CC BY
227
Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 11. Ч. 2
Smirnova Elena Evgenievna, candidate of pedagogical sciences, docent, head of chair, eesmirn@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Lipatova Yuliya Vyacheslavovna, postgraduate, lemonic@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.78
ОБЩАЯ СТРУКТУРА ТЕПЛОВИЗОРОВ И ВАРИАНТЫ ИХ КЛАССИФИКАЦИЙ
Е.В. Филиппова
Излагается общий принцип функционирования тепловизионных систем наблюдения, приводится классификация инфракрасных систем по различным признакам.
Ключевые слова: инфракрасная система, тепловизор, сканирующая система, инфракрасное излучение, приемник излучения.
По общему принципу функционирования тепловизоров (рисунок) инфракрасное излучение концентрируется системой специальных линз и попадает на фотоприёмник, который избирательно чувствителен к определённой длине волны инфракрасного спектра. Попадающее на него излучение приводит к изменению электрических свойств фотоприёмника, что регистрируется и усиливается электронной схемой. Полученный сигнал подвергается цифровой обработке, и это значение передаётся на блок отображения информации. Блок отображения информации имеет цветовую палитру, в которой каждому значению сигнала присваивается определённый цвет. После этого на мониторе появляется точка, цвет которой соответствует численному значению инфракрасного излучения, которое попало на фотоприёмник. Сканирующая система (зеркала или полупроводниковая матрица) проводит последовательный обход всех точек в пределах поля зрения прибора, и в результате получается видимая картина инфракрасного излучения объекта. Таким образом, на мониторе тепловизора мы видим значения мощности инфракрасного излучения в каждой точке поля зрения тепловизора, отображённые согласно заданной цветовой палитре (черно-белой или цветной).
Обобщенная функциональная схема тепловизора: 1 - оптическая система; 2 - фотоприемник; 3 - система охлаждения; 4 - усилитель;
5 - аналого-цифровой преобразователь; 6 - формирователь изображения; 7 - формирователь изображения; 8 - дисплей;
9 - цифровой выход
Вышеописанной обобщенной схеме может соответствовать много технических решений. Целесообразно сделать классификацию средств получения теплового изображения по различным признакам (таблица).
Как уже отмечалось в таблице, п.5, тепловизионные системы от первого до третьего поколения являются сканирующими системами. Сканирующие системы тепловидения используют различные типы сканирования: одноэлементное, параллельное, последовательное. Различаются типы сканирования по траекториям сканирования, закону сканирования и другим признакам.
Оптическая система тепловизора сканирующего типа собирает излучение картины и осуществляет спектральную и пространственную фильтрацию и фокусировку излучения, создавая изображение картины в фокальной плоскости, где расположен небольшой чувствительный элемент одноэлементного приемника излучения. Оптико-механическая система сканирования, состоящая из двух зеркал, одно из которых качается вокруг вертикальной оси, а другое - вокруг горизонтальной оси, расположена между объективом и приемником излучения. Пучок лучей от объекта, падающий на приемник, перемещается при покачивании зеркал, образуя в пространстве объектов растр телевизионного типа [3].
Поступающее от наблюдаемой картины электромагнитное излучение оказывает на приемник возмущающее воздействие, которое обычно пропорционально энергии излучения. Характер возмущения зависит от типа приемника (таблица, п.7) и может проявляться в разделении носителей заряда, появлении фотопотока или изменении сопротивления. Приемник инфракрасного излучения в определенной совокупности рабочих условий характеризуется параметрами - чувствительностью Я и удельной обнару-жительной способностью О.
Классификация средств получения теплового изображения
'УЛ
о
] Назначение и область применения Визуализация Радиометрия (измерение температур объектов, их яркости и (тепловизионные системы) других параметров)
2 Сферы использования Гражданского назначения Военного назначения
профессиональная и технического (машинного) , научные исследования любительская аппаратура зрения
3 Метод работы Пассивный метод - по собственному отражённому излучению наблюдаемых или контролируемых объектов и/или по отраженному от них излучению, создаваемому естественными источниками (без подсветки) Активный метод - по отраженному или рассеиваемому объектом излучению, искусственно создаваемому специальным источником (с подсветкой) Полуактивный метод - облучение (подсвечивание) сравнительно широкого углового поля, в котором находится не один, а несколько объектов
4 Спектральные поддиапазоны работы Ближний 0,76.1,1 Коротковолновый Средневолновой Длинноволновой Дальний 1,1.2,5 3,0.5,0 8,0.14,0 15,0.1000
5 Способ анализа наблюдаемого и контролируемого пространства Сканирующие (многоэлементный приёмник излучения в виде линейки отдельных чувствительных элементов) «Смотрящие» (многоэлементный матричный приёмник оптического излучения - РРА)
одноэлементное параллельное последовательное
по траектории сканирования
по закону сканирования
6 Способ обработки информации Аналоговый Цифровой Смешанный
7 Тип приемника-преобразователя оптического сигнала Электронно-оптические преобразователи Фотоэлектровакуумные передающие телевизионные трубки с накоплением или без накопления сигналов Многоэлементные твердотельные приёмники оптического излучения
тепловые и фотонные
охлаждаемые и неохлаждаемые
болометрические
фотодиодные
фоторезисторные
8 Вид выходного устройства (системы отображения) Телевизионная трубка Дисплей ЭВМ, компьютер
9 Технико-экономические, конструктивные параметры и характеристики Охлаждаемые | Неохлаждаемые
Габариты, масса, энергопотребление срок непрерывной работы, время выхода на рабочий режим после включения, стоимость
10 По поколениям ИКС с одноэлементным приёмником излучения и оптико-механическим мультиплексированием выходного сигнала ИКС с оптико-механическим сканированием, приёмником в виде линейки чувствительных элементов и оптико-электронным мультиплексированием выходного сигнала ИКС «смотрящего типа» ИКС «смотрящего» типа с матричным приёмником, работающим в нескольких спектральных диапазонах
с?
05 ГЪ О
3 §
§
н а г; -с
о «
г;
а «
г; о
Ьо
СГ
•>4
3
л
К)
Входной аналоговый оптический сигнал тепловизора четвертого поколения или «смотрящего» типа (таблица, п. 5) с матричным приемником излучения (МПИ) преобразуется оптической системой (объективом) в двумерное распределение освещенности на чувствительном слое МПИ. После дискретизации изображения путем выборки отдельных его элементов и осреднения амплитуд сигналов по площади каждого элемента чувствительного слоя МПИ, производящего пространственную выборку, эти сигналы поступают на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), квантующий их по уровню. Затем образованное таким образом цифровое изображение фильтруется. На заключительном этапе преобразований выходной сигнал реконструируется, т.е. возвращается к аналоговой форме, и отображается на дисплее или каком-либо другом устройстве [4].
Возможны различные варианты классификаций по различным признакам, что и отражено в таблице.
Сама по себе классификация - не цель, а одно из средств обобщения системного методологического подхода к созданию новых и модернизации имеющихся средств контроля систем получения тепловых изображений.
Список литературы
1. Алеев Р.М., Иванов В.П., Овсянников В.А. Основы теории анализа и синтеза воздушной тепловизионной аапаратуры. Казань: Казан. ун-т, 2000. 252 с.
2. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение: пер. с франц. М.: Мир, 1988. 416 с.
3. Ллойд Дж. Системы тепловидения: пер. с англ. М.: Мир, 1978.
414 с.
4. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. М.: Логос, 2004. 444 с.
Филиппова Екатерина Вячеславовна, лаборант, kisskin@,bk.ru Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE GENERAL STRUCTURE OF THERMAL IMAGERS AND OPTIONS FOR THEIR CLASSIFICATIONS
E. V. Filippova
A general principle of the thermal imaging surveillance systems, a classification of infrared systems on various grounds is presented.
Key words: infrared system, a thermal imager, scanner system, infrared radiation, detector.
Filippova Ekaterina Vyacheslavovna, laboratory assistant, kisskin@,bk.ru, Russia, Tula, Tula State University
