовании различных методов измерения для регистрации составляющей собственного теплового излучения водной поверхности и отраженной составляющей, позволяющей использовать ее для измерения волновой структуры морской поверхности. Показаны возможности оперативного наглядного и структурированного анализа зарегистрированного теплового поля и его представления одновременно с температурной, цветовой, линейной и временной шкалами измерений.
Ключевые слова: тепловизионные средства, тепловое излучение, ИК-диапазон спектра. Автор заявляет об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-2-396-134-138 UDC 621.384.3+551.46.08
S. Zenchenko
Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
METHODS AND RESULTS OF EFFECTIVE APPLICATION OF MODERN INFRA-RED IMAGING TECHNOLOGIES FOR MEASURING HYDROPHYSICAL PROCESSES
Object and purpose of research. The paper presents characteristics of modern infra-red imaging technologies and highlights their potential for wide application.
Для цитирования: Зенченко С.С. Методы и результаты эффективного применения современных тепловизионных средств измерения гидрофизических процессов. Труды Крыловского государственного научного центра. 2021; 2(396): 134-138.
For citations: Zenchenko S. Methods and results of effective application of modern infra-red imaging technologies for measuring hydrophysical processes. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2021; 2(396): 134-138 (in Russian).
Materials and methods. Investigations are presented based on the account of balance of various components of water surface thermal radiation and its changes under different conditions of water surface observations, measurements at different sky radiation intensities and application of additional natural illumination by solar radiation.
Main results. Modern infra-red imaging technologies are analyzed for convenience of measurements using operator's windows, different spectral IR ranges, various matrix receiver formats as well as comparative temperature fields presentation using 3-D control points, lines, etc. Comparative measurements of various instruments are given in recording of natural and artificial anomalies of thermal radiation related to changes of the air/water thermal interface and similar measurements with prevailing reflected thermal radiation component. Possibility of applying IR imaging technologies with additional signal amplification by simultaneous recording of reflected solar radiation are considered. Data recorded concurrently in visible and IR ranges of spectrum are compared.
Conclusion. Conclusions are given regarding various measuring methods to record the proper thermal radiation of water surface and its reflected component, which can be used to measure the wave structure of marine surface. The possibilities of visible online analysis and structured analysis of the recorded temperature field with simultaneous display of its temperature, color, linear and time scale are demonstrated.
Keywords: IR imaging technologies, thermal radiation, IR range of spectrum. The author declares no conflicts of interest.
Океанская среда в целом, а морская поверхность (МП) особенно, отличается многообразием гидрофизических процессов. Изучение этих процессов дает возможность прогнозирования состояния морской среды и МП для дальнейшего использованиям при экологических задачах, для практического применения морской техники и расширения возможностей мониторинга Мирового океана. К таким процессам, определяющим состояние МП, относится естественная турбулентность, течения, волнение и т.п.
Для изучения состояния морской среды применяются различные методы и приборы, работающие на различных принципах и контролирующие физические параметры и величины, относящиеся к различным полям. Некоторые используемые средства измерения позволяют напрямую получать сведения о происходящих процессах. Применение других дает косвенное представление о них и требует интерпретации. Одним из перспективных полей, изменчивость которого напрямую зависит от состояния морской среды и МП, является поле температуры.
Существуют различные методы дистанционного контроля поля температуры с использованием приборов инфракрасного (ИК) диапазона спектра. Возможности применения этой техники достаточно широки. Они включают применение различных спектральных диапазонов, вариаций оптического разрешения и чувствительности.
Накопленный опыт и достаточно большой объем измерений [1-4], приобретенный в течение 40 лет с помощью ИК-радиометрической техники, которая обеспечивает получение интегральных параметров с площади разрешения МП, ограниченной размерами оптической системы, являются основой
при использовании более совершенной измерительной ИК-техники для наблюдения МП.
Радиометрические исследования позволили получить данные об изменении интенсивности излучения МП при наклонном зондировании в диапазоне углов визирования от 0 до 180°, а также в различных участках ИК-области спектра при различных состояниях облачности, волнения поверхности, уровне ветровой нагрузки в приводном слое атмосферы. Эти данные раскрывают различия в применении надир-ных режимов измерений и измерений вблизи углов Брюстера (65-75°). Применение различных спектральных диапазонов [4] показало, что такие различия существуют и они определены особенностями формирования приводного слоя атмосферы вблизи самой границы раздела «вода - воздух».
Второй аспект развития дистанционных методов измерения - применение специализированной обработки входного сигнала, полученного при наклонном зондировании вблизи углов Брюстера, с целью выделения и контроля волновой структуры МП. В этой ситуации опробованы вариации модуляции входного теплового излучения с частотой от 0,15 до 10 Гц, дублирующие, в некотором роде, процесс вариации пространственного разрешения, имитирующего процесс вариаций пространственного разрешения посредством «стробоскопирования» взволнованной МП [4].
Результаты настоящей работы относятся к применению уже более современной тепловизи-онной техники, обладающей возможностью панорамного контроля МП и получения количественных данных с высоким разрешением, поскольку регистрируемое тепловое излучение фиксируется в пределах каждого пикселя матрицы приемника излучения, вносящего свою информацию в общую
картину. Появляется необходимость новой оценки и осмысления результатов измерений, поскольку существенное увеличение разрешающей способности прибора за счет получения информации от каждого пикселя матрицы приемника, соизмеримого с размером элементарной площадки на водной поверхности (фацета), подверженной сильным 3-мерным угловым поворотам, будет отслеживаться приемником излучения. Кроме того, вариации частоты кадров до нескольких сотен герц обеспечивают контроль различных по скорости тепловых процессов, открывающих новые свойства границы раздела «вода - воздух».
Технические возможности исследований обеспечивались регистрацией теплового поля в спектральных диапазонах 1,5-5,7 и 7-14 мкм. Примененные различные объективы и размеры матриц приемников излучения (1024*768; 640*512) обеспечили изучение разномасштабных процессов взволнованной водной поверхности, в т.ч. в трехмерном представлении. Возможности тепловизион-ной цифровой техники отличались удобным выводом оперативной информации на экран дисплея оператора.
На рис. 1а (см. вклейку) представлен пример информационного окна оператора с зарегистрированной термограммой, куда можно одновременно выводить информацию по нескольким контрольным точкам, позволяющим сразу проводить сравнительный анализ состояния максимальных и минимальных величин, значений величин удаленных областей теплового поля. Кроме того, на это информационное окно возможно нанесение данных о параметрах обстановки (температуре воздуха, влажности, расстоянии до МП, уровне установленного значения излучательной способности (е) МП). Представляется достаточно удобным одновременное выделение контрольной линии исследуемого поля и получение информации по сечению этого поля в динамике (в пространстве и во времени).
На рис. 1 представлены данные информационного окна другого типа. В этом случае выведена термограмма с возможностью детализации по температуре, масштабам и динамике в пределах общей площади разрешения и с точностью до 1 пикселя фиксации поля температуры с использованием дополнительных контрольных сечений. Одновременно фиксируется временная изменчивость поля (а), гистограмма вероятности распределения тепловых зон, информационные данные применяемых сечений (Ь), 3-мерная нестационарность в пределах линий сечения (с), а также интегральное 3-мерное
представление по всей площади оптического захвата акватории МП (а?).
В соответствии с ранее полученными выводами установлены 3 основных фактора, вариации которых формируют изменчивость регистрируемого теплового поля: собственное излучение МП, геометрия поверхности, излучение или подсветка небосвода.
Вариации первой из составляющих можно промоделировать путем создания перемешивания, подъема нижележащих слоев воды к поверхности и т.п. Все эти процессы искусственного моделирования приводят к одному результату - разрушению поверхностной пленки воды и появлению нижележащих слоев воды. Основной режим наблюдения МП - измерение в надир.
На рис. 2 (см. вклейку) показаны построенные на основании термограмм интегральные изменения температуры в пределах матрицы до и после перемешивания границы раздела «вода - воздух» и результаты обработки данных, обеспечивающей определение величины перепада температуры АТ после возмущения границы раздела «вода - воздух». Зафиксированное максимальное отличие температуры поверхности и водных масс на удалении от свободной поверхности составило 0,6 °С. Это полностью соответствует неоднократно подтвержденным представлениям о существовании холодной поверхностной пленки воды при положительной разности между температурой воды и воздуха (например, 3,4 °С). Как видно из представленных материалов, за счет контроля пространственного изменения поля температуры возможно получение не только количественных значений, но и масштабов пространственных неоднородностей поля температуры. В данных дистанционных измерений размеры матрицы в 1024*768 пикселей обеспечивали детализацию площади свободной водной поверхности с максимальным диаметром 0,5 м.
На рис. 3 (см. вклейку) показаны одновременно вид теплового поля водной поверхности, наблюдаемого под углом визирования ф = 50°, и термограмма радиационного поля небосвода при угле визирования ф = 160°, попадающего под зеркальным углом в объектив тепловизора после отражения от водной поверхности. Кроме того, представлены фрагменты водной акватории и небосвода в видимом диапазоне и термограммы (термограмма 2), принимаемые для обработки и полученные путем выделения более информативных и вероятных диапазонов температуры (отделение от окружающего фона). На основании выделенных кон-
Рис. 1. Варианты информационных окон оператора:
a) временная изменчивость поля;
b) гистограмма вероятности распределения тепловых зон, информационные данные применяемых сечений;
c) 3-мерная нестационарность в пределах линий сечения;
d) интегральное 3-мерное представление по всей площади оптического захвата акватории морской поверхности
Fig. 1. Operator's window options: з) time variations;
b) bar chart of thermal zone distributions, section data;
c) 3-D unsteadiness within section lines;
d) integral 3-D presentation over entire area of optical capture
of marine surface
Рис. 2. Изменения температуры контролируемой области водной поверхности, ограниченной параметрами оптической системы и размерами матрицы: до (а) и после (Ь) перемешивания. Выделение величины изменения ДГ: после обработки данных (с, d)
Fig. 2. Temperature variations of monitored area of water surface restricted by parameters of optical system and matrix dimensions: before (a) and after (b) mixing. Determination of variations Д7": after data processing (c, d)
Рис. 3. Сопоставление и корреляция термограмм между небосводом (1, ср = 160°) и водной поверхностью (2, ф = 50°)
Fig. 3. Comparison and correlation of thermograms between the sky (1, ф = 160°) and the water surface (2, cp = 50°)
Рис. 4. Термограмма и профиль теплового поля взволнованной водной поверхности
Fig. 4. Thermogram and profile of thermal field of wavy water surface
1 ГЧ IL л и
1 Ш 2
4 7 L 6 9 L
Рис. 5. Фрагменты эволюции солнечной дорожки на водной поверхности в инфракрасном и видимом диапазоне спектра
Fig. 5. Parts of evolution of solar street on water surface in IR and visible light spectrum
термограммы Видимый диапазон Интегральная х-ка По горизонтальнойЛинии По вертикальной л
Рис. 6. Сравнительные данные исследования солнечной дорожки и волнения
Fig. 6. Comparative data of investigation of solar street and waves
трольных линий даны профили температуры в пределах размеров матрицы и интегральные профили по всей площади матрицы. Как следует их этих данных, корреляция изменений температуры хорошо просматривается даже без дополнительного расчета коэффициентов корреляции.
На рис. 4 (см. вклейку) показаны примеры регистрации теплового поля взволнованной водной поверхности на удалении 10 м при наблюдении под углом визирования 70°. Изменение этого поля в пределах контрольного сечения прописывает его модуляцию из-за крупного волнения. По всем известным параметрам (линейные размеры пикселя, временная фиксация записи и т.п.) можно определить параметры волнения, а с учетом частоты кадра и панорамной картины - скорость и направление движения.
Представленные выше результаты исследований основывались на контроле раздельного влияния радиационного поля небосвода и проявлений волновой структуры. Однако приобретенный опыт исследований позволяет определить условия, при которых измерения волновой структуры могут оказаться более эффективными. Для этого нужно использовать объектив высокого разрешения, приемник излучения с наибольшей по размерам матрицей и осуществлять наблюдения МП под углами визирования, соответствующими углу Брюстера. Кроме того, проведя измерения в условиях различной облачности, можно менять эффективность (контраст, четкость регистрации) выделения волновой структуры. В условиях безоблачной атмосферы вклад в величину отраженной составляющей будет максимально приемлемым, поскольку в этом случае уровень интенсивности излучения существенно выше, чем для условий сплошной облачности, поскольку при сплошной облачности температура низких облаков незначительно отличается от температуры водной поверхности.
Не исключены и другие возможности усиления такого эффекта. Он может быть связан с проведением регистрации волновой структуры в области солнечной дорожки, которая при обычном гидрофизическом мониторинге МП вносит паразитный эффект из-за сильной засветки. Порой даже требуется дополнительная компенсация влияния солнечной дорожки с помощью применения канала максимального спектрального проявления засветки в диапазоне спектра от 0,8 до 1 мкм.
На рис. 5 (см. вклейку) приведены парные фрагменты (1-9) эволюции солнечной дорожки в ИК-диапазоне и в видимой области спектра в присутствии искусственного волнения. Причем регистра-
ция проводилась, начиная с условий зеркально гладкой поверхности, затем создавалось временное регулярное крупное волнение, легко контролируемое в видимой области спектра, и заканчивалось все затуханием до гладкой поверхности. Легко заметить, что волновая структура хорошо просматривается на фрагментах представленных термограмм.
На рис. 6 (см. вклейку) приведены 3 фрагмента из этой же серии, соответствующие наблюдениям без волнения (1), при максимальном его проявлении (2) и после восстановления поверхности (3). Одновременно показаны интегральные параметры поля температуры солнечной дорожки по всей площади и матрице приемника и аналогичные проявления по линиям контрольного сечения в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Наиболее характерные изменения, коррелированные с создаваемыми волновыми возмущениями, наблюдались при вертикальных сечениях, проведенных поперек фронта распространения волнения. Эти данные позволяют провести дальнейшие расчеты и определить необходимые параметры волнения с использованием дополнительной тепловой подсветки.
Выводы
Conclusion
Исследования, проведенные с применением теп-ловизионной техники, обладающей более высоким разрешением, чувствительностью и возможностью панорамного 3-мерного представления теплового поля МП, позволили не только подтвердить выводы радиометрических измерений, но и качественно расширить информацию о параметрах и процессах теплового поля за счет детализации структуры и пространственно-временной изменчивости теплового поля. Одновременно результаты исследований показывают принципиальную возможность применения различных режимов наблюдения МП и применения искусственных средств и методов для достижения нового качества контроля поля температуры.
Список использованной литературы
1. Зенченко С.С., ПоварковВ.И., СамковВ.М. Угловой и многоспектральный метод измерения характеристик морской поверхности в оптическом диапазоне спектра // Оптика моря и атмосферы: тезисы докладов X Пленума Рабочей группы по Оптике океана. Ленинград, 1988. С. 414-415.
2. Зенченко С.С., Самков В.М. Особенности использования дистанционной аппаратуры при измерении
температуры поверхности океана // Проблемы метрологии гидрофизических измерений: тезисы докладов Всесоюз. конф. Москва: ВНИИФТРИ, 1990.
3. Зенченко С.С., СамковВ.М. Опыт практического применения ИК радиометрической и тепловизионной аппаратуры при решении задач, связанных с тепломассообменом на границе раздела двух сред // Тепловидение в медицине, промышленности и экологии: тезисы докладов XVIII Научно-практ. конференции. Санкт-Петербург, 2014. С. 62-63.
4. ГавриловД.С., Зенченко С.С., СамковВ.М. Результаты угловых и многоспектральных измерений радиационной температуры взволнованной морской поверхности // Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики: труды Всерос. конференции. Санкт-Петербург, 2016. С. 151-153.
References
1. S.S. Zenchenko, V.I. Povarkov, V.М. Samkov. Angular and multispectral method of measuring the characteristic of marine surface in optical range of spectrum. Optika moray i atmosfery: tezisy dokladov X Plenuma Rabochei gruppy po optike okeana. Leningrad, 1988. P. 414-415 (in Russian).
2. S.S. Zenchenko, V.М. Samkov. Specifics of remote instrumentation application in measuring ocean surface temperature. Problemy metrologii gidrofizicheskich
izmerenii: tezisy dokladov Vsesoyuz. Konf. Moscow: VNIIFTRI, 1990. (in Russian).
3. S.S. Zenchenko, КМ. Samkov. Experience with application of IR radiometry and IR imaging instrumentation in solving the problems related to thermal and mass exchanges at two media interface // Teplovidinie v meditsine, promyshlennos-ti i ecologii: tezisy dokladov XVIII nauchno-prakt. Kon-ferentsii. St.Petersburg, 2014. P. 62-63. (in Russian).
4. D.S. Gavrilov, S.S. Zenchenko, КМ. Samkov. Results of angular and multispectral method of measuring wavy marine surface. Prikladnye technologii gidroacoustici i gidrofiziki: trudy Vseros. konferentsii St.Petersburg, 2016. P. 151-153 (in Russian).
Сведения об авторе
Зенченко Сергей Сергеевич, к.т.н., начальник сектора ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (911) 783-92-95. E-mail: zenchenko50@bk.ru.
About the author
Sergey S. Zenchenko, Cand. Sci. (Eng.), Head of Sector, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskov-skoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Тел.: +7 (911) 783-92-95. E-mail: zenchenko50@bk.ru.
Поступила / Received: 10.02.21 Принята в печать / Accepted: 28.04.21 © Зенченко С.С., 2021
