Возможности тепловизионного метода неразрушающего контроля в решении антитеррористических задач

А.А.Ковалев, А.В.Ковалев – профессор, доктор технических наук.

Возможности методов неразрушающего контроля и диагностики по созданию аппаратурных средств и комплексов, предназначенных для решения антитеррористических задач, неоднократно обсуждались на страницах настоящего журнала. В предлагаемой статье мы хотим более подробно ознакомить читателей с тепловизионным методом и поисково-досмотровыми аппаратурными средствами на его основе.

Все, что связано с терроризмом и безопасностью обсуждается в настоящее время с большим энтузиазмом, на разных уровнях, с различным итоговым результатом. Это бесспорно необходимо и актуально, но за всем этим необходимо понимать, что проблемы безопасности требуют тщательного исследования, изучения и анализа с обязательным прогнозированием итогового результата. Такой процесс принято называть диагностикой. Диагностика, в ее широком понимании – основа безопасности.

Вся жизнь человека, от начала и до конца, в течении многих столетий сопровождается диагностированием – шлепанием только что родившегося малыша, чтобы он закричал, или прикладыванием зеркала ко рту, чтобы убедиться, что человек еще дышит. Как медицина, так и безопасность должны сопровождаться диагностикой с помощью известных методов и средств исследования. В основе подавляющего числа всех чрезвычайных событий и террористических актов лежит отсутствие эффективной диагностики. Диагностика – это техническое и методическое обеспечение безопасности, ее главный интеллект. Если говорить о антитеррористическом аспекте безопасности то в этом случае антитеррористическую и криминалистическую диагностику ( АТКД ) можно определить как совокупность принципов, методов и средств предотвращения и предупреждения террористических актов и других криминальных проявлений или другими словами – как активную составляющую технического обеспечения безопасности страны, общества и предотвращения терроризма.

В представленной работе мы не будем рассматривать аспекты и различные стороны терроризма, его истоки, историю, витки, классификацию, источники финансирования и политико-идеологические цели. Цель настоящей работы – дальнейшее рассмотрение возможности методов неразрушающего контроля ( НК ) для предотвращения террористических актов и повышения безопасности общества. ( Более конкретно – познакомимся с тепловизионным методом контроля, его особенностями, этапами развития и современным аппаратурным арсеналом ).

Общеизвестно, высокая информативность и широчайшие потенциальные возможности методов НК обусловлены использованием практически всего частотного диапазона электромагнитного спектра, что позволяет создавать технические средства, обладающие возможностью «видения» в оптически непрозрачных средах. Процесс видения осуществляется путем визуализации с помощью оптико-электронных систем невидимых человеческому глазу изображений, создаваемых в рентгеновском, ультрафиолетовом, инфракрасном и других диапазонах электромагнитного спектра. Оптические изображения и образы являются высшей формой получения, хранения и передачи информации, а также ее наиболее удобным, оптимальным видом, воспринимаемым человеком.

Если посмотреть на графическое изображение спектра электромагнитного излучения, то нетрудно увидеть, что видимый диапазон, т.е., диапазон, в котором видит человек без применения технических средств, занимает лишь его небольшую часть. Естественно, что для получения большей информации об окружающем нас мире или об отдельных объектах необходимо осуществлять «видение» в других диапазонах.

Достаточно интересным и информативным является инфракрасный ( ИК ) диапазон спектра, что обуславливается тем, что именно здесь сосредоточена основная доля собственного электромагнитного излучения большинства окружающих нас объектов естественного и искусственного происхождения. ИК диапазон охватывает длины волн от 0.76 до 1000 мкм ( что соответствует частотам от 300 до 0.3 ТГц ). Эта достаточно широкая область спектра условно делится на пять промежуточных диапазонов – ближний ( 0.76 – 1.1 мкм ), коротковолновый ( 1.1 – 2.5 мкм ), средневолновый ( 3.0 – 5.5 мкм ), длинноволновый ( 8 – 14 мкм ) и дальний ( 15 – 1000 мкм ). Иногда два первых диапазона для удобства объединяют в один ( 0.76 – 2.5 мкм ).

ИК диапазоны 3 -5.5 и 7 - 14 мкм являются рабочими зонами тепловизионного метода неразрушающего контроля. Следует отметить, что особый интерес вызывает более информативный диапазон 8 – 14 мкм, полностью совпадающий с наиболее широким окном прозрачности атмосферы и соответствующий максимальной излучательной способности наблюдаемых объектов в температурном диапазоне от – 50 до + 500 гр.С.

Тепловизионный метод контроля основан на том, что любые процессы, происходящие в природе и человеческой деятельности, сопровождаются поглощением и выделением, изменяя внутреннюю энергию тела, которая в состоянии термодинамического равновесия пропорциональна температуре вещества. В результате этого поверхности физических тел приобретают специфическое температурное распределение. Основным путем реализации тепловизионного метода является создание аппаратурных средств, обеспечивающих преобразование температурного распределения или инфракрасного излучения в видимое изображение. Реализация возможностей тепловизионного метода, обеспечивающего как выявление внутренних дефектов в различных объектах, так и эффективного решения проблемы «ночного видения», обнаружения скрытых или замаскированных объектов или осуществление поисковых мероприятий в сложных метеоусловиях, обусловила создание широкого спектра тепловизионных аппаратурных средств: портативных, мобильных, стационарных.

В основу принципа действия тепловизионных приборов положено двумерное преобразование собственного теплового излучения от объектов и местности или фона, в видимое изображение. Тепловизионная техника обладает рядом достоинств и присущих только ей возможностей: обнаружение удаленных теплоизлучающих объектов ( или целей ) независимо от уровня естественной освещенности, а также до определенной степени – тепловых или других помех ( дыма, дождя, тумана, снега, пыли и т.п. ).

Начало развития тепловизионной техники было положено в начале 60-х годов 20-го столетия исследованиями и разработкой приборов по двум основным направлениям: с использованием дискретных приемников излучения совместно с системами сканирования ( развертки ) изображения и аппаратуры без механического сканирования на базе двумерных ИК-приемников. Сегодня можно условно выделить четыре поколения развития такой техники.

Нулевое поколение основано на применении единичных охлаждаемых приемников и двумерной ( строчной и кадровой ) развертки с помощью сканирующей оптико-механической системы; первое поколение – на применении строчных линеек приемников и упрощенной кадровой развертки; второе поколение – на использовании сгруппированных нескольких линеек ( с временной задержкой и накоплением ) и более низкоскоростной системой развертки. Ко второму поколению относят вакуумные приборы с электронным сканированием приемной мишени – пироконы.

 Принципиально новое третье поколение основано на применении «одновременно смотрящих», т.е. фокально – плоскостных ( FPAFocal Plate Area ), двумерных твердотельных многоэлементных (матричных ) приемников излучения ( МПИ ), т.е. без использования оптико-механических систем развертки.

В последние годы развитие тепловизионной техники идет в основном по пути применения неохлаждаемых многоэлементных МПИ, физические характеристики которых весьма высоки и практически не уступают охлаждающим системам. Современные тепловизионные системы ( ТПС ) имеют малые весогабаритные характеристики и энергопотребление, обеспечивают бесшумную работу и высокое качество тепловизионного изображения, широкий динамический диапазон при работе в режиме вещательного телевизионного стандарта, цифровую обработку в реальном масштабе времени, связь с ЭВМ и т.п. и делятся на два основных класса:

  • наблюдательные ( показывающие );
  • измерительные или радиометрические ( термографы ).

Наблюдательные ТПС предназначены для обнаружения, распознавания и визуализации на фоне тепловых помех удаленных теплоизлучающих объектов ( или целей ). Такие системы могут дополняться автономными каналами, содержащими как правило, отмасштабированный телевизионный и канал дистанционного измерения температуры с лазерным целеуказанием, а также лазерными дальномерами. Такое дополнение наблюдательных ТПС позволяет им частично выполнять измерительные функции.

Измерительные ( радиометрические ) ТПС используются преимущественно для квалифицированной тепловой диагностики различных промышленных объектов, техники, зданий, сооружений, механизмов и т.п.

Каждый из этих классов ТПС имеет свою специфику практического применения ( рыночную нишу ) и свои эксплуатационные возможности.

В соответствии с тематикой настоящей работы далее мы будем рассматривать наблюдательные ТПС, которые занимают особое место при решении поисковых и досмотровых задач. ТПС, выполняющие такие функции, наряду с наблюдательными называют поисково-досмотровыми или просто поисковыми.

Поисковые ТПС обеспечивают возможность видения на значительных расстояниях независимо от уровня естественной освещенности, интенсивности световых помех, степени прозрачности атмосферы. Эти приборы способны регистрировать тепловое излучение от объектов через среды, непрозрачные для видимого и ближнего ИК-излучения, но прозрачные для теплового излучения: листва, маскировочные сети, небольшой слой земли, нагромождение предметов и пр., что дает возможность обнаруживать замаскированные или скрытые объекты. Поисковые тепловизионные системы могут использоваться для круглосуточного всепогодного наблюдения, разведки, прицеливания, сопровождения целей, охраны объектов, таможенного контроля, для решения криминалистических задач, вождения транспортных средств, поиска раненых и пострадавших в результате военных действий или стихийных бедствий, для обнаружения мин и т.п.

Возможности поисковых ТПС по обнаружению и распознаванию техники и людей на значительных расстояниях демонстрирует рис. 1, где показаны результаты обнаружения различных объектов тепловизионной системой на основе неохлаждаемой болометрической тепловизионной матрицы формата 320х240 элементов ( размер пикселя 50 мкм ) с объективом фокусным расстоянием 100 мм. Здесь представлены предельно достижимые результаты обнаружения и распознавания. На практике те же результаты будут выглядеть несколько более скромно, что объясняется неоптимальными условиями контроля, пониженной прозрачностью атмосферы и рядом других факторов, снижающих характеристики аппаратуры. Более подробно эти факторы рассмотрим ниже.

Влияние атмосферы на процесс распространения инфракрасного излучения при наблюдении за удаленными объектами выражается в виде ослабления собственного излучения объекта и обусловлено двумя основными факторами:

  • поглощением излучения, в результате которого происходит преобразование его энергии в другие ее виды;
  • ослаблением, или рассеянием излучения.

Результатом действия указанных факторов является ослабление энергии сигнала от объекта контроля, снижение контраста изображения, искажение его пространственной структуры, что в итоге приводит к ухудшению качества изображения и уменьшению дальности видения.

Действительно, согласно пространственно-частотным представлениям, основанным на математическом аппарате преобразований Фурье, пространственное распределение яркости любого объекта всегда можно представить в виде некоторого набора (спектра) пространственных частот, каждая составляющая которого имеет определенную амплитуду и фазу. Слой рассеивающей среды ( атмосфера ) пропускает каждую из этих составляющих с некоторым коэффициентом передачи, зависящим от пространственной частоты. В результате первоначальный пространственно-частотный спектр искажается.

Количественное описание всех факторов, влияющих на качество ИК-изображения и дальность видения не входит в задачи настоящей работы, поскольку это достаточно трудоемкий и объемный процесс. Здесь же ограничимся лишь приведением примера, демонстрирующего классическую картину пропускания атмосферы для приземной трассы длиной 1 км ( рис. 2 ). Вид представленной картины в общем случае зависит от концентрации в атмосфере поглощающих веществ, изменяющейся с высотой трассы, а часто и по длине трассы, а также ряда других факторов.

Условно ТПС в зависимости от дальности действия делятся на три группы:

  • ТПС малой дальности действия: до 0.7 – 1.0 км по ростовой фигуре человека и до 1.5 – 2.0 км по автомашине;
  • ТПС средней дальности действия: соответственно 1.2 – 1.5 и 2 – 4 км, а также до 8 км по самолету;
  • ТПС повышенной дальности действия, превышающей значения, соответствующие средней дальности.

К поисковым ТПС первой группы относятся удерживаемые в руках портативные тепловизора весом до 2 кг, малогабаритные прицелы для стрелкового оружия, нашлемные и наголовные приборы наблюдения. К поисковым ТПС второй группы относятся носимые или временно устанавливаемые на штативе приборы наблюдения. Третья группа поисковых ТПС – это стационарно размещаемые приборы, оснащенные длиннофокусной оптикой, а также возимые или устанавливаемые на плавсредствах системы наблюдения.

В основе современных поисковых ТПС лежат неохлаждаемые преобразователи ИК-излучения, представляющие собой фокально-плоскостные двумерные многоэлементные матрицы, способные воспринимать температурные контрасты до 50….80 мК.

В спектральном диапазоне 8…..14 мкм в неохлаждаемых ТПС используются в качестве преобразователей микроболометрические (МБ) фокальные матрицы большого формата и многоэлементные приемники на основе пироэлектриков ( ППИ ) или сегнетоэлектриков.

Основное преимущество МБ-систем – отсутствие охлаждения – делает их экономичными по потребляемой мощности, более легкими и более дешевыми, чем охлаждаемые ТПС. МБ-системы способны выходить на рабочий режим за несколько секунд. Вторам важным преимуществом МБ-систем по сравнению с другими неохлаждаемыми системами, например на пироэлектрических приемниках излучения, является возможность работы без механических модуляторов. МБ-системы являются бесшумными, что является немаловажным для работы в условиях скрытого наблюдения. Третьим важным преимуществом является чувствительность МБ-приемников в широком спектральном диапазоне. В настоящее время практически используется наиболее распространенный диапазон 8….14 мкм, но МБ потенциально пригодны для создания перспективных многоспектральных систем.

Формат МБ-матриц подавляющего числа моделей, особенно на начальном периоде их серийного выпуска, был двух типов: 320х240 и 160х120 элементов, а температурная чувствительность, равная минимальной эквивалентной шуму разности температур NETD (Noise Equivalent Temperature Difference ) составляла 100….150 мК. При этом размер элемента матрицы составлял 50х50 мкм. Несколько позднее появились матрицы форматом 640х480 элементов, размер пикселя уменьшился до 28х28 мкм, а NETD достигла 50 мК. Программа совершенствования неохлаждаемых тепловизионных систем (Advanced Uncooled Thermal Imaging Program) Агенства по перспективным оборонным научно-исследовательским проектам (Defense Advanced Research Projects Agency - DARPA ) предусматривает создать микроболометр формата 1280х960, размером пикселей 15 мкм при температурном разрешении 10 мК. В настоящее время уже производятся матрицы размером 640х480 мкм при размере пикселя 17 мкм ( L-3 Communication, США ), а к 2009 году ожидается серийный выпуск этой фирмой матриц форматом 1280х1024, с пикселем 17 мкм и чувствительностью менее 20 мК. Применение таких матриц значительно улучшит пространственное и температурное разрешение ТПС.

Что касается другого типа неохлаждаемых матричных ИК-приемников – пироэлектрических ( ППИ ), то по чувствительности они несколько уступают МБ-матрицам. NETD ППИ не превышает 80 мК, типичное значение лежит в пределах 100….150 мК. Наиболее используемый формат 320х240 элементов, в последнее время появились матрицы форматом 640х512 и 512х256 пикселей. Существует сфера применения пироэлектрических матриц, где они имеют явное преимущество над болометрическими – это круглосуточные системы наблюдения, при работе которых имеется вероятность прямого солнечного воздействия на чувствительную область матрицы. Вероятность выхода из строя в этом случае пироэлектрической матрицы значительно ниже чем болометрической.

Поисковые тепловизионные системы, как и любые другие функциональные устройства, характеризуются совокупностью показателей, определяющих их эффективность, к основным из которых относятся:

  • вероятность обнаружения, различения и распознавания объекта на заданной дальности;
  • минимальная обнаруживаемая разность температур;
  • минимальная разрешаемая разность температур;
  • угловое (линейное) разрешение;
  • ширина полосы захвата местности ( угол обзора );
  • число воспроизводимых градаций температур.

Несмотря на относительную полноту и универсальность применения, основные показатели эффективности не пригодны для описания собственно аппаратуры, ибо они зависят не только от нее самой, но также и от условий ее использования, параметров объекта и фона. Поэтому для оценки собственно тепловизионной аппаратуры целесообразно использовать систему ее основных ( обобщенных ) технических параметров, основными из которых являются:

  • - порог чувствительности (NETD);
  • - угловой элемент разрешения;
  • - угол обзора;
  • - спектральный рабочий диапазон;
  • - диапазон регистрируемых разностей температур;
  • - диапазон плотностей изображения;
  • - быстродействие;
  • - дальность обнаружения/распознавания объекта.

Для поисковых ТПС дальность обнаружения/распознавания объекта является обобщающей характеристикой, которая в совокупности с весогабаритными параметрами аппаратуры, определяет обоснованный выбор поискового средства для решения конкретной поисковой задачи.

Дальность наблюдения зависит от пространственного и температурного разрешения ТПС и может быть математически определена из выражения, описывающего процесс восприятия и интерпретации изображения зрительным анализатором. Поскольку процесс наблюдения и принятия решения зависит от ряда случайных факторов и является вероятностным, необходим критерий, позволяющий с определенной степенью достоверности принимать решение, т.е. говорить об успешном выполнении задачи наблюдения.

Впервые такой критерий был сформулирован и развит Джонсоном (1957 г.). Суть критерия состоит в том, для зрительного анализатора выделено несколько уровней восприятия изображения, нижний из которых ( соответствующий обнаружению объекта ) соответствует выделению какого-то размытого пятна на фоне помех, а высший уровень соответствует точной идентификации объекта и определению его специфических особенностей. Между этими уровнями находится ряд промежуточных уровней восприятия. В качестве параметра, характеризующего возможный уровень восприятия изображения, используют разрешение штриховых мир, эквивалентных объекту наблюдения. При этом предполагается, что объект характеризуется неким минимальным (критическим) размером вдоль которого ведется анализ его изображения, с целью выявления характерных геометрических признаков объекта. Эквивалентной штриховой мирой называют миру прямоугольной формы, ширина которой равна минимальному (критическому) размеру объекта, а длина соответствует его размеру в направлении, перпендикулярном критическому. Джонсон, на примере наблюдения военных транспортных средств, провел сравнение способности наблюдателя разрешать изображение миры с его способностью воспринимать объект с различным качеством видения. Результатом таких экспериментальных исследований явилась разработка критериев Джонсона, представляющих собой соответствие между числом разрешаемых периодов эквивалентной миры, укладывающихся на критическом размере наблюдаемого объекта, и уровнем видения. Один период эквивалентной миры содержит два штриха равной толщины – темный и светлый. Критерии Джонсона, приведенные в таблице 1, лежат в основе современной методологии восприятия изображений.

Таблица 1. Критерии Джонсона 

Уровень видения

Число разрешаемых периодов штриховой миры
 на критическом размере наблюдаемого объекта 

Обнаружение

1 (0,25) 

Определение ориентации 

1,4 (0,35) 

Различение 

4 (0,8) 

Идентификация (опознавание) 

6,4 (1,5) 

С течением времени критерии Джонсона уточнялись и их современная трактовка, представленная в таблице 2, несколько отличается от значений, приведенных в таб. 1, но их также называют критериями Джонсона. Следует отметить, что в отечественной научно-технической литературе, как правило, используют только два уровня восприятия – обнаружение и распознавание, которое соответствует уровню идентификации по критериям Джонсона.

Таблица 2. Современные критерии визуального восприятия 

Уровень видения

Описание

N

Обнаружение

Выделение размытого пятна на фоне помех

1,0

Различение

Объект выделяется с достаточной ясностью и дифференцируется по принадлежности к классу

4,0

Идентификация
(опознавание)

Объект дифференцируется по принадлежности к типу внутри класса

8,0

Величина N в таблице 2 определяет количество периодов эквивалентной миры, разрешаемых наблюдателем, для данного уровня восприятия с 50%-ной вероятностью.

Для оценки других величин вероятности восприятия, подчиняющейся логонормальному интегральному закону распределения, вычислены множители для пересчета вероятности восприятия, величины которых приведены в таблице 3.

Таблица 3. Множители для пересчета вероятности восприятия 

Вероятность восприятия

1,0

0,95

0,80

0,5

0,30

0,10

0,02

Множитель

3,0

2,0

1,5

1,0

0,75

0,50

0,25

Из приведенной информации наглядно видно, что например, для идентификации объекта с вероятностью 0,95 необходимо, чтобы на его критическом размере уложилось 8х2 = 16 периодов эквивалентной миры.

Приведенные числовые значения вероятности восприятия как функции пространственной частоты, в качестве которой взято число периодов пространственной структуры (миры), могут быть представлены в графическом виде, показанном на рис.4. Приведенные здесь графики зависимости трех уровней восприятия называются функциями передачи вероятности восприятия цели.

Следует заметить, что приведенные выше выкладки относятся к горизонтальным трассам. При наклонных или вертикальных трассах приведенные числовые значения могут достаточно сильно изменяться.

Таким образом, изложенный выше материал позволяет представить возможности тепловизионной техники по решению поисково-досмотровых и других задач, связанных с обнаружением, выделение и распознаванием температурных аномалий.

В настоящее время российскими производителями неохлаждаемых ТПС предлагается достаточно широкий ряд аппаратурных тепловизионных средств, что позволяет выбрать оптимальную, с точки зрения функциональных и весогабаритных характеристик, а также ценовых рамок, систему для решения конкретной задачи.

Одним из разработчиков и производителей неохлаждаемых ТПС на основе твердотельных многоэлементных фокально-плоскостных матриц является научно-производственный центр антитеррористической и криминалистической техники «СПЕКТР-АТ» ( НПЦ «СПЕКТР-АТ» ), предлагающий четыре класса тепловизионных систем, показанных на рис.3:

  • носимые;
  • мобильные;
  • стационарные;
  • размещаемые на носителях.

Носимые тепловизоры серии «КАТРАН» и «СПРУТ» относятся к системам малой дальности. Их характеристики представлены в таблице 4, где одновременно для сравнения приведены параметры американского портативного тепловизора типа х200ХР. Эта аппаратура предназначена для использования правоохранительными и силовыми структурами, государственными органами безопасности и охраны правопорядка, частными охранными предприятиями, подразделениями МЧС, экологами, яхтсменами, натуралистами и другими пользователями кому необходимо эффективное всепогодное круглосуточное наблюдение в том числе и в сложных условиях ( дым, туман и т.п. ). Такие тепловизионные приемники могут решать задачи по охране сухопутной и морской границы, контроля за распространением наркотиков, охраны зданий, сооружений, различных режимных объектов и зон. Носимые ТПС являются эффективным средством при проведении поисково-спасательных операций, поиска улик, обнаружения скрытых захоронений, ночного патрулирования, скрытого наблюдения и слежения, обеспечения безопасности при проведении массовых мероприятий, охране окружающей среды и т.п.

Рис. 3. Неохлаждаемые тепловизионные системы, производимые НПЦ  «СПЕКТР-АТ»
Рис. 3. Неохлаждаемые тепловизионные системы, производимые НПЦ «СПЕКТР-АТ»

Основные пользователи мобильных тепловизионных систем в военной сфере – подразделения сухопутных войск, мобильные пограничные наряды, поисково-разведовательные группы, спецназ и т.п. К мобильным ТПС предъявляются казалось бы противоречивые требования. С одной стороны они должны иметь качественную оптику, хорошее температурное и пространственное разрешение для обеспечения наблюдения и разведки на расстоянии 1000….20000 м. С другой – требуются небольшие размеры, масса, габариты, энергопотребление, обеспечивающее длительную автономную работу, высокая защищенность от влаги и пыли, прочность корпуса и удобство эксплуатации. Практически всем этим требованиям соответствуют ТПС серии «КАТРАН» и «СПРУТ».

Тепловизоры серии КАТРАН обладают высокой температурной чувствительностью и пространственным разрешением, что позволяет решать задачи обнаружения людей и техники на расстояниях до 1000м и 2000 м соответственно. Пластмассовый термо- и ударопрочный корпус обеспечивает при небольших весогабаритных характеристиках высокую степень пыле- и влагозащищенности. Отдельно необходимо отметить тепловизор «СПРУТ», который на самом деле является комплексной системой наблюдения. Помимо тепловизионного канала на основе современной микроболометрической матрицы форматом 320х240 пикселей аппаратура имеет дополнительный канал, в качестве которого может быть:

1. Система лазерной локации, предназначенная для решения задачи обнаружения на значительных расстояниях длиннофокусной оптики или другими словами, - выявления факта наблюдения или прицеливания. Таким образом, система «СПРУТ» в этом варианте объединяет в себе тепловизор с характеристиками «КАТРАН-3» и выпускаемое НПЦ «СПЕКТР-АТ» изделие «СПИН-2», обеспечивающее обнаружение на расстоянии до 1 000 м снайперских прицелов, приборов ночного видения, фото- и видеокамер, ведущих наблюдение или скрытую съемку. Канал лазерной локации может работать в режиме высокоэффективного активного ПНВ.

2. Высокочувствительная телевизионная камера с объективом, оптические характеристики которого обеспечивают получение телевизионного изображения объекта контроля, одномасштабного с тепловизионным.

3. Лазерный дальномер, что значительно расширяет возможности тепловизора особенно при использовании в системах военного назначения и разведки.

Таблица 4. Носимые тепловизоры

  Катран-1 Катран-2 Катран-3 Спрут Thermal-Eye X-200ХР
Формат матрицы, элементов 160x120 160x120 320x240 320x240 160x120
Угол поля зрения, град. 17x12 11x8 17x12 12x9 12x9 11x8
МРТ, °с 0,1 0,06 0,05 0,05 0,06
Спектральный диапазон, мкм 7-14 7-14 7-14 7-14 7-14
Дальность обнаружения/распознавания, м
  человек 300/170 500/250 300/170 1000/500 1000/500 500/250
  автомобиль 500/300 1200/500 500/300 2000/900 2000/900 1200/500
Габаритные размеры, мм 170x120x70 120x98x51 170x120x70 180x140x71 134x114x51
Масса, кг 0,9 0,6 1 1,2 0,4
Время непрерывной работы, ч 5 2 7 7 2
Защита корпуса IP65 IP66 IP67 IP66 IP66

Мобильные тепловизионные системы ( МТПС) производства НПЦ «СПЕКТР-АТ» в качестве ИК – преобразователей используют как болометрические матрицы формата 160х120 и 320х240, так и неохлаждаемые пироэлектрические матрицы с размером чувствительной области 320х240 пикселей. В таблице 5 приведены основные характеристики МТПС, относящихся к системам средней дальности, и для сравнения даны параметры американского тепловизионного приемника такого же класса - Thermal Eye 250D. Сфера применения МТПС несколько шире чем носимых систем, поскольку помимо решения тех же задач, что и мобильные системы, МТПС могут решать более сложные поисковые задачи, например – круговой обзор за счет установки на штатив или опорно-поворотное устройство (ОПУ ). Весогабаритные характеристики МТПС выше чем у мобильных систем поскольку они как правило имеют более длиннофокусные объективы, встроенные микропроцессорные системы для обработки изображения и улучшения видения, дополнительные выносные мониторы, модуль памяти для фиксации изображения ( от единиц до сотен кадров), дополнительные каналы, расширяющие функциональные возможности МТПС. Одним из бурно развивающихся направлений применения МТВС является их использование для вождения транспортных средств ночью и в условиях ограниченной видимости (дымка, туман, дождь, снегопад, пыль, дым, смог, наличие световых помех и т.п.).

Из представленных в таблице 5 МТВС наибольший интерес представляет изделие ТН4604МП. Эта тепловизионная система, в основе которой лежит пироэлектрическая матрица типа 300Д фирмы Thermal Eye, выпускается и пользуется спросом в течении нескольких лет.

Помимо тепловизионного канала в приборе предусмотрена возможность установки отмасштабированного ТВ-канала и дистанционного измерителя температуры с лазерным целеуказателем. Встроенный процессор обеспечивает легкое переключение тепловизионного и ТВ-каналов, а также включение канала измерения температуры. Предусмотрена память на 100 кадров ТВ- или тепловизионного изображения.

Таблица 5. Мобильные тепловизионные системы. 

 

ТН-4604 МБ

ТН-4604 МП (50, 70)

Скат

Thermal-Eye 250D

Формат матрицы, элементов

160x120

320x240

320x240

320x240

Угол поля зрения, град.

18x14

18x14
14x10

18x14
14x10

18x14
12x9
9x6.6
6x4.4

МРТ, °с

0.15

0.12

0.12

0.12

Спектральный диапазон, мкм

7-14

7-14

7-14

7-14

Дальность обнаружения/распознавания, м

  человек

300/170

500/300
650/400

500/300
650/400

от 500/300
до 1500/900

  автомобиль

500/300

800/500 1000/650

800/500 1000/650

от 800/500 до 2400/1500

Габаритные размеры, мм

210x135x145

290x170x170

165x145x240

240x100x100

Масса, кг

2.5

3.5

2

1.5

Время непрерывной работы, ч

4

4

4

3

Защита корпуса

IP 40

IP 40

IP 65

IPX4

Тепловизор «СКАТ» является модифицированным вариантом ТН4604МП, предназначенным для использования в полевых условиях. Термо-, ударопрочный и пыле-влагозащищенный корпус, отсутствие подвижных деталей и конструктивная защита объектива делают этот тепловизор надежным средством наблюдения и контроля при проведении поисково-досмотровых мероприятий в сложных условиях. В качестве ИК-преобразователя использована пироэлектрическая матрица форматом 320х240. Предусмотрена возможность применения объективов с фокусным расстоянием от 18 до 150 мм. Изделие «СКАТ» легко устанавливается на штатив или ОПУ. Уже имеется не единичный опыт применения этого тепловизионного приемника, работающего как выносное устройство на расстоянии более 200 м от пульта контроля и управляемого с помощью RS порта.

В качестве примера на рис 4 приведены тепловизионные изображения различных объектов, полученные с помощью носимых и мобильных тепловизионных систем.

Рис. 4. Примеры тепловизионных изображений, полученных с помощью носимых и мобильных тепловизионных систем.
Рис. 4. Примеры тепловизионных изображений, полученных
с помощью носимых и мобильных тепловизионных систем.

Стационарные тепловизионные системы производства НПЦ «СПЕКТР-АТ», с основными характеристиками, приведены в таблице 6. Для сравнения здесь же показан внешний вид и представлены характеристики изделия Thermal Eye 5000ХР, производства фирмы L-3 Communication (США). В тепловизорах этого класса используются пироэлектрические ( ТН4604МП-100 и ТСН-МП-50) и болометрические ( ТСН-МБ-2-12 ) ИК-преобразователи, а также объективы с различным фокусным расстоянием. Тепловизор ТН4604МП-100 оснащен светосильным 100 мм объективом и может решать не только задачи наблюдения, поиска, сопровождения, но и более сложные задачи детального анализа тепловых полей на небольших ( до 10 м) расстояниях. Этот прибор может оснащаться дополнительными каналами: измерения температуры, телевизионным, измерения расстояния (дальномер) и т.п.

Тепловизоры серии ТСН выполнены в термокожухе, что обеспечивает их работу при пониженных температурах ( до -45…-50 гр. С ), обладают высокой степенью защищенности (IP66-IP67) от воздействия влаги, пыли и т.п., имеют универсальное крепление для установки на штативе ( кронштейне ) или опорно-поворотном устройстве. В корпусе тепловизоров предусмотрено установочное место для печатной платы RS – порта, обеспечивающего возможность управления тепловизором с расстояния до 500 м.

Наибольший интерес, на наш взгляд, представляет многоканальная обзорно-поисковая система «СПЕКТР». Эта система может включать два, три и даже четыре канала, работающих в различных спектральных диапазонах и объединенных в единый корпус, устанавливаемый на ОПУ. Каждый канал имеет собственное входное окно, может работать как самостоятельно, так и одновременно с другими каналами. Изображения от каждого канала выводятся на отдельные мониторы и одновременно вводятся в ЭВМ, которая осуществляет обработку информации от отдельных каналов и совместную по алгоритмам, выбираемым оператором.

В системе «СПЕКТР» могут быть реализованы следующие каналы:

  • тепловизионный, рабочий диапазон 7….14 мкм;
  • лазерный локационный, с рабочими диапазонами в пределах 780….940 нм;
  • ближний ИК, рабочие диапазоны 700….1000 и 1000…1700 нм;
  • телевизионный, рабочий диапазон 350….700 нм со спектральными поддиапазонами шириной 20…50 нм, выделяемыми автоматически устанавливаемыми интерференционными фильтрами;
  • измерительный (лазерный дальномер), рабочая длина волны – 1.54 мкм;
  • вспомогательный, для установки различных осветителей и ИК-прожекторов.

Такое объединение различных информационных каналов в одном модуле позволяет недостатки одних каналов компенсировать достоинствами других, что обеспечивает эффективную круглосуточную работу системы в целом. В таблице 6 представлены характеристики только тепловизионного канала системы «СПЕКТР» со 100 мм объективом.

Таблица 6. Стационарные тепловизионные системы.

  ТН-4604МП-100 СПЕКТР
(2- и 3-канальный)
ТСН-МП-50 (70,100) ТСН-МБ-2-12 Thermal-Eye 5000ХР
Формат матрицы, элементов 320x240 320x240 320x240 320x240 320x240
Угол поля зрения, град. 9x6,6 9x6,6 18x14; 14x10; 9x6,6 12x9 24x18
МРТ, °С 0,1 0,1 0,12 0,05  
Спектральный диапазон, мкм 7-14 7-14 7-14 7-14 7-14
Дальность обнаружения/распознавания, м
 • человек 1000/600 1000/600 от 500/300 до 1000/600 1000/500 2000/1000
 • автомобиль 1600/1000 1600/1000 от 800/500 до 1600/1000 2000/900  4000/1806
Габаритные размеры, мм 135x210x145 625x305x250 190x320x200 115x390x111 290x280x282
Масса, кг 5,8 23 4,2 3,1 4,7
Защита корпуса IP44 IP44 IP44 IP44 IPX6

Пример работы тепловизионного канала системы «СПЕКТР» приведен на рис 5. Здесь показано телевизионное изображение, где человек держит в руке пистолет, спрятанный в черный непрозрачный пакет, а на тепловизионном изображении той же картинки отчетливо видно искомое оружие. На рис.6 показан результат работы лазерного локационного канала. Здесь отчетливо виден блик оптического прицела, с помощью которого ведется встречное наблюдение через два боковых стекла легкового автомобиля.


Рис. 5. Пример телевизионного и тепловизионного изображения объекта.

Пример обнаружения оптического прицела
Рис.6. Пример обнаружения оптического прицела.

И наконец о тепловизионных системах, устанавливаемых на носителях. Это новые разработки, внешний вид которых и основные характеристики приведены в таблице 7.

Система «СПЛИТ», где в качестве носителя тепловизионного канала применяется беспилотный летательный аппарат (БПЛА), является эффективным и перспективным средством наблюдения и контроля за протяженными объектами или территориями. Поскольку средства наблюдения с воздуха находятся вне конкуренции по охвату наблюдаемых площадей, им нет альтернативы применения на участках земли со сложным (изрезанным) рельефом, высокой растительностью, в населенных пунктах, т.е. там где не обеспечивается прямая видимость средств наблюдения, расположенных у поверхности земли.

Таблица 7. Тепловизионные системы, устанавливаемые на носителях.

  СПЛИТ Thermal-Eye G100
Формат матрицы, элементов 160x120 320x240
Угол поля зрения, град. 11x8 17x12 24x18
МРТ, °С 0,05  
Спектральный диапазон, мкм 7-14 7-14
Дальность обнаружения/ распознавания, м
 • человек 500/250 300/170 2000/1000
 • автомобиль 1200/500 500/300 4000/1800
Габаритные размеры, мм 1470x330x620 140x140x90
Масса, кг 2,8 0,8
Время непрерывной работы, ч 10 -
Защита корпуса IP44 IPX6

Комплекс «СПЛИТ» предназначен для дистанционного обзора земной и водной поверхности в заданном районе с целью контроля обстановки и выявления объектов, с привязкой их к конкретной точке поверхности путем передачи в реальном масштабе времени полученной видео, тепловизионной, навигационной и служебной информации на пункт управления. В качестве объектов могут быть люди, транспортные и плавсредства, военная техника, сооружения, следы и т.п. Комплекс состоит из миниатюрного БПЛА, тепловизионного модуля, а также наземной системы управления на базе портативного планшетного компьютера, блока приемопередатчика и антенной системы.

Комплекс имеет следующие характеристики:

Радиус применения, км: до 10
Время полета, мин до 90
Воздушная скорость, км/ч 65…105
Потолок, м 3000
Захват на местности 0.2….0,4 Н
Режимы полета Автономный, Радиокомандный,
Облет заданной точки, Автовозврат
Навигация  GPS
Точность определения координат, м 25
Силовая установка : Электродвигатель
Способ старта: С руки при помощи жгута
Способ посадки: На парашюте
Диапазон температур применения, ° С -20…+40

БПЛА состоит из: фюзеляжа, консолей крыла с поворотными узлами, вертикального оперения. На крыле установлены элероны, обеспечивающие управление БПЛА в полете. На фюзеляже установлен: стартовый крюк, с помощью которого БПЛА зацепляется к пусковому устройству. В носовой части фюзеляжа установлена тепловизионная и (или) видео камера в стабилизирующем подвесе. Для защиты камер от повреждений при посадке фюзеляж закрывается подвижным забралом.

В состав бортового оборудования входят:

  • Новейшая автоматическая пилотажно-навигационная система;
  • Антенна радиомодема;
  • Антенна приемника СРНС (GPS);
  • Канал передачи данных шифрованный с ППРЧ;
  • Тепловизионная камера в стабилизирующем карданном подвесе;
  • ТВ камера;
  • Передатчик ТВ сигнала с антенной;
  • Аккумуляторная батарея.

Внешний вид комплекса, включая БПЛА и наземную станцию, представлен на рис.7.

Рис.7. Внешний вид беспилотного летательного комплекса.
Рис.7. Внешний вид беспилотного летательного комплекса.

Полет летательного аппарата может проходить в двух режимах управления: автоматическом и ручном.

При автоматическом режиме полет выполняется по программе, введенной в компьютер станции управления, при этом сигналы управления полетом со станции управления на БПЛА подаются автоматически.

При ручном режиме полет выполняется по командам оператора, подаваемым с клавиатуры станции управления на БПЛА.

В течение полета БПЛА производится передача по радиоканалу информации с телевизионной или тепловизионной камеры с привязкой к карте текущих координат БПЛА. Маршрут полета может включать в себя до 99 поворотных пунктов с заданными координатами, оператор в любой момент может перейти в ручной режим управления и вернуться в автоматический, а также включить режим «облета точки», при котором БПЛА совершает стандартный маневр полета вокруг точки с координатами, соответствующими моменту включения маневра.

Станция управления представляет собой комплекс устройств, предназначенных для дистанционного управления полетом летательного аппарата, приема и отображения видео, тепловизионного и телеметрической информации, передаваемой с борта БПЛА.

Станция управления включает в себя:

  • Планшетный компьютер TS-006 с дисплеем, видеомонитором TS-007, клавиатурой управления, блоком аппаратного видеокодека и аккумуляторной батареей в чемодане;
  • Радиомодем линии радиоуправления с антенной;
  • Приемный блок с антенной и контрольным видеомонитором;
  • Штатив.

Опыт применения БПЛА имеют ряд стран и в первую очередь США. Комплексы воздушной разведки с БПЛА начали применяться еще во вьетнамской войне. После этого был Афганистан, Ирак, Косово и т.д. Сегодня в США беспилотные системы успешно используются при охране границы с Мексикой и морских побережий, а также охране воздушного пространства в связи с возросшей угрозой терроризма.

В России применение БПЛА как поискового средства, в том числе и в целях регулярного наблюдения участков государственной границы, пока носит характер опытной эксплуатации. Это зависит от многих причин, в том числе и от решения проблемы получения стабильного изображения контролируемых площадей, поскольку полет легкого летательного аппарата на приземных высотах связан с достаточно ощутимыми вибрациями и непроизвольным изменением направления полета, высоты, крена и т.п., что усложняет наблюдение и анализ получаемых изображений. Высокая турбулентность атмосфера в приземном слое и небольшой вес летательного аппарата требуют поиска различных способов и алгоритмов получения стабильного изображения контролируемых объектов или пространств с целью их последующей обработки и анализа. Такая работа в настоящее время ведется и положительные результаты ожидаются в самое ближайшее время.

В заключение следует сказать, что в последние годы тепловизионная техника бурно развивается, обеспечивая появление, с одной стороны, практически универсального диагностического средства, а с другой, благодаря своим функциональным возможностям, превращается в ключевой элемент, определяющий тактико-технические характеристики новых видов вооружений, военной техники и специальных поисково-досмотровых средств.

Использованная литература:

  1. А.В.Ковалев. Антитеррористическая и криминалистическая диагностика. - Книга 2 в справочнике «Неразрушающий контроль» Т.8/ Под редакцией В.В.Клюева. М.: Машиностроение, 2005. – 789 с.: ил.
  2. В.В.Тарасов, Ю.Г.Якушенков. Тенденции развития инфракрасных систем «смотрящего» типа.- Специальная техника №1 ( 2004 ) стр.24-37 и №3 ( 2004 ) стр. 16 – 25.
  3. В.Г.Волков, А.В.Ковалев, В.Г.Федчишин. Тепловизионные приборы нового поколения. Ч1 //Спец. Техника. – 2001, - №6, с.2 – 10.
  4.  В.В.Тарасов, Ю.Г.Якушенков. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. – М.: Логос, 2004. – 444 с. + 8 с. цв. вкл.
  5. В.Е.Карасик, В.М.Орлов. Лазерные системы видения. – М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2001. – 352 с., ил.
  6. А.В.Афонин, Р.К.Ньюпорт, В.С.Поляков, С.С.Сергеев, А.И.Таджибаев. Инфракрасная термография в энергетике. Том.1. Основы инфракрасной термографии. /Под редакцией Р.К.Ньюпорта, А.И.Таджибаева./ - СПб.: Изд. ПЭИПК, 2000 г. – 240 с., ил.
  7. Ллойд Дж. Системы тепловидения./ Пер. с англ. под ред. А.И.Горячева.- М.: Мир, 1978. – 416 с.
  8. Роуз.А. Зрение человека и электронное зрение. / Пер. с англ. – М.: Мир, 1977.-216 с.
  9. В.В.Тарасов, Ю.Г.Якушенков Многоспектральные оптико - электронные системы..//Спец. Техника. – 2002. №4. – с. 56-62.
  10. В.В.Тарасов, Ю.Г.Якушенков Тенденции развития тепловизионных систем второго и третьего поколений и некоторые особенности их моделирования ( по материалам зарубежной печати )// Оптико – электронные системы визуализации и обработки оптических изображений/ ЦНИИ «Циклон». – 2001. – Вып. 1. – с. 3 – 18.
  11. Госсорг Ж. Инфракрасная термография .Основы. Техника. Применение. М.: Мир. 1988
  12. Ковалев А.В., Федчишин В.Г., Щербаков М.И. Тепловидение сегодня. //Специальная техника., 1999, №3, с. 13 – 18, 1999, №4, с. 19 – 23.
  13. Вавилов В.П. Тепловые методы неразрушающего контроля.: Справочник. М.: Машиностроение, 1991.
  14. Вавилов В.П., Климов А.Г. Тепловизоры и их применение. М.: Интел универсал., 2002, 88 с., ил.
  15. Волков В.Г. Тепловизионные приборы средней дальности действия. // Специальная техника., 2005, №4, с. 2-17.

Статья опубликована на сайте: 22.06.2012


Яндекс.Метрика
Яндекс цитирование
Журнал по спецтехнике
Фото на документы Полежаевская