/
Автор: Криксунов Л.З. Падалко Г.А.
Теги: электротехника тепловизоры параметры тепловизоров
Год: 1978
Текст
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
едисловие ..................................................... $
инятые обозначения..............................................4
ава 1. Инфракрасное излучение нагретых тел и его визуализация 6
Законы излучения................................................6
Пропускание инфракрасного излучения атмосферой.................25
Назначение, обзор развития и классификация тепловизоров . . .30
Зрительное восприятие тепловизионного изображения...............33
ава 2. Тепловизоры с оптико-механическим сканированием 36
Основные элементы тепловизоров с оптико-механическим сканирова-
гм ............................................................36
Сканирующие устройства и траектории сканирования...............39
Принципиальные схемы и параметры тепловизоров с оптико-механи-
:ким сканированием.............................................48
Устройства регистрации и отображения видеосигнала..............77
ава 3. Тепловизоры с электронным сканированием .................81 -
Электронная система развертки и траектории сканирования ... 81
Телевизионные передающие трубки, чувствительные в инфракрасной
части спектра..................................................83
Структурные и функциональные схемы тепловизоров с электронным
чнированием....................................................95
ава 4. Определение параметров и характеристик тепловизоров . . . 102
. Основные параметры и характеристики тепловизоров............102
Максимальная дальность обнаружения малоразмерных теплоизлуча-
1их объектов ..................................................ЮЗ
Температурная чувствительность тепловизоров..................Ю9
Лабораторные испытания тепловизоров..........................НО
Эталонные инфракрасные излучатели...........................114
ава 5. Применение теплрвизоров................................122
Измерение температурных полей...............................122
Неразрушающий контроль изделий электронной техники .... 132
Снятие тепловых карт местности .............................134
Предупреждение столкновений кораблей при их движениях на встреч-
х курсах......................................................141
. Медицинская диагностика.....................................141
ава 6. Перспективы развития тепловизионных систем.............143
Тепловизоры с самосканированием.............................143
Тепловизионные системы модульного типа......................149
Тепловизоры с ЭВМ...........................................154
исок литературы...............................................158
едметный указатель.......................................... 164
32.996—5
К82
УДК 621.384.3(031)
Криксунов Л. 3., Падалко Г. А.
К82 Тепловизоры: Справочник.— К.: Техшка, 1987.— 166 с.,
ил.-— Библиогр.: с. 158—163.
1 р. 9000 экз.
Б справочнике приведены сведения об устройстве тепловизоров» предназна*
ченных для наблюдения объектов по их собственному инфракрасному излучению.
Рассмотрены основные процессы, происходящие в тепловизорах, их параметры
и характеристики.'
Рассчитан иа инженерно-технических работников приборостроительной про-
мышленности, а также может быть полезен студентам вузов соответствующих
специальностей.
v 2406000000-093
К М202(04)-87 60-87 32‘996 5
Рецензенты д-р техн, наук А. В. Молодык н д-р физ.-мат. наук А. Д. Феде
ровский
Редакция литературы по энергетике, электронике, кибернетике и связи
Зав. редакцией 3. В. Божко
© Издательство «Техшка», 1987
ПРЕДИСЛОВИЕ
Г) Основных направлениях экономического и социального развития СССР
D на 1986—1990 годы и на период до 2000 года отмечается необходимость
развития информатики.
Успехи, достигнутые за последнюю четверть века в освоении инфракрас-
ного диапазона электромагнитного спектра, привели к созданию разнообразной
информационной аппаратуры и, в частности, тепловизоров — устройств, пред-
назначенных для наблюдения объектов по их собственному инфракрасному
излучению. Предшественники тепловизоров — теплопеленгаторы были способны
только обнаруживать теплоизлучающие объекты и определять на них направ-
ление. По мере развития теплопеленгаторов появилась возможность исполь-
зовать их не только для указанных целей, но и для визуального наблюдения
распределения температуры теплоизлучающих объектов и их опознания. Так
совершился логический переход от теплопеленгаторов к тепловизорам.
Возможность тепловизоров дистанционно оценивать температурные поля
в реальном масштабе времени и без каких-либо нарушений тепловой среды,
неизбежных при использовании контактных датчиков температуры, вызвала
широкое применение тепловизоров в различных областях промышленного про-
изводства, научных исследованиях и в медицинской практике.
В последние годы появилось несколько книг, посвященных тепловидению,
и большое число статей, в которых описываются конкретные образцы тепло-
визоров и их элементы, а также рассматриваются возможности применения
тепловизоров в различных сферах народного хозяйства. Все эти работы не
могут дать общего представления о современном состоянии и применений
тепловизоров, а также ближайших перспективах их развития. Именно эти
вопросы интересуют в настоящее время широкий круг 'инженерно-техниче-
ских работников, занимающихся разработкой и эксплуатацией информацион-
ной аппаратуры различного назначения.
Авторы считают своим долгом отметить выдающуюся роль в развитии
тепловидения в нашей стране чл.-кор. АН СССР М. М. Мирошникова и сотруд-
ников ГОИ имени С. И. Вавилова. Их многочисленные труды так же, как и
работы проф. И. Д. Куртева и сотрудников Московского института радиотех-
ники, электроники и автоматики, широко использованы в Справочнике.
Гл. 1, 3 и параграфы 5, 6, 12, 13, 14, 18, 19, 20, 22 написаны Л. 3. Крик-
суновым; параграфы 7, 8, 15, 16, 17, 21,23, 24 — Г. А. Падалко.
Авторы благодарят чл.-кор. АН УССР д-ра физ.-мат. наук А. Д. Федоров-
ского и д-ра техн, наук А. В. Молодыка за ценные замечания и советы, ко-
торые были высказаны при рецензировании рукописи и способствовали улуч-
шению содержания книги.
Отзывы, и пожелания просим направлять по адресу: 252601, Киев, 1, Кре-
щатик. 5, издательство «Техшка».
ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Сф = 3 • 108 м/с —скорость света в вакууме;
Л = 6,625 - 10-34 вт - с2 — постоянная Планка;
X, м — длина волны;
V— 1/Х, м-1 — волновое число;
Т, К — абсолютная температура;
7j, К — радиационная температура;
Тя, К — яркостная температура;
Qe, Вт - с — энергия излучения;
Фе, Вт — поток излучения;
Фпор, — пороговое значение потока излучения;
Ф£о_, Вт — удельное пороговое значение потока излучения;
Ц, Вт/ср — сила излучения;
Ее, Вт/м2— энергетическая освещенность;
Л4е, Вт/м2 — энергетическая светимость;
Le, Вт/(м2 ср) — энергетическая яркость;
— коэффициент теплового излучения;
р — коэффициент отражения;
а = 5,67 • 10“8 Вт/(м2 • К4) — постоянный коэффициент в законе Стефаиа-Больц-
мана;
с = 2,898 • Ю-з м • К—постоянный коэффициент в законе Вина;
ci = 3,74 • 10-18 Вт - м2| , . п
с=_ । 44 , iq-2 м . к [ —постоянные коэффициенты в законе Планка;
та — коэффипиент пропускания атмосферы;
ш, мм — количество осажденной воды;
dB, км — дальность метеорологической видимости;
Н, м — высота над уровнем моря;
f, % — влажность воздуха;
К — температура воздуха у поверхности Земли;
К — коэффициент использования инфракрасного излучения;
о, ср — телесный угол;
О, ср — угловой размер объекта наблюдения;
— спектральная чувствительность приемника излучения;
т, с—постоянная времени приемника излучения;
дп, м2 — площадь чувствительной площадки приемника излучения;
и — коэффициент использования приемника излучения;
D, см • Гц1/2 • Вт-1 — обнаружительная способность;
Д/—полоса пропускания частот усилителя фототока;
m — отношение сигнал /шум;
50б> м2 — площадь объектива;
м — диаметр объектива;
fo6, м — фокусное расстояние объектива;
тос— коэффициент пропускания оптической системы;
у, .••°—угол зрения;
Тмгн> •••° — мгновенный угол зрения;
Чу, с — период кадровой развертки;
с—период строчной развертки;
fxt с-1 — частота строчной развертки;
fy, С~* — частота кадровой развертки;
/V, лин/мм — разрешающая способность;
г — число строк в кадре;
(&Т)пОр, К — порог температурной чувствительности;
м — максимальная дальность обнаружения;
S м2 — площадь поверхности излучения наблюдаемого объекта;
а___угол между линией дальности и нормалью к поверхности излучения
Глава 1
ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
НАГРЕТЫХ ТЕЛ И ЕГО ВИЗУАЛИЗАЦИЯ
1. ЗАКОНЫ ИЗЛУЧЕНИЯ
Г)се тела, температура которых отлична от абсолютного нуля, явля-
*->ются источниками инфракрасного излучения. Характер излучения
зависит от агрегатного состояния вещества. Спектры излучения газов состоят,
как правило, из отдельных линий и полос, характерных для данного газа.
Линейчатые спектры атомов н полосатые спектры молекул проявляются
только в том случае, когда газ находится в разреженном состоянии. При уве-
личении связи между частицами (например, при изменении давления н тем-
пературы) линии и полосы расширяются и становятся нерезкими.
Для спектров жидкостей характерно большое влияние межмолекуляр-
ного взаимодействия. Ширина полос возрастает и появляются новые полосы,
-ю
-НА
-Ю
10\
-/о3
-/О^/мкм
Юе
/0е
/о7
/0**/см
/О9
/ОяЧм
ю"
-Юа
/ОпЧкм
-Ю"
Гамма-лучи
[Жесткие |
___L—__L
Рентгеновские лучи
Мягкие )
лучи
ВиОимые лучи
Инфракрасные лучи
Рнс. 1.1. Спектр
электромагнитных
волн
Фиелетобыи
Синий ~~
Голубой ~
Зеленый
Желтый
Оранжевый
красный
0.3SMKM
0.05
0,48
0,50
0.56
059
0,62
0,76мкм
ближняя
облаете
Средняя
область
Дальняя
область
О./Омкм
/,5мкм
/5мкм
(мм
Метровые *»
Горотпйе
Средние
Длцнные
/мм
(см
/Осм
/м
Юм
/00м
/км
Юкм
отсутствующие в спектрах га-
зов. У твердых тел вследствие
сильного взаимодействия меж-
ду молекулами спектры излу-
чения становятся сплошными,
так как линии поглощения ока-
зываются широко размытыми
и сливаются в полосы, а поло-
сы — в участки сплошного
спектра.
Согласно теории Бора из-
лучение энергии связано с пе-
реходами атомов или молекул
с более высоких энергетических
уровней на более низкие. Эти
переходы сопровождаются ис-
пусканием квантов, энергия
которых
hcov = ftc0/X = Wn —
где h = (6,62517 ± 0,00023) X
X 10-84Вт с2 — постоянная
Планка; с0 = (2,997930 ±
+ 0,000003)- 108м/с — скорость
света в вакууме; X — длина
волны, м; v = 1/Х — волновое
число, м-1; Wm— энергии,
соответствующие уровням п и
т.
Инфракрасное излучение является частью оптического излучения и
занимает в спектре электромагнитных волн диапазон, характеризуемый
длинами волн от 0,76 до 1000 мкм (рис. 1.1). В оптическое излучение входят
также рентгеновское излучение (X — 0,01.-5 нм), ультрафиолетовое (X =
= 0,005..,0,40 мкм) и видимое (X = 0,40...0,76 мкм). Составляющие видимого
излучения имеют следующие диапазоны длин волн: красная — 0,76—0,62 мкм;
оранжевая — 0,62...0,59 мкм; желтая — 0,59...0,56 -мкм; зеленая — 0,56...
...0,50 мкм; голубая — 0,50...0,48 мкм; синяя — 0,48...0,45 мкм и фиолето-
вая — 0,45...0,40 мкм.
Инфракрасное излучение занимает весьма протяженную спектральную
область, примыкая с одной стороны к видимому излучению, а с другой —
к электромагнитным колебаниям радиодиапазона. Инфракрасную область
спектра принято делить на четыре части: ближнюю (К = 0.76...3 мкм), сред-
нюю (X = 3...6 мкм), дальнюю (X = 6...15 мкм) и очень далекую (X = 15...
...1000 мкм).
Инфракрасное излучение так же, как и видимый свет, распространяет-
ся в однородной среде по прямой линии, подчиняется закону обратных квад-
ратов, может отражаться, преломляться, претерпевать дифракцию, интер-
ференцию и поляризацию. Скорость распространения инфракрасных лучей
равна скорости света.
Характеризуя излучение тепловых источников, выделяют три вида излу-
чателей: абсолютно черное тело, серые тела и селективные излучатели. Аб-
солютно черное тело — это идеализированное понятие. При данной темпера-
туре оно испускает и поглощает теоретически возможный максимум излуче-
ния.
У большинства твердых тел, особенно у диэлектриков, полупроводников
и окислов металлов, распределение энергии излучения по спектру имеет та-
кой же характер, как и у абсолютно черного тела. Такие тела называют «се-
рыми». Они характерны тем, что отношение их энергетической светимости
к энергетической светимости абсолютно черного цвета, имеющего такую же
температуру, не зависит от длины волны и называется коэффициентом теп-
лового излучения.
Строго говоря, серых тел также в природе не существует, однако в огра-
ниченных спектральных диапазонах многие тела с достаточной для практики
точностью можно считать серыми. Введение понятия «серого тела» позволяет
использовать законы теплового излучения, выведенные для абсолютно чер-
ного тела. Аналогичное допущение делают и при рассмотрении излучения се-
лективных излучателей, для которых коэффициентом теплового излучения
считают условную величину, зависящую от ряда параметров излучателя.
Ниже приведены основные формулы и таблицы, необходимые для инже-
нерного расчета параметров теплового излучения нагретых тел.
Энергетическую светимость абсолютно черного тела Ме, Вт/м2, т. е.
поток, излучаемый единицей поверхности в диапазоне длин волн 0...оо,
определяют по закону Стефана—Больцмана:
Ме = оТ*, (1.1)
где Т — температура абсолютно черного тела, К; о = (5,6697 ± 0,0029) X
X 10~® Вт/(м2 - К4) = (5,6697 ± 0,0029) • 10~12 Вт/(см2 • К4) — постоянная
Стефана—Больцмана.
В табл. 1.1 приведены значения энергетической светимости абсолютно
черного тела в диапазоне температур 200...6000 К.
Поток излучения абсолютно черного тела площадью S согласно опреде-
лению Фе = MeS. Для серых тел закон Стефана—Больцмана имеет вид
Ме = ВуоТ4. (1.2)
Коэффициент теплового излучения вТ является безразмерным и характе-
ризует долю суммарного по спектру излучения данного материала от излу-
чения абсолютно черного тела, имеющего ту же температуру. Если рассмат-
ривают не суммарное излучение, а излучение в узкой области спектра, то
коэффициент теплового излучения называют спектральным и обозначают е^.
Коэффициент теплового излучения еТ зависит от материала излучающей
поверхности, ее температуры Г, состояния и степени окисления. Так, окис-
ление нержавеющей стали при температуре 1150 °C в течение 15 мин повышает
коэффициент теплового излучения от 0,2 до 0,8. Аналогичное явление имеет
место и для других металлов, хотя не всегда оксидная пленка значительно
увеличивает коэффициент теплового излучения. У алюминия, например, ок-
сидная пленка, полученная выдержкой при температуре 600 °C, увеличивает
коэффициент излучения примерно втрое, но его значение остается все же
в пределах 0,1...0,2 [40],
1.1. Энергетические светимости абсолютно черного тела при различных
температурах
т. к Ме, Вт/м® т. к Ме, Вт/м2 7, К Mg9 Вт/м2 т, к AL, Вт/м2
200 91,19 295 431,6 750 1.803-104 2250 1,461 -10*
210 110,8 296 437,5 760 1,901-104 2300 1,595-10*
220 133,5 297 444,0 770 2,004-104 2350 1,738-10*
230 159,5 298 449,5 780 2,110-10* 2400 1,891-10*
240 189,1 299 455,5 790 2,220-10* 2450 2,054-10*
250 222,6 300 461,6 800 2,335-10* 2500 2,226-10*
251 226,2 310 526,4 810 2,453-10* 2550 2,410-10*
252 229,8 • 320 597,6 820 2,577-104 2600 2,605-10*
253 233,5 330 675,9 830 2,705-10* 2650 2,811-10*
254 237,2 340 761,6 840 2,838-10* 2700 3,029-10*
255 241,0 350 855,3 850 2,975-10* 2750 3,260-10*
256 244,8 360 957,3 860 3,118-10* 2800 3,503-10*
257 248,6 370 1068 870 3,265-10* 2850 3,760-10*
258 252,5 380 1188 880 3,418-10* 2900 4,031-10*
259 256,5 390 1318 890 3,576-10* 2950 4,316-10*
260 260,5 400 1459 900 3,739-10* 3000 4,616- 10®
261 264,5 410 1611 910 3,968-10* 3050 4,932-10*
262 268,6 420 1774 920 4,083-10* 3100 5,263-10*
263 272,7 430 1949 930 4,263-10* 3150 5,611-10*
264 276,9 440 2136 940 4,450-10* 3200 5,976-10*
265 281,1 450 2337 950 4,642-10* 3250 6,359-10*
266 285,3 460 2552 960 4,841-10* 3300 6,759-10*
267 289,7 470 2781 970 5,046-10* 3350 7,178-10*
268 294,0 480 3026 980 5,257-10* 3400 7,716-10*
269 298,4 490 3286 990 5,475-10* 3450 8,074-10*
270 302,9 500 3562 1000 5,699-10* 3500 8,553-10*
271 307,4 510 3856 1050 6,928-10* 3550 9,052-10*
272 312,0 520 4167 1100 8,345-10* 3600 9,573-10*
273 316,6 530 4497 1150 9,968-10* 3650 1,012-10»
274 321,2 540 4846 1200 1,182-10s 3700 1,068-10»
275 326,0 550 5215 1250 1,392- 10® 3750 1,127-10»
276 330,7 560- 5605 1300 1,628-10® 3800 1,188-10»
277 335,5 570 6016 1350 1,893-10® 3850 1,252-10’
278 340,4 580 6450 1400 2,190-10® 3900 1,319-10’
279 345,3 590 6906 1450 2,519-10® 3950 1,388-10’
280 350,3 600 7386 1500 2,885-10® 4000 1,459-10»
281 355,3 610 7891 1550 3,290-10® 4050 1,533-10’
282 360,4 620 8422 1600 3,735-10® 4100 1,611-10’
283 365,6 630 8978 1650 4,224-10® 4150 1,691 • 10’
284 370,8 640 9562 1700 4,760-10® 4200 1,774-10»
285 376,0 650 1,017-10* 1750 5,345-10® 4250 1,860-10’
286 381,3 660 1,081-Ю4 1800 5,983-10® 4300 1,949-10»
287 386,7 670 1,149-Ю4 1850 6,676-10® 4350 2,041-10’
288 392,1 680 1,219-10* 1900 7,428-10® 4400 2,136-10»
289 397,6 690 1,291 • 104 1950 8,241-10® 4450 2,235-10’
290 403,1 700 1,368-10* 2000 9,119-10® 4500 2,337-10»
291 408,7 710 1,448-104 2050 1,007- 10е — —
292 414,3 720 1,532-104 2100 1,108-10* —
293 420,0 730 1,619-104 2150 1,218-10* 6000 7,386-10»
294 425,8 , 740 1,709-104 2200 1,335-10*
Примечание. При тарировке инфракрасной аппаратуры часто используют
черное тело с температурой излучающей полости 373 К; Для этой температуры энергети-
ческая светимость абсолютно черного тела составляет 1103 Вт/м*.
1.2. Коэффициенты теплового излучения ег различных материалов
(для направления, совпадающего с нормалью к поверхности)
Материал Температура, °C 8г
Металлы
Алюминий:
полированный 50...500 0,04...0,06
с шероховатой поверхностью 20...50 0,06...0,07
листовой 100 0,09
окисленный при 600 °C 200...600 0,11...0,19
сильно окисленный 150...550 0,2...0,25
листовой анодированный 100 0,55
сернокислый, в порошке — 0,54
Алюминиевая фольга 100...30 0,04-0,03
» бронза 20 0,6
Алюминия гидрат окиси, в порошке — 0,28
Алюминия окись, в порошке:
чистая — 0,16
активированная —. 0,46
Барий хлористый, в порошке 0,65
Бария сульфид желтый, в порошке — 0,45—0,54
Бериллий 100...500 0,61
» сернокислый, в порошке —- 0,85
Бронза:
полированная 50 0,10
пористая, шероховатая 50... 150 0,55
в порошке — 0,76—0,80
230 0,053
Вольфрам 600... 1000 0,10...0,16
1500...2230 0,31
Ьольфрамовая нить 3300 0,39
» » , бывшая в употреблении 25...3300 0,032—0,35
Вольфрамовая окись, в порошке — 0,80
Висмут полированный 80 0,37
» треххлористый —• 0,68
Германий окисленный 20 0,75 ± 0,03
Железо:
электролитическое, тщательно полированное 175...225 0,052...0,064
полированное 425... 1020 0,147...0,377
сварочное, тщательно полированное 40...250 0,28
блестящее травленое 150 0,16
свежеобработанное наждаком 20 0,242
литое необработанное 925... 1115 0,87...0,95
окисленное гладкое 100 0,736
» » 125...525 0,78—0,82
покрытое красной ржавчиной 20 0,61—0,85
горячепрокатное 20 0,77
» 130 0,60
сернокислое, в порошке — 0,60
листовое, оцинкованное, очень блестящее 28 0,228
листовое, оцинкованное, серое, окисленное 24 0,276
Железа окись 500... 1200 0,85-0,95
Жесть белая, старая 20 0,28
Золото полированное 225...635 0,018—0,035
100 0,02
Продолжение табл. 1.2
Материал Температура, °C ет
Калий в порошке: 0,58
азотнокислый —
углекислый — 0,40
Кальций углекислый в порошке Латунь: 100 0,30 0,05
полированная
с составом — 73,2 % Си, 26,7 % Zn 245...355 0,028...0,031
то же 200 0,03
листовая, прокатанная с естественной по- верхностью 22 0,06
листовая, обработанная грубым наждаком 22 0,20
матовая, тусклая 50...350 0,22
окисленная при температуре 600 °C 200...600 0,61...0,59
Литий углекислый в порошке Медь: 80 0,16 0,018
электролитическая, тщательно полированная
полированная 115 0,023
шабренная до блеска, но не зеркальная 22 0,072
окисленная 50 0,6...0,7
окисленная при нагреве до температуры 600 °C 200...600 0,57...0,55
покрытая толстым слоем окиси 25 0,78
окисленная до черноты 5 0,88
расплавленная 1075... 1275 0,11—0,13
электролитическая, в порошке — 0,76
сернокислая, в порошке — 0,84
Меди окись 800...1100 0,66...0,54
» двуокись, в порошке — 0,60
» окись красная, в порошке Магний: 0,70 0,07
полированный 20
в порошке — 0,86
Манганин блестящий, прокатанный 120 0,05
Марганец углекислый в порошке 0,44
Молибден полированный 100 0,071
» неполированный 600...1000 0,08...0,13
Молибденовая нить Никель: 725...2600 0,096— 0,292 0,05
электролитический, полированный 20
технически чистый, полированный 225...375 0,07...0,087
то же 100 0,045
электролитический, неполированный 20 0,11
окисленный при 600 °C 200...600 0,37...0,38
в порошке нанесенный на железо и затем полирован- — 0,78 0,045
ный 23
нанесенный на чугунную поверхность 50 0,05
Никелевая проволока 185... 1000 0,096...0,186
Никеля окнсь 500...650 0,52... 0,59
» » 1000...1250 0,75...0,86
Никеля окись кристаллическая, в порошке — 0,92
Никелированное железо, неполированное Натрий в порошке: 20 0,37—0,48 0,40...0,80 0,36
углекислый азотнокислый —
Продолжение табл. 1.2
Материал Температура, °C еТ
Нихром:
после прокатки 700 0,25
после пескоструйной обработки 700 0,7
Нихромовая проволока:
чистая 50 0,65
» 500... 1000 0,71.„0,79
окисленная 50...500 0,95...0,98
Олово, блестящее луженое листовое железо 25 0,043...0,064
Слова двуокись, в порошке — 0,40
Платина чистая, полированная 225...625 0,054...0,104
» неполированная 1000... 1500 0,14...0,18
Платиновая лента 925...1115 0,12...0,17
50...200 0,06...0,07
» проволока 500... 1000 О,1О...0,16
225... 1375 0,073... 0,182
» нить 25... 1230 0,036...0,192
Пермаллой окисленный 20 0,11±0,03
Ртуть чистая 0...100 0,09—0,12
Рубидий хлористый, в порошке — 0,36
Серебро:
полированное 38...370 0,0211-0,0312
чистое, полированное 225...625 0,0198—0,0324
Свинец:
чистый, неокисленный 125...225 0,057...0,075
блестящий 250 0,08
серый, окисленный 24 0,281
окисленный при 200 °C 200 0,63
сернокислый, в порошке — 0,13—0,22
уксуснокислый, в порошке —— 0,70
Свинца окись желтая, в порошке — 0,29
Свинцовый сурик, в порошке 100 0,93
Сурьма, в порошке — 0,82
Стронция гидрат окиси, в порошке — 0,16
Стронций хлористый — 0,73
Сталь мягкая расплавленная 1600... 1800 0,28
Сталь:
листовая
прокатанная 50 0,56
с блестящим слоем окиси 25 0,82
полированная 770... 1040 0,52-0,56
шлифованная 940... 1100 0,52—0,61
никелированная 20 0,11
с шероховатой плоской поверхностью 50 0,96... 0,98
ржавая, красная 20 0,69
алатированная 50...500 0,79
свежепрокатан наЯ 20 0,24
оцинкованная 20 0.28
легированная (8% N1; 18% Сг) 500 0,35
нержавеющая
полированная 25... 30 0,13
после пескоструйки 700 0,70
после прокатки 700 0,45
окисленная при температуре 600 °C 200...600 0,79
сильно окисленная 50 и,ОО
» » 500 0,98
окисленная, шероховатая 40...370 0,94...0,97
Продолжение табл. 1.2
Материал Температура, °C ет
200 0,15
Титаи полированный 500 0,20
1000 0,36
200 0,40
Титан, окисленный при температуре 540 °C 500 0,50
1000 0,60
‘Гитана двуокись, в порошке — 0,20
Таллий углекислый, в порошке — 0,32
Торий азотнокислый, в порошке — 0,56
Тория окись, в порошке — 0,15
Хром неполированный 38...538 0,08...0,26
» полированный 50 0,08...0,10
» » 500... 1000 0,28...0,38
Хромоникель 52... 1035 0,64...0,76
Цезий хлористый Цинк: — 0,48
полированный 225... 325 0,045...0,053
листовой 50 0,20
окисленный при температуре 400 °C 400 о.п
с окисленной поверхностью 1000... 1200 0,50...0,60
в порошке — 0,82
азотнокислый, в порошке — 0,73
углекислый, в порошке — 0,24
Циркония окись, в порошке — 0,16...0,20
» силикат, в порошке Чугун: — 0,36...0,42
полированный 200 0,21
обточенный 830...990 0,60...0,70
окисленный при температуре 600 °C 200...600 0,64...0,78
шероховатый, сильно окисленный 40...250 0,95
расплавленный 1300... 1400 0,29
Чугунное литье 50 0,81
Чугун в болванках 1000 0,95
Разные материалы
Асбест, в порошке — 0,40...0,60
Асбестовая бумага 40...370 0,93...0,95
Асбестовый картой 25... 30 0,94... 0,96
Асбошифер 20 0,96
Асфальт 25...30 0,95
Бумага:
белая 20 0,70...0,90
желтая — 0,72
красная — 0,76
зеленая — 0,85
синяя —— 0,84
черная — 0,90
покрытая черным лаком — 0,93
черная, матовая — 0,94
тонкая, наклеенная на металлическую плас-
тину 19 0,924
Арсенид галлия полированный 20 0,63 ± 0,02
Береза строганая 25...30 0,92
» лакированная 25...30 0,92
Продолжение табл. 1.2
Материал Температура, ет
Бетон 20 0,92
Бензин 25...30 0,93
Бумажный картон разных сортов 25...30 0,89... 0,93
Вода (слой толщиной более 0,1 мм) 0...100 0,95...0,96
Водяная пленка на металлической поверхности 20 0,98
Гипс 20 0,8...0,9
Глинозем 25...30 0,96
Глина обожженная 70 0,9!
Гравий 25... 30 0,94
Графит, в порошке —- 0,97
Дерево:
белое, сырое 20 0,7...0,8
строганое 20 0.8...0,9
шлифованное — 0,5...0,7
Дуб строганый 20 0,89
Древесный уголь, в порошке — 0,96
Древесные опилки хвойных деревьев 25... 30 0,96
Известь — 0,З...О,4
Известняк — 0,91
Керосин 25...30 0,96
Каолин, в порошке — 0,30
Кварцевый песок 25...30 0,93
Кварц плавленный шероховатый 20 0,932
100...500 0,67-0,77
Кизельгур, в порошке — 0,25
Кирпич:
огнеупорный, слабоизлучающий 500... 1000 0,65—0,75
огнеупорный, сильноизлучающий 500... 1000 20 0,8... 0,9 0 85
то же (55 % Si02, 41 % А12Оа) 1100 0,75
» х> 1230 0,59
динасовый, огнеупорный 1000 0,66
» , неглазурованный, шероховатый 1000 0,80
» , глазурованный, шероховатый 1100 0,85
красный, шероховатый 20 0,88—0,93
силиманитовый (33 % SiO2, 64 % A12OS) 1500 0,29
огнеупорный, корундовый 1000 0,46
огнеупорный, магнезитовый 1000... 1300 0,38
то же (80 % MgO, 9 % А12О3) 1500 0,39
силикатный (95 % SiO2) 1230 0,66
Кирпичная кладка оштукатуренная 20 0,94
Кожа дубленая — 0,75-0,80
» человеческая 36 0,98
Корундовый наждак грубый 80 0,85
Кремнезем гранулированный, в порошке —— 0,48
Кремний окисленный 20 0,77 ±0.03
» (селикагель), в порошке — 0,30
Краска:
масляная, различных цветов 100 0,92—0,96
кобальтовая, синяя — 0,7...0.8
кадмиевая, желтая — 0,28—0,33
хромовая, зеленая — 0,65...0,70
алюминиевая, после нагрева до темпера-
туры 325 °C 150...315 0,35
П родолжение табл. 1.2
Материал Температура, °C ет
Лак; черный, матовый 40...95 0,96...0,98
черный, блестящий, распыленный на железо 25 0,88
белый 40... 100 0,80...0,95
белый эмалевый, на железной шероховатой пластине 23 0,906
бакелитовый 80 0,93
алюминиевый, на шероховатой поверхности 20 0,39
жаропрочный 100 0,92
Лед гладкий —10 0,96... 0,97
Лед, покрытый крупным инеем —10 0,98
Листья зеленые свежие — 0,95...0,98
Масло трансформаторное 25...30 0,93
Мрамор сероватый, полированный 22 0,93
Мука пшеничная 25...30 0,96
Магнезит измельченный — 0,20...0,30
Нефть 25...30 0,95
Пенопласт 20 0,60 ± 0,05
Пластмасса 20 0,68 ± 0,02
Песок речной чистый 25...30 0,95
Плексиглас 25...30 0,95
Поле ржаное 0,93
Резина мягкая, серая, шероховатая 24 0,86
Рубероид 20 0,93
Сажа: ламповая (слой 0,075 мм и толще) 20...400 0,95...0,97
с жидким стеклом 100...225 0,95...0,96
нанесенная на твердую поверхность 50...1000 0,96
Сахарный песок 25...30 0,97
Слюда: толстый слой — 0,72
б порошке, агломерированном в силикате — 0,81...0,85
в топком порошке —* 0,44
Стекло оконное 25...30 0,91
Смола — 0,79...0,84
Снег —10 0,80...0,85
Спирт этиловый 25...30 0,89 0,94...0,91
22... 100
Стекло 250... 1000 0,87...0,72
1100...1500 0,70...0,67
Стекло матовое 20 0,96,
Соль поваренная техническая 25...30 0,96
Сукно черное 20 0,98
Табак, тонко нарезанный 25...30 0,97
Тальк, в тонком порошке — 0,24
Ткань: асбестовая __ 0,78
хлопчатобумажная и льняная 25...30 0,92...0,96
Толь кровельный 20 0,93
Трава редкая — 0,84
Уголь каменный 25...30 0,95
» очищенный (0,9 % золы) 125...625 0,81...0,79
Угольная нить 1040... 1405 0,53
Фарфор белый, блестящий — 0,70...0,75
» глазурованный 22 0,92
Продолжение табл. 1.2
Материал Температура, °C е7
Фибра 25...30 0,93
Флюорит натуральный, измельченный — 0,30... 0,40
Текстолит 20 0,93 ± 0,02
Фторопласт 20 0,95 ± 0,02
Хлопок-сырец различной влажности 25...30 0,93...0,96
Цемент 25...30 0,93
Чай 25...30 0,98
Чернозем — 0,87
Шеллак черный, блестящий на луженом железе 21 0,82
0...100 0,97...0,93
Шлаки котельные 200...500 600. ..1200 0,89...0,78 0,76...0,70
1400... 1800 0,69...0,67
Штукатурка шероховатая, известковая 10...90 0,91
Эбонит — 0,89
Эмаль белая 20 0,90
Ячмень, просо, кукуруза 25...30 0,95
Коэффициент теплового излучения повышается при увеличении шерохов а-
тости поверхности. Если высота бугорков шероховатости превышает в не-
Рис. 1.2. Графики зависимости спектрального коэффициента тепло-
вого излучения от длины волны:
а__для некоторых материалов, которые можно считать серыми телами (/ —«
глина, Т = 363 К; 2 — грунт из песка, глины и известняка. Т = 363 К; 3 —
мелкая галька, Т = 363 К; 4 — оргстекло полированное, Т = 363 К; б — дю-
раль матовый. Т — 383 К; 6 — нержавеющая сталь, Т = 383 К; 1 — дюраль
гладкий, Т *= 383 К); б — Для некоторых металлов (/ — никель, Т = 1200 Кг
2 —железо, Т = 1518 К; 3—.железо, Т = 1120 К; 4 —железо, Т = 295 К;
б — кобальт, Т = 300 К)
сколько раз длину волны излучения, коэффициент теплового излучения такой
поверхности бщ подсчитывают по приближенной формуле:
еш = в [14-2,8(1-ер],
где е — коэффициент теплового излучения гладкой поверхности. Прн про-
ведении расчетов по формуле (1.2) значения в?. и берут на основании резуль-
татов экспериментальных исследований (табл. 1.2), (рис. 1.2—1.4).
Графики на рис. 1.3,в—1.3,g соответствуют нержавеющим сталям, жаро-
стойким сплавам и тугоплавким материалам, которые используют в объек-
тах, находящихся при высокой температуре.
§
1.3. Графики зависимости коэффициента
В
Рис.
излучения от температуры:
а — для железа U), кобальта (2), никеля (5); б -*
для меди (/), золота (2), серебра (3), алюминия (4)j
в — для нержавеющих сталей (1 — сталь Х16Н6,
поверхность после прокатки, окисленная; 2 — сталь Х16Н6,
поверхность после дробеочистки; 3 — сталь 1XUH10T, поверх-
ность после прокатки; 4 — сталь 1Х18Н10Т, поверхность элек-
трополирована; 5— малоуглеродистая сталь, поверхность зер«
кально полирована; 6 — нержавеющая сталь Х-28, поверх-
ность со средней высотой микронеровностей); г — для жаро»
стойких сталей (/ — сталь 0Х18Н10, поверхность в состоянии
поставки, окислена; 2 — сталь 1Х18НТ, поверхность окислена
на воздухе прн Т*== 1373 К в течение 30 мин; 3 — сталь
1Х18Н9Т, поверхность механически полирована; 4—сталь
Х23Н18, поверхность в состоянии поставки; 5 — сталь типа
0Х18Н12Б, поверхность в состоянии поставки); д—для туго-
плавких материалов (/ — сталь типа ЭИ435, поверхность после
Дробеструйной обработки, окислена при Т = 1473 К; 2 — сплав
ЭИ607, поверхность полирована, окислена при Т — 1366 К
в течение 30 мнн; 3—«сплав типа ЭИ435, поверхность после
дробеструйной обработки, окислена при Т = 1173 К; 4 — сплав
ЭЙ435, поверхность полирована, окислена при Т — 1473 К:
Б — сплав ЭИ435, поверхность после дробеструйной обработ-
ки, окислена прн 7 = 873 К; 6—«то же, поверхность после
дробеструйной обработки; 7 —• то же, поверхность после про-
катки, окислена прн Т = 1173 К; 8— то же, поверхность после
прокатки; 9— то же, поверхность полирована; 10Сплав ЭИ607, поверхность полирована)
Рис. 1.4. Графики зависимости спектрального
коэффициента излучения кварцевого стекла от
длины волны:
1 — толщина 1,6 мм, Т = 811 К; 2—толщина 2 мм,
Т =* 500 К
Коэффициент теплового излучения воды
близок к единице. Практически слой воды тол-
щиной более 0,2»..0,3 мм можно считать абсо-
лютно черным телом. Это справедливо для
углов визирования до 50—60 °. При больших углах коэффициент теплового
излучения сильно уменьшается.
Во многих устройствах, связанных с получением изображения нагретых
Гел, чувствительный элемент реагирует на воспринимаемый им поток излу-
чения. Последний определяется температурой тела и его коэффициентом теп-
лового излучения. Поэтому при анализе полученных изображений для
правильной интерпретации результатов следует всегда учитывать влияние
коэффициента теплового излучения и его зависимость от температуры.
Так как чувствительный элемент тепловизора воспринимает не суммар-
ный поток излучения наблюдаемого объекта, а поток излучения в опреде-
ленном спектральном диапазоне, необходимо знать распределение энергети-
ческой светимости по длинам волн.
По закону Планка спектральная плотность энергетической светимости
абсолютно черного тела, Вт/см3
Чл =
2nftc§
/ с°,;
1
(1.3)
где k— 10~23 (1,38054 ± 0,00007) Вт • с/К— постоянная Больцмана.
Чаще уравнение (1.3) записывают в другом
виде, выражая в ваттах на квадратный сан-
тиметр-микрометр, а Л — в микрометрах:
<4
(1-4)
где Cf и с2 — постоянные величины, связанные
с мировыми постоянными (скоростью света в ва-
Рис. 1.5. Графики зависимости спектральной
плотности энергетической светимости абсолютно
черного тела при различных температурах Т от
длины волны
900К
/т
ол
0.2
Bt^uImkh^
о»
600
ООО
6 9 12 А,мт
кууме с0, постоянной Больцмана k и постоянной Планка ft) соотношениями
Cj = 2лс„Л; с2 = coh/k.
Численные значения этих постоянных* составляют: сх= 1СГ16(3,7415 ±
± 0,003) Вт - м2 = 104(3,7415 ± 0,003) Вт • мкмЧсм2; с2= 10“2(l ,43880 ±
± 0,00007) м • К = 104(1,43880 ± 0,00007) мкм К.
Графики зависимости Т) представляют собой плавные
кривые, имеющие один максимум и спадающие до нуля при стремлении X
к нулю или бесконечности (рис. 1.5).
Положение максимума спектральной плотности потока излучения аб-
солютно черного тела определяется законом Вина:
V = (1.5)
где с = 2,8978 • 10"3 м • К = 2897,8 мкм • К.
Значения Хм, рассчитанные по формуле (1.5) для раличных температур
^^бсолютно черного тела, даны в табл. 1.3 (постоянная с принята равной
Максимальное значение спектральной плотности энергетической светимости
(Чх)тах абсолютно черного тела пропорционально пятой степени его абсолют-
н°й температуры: (Чл)гпах = с*^8> где с* = 1,2864 • 10® Вт/(м2 • мкм) =
= 1,2864 • 10-1® Вт/(см2 • мкм).
Энергетическую светимость абсолютно черного тела в заданном спектраль-
ном интервале рассчитывают с помощью табличных функций —
Определены Международным конгрессом в Турине (1956 г.)
1.3. Значения длин волн 2.м, соответствующие максимуму спектральной
плотности энергетической светимости абсолютно черного тела при различных
температурах
t °C т. к Лм, мкм t, °C Т, К Хм, мкм 11, °C т, К Хм, мкм t °C Г, К Хм, мкм
0 273 10,62 360 633 4,578 710 983 2,948 1300 1573 1,842
10 283 10,24 370 643 4,507 720 993 2,918 1350 1623 1,786
20 293 9,891 380 653 4,438 730 1003 2.889 1400 1673 1,732
30 303 9,564 390 663 4,371 740 1013 2,861 1450 1723 1,682
40 313 9,259 400 673 4,306 750 1023 2,833 1500 1773 1,634
50 323 8,972 410 683 4,243 760 1033 2,805 1550 1823 1,590
60 333 8,703 420 693 4,182 770 1043 2,778 1600 1873 1,547
70 343 8,449 430 703 4,122 780 1053 2,752 1650 1923 1,507
80 353 8,210 440 713 4,064 790 1063 2,726 1700 1973 1,469
90 363 7,983 450 723 4,008 800 1073 2,701 1750 2023 1,432
100 373 7,769 460 733 3,954 810 1083 2,676 1800 2073 1,398
110 383 7,567 470 743 3,900 820 1093 2,651 1850 2123 1,365
120 393 7,374 480 753 3,849 830 1103 2,627 1900 2173 1,334
130 403 7,191 490 763 3,798 840 1113 2,604 1950 2223 1,304
140 413 7,017 500 773 3,749 850 1123 2,581 2000 2273 1,275
150 423 6,851 510 783 3,701 860 1133 2,558 2050 2323 1,248
160 433 6,693 520 793 3,654 870 1143 2,535 2100 2373 1,221
170 443 6,542 530 803 3,609 880 1153 2,513 2150 2423 1,196
180 453 6,397 540 813 3,565 890 1163 2,492 2200 2473 1,172
190 463 6,259 550 823 3,521 900 1173 2,471 2250 2523 1,149
200 473 6,127 560 833 3,479 910 1183 2,450 2300 2573 1,126
210 483 6,000 570 843 3,438 920 1193 2,429 2350 2623 1,105
220 493 5,878 580 853 3,397 930 1203 2,409 2400 2673 1,084
230 503 5,761 590 863 3,358 940 1213 2,389 2450 2723 1,064
240 513 5,649 600 873 3,320 950 1223 2,370 2500 2773 1,045
250 523 5,541 610 883 3,282 960 1233 2,350 2550 2823 1,027
260 533 5,437 620 893 3,245 970 1243 2,331 2600 2873 1,009
270 543 5,337 630 903 3,209 980 1253 2,313 2650 2923 0,991
280 553 5,240 640 913 3,174 990 1263 2,294 2700 2973 0,975
290 563 5,147 650 923 3,140 1000 1273 2,276 2750 3023 0,959
300 573 5,058 660 933 3,106 1050 1323 2,190 2800 3073 0,943
310 583 4,971 670 943 3,073 1100 1373 2,111 2850 3123 0,928
320 593 4,887 680 953 3,041 1150 1423 2,036 2900 3173 0,910
330 603 4,806 690 963 3,009 1200 1473 1,967 2950 3223 0,899
340 613 4,728 700 973 2,978 1250 1523 1,903 3000 3273 0,885
350 623 4,652
Х,/^е(0 «о, в зависимости от безразмерных значений величины х^=>
= МС'
Очевидно
Xg Xg Xj
= J J ~~ ^е7.
Ki О О
Xg
^e(0...xs) = У d^= г (х^) М^о = г (хЛг) оТ4;
о
Xj
4(0...!.) = J Ме7, dl = 2 0%) Л^(0...~) = 2 оГ4;
О
= °7,4 1г (*Л,) - 2 <М-
1,4. Относительные значения спектральной плотности энергетической
светимости z(x7) в зависимости от безразмерной величины х^ = Х/Хм
Z Z Х1 г ХК Z
0,100 5,500 • IO"18 0,685 6,487 • IO"2 0,950 0,2178 1,215 0,3881
0,200 4,000 • 10~8 0,690 6,710 • 10-2 0,955 0,2211 1,220 0,3911
0,220 3,100 . ю-7 0,695 6,936 • IO"2 0,960 0,2244 1,225 0,3941
0,240 1,600 - io-» 0,700 7,166 • 10-2 0,965 0,2276 1,230 0,3971
0,260 6,400 - !0“6 0,705 7,400 10-2 0,970 0,2309 1,235 0,4001
0,280 2,030 • 10-5 0,710 7,637 • IO-2 0,975 0,2342 1,240 0,4031
0,300 5,470 - 10~5 0,715 7,877 - 10-2 0,980 0,2374 1,245 0,4061
0,320 1,280 • 10“4 0,720 8,!20 • IO-2 0,985 0,2407 1,250 0,4091
0,340 2,690 • 10“« 0,725 8,307 • IO-2 0,990 0,2440 1,255 0,4120
0,360 5,170 • 10~4 0,730 8,617 • IO”2 0,995 0,2473 1,260 0,4149
0,380 9,210 10-4 0,735 8,870 • 10-2 1,000 0,2506 1,265 0,4178
0,400 1,540 • 10-» 0,740 9,127 10-2 1,005 0,2539 1,270 0,4207
0,420 2,430 • 10"» 0,745 9,386 - IO”2 1,010 0,2572 1,275 0,4236
0,440 3,660 - IO-3 0,750 9,648 • 10-2 1,015 0,2605 1,280 0,4265
0,4601 5,300 10-з 0,755 9,913 - IO”2 1,020 0,2638 1,285 0,4294
0,480| 7,410 • IO"3 0,760 0,1018 1,025 0,2672 1,290 0,4323
0,500 1,038 - IO"2 0,765 0,1045 1,030 0,2704 1,295 0,4351
0,505 1,113 • IO"2 0,770 0,1072 1,035 0,2737 1,300 0,4379
0,510 1,191 • IO"2 0,775 0,1100 1,040 0,2770 1,305 0,4407
0,515 1,273 - IO"2 0,780 0,1128 1,045 0,2803 1,310 0,4435
0,520 1,359 IO-2 0,785 0,1156 1,050 0,2836 1,315 0,4463
0,525 1,449 IO-2 0,790 0,1184 1,055 0,2869 1,320 0,4491
0,530 1,543 - IO"2 0,795 0,1213 1,060 0,2902 1,325 0,4519
0,535 1,641 • IO"2 0,800 0,1241 1,065 0,2935 1,330 0,4547
0,540 1,743 • IO"2 0,805 0,1270 1,070 0,2968 -1,335 0,4575
0,545 1.849 - IO"2 0,810 0,1300 1,075 0,3001 1,340 0,4662
0,550 1,959 - 10-2 0,815 0,1329 1,080 0,3033 1,345 0,4629
0,555 2,073 • IO"2 0,820 0,1359 1,085 0,3065 1,350 0,4656
0,560 2,191 • IO”2 0,825 0,1388 1,090 0,3097 1,355 0,4683
0,565 2,313 • IO-2 0,830 0,1418 1,095 0,3129 1,360 0,4710
0,570 2,439 10-2 0,835 0,1449 1,100 0,3161 1,365 0,4737
0,575 2,570 - IO”2 0,840 0,1479 1,105 0,3193 1,370 0,4764
0,580 2,705 - 10-2 0,845 0,1509 1,110 0,3225 1,375 0,4791
0,585 2,844 • IO"2 0,850 0,1540 1,115 0,3257 1,380 0,4817
0,590 2,987 • IO"2 0,855 0,1571 1,120 0,3289 1,385 0,4843
0,595 3,134 • IO"2 0,860 0,1602 1,125 0,3321 1,390 0,4869
0,600 3,285 • IO-2 0,865 0,1633 1,130 0,3353 1,395 0,4895
0,605 3,439 - IO-2 0,870 0,1664 1,135 0,3385 1,400 0,4921
0,610 3,599 - IO-2 0,875 0,1696 1,140 0,3417 1,405 0,4947
0,615 3,763 • IO-2 0,880 0,1727 1,145 0,3449 1,410 0,4973
0,620 3,931 - IO-2 0,885 0,1759 1,150 0,3481 1,415 0,4999
0,625 4,103 • IO"2 0,890 0,1791 1,155 0,3512 1,420 0,5024
0,630 4,279 • 10-2 0,895 0,1822 1,160 0,3543 1,425 0,5049
0,635 4,460 • IO"2 0,900 0,1854 1,165 0,3574 1,430 0,5074
0,640 4,645 . IO"2 0,905 0,1886 1,170 0,3605 1,435 0,5099
0,645 4,833 • IO"2 0,910 0,1918 1,175 0,3636 1,440 0,5124
0,650 5,026 • IO"2 0,915 0,1950 1,180 0,3667 1,445 0,5149
0,655 5,222 - 10-2 0,920 0,1983 1,185 0,3698 1,450 0,5174
0,660 5,422 • 10-2 0,925 0,2015 1,190 0,3729 1,455 0,5199
0,665 5,626 - IO-2 0,930 0,2048 1,195 0,3760 1,460 0,5223
0,670 5,834 . IO"2 0,935 0,2080 1,200 0,3791 1,465 0,5247
0,675 6,053 • IO-2 0,940 0,2112 1,205 0,3821 1,470 0,5271
0,680 6,268 - IO-2 0,945 0,2145 1,210 0,3851 1,475 0,5295
Продолжение табл. 1.4
хк 2 2 *7. Z *7. 2
1,480 0,5319 1,735 0,6385 1,990 0,7190 2,49 0,8221
1,485 0,5343 1,740 0,6403 1,995 0,7203 2,50 0,8236
1,490 0,5367 1,745 0,6421 2,00 0,7216 2,52 0,8266
1,495 0,5391 1,750 0,6439 2,01 0,7243 2,54 0,8296
1,500 0,5414 1,755 0,6457 2,02 0,7269 2,56 0,8325
1,505 0,5438 1,760 0.6475 2,03 0,7295 2,58 0,8353
1,510 0,5461 1,765 0,6493 2,04 0,7321 2,60 0,8381
1,515 0,5484 1,770 0,6510 2,05 0,7347 2,62 0,8408
1,520 0,5507 1,775 0,6527 2,06 0,7371 2,64 0,8434
1,525 0,5530 1,780 0,6544 2,07 0,7396 2,66 0,8460
1,530 0,5553 1,785 0,6561 2,08 0,7420 2,68 0,8485
1,535 0,5576 1,790 0,6578 2,09 0,7440 2,70 0,8510
1,540 0,5598 1,795 0,6593 2,10 0,7468 2,72 0,8534
1,545 0.5620 1,800 0,6612 2,И 0,7492 2,74 0,8558
1,550 0,5642 1,805 0,6629 2,12 0,7515 2,76 0,8581
1,555 0,5664 1,810 0,6649 2,13 0,7538 2,78 0,8604
1,560 0,5636 1,815 0,6666 2,14 0,7561 2,80 0,8627
1,565 0,5708 1,820 0,6682 2,15 0,7584 2,82 0^8649
1,570 0,5730 1,825 0,6698 2,16 0,7606 2,84 0,8671
1,575 0,5752 1,830 0,6714 2,17 0,7628 2,86 0,8692
1,Ь80 0,5774 1,835 0,6730 2,18 0,7650 2,88 0,8713
1,585 0,5795 1,840 0,6746 2,19 0,7672 2,90 0,8733
1,590 0,5816 1,845 0,6762 2,20 0,7693 2,92 0,8753
1,595 0,5837 1,850 0,6778 2,21 0,7714 2,94 0,8773
1,600 0,5858 1,855 0,6794 2,22 0,7735 2,96 0,8792
1,605 0,5879 1,860 0,6810 2,23 0,7756 2,98 0,8811
1,610 0,5900 1,865 0,6826 2,24 0,7776 3,0 0,8829
1,615 0,5921 1,870 0,6842 2,25 0,7796 3,1 0,8916
1,620 0,5942 1,875 0,6857 2,26 0,7816 3,2 0,8996
1,625 0,5962 1,880 0,6872 2,27 0,7836 3,3 0,9069
1,630 0,5982 1,885 0,6887 2,28 0,7856 3,4 0,9139
1,63Ь 0,6002 1,890 0,6902 2,29 0,7875 3,5 0,9199
1,640 0,6022 1,895 0,6917 2,30 0,7894 3,6 0,9253
1,645 0,6042 1,900 0,6932 2,31 0,7913 3,7 0,9303
1,650 0,6062 1,905 0,6947 2,32 0,7932 3,8 0,9349
1,655 0,6082 1,910 0,6962 2,33 0,7950 3,9 0,9391
1,660 0,6102 1,915 0,6977 2,34 0,7968 4,0 0,9431
1,665 0,6122 1,920 0,6992 2,35 0,7986 4,2 0,9501
1,670 0,6142 1,925 0,7007 2,36 0,8004 4,4 0,9559
1,675 0,6161 1,930 0,7022 2,37 0,8022 4,6 0,9609
1,680 0,6180 1,935 0,7036 2,38 0,8040 4,8 0,9653
1,685 0,6199 1,940 0,7050 2,39 0,8057 5,0 0,9691
1,690 0,6218 1,945 0,7064 2,40 0,8074 5,5 0,9766
1,695 0,6237 1,950 0,7078 2,41 0,8091 6,0 0,9821
1,700 0,6256 1,955 0,7092 2,42 0,8108 6,5 0,9862
1,705 0,6275 1,960 0,7106 2,43 0,8125 7,0 0,9893
1,710 0,6294 1,965 0,7120 2,44 0,8141 7,5 0,9917
1,715 0,6313 1,970 0,7134 2,45 0,8157 8,0 0,9936
1,720 0,6331 1,975 0,7148 2,46 0,8173 8,5 0,9951
1,725 0,6349 1,980 0,7162 2,47 0,8189 9,0 0,9963
1,730 0,6367 1,985 0,7176 2,48 0,8205 10,0 0,9981
1.5. Относительные значения спектральной плотности энергетической
светимости в зависимости от безразмерной величины =
V 1} «Л V ХК У
0,200 7,354 • 10-° 0,465 0,1509 0,76 0,8177 1,29 0,8672
0,205 1,191 - 10-6 0,470 0,1603 0,77 0,8339 1,30 0,8510
0,210 1,879 - 10-6 0,475 0,1699 0,78 0,8493 Ц31 0,8527
0,215 2,895 - IO"5 0,480 0,1798 0,79 0,8638 1,32 0.8454
0,220 4,362 - IO-5 0,485 0,1899 0,80 0,8776 1,33 0,8380
0,225 6,438 • IO"6 0,490 0,2003 0,81 0,8906 1,34 0,8306
0,230 9,318 - IO-6 0,495 0,2109 0,82 0,9028 1,35 0,8231
0,235 1,325 - 10-« 0,500 0,2217 0,83 0,9141 1,36 0,8156
0,240 1,852 10-« 0,505 0,2328 0,84 0,9247 1,37 0,8081
0,245 2,548 - 10-4 0,510 0,2440 0,85 0,9346 1,38 0,8006
0,250 3,454 IO—* 0,515 0,2554 0,86 0,9436 1,39 0,7930
0,255 4,618 • 10-4 0,520 0,2670 0,87 0,9519 1,40 0,7854
0,260 6,094 • 10-4 0,525 0,2788 0,88 0,9595 1,41 0,7779
0,265 7,943 - 10-* 0,530 0,2907 0,89 0,9664 1,42 0,7703
0,270 1,024 • 10"3 0,535 0,3027 0,90 0,9725 1,43 0,7628
0,275 1,305- IO"3 0,540 0,3194 0,91 0,9780 1,44 0,7552
0,280 1,646 • 10~3 0,545 0,3272 0,92 0,9829 1,45 0,7477
0,285 2,056 10~3 0,550 0,3396 0,93 0,9870 1,46 0,7401
0,290 2,545 10-3 0,555 0,3521 0,94 0,9906 1,47 0,7326
0,295 3,123 10"3 0.560 0,3646 0,95 0,9936 1,48 0,7252
0,300 3,801 - 10-» 0,565 0,3772 0,96 0,9959 1,49 0,7177
0,305 4,591 . 10-3 0,570 0,3899 0,97 0,9977 1,50 0,7103
0,310 5,503 - 10-3 0,575 0,4026 0,98 0,9990 1,55 0,6737
0,315 6,550 - 10~з 0,580 0,4154 0,99 0,9998 1,60 0,6382
0,320 7.745 • IO"3 0,585 0,4281 1,00 1.0000 1,65 0,6039
0,325 9,100 - 10-3 0,590 0,4409 1,01 0,9998 1,70 0,5711
0,330 1,063 • ю-8 0,595 0,4537 1,02 0,9991 1,75 0,5397
0,335 1,234 • 10~8 0,600 0,4664 1,03 0,9979 1,80 0,5098
0,340 1,425 - 19-8 0,605 0,4791 1,04 0,9964 1,85 0,4815
0,345 1,637 • 10-2 0,610 0,4918 1,05 0,9944 1,90 0,4546
0,350 1,871 • 10-2 0,615 0,5045 1,06 0,9920 1,95 0,4293
0,355 2,128 • 10-2 0,620 0,5171 1,07 0,9893 2,00 0,4054
0,360 2,410 • 10-8 0,625 0,5296 1,08 0,9862 2,05 0,3828
0,365 2,717 - 10-8 0,630 0,5420 1,09 0,9828 2,10 0,3616
0,370 3,051 - 10-8 0,635 0,5544 1,10 0,9791 2,15 0,3417
0,375 3,411 - IO"8 0,640 0,5666 1,11 0,9750 2,20 0,3229
0,380 3,800 10“8 0,645 0,5788 1,12 0,9707 2,25 0,3052
0,385 4,218 - 10-8 0,650 0,5909 1,13 0,9661 2,30 0,2887
0,390 4,666 - 10"2 0,655 0,6028 1,14 0,9613 2,35 0,2731
0,395 5,144 • 10-8 0,660 0,6147 1,15 0,9562 2,40 0,2585
0,400 5,652 - IO"8 0,665 0,6264 1,16 0,9509 2,45 0,2447
0,405 6,191 - 10-8 0,670 0,6379 1,17 0,9454 2,50 0,2318
0,410 6,762 • 10-8 0,675 0,6494 1,18 0,9397 2,55 0,2197
0,415 7,364 • 10-8 0,680 0^6606 1,19 0,9338 2,60 0,2083
0,420 7,997 • 10-з 0,685 0,6718 1,20 0,9277 2,65 0,1976
0,425 8,663 - 10~8 0,690 0,6827 1,21 0,9215 2,70 0,1875
0,430 9,359 - 10-8 0^695 0^6936 1,22 0,9151 2,75 0,1780
0,435 0,1009 0J0 07042 1,23 0,9086 2,80 0,1691
0,440 0,1085 0J1 07250 1,24 0,9020 2,85 0,1607
0,445 0,1164 0J2 07450 1.25 0,8952 2,90 0,1528
0,450 0,1246 0,73 0,7643 1,26 0,8884 2,95 0,1454
0,455 0,1331 074 07829 1,27 0,8814 3,00 0,1384
0,460 0,1419 0,75 0”8007 1,28 0,8743 3,05 0,1317
П родолжение табл. 1.5
хг хк V ХК хк ь
3,10 0,1255 3,85 6,394 • IO"2 6,4 1,131 - 10-2 9,4 2,787 - Ю-з
3,15 0,1196 3,90 6,133 - 10-2 6,6 1,013 10-2 9,6 2,577 IO"3
3,20 0,1140 3,95 5,886 • IO"2 6,8 9,102 - IO-3 9,8 2,387 • IO"3
3,25 0,1088 4,0 5,650 • IO-3 7,0 8,201 • 10-3 10,0 2,214 • IO"3
3,30 0,1038 4,2 4,816- IO"2 7,2 7,408 • 10-з 11,0 1,549 • IO”3
3,35 9,915 IO"2 4,4 4,128 - IO"2 7,4 6,708 • 10-з 12,0 1,116 • IO"3
3,40 9,471 • IO"2 4,6 3,557 • IO"2 7,6 6,089 • 10-3 13,0 8,242 - 10“4 5
3,45 9,051 • IO-2 4,8 3,080 - 10-2 7,8 5,539 • 10-3 14,0 6,217 - 10~*
3,50 8,654 • 10~2 5,0 2,680 • IO"2 8,0 5,050 • 10-3 15,0 4,777 • 10"4
3,55 8,277 10~2 5,2 2,342 • IO"2 8,2 4,613 • 10-з 16,0 3,730 • IO-4
3,60 7,921 - 10-2 5,4 2,056 IO"2 8,4 4,223 • 10“» 17,0 2’955 • 10~4
3,65 7,583 • 10~2 5,6 1,811 - IO-2 8,6 3,872 • 10-3 18,0 2,371 - 10*4
3,70 7,262 • 10-2 5,8 1,602 - 10~2 8,8 3,558 • 10-з 19,0 1,925 • 10-«
3,75 6,957 • IO-2 6,° 1,421 IO-2 9,0 3,274 • 10-з 20,0 1,578 - 10-4
3,80 6,669 • IO-2 6,2 1,266 IO"2 9,2 3,018 • 10-э
Для серого тела
= 6 *го7’4 1г (хк) - г (х?1)]. (1.6)
Значения функций г (xf) приведены в табл. 1.4.
Графики зависимости спектральной плотности энергетической светимо-
сти абсолютно черного тела от длины волны в относительных единицах
строят с помощью табл. 1.5, где даны значения у (х^) =
= Ме?1/(/Йе?1)тах в зависимости от безразмерной величины хх= VkM.
Пример 1.1. Определить энергетические светимости серого тела с коэф-
фициентом теплового излучения ег= 0,8 и температурой t = 427 °C (Г =
= ~ 700 К) в спектральных диапазонах 2...3,3...5 и 8...13 мкм.
Решение. 1. По формуле (1.5) или по табл. 1.3 определяем длину волны
Лм, соответствующую максимуму спектральной плотности энергетической
•светимости:
Ам= 2898/Г = 4,14 мкм.
2. Рассчитываем безразмерные величины х.{ = ААМ:
2/4,14 = 0,483; 3/4,14= 0,725; 5/4,14=1,20; 8/4,14=1,93; 13/4,14=3,14.
3. По табл. 1.4 находим относительные значения спектральной плотно-
сти энергетической светимости г (х^):
z (0,483) =» 7,42 • IO"3; г (0,725) ~ 8,31 • 10“2; г (1,20) яа 0,38;
г (1,93) яа 0,70; г (3,14) « 0,90.
4. По формуле (1.1) или по табл. 1.1 определяем энергетическую свети-
мость абсолютно черного тела, соответствующую температуре Т = 700 К:
Ме = а'Г4 = 1,368 • 10* Вт/м2.
5. По формуле (1.6) рассчитываем энергетическую светимость в заданных
спектральных интервалах:
ме(2...3) = °-8 • 13680 Г8.31 • IO-2 — 7,42 10-8] = 830 Вт/м2;
Ме(3...5) ==°,8 • 13680 [°,38 — 8,31 • 10-2] = 3300 Вт/м2;
Ч(8...13) = °>8 • 13680 i°,90 — °.7О] = 3200 Вт/м2.
Пример 1.2. Построить графики зависимости Afej|,/((We^)n]ax= f (ty
в диапазоне длин волн от 1 до 14 мкм для абсолютно черного тела с тем-
пературой 4= 100 °C; /2= 300 °C; t3= 500 °C.
Решение. 1. По формуле (1.5) или по табл. 1.3 определяем длины волн»
соответствующие максимумам спектральных плотностей энергетической све^
тимости:
Тг = 273+100 = 373 К; Лм1 = « 7,77 мкм;
72 = 273 + 300 = 573 К; « 5,06 мкм;
J 2
Т3 = 273 + 500 = 773 К; Л = « 3,75мкм.
3
2. Задаваясь значениями длин волн от 1 до 14 мкм (через 1 мкм), рас-
считываем безразмерные величины х} = ЛАМ и результаты расчета сводим
В табл. 1.6.
1.6. Расчетные даивые к примеру 1.2
к, мкм Г, = 373К; 7.м1 = 7,77 мкм Тй « 573 К; ХМ2 = мкм Тъ = 773 К; ^мЗ = 5 мкм
— *АМ1 У<хк> хк~ хк = ^КмЗ У<х'/)
1 0,129 0,198 0,267
2 0,258 — 0,396 0,05 0,534 0,30
3 0,387 0,04 0,594 0,45 0,801 0,88
4 0,516 0,26 0,792 0 87 1,07 0,99
5 0,644 0,58 0,990 0,99 1,33 0,84
6 0,772 0,84 1,19 0,93 1,60 0,64
7 0,903 0,97 1,38 0,80 1,86 0,48
8 1,03 0,99 1,58 0,65 2,14 0,34
9 1,16 0,95 1,78 0,53 2,40 0,26
10 1,29 0,87 1,98 0,41 2,67 0,19
11 1,42 0,77 2,18 0,33 2,93 0,15
12 1,55 0,67 2,38 0,26 3,20 0,11
13 1,67 0,59 2,58 0,21 3,47 0,09
14 1,81 0,51 2,76 0,18 3,73 0,07
3. По табл. 1.5 находим относительные значения спектральных плотно-
стей энергетической светимости У},(х}) = и заносим в расчет-
ную табл. 1.6.
4. По найденным значениям у (х.) строим графики зависимости МеК/
(^ел)тах= Для абсолютно черного тела с заданными температура ми
(рис. 1.6).
Сила излучения в заданном направлении, характеризуемом углом а от нор-
мали к поверхности излучения, определяется законом Ламберта. Этот закон
справедлив только для абсолютно черного тела и идеально матовой поверх-
ности и имеет вид
dle (а) — Le dS cos а, (1-7)
где Le— энергетическая яркость, которая в рассматриваемом случае не зави-
сит от угла a; dS — элементарная площадь излучающей поверхности.
_ Графически зависимость dle(a) изображается на плоскости в виде окруж-
ности, касающейся поверхности dS (рис. 1. 7),а в пространстве в виде шаровой
поверхности, полученной вращением этой окружности вокруг нормали N к dS.
С помощью закона Ламберта можно определить энергетическую свети-
мость в направлении а в заданном телесном угле da:
dMe = (dle (a) da)/dS = Le cos a da. (1.8)
На основании формулы (1.8) получается зависимость, связывающая
энергетическую светимость с энергетической яркостью для идеальной поверх-
ности [40]:
Ме = nLe. (1.9)
Геометрическое место концов вектора энергетической силы излучения
в данном направлении называют индикатрисой силы излучения. Для реаль-
ных объектов трудно построить точную индикатрису излучения в связи
Рис. 1.7. Графиче-
ская интерпретация
закона Ламберта
с многообразием форм и ориентацией из-
лучающих поверхностей, отсутствием до-
стоверных данных о градиентах темпе-
ратуры, коэффициентах теплового излу-
чения и взаимном влиянии поверхностей.
Поэтому в инженерной практике пользу-
ются упрощенной схематизацией объекта
как излучателя. Объект заменяют сово-
купностью излучающих поверхностей
(или участков поверхностей), в пределах которых температуру и коэффициент
Рис. 1.6. Графики зависимости от-
носительных значений спектральной
плотности энергетической светимо-
сти от длины волны при различ-
ных температурах Т:
1 — 373 К: 2 — 573 к; 3 — 773 К
теплового излучения можно считать постоянными. При этом из рассмотрения
исключают те поверхности, влияние которых на суммарное излучение объекта
незначительное. Каждую из поверхностей рассматривают как серый излу-
чатель, подчиняющийся закону Ламберта, для которого известны темпера-
тура, коэффициент теплового излучения, площадь и ориентация в простран-
стве. Взаимное влияние поверхностей не учитывают.
Так как индикатриса силы излучения представляет в общем случае
объемную фигуру, то обычно находят семейство индикатрис I («)g.COnst
или I (₽)a.const- Если объект является симметричным излучателем, мож-
но ограничиться построением индикатрисы силы излучения в характерных
плоскостях.
Пример 1.3. Построить индикатрису силы излучения металлической
пластины, имеющей коэффициент теплового излучения ег= 0,8, площадь
5=1 м2, температуру t = 300 °C и наклоненной к горизонту под углом
Ф = 30°. Заданный спектральный диапазон: 2 мкм; Ха= 3,5 мкм.
Решение:!. По формуле (1.5) или по табл. 1.3 находим длину волны
™, соответствующую максимуму спектральной плотности энергетической
светимости: \ = 2898/(273 + t °C) « 5 мкм.
2. Определяем величины = Х/Хм для входа в табл. 1,4 и соответст-
вующие значения г(«х):
*xi = W4 = °.4; г (*Х1) = 1 >54 •10"®»
ЛХ2 = = 0,7; г (х?2) = 0,0717;
г (*Л2> — г <xxi) = °>0702-
1.7. Расчетные данные к примеру 1.3
а, ... ° 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
S - cos а, м2 1,00 0,98 0,94 0,87 0,77 0,64 0,50 0,36 0,19 0,00
Т (а) = LeS, Вт/ср 109 107 102 94 83,2 69,1 54,5 39,9 20,5 0
3. По формуле (1.6) рассчитываем энергетические светимости в диа^
пазоне длин волн от лг= 2,0 мкм до Л2
1.1 находим энергетическую светимость,
соответствующую температуре 7=573 К
(Ме — 6100 Вт/м2):
Ме(2...3,5) = еТМе Гг ~ г (*Х1)1 =
= 343 Вт/м2.
4. Считая поверхность пластины
подчиняющейся закону Ламберта, нахо-
дим энергетическую яркость, соответ-
ствующую заданному спектральному ди-
апазону:
Le = /Ие(2...3.5)/Я = 109 Вт/(м2 • ср).
5. Задаваясь различными направ-
лениями, характеризуемыми углом а
относительно нормали к поверхности
излучения, находим соответствующие
проекции площади на плоскость, пер-
пендикулярную заданному направлению,
3,5 мкм; предварительно по табл.
Рис. 1.8. Индикатриса силы излу-
чения пластины, наклоненной к го-
ризонту под углом 30°
и силу излучения. Расчетные данные сводим в табл. 1.7 и строим индикатри-
су силы излучения (рис. 1.8).
2. ПРОПУСКАНИЕ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ АТМОСФЕРОЙ
При прохождении через атмосферу инфракрасное излучение ослабляется
вследствие поглощения и рассеяния молекулами газов, аэрозолями, дождем,
снегом, а также мельчайшими частицами, находящимися в атмосфере во
взвешенном состоянии. Не считая ослабления в плотных дисперсных сре-
дах, молекулярное поглощение является главной причиной ослабления из-
лучения. В диапазоне длин волн свыше 1 мкм в диапазоне высот до 12 км
наибольшее значение для работы инфракрасной аппаратуры имеет селектив-
ное поглощение излучения молекулами водяного пара, углекислого газа
и озона.
Концентрация водяного пара в атмосфере зависит от многих факторов
(географического положения, высоты, времени года, местных метеорологиче-
ских условий) и находится в пределах 0,001...4 % (по объему). С увеличением
высоты содержание водяного пара в атмосфере резко уменьшается и при
высотах свыше 12 км оно пренебрежимо мало. Полосы сильного поглощения
излучения парами воды соответствуют следующим интервалам длин волн,
мкм: 1,095...1,165; 1,319..,1,948; 1,762.-1,977; 2,520—2,845; 4,24—4,4;
5,25. .7,5.
Концентрация углекислого газа на высотах до 20.-25 км изменяется от
0,03 до 0,05 % (по объему). Полосы сильного поглощения излучения угле-
«ислым газом соответствуют интервалам длин волн, мкм: 1,38...1,50; 1,52..,
1,67; 1,92...2,1; 2,64...2,87; 4,63...4,95; 5,05...5,35; 12,5...16,4.
Поглощение инфракрасного излучения озоном, окисью углерода, за-
кисью азота и метаном в нижних слоях атмосферы можно не принимать во
внимание.
Задача определения пропускания инфракрасного излучения атмосферой
является сложной и основывается на аналитических моделях молекулярного
поглощения и рассеяния, а также моделях рассеяния на аэрозолях. Точное
решение этой задачи достаточно сложно, но не всегда необходимо, так как
часто неизвестны метеорологические и другие условия, в которых предпола-
гается применение тепловизионной аппаратуры. Поэтому для приближенных
расчетов максимальной дальности действия и температурной чувствительно-
сти тепловизоров можно ограничиться экспериментальными данными про-
пускания атмосферой инфракрасного излучения в диапазонах чувствитель-
ности приемников излучения.
Поглощение излучения зависит от числа поглощающих молекул на трас-
се. Поэтому для оценки интенсивности поглощения инфракрасного излу-
чения парами воды вводят
параметр количество осаж-
денной воды, обозначаемый
w. Величина w определяется
толщиной слоя воды, в мил-
лиметрах, который полу-
чился бы при конденсации
Поглощающие молекулы
Рис. 1.9. График зависимости
коэффициента пропускания
атмосферы та от длины волны
всех водяных паров вдоль трассы в сосуде, например, цилиндрической формы.
Диаметр воображаемого сосуда не играет никакой роли: толщина слоя осаж-
денной воды в таком сосуде при данных метеоусловиях зависит только от
длины трассы.
Чем больше величина ю, тем больше коэффициент поглощения атмосфе-
ры. В свою очередь величина w зависит не только от длины трассы, но и от
температуры и относительной влажности воздуха. Она может изменяться
в широких пределах (от 0,1 до 1000 мм).
Поглощение излучения углекислым газом также зависит от числа погло-
щающих молекул на трассе. Оно прямо пропорционально длине трассы и дав-
лению воздуха и обратно пропорционально его температуре. По мере увеличе-
ния высоты интенсивность поглощения инфракрасного излучения парами
воды и углекислым газом уменьшается. Это учитывается поправочными коэф-
фициентами, зависящими от высоты. Графики этих зависимостей приведены
в специальной литературе [40].
На рис. 1.9 изображен график зависимости коэффициента пропускания
атмосферы от длины волны излучения. Этот график получен эксперименталь-
но и соответствует длине горизонтальной трассы 1,8 км на уровне моря прн
толщине слоя осажденной воды 17 мм [40]. В верхней части рисунка показано,
молекулами каких газов поглощается инфракрасное излучение. Участки,
характеризуемые хорошим пропусканием (высоким коэффициентом пропус-
кания), называют атмосферными окнами. Наибольшее значение для совре-
менной инфракрасной техники имеют спектральные полосы пропускания
0,95...1,05; 1,15.-1,35; 1,5...1,8; 2,1—2,4; 3,3...4,2; 4,'5...5,1 и 8...13 мкм.
Излучение, как уже отмечалось, не только поглощается молекулами
воды, углекислого газа и озона, но и рассеивается молекулами воздуха (мо-
лекулярное рассеяние) и различными частицами, присутствующими в атмо-
сфере: кристаллами солей, пылинками, поднятыми ветром с поверхности зем-
ли, остатками продуктов сгорания, каплями воды и кристаллами льда (аэро-
зольное рассеяние). В то время как коэффициенты пропускания атмосферой
монохроматического излучения с учетом молекулярного рассеяния можно
рассчитать с той или иной степенью точное™, расчет коэффициентов про-
пускания излучения с учетом аэрозольного рассеяния практически невозмо-
жен, так как для этого необходимо знать количество, размеры, форму и состав
вещества аэрозольных частиц, на которых происходит рассеяние излучения.
Здесь также большую пользу оказывают экспериментальные данные, которые
получают при определенных значениях метеорологической дальности види-
мости. Этот параметр характеризует замутненность атмосферы и представ-
ляет собой наибольшую дальность видимости днем темных предметов с угло-
выми размерами, большими 30', проектирующихся на фоне неба у горизонта.
Метеорологическая дальность видимости изменяется в широких пределах:
от 20...50 км (чистый воздух без осадков) до 0,2...0,05 км (сильный туман
или сильный снег).
Туман и облака сильно рассеивают излучение и практически непроз-
рачны для инфракрасных лучей. При толщине облачности свыше 20 м, когда
солнце не просматривается через облака, инфракрасное излучение также че-
рез них не проходит. Дождь, в отличие от тумана и облаков, сравнительно
хорошо пропускает инфракрасное излучение. Например, коэффициент про-
пускания инфракрасного излучения на трассе длиной 1,8 км при слабом дожде
равен 0,88, при среднем — 0,74, при сильном — 0,66 и при ливне — 0,38
[116]. В этих условиях возможна работа тепловизионной аппаратуры, но на
сниженных дальностях.
При анализе эффективности действия тепловизионных устройств в раз-
личных условиях вводят коэффициент использования излучения К, который
учитывает спектральный состав излучения наблюдаемого объекта, спектраль-
ные характеристики приемника излучения тепловизора и функцию пропуска-
ния излучения слоем атмосферы между тепловизором и объектом. Этот коэф-
фициент
У (Мех/(^ех)тах)
*=-4;-----------------------• . d-iQ>
У (Чх/(Чл)тах)^
где еДпах функция относительной спект ральной плотности энер-
гетической светимости наблюдаемого объекта, зависящая от длины волны;
— спектральная характеристика приемника излучения (ПИ) тепловизора
с учетом спектральных характеристик оптического фильтра и объектива;
Та— коэффициент пропускания атмосферы в диапазоне длин волн чув.
ствительности приемника излучения.
Наибольшую сложность при расчете коэффициента Д’ с помощью ЭВМ
является определение функции та= та(1), которая зависит от большого числа
параметров, и, как видно из рис. 1.9, является прерывистой. Однако задача
может быть упрощена, если рассчитывать коэффициент использования Д’ не
для всего инфракрасного диапазона спектра, а для определенных спектраль-
ных интервалов, соответствующих атмосферным окнам, которые обычно сов-
падают со спектральными диапазонами чувствительности приемников излу-
чения тепловизора.
Обработка результатов расчета на ЭВМ коэффициента К при широком
варьировании входных параметров (высота Н = 0...20 км, дальность D°=
= 1...20 км, температура воздуха у поверхности земли #в= —20...+ 20 °C,
влажность воздуха f = 60...90 %, дальность метеорологической видимости
dB= 10...30 км, температура объекта наблюдения Т = 400...1100 К) позволи-
ла аппроксимировать этот коэффициент приближенными зависимостями (табл.
1.8). Обработка проводилась с помощью алгоритмов, реализующих метод
группового учета аргументов. Спектральные характеристики ПИ брались
в соответствии с рис. 1.10.
1.8. Аппроксимационные зависимости для расчета коэффициента
?i2
к = .
Ло
f
J (4Jmax
Xt
Приемник излучения
и границы
чувствительности,
мкм
PbS
л, (77 К>
ДЛ = 2 ... 4 мкм
PbSe
(295 К)
ДХ = 2 ... 4,2 мкм
Аппроксимационные зависимости для коэффициента К
К — 0,03 -|- 1,35* *ц — 0,63*42 + 0,95*ц*12 — 0,89хц;
•41 = 1,44 • IO"2 — 0,20х13 + 1,09х14 — 0,97х13 • *i4 +
+ 1,08х13;
*12 = 0,01 — 0,17%j Б -|- 1,07х14 — l,03*i4*le + l,16*ie;
43 = 1,51 • IO”3 + 3,82 - 10-2х16 + 0,33X1, + 0,99х18х17 +
+ 0,78Х1в— 1.63 • Ю-247;
х14 = — 5,71 . 10“2 + 0,66х17 + 0,27*18 + 0,82*и - *i8 —
— 0,79*17 + 0,62*|8;
*i5 = 0,11 + 0,74*is — 0,65*20 + 2,30*ю • 4о — l,04*i9;
*„ = 0,50 + 0,20 • 10-3? — 0,080 — 0,20 • Ю~47О +
+ 0,13 • 10-вГ2 + 0,32 • 10-2О2;
*17 = 0,19 + 0,72 - 10"«Я — 0,81 10-^в + 0,50 • 10~3Я х
XfB + 0,40- Ю“4/в;
*is = 0,86 — 1,49 • 10-ЗДв —0,120 +1,11 - 10-3dB - О +
+ 0,30. 10-3dB + 0,36 10~2O2;
*м = 0,69 — 2,15 • 10-з/в — 0,89 - 10-4О + 0,12 х
X 10-% О+ 0,50 - 10-%; + 0,32 Ю-2О2;
*20 = 0,63 — 8,26 • 10~2О + 0,71 10-2/7 — 0,42 X
X 10-30 • Н + 3,02 - Ю-зО2 + 0,70 • 10~4//2.
К — 0,04 + 0,45*21 + 0,29*^ + 0,21*2i*a2 — 0,23%
*2i = 0,86 • IO"4 — 0,16*23 + 0,74*24 + 2,71*22 • *24 —
— 1,46*23 — 0,84*24;
*22 “ --0,36--- 0,72*25 “Ь 1.39*28 0,93*25 * +
+ 0,63*25---0,39*28»
*23 = 1,29 — 0,0lf — 0,080 — 0,14 • 10% . О +
+ 0,07 • 10%2 + 2,84 • IO-»D2;
*24 = 1,02 — 0,120 — 1,62 . Ю-% + 1,19 • 10-30 dB +
+ 3,29 10-302 + 0,40 • 10-з<ф
*25 = 0,85 — 2,91 10-з/в — 0,090 — 0,60 10~% • О +
+ 0,60 10~4/в + 2,74 • Ю-ЗО2;
Продолжение табл. 1.8
Приемник излучения
и границы
чу в ствительности,
мкм
InSb
, <77 к>
ДА = 3 ... 5,5 мкм
HgCdTe
(77 К)
ДА = 8 ... 14 мкм
Аппроксимационные зависимости для коэффициента Д’
*2в = 1,09-J-0,0ldB—2.21 - 10-»Г —0,97 . 10-6dBT 4-
4- 0,13 • 10~3dB 4- 0,14 • 10~874
К = 0,03 4- 0,81x3i + 4,42 • 10-«*а,
*31 = 1,22 • 10~3 4- 0,99*SJ 4- 0,01*32;
*за = 1,78 • 10-2 _|_ 0,86*за -|- 0,16*|3;
*зз = — 6,63 • 10~2 4- 0,69*м + 0,19*з6 +
4~ 0,10*34 • *з5 — 0,34*34 + •*'35 >
*м = — 0,11 — 1,15 • 10-2«в 4- 1,03 - IO"2/ 4-
4- 7,35 • 4- 2,44 • 10-*/* — 8,02 • 10-6/2;
*s5 = 0,93 — 1,99 • 10-ад — 0,120 4- 9,44 . 10~*dD 4-
4- 4,58 • 10~адв 4- 0,41 • 10~2Е>2
К = — 0,22 4- 0,47*41 4- 1,05*42 4- 1,77 - Ю-%1 . *42 4-
4- 1,45 • Ю"1*^ — 0,89*42;
*42 = 1.23 — 1,81 • 10"2/в — 2,31 - Ю-ЗТ 4-
4- 1,62 • 10-7вТ 4-7,06 • 10"Е/в 4- 1,43 • 10~вТ2;
*41 = 1,06 — 2,15 • 10-2dB — 1,15 • ю-1© 4-
4- 0,54 • 10“sdBO 4- 0,60 • 10-ЗД* 4- 0,35 • 10~2О2
Пример 1.4. Вычислить коэффициенты использования излучения Д для
следующих условий: приемник излучения HgCdTe; 8,0 мкм; А2= 14,0 мкм;
/ц= 727 °C (Т = 1000 К); d = 20 км; tB = 10 °C; О = 1...20 км.
Рис. 1,10. Спектральные характеристики приемников излучения:
1 — PbS (77 К); 2 — PbSe (295 К); 3 — InSb (77 К); 4 — Hg : CdTe (77 К)
Рис. 1.11. График зависимости Д = Д (£>)
Решение'. 1. По табл. 1.8 находим
К = -0,22 4- 0,47*414- 1,05*424- 1,77 10-2*41*424- 1,45 0,89*|2;
*42= 1,23 — 1,81 10“2 • 10 — 2,31 - 10“3 • 1000 — 1,62 • 10"6- 10 • 1000 4-
+ 7,06 • 10-8 • 1024- 1,43 • Ю-8- 10002= 0,34;
хи = 1,06 — 2,15 - 10-* - 20 — 1,15 - 10-4) + 0,54 10~3 - 20D + 0,60 X X 10-® • 202+ 0,35 • 10~2D2. 2. Подставляя численные значения Т, tB и dB, получаем значения К, приведенные в табл. 1.9. По данным этой таблицы строим график зависимости К = К (D) (рис. 1.11). 1.9. Расчетные данные к примеру 1.4
D. км 2 5 10 15 20
к 0,42 0,28 0,12 0,079 0,061
3. НАЗНАЧЕНИЕ, ОБЗОР РАЗВИТИЯ
И КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛОВИЗОРОВ
Тепловизоры — устройства, предназначенные для наблюдения нагретых
объектов по их собственному тепловому излучению. Они преобразуют неви-
димое глазом человека инфракрасное излучение в электрические сигналы,
которые после усиления и автоматической обработки вновь преобразуются в
видимое изображение объектов.
В отличие от изображений в видимой н ближней инфракрасной областях
спектра, полученных за счет отраженного излучения объекта и различий
в отражательной способности его элементов и отражающего фона, тепловые
(инфракрасные) изображения создаются за счет собственного теплового излу-
чения объекта и определяются различиями в температуре и излучательной
способности его элементов и окружающего фона. Изменения температуры по-
верхности излучения объекта в определенной мере соответствуют деталям
визуально наблюдаемой картины, поэтому создаваемые тепловизором изобра-
жения в основном отвечают представлениям о форме и размерах рассматрива-
емых объектов.
Первым тепловизором условно можно считать эвапорограф, в котором раз-
ность температур рассматриваемого объекта и окружающего его фона преобра-
зовывалась в разность толщин масляной пленки, неравномерно испаряющейся
в процессе нагрева (эвапорография — регистрация испарением).
В основу устройства эвапорографа были положены опыты Джона
Гершеля, который использовал для эвапорографии тонкую фильтроваль-
ную бумагу, смоченную спиртом и закопченную со стороны, обращенной к на-
блюдаемому объекту (1840 г.).
В эвапорографе Черни (1927 г.) использовалось не испарение спирта,
а возгонка нафталина и камфары. Во время второй мировой войны в
Гермавии был создан усовершенствованный вариант эвапорографа Чер-
ни — EVA. Аналогичный прибор был построен в Кембридже (США) в
1950 г. В Советском Союзе сотрудниками ГОИ имени С. И. Вавилова был
разработан эвапорограф ЭВ-84. Все эти конструкции эвапорографов принад-
лежали к классу несканирующих тепловизоров и не получили широкого при-
менения из-за присущих им недостатков. Время, требуемое для получения изо-
бражения в эвапорографах, достигало десятков секунд; разрешающая спо-
собность по температуре составляла около 1 °C [56, 63].
Другим прибором, относящимся к классу несканирующих тепловизоров,
являлся эдэюеограф.. Принцип его действия основан на температурной зави-
симости длинноволновой границы полосы собственного поглощения некото-
рых материалов (например, селена): край полосы поглощения смещается
при изменении температуры. Если через пленку селена пропускать монохро-
матическое излучение от вспомогательного источника с длиной волны, близкой
к длинноволновой границе полосы поглощения, интенсивность прошедшего
через пленку излучения будет зависеть от ее температуры. Это явление поло-
жено в основу устройства прибора, с помощью которого можно было наблю-
дать и фотографировать теплоизлучающие объекты. Эджеограф позволял
фиксировать перепады температур порядка 10 “С при разрешающей способ-
ности 2 лин./мм и постоянной времени 2 мс [39, 40].
В послевоенный период в ряде стран началась разработка сканирующих
тепловизоров, в которых использовался метод развертывающего преобразова-
ния, предложенный советским ученым Ф. Е. Темниковым. В начале этого пе-
риода еще не были доведены до необходимой кондиции телевизионные пере-
дающие трубки, чувствительные в инфракрасной области спектра, поэтому
главное внимание было сосредоточено на разработке тепловизоров с оптико-
механической системой сканирования. Одной из главных характеристик таких
систем сканирования является время, необходимое для анализа теплового
поля. С этой точки зрения оптико-механические системы сканирования
условно классифицируют на три вида: низкоскоростные (время анализа
поля > 20 с), среднескоростные (0,5 с с 20 с) и высокоскоростные
(Tk < 0,5 с).
Ввачале разрабатывались тепловизоры с низкоскоростной и среднескорост-
ной системами сканирования. Так, в Потстдамской астрофизической обсер-
ватории был создан сканирующий тепловизор с болометром, во Франции —
тепловизор с фоторезистором, в США — авиационный теплонизор для по-
лучения тепловых карт местности. Первый отечественный тепловизор средне-
го быстродействия был создан в ВЭИ имени В. И. Ленина.
С 1960 г. начали разрабатываться тепловизоры с быстрой кадровой раз-
верткой для самолетных систем переднего обзора и различных наземных при-
менений. В зарубежной литературе такие приборы получили название FLIR
(от первых букв английских слов Forward Looking Infra-Red — инфракрас-
ные приборы переднего обзора).
В одной из первых наземных систем FLIR с оптико-механическим скани-
рованием использовались две вращающиеся преломляющие призмы для
получения спиральной развертки с одноэлементным ПИ на основе антимони-
да индия (InSb). Мгновенное поле составляло 1 мрад при общем поле зре-
ния 0,087 рад (5°), кадровая частота 0,2 кадра/с, разрешающая способ-
ность по температуре 1 °C [56]. Опытные образцы самолетных систем FLIR
были созданы и прошли летные испытания в 1965 г. Результаты были успеш-
ными, и в последующий период (1965—1975 гг.) было разработано несколько
десятков и изготовлено несколько сот таких систем [56].
Техника создания тепловизоров достигла высокой степени развития
с разработкой одноэлементных и многоэлементиых ПИ, имеющих чувствитель-
ность, близкую к теоретическому пределу, и малую инерционность. Мало-
габаритные криогенные устройства охлаждения приемников и постоянный
прогресс в миниатюризации электроники обеспечили создание тепловизоров
с небольшими габаритными размерами и малым потреблением мощности.
В современных тепловизорах зарубежного производства применяют ПИ
на основе теллурида кадмия и ртути, имеющие рабочий диапазон длин
волн от 8 до 14 мкм. Каждый приемник содержит несколько сотен чувствитель-
ных элементов и охлаждается до температуры 77 К адиабатическим микро-
холодильником Джоуля-Томсона, работающим в замкнутом цикле рекупе-
рации.
Для упрощения общей схемы прибора применяют линейную мозаику
приемников и сканирование, осуществляемое вращающимся барабаном с зер-
кальными гранями, либо колеблющимся зеркалом. Например, поисковая го-
ловка малогабаритной системы FLIR американской фирмы «Аэроньютроник
Форд», выполнена в виде цилиндра диаметром 100 мм, длиной 130 мм и массой
1,36 кг. Система обеспечивает углы обзора по азимуту 30 и по углу места
40° с угловой разрешающей способностью 2 мрад. ПИ (на основе теллурида
кадмия и ртути) состоит из 20 чувствительных элементов. Спектральный диа-
пазон чувствительности 8... 12 мкм; температурная чувствительность 0,01...
...0,05 °C. Устройство охлаждения массой 2,72 кг поддерживает температуру
приемника вблизи 83К-
Иначе выполнены тепловизоры с фотоэлектронной системой сканирова-
ния. Здесь изображение исследуемого теплового поля проецируется на фото-
катод телевизионной передающей трубки, а затем «просматривается» элек-
тронным лучом, управляемым электрическим или магнитным полем. Несмотря
на преимущества фотоэлектронной системы сканиронания по сравнению
с оптнко-механической (в частности, возможность наблюдения быстро пере-
смещающихся объектов), разработка тепловизоров с фотоэлектронной системой
сканирования шла медленно. Причиной тому было отсутствие малогабаритных
и высокочувствительных передающих телевизионных трубок, способных ре-
гистрировать собственное излучение низкотемпературных объектов.
Сообщение об одной из ранних разработок телевизионной трубки с длин-
новолновой границей чувствительности около 2 мкм появилось в 1959 г. [39].
В трубке использовалась мишень из кремния, легированного золотом, ра-
ботающая при низких температурах. Однако достаточно высокой чувствитель-
ности получить не удалось. В 1962 г. был разработан инфракрасный види-
кон с длинноволновой границей чувствительности 2 мкм, имеющий мишень
из сульфида свинца [39], а в 1969 г.— видикон с мишенью из PbS—РЬО
и мозаичной мишенью из германиевых фотодиодов. Обе трубки нуждались
в охлаждении и .дополнительном подсвете рассматриваемой картины.
В 1971 г. появились телевизионные передающие трубки с одномерной
и двумерной мозаикой из фотодиодов на основе арсенида индия со спектраль-
ной чувствительностью от 2,5 до 3,4 мкм [130]. Исследования показали, что
ети трубки могут удовлетворительно работать в диапазоне 3...5 мкм при наблю-
дении объектов на земных фонах.
Было предпринято несколько попыток разработки чувствительных в ин-
фракрасной области спектра трубок по образу электронно-оптических пре-
образователей (термикон [63], фильтерскан [40], сервал [63], болокон и др.),
но все они имели малую температурную чувствительность и в дальнейшем не
получили широкого применения. И только изобретение пирикона — переда-
ющей телевизионной трубки с пироэлектрической мишенью открыло новые
перспективы создания тепловизоров, способных без каких-либо устройств
охлаждения наблюдать низкотемпературные объекты по их собственному из-
лучению. В 1966 г. в СССР была впервые создана передающая телевизионная
трубка с пироэлектрической мишенью. С ее помощью были получены изобра-
жения простейших фигур (круг, крест и т. п.) [41].
Тепловые изображения, получаемые с помощью телевизионных переда-
ющих трубок-пнриконов, в отличие от видимых изображений, практически
не имеют теней, поэтому пространственное восприятие объектов ухудшается.
Кроме того, яркие участки видимого изображения могут оказаться темными
в тепловом изображении и наоборот. Тем не менее область применения тепло-
визоров с пириконами все время расширяется.
Развитие технологии тонкопленочных транзисторов в 60-е годы стимули-
ровало разработку твердотельных матриц, отдельные элементы которых ска-
нировались по двум взаимно перпендикулярным направлениям с помощью
сдвиговых регистров, располагаемых по краям матрицы. Одновременно была
доказана принципиальная возможность преобразования оптических сигналов
в электрические с помощью кремниевой структуры, состоящей из набора фо-
тотранзисторов. Таким образом, исследования, выполняемые в 60-е годы,
наметили пути создания «самосканирующихся» твердотельных приборов.
В начале 70-х годов появились приборы с зарядовой связью (ПЗС), ра-
ботающие как аналоговый сдвиговый регистр. ПЗС состоит из трех частей:
1) источника неосновных носителей, потенциалом которого можно управлять,
и затвора, который может контролировать поступление зарядов из источника
носителей в первую потенциальную яму; 2) узла переноса, состоящего из по-
следовательностей электродов; при определенном чередовании напряжений
на электродах потенциальные ямы (а с ними и зарядовые пакеты) перемещаются
к выходу; 3) выходного узла, напряжение на котором зависит от поступающе-
го зарядового пакета. Этот узел обычно подключается к МОП-усилителю.
Таким образом, ПЗС позволяют осуществить линейный перенос сгруппиро-
ванных на отдельных участках зарядов от одного элемента к следующему до
достижения ими края матрицы. Здесь заряд детектируется как переменный
во времени видеосигнал.
В 70-е годы появились приборы с зарядовой инжекцией (ПЗИ), у которых
в процессе считывания используется не междуячеечная, а внутриячеечная
зарядовая связь. Эти приборы используются в последних образцах тепло-
визоров, предназначенных для наблюдения различных низкотемпературных
объектов.
Одна из возможных схем классификации тепловизоров показана на
Рис. 1.12. Классификация тепловизоров
4. ЗРИТЕЛЬНОЕ ВОСПРИЯТИЕ ТЕПЛОВИЗИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
У большинства современных тепловизоров изображение наблюдаемого
объекта воспроизводится на экране электронно-лучевой трубки. Тепловое
изображение создается за счет собственного теплового излучения объекта и оп-
ределяется, в основном, различиями в температуре и излучательной способно-
сти его элементов. Поэтому создаваемое тепловизором изображение лишь ус-
ловно отображает форму и размеры рассматриваемого объекта.
Зрительный аппарат человека обладает особенностями, влияющими на
эффективность восприятия информации, заключенной в тепловизионном изо-
бражении. Угол зрения глаза, в пределах которого качество видения удо-
влетворительное, составляет примерно 30° по углу места и 40° по азимуту.
Поэтому соотношение сторон кадра в тепловидении (телевидении) принято
3X4. Диапазон яркости, в котором глаз может нормально работать, состав-
ляет девять порядков, а диапазон чувствительности — десять.
Простейшей мерой визуального разрешения является острота зрения —
величина, обратная угловому размеру разрешаемой глазом детали, выражен-
ному в угловых минутах. Максимальную остроту зрения принимают рав-
ной 1/1'; она реализуется только при высокой яркости рассматриваемой
картины.
Острота зрения резко снижается, когда объект смещается с линии зрения.
Хорошее видение обеспечивается в пределах желтого пятна сетчатки (примерно
9°) и очень хорошее — в пределах центральной части сетчатки (1 ...2°). Угловой
размер экрана индикатора тепловизионной системы обычно выбирается не
выше 9°. Острота зрения убывает с уменьшением времени экспозиции.
Частотно-контрастная характеристика глаза на частотах, превышаю-
щих 0,2 мрад -1, аппроксимируется выражением [63]
где огл= 0,2...0,3 мрад.
Пространственная частота в плоскости предметов, наблюдаемых тепло-
визором, не должна быть меньше 1,1 Г, где Г — угловое увеличение [56}.
В результате многочисленных исследований установлено, что сигнал
на экране индикатора интегрируется по площади изображения объекта, т. е.
объект больших размеров воспринимается при более низкой пороговой
•яркости, чем объект малых размеров. Это явление назыв; ют пространствен-
ной суммацией глаза. Пространственная суммация является результатом про-
’ странственно-частотной фильтрации, осуществляемой глазом.
Различают такте 'временную суммацию, обусловленную инерцией зрения,
>в результате которой глаз сохраняет и накапливает сигналы, разделенные
малыми интервалами времени. Между пороговой яркостью L объекта, наблю-
даемого в течение времени У, и пороговой яркостью La, объекта, наблюдае-
мого бесконечно долго, существует следующая зависимость: L = L„ (1 —
— тгл/У), где тгл—постоянная времени глаза. Наиболее часто принимают
°-2 с-
Шумы, различно распределенные по пространственным частотам, по-раз-
ному влияют на способность оператора обнаруживать изображение объек-
та на экране тепловизора. На основании экспериментальных исследований
еидности шумов иа экране установлено следующее [56]:
маскирующее действие белого шума зависит в основном от его спектраль-
ной плотности, т. е. от мощности, приходящейся на единицу полосы пропуска-
ния пространственных частот, и не зависит от предельной частоты спектра
шума, при условии, что эта частота превышает граничную, определяемую
свойствами глаза (примерно 0,3 мрад”1);
шум, сосредоточенный в узком спектральном диапазоне, оказывает
более неприятное воздействие на глаз оператора, чем такой же по мощности
шум, распределенный в более широкой полосе с той же центральнойчастотой.
В диапазоне частот, превышающих 0,1 мрад-1, узкополосный шум на низкой
частоте более неприятен, чем шум этой же мощности в высокочастотной об-
ласти;
шум в резко ограниченной полосе частот особенно неприятен, когда ши-
рина полосы пропускания телевизионной системы приблизительно равна
мрад-1. Раздражающее действие шума уменьшается при сужении или рас-
ширении полосы относительно этого значения;
шум в виде горизонтальных полос менее неприятен, чем шум в виде вер-
тикальных полос в изображении, поэтому в телевизионных системах горизон-
тальному растру отдано предпочтение перед вертикальным;
глаз легче различает на экране протяженные объекты, откуда следует,
что он воспринимает отношение сигнал/шум, характерное для объекта в целом,
а не для его элементов;
глаз способен интегрировать сигналы по времени и воспринимает не
мгновенное значение случайного шума, а его среднеквадратичную величину,
усредненную за конечный период;
растровая структура основательно разрушает изображение, поэтому
наблюдатель непроизвольно выбирает такую дистанцию, на которой растро-
вая структура едва заметна. Угловой размер одной строки для глаза должен
составлять 0,5...1 мрад (1,72...3,44'). В противном случае характеристики
изображения ухудшаются. При общем числе строк, приходящихся на высоту
кадра, равном 240 (угловой размер одной строки, наблюдаемой на экране,
равен 2,25') при угловом размере наблюдаемой картины 9°, качество изобра-
жения оценивается как удовлетворительное, при числе строк 180 (угловой
размер одной строки 3') — как недостаточное, при числе строк 120 (угловой
размер одной строки 4,5') — как приемлемое на пределе и при числе строк
€0 (угловой размер одной строки 9') — как недопустимо плохое;
наихудший дефект изображения обнаруживается в случае, когда глаз
ощущает, что изображение не непрерывно во времени.
Дефекты тепловизионного изображения, связанные с разложением на
кадры при сканировании, больше всего воздействуют на его восприятие. В иде-
альном случае покадровая развертка, основанная на свойствах пространствен-
ной и временной суммации глаза, обеспечивает впечатление непрерывности
изображения (стробоскопический эффект). Мелькания изображения становят-
ся неразличимыми при превышении частоты кадровой развертки некоторого
значения Гкр, которое зависит от расположения мелькающего источника в по-
ле зрения. Замечено, что Гкр растет по мере приближения источника к краю
«юля зрения, поэтому при использовании индикаторов большого размера необ-
ходимо обеспечить более высокую частоту кадровой развертки.
Мелькания В диапазоне альфа-ритма (3...10 Гц) считаются недопустимыми,
поскольку они не только раздражают и рассеивают внимание наблюдателя,
ио могут вызвать утомление- глаз, головную боль и симпатические ритмы
в мозгу с неочевидными последствиями [56].
Видимая яркость мигающего поля L (/) при частоте мельканий, превы-
1 Tf
шающей Гкр, описывается законом Тальбота: L'=
fo
где L'— эквивалентная яркость стационарной картины; Т, — время кадра;
L — яркость, изменяющаяся во времени. Видимая яркость равна усреднен-
ной по времени яркости. Отклонения от этого закона при эксперименталь-
ных проверках не превышали 0,3 %.
Яркость окружающего фона сильно влияет на восприятие информации
с экрана тепловизора. Обычно глаз адаптируется к средней яркости окру-
жающего фона, поэтому попытка обеспечить хорошее восприятие за счет
увеличения яркости экрана не всегда приводит к желаемым результатам^,
так как глаз будет работать не в оптимальных условиях.
Для учета этого явления введен коэффициент kL, представляющий собой
отношение яркости окружающего фона к яркости рабочей поверхности экра-
на. При 0,1 < k[<Z 1 обеспечиваются оптимальные условия зрительного вос-
приятия; при kL < 0,1 условия зрительного восприятия хуже, чем в преды-
дущем случае, а /г£> 1 соответствует наихудшим условиям восприятия изоб-
ражений на экране индикатора. Наблюдения теплоизлучающих объектов'
оператором существенно улучшаются, когда экран тепловизора окружен рав-
номерным фоном примерно такой же яркости.
При наблюдении на экране тепловизора объектов, находящихся на
больших (предельных) расстояниях, вводят два понятия: обнаружение
и распознавание. Под обнаружением понимают выделение объекта на ок-
ружающем его фоне и отнесение к классам объектов, представляющих ин-
терес. Распознавание означает отнесение обнаруженного объекта к. уз-
кому классу объектов, интересующих наблюдателя, и установление типа
объектов.
При использовании аппаратуры тепловидения процесс поиска и распоз-
навания характеризуется единой вероятностью восприятия, которая зависит
от многих факторов, влияющих на этот процесс. Эти факторы определяются
характеристикой объекта (угловой размер, градиенты изменения яркости
на краях крупных деталей изображения, положение на экране, скорость дви-
жения, режим работы, контраст относительного фона), характеристикой на-
блюдателя (тренированность, утомление, возраст, интеллект, рабочая нагруз-
ка, периферическая острота зрения, получение предварительного инструк-
тажа), характеристикой системы (пространственно-частотная передаточная
функция, число строк сканирования, приходящихся на угловой размер объ-
екта, угловой размер экрана, тепловая постоянная времени мишени) и разно-
родными факторами (площадь зоны поиска, освещенность в кабине наблюда-
теля, вибрации изображения или наблюдателя, допустимое время поиска).
К этим факторам можно добавить многие другие, поэтому определение вероят-
ности восприятия является спорной задачей, и попытки точно предсказать
результаты натурных испытаний, связанных с определением этой вероят-
ности, не имеют большого смысла. Однако экспериментальные исследования
.общих принципов поиска и распознавания предсталяют несомненный интерес.
На основании таких исследований [56] установлено следующее.
Процесс визуального поиска объекта в пределах поля зрения в значи-
тельной мере определяется числом возможных фиксаций за единицу времени.-.
Максимальное число точек фиксации приходится на центр картины; большее
число точек сосредоточено в ее правой и нижней частях. Верхний левый угол
картины обследуется реже всего. Время фиксации уменьшается, а расстоя-.
ГНие между точками фиксаций возрастает с увеличением углового размера кар-
;'тины (табл. 1.10).
£ При угловом размере картины, меньшем 9°, эффективность поиска резко
"снижается, так как увеличивается число точек фиксации, ° лежащих за
^пределами картины. Если при угловом размере, большем 9 , число точек
3.10. Зависимость параметров фиксации картивы от ее угловых размеров
Угловой размер картины, ...° Среднее время фик- сации, с Ь S3* о ГО ° i О Р.О) Ь К • Ф К - Я Ф Я S КО К С S к <и я о я S я о. о (-< ф го го О Ч о S а о Угловой размер картины, ...° Среднее время фик- сации, с Среднее уг- ловое рас- стояние между точ- ками фикса- ции, ...° Угловой размер кар- тины, ...° Среднее время фик- сации, с Среднее уг- ловое рас- стояние между точ- ками фикса- Ов К а
3 € 0,578 0,468 0,87 1,82 9 18 0,384 0,361 2,13 3,72 24 51 0,355 0,307 4,33 6,30
фиксации, лежащих за пределами картины, равно 10, то при угловом размере
6 ° оно составляет '50, а при 3 °— 75.
' Не обнаружено ухудшения характеристик поиска при движении наблюдае-
мого объекта по экрану тепловизора со скоростью О...8°/с. При скорости
16Р/с время поиска увеличивается примерно на 25%, а при 31°/с — на
100 %. Горизонтальное перемещение объекта приводит к меньшему ухудше-
нию видения, чем вертикальное.
Вероятность обнаружения объекта возрастает с увеличением времени
наблюдения, углового размера объекта и его контраста на окружающем фоне.
Если на картине с помехами, характеризуемой по угловым размерам телес-
ным углом со, нужно отыскать объект с угловым размером Q за время I, то
вероятность обнаружения
Роби = Роби [ 1 — ехр (—6,9П/исо)],
где робн — вероятность того, что наблюдатель обнаружит объект, если он
смотрит прямо на него; х — эмпирический коэффициент помех, значения
которого лежат в пределах 0,01...0,1.
Для обеспечения 50 %-ной вероятности распознавания объектов аппара-
тура тепловидения должна обеспечить 15 строк, укладывающихся в размер
изображения объекта, а для обеспечения 90 %-ной вероятности — 24 строки.
Вероятность распознавания наземных объектов ррас является возраста-
ющей функцией отношения сигнал/шум вплоть до значения этого отношения,
равного 15. С увеличением отношения сигнал/шум от 20 до бесконечности ррас
возрастает не больше, чем на 10 %.
Глава 2
ТЕПЛОВИЗОРЫ
С ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИМ СКАНИРОВАНИЕМ
5. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТЕПЛОВИЗОРОВ
С ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИМ СКАНИРОВАНИЕМ
Для получения видимого изображения теплоизлучающего объекта
в тепловизорах с оптико-механическим сканированием осуществляют
разложение (развертку) объекта на некоторое число элементарных площа-
док. Каждая такая площадка, называемая элементом разложения, является
«аименьшей деталью, которую может воспроизвести данная система. Анализ
мощности теплового излучения отдельных элементов производится ПИ,
<с выхода которого последовательно во времени снимаются сигналы, содер-
гкагцне информацию о теплоизлучающем объекте и окружающем его фоне.
Таким образом, двумерное распределение яркостей в пространстве объектов
в результате сканирования преобразуется в одномерное распределение на-
пряжения на нагрузочном резисторе ПИ..
Сигналы с приемника передаются по одному каналу в индикатор видео-
контрольного устройства (ВКУ), который преобразует их в видимое изобра-
жение. Чаще всего в качестве индикатора ВКУ используют электронно-лу-
чевую трубку (кинескоп). Так как в каждый момент времени на экране ки-
нескопа воспроизводится только один элемент изображения, закон движения
электронного луча кинескопа должен быть идентичен закону развертки, что
достигается применением синхронизирующих элементов.
Принцип действия тепловизора с оптико-механическим сканированием
заключается в следующем. Тепловое излучение объекта 1 (рис.2.1) и окружа-
ющего его фона, пройдя через слой атмосферы, разделяющий тепловизор
и наблюдаемый объект, фокусируется объективом 2 на чувствительную пло-
щадку ПИ 4. Сканирующее устройство 3 осуществляет развертку объекта,
последовательно направляя на ПИ изображения различных элементов объек-
та. После усиления и преобразования телевизионного сигнала усилителем
5,"сигнал подается в индикатор ВКУ 6, который формирует видимое изображе-
ние объекта или записывает сигнал каким-либо регистратором. В ВКУ по-
Рис. 2.1. Упрощенная структурная
схема тепловизора с оптико-механи-
ческим сканированием
ступают также сихронизирующие сигналы от элементов 7, связывающих ВКУ
со сканирующим устройством.
Структурные схемы реальных тепловизоров более сложны, чем рас-
смотренная схема. Кроме упомянутых основных элементов тепловизора в его
состав могут входить вспомогательные элементы (устройства информационно-
измерительного обеспечения, элементы стабилизации видеосигнала, дополни-
тельный монитор с увеличенными размерами экрана, строб.ирующее устрой-
ство для получения неподвижных термограмм вращающихся объектов, насад-
ки, позволяющие производить фото- и киносъемку с экрана кинескопа и др.).
Как правило, в тепловизорах с оптико-механическим сканированием объ-
ектив, сканирующее устройство и ПИ скомпонованы в одном блоке, называ,-
емом тепловизионной камерой; усилитель и преобразователь видеосигналов,
а также ВКУ — во втором блоке. Возможно объединение обоих блоков или
размещение первых каскадов усилителя (предусилителя) в камере, где распо-
лагаются элементы синхронизации, связанные кинематически со сканирую-
щим устройством.
Одним из главных элементов тепловизоров с оптико-механическим ска-
нированием, определяющим их температурную чувствительность и макси-
мальную дальность действия, является приемник инфракрасного излучения.
В тепловизорах применяют два вида приемников: одноэлементные и много-
элементные. Чувствительные элементы приемников представляют гобой фото-
резисторы, проводимость которых изменяется под действием падающего на
них излучения. Наиболее распространены в тепловизионной аппаратуре
пленочные (PbS, PbSe) и монокристаллические (InSb, HgCdTe) фоторезисто-
ры. Чувствительность этих приемников значительно возрастает с пониже-
нием температуры чувствительного слоя, поэтому последний охлаждают до
температуры 77...195 К, используя для этого специальные охлаждающие
устройства (криостаты, термоэлектрические холодильники, устройства, ос;
'нованные на эффекте Джоуля-Томсона, и др.). _
Главным параметром приемников инфракрасного излучения является
порог чувствительности — минимальный поток излучения, который вызыва-
ет на выходе приемника сигнал, равный напряжению шумов, или превыша-
ющий его в заданное число раз. Так как напряжение шумов фоторезистора
пропорционально корню квадратному из произведения площади чувствитель-
ного элемента ЧЭ на ширину полосы пропускания частот электронной схемы
усиления сигнала, порог чувствительности измеряется в ваттах на санти-
^етр-герц в степени 1/2 (Вт • см"1 • Гц~1/2). Величина, обратная порогу
чувствительности, называется обнаружительной способностью, обозначается
буквой D (от слова Detectivity) и измеряется в см • ГпУ2 • Вт-1.
Главной характеристикой ПИ является спектральная зависимость поро-
га чувствительности или обнаружительной способности от длины волны
монохроматического излучения. Эта характеристика определяет эффектив-
ность приема излучения от объекта с заданным распределением мощности из-
лучения по спектру.
У фоторезисторов на основе PbS обнаружительная способность при ком-
натной температуре (3...10) • 1010см • ГпУ2 • Вт-1. Прн охлаждении чув-
ствительного слоя максимум чувствительности возрастает в 3...6 раз, а длин-
новолновая граница чувствительности смещается в сторону более длинных
волн. Эти приемники используют в диапазоне 0,6...4 мкм.
У фоторезисторов из PbSe при охлаждении чувствительного слоя до
78 К обнаружительная способность достигает 1010см • Гц1/2 • Вт-1. Спектраль-
ная характеристика указывает на возможность применения этих фоторезис-
торов в спектральном диапазоне 2...6 мкм.
Фоторезисторы из InSb являются наиболее завершенными и чувствитель-
ными для использования в спектральном диапазоне 3...5 мкм. При комнатной
температуре максимальная чувствительность приходится на длину волны
6,5 мкм, обнаружительная способность при этой длине волны 3 • 106см X
X Гц1/2 • Вт"1, длинноволновая граница чувствительности 7,5 мкм. При ох-
лаждении до температуры 193 К обнаружительная способность увеличивается
до 3 • 109см • Гц1/2 • Вт-1, а длинноволновая граница чувствительности-
уменьшается до 6,5 мкм.
Одномерные приемники на основе InSb изготовляют в виде линеек обыч-
но из 10 ЧЭ квадратной формы со стороной квадрата 250 мкм и зазором меж-
ду элементами порядка 25 мкм. Обнаружительная способность этих приемни-
ков, соответствующая длине волны 5 мкм, составляет 4,5 • 1010см • Гц[^2 X
X Вт-1, что близко к теоретическому пределу. Двумерные (мозаичные) при-
емники на основе InSb состоят из 100 и более одинаковых элементов; их об-
наружительная способность в среднем 2,5 • 1010 см- Гц1^2 • Вт"1.
2.1. Параметры одноэлементных фоторезисторов иностранного производства
Материал чувствитель- ного слоя Рабочая тем- перагура СЛОЯ, К Длина вол- ны*, мкм ^тах’ см • Г^/г/Вт Постоянная времени, с Темновое сопротивление, Ом
PbS 295 195 77 2,1 2,6 2,9 (0,5 ... 1) - 1011 (2 ... 7) • 1011 (0,8 ... 2). - 1011 (5 ... 50) - 10-5 (8... 40) - 10-4 (5 ...30) - IO-4 (0,5... 10) • 10» (0,5... 5 ) • 10» (1 ... 10) • 10»
PbSe 295 195 77 3,8 4,2 5,1 (1 ... 4) • 10е (1 ... 4) • 1010 (1 ... 3) • 1010 2 - 10~6 30 - ю-в 40 • 10-е (1 ... 10) • Ю6 1 • 107 (5 ... 10) • 10е
InSb 295 195 77 6,5 5,1 5,1 (4 ... 6) • 107 (0,5 ... 0,9) • 1010 (3 ... 8) • 1010 0,2 - IO"6 1 • IO”6 1 • ю-в 20 20 (1 ... 50) • IO»
. HgCdTe 7 7 10,6 4 • 101» 1 • 10-4 5 ... 50
Соответствует максимальной чувствительности
У фоторезисторов на основе HgCdTe спектральный диапазон чувстви-
тельности 8...13 мкм, максимальная обнаружительная способность 10В * 10 * смХ
X Гц|/2 • Вт"1 при длине волны 10 мкм. Так как монокристаллы HgCdTe до-
пускают фотомеханическую обработку, из них можно изготовлять одно-
и многоэлементные приемники с малыми размерами чувствительных пло-
щадок.
В табл. 2.1 и 2.2 приведены параметры некоторых одноэлементных и мно-
гоэлементных приемников инфракрасного излучения, изготовляемых ино-
странными фирмами. Более полные сведения о приемниках содержатся в
работах [40, 63, 95].
2.2. Параметры многоэлементных приемников из HgCdTe иностранного
производства
Фирма (страна) Количество ЧЭ Размер ЧЭ, мкм Обнаружительная способиость,- СМ • Гц/а • Вт-1 Рабочая тем- пература, К Темновое сопротивле- ние, Ом Постоянная времени, мкс
Муллард (Англия) 48 50 х 50 6,2 • 1010 77 43 0,25
Филипс (Нидерланды) 50 62,5 X 62,5 (1,0 ... 2,4) • 101® 77 25—100 0,4
Форд Аэроспейс (США) 72 30 X 30 1,7 • 1011 55 60 —
Хьюз (США) 200 50 х 50 7,1 • 101® — — -—
Хонейвелл (США) 22 100 X 100 1,8 • 1011 77 — —.
Фудзицу (Япония) 200 75 X 75 3,2 • 101® 77 52 —
в. СКАНИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА И ТРАЕКТОРИИ СКАНИРОВАНИЯ
В оптико-механнческих сканирующих устройствах сканирование про-
изводится путем изменения направления оптической оси прибора. При этом
общее поле обзора последовательно анализируется мгновенным полем зрения
оптической системы прибора.
Траектории сканирования могут быть самыми разнообразными (спираль-
ная, розеточная, прямоугольная, циклоидальная и др.). В тепловизорах обыч-
но применяют телевизионную развертку: оптическая ось перемещается с по-
стоянной скоростью по двум взаимно перпендикулярным направлениям.
Движение по горизонтали создает строчную развертку; прочерчиваемые
при этом линии называются строками. В результате перемещения по верти-
кали, создаваемого кадровой разверткой, все строки располагаются одна под
другой. За один период кадровой развертки происходит передача неподвиж-
ного изображения, называемого кадром.
Оптико-механические сканирующие устройства достаточно инерционны,
так как основаны на колёбательном или вращательном движении сравнитель-
но крупных оптических деталей; тепловизоры с оптико-механическими скани-
рующими устройствами более чувствительны, чем с фотоэлектронными ска-
нирующими устройствами, так как в первых ширина полосы частот усилите-
лей фототока может быть выбрана достаточно узкой. В качестве ПИ в тепло-
визорах с оптико-механическими сканирующими устройствами применяют
'фоторезисторы, чувствительные в инфракрасной области спектра (InSb,
HgCdTe и др.). При этом различают тепловизоры с одноэлементным прием-
ником и двумерным сканированием и тепловизоры с линейным многоэлемент-
-ным приемником и одномерным сканированием. Второму варианту в настоя-
щее время отдается предпочтение, хотя изменение чувствительности от эле-
мента к элементу ухудшает качество получаемого изображения.
Классификация оптико-механических сканирующих устройств и рас-
скотрение многочисленных вариантов их конструктивного выполнения приве-
дены в работах [36, 63]. Ниже кратко рассматриваются устройства, наи-
бо >ее часто применяемые в тепловизорах.
Сканирование колеблющимися плоскими зеркалами. Для сканирования
теплового поля прямоугольной формы при одноэлеметном ПИ применяют пло-
ское зеркало, совершающее колебательные движения относительно двух вза-
имно перпендикулярных осей. Изменение положения зеркала достигается по-
средством различных электромеханических и электромагнитных приводов.
В процессе сканирования мгновенное поле зрения прибора движется в плос-
кости расположения наблюдаемого объекта, образуя телевизионный растр.
Зеркало размещают либо до объектива в параллельном пучке лучей
(рис. 2.2, а), либо за объективом в сходящемся пучке (рис. 2.2,6). В пер-
вом случае достигается высокое качество изображения (ввиду отсутствия!
Рис. 2.2. Сканирующие устройства с колеблющимся зеркалом, раз-
мещенным в параллельном (а) или в сходящемся (б)' пучке лучей:
1 — ПИ; 2 — объектив; 3 — сканирующее зеркало; 4 —. поле обзора
дополнительных аберраций), но при этом размеры колеблющегося зеркала
должны быть большими и требования к качеству изготовления его отра-
жающей поверхности — жесткими. Если зеркало наклонено под большим
углом к оптической оси, то плохое качество отражающей поверхности вы-
бывает, астигматизм в изображении точечного источника.
При расположении зеркала за объективом размеры зеркала можно
уменьшить, но в этом случае при повороте зеркала поверхность изображе-
ния получается не плоской, а сферической и пятно остаточных аберраций
увеличивается.
Построчное сканирование с помощью колеблющегося плоского зеркала
приводит к отклонению растра от прямоугольного, если зеркало расположе-
но под некоторым углом у к оптической оси (рис. 2.3,а). Принимая за коли-
чественную характеристику этого отклонения наибольшее относительное
изменение размеров Ду/у0, соответствующее краю поля зрения (а = атах)>
получим [63]
Ду = А/тах-^о = (^-o/cos Ртах) tg атах - (Lo/cos 0) tg Кп1ах = 1 j
Уо Уо (Z.0/cosO)tgamax .cos Ртах
где атах и Ртах — максимальные углы поворота зеркала относительно осей ох
и оу соответственно; Lo = 6OV При небольших значениях рйах искажения
поля зрения Ду/у < 1...3 %. Так, при Ртах = 10° имеем ку/у0 = 1/cos 10° —
— 1 « 1,5 • IO"2.
Сканирующее плоское зеркало может быть жестко закреплено на оси
под углом 45°, так что сканирование вдоль строки обеспечивается поворотами
зеркала относительно этой оси на угол ±ф, а сканирование по кадру — пово-
ротом зеркала вместе с осью, на которой оно закреплено, на угол ±Т (рис.
2.3,6). В этом случае форма растра близка к трапеции. При ср = ЧИ0° и у =»
= 2,5° искривления строк в верхней и нижней частях растра составляет
3 %, а искривления угловых размеров каждой строки не превышает 5 % [63].
Наряду с одним плоским зеркалом, имеющим две степени свободы,
в сканирующих устройствах можно применять два зеркала, каждое из кото-
рых совершает колебательное движение относительно взаимно перпендику-
лярных осей, образуя телевизионный растр.
Рис. 2.3. Форма растра при построчном сканировании плоским
зеркалом (а) и плоским зеркалом, жестко закрепленным на оси (6)
В случае использования многоэлементного (линейного) ПИ конструкция
сканирующего устройства с плоским зеркалом упрощается, так как в этом
случае зеркало должно совершать колебательное движение только относитель-
но одной оси (у на рис. 2.4). В приведенной схеме фокусировка излучения осу-
ществляется зеркальным объективом, имеющим диаметр 100 мм, фокусное
расстояние 250 мм и пятно остаточных аберраций 250 мкм. Сканирование по
горизонтали производится зеркалом диаметром 150 мм, колеблющимся с соб-
ственной частотой 20 Гц. Частота колебаний определяется моментом инерции
зеркала и жесткостью крутильной пружи-
ны, на которой оно подвешено. При коле-
баниях зеркала неконтактный датчик вы-
дает сигнал обратной связи, соответствую-
щий перемещению зеркала. Этот сигнал
после усиления подается на обмотку элек-
тромагнита, воздействующего на легкую
железную арматуру, прикрепленную к зер-
Рис. 2.4. Сканирующее устройство с много-
элементным ПИ и расположением сканирую-
щего зеркала в параллельном пучке лучей:
1 — объектив; 2 — ПИ; 3 — отражательное зеркало;
4 — электромагнит; 5 — сканирующее плоское зер-
кало
калу. Фаза сигнала обратной связи выбрана так, чтобы обеспечивались неза-
тухающие колебания зеркала. Выходной сигнал неконтактного датчика, со-
ответствующий определенному положению , сканирующего зеркала, исполь-
зуется одновременно для синхронизации развертки электронного пятна^по
экрану кинескопа ВКУ. Угол сканирования зеркала по горизонтали ± 10 ;
поле зрения по вертикали (6,5°) определяется длиной линейки ПИ (об мм).
Общий недостаток сканирующих устройств с колеблющимися плоскими
веркалами — ограничение частоты развертки из-за ударов в крайних поло-
жениях зеркала. Зеркальный барабан имеет более широкие сферы примене-
ния.
Сканирование вращающимися зеркальными призмами, пирамидами
и плоскими зеркалами. В авиационных тепловизионных системах, предназ-
наченных для картографирования и обзора местности, применяют сканирую-
щее устройство с вращающимся многогранным зеркалом, выполненным в виде
зеркального барабана (рис. 2.5,а). При этом последовательно просматриваются
участки земной поверхности, ширина I которых определяется мгновенным
углом зрения, а длина — углом зрения. Перемещение с одной строки на дру-
гую происходит благодаря движению носителя.
Рис. 2.5. Схема сканирующего устройства с вращающимся зеркаль-
ным барабаном (а) и графики изменения отношения V/Н (б)
Чтобы на выходе ПИ получить информацию о каждом объекте, располо-
женном в поле зрения, необходимо, чтобы этот объект находился в пределах
мгновенного поля зрения в течение времени Д<, большего постоянной времени
приемника т, т. е. Д< > Агт, где kx > 1 — коэффициент запаса (обычно при-
нимают kx= 2).
Время Д/ определяется частотой п вращения барабана и углом зрения
60у/(2лп), поэтому предельно допустимая частота вращения барабана
«пред <60^/(2лАтт). (2.1)
Линейная ширина участка местности, просматриваемого за один оборот
барабана, I — лЛумгн- «/60, где И — высота полета летательного аппарата
N — число зеркальных граней барабана; учгн — мгновенный угол зрения.
Так как система обзора должна работать без пропусков, то смежные участки
должны соприкасаться или перекрываться, что выполняется при условии
ЯЛ%ГВ«пред/60*>
. где b — коэффициент перекрытия (0 < Ъ < 2); V — скорость носителя.
Из полученного выражения предельно допустимая частота вращения ба-
рабана, мин -1,
%е„>606У/(ЛЛ%гн). (2.2>
Из формул (2.1) и (2.2) видно, что существует как верхний, так и нижний
Допустимые пределы частоты вращения зеркального барабана; кроме этого,
максимальная частота ограничивается механическими возможностями си-
«темы и обычно не превышает 3000 мин-1. Для уменьшения скорости враще-
ния барабана стремятся увеличить число его отражающих граней. Максималь-
ное число граней Мтах= 2л/0,5(у + Ду), где 0,5 введено из-за удвоения ско-
рости отраженного луча, а Ду — дополнительный угол, который учитывает
запас времени, отводимого на просмотр каждой строки (для разделения
строк между собой и возврата электронной схемы в исходное состояние перед
•началом просмотра очередной строки).
При полетах над гористыми районами расстояние между самолетом
и визируемыми объектами на местности (по вертикали) может изменяться
за 1 с от нескольких десятков до нескольких тысяч метров при неизменной
путевой скорости самолета. За счет этого возникают большие скачки величин
V/H, поэтому в аппаратуре необходимо применять специальные вычисли-
тели отношения V/H и компенсаторы изменения этого отношения.
Величину V/H принято выражать числом радиан в секунду, определя-
ющим скорость углового перемещения самолета относительно некоторой
фиксированной точки на местности. Графики на рнс. 2.5,6 дают представление
о практически встречающихся отношениях V/H. Сигналы, вырабатываемые
вычислителем V/H, используются для регулирования частоты вращения ска-
нирующего зеркала так, чтобы выполнялось.неравенство (2.2).
Недостатки рассмотренной системы строчного обзора пространства опре-
деляются зависимостью частоты вращения зеркального барабана от скорости
полета носителя при заданном коэффициенте перекрытия строк и необходи-
мостью вращения с большой скоростью крупноразмерных оптических эле-
ментов (табл. 2.3). Кроме этого, излучающие объекты находятся на разных рас-
стояних от носителя в пределах угла зрения, что приводит к различию сигна-
лов от одинаковых объектов, расположенных в разных местах зоны обзор а.
2.3. Габаритные размеры элементов строчной системы обзора пространства,
выраженные через диаметр объектива D
Число отра- жающих граней N Угол, COOT- петствутощий числу граней ° о* 5 Н J3 Я Ф « s Я'О го И « К О-°* 485 Расстояние между осями Число отра- жающих 1 граней N от- щий а- о • » Диаметр зеркального барабана Dq Расстояние между осями
| Угол, со ветствую числу гр ней JV,
2 180 2D 0 4 90 2,86© 0,86©
3 120 2,4Г> 0,5© 6 60 4D 1.5D
Примечание. При числе отражающих граней JV — 3 длина зеркала барабана
l3 = 2D, ширина зеркала равна D.
Последнего недостатка лишены система с коническим обзором (рис. 2.6),
в которой сканирование осуществляется плоским зеркалом, вращающимся
вокруг оси, наклоненной к зеркалу под некоторым углом. Такое сканирую-
щее устройство позволяет при поступательном движении летательного аппа-
рата создавать в плоскости расположения наземных объектов наблюдения
траекторию сканирования типа «гусеница». При установке сканирующего уст-
ройства на неподвижное основание, можно создать спиральную траекторию
сканирования.
С учетом обозначений, принятых на рис. 2.6, угловая скорость мгновен-
ного поля зрения
2лпск fltga 2япск
60 Н /cos a 60
где пск — частота вращения сканирующего зеркала.
Время засветки приемника излучения Д/= умги/<о = 60умгн/(2лпск sin а).
Для того чтобы иа выходе ПИ получить информацию о каждом объекте, на-
(2.3)
(2.4)
к едящемся в поле зрения, необходимо, как и в случае сканирования с помощью-
веркаль кого барабана, выполнить условие Д/ /ггт.
60 у
Таким образом, > k т, откуда
Sin (X
бОТмгн
ск 2л sin
Ширина кольцевой зоны на местности, просматриваемой за один оборот
мгновенного поля зрения, /cosa = Z7yMrH/cosa. Так как система обзора долж-
на работать без пропусков, необходимо, чтобы смежные участки соприкаса-
лись или перекрывались, т. е. nCK//60> bV,
ЛТмгнИск ,,,
Очевидно ------к— > bV, откуда
60 cos2 а
GObV cos2 а
"СК> ^Тмгн
Соотношения (2.3) и (2.4) опреде-
' ляют пределы допустимых частот вра-
щения сканирующего зеркала.
В сканирующем устройстве, изоб-
раженном на рис. 2.7, используется вра-
щающаяся усеченная зеркальная пира-
мида, расположенная перед объективом
в пучке параллельных лучей. За один
оборот пирамиды, имеющей N граней»
получается W строк разложения. Мак-
симальное значение углового размера
Рис. 2.6. Схема сканирующего устрой-
ства с коническим обзором:
/ — ПИ; 2 — объектив; 3— вращающееся зерл-
кало
строки yz зависит от числа граней и коэффициента %, связывающего угол
поворота пирамиды с углом отклонения оптической оси прибора: уг =
%
= 2л^-. Эгому значению угла соответствует время Тг обзора одного поля
кадра; полное время обзора кадра Тг(/= 60/п, где п — частота вращения
пирамиды.
Коэффициент т] использования пирамидального зеркала определяется
• / Do ,\ N
аависимостью т] = 1 — arccos (----1 —, где £>0— диаметр основания
\^об / л
пирамиды; Do6 — диаметр входного зрачка объектива [34].-
Разработаны сканирующие устройства (рис. 2.8), в которых используй
Стся комбинация колеблющегося плоского зеркала и вращающейся призмы,
как это сделано в тепловизоре производства Франции, предназначенном для
медицинских целей [128]. Сканирующее устройство обеспечивает 100 строк
разложения при частоте кадров 2 с-1; поле зрения системы 24x32°; мгновен-
ный угол зрения 4 мрад.
Для повышения коэффициента использования зеркальной грани скани-
рующего (вращающегося) зеркала предложена двухканальная схема скани-
рующего устройства [63]. Такай схема с многогранными призмами (рис. 2:9,а)
состоит из двух призм, укрепленных на одной оси и повернутых одна относи-
тельно другой иа угол угр/2, и двух каналов, работающих с каждой призмой.
И образующих половину заданного поля зрения. Сканирующие призмы свя-
ваны с переключателем каналов, который попеременно подает сигналы с вы-
хода ПИ на общий усилитель фототока. Одновременно происходит коммута-
ция Генератора строчной развертки. При такой схеме сканирования габарит-
ные размеры призм уменьшаются примерно вдвое, так как угол сканирования
каждой зеркальной грани в два раза меньше заданного.
Рис. 2.7. Сканирующее устройство с вращающейся усеченной зеркальной
пирамидой:
1 — многоэлементный (линейный) приемник излучения; 2 — объектив; 3 — зеркальная пира-
мида; 4 — двигатель, вращающий пирамиду
Рис. 2.8. Сканирующее устройство с колеблющимся плоским зеркалом н вра-
щающейся призмой, расположенными в пучке параллельных лучей:
1 — излучение объекта; 2 — приемник излучения; 3 — криостат; 4 — зеркальный барабан;
5 — двигатель привода барабана; 6, 12 — элементы синхронизации; 7, 11 — синхронизиру-
ющие сигналы; 8— двигатель привода сканирующего зеркала; 9—кулачковый механизм;
10 — сканирующее зеркало; 13—зеркальный объектив; 14—отражательное .зеркало; /5—«
усилитель фототока; 16 — видеосигнал
Рис. 2.9. Двухканальные схемы сканирующих устройств с многогран-
ными призмами (а) и с многогранной пирамидой (б):
/ — две многогранные призмы; 2— объектив; 3— приемник излучения; 4 пере-
ключатель каналов; 5 — многогранная пирамида
В двухканальной схеме сканирования с многогранной зеркальной пира-
мидой (рис. 2.9,6) также имеется два оптических канала с двумя объективами
и двумя ПИ. Каждая грань пирамиды последовательно работает на оба
канала.
Угловой размер проекции входного зрачка объектива каждого кйнала
на сканирующее зеркало выбран равным угр/2, поэтому общий угол прения
соответствует угловому размеру грани, равному у, т. е. коэффициент исполь-
зования зеркала т] = 1.
Сканирование вращающимися преломляющими клиньями и призмами.
Оптический клин с углом а при вершине отклоняет луч света на угол ж
~к(п — 1), где п — показатель преломления материала клина (рис. 2.10,а).
При вращении клина с угловой скоростью со вокруг оси 00, совпадающей
« осью объектива, луч, прошедший через клин, описывает коническую поверх-
Рис. 2.10. Схема сканирования с по-
мощью вращающегося оптического
клина (а) и конструкция uсканирую-
щего устройства (б):
1 — входное окно; 2—вращающиеся опти-
ческие клинья; 3 — плоское зеркало; 4—.
зеркальный объектив; 5 — приемник излуче-
ния с криостатом; 6 — элементы синхрони-
зации; 7 — электродвигатель
«ость, а точка встречи луча с фокальной плоскостью — окружность. Текущие
«оординаты точки у = acoscol; z = asincot
Если два одинаковых клина вращать с разными скоростями cot и со2 в про-
тивоположных направлениях, то точка будет перемещаться по кривой, опи-
сываемой системой уравнений
у = j/i-h у2= ajcostojt + a2cosco2l; z = Zj+ г2— a1sinft>i<+ a2sin<B2t
•Переходя от декартовых координат к полярным (р, <р), находим
р = + z2 = У (аг cos (Ojl + аг cos <b2l)2 -f- sin (Ojt -f- a2 sin <o2/)2.
£5 зависимости от отношений aja2 и <Di/<b2 получаются различные виды траек-
торий сканирования (табл. 2.4).
Для получения углов зрения более 3° клинья устанавливают в параллель-
ном пучке лучей перед объективом. Угол отклонения лучей приблизительно
прямо пропорционален углу поворота клиньев, благодаря чему обеспечива-
ется линейность развертки поля во времени (с точностью до линейности уча-
стка синусоиды в пределах от нуля до 45°). Значение угла обзора в угловой
«лере составляет 1,4<рм, где <рм— максимальное отклонение лучей прн проти-
воположной ориентации клиньев.
2.4. К расчету траектории сканирования в устройстве с вращающимися
клиньями
Ot/Чг ©>/££>2 Уравнение траектории Вид траектории
Розеточная
0,25...4
I.0...1.1
о со, — со2
р = 2а COS —;—- ср
“i +
р = а [5 4 cos (coL -ф со2) Z]1/2
Спиральная, шаг спирали:
. . (В- — <02
s = 4а sin -—- х
<0j -|~ Ю2
X (ф + л) sin °31 ~~ я;
®i + co2
период цикла свертки и раз-
вертки
т _ — Юг
2 («J + соа}
3
Более
4
5
1,0...1,1
Менее
0,25
Более
0,25
р = а [ 10 + 6 cos (саг — сог) /]1/ 2
Эпициклоидальиая
Г ипоциклоидал ьная
Одним из наиболее перспективных материалов для клиньев сканирую-
щих устройств в диапазоне 3,4...5,0 мкм является кремний. Из него можно
изготовить оптические детали диаметром 80...100 мм [58]. Крупногабаритные
детали из кремния сложны в производстве и механически непрочны.
К недостаткам сканирующего устройства с вращающимися клиньям»
относятся: нелинейность развертки во времени и размытие кружка рассеяния,
обусловленное движением клиньев.
Конструкция такого устройства показана на рис. 2.10,6. Клинья диа-
метром 12J мм вращаются с частотой 100 и 101 с-1, что позволяет получить спи-
ральную развертку, содержащую 50 витков. Так как клинья несимметричны,
они должны быть сбалансированы. Для этого служит специальная балансная
призма, имеющая форму диска. Оправы клиньев связаны с валом электродви-
гателя. Объектив — зеркальный, состоит из первичного параболического
и вторичного плоского зеркал. Диаметр параболического зеркала 120 мм, фо-
куснсе расстояние 100 мм. Размер изображения в фокальной плоскости 0,4 мм,
что меньше размера чувствительной площадки ПИ (I мм).
Приемником служит сурьмяиисто-индиевый фоторезистор, работающий
при температуре жидкого азота; пары азота подаютси под давлением через,
отверстие к чувствительной площадке приемника, находящегося в сосуде
Дьюара. Для предотвращения вибрации система охлаждения помещена в кор-
пус из виброзащитного материала. Частота кадров 2 с-1; угол зрения 32°;
габаритные размеры устройства — длина 500 мм, диаметр 200 мм, масса око-
ло 35 кг.
В основу работы сканирующих устройств с вращающимися прелом-
ляющими призмами положено явление изменения хода лучей плоскопарал-
лельной пластиной, установленной за объективом в пучке сходящихся лу-
чей (рис. 2.11,а). Если пластина отсутствует, изображение наблюдаемого
объекта фокусируется объективом в точку О, находящуюся на оптической
оси в фокальной плоскости. При наличии пластины изображение смещается
по оси в точку Oj, а при повороте пластины иа угол у — в точку 02. Таким
образом, положение изображения объекта зависит от угла поворота пластины:
сдвиг'изображения в направлении, перпендикулярном оптической оси,'опре-
деляет возможность сканирования.
В качестве преломляющей плоскопараллельной пластины применяют
четырех-, шести- или восьмигранные призмы (рис. 2.11,6), при вращении ко-
торых плавно изменяется угол у, а переход от одной грани к другой соответ-
ствует повторному сканированию той же строки.
В исходном положении восьмигранной призмы (рис. 2.11,в) на прием-
ник попадает излучение от точки, находящейся на оптической оси, перпен-
дикулярной грани призмы (позиция /). При вращении призмы на приемник
попадает излучение от других точек поля зрения в плоскости диафрагмы
Рис. 2.11. Схема скани-
рования с помощью плос-
копараллельной пластины
(а) и преломляющей
призмы (б, в)
Основные соотношения для сканирования с помощью призмы получаются
на основании закономерностей преломления плоскопараллельной пластиной
и имеют характер сложных тригонометрических зависимостей [63]. Исследова-
ния показали, что координаты изображения объекта при повороте на угол,
f преломляющей пластины толщиной Д или эквивалентной ей призмы (точка
О2нарис. 2.11,а) зависят не только ог величин у, А и показателя преломле-
ния, но и от угла расхождения лучей, падающих на пластину. В результате
этого гомоцентрический пучок лучей, после выхода из пластины становится
негомоцентрическим [63].
7. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ И ПАРАМЕТРЫ
ТЕПЛОВИЗОРОВ С ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИМ СКАНИРОВАНИЕМ
Одним из первых в нашей стране был выпущен опытной партией тепло-
визор «Филан», где в качестве приемника излучения использовался не-
охлаждаемый болометр. Время развертки по кадру исчислялось минутами,
« регистрация термограммы велась на фотопленку. Функциональная схема,
используемая в этом тепловизоре, была применена и при создании последу-
ющей модели, получившей наименование «Рубин-МТ». Первоначально этот
тепловизор имел функциональную схему, изображенную на рис. 2.12. Кон-
структивно он был выполнен из Двух блоков: оптической головки, устанавли-
ваемой на штативе, и электронного блока на радиолампах,где устанавливал-
ся и электрохимический регистратор, работающий с бумагой ЭХБ-4 шириной
120 мм. ИК излучение через сканирующее зеркало 16 и объектив 13 подава-
ли через бленду 10 иа ПИ 6, откуда сигнал поступал на предусилитель 1.
От синхронного электродвигателя сканирование кадра по строке осуществля-
лось по пилообразному закону с помощью кулачкового механизма при соотно-
шении длительности прямого и обратного ходов 3/1, Для переноса спектра
сигнала из области низкочастотных шумов приемника в более высокочастот-
ную (1360 + 300 Гц) использовался симметричный четырехлопастный моду-
лятор 1I, вращающийся от синхронного привода 7 с частотой 20 400 мин-1
и создающий значительный уровень акустического шума. От лопастей модуля-
тора 11 работал и оптоэлектронный датчик 12 опорного напряжения, подклю-
чаемый к формирователю опорного напряжения 8; он вырабатывал прямо-
угольные импульсы для ключей в синхронном детекторе 4 схемы вычитания
среднего уровня видеосигнала и в предусилителе 1 переменного напряжения.
Изменяя амплитуду прямоугольных импульсов, подаваемых на вычитающий
вход предусилителя, можно было менять так называемый «уровень компенса-
ции», впоследствии названный «уровнем отсчета регистрируемых температур».
Изменением ослабления в основном усилителе 3 изменялся диапазон реги-
стрируемых температур. Полосовой фильтр 2 пропускал видеосигнал в полосе
1360 ±360 Гц, выделяемый далее в синхронном детекторе 4 с трехступенча-
той регулировкой постоянной времени. Для подавления паразитного сигнала,
обусловленного отсутствием симметричности модулятора, к выходу синхрон-
ного детектора подключался низкочастотный фильтр-пробка 5, настроенный
на частоту /фп = /н/^ = 1360/4 = 340 Гц, где /м —частота модуляции, N—-
число лопастей модулятора. Видеосигнал с выхода синхронного детектора че-
рез фильтр-пробку подавался на усилитель записи 9. Последний представлял
собой ламповый усилитель постоянного тока с коррекцией передаточного
коэффициента за счет вольт-амперных характеристик диодов, включаемых
в цепь обратной связи.
Электромеханический блок регистрации 14 синхронизируется со скани-
рующим зеркалом 16 с помощью датчика фазирования 17. Последний выдает
сигнал на запуск вращения пишущего барабана, который осуществляет
развертку изображения с линейной скоростью 0,3 м/с, что на применяемой
бумаге ЭХБ-4 позволяет получить термограммы с большим перепадом плот-
ностей почернения. Визир 15 предназначен для наблюдения местоположения
мгновенного угла зрения и его ориентировочных границ, более точно наблюда-
емых через рамочный видеоискатель. Наводку на резкость выполняли по
Шкале расстояний рукояткой фокусировки и более точно устанавливали ме-
тодом проб, как и оптимальный подбор положений переключателей «Компен-
сация» и «Ослабление», влияющих на уровень и размах видеосигнала, подава-
емого на строчный индикатор.
Заливной приемник излучения 6 (на InSb) с ЧЭ 0,3 X 0,3 мм охлаждал-
сч жидким азотом.
На рис. 2.13 показаны временные диаграммы напряжении на входах
и выходах отдельных блоков.
В процессе серийного выпуска была модернизирована оптическая fcxewa
тепловизора (рис. 2.14) для уменьшения создаваемого модулятором акубтиче?
ского шума и уменьшения дрейфа видеосигнала. В конструкцию был Введен
конденсор 2, уменьшенный модулятор 3 был наклонен на угол 45°, помещен
в плоскость промежуточного изображения и своими зеркальными лопастями
подавал на приемник 1 опорный ИК поток от встроенного излучателя 5 че-
рез конденсор 4. Хотя тепловизор и не имел в выходных каскадах схемы
привязки опорного уровня сигнала, введение в конструкцию встроенного
излучателя уменьшило дрейф сигнала, так как менее заметно стал сказы-
ваться прогрев оптической головки. Конструкции сканирующего зеркала 8,
объектива 6 и визира 7 не изменились.
Рнс. 2.13. Временные диаграммы напряжения (7пу на входе преду-
силителя, напряжения UK компенсации на вычитающем входе пред-
усилителя, напряжений на выходах основного усилителя UQ у
и синхронного детектора 1/с д
Рис. 2.14. Модернизированная оптическая схема тепловизора
«Рубин-МТ»
Тепловизор «Рубин-МТ» явился основой для развития тепловидения
в стране. Последующая модель &Рубан-2» имела идентичные «Рубин-МТ»
оптическую и функциональную схемы. Вследствие перехода от электронных
ламп на транзисторы и микросхемы масса тепловизора была уменьшена в че-
тыре раза, значительно сократились габаритные размеры. В состав тепловизора
ввели выносной ИК излучатель, а встроенный выполнили по единой электри-
ческой схеме [73]. Это позволило проводить измерения методом сравнения,
помещая рядом с объектом выносной излучатель. Визир снабдили рамкой, пе
рекрестием и дальномером, работающим через отверстие в середине сканиру-
ющего зеркала. Несколько расширен угол зрения по кадру и, соответствен-
но, ширина термограммы, на которую стали впечатывать дискретный оптиче-
ский клин. Усилитель записи выполнен с линейно-кусочной аппроксимацией
требуемого коэффициента усиления для согласования с оптическими харак-
теристиками электрохимической бумаги.
Функциональные характеристики тепловизора приведены в табл. 2.5,
а основные параметры — в табл. 2.6. Тепловизор широко применялся в ме-
дицине, промышленности, технике неразрушающего контроля благодаря вы-
Показатель
2.5. Функциональные характеристики серийных тепловизоров отечественного
производства
А Ш О >> Ь ¥ «Рубин-2» « Рубин-3» «Янтарь» «Алмаз» А g га и Ч га ft ¥ «Радуга-АТ» «Радуга-2» «Радуга-3» «Радуга-4» А _ р £ га g Н Q
।
Охлаждение жидким азо-
том
Термоэлектрическое ох-
лаждение
Цифровое запоминание
Электрическая регистра-
ция
Наблюдение термограммы
на ЭЛТ
Двухстороннее сканиро-
вание
Одностороннее сканиро-
вание
Индикация:
тер мопрофиля
места выборки
ЛИНИН
цветного маркера
серой шкалы плот-
ности
цветной шкалы
Телевизионное воспроиз-
ведение
Стыковка с ЭВМ
+
Примечание. 4- имеется; — отсутствует.
сокой чувствительности, удобству документирования термограмм, простоте
конструкции.
С появлением в тепловидении требований к количественным измерениям
радиационных температур в последующей модели «Рубин-3» («Факел») были
приняты меры по созданию информационно-измерительного канала теплови-
зора, улучшению его основных параметров и функциональных возможностей.
В результате было уменьшено время сканирования по кадру при.одновремен-
ном увеличении числа строк; снижен н нормирован дрейф сигнала,что позво-
лило реализовать возможность прямых измерений радиационных температур;
обеспечена переориентация направления угла зрения в любую точку про-
странства, исключена необходимость получения пробных термограмм, увели-
чен диапазон перефокусировок, повышена точность наводки на резкость -i
н увеличен верхний предел регистрируемых температур. На термограмму
стали наносить в виде цифр четыре параметра термографнровання: уровень
отсчета и диапазон регистрируемых температур, ширину изотермы, номер
кадра, а также вертикальный термопрофйль и линию его выборки, изотерми-
ческие зоны, шкалу полутонов, что позволило по виду термограммы опреде-
лять температуру в любой ее точке. В конструкцию введен электронно-луче-
вой индикатор видеосигнала, двухсторонние синусоидальный сканер и
электрохимический регистратор, цифровой процессор. Исключена необхо-
цимость использования выносного зеркала [104].
2.6. Основные параметры серийных тепловизоров отечественного производства
Параметр «Рубнн-1» «Рубии-2» О 1 1 * о с с э < «Янтарь» «Алмаз» «Радуга-МТ» «Радуга-АТ»
Порог температурной чувствительности, °C Поле зрения, ... ° Время обзора, с Мгновенное поле зре- ния, ... ' Диапазон перефоку- сировки, м Число площадок при- емника Разрядность кода. 0.1 20X10 60 7 0,7— оо 1 0 0.1 20X15 60 7 0,4-» 1 0 0,1 20X20 40 6 0,4—* 1 0 0,3 5x4 1/12,5 5 1,5— 2 0 0,2 20X175 1/25 7 0,4—со 11 0 0,2 20X175 1/25 7 0,4—со И 4 0,2 20x175 1/25 7 0,4—со И 4
Число строк сканиро- вания Погрешность измере- ния, ° С Число изотерм Число квадрантов за- поминания Число градаций: серых цветных Количество нумеруе- мых кадров Диапазон измеряемых температур, ° С 150 10 150 10 2 1 10 99 1111 1 - 1 § 132 2 99 132 1 50 4 5 10 99 -20—50 132 1 100 4 10 10 99 20—50
Параметр «Радуга-2» «Радуга-3» ! «Радуга-4» 1 ТВ-03 АТП-44 «Стат ор» КТА-1
Порог температурной чувствительности, ° С Поле зрения, ... ° 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 1 —
20X175 20X175 20x175 4,5x4,5 12X12 360 ——
Время обзора, с Мгновенное поле зре- ния, ... ' 1/25 7 1/25 7 1/25 7 1/16 4 2,5 1/2 —’
Диапазон перефоку- сировки, м 0,4—со 0,4—“со 0,4—00 2,5—~ 0,75—«о 0,45—1,5 —
Число площадок при- емника 11 11 11 1 1 1 1
Разрядность кода, 6 4 6 0 Есть 0 0
Число строк сканиро- вания 132 132 132 100 250 1 —
Погрешность измере- ния, ° С 5% 0,5 0,6 1 — — —<
Число изотерм 10 100 64 1 — — I
Число квадрантов за- поминания Число градаций: 4 4 4 — 1
серых 10 10 10 — — 10
цветных 10 — — 7 —— —-л
Количество нумеру е- мьх кадров 99 99 99 — — — —*
Диапазон измеряемых температур, ° С 20—80 20—50 20—80 20—50 — — —S
Тепловизор «Рубин-3» («Факел») состоит из оптической головки и блока-
питания, укрепленных на качающемся коромысле и штативе. В блок электро-
ники вмонтирован электронно-лучевой индикатор, в блоке электрохимичес-
кой регистрации получают термограммы на бумаге типа ЭХБ-4. Характерис-
тики тепловизора приведены в табл. 2.5, а функциональная схема показана
на рис. 2.15.
Инфракрасное излучение от сканирующего зеркала 1 через объектив 3,
зеркало 2 и конденсор 4 попадает на приемник 5, откуда видеосигнал по-
ступает на предусилитель 7, ко второму входу которого через интегрирую-
щую цепь R1C1 подключен следящий усилитель 8. На выходе предусилителя
7 среднее значение напряжения t/j за время строки близко к нулю, так как
Рис. 2.15. Функциональная схема тепловизора «Рубин-3» («Факел»)
второй вход следящего усилителя 8 имеет нулевой потенциал. [74]. Для ис-
ключения завала амплитудно-частотной характеристики предусилителя 7
на низких частотах и во избежание искажения видеосигнала постоянная
времени R1C1 определяется из условия
/ Е \ -1
т ~ V»1п £ $ф ) ’
' п пор'
где Еп— напряжение питания предусилителя; fK— нижняя частота видеосиг-
нала; S — вольтовая чувствительность приемника; Фпор — пороговый поток.
Из-за большого значения т требуется применять электролитические кон-
денсаторы и мегаомные резисторы, вследствие чего в момент включения тепло-
визора сопротивление утечки конденсатора С1 соизмеримое R1, заряд на кон-
денсаторе не формируется и система может не входить в режим. Во избежание
этого введен ключ 1(1, который замыкают в момент включения тепловизора на
время порядка 10 с, что обеспечивает ускоренное формирование заряда кон-
денсатора С1 и выход системы на режим, после чего ключ К1 размыкают [81].
В тепловизоре применен способ синусоидального сканирования и реги-
стр ации, причем в моменты нерабочего хода по строке обтюратор 6 с помощью
электромагнита 15 перекрывает измеряемый поток Фх от объекта н подает на
приемник собственный поток Фов качестве опорного. Для уменьшения некон-
тролируемых фоновых засветок приемника на обратной стороне контрзер-
кала объектива, перед приемником 5, установлено небольшое сферическое
зеркало, отражающее на приемник его собственное излучение. Величина
<j)0 измеряется косвенно датчиком температуры. Использование излучения
обтюратора в качестве опорного потока Фо вместо обычно применяемого встро-
енного инфракрасного излучателя обусловлено тем, что в высокочувствитель-
ных тепловизорах на стабильный опорный поток излучателя в оптическом кана-
ле накладывается значительный нестабильный и неконтролируемый поток
Фп от элементов конструкции, что вызывает дрейф сигнала. В моменты вре-
мени, когда на приемник подается поток Фо, видеосигнал U2 после схемы при-
вязки на конденсаторе и ключе К2 равен нулю (1/2= 0). Так как Фо изме-
няется нелинейно от прогрева конструкции н температуры окружающей сре-
ды, это изменение учитывается подачей на сумматор 9 через функциональный
усилитель коррекции 16 сигнала поправки Un от датчика температуры. На
этот же сумматор через функциональный усилитель уровня отсчета 19 подает-
ся и сигнал Uo уровня отсчета температур То от аттенюатора уровня 22, вслед-
ствие чего после ключа КЗ в разомкнутом состоянии суммарный сигнал Us=
= u2+ Uy+ ио.
Значение Uo выбирается аттенюатором 22 «Уровень». Прн этом видео-
сигнал на электронно-лучевом индикаторе 10 наблюдается симметрично отно-
сительно середины масштабной сетки экрана, не выходя по амплитуде за пре-
делы экрана, что достигается с помощью регулятора фазы 11 и аттенюатора
12 («Диапазон»), изменяющего коэффициент усиления видеоканала. Видео-
сигнал зависит от температуры объекта нелинейно, вследствие чего равным
приращениям температуры при различных уровнях ее отсчета соответствуют
неравные приращения напряжения видеосигнала. Поэтому коэффициент пе-
редачи аттенюатора 12 зависит и от напряжения Uo, задаваемого аттенюа-
тором 22.
Передаточный коэффициент усилителя 19 нелинеен н аппроксимируется
линейно-кусочной функцией при настройке тепловизора по выносным ИК
излучателям. В тепловизоре передаточные коэффициенты всех нелинейных уси-
лителей задаются в линейно-кусочном виде с достаточной точностью аппрокси-
мации, что позволяет упростить процесс настройки измерительного канала [80].
Отсекая шумы на частотах выше верхней частоты fB спектра видеосигна-
ла, фильтр верхних частот на этой частоте сдвигает фазу видеосигнала на Д/в,
что прн используемом в тепловизоре способе двухстороннего сканирования
и регистрации вызывало бы двоение изображения на величину Д/. Для исклю-
чения двоения изображения регулятор фазы 27 через сканер 28 сдвигает
фазу Д<рс колебаний зеркала 1 относительно барабана электрохимического
регистратора 24 такой величины, что Д/ = 0. При этом Д<рс необходимо пе-
риодически корректировать, так как привод регистратора 24 синхронизируется
изменяющейся (в небольших пределах) частотой сети 50 Гц, что при высокой
добротности механической колебательной системы сканера вызывает значитель-
ный уход его фазы. Если не подстраивать фазу сканера, т. е. Д<рс=О, величину
Дфв
№ определяют из выражения Д/ = V3 где V3 — линейная скорость раз-
зтг>в *
вертки регистратора.
В связи с тем что сканирование в тепловизоре синусоидально, для иск-
лючения модуляции оптической плотности термограммы в направлении стро-
чки служит корректор яркости 14, через который проходит сигнал с видео-
усилителя 13. Корректор яркости управляется синусоидальным напряжением,
"получаемым в строчном синхронизаторе 23, кинематически связанным с ре-
гистратором 24.
Процессор цифровой информации 25 по сигналам аттенюаторов 12 и 28,
кадрового 26 и строчного 23 синхронизаторов посылает цифровую информа-
цию через коммутатор 18 на регистратор 24. В результате на термограмме
® цифровом виде записываются уровень отсчета, диапазон регистрируемых
температур, ширина изотермы и номер кадра. Во время нерабочего хода ска-
нера по строке на термограмму наносятся: оптический клин с помощью
'генератора пилообразного напряжения 21, вертикальный термопрофиль —
формирователем термопрофиля 20, изотермы — формирователем изотерм 17.
В формирователе термопрофиля происходит выборка видеосигнала в заданный?
момент времени относительно начала строки, запоминание его амплитуды
и преобразование в длительность импульса. Ключи KJ...К.4 синхронизируются
строчной частотой н обеспечивают устранение дрейфа сигнала и привязку
его к заданному уровню.
В процессе серийного производства к тепловизору «Рубнн-3» («Факел»>-
разработана встраиваемая электронная схема, позволяющая получать тер-
мограммы, квантованные на пять, градаций яркости. Тепловизор позволил
внести в тепловизионные исследования элементы метрологии, повысил про-
изводительность прн термографированин.
Одним нз первых быстросканирующих тепловизоров был «Янтарь-МТ»
в котором, подобно первым тепловизорам, для развертки изображения ис-
Рис. 2.16. Функциональная схема тепловизора «Янтарь-МТ»
пользовался диск Ннпкова нз 45 линз, расположенных по спирали Архи-
меда. Из них 40 использовались собственно для сканирования, а 5 — для
уменьшения скачка видеосигнала во время обратного хода сканирования?
и возмущающих переходных процессов в тракте видеосигнала. Сканирующий
диск выполнен со сравнительно однородным по излучательной способности
покрытием их черного хрома, исключающим паразитную модуляцию видео-
сигнала. Функциональная схема тепловизора «Янтарь-МТ» показана на рис.
2.16. В первых образцах тепловизора использовался одноэлементный залив-
ной приемник излучения н число строк с 40 до 80 удваивалось зеркалом 4,
колеблющимся по кадру на шаг одной строки с частотой 25 Гц. Впоследствии
был использован двухэлементный (0,7 X 0,7 мм) приемник из InSb, качание
зеркала исключено и удвоение числа строк получилось поочередным опросом?
площадок и воспроизведением двух подкадров, образующих полные кадры
на ЭЛТ частотой следования 12,5 Гц. С учетом интегрирующих свойств глаза?
подкадровое воспроизведение со сдвигом развертки ЭЛТ на шаг строки обес-
печивало приемлемое по качеству изображение, хотя эффект его мелькания"
и был заметен.
Инфракрасное излучение через трехкомпонентный объектив/, диафрагму
2, лннзы 17 в диске 3, зеркало 4 н конденсор 5 попадает на ПИ 6, подключен-
ный к входам предусилителей 11 н 15 переменного напряжения. Работакг>-
щий от синхронизирующих отверстий в диске 3 оптронный датчик 7 кадро-
вой н строчной синхронизации обеспечивает с помощью ключей 12 поочер еди-
ную, с подкадровой частотой 25 Гц, подачу видеосигнала с предусилителем
11, 15 на видеоусилитель 13, имеющий в своем составе формирователь изотер-
мы с регулируемой шириной. Сканирующий диск вращается с частотой
"25 с-1, полный кадр формируется за два оборота диска. Блоки кадровой 10
я строчной 14 разверток электронно-лучевой трубки 16 типа23ЛК2Б обеспе-
чивают генерирование пилообразных напряжений таким образом, что растр
предыдущего подкадра располагается между растром последующего по сиг-
налам схемы черезстрочной развертки 8 и блока синхронизации 9.
Электрическая схема тепловизора выполнена на транзисторах. Техниче-
ские характеристики приведены в табл. 2.6.
С появлением современной элементной базы, развитием принципов циф-
рового тепловидения на базе оптической головки «Янтарь-МТ» был изготовлен
тепловизор «Янтарь-2-». При этом ставилась цель создания в нем измеритель-
ного канала и улучшения основных и функциональных характеристик. Как
показали исследования, нестабильность видеосигнала зависит от температур
.диска 3, внутреннего объема оптической головки и диафрагмы 2, изменяю-
щихся в процессе работы. Измеряя эти температуры, вводят поправку в пе-
риодически контролируемый уровень привязки видеосигнала, формируемый
суммарным ИК потоком от межлинзовых промежутков диска и диафрагмы во
щремя обратного хода по строке. Для исключения паразитной модуляции
уровня привязки за счет флуктуаций излучательной способности межлинзо-
вых промежутков используют покадровую привязку, хотя построчная мог-
ла обеспечить отсечку низкочастотных шумов приемника на более высоких
частотах. Кадр изображения формируется за одни оборот диска с частотой
25 Гц и состоит из 240 строк за счет четырехкратного опроса содержимого
строки в цифровой памяти тепловизора. Температурное разрешение повыси-
лось за счет цифрового покадрового накопления видеосигнала.
В следующей модели быстродействующего тепловизора «Алмаз» поэле-
ментное формирование изображения теплового поля обеспечивается враща-
чощимся с частотой 25 с-1 двенадцатигранным барабаном 2 (рис.2.17) с разно-
наклонными гранями и последующим опросом 11-элементного приемника 5,
ша котором излучение фокусируется объективом 3. Порядок установки гра-
ней выполнен не по мере нарастания их заклона, а с чередованием четных
и нечетных граней, приводящих к черезподкадровому сканированию для
облегчения динамической балансировки сканера. На экране кинескопа
•формируется кадр, состоящий из 12 подкадров (по числу граней), образован-
ных из вертикальных строчек, количество которых определяет число элементов
разложения, равное 140. В кадре 12 X 11 = 132 горизонтальные строки.
Видеосигналы от ПИ 5 через предусилитель 7 поступают последовательно
;во времени через ключи аналоговых коммутаторов 8 и 9 на вход основного
усилителя 12 с управлением от аттенюатора усиления 25 и далее через ком-
•ларатор 15 и оконечный видеоусилитель 16 — на катод кинескопа 19.
Для получения привязки черного уровня видеосигнала имеется регули-
руемый с помощью переключателя 24 встроенный источник опорного излу-
чения (лампа накаливания ТРШ 1500-2300), калибруемый в диапазоне-
35...50 °C первоначально по выносным излучателям.Излучение от этой лампы;
поступает через оптический опорный канал в моменты обратного хода сканера
через отверстия в синхродиске 4 одновременно с излучением от двух навес-
ных излучателей / со стабилизированной температурой. Последние предот-
вращают попадание постороннего излучения в моменты привязки уровня ви-
деосигнала конденсаторами и ключом 11, переключающимся с подкадровой
частотой 25 X 11 = 275 Гц. Быстродействующий коммутатор 8, управляе-
мый от распределителя импульсов 10, обеспечивает формирование видеосиг-
нала, а измерительный коммутатор 9 подключается один раз в кадр к одному
из выбранных каналов предусилителей 7. Рассматриваемая в данный момент
точка объекта отмечается на экране перекрестием маркера, формируемого
в генераторе меток 10.
Устройство выборки и хранения 13 запоминает амплитуду видеосигна-
ла, преобразуемую во времянмпульсном АЦП 23 в цифровой код с усреднением
результатов по десяти отсчетам. Усиление тракта калибруется по выносным
источникам излучения, причем каждому значению коэффициента усиления
соответствует свое значение диапазона регистрируемых температур, набира-
емого кодовыми переключателями 25. Данные об уровнях отсчета, диапазоне
температур, порядковом номере кадра, амплитуде видеосигнала в обознача-
емой маркером точке считываются в двоично-десятичном коде с переключа-
телей 24, 25 и 26, выходов АЦП 23 и знакогенераторов 22. Синхронизатором-
27 они вводятся в видеосигнал через коммутатор 15, отображаясь в свободной
от изображения зоне на экране. В синхронизирующем диске 4 имеются от-
верстия для формирования синхронизирующих импульсов, определяющих на-
чало и конец разверток, моменты ввода опорного излучения, включения зна-
когенератора, опроса генератора полутоновой шкалы.
Для фотографирования быстроменяющихся тепловых полей предусмот-
рен режим воспроизведения одиночного кадра. Имеются блоки строчной 17,
кадровой 20, подкадровой 21 и дополнительной 18 разверток, обеспечиваю-
щие заслон вертикальных строк для коррекции геометрических искажений
сканера. В тепловизоре имеется также формирователь изотерм 14, уровень
которых совпадает с уровнем видеосигнала в момент генерации перекрестия,
маркера 6.
Тепловизор «Алмаз», его оптико-механическая головка послужили ба-
зой для следующей модели цйфрового тепловизора «Радуга-МТ» (рис. 2.18).
Этот тепловизор состоит из оптической головки, блока преобразования стан-
дартов разложения (БПСР), блока отображения информации (БОИ), двухпло-
щадочного выносного ИК излучателя, фотоприставки, штатива, тележки,,
диапроектора, сосуда Дьюара.
Оптическая головка I в «Радуге-МТ» отличается от тепловизора «Алмаз»
отсутствием оптического опорного канала и тем, что грани сканера 10 уста-
новлены в порядке увеличения их заклона.
При вращении каждая грань сканера обеспечивает развертку изобра-
жения по горизонтали, что приводит к поочередному опросу 11 элементов
приемника 6 по вертикали и одновременной записи информации в цифровые
запоминающие устройства 19 и 27. В блоке преобразования стандартов раз-
ложения II при считывании из запоминающих устройств учитывается закон-
сканирования и, в итоге, с выхода запоминающих устройств цифровой видео»
сигнал подается в построчный растр с коррекцией геометрических искаже-
ний сканера, приводящих к наклону вертикальных линий изображении на
краях поля зрения. На одной оси со сканером 10 закреплен кодовый синхрони-
зирующий диск 9 с отверстиями для оптронных датчиков формирователя син-
хронизирующих импульсов 8. Один ряд отверстий служит для формирования
пачки синхронизирующих импульсов (ПСИ), содержащих информацию о на-
чалах н концах полей зрения, ввода опорных излучений; в другом ряду име-
ется лишь одно отверстие для опознавания начала кадра. По сторонам от вход-
ного окна тепловизора для получения опорного потока расположены два.
навесных излучателя с температурой, стабилизированной терморегулятором
Рнс. 2.18. Функциональная схема тепловизора «Радуга-МТ»
11. Фокусировка объектива 7 осуществляется от исполнительного двигателя
постоянного тока. Приемник 6 подключен к 11-канальному блоку предуси-
лителей 2—5, откуда сигналы поступают на БПСР. Питается приемник 6 от
стабилизатора 1.
В БПСР II видеосигналы поступают на масштабные усилители 12*
в которых производится привязка видеосигнала к нулю в момент ввода опор-
ного ИК потока. Импульсы привязки поступают из синхронизатора 16, осу-
ществляющего дешифрацию ПСИ н формирование временных интервалов,
соответствующих началу кадра, подкадра, вводу опорного излучения, левой
и правой частям подкадра. Здесь же формируются построчные синхронизиру-
ющие импульсы (ССИ), строчные гасящие импульсы (СГИ), импульсы метки-
перекрестия (ФИМП), сигналы запрета записи в цифровую память, импуль-
сы, определяющие время индикации результатов измерения, импульсы за-
пуска термопрофиля и полутоновой шкалы, а также импульсы «х», «у» для пе-
ремещения маркера, разрешения счета РСТ и импульсы, осуществляющие
запуск процесса измерения температуры и разрешения считывания изобра-
жения (РСИ).
Аналоговый коммутатор 13 преобразует 11-канальный видеосигнал-
в одноканальный, подаваемый на четырехразрядный аналого-цифровой пре-
образователь 37 и далее на запоминающие устройства 19 низа и 27 верха кад-
ра, работающие во время процесса считывания записи поочередно, обеспечи-
вая непрерывную подачу цифрового видеосигнала на БОИ III. Запоминание
кадра обеспечивается подачей импульса 33, запрещающего запись, начиная
с некоторого кадра. Опрос запоминающих устройств осуществляется от бло-
ков адресации 20, 28. Корректор 24 геометрических искажений по командам
формирователя импульсов выборки 26 осуществляет пропуск нескольких
элементов в строке в зависимости от номера строки и подкадра с целью обес-
печения коррекции. Цифровой видеосигнал может фильтроваться цифровым
фильтром 21 усреднением содержимого предыдущего н последующих кадров
для подавления высокочастотных шумов и далее через распределитель вы-
вода информации 29 подается на преобразователь кода 31, который выраба-
тывает сигналы цветности, усиливаемые в видеоусилителе'32 и управляющие
током лучей цветного кинескопа типа 25ЛК2Ц. В БОИ III содержатся схемы
33 строчной (3600 Гц) и кадровой 34 (25 Гц) разверток, высоковольтный ста-
билизатор 35 и собственный блок питания 36. В БПСР II имеются также блок,
питания 17, переключатель номера кадров 18, формирователь термопрофнля.
25, знакогенератор 30, накопитель 22 и вычислитель 23 для измерения тем-
пературы в точке перекрестия маркера, данные от которых поступают на вхо-
ды распределителя 29 вывода информации и далее в БОИ III. Для синхрони-
зации схем тепловизора с частотой вращения сканера 10 имеется умножитель
частоты 15 и формирователь импульсов 14, вырабатывающие импульсы вы-
борки каналов предусилителей (907,2 кГц), строчные (3600 Гц) и кадровые
синхронизирующие импульсы (25 Гц), а также другие служебные импульсы..
В тепловизоре имеются потенциометры для периодической калибровки изме-
рительного канала. Запоминающие устройства 19 н 27 на микросхемах типа-.
К-134РУ6 работают поочередно на запись и воспроизведение. Считывание
осуществляется с частотой 907,2 кГц, получаемой с формирователя импуль-
сов записи 18.
В БОИ осуществляется позитивное и негативное кодирование, а такж
инверсия цветов в результате смены порядка цветового, кодирования. Часть-
динамического диапазона квантуется грубо на 10 уровней, которым соответ-
ствует 10 цветов, а один нз этих уровней (зона точного квантования) — на.
пять уровней, отображаемых пятью черно-белыми градациями. Предус-
мотрен режим, когда динамический диапазон разбивается на пять черно-бе-
лых градаций, одна из которых замещается десятью цветными.
Тепловизор может работать в калиброванном или некалиброванном ре-
жиме, при этом уровни на компараторах АЦП 37 изменяются аттенюаторами-
соответственно дискретно нли плавно. Возможно подключение второго ЬОИ.
На поле термограммы в виде цифр отображаются шесть параметров термо-
графирования: номер кадра, температура в перекрестии маркера, уровень от-
счета температур, диапазон регистрируемых температур, цена деления цвет-
ной и черно-белой шкал.Обе шкалы воспроизводятся на экране. Вместо них
•может воспроизводиться вертикальный термопрофиль и линия его выборки
с маркером, цвет которого может задаваться любым. Для расширения диа-
пазона регистрируемых температур объектив 7 снабжен регулируемой диа-
фраграмой.
Основные параметры и функциональные характеристики тепловизора
-«Радуга-МТ» даны в табл. 2.5; 2.6 [77, 102].
Последующая модель «Радуга-А Т» отличается от предыдущей тем, что
число черно-белых градаций увеличено до десяти, несколько усовершенство-
ван измерительный канал и расширены функциональные возможности. Так,
стали возможными операции препарирования запомненного изображения:
исключение цветов, смена цветокодирования, перемещение маркера и линии
выборки термопрофнля с точкой замера 1емпературы. Введены новые электри-
ческие схемы. С целью повышения точности измерений в оптическом канале
увеличена поглощающая способность элементов конструкции, введена коль-
цевая бленда в объектив, выполнены требования на идентичность отражатель-
ной способности всех 12 граней сканирующего барабана, покрыты техноло-
гические фаски граней сканера, отражающих излучение от объекта на при-
емник в моменты привязки уровня видеосигнала, установлен более жесткий
допуск на линейные размеры граней. Это позволило уменьшить паразитную
подкадровую модуляцию,видеосигнала. Привязка уровня видеосигнала ста-
ла осуществляться не после каждого подкадра, а один раз за кадр. При этом
несколько увеличилась полоса пропускания электронного тракта в области
низких частот, но уменьшилась паразитная модуляция уровня, возникающая
за счет неравномерности теплового поля навесных опорных излучателей.
В быстросканирующем тепловизоре «.Радуга-2» расширены функциональ-
ные возожности и реализована регистрация термограмм на медленно пишущем
электрохимическом регистраторе. Возможно также их наблюдение на стандар-
тном телевизионном кинескопе и обычном телевизоре через антенный или
видеовход. Это стало возможным благодаря применению цифровой памяти для
>развязки по масштабам времени приемного, воспроизводящего и регистриру-
ющего каналов.
На экране телевизора отображается термограмма, дискретный калибро-
вочный оптический клин из десяти градаций, цифровая информация о пара-
метрах термографирования (уровень отсчета и диапазон регистрируемых
температур, цена одной градации, порядковый номер кадра). Так как кине-
скоп телевизора не позволяет четко различить десять градаций яркости, ис-
пользуется способ «высвечивания» любой или некоторых нз них в виде мига-
ющих с заданной частотой изортермических зон. Численные значения изо-
терм определяются по нх номеру, значениям уровня отсчета и диапазона
температур. Поскольку любая точка на термограмме может быть выделена
как относящаяся к зоне изотермы, температуру можно определить в любой
точке объекта.
В «Радуге-2», как и в предыдущей модели, используется квадрантный
способ запоминания термограмм, причем один из квадрантов может воспро-
изводиться на весь экран с помощью так называемой электронной лупы,
применяемой при исследовании небольших объектов.
Используется н цифровое интегрирование видеосигнала для снижения
.заметности шумов на термограмме, что эквивалентно улучшению температур-
ного разрешения тепловизора. При этом для формирования видеосигнала
находят среднее значение от сложения двух или четырех кадров. С учетом
интегрирующего действия глаза положительный эффект от такой операции
очевиден даже на экране телевизора и еще более нагляден на термограмме,
получаемой в электрохимическом регистраторе.
Применение электрохимического регистратора позволило отказаться
от дорогостоящего фотопроцесса регистрации термограмм. Отличительными
особенностями регистратора являются: долговечный пишущий электрод
в виде замкнутой ленты; повышенная скорость записи; работа в старт-стопном
режиме; наличие автономного модуля управления, где сосредоточены схемы
питания, декодирования, усиления, линеаризации, синхронизации и выдачи
контрольных тестов. В результате исключена необходимость частой смены.
пишущего электрода, что характерно для предыдущих моделей тепловизора.
Экономнее расходуется электрохимическая бумага, так как ее протяжка на-
чинается и оканчивается одновременно с записью термограммы, осуществля-
емой по команде оператора или импульсом управления, например от ЭВМ.
Тепловизор (рис. 2.19) состоит из оптической головки, установленной на
штативе, телевизора, на экране которого наблюдается термограмма; элек-
тронного блока; блока питания; электрохимического регистратора с модулем
управления и двухплощадочного инфракрасного излучателя, устанавливае-
мых на тележке.
Излучение объекта зеркальным объективом 5 фокусируется на чувстви-
тельные площадки 11-элементного фотодиода 4, охлаждаемого жидким азо-
том. Сканирование поля обзора осуществляется с помощью вращающегося
Рис. 2.19. Функциональная схема тепловизора «Радуга-2»
с частотой 25 с1 барабана 7 с 12 разнонаклонными зеркальными гранями.
Видеосигнал с приемника 4, усиленный предусилителями 3, поступает на
аналоговый коммутатор 2, управляемый формирователем сигналов управле-
ния 12. В функциональном усилителе 1 корректируется зависимость ампли-
туды видеосигнала от температуры объекта. Передаточный коэффициент под-
бирают при регулировке тепловизора по черному телу с изменяемой темпера-
турой. Уровни и диапазон исследуемых температур выбирают декадными ат-
тенюаторами уровня 9 и диапазона 10, которые, соответственно, управляют
уровнем привязки и усилением усилителя основного канала 11. Аналоговый
сигнал преобразуется в цифровой код в шестиразрядном АЦП 15. Информа-
ция об объекте записывается в два массива ОЗУ 18, 21, с помощью которых
производится преобразование закона разложения, а также цифровая обработка
изображения. ОЗУ может работать в двух режимах: в реальном масштабе
времени, когда информация выводится на унифицированный черно-белый те-
левизор и с выводом информации на электрохимическую бумагу, когда запись
в ОЗУ прекращается, и с одного куба памяти информация выводится на теле-
визор, а с другого — на электрохимический регистратор 32.
С помощью ОЗУ осуществляется цифровое интегрирование по двум или
четырем кадрам, необходимое для улучшения отношения сигнал/шум, и, сле-
довательно, уменьшения порога температурной чувствительности. Переадре-
сация содержимого ячеек памяти производится в помощью адресных узлов 19.
22-, геометрическая коррекция искажений, вносимых сканирующим устрой-
ством,— формирователями геометрической Коррекции 20, 23. в пределах трех
элементов разложения по строке. Коммутация кода, поочередно поступаю-
щего с блоков ОЗУ 18, 21, работающих на вывод информации, происходит
в коммутаторах 24, 25, где информация адресуется в канал телевизора или:
регистратора. Цифровой код преобразуется в аналоговый сигнал в цифроана-
логовых преобразователях 26 (в тракте формирования телевизионного изобра-
жения) и 28 (в тракте электрохимической записи). Служебная информация,
выводимая на термограмму в виде символов и цифр, а также полутоновой
клин формируются в формирователе знаков 31. Блок изотерм 27 формирует
изотермы, ширина которых может изменяться дискретно с шагом, составля-
ющим 10 % от выбранного диапазона температур. Телевизионный сигнал
формируется в формирователе 3d
и наблюдается в виде термограммы
на экране телевизора 33. Переход
тепловизора в режим записи на
электрохимическую бумагу осущест-
вляется с помощью блока управле-
' ния записью 29. Изображение за-
писывается в электрохимическом
Рис. 2.20. Оптическая (а) и струк-
турная (б) схемы тепловизора
БТВ-1 (ТВ-03)
регистраторе 32, синхронизация записи ведется формирователем синхрони-
зирующих импульсов 34. Удвоение числа наблюдаемых строк относительно
Строк сканирования достигается повторным ускоренным опросом соответству-
ющих массивов цифровой памяти.
Синхронизация работы тепловизора осуществляется с помощью враща-
ющегося синхронизирующего диска 6, прерывающего световой поток от источ-
ников Hl, Н2, ИЗ на фотодатчики ФД1, ФД2, ФДЗ, сигналы которых усилива-
ются усилителем 17. Кроме того, синхронизирующие сигналы вырабатываются
генераторами тактовых импульсов 14, 13 и формирователем сигналов управле-
ния 12 и распределяются коммутатором 16. Для калибровки и стабилизации
выходных сигналов тепловизора используются навесные ИК излучатели 8.
Несмотря на то что черно-белые термограммы с тепловизора «Радуга-2»
менее эффектны по сравнению с цветными в «Радуге-МТ», они позволяют
более оперативно визуально оценить тепловые поля наблюдаемого объекта.
В пределах тепловизионного модульного ряда «Радуга» изготовлены ком-
плексы типа «Тепловизор-ЭВМ»*. Это комплексы «Радуга-3» и «Радуга-4»,
выполненные на основе тепловизоров «Радуга-МТ», «Радуга-2» и предназна-
ченные для целей медицины и неразрушающего контроля.
* См, гл, 6.3.
Одним из широко распространенных является серийный тепловизор
ТВ-03 (БТВ), оптическая схема которого построена на основе зеркально-
линзового объектива 4 (рис. 2.20,а). Сканирование кадра осуществляется
плоским зеркалом 2 от электродвигателя 8 через редуктор и кулачок. Оптиче-
ская система фокусируется перемещением рычага с плоским зеркалом, общий
угол качания которого не более 3°, что обеспечивает поле зрения 4,5 X 4,5°
(в варианте без сменных линз), частота качания 16 Гц. Строчное сканирова-
ние осуществляется восьмигранной призмой 3 с частотой вращения 200 с-1,
что обеспечивает частоту строк 1600 Гц при 100 строках в кадре; призма
вращается от электродвигателя 7 через эластичную муфту. Для изменения та-
ких параметров, как угол зрения и минимальное рабочее расстояние, в комп-
лект тепловизора введены сменные насадочные линзы 1 (БТВ-2). С отрица-
тельной линзой из стекла ИКС-23 угол зрения составляет 7°, минимальное
рабочее расстояние 0,8 м, линейное разрешение 1...1,5 мм. Положительная
линза из стекла ИКС-23 обеспечивает увеличение 1,3, плоскость предмета
располагается на расстоянии 170. ..240 мм от вершины внешней поверхности
линзы. На минимальном расстоянии линейное поле зрения 30 X 30 мм, ли-
нейное разрешение — 0,3 мм. Насадочная линза из германия обеспечивает
поле зрения 13 X 13 мм. Излучение наблюдаемого объекта фокусируется
на ПИ 5 линзовым коллективом 6. Структурная схема основного варианта
тепловизора показана на рис. 2.20,6. Сигнал с приемника излучения 1, уси-
ленный предварительным усилителем 2, поступает на усилитель 3 видео-
контрольного устройства (В КУ) и далее, через калиброванный делитель 4,—
на устройство сравнения 5, в которое подается и сигнал градуировочной шка-
лы серого, расположенной в нижней части растра. Устройство формирования
изотермы 10 позволяет зафиксировать любой уровень сигнала, чтобы в дальней-
шем выделить его в виде яркостных линий любой ширины на экране ВКУ.
Предусмотрено включение одной или двух изотерм одновременно. Вспомо-
гательные устройства электронной шкалы 14 и выделения метки 17 создают
на экране ВКУ две вертикальные светлые линии в начале и конце строк.
По этим ярким линиям перемещается (в зависимости от положения переклю-
чателя чувствительности 16) темновая метка. Сравнивая ее с цифрами, нане-
сенными на экране ВКУ, можно определить, в каком температурном диапазо-
не работает тепловизор, что особенно важно при фотографировании изображе-
ния с экрана ВКУ. Сигналы этих вспомогательных устройств, а'также сигнал
с выбранным изотермическим уровнем суммируются в интеграторе 11 и посту-
пают на выходной усилитель 6, где проходит основной сигнал изображения.
С выходного усилителя полный тепловизионный сигнал поступает на модуля-
тор ЭЛТ, питаемой блоком 7.
Кадровая и строчная развертки индикатора 15 работают синхронно со
сканирующим устройством. Работа ВКУ управляется и синхронизируется
кадровыми и строчными синхронизирующими импульсами, вырабатываемыми
фотодиодами ФД-2 (12, 8) и усиливаемыми усилителями 9 и 13. Устройства
синхронизации работают следующим образом. Луч света от лампы нака-
ливания, пройдя через механизм модуляции, попадает на фотодиод, который
вырабатывает усиливаемый затем электрический импульс. Механизм модуля-
ции синхронизатора кадровой развертки представляет собой диск с прорезью.
Он вращается двигателем, питаемым блоком 18. Один оборот диска соответст-
вует периоду отклонения зеркала, ширина прорези—времени обратного откло-
нения зеркала. Луч от лампы накаливания попадает на фотодиод только во
время обратного хода ИК луча. Для строчной синхронизации используется
свет лампы накаливания, который, отражаясь от призмы, попадает на фото-
диод только в нерабочее время(во время попадания ИК излучения на границу
двух граней призмы).
Параметры и функциональные характеристики тепловизора БТВ-1 при-
ведены в табл. 2.5; 2.6.
Переносной тепловизор КТА-1 удобен для оперативных тепловизионных
исследований различных промышленных объектов и имеет параметры, доста-
точные для решения широкого перечня задач. Конструктивно он выполнен из
оптической головки, малогабаритного видеоконтрольного устройства, акку-
муляторного блока питания и сетевого блока питания.
Ифракрасное излучение через трехкомпонентный объектив 1 (рис. 2.21}
поступает в оптическом канале на кадровое сканирующее зеркало 2, подвиж-
ное зеркало 3, конденсор 4, десятигранную призму 6 строчного сканирова-
ния, конденсор 5 и заливной ПИ 7. На предусилитель 8 поступают сигналы
с приемника 7 и схемы удержания.нуля 15, что обеспечивает удержание видео-
сигнала в пределах динамического диапазона видеотракта. Далее сигнал че-
рез усилитель /Дподается в линеаризатор 11. Последний учитывает нелиней-
ность зависимости сигнала приемника 7 от температуры исследуемого объек-
та и формирует сдвиг видеосигнала по. уровню отсчета температур с помощью-
узла выделения начальной температуры 16. Через масштабный усилитель 12'
и ключ 13 видеосигнал поступает на выходной видеоусилитель 14,, куда пе-
риодически через ключ 13 подается ‘ '°
с
Рис. 2.21. Функциональная схема тепло-
визора К.ТА-1
узла 18 дополнительная информация,
в частности, изотермы. Узел раз-
вертки 17 синхронизируется син-
хродатчиками 9. Источник высоко-
вольтных напряжений 19 обеспе-
чивает питание электронно-луче-
вой трубки 20. Характеристики
тепловизора КТА-1 приведены
в табл. 2.5; 2.6.
В тепловизорах с одноосевым
или строчным сканированием тер-
мограммы получают перемещением
камеры в направлении, близком
перпендикулярному строкам объ-
екта термографирования. .Возмож-
но получение термограммы и без
взаимного перемещения-объекта и
тепловизора, например при ре-
гистрации во времени нестацио-
нарных тепловых полей. Многие
тепловизоры с двухосевым скани-
рованием могут работать и в ре-
жиме одноосевого сканирования
или без сканирования — в радио-
метрическом режиме.
Многоэлементный ПИ позволяет получать одновременно несколько строк
сканирования. Число регистрируемых строк Мр может отличаться от числа
Nc строк сканирования в knc раз, где fenc — коэффициент пересчета строк.
Причем 7Vp= • При fenc > 1 умножают строки повторной регист-
рацией образа предыдущей строки, а при fenc < 1 — делят строки при
цифровой обработке видеосигнала (например, для-повышения соотноше-
ния синал/шум, учета переналбжения изображения)
Для исключения геометрических искажений на термограмме скорости
сканирования и взаимного перемещения объекта и тепловизора однозначно
связаны. При цифровой обработке видеосигнала однозначность может нару-
шаться не в ущерб качеству получаемой термограммы.
На рис. 2.22 изображена функциональная схема тепловизора «Статор-1»
с одноосевым сканированием [106]. Сканирование по перпендикулярному на-
правлению осуществляется перемещением тепловизора, установленного на
самоходном шасси с электроприводом.-
«Статор-1» предназначен для обнаружения дефектов в активной стали
статоров мощных электрических машин — турбогенераторов, синхронных
компенсаторов. Перед термографированием активная сталь статора разогре-
вается индукционными токами промышленной частоты, получаемыми от одно-
го или нескольких витков намагничивания, по которым в течение несколь-
ких десятков минут пропускают ток в сотни ампер. Вследствие этого места
с нарушением изоляции имеют повышенную температуру. Тепловизор на са-
моходном шасси помещают внутрь цилиндрического статора, где он переме-
щается несколько минут на обрезиненных колесах с профилем коноида враще-
ния, обеспечивающим прямолинейность перемещения по длине статора с точ-
ностью до нескольких миллиметров. В итоге^сканированиевнутренней поверх-
ности статора производится по спирали при вращении зеркала 2.
Поток излучения фокусируется объективом 4 на ПИ 3, откуда видеосиг-
нал поступает на предусилитель 5. Здесь по командам сдатчика строчных син-
хронизирующих импульсов 1 выполняется привязка видеосигнала к опорному
уровню от черного тела 17, имеющего стабилизированную температуру. При-
вязку производят с частотой строчного сканирования в тот промежуток вре-
мени, когда на приемник попадает излучение черного тела. Форма импульса
от черного тела наблюдается на электронно-лучевой трубке 8, минимум кру-
тизны его фронтов указывает на оптимальную фокусировку объектива на по-
верхности статора диаметром Dc. От ручного привода фокусировки автомати-
Рис. 2.22. Функциональная схема тепловизора дефектоскопа
«Статор-1»
чески изменяется и скорость v ш движения самоходного шасси для устранения
геометрических искажений термограммы. При этом должно выполняться усло-
вие — {DJ2 + /0)-у /с, где у — мгновенный угол зрения тепловизора;
/0—расстояние от центра сканирующего зеркала до чувствительной пло-
щадки приемника; fc— частота сканирования.
В предусилителе происходит и компенсация дрейфа выходного сигнала
при введении в уровень привязки определенной постоянной составляющей от
датчика температуры 6 оптической головки и задатчика 14 уровня отсчета
температуры. Последние учитывают как изменение температуры окружающей
среды, так и средней температуры исследуемого статора, близкой к значению,
задаваемому задатчиком 14.
С предусилителя сигнал подается на видеоусилитель 7, учитывающий
ранее заданный уровень привязки и формирующий с помощью декадного за-
датчика 10 диапазон регистрируемых температур (динамический диапазон
•усилительного тракта). Оба задатчика 10 и 14 градуируются в градусах для-
определения по их показаниям радиационной температуры в любой точке
термограммы.
С видеоусилителя 7 сигнал подается на селектор 11, который по коман-
дам с формирователя управляющих сигналов 15 запускает строчную и ам-
плитудную развертки электронно-лучевой трубки 8, предназначенной для
наблюдения построчных и тестовых видеосигналов, оценки правильности
выбранных задатчиками 10, 14 значений уровня отсчета и диапазона регист-
рируемых температур.
Ь- Селектор 11 формирует наносимую на термограмму профилограмму, не»
з-сущую информацию о средней температуре поверхности статора, генерирует
импульсы координатной привязки от индукционного датчика пакетов 16 актив-
р.ной стали статора. Снимаемые с селектора 11 сигналы подаются на нелиней-
!.ный усилитель записи 9 и далее на электроды пишущей линейки 12 и бараба-
на 13 развертки блока записи с носителем изображения на электрохимичес-
кой бумаге шириной 210 мм типа ЭХБ-4. В блоке записи происходит построч-
ная регистрация черно-белого полутонового теплового изображения внутрен-
ней поверхности статора, профилограммы и координатных меток. Услов-
ный разрез цилиндрической термограммы в плоскую производится по линии
перемещения черного тела 17, имеющего угловые размеры в несколько мгно-
венных углов зрения тепловизора.
Конструктивно прибор выполнен в виде четырех соединенных между
собой кабелями отдельных блоков: оптической головки I, электронного блока
II, самоходного шасси III и блока записи IV.
Рис. 2.23. Функциональная схема тепловизора «Вулкан»
В тепловизоре «Вулкан» (рис. 2.23) также выполняется одноосевое ска-
нирование. Развертка изображения по второй координате осуществляется
при перемещении тепловизора, устанавливаемого на самолетах ИЛ-14 и АН-30.
Тепловизор «Вулкан» предназначен для исследования природных ресурсов
Земли в двух спектральных диапазонах: 3,8...5,2 и 8...13,5 мкм.
Инфракрасное излучение от исследуемых участков поверхности через
защитное стекло попадает на сканирующий узел 31, состоящий из двух вра-
щающихся четырехгранных зеркальных призм, повернутых одна относительно
другой на угол 45°, вследствие чего холостой ход в одном канале соответству-
ет рабочему сканированию в другом. Отразившись от зеркальных граней
сканирующих призм, лучи с помощью поворотных зеркал 5, 6, 30, 32 посту-
пают в объективы 16, которые фокусируют излучение на чувствительные пло-
щадки фотоприем :иков 4 и 8, представляющих собой фотодиод из InSb и фото-
резистор из HgCJTe. Дозаправка приемников от систем охлаждения 2 и 9
в процессе эксплуатации производится с помощью блоков автоматики 1
и 10, имеющих датчики уровня жидкого азота в фотоприемниках 4, 8. Для
стабилизации вращения сканирующего узла применен астатический дискрет-
ный электропривод постоянного тока. С частотного датчика скорости 35
импульсы поступают на усилитель-формирователь 34 и далее на блок управ-
ления 33 электроприводом сканирующего узла, усилитель мощности 36
и двигатель 37. Точность стабилизации средней частоты вращения 0,001 %,
пульсация мгновенной частоты в пределах одной строки не превышает 0,01 %.
Коммутатор 11 содержит схему периодического восстановления постоян-
ной составляющей видеосигнала, теряемой в предусилителях 3 и 7 перемен-
ного тока. Синхронизирующие импульсы с фотоэлектрического датчика 29,
усиленные усилителем 17, используются и для переключения каналов блоком
18. На электронно-лучевой трубке 14, куда поступают сигналы с видеоуси-
лителя 12 и генератора разверток, получают две строки, промодулированные
по яркости сигналами первого и второго каналов. В режиме амплитудной
селекции смещение луча по кадру отсутствует, и изображения, получен-
ные в разных каналах, развертываются на одном месте экрана: сначала строка
одного канала, затем другого. В результате изображения на фотопленке могут
совмещаться, что позволяет выделять высокотемпературные объекты на фоне
ландшафта. Для исключения строк при относительной угловой скорости
полета WlH ~ 0,3 рад/с экспонирование пленки производится только одной
строкой при гашении «лишних» строк генератором гасящих импульсов 15
«^длительностью, задаваемой оператором на пульте управления 22. Генератор
Рис. 2.24. Функциональная схема тепловизора «Тайга-2»
шкалы уровня серого 13 позволяет на фотопленке получать градационный
клин. С экрана электронно-лучевой трубки две строки длиной по 100 мм фо-
кусируются с увеличением 0,7х объективами 20 и 21 на фотопленку, транс-
портируемую пленкопротяжным механизмом 26 с блоком управления 23
электропривода, включающего в себя усилитель мощности 24 и двигатель 25.
Скорость протяжки фотопленки задается оператором. Для визуального кон-
троля яркости строк имеются два фотоумножителя 28, сигналы с которых опе-
ратор может наблюдать на экране осциллографа 27. На фотопленку может
впечатываться изображение часов и метки штурмана.
Тепловизор состоит из оптической головки и электронного блока разме-
рами и массой соответственно 492 X 560 X 564 мм, 45 кг и 500 X 900 X
X 1200 мм, 100 кг. Конструкция электронной стойки обеспечивает зарядку
на свету фотопленки шириной 80 и 190 мм, позволяющей при ее длине 30 м
выполнять запись в течение 30 мин при максимальной скорости протяжки.
Тепловизор «Тайга-2» предназначен для обнаружения скрытых очагов
лесных пожаров по их тепловому излучению с одновременным получением
термограммы контролируемых участков на электрохимической бумаге. Его
можно устанавливать на патрульных самолетах и вертолетах пожарной ави-
ации. Конструктивно тепловизор состоит из пульта управления и контро-
ля I, электронного блока II с блоком питания 5, оптико-механической го-
ловки III и блока электрохимической регистрации IV (рис. 2.24).
Излучение через обтекатель 20, состоящий из трех' плоских пластин, по-
падает на сканирующие двухгранные пирамиды 19, плоские зеркала 21,
объектив 11, зеркало 13 и термоэлектрически охлаждаемый приемник 12
Па основе PbSe. Отсюда видеосигнал поступает на предусилитель бис него
на фильтр 1 и усилитель 2, выделяющий по амплитуде сигналы, эквивалент-
ные-температуре, превышающей 50...100 °C или 100...300 °C, и преобразу-
ющий их в прямоугольные импульсы, которые поступают на вход устрой-
ства синхронизации 4. Фильтр 1 низких частот выделяет в видеосигнале
спектр частот, соответствующий заданному значению V/H1. Видеосигнал че-
рез усилитель записи 18 подается на электрохимический регистратор 28,
имеющий электропривод от электродвигателя 27, синхронно вращающего
индукционный датчик 25 и оптронный датчик 26. По сигналам этих дат-
чиков через формирователь 16, устройство фокусировки 8 и управления
приводом регистратора 10 обеспечивается синхронизация и фазирование
регистратора 28 с пирамидами 19. Устройство синхронизации 4 вырабатывает
необходимые синхронизирующие и управляющие импульсы для управления
блоками видеотракта, устройством фазирования 8, световой и звуковой сигна-
лизацией. Скорость развертки в зависимости от отношения W/Н может из-
меняться переключателем с пульта управления и контроля, где имеются во-
Рис. 2.25. Функциональная схема теплови-
зора АТП-44М
семь световых индикаторов, по
загоранию которых, дублируе-
мому звуковым сигналом, су-
дят о тревожном секторе обзора
в 20°. При выключении с па-
нели управления и контроля 3
блока электрохимической ре-
гистрации IV тепловизор начи-
нает работать как авиадетек-
тор, выдавая звуковые и свето-
вые сигналы по секторам в слу-
чае обнаружения очагов горе-
ния. Оптронный датчик 22 под-
ключается к синхроусилителю
14, откуда синхронизирующие
сигналы поступают на устройство синхронизации 4. Устройство управления
электроприводом сканера 7, к входу которого подключен индукционный
датчик 23, а к выходу — усилитель мощности 15, образует с электродви-
гателем 24 автоматическую систему стабилизации частоты и фазы вращения
сканирующих пирамид 19, использующих в качестве опорной частоту управ-
ляемого кварцевого генератора 9\ последний служит и для подачи управляю-
щих команд на электродвигатель 27 через усилитель мощности 17.
Модель тепловизора <ьТайга-Ь> отличалась от модели «Тайга-2» отсутстви-
ем блока электрохимической регистрации IV и некоторыми схемными реше-
ниями.
Промежуточное положение между вышеописанными медленно и быстро-
сканирующими тепловизорами занимают среднескоростные, типичным пред-
ставителем которых является серийный цифровой тепловизор АТП-44М
(рис. 2.25) [105]. Наличие в нем цифровой памяти обеспечивает возможность
цифровой обработки видеосигнала и воспроизведение цветных и черно-белых
термограмм. Имеются автоматическая привязка уровня «черного» по любой
температурной точке изображения, выбираемой оператором, цветной и
черно-белый клин, шкала уровня отсчета температур, знаковая служебная
информация, выход на видеомагнитофон, двухплощадочный ИК излучатель
с независимой регулировкой температуры.
Прибор состоит из приемной камеры 5, электронного блока и двух элек-
трически нагреваемых АЧТ. В приемной камере используется оптико-механи-
ческое синусоидальное сканирующее устройство, обеспечивающее формиро-
вание теплового изображения. Выходными сигналами камеры являются ви-
деосигнал и сигналы с датчиков положения сканирующего узла, подаваемые
на блок синхронизации 6. В камеру подается напряжение питания и напря-
жение возбуждения колебаний сканера. Блок управления сканером 1 стаби-
лизирует амплитуду и фазу колебаний строчной развертки. Формирователь
видеосигнала 11 осуществляет усиление, ограничение и привязку к требуе-
мому уровню видеосигнала в ручном и автоматическом режимах. Уровень
ограничения соответствует уровню черного на экране индикатора. Коэффици-
ент усиления изменяется ступенчато, причем ступени выбраны таким обра-
зом, что их значения соответствуют диапазонам температур, выносимых на
индикатор.
Полученный видеосигнал преобразуется в четырехразрядный двоичный
код аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 12. Ввод кода данных в за-
поминающее устройство 8 (ЗУ) и их адресация выполняются блоком ввода 7.
Запись и считывание данных происходят независимо друг от друга. Ин-
формация в ЗУ вводится во время обратного хода строчной телевизионной
развертки, а выводится во время ее прямого хода; при этом адрес для ЗУ
переключается мультиплексором 2. Адрес считывания вырабатывает блок
вывода 3, который формирует также импульсы синхронизации для всех час-
тей прибора. Блок формирования вспомогательной информации 13 выраба-
тывает код полутоновой шкалы изотерм, шкалы уровня температур, знаковой
информации (строка цифр из 15 знаков), набираемой оператором с помощью
клавиатуры, и маркера (курсора).
Преобразование сигнала приемной камеры в телевизионный стандарт
осуществляется блоком формирования ТВ-сигнала 9, на выходе которого об-
разуется черно-белый ТВ-сигнал с синхроимпульсами для подачи на инди-
катор 14 и три сигнала цветности для вывода на цветное ВКУ 10. Предусмот-
рена также возможность подключения к электронному блоку дополнитель-
ного черно-белого ВКУ 4 и видеомагнитофона 15. Регистрация изображения
теплового поля объекта осуществляется фотографированием с экрана инди-
катора 14 специальным фоторегистратором.
Электронный блок и камеру устанавливают на колесной тележке, снаб-
женной штативной головкой. Тележка имеет места, в которые укладывают
и закрепляют приемную камеру, штативную головку и кабели. Положение
электронного блока остается неизменным во время работы с прибором и во
время транспортирования. В конструкции тележки предусмотрена возмож-
ность перевозки прибора на различных видах транспорта.
В нашей стране также применяют некоторые зарубежные тепловизоры,
импорт которых непрерывно снижается в связи с совершенствованием и се-
рийным производством отечественных.
Фирма AGEMA производит термопрофилограф модели ТНР-1 с
однострочным сканированием, позволяющий на электронно-лучевом индикаторе
наблюдать форму видеосигнала и по его амплитуде судить о распределении
температуры на объекте по линии сканирования. Сканирование осуществля-
ется с частотой 16 Гц в углах 10; 20; 40 и 80° при мгновенном угле зрения
5 мрад и температурном разрешении 0,2 °C. Диапазоны наблюдаемых темпе-
ратур: 20...100, 0...300, 100...600 и 300...1000 °C в спектральной области
2...5,5 мкм. Термопрофилограф состоит из оптической головки, устанавлива-
емой на штативе, и электронного блока.
Переносная модель тепловизора AGEMA «.Термовижн-110-» содержи/
48-элементный термоэлектрический охлаждаемый приемник, обеспечиваю-
щий наблюдение разностей температур до 0,1 °C. Поле зрения прибора 6 X
X 12°, диапазон перефокусировок 1 м ...оо, частота кадров 30 Гц, мгновенный
угол зрения 20 мрад, диапазон наблюдаемых температур 30...800 °C, масса
3 кг, продолжительность работы при питании от батарей 6 ч в диапазоне окру-
жающих температур 20..,55 °C, габаритные размеры 24 X 14 X 8,4 см. Изо-
бражение наблюдается через окуляр на экране миниатюрной электронно-
лучевой трубки и может регистрироваться фотокамерой.
Фирма «Барнс» производит переносной термопрофилограф, позволя-
ющий с помощью комбинированного дисплея на фоне видимого изображения в
поле 36 X 36° наблюдать термопрофиль и линию его выборки с температурной
чувствительностью 0,5...2,5 °C при частоте сканирования 4...8 Гц, в спектраль-
ном диапазоне 3,2...20 мкм. Масса 4,1 кг, габаритные размеры 33 X 23 X
X 20 см, диапазон наблюдаемых температур 0... 1000 °C. Обратная сторона
сканирующего зеркала одновременно используется и для построения термо-
профиля. ЛТПЯМ
Японская фирма «Саней инструмент» выпускает тепловизор типа о loom
с приемником, охлаждаемым жидким азотом, позволяющим получать на
экране кинескопа цветное и черно-белое изображения. Тепловизор сое ои
из оптической головки и электронного блока, состоящего из блока управлен-
ия, обрабатывающего видеосигнал цифрового запоминающего устройства»
дисплея, комплекта принадлежностей. Приемник на основе HgCdTe обеспе-
чивает работу в течение 4,5 ч после заправки.
Японская фирма «Фудзицу» изготовила тепловизор «.Инфра-Ай-103?
медицинского назначения. Его оптическая головка может изменять направ-
Рис. 2.26. Функцио-
нальные схемы оптиче-
ской головки теплови-
зоров «Инфра-Ай-103»
(а) и ITG-1A (б)
ление угла зрения в вертикальной плоскости и устанавливается на штативе,
имеющем механизм подъема с электроприводом. В состав тепловизора входит
шкаф, где установлены цветное и черно-белое видеоконтрольные устройства,
устройство синхронизации развертки, цифровой процессор обработки данных,
цифровое печатающее устройство. В отдельном блоке находится индикатор
изображения с фотоприставкой.
Согласно функциональной схеме оптической головки тепловизора (рис.
2.26,а) на приемник 3 излучение, которое построчно прерывается обтюра-
тором 2, поступает через зеркало 4, объектив 7 и сканирующее зеркало 10,
приводимое в движение сканирующим устройством 9. Для учета температу-
ры внутреннего объема и обтюратора 2 служит термодатчик 1. Фокусировка
осуществляется с помощью электропривода 8 по изображению на объекте
метки от источника света 5. Видеосигнал снимается с предусилителя 6.
Тепловизор ITG фирмы «Джейл» (Япония) состоит из оптической голов-
ки на штативе, электронного блока с фотоприставкой и электронно-лучевой
трубки с послесвечением, устанавливаемых на подвижной тележке. Модель
ITG-1AL вместо приемника из InSb имеет приемник из HgCdTe.
Согласно функциональной схеме оптической головки (рис. 2.26,6) ин-
фракрасное излучение с объекта через сканирующее зеркало 2, объектив 1,
фильтр 7, зеркало 6 поступает на охлаждаемый жидким азотом ПИ 3. Для
создания опорного потока, построчно вводимого обтюратором 8, служит ИК
Рис. 2.27. Оптическая схема тепловизора «Бофоре» (типа IRCD-11)
Рис. 2.28. Схема приемной камеры тепловизора AGA-661
источник 4 с термодатчиком 5. Тепловизор позволяет получать и видимое
изображение с помощью выдвигаемого в плоскости промежуточного изобра-
жения одноэлементного приемника видимого света 9.
Медицинский тепловизор IRCD-11 фирмы «Бофоре» (Франция) относится
к среднескоростным и состоит из оптической головки и электронного блока
с видеоконтрольным устройством, устанавливаемых соответственно на штативе
и тележке или подвешиваемых к потолку на коромысле. В состав тепловизора
входят выносное отклоняющее зеркало, фотоприставка для регистрации цветных
термограмм, выносной ИК излучатель с излучающей поверхностью диаметром
45 мм, меняющей температуру в диапазоне 27...33 °C при точности поддержания
± 0,2 °C. Излучение объекта (рис. 2.27) через строчную призму 1, враща-
ющуюся с частотой 62,5 с-1, объектив 2, кадровое зеркало 3, качающееся два-
жды за секунду, и неподвижное зеркало 5 попадает на приемник 4 из анти-
монида индия, работающий в'диапазоне 1...5.5 мкм.
Наибольшее распространение получили тепловизоры шведской фирмы
AGEMA. На рис. 2.28 изображена схема приемной камеры тепловизора
AQA-661, где сканирование по кадрам осуществляется плоским колеблющим-
ся зеркалом 7, сканирование по строке — вращающейся пропускающей приз-
мой 8, приводимыми в движение соответственно кадровым 1 и строчным 4
приводами, кинематически связанными сдатчиками 2, 3 кадровой и строчной
синхронизации. Через зеркальный объектив 9, плоское зеркало 10 и систему
линз излучение попадает на одноэлементный, охлаждаемый жидким азотом
приемник 5 и далее на предусилитель 6.
В последующей модели AGA-680 (рис. 2.29) сканирование по строке и
кадру выполняется вращающимися, пропускающими излучение призмами..
Входной объектив 1 приемной камеры со светосилой 1: 1,8, состоящий
из трех кремниевых линз, фокусирует излучение от элемента объекта с рас-
стояния от 0,95 м до бесконечности; при этом глубина резкости на расстоянии
2,5 м составляет 0,27 м. От объектива ИК излучение поступает на оптико-ме-
ханическое сканирующее устройство, состоящее из двух пропускающих призм,
которые вращаются от отдельных электродвигателей: кадровая 2 через пре-
цизионный редуктор, строчная 3 — непосредственно через муфту. При вра-
щении призм и использовании стандартного объектива поле зрения прибора
10 X 10°, дополнительные сменные объективы обеспечивают поле зрения
2 X 2, 25 X 25 и 40 X 40°. Мгновенный угол зрения (угловое разрешение}
для основного объектива 1,3 мрад. Расходящийся пучок излучения преобра-
зуется с помощью конденсорной линзы 4 в параллельный и проходит ряд.
вспомогательных устройств, составляющих комплект прерывателя 5. Во вре1
мя обратного хода по кадру принятое излучение прерывается алюминиевым
обтюратором с полированными-с’задней стороны лопастями. Обтюратор враг
щается синхронно со сканирующей по кадру призмой. Во время перекрытия
Рис. 2.29. Функциональная схема оптической головки тепловизора
AGA-680
излучения ИК приемник подвергается воздейстзию собственного (отраженного
от лопасти) излучения, и этот сигнал используется как опорный для предуси-
лителя 9, поддерживающего постоянной составляющую выходного сигнала
один раз за время кадра.
Для расширения диапазона температур обследуемых объектов предусмо-
трено ограничение пучка лучей с помощью диафрагмы 7. При полной свето-
силе объектива можно обследовать объекты с температурой от —30 до +190 °C.
При минимальной диафрагме светосила объектива становится равной 1 : 14,
что позволяет исследовать объекты с температурой до 850 °C. Уменьшение
светосилы объектива сопровождается увеличением резкости, что создает пре-
имущество при наблюдении распределения температуры протяженных объек-
тов. В прерывателе предусмотрена также установка светофильтров 6. При
использовании поглощающих серых фильтров можно исследовать объекты
с температурой до 2000 °C.
На выходе комплекта прерывателя установлена линза 4, которая про-
образует параллельный пучок лучей в сходящийся и фокусирует его на ИК
приемнике 8 из InSb (фотовольтаический); диаметр фоточувствительной плб1-
щадки 0,35 мм, температурное разрешение тепловизора менее 0,2 °C. Особен-
ностью ПИ является наличие трех охлаждаемых диафрагм и точная фиксация
приемного элемента иа хладопроводе, что позволило закрепить проекционную
линзу непосредственно на приемнике. Предусилитель также установлен не-
посредственно на приемнике.
Конструкцией сканирующего узла камеры ие предусмотрена синхрони-
зация вертикальной и горизонтальной сканирующих призм, поэтому строки
на экране ЭЛТ медленно перемещаются по экрану. Этим достигается непре-
рывность- заполнения экрана изображением объекта, и темные промежутки
между строками не выделяются так резко, как при жесткой синхронизации
строчной и кадровой разверток, что особенно важно при фотографирований.
Кроме того, применена вобуляция (размытие) строки от генератора сигналов
частотой 600 кГц, что создает иллюзию бессрочного растра.
Дальнейшее усовершенствование тепловизоров произведено на моделях
AGA-750, AGA-720, AGA-780 и AGA-782. Сканирование излучения во всех
модификациях осуществляется двумя вращающимися призмами. Основные
Отличия от тепловизора AGA-680 — меньшие габаритные размеры приемной
камеры и сканирующего устройства, повышение частоты кадров до 25 Гц,
усложнение блоков усиления и обработки сигнала для увеличения скорости
Й объема получаемой информации, увеличение числа вспомогательных уст-
ройств. Модели AGA-750, AGA-720 и AGA-728 являются малогабаритными
Рис. 2.30. Функциональная схема приемной камеры тепловизора
AGA-780:
/ — усилитель сигнала температурной компенсации; 2 — приемник излучения;
3 — предусилитель; 4— электронный ключ; 5— сумматор; 6 — переключатель
выбора апертуры и фильтра; 7— терморезистор температурной компенсации;
8, 25 — двигатели строчной и кадровой сканирующих призм; 9, 10 — формиро-
ватель импульсов; 11,22— выходные усилители; 12, 20 — компенсаторы; 13 —
блок контроля скорости строчной призмы; 14, 23 — призмы строчного и кадро-
вого сканирования; 15,' 24 — магнитные датчики строчной и кадровой синхро-
низации; 16, 27 — усилители; 17, 26 — триггерные усилители; 18, 21 — счетчики
деления импульсов; 79 —блок отслеживания скорости кадровой призмы; 28—*
цифровой фазовый детектор; 29 — объектив
вариантами основной модели AGA-780. Блоки приемной камеры идентичны
для всех моделей и различаются в зависимости от области применения ком-
плектом сменных объективов. Используется малогабаритный блок ВКУ с наи-
более простой обработкой сигнала: представление сигнала на черно-белом
экране в позитивном и негативном отображениях, две изотермы с отчетом
уровня, переключатель чувствительности и регулировка «Уровень черного».
Наибольший интерес представляет базовая модель AGA-78O. Для модели
разработаны три варианта приемной камеры: коротковолновая с приемником
излучения из InSb, длинноволновая с приемником из HgCdTe и двойная.
Двойная камера действует одновременно с двумя черно-белыми индикатора-
ми. Функциональная схема приемной камеры (рис. 2.30) аналогична схеме
приемной камеры модели AGA-680 и содержит фокусирующий трехкомпо-
нентный объектив, две пропускающие сканирующие призмы и прерыватель,
конденсор из двух линз с промежуточной регулируемой диафрагмой и диск
с фильтрами. Принятое от объекта излучение фокусируется на приемнике
излучения 2. В длинноволновой приемной камере с фоторезистором из HgCd 1 е
используются только германиевые элементы оптической системы. Дополни-
тельно введено предохранительное устройство контроля уровня жидкого азо»
та в сосуде Дьюара ПИ, которое закрывает усилительный канал при опреде-
ленном низком уровне азота, сигнализируя об =этом оператору. Двойная ка-
мера содержит два взаимосвязанных одиночны.* сканера, смонтированных
вместе в одном корпусе. Введены два дополнительные устройства регулиров-
ки: вертикального уровня и параллакса,- которое механически устанавлива-
ют вертикальное и горизонтальное положений сканирующих блоков так,
чтобы они были направлены на один и тот же участок исследуемого объекта.
Основной вариант ВКУ с черно-белым кинескопом может быть выполнен
в виде отдельного блока, либо смонтирован в стойке. Базовая модель AGA-78O
выпускается со стойкой ВКУ- Кроме основной? индикаторного ВКУ с кине-
скопом, в стойку входят: блок теплового профиля, который позволяет вос-
производить построчный профиль или покадровый рельеф изображения;
группа дополнительных вставных блоков для получения различной количе-
ственной информации из теплового сигнала. По принципу действия основное
ВКУ аналогично предыдущим моделям. Предусмотрены калиброванное
переключение чувствительности для разных температур объекта на девяти
дискретных областях от 2 до 1000 и плавная регулировка постоянного уровня
ручкой «Уровень черного». На переднюю панель выведены также ручки
«Яркость» и «Контраст», позволяющие выделит» нужную область исследуе-(
мых температур. Переключателем «Способ работы» выбирают нормальное
позитивное или негативное тепловое изображение, только изотермические
области и шкалы серого. Предусмотрены две изотермы с регулируемыми ши-
риной и уровнем изотерм. Размер изображения экране ВКУ 50 X 50 мм
Отличительной чертой тепловизоров модели AGA-780 является высокая
стабильность сигнала, что обеспечивает большунР точность и повторяемость
измерений: Чтобы уменьшить уровень постоянного дрейфа, вызванного изме-
нением температуры приемной камеры, применяет комбинированную схему
привязки уровня и компенсации. Для повышения стабильности работы при-
бора использована также импульсная схема контроля скорости черезстрочиое
сканирование. Скоростью и регулировкой фазы двигателя кадрового скани-
рования управляет двигатель строчного сканирования так, чтобы выработать
четыре чересстрочных поля.
Тепловизор AGA-780 в семействе быстродействующих приборов^позво-
ляет получить максимальную информацию об объекте, отличается высоким
качеством изображения, наличием большого числа вспомогательных- блоков
и принадлежностей.
В табл. 2.7—2.9 приведены основные параметры опытных образцов тепло-
визоров отечественного производства, инфракрасных микроскопов и теплови-
зоров иностранного производства.
2.7. Основные параметры опытных тепловизоров отечественного производства
Параметр ИФ-10ТВ Филин-221 (с пири- коиом) АТП-13 АТП-П ик-юп АТГГ-12М Теплови- зор Жуко- ва АТП-103 АТП-41
орог темпера- /рной чувстви- ?льности, °C 0,5 0,5...1 0,2 0,2 0,2 0,2 0,3...0,4 3 0,1
оле зрения, ...° 7X9 — 11X15 — 5x3,6 11X15 26x30 6X4 16x10
ремя обзора, с 1/12 1/50 5 5 1/16 5 1/50 1/25 б
Мгновенный угол эения, мрад 3 0,9 — 1,1 2,2* —- — 5 2
ис л о строк ска- ирования 75 312 250 250 юо 250 120 625 250
* В минутах.
2.8. Основные параметры инфракрасных микроскопов
Тип микроскопа (страна) Диапазон температур, К Порог чув- ствительнос- ти, к Линейное разреше- ние, мкм Время кадра, с
Микроскоп ГОИ (СССР) 293... 423 1 20...30 150
14КИ1-001 (СССР) 313...523 0,3 50 2600
АШОТ-6 (СССР) 303...523 0,2...0,5 20...500 15 30
АТП-31 (СССР) 303. „373 0,8 100 5
ТВ-03 (сменная оп- тика) (СССР) 293... 473 0,2 300 1/16
ИКР-35 (СССР) 303...1300 0,3...3 20...60 —
ИКАР-1 (СССР)
RM-50, Барнес (США) 293...473 0,1 10... 100 0,5 1
АСА (Швеция) 243... 1123 0.15...8.0 8...25 1/16
MZ-11, Елматик (ФРГ) 293...773 1 8...25 1/16
Mod 301, Динарад (США) 253 0,9 25 —
Поливар, Инфрапол (Австрия) 1/50
Число строк Увеличение Поле обзора, мм Вид инфор- мации Примечания
100 10х 50x50 ЭХБ 90x90
256 40х 40X40 ЭЛТ Телевизионный стандарт
— — 70x72 ЭЛТ Трубка с послесве- чением, самописец
250 100 Iх 1,3х 20x15 30x30 ЭЛТ ЭЛТ Трубка с послесве- чением
— 10х...40х 70X70 АЦПУ ЭВМ Перемещаемый предметный столик Сопряжен с ЭВМ
64 128 10х...100х 0,6х 0,6; 6X6 ЭЛТ Имеется термопро- филь
140 100 15х...125х 15х...52х 0,65 до 6 0,5... 1,2 ЭЛТ 90x90 ЭЛТ 60X60 На базе AGA-680
625 200х...400х 2X2 ЭЛТ Имеется термопро- филь Активная подсветка 450... 1800 нм
2.9. Основные параметры тепловизоров зарубежного производства
Параметр 6Т08М (Япония) «Инфра- Ай-103» (Япония) ITG-1A, (Япония) AGA- 661 (Шве- ция)
Порог температурной чувстви- тельности, °с 0,2 0,1 0,1 0,2
Поле обзора, ... ° 30x25 20X15 20X25 5x5
Время обзора, с 1,2 — 1,3 1/16
2,5 8
5.1
Мгновенное поле зрения, ... ° — — — 3
Число строк сканирования 96, 192; 384 100; 200 —
Число площадок приемника 1 1 1 1
Разрядность кеда видеосигнала 6 Есть — —
Спектральный диапазон, мкм 8---14 3-.-5; 8---14 —
Продолжение табл. 2.9
Параметр AGA-680 (Швеция) AGA-782 (Швеция) Инфра- мет- рикс (США) Спектро- терм-800 (США) ИР-815 «Том- сон». ЦСФ -(Фран- ция)
Порог температурной чув- ствительности, °C 0,2 0,1 о,1 0,2 0,3
Поле обзора, ... ° 10X10 3,5x3,5 30x30 12X15
Время обзора, С 1/16 1/25 1/25 2 4
Мгновенное поле зре- ния, ... ° 4,5 — — 3,5
Число строк Сканирова- ния 210 280 240
Число площадок прием- ника 1 1 — — —
Разрядность кода видео- сигнала — Есть Есть — —
Спектральный диапазон, мкм 2-..5; 8--12 03 об Ю СО 3---5 8-..14 3-.-5
8. УСТРОЙСТВА РЕГИСТРАЦИИ И ОТОБРАЖЕНИЯ ВИДЕОСИГНАЛА
В серийных тепловизорах отечественного производства типа «Рубин»
и других для регистрации видеосигнала в виде термограммы используется
электрохимическая запись изображения с применением электрохимической
бумаги ЭХБ-4 или ЭХБ-6, позволяющей получать термограммы высокого
качества с числом различимых градаций порядка десяти. В электрохимичес-
кой бумаге (ЭХБ) оптическая плотность изображения D зависит от линейной
скорости записи V3 и тока /3 через ЭХБ, приводящего к электрохимическому
растворению пишущего электрода. Графики зависимости D = D (/3) при раз-
личных Г3 (рис. 2.31,с) показывают, что оптическая плотность нелинейно уве-
личивается с ростом тока записи и уменьшается при увеличении скорости
записи.
Для правильного выбора режима ра-
боты выходного каскада усилителя записи
регистрирующего устройства необходимо
зиать зависимость сопротивления ЭХБ от
скорости записи. Из графика зависимости
Рис. 2.31. Фототелеграфные характеристики электрохимической бумаги
ЭХБ-4 (а) (/—V3 = 0,5 м/с; 2—1 м/с; 3 — 2 м/с; 4 — 3 м/с) и графики
зависимости сопротивления электрохимической бумаги ЭХБ-3 от скорости
записи и оптической плотности (б) (/ — /, = f (V-), D = Dm ; 2 — R —
= f(V3),D = Dmax; 3 - Ia = f (IQ, D = 0,2; 4 - R = f (V3), D = 0,2)
(рис. 2.31,6) следует, что сопротивление R растет с увеличением оптической
плотности отпечатка. Это объясняется тем, что для роста оптической плот-
ности необходимо увеличивать ток записи, что приводит к разогреву электро-
лита в месте контакта и к увеличению сопротивления ЭХБ.
Графики, изображенные на рис. 2.31,а и б, характерны для фототелеграф-
ного режима записи, при котором получают полутоновые изображения. На
термограмме кроме изображения содержится и знаковая информация, для ка-
чественной записи которой необходимо знать так называемые импульсные ха-
рактеристики ЭХБ, представляющие зависимость плотности от длительности
импульса (рис. 2.32).
В цепь питания ЭХБ включают ограничительный резистор сопротивле-
нием 1000...1200 Ом, предохраняющий от перегрузок источник питания и,
в некоторой степени, линеаризующий характеристику электрохимического
регистратора [97].
В тепловизорах «Рубин-1», «Рубин-2 и «Статор» использован электро-
химический регистратор (рис. 2.33). Видеосигнал подается иа клеммы 7, со-
единенные с пишущим электродом 4 и спиральным электродом 6 строчной
развертки, находящимся на барабане 7. Электрохимическая бумага 2 протяги-
вается между электродами 4 и 6 со скоростью протяжки Vg. Для обеспечения
надежного контакта с ЭХБ пишущий электрод прижимается пружинами j
и 5. Вращение барабана 7 и сканера тепловизора синхронизируется.
Возврат строчной развертки с конца в начало строки может осуще-
ствляться практически мгновенно,в то время как в сканерах тепловизоров
КПД сканиревания, равный отношению времени рабочего хода к периоду
сканирования, редко превышает 0,75. Поэтому время нерабочего хода в ска-
нерах при использовании электрохимического регистратора используется
для нанесения различной дополнительной информации. Например, в теплови-
зоре «Рубин-2» — для получения опорного дискретного оптического клина;
он необходим для количественной оценки термограмм, контрастность которых
в процессе хранения может меняться. При этом оптическая плотность клина
и термограммы изменяется одновременно.
Для получения возможности измерения параметров тепловых полей по
виду термограмм в электрохимический регистратор вводят устройство, лине-
аризующее функцию D — D (U^, где 1/вх— входное напряжение регистра-
тора, так что получается зависимость D =
(k±— коэффициент преобразования).
Рис. 2.32, Импульсные характеристики электрохимической бумаги
ЭХБ-4:
J _ U = ПО В; Va = 1 м/с; 2 — V =» 110 В, V3 = 2,Б м/с! 3 — U = 90 В, V3 =
=11 м/с; 4 — U = 90 В, V3 = 2,Б м/с
Рис. 2.33. Схема электрохимического регистратора
Из технологических соображений величина 1/вх в регистраторе, задается
₽ виде кусочно-линейной функции Flt аппроксимирующей реальную функцию
F2 (рис. 2.34). Функцию F2 (1/вх) находят с учетом экспериментально опреде-
ленной нелинейной функции D = D (73) при Va = const (см. рис. 2.31, а)
и заданного значения Аппроксимирующую функцию Fi подбирают таким
образом, чтобы максимальная погрешность аппроксимации Д/тах вызывала
такую погрешность воспроизведения оптической плотности ДОтах, при кото-
рой выполнялось условие (£>max— Dmin)/h = (3...5) ADm3x (Dmax, £>mln-
максимальное и минимальное значения оптической плотности ЭХБ, h —
число различимых градаций). Чтобы избежать подгорания ЭХБ, функцию
F± ограничивают при значениях 1/вх> t/raax. Так как в процессе работы элек-
трохимического регистратора сопротивление участка цепи между пишущим
электродом (линейкой) и подвижным (барабаном) изменяется в больших пре-
делах, оконечный каскад регистратора должен работать в режиме генератора
тока при повышенном напряжении питания. Нестабильность сопротивления
регистратора вызывается различными причинами: подсыханием ЭХБ, неста-
бильностью давления электродов на нее из-за их вибрации, вызванной нерав-
номерным износом линейки, прорывом бумаги, приводящим к короткому за-
мыканию, и т. д.
В тепловизоре «Рубин-3» применено сканирование в двух направлени-
ях по синусоидальному закону плоским зеркалом на торсионном подвесе
с электромагнитным возбуждением. Электрохимический регистратор также
производит запись в двух иаправлеииях с синусоидальной коррекцией гео?
метрических искажений. При синусоидальной развертке изменяется линей*
иая скорость записи V3 электрохимического регистратора, что ведет к пара-
зитной яркостной модуляции растра (он более светлый в центре и темный по
краям). Чтобы избежать этого, корректируют амплитуду видеосигнала син-
хронно с разверткой, пропуская видеосигнал через управляемый нелиней-
ный аттенюатор, коэффициент передачи которого регулируется синусоидаль-
ным напряжением.
Реализацию линейно-кусочной функции, подобно изображенной на рис.
2.34, можно осуществить простейшим усилителем с регулируемым коэффици-
ентом усиления (рис. 2.35), который позволяет получить три участка аппрок-
симации заданной функции F2(UBX). Усилитель состоит из усилительного
каскада на транзисторе Т2 и звена нелинейной отрицательной связи иа тран-
зисторах 7\ и Ts. Значения напряжений l/j и U2 определяют точки излома
иа аппроксимирующей функции Flt а сопротивления резисторов R3, R5
Рис. 2,34. Графики зависимостей 13 от t/EX электрохимического регистратора
Рис. 2.35. Принципиальная схема усилителя электрохимического регистратора
тепловизора «Рубин-2»
и R6 — углы а1( а2 и а8. Когда падение напряжения на резисторе R5 не пре»
вышает t/x и 1/2, транзисторы 7\ и Т2 закрыты. По мере увеличения напряже-
ний до значений 1/х и U2 транзисторы Т1 и Ts открываются, в цепь эмитте-
ра Т2 включаются резисторы R3 и R6, что ведет к увеличению коэффициента
усиления каскада и к формированию необходимого вида функции А2. Сред-
ний динамический коэффициент усиления по напряжению равен 4 при работе
с бумагой ЭХБ-4, ток через которую не превышает 120 мА.
В последних моделях тепловизоров «Рубин-3» число участков аппрокси-
мации увеличено до четырех; усилитель записи построен на операционных уси-
лителях с выходным каскадом, работающим в режиме источника тока, пита-
емого повышенным напряжением.
В тепловизоре «Рубин-3» использован способ двустороннего сканирования
по синусоидальному закону, что потребовало создания электрохимического
регистратора, производящего запись также в двух направлениях при сину-
соидальной развертке.
Регистратор (рис. 2.36) содержит развертывающий барабан 6 с двумя
спиральными гребнями 5, пишущий качающийся электрод 8, ЭХБ-4,
электромагниты 3, ось 4, диск синхронизации 7 с отверстиями 9, оптоэлек-
тронную пару 1, формирователь импульсов 2. При пропускании тока между
спиральными гребнями 5 и пишущим электродом 8 на бумаге, которая протяги-
вается между барабаном 6 и электродом 8, формируются строки записи, об-
разующие растр. При этом синхронизирующие импульсы с оптоэлектронной
пары 1 в формирователе импульсов 2 преобразуются в импульсы ывых j
и t/BbIx2> подаваемые поочередно в электромагниты 3, установленные с неко-
торым зазором относительно концов электрода 8.
Использование в регистраторе импульсной электромагнитной системы
управления положением пишущего электрода обеспечивает стабильное
периодическое перемещение концов качающегося пишущего электрода на
величину шага h между строками растра и позволяет получить равномерный
по яркости растр с параллельными строками и равномерным расстоянием
между ними по всей ширине барабана (рис. 2.37).
Параметры описанных электрохимических регистраторов: плотность
ваписи 2.5...3,3 строк/мм, ширина ЭХБ 120 мм, скорость регистрации 2,5
Рис. 2.36. Схема электрохимического регистратора с записью в двух
направлениях
строки/с, скорость записи 0,3 м/с, число различимых градаций 10, толщина
пишущего электрода 0,3...0,4 мм.
Появление цифровых запоминающих устройств позволило развязать
по масштабам времени регистрирующую и приемную части тепловизора и со«
вдать унифицированный электрохимический регистратор, конструктивно вы-
полненный из двух модулей — записи и управления. Этот регистратор исполь-
зуется в тепловизорах модульного ряда «Радуга».
Для визуального наблюдения термограмм в тепловизорах кроме электри-
ческих регистраторов применяют и ВКУ с различными электронно-лучевыми
трубками, черно-белыми и цветными кинеско-
пами. С появлением цифровых запоминающих
устройств стало возможным применение стан-
дартных ВКУ, используемых в телевидении,
а также при необходимости и самих телевизо-
ров. При этом включают высокочастотный
тракт последних и подают на видеовход сигна-
лы с синхронизирующими импульсами от теп-
ловизора.
В коммутаторе 7 ВКУ тепловизора ТВ-03
(рис. 2.38) происходит временная селекция
видеосигнала; далее он разделяется на три
Рис. 2.37. Форма растра на
электрохимическом регист-
раторе сигнала, которые усиливаются и подаются на
кинескоп с размером по диагонали 25 см. Кине-
скоп позволяет получить десятицветное изображение, отображающее пере-
пад температур 2 °C при максимальном усилении видеотракта, соответству-
ющим порогу температурной чувствительности 0,2 °C. При использовании
выносного опорного излучателя его изображение можно окрасить в любой
из десяти цветов, привязанных к шкале температур Если все цвета не обеспе-
чивают передачу температур по объекту, оставшиеся области отображаются
черным цветом.
Видеоконтрольное устройство тепловизора «Радуга» обеспечивает разверт-
ку отличную от телевизионной, и, так же как АЦП этого тепловизора, имеет
две шкалы Н и L, Шкала Н имеет 10 уровней сигнала, а шкала L — 5. Пре-
дусмотрены два режима работы ВКУ: первый' режим — шкала Н черно-
белая, шкала L цветная; второй режим — шкала Н цветная, шкала L черно-
белая.
Таким образом, ВКУ имеет два основных варианта отображения инфор-
мации: 10 цветных и 5 черно-белых градаций, 10 черно-белых и 5 цветных.
Переход с одного варианта на другой осуществляется кнопкой «Инверсия».
По сигналу от кнопки цветные градации становятся яркостными, а яркост-
ные — цветными. Наличие двух режимов обеспечивает просмотр одной н той
же термограммы как в полутоновом, так и в цветном вариантах. Дополнитель-
ные варианты отображения образуются с помощью десяти кнопок шкалы
Н и пяти кнопок шкалы L.
При нажатии любой из этих кнопок происходит инверсия цвета или
градация яркости, соответствующая одному из 15 чисел цифрового кода АЦП.
Например, если выключить цветную шкалу L, а на шкале Н нажать кнопку,
Рис. 2.38. Струк-
турная схема
ВКУ тепловизо-
ра ТВ-03:
1 — синхрониза-
тор; 2— блок раз-
вертки; 3, 5 — ат-
тенюаторы; 4, 6 —
усилители; 7 —
коммутатор; 8 —
преобразователь
монохромного си-
гнала в цветной;
9, 10, 11 — усили-
тели цветности;
12 — статический
блок сведения сигналов; 13 —* отклоняющая система
то на полутоновое изображение вместо яркостной градации наложится цвет-
ная изотерма. Для выделения этой изотермы можно ' использовать режим пре-
рывистого ее появления. Для этого предусмотрена специальная кнопка.
Нажимай остальные 9 кнопок, можно постепенно перейти от черно-белого
изображения шкалы Н к цветному. Аналогичные режимы можно получить со
шкалой L или с общими шкалами одновременно. В этом случае, когда требуется
упростить изображение, можно нажатием специальной кнопки добиться гаше-
ния шкал Н и L. При нажатии кнопок шкал Н и L происходит прерывистое или
постоянное гашение градации цвета или яркости, соответствующее выбран-
ной кнопке.
Все эти функции позволяют, кроме получения дополнительных режимов
отображения информации, эффективно выделить изотермы объекта, а по цве-
ту или яркости определить температуру участков объекта [99].
Глава 3
ТЕПЛОВИЗОРЫ С ЭЛЕКТРОННЫМ СКАНИРОВАНИЕМ
9. ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА РАЗВЕРТКИ
И ТРАЕКТОРИИ СКАНИРОВАНИЯ
Злектронная развертка заключается в периодическом движении элек-
тронного луча электронно-лучевой трубки по ее теплочувствительной
мишени, потенциальный рельеф которой соответствует яркости оптического
изображения наблюдаемого объекта. При этом потенциал элементарной пло-
щадки мишени, на которой в данный момент находится луч, преобразуется
в электрический импульс. Совокупность импульсов, пропорциональных
энергетической яркости элементов изображения наблюдаемого объекта, обра-
зует сигнал изображения или видеосигнал.
В телевизионной автоматике применяются различные типы разверток:
строчная, радиальная, спиральная, синусоидальная, розеточная и др. Для
правильного воспроизведения оптического изображения движение элек-
тронного луча должно происходить с постоянной скоростью, что диктуется
необходимостью получения одинаковой четкости по всему полю, обегаемо-
му лучом
При использовании строчной развертки с прямоугольным кадром раз-
вертка всей площади мишени передающей телевизионной трубки образует-
ся в результате движения луча по двум взаимно перпендикулярным направ-
лениям: по горизонтали — вдоль оси х и по вертикали — вдоль оси у (рис.
3.1). Прочерчиваемые лучом параллельные линии (при движении вдоль оси х)
называются строками; при движении электронного луча вдоль оси у все
строки располагаются одна под другой, образуя так называемый телевизи-
Рис. 3.1. Схема образо-
вания телевизионного
растра
онный растр.
Движение луча от начала к концу строки
образует прямой ход луча', для подготовки к раз-
вертке следующей строки необходим обратный
ход луча, т. е. его возвращение от конца преды-
дущей строки к началу следующей.
Аналогично строчной развертке производится
кадровая развертка — перемещение электронного
луча по вертикали (вдоль оси у.) Кадровая раз-
вертка также имеет прямой и обратный ходы.
Во время обратного хода луча передача изобра-
жения не производится и это время желательно
иметь малым. Практически время обратного хода
луча при строчной и кадровой развертках состав-
ляет 10...12 % от периода строки и 7...8 % от пе-
риода кадра соответственно.
Параметрами электронной развертки являются: время прямого т1х и об-
ратного т2д. ходов луча при строчной развертке; период строчной развертки
^х~ г1х + т2х; время прямого т14, и обратного tzy ходов луча при кадровой
развертке; период кадровой развертки Ху — тху + х2у; число строк в кадре z;
частота кадровой fy и строчной fx= zfy разверток; коэффициент формата
кадра ф = b/h (отношение длины строки к высоте растра) (см. рис. 3.1).
Эти параметр^! выбирают в соответствии с особенностями зрительного вос-
приятия и требуемым качеством изображения.
Для определения требуемой полосы пропускания Д/ усилителей необ-
ходимо знать верхнюю /в и нижнюю /н граничные частоты видеосигнала;
очевидно, Д/ = fB— fH. Нижияя граничная частота видеосигнала соответ-
ствует неподвижному объекту, состоящему из двух деталей с различной
интенсивностью теплового излучения и горизонтальной границей раздела.
В этом случае период повторения видеосигнала равен периоду кадровой
развертки, и fH = f
Верхняя граничная частота определяется максимально разрешаемым
числом элементов в кадре: N = фг2.
При развертке изображения объекта в виде шахматной доски видеосигнал
представляет серию прямоугольных импульсов, следующих с частотой fB =
= Фг2/д/2-
Поскольку fB f принимают Д/ ~ fB. Так, например, при мгновенном
угле зрения оптической системы умгн = 5', угла^ зрения по вертикали и гори-
зонтали у у = 6° и уг = 12°, частоте кадров /^=15, г = Уу/умгн — 72, ф =
“ Vz/Vy = 2
/в = У №у = 4 • 2 • 722 • 15 « 78 кГц.
Уровень видеосигнала, соответствующий минимальному значению яр-
кости передаваемого изображения, называется уровнем черного', уровень, со-
ответствующий максимальному значению яркости — уровнем белого. Все
остальные значения видеосигнала располагаются между этими уровнями.
Для того чтобы обратные ходы разверток не были заметны на изображении,
в видеосигнал во время обратных ходов вводят строчные и кадровые гасящие
прямоугольные импульсы, длительность которых соответствует длительности
обратных ходов строчной и кадровой разверток.
Синхронность и спнфазиость разверток изображения в передающей и при-
емной камерах осуществляется с помощью строчных и кадровых синхрони-
зирующих импульсов, подмешиваемых к видеосигналу. Чтобы не мешать пе-
редаче изображения, синхронизирующие импульсы располагаются на вер-
1пинах гасящих импульсов.
10. ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ПЕРЕДАЮЩИЕ ТРУБКИ,
ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ В ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА
Видиконы. В последние годы разработано много новых типов телеви-
вионных передающих трубок, чувствительных к излучению в инфракрасной
области спектра. Большая часть из них имеет однотипную схему устройства,
аналогичную видикону, и отличается только конструкцией и материалом
мишени. Особую группу образуют трубки с пироэлектрической мишенью
(пириконы), чувствительные к инфракрасному излучению в диапазоне длин
волн 8...14 мкм. Их применяют в тепловизорах, предназначенных для наблю-
дения слабо нагретых объектов.
Область спектральной чувствительности обычных видиконов зависит
от свойств применяемого материала мишени, который выбирают в зависимости
от назначения прибора. Для хорошего накопительного действия слоя его
удельная проводимость должна быть порядка 10-п Ом-1 • см-1. Это условие
является тяжелым для слоя, чувствительного к инфракрасным лучам, так
как его проводимость и длинноволновая граница чувствительности связаны
между собой и определяюся через энергию перехода ДЕ1: чем меньше ДЕ,
тем больше проводимость и длинноволновая граница. Расширение спектраль-
ной области чувствительности
видикона можно получить с по-
мощью слоя зернистой струк-
туры, запорного слоя, или вве-
дением низкоомного материала,
чувствительного к инфракрас-
ному излучению.
Основными элементами ви-
дикона являются монокристал-
лическая полупроводящая мн- /?НГ1 Рис. 3.2. Устройство видикона
тень 3 (рис. 3.2) и электрон- U с монокристаллической полу-
иый прожектор. Мишень преоб- А+- проводящей мишенью
разует оптическое изображе-
ние, сфокусированное объективом 1, в электрические сигналы, прожектор
создает коммутирующий луч.
Мишень видикона представляет собой тонкий слой (1...20 мкм) высоко-
омного фотопроводника, нанесенного на проводящую подложку. Удельное
сопротивление фотопроводника подобрано таким образом, чтобы на мишени
потенциальный рельеф эффективно накапливался в течение всего кадра. Ос-
новным материалом для мишени в течение длительного времени служит суль-
фид сурьмы. Применяются также селен и сложные соединения, содержащие
сурьму, серу, селен, мышьяк. Излучение наблюдаемого объекта попадает
иа мишень через входное окно 2.
Во время работы видикона мишень заряжается электронным лучом, по-
перечное сечение которого примерно в 106 раз меньше его площади. Зарядка
Отдельных участков мишени производитси последовательно, по мере того, как
луч строку за строкой прочерчивает мишень. Время, за которое заряжается
вся рабочая поверхность мишени (растр), называется временем кадра. Заряд-
ка участка, сравнимого по площади с поперечным сечением луча, длится около
Поступление электронов из луча на мишень вызывает появление такого
же по значению тока во внешней цепи сигнальной пластины. Разность между
токами, протекающими в цепи сигнальной пластины, в те моменты, когда луч
находится на темном и светлом участках, образует сигнал. Процесс после-
довательной зарядки отдельных участков мишеии движущимся электронным
лучом носит, название считывания или коммутации.
Формирование электронного луча и управление его движением осуще-
ствляется прожектором и одеваемой на баллон 6 видикона фокусирующе-
отклоняющей системой (ФОС). Прожектор видикона состоит из термокатода
13 (см. рис. 3.2), эмитирующего электроны; расположенного около него мо-
дулятора 12, который имеет отрицательный потенциал и за счет этого управ-
ляет значением тока, отбираемого от катода; первого анода 10, находящего-
ся под положительным потенциалом и создающего необходимое ускоряющее
поле для ухода электронов с катода. В первом аноде имеется вырезывающая
(апертурная) диафрагма, диаметр отверстия которой соизмерим с диаметром
луча у мишени. Потенциал второго анода 9 (1/а2) обычно близок к потенциалу
первого анода (1/а1), поэтому линза,. образующаяся между анодами, су-
щественной роли в фокусировке электронного пучка не играет. Второй анод
создает эквипотенциальную область, в которой производится отклонение лу-
ча, и является коллектором вторичных электронов с мишени. Потенциалы
первого и второго анодов составляют обычно 280...350 В. Третий анод 8 закан-
чивается мелкозернистой сеткой. Значения потенциалов сигнальной пластины
4 Uc находятся в интервалах Uc = 0...100 В и t/c= 100 В...Па2. В первом слу-
чае при коммутации потенциал поверхности мишени понижается, стремясь
приблизиться к потенциалу катода. Такой режим работы видикона называется
режимом с разверткой медленными электронами (или режим отрицатель-
ной зарядки). При втором режиме потенциал поверхности мишени повышает-
ся, стремясь приблизиться к потенциалу второго анода. Такой режим ра-
боты называется режимом с разверткой быстрыми электронами (нли режим
положительной зарядки). Для работы в режиме медленных электронов второй
анод на стороне, обращенной к мишени, обычно имеет мелкоструктурную
сетку, создающую перед мишенью однородное электрическое поле.
Фокусирующе-отклоняющая система включает в себя несколько кату-
шек: фокусирующую 5, группу отклоняющих 7 — одна пара создает откло-
нение по горизонтали (по строкам), вторая .— по вертикали (по кадру).
Кроме того, ФОС содержит корректирующие катушки 11 — для направле-
ния луча параллельно оси трубки (для исправления возможных недостатков:
сборки прибора).
Видиконы с электростатическими фокусировкой и отклонением луча
не имеют внешних ФОС. Наличие ФОС резко увеличивает массу, габаритные
размеры и мощность, потребляемую телевизионной камерой. В видиконе
с электростатической фокусировкой этот недостаток передающих камер
устранен. Фокусировка электронного луча в таких видиконах осуществляется
электростатической линзой. Она представляет собой три (или четыре) со-
осных цилиндрических электрода, один из которых имеет переменный по-
тенциал; варьируя этот потенциал, можно добиться хорошей фокусировки.
Недостаток видиконов с электростатической фокусировкой — необходи-
мость уменьшения отверстия апертурной диафрагмы для получения требу-
емой разрешающей способности прибора.
Существует два типа комбинированных видиконов. Первый тип — ви-
дикон (ЕН) с электростатической фокусировкой и магнитным отклонением
луча имеет все преимущества видикона с электростатической фокусировкой.
По сравнению с обычными видиконами в этой конструкции имеется выигрыш
по габаритам, массе и потребляемой мощности.
Второй тип комбинированных видиконов (НЕ) имеет электростатическое
отклонение луча в магнитном фокусирующем поле. Трубки этого класса
также имеют все преимущества видиконов с электростатическим отклонением,
хотя (ввиду того, что отклонение производится в области, где действует
фокусирующее поле) напряжение отклонения велико, т. е. примерно такое
х е, как у магнитного видикона. Однако в таких видиконах разрешающая
? способность выше, чем в видиконах с магнитным отклонением луча, а равно-
мерность фокусировки по полю изображения значительно лучше. Ортого-
нальность траекторий движения отклоненных электронов к мишени обеспе-
чивает хорошую равномерность сигнала по полю изображения. Из-за нали-
чия внешней фокусирующей катушки габариты, масса и потребляемая мощ-
’ ность почти такие же, как у магнитного видикона.
На рис. 3.3 изображены спектральные характеристики двух совре-
менных отечественных видиконов с мишенями из трехсернистой сурьмы,
и с диодно-мозаичной кремниевой. Последняя выполнена на основе пласти-
ны кремния с проводимостью n-типа, в которой легированием в парах бора
созданы островки с проводимостью p-типа. Запорная зона, возникающая
I между ними, создает высокое сопротивление разрядке мишени. Сам кремний-
низкоомен (р «г 10“г...10 Ом • см), поэтому во избежание проводимости вдоль,
мишени, p-участок имеет мозаичную структуру. В мишени на площади 1 см2'
образовано более 5 • 105 отдельных р -участков. Чтобы электронный луч не
Рис. 3.3. Спектральные характеристики видиконов с мишенью из
трехсернистой сурьмы (а) и с диодно-мозаичной кремниевой (б)
заряжал поверхность мишени между p-участками, они имеют выступы в ви-
де грибков, либо полупроводящее покрытие на этих участках. Благодарят
использованию эффективного низкоомного фотопроводника трубка имеет
высокую чувствительность и малую инерционность, что достигается малой
инерционностью фотоэффекта и небольшой емкостью самой мишени. Запор-
ный контакт обеспечивает малые темновые токи [39, 40].
Одна из конструкции видикона иностранного производства (с длин-
новолновой границей чувствительности около 2,5 мкм) изображена на рис..
3.4. Мишень изготовлена из монокристалла германия. Для того чтобы слой
не-разрушался электронным лучом, сканирование осуществляется медленны-
ми электронами. Равномерное тормозящее поле перед мишенью обеспечива-
ется с помощью сетки. Мишень охлаждается продуктами испарения жидкого-
азота, непрерывно поступающего в трубопровод из сосуда Дьюара. Темпера-
тура мишени 78 К поддерживается при расходе жидкого азота 30 см3/ч.
Для устранения термических напряжений все детали системы охлажде-
ния, детали, соединенные сваркой, изготовлены из одного металла.
Эффективное считывание теплового изображения объекта на мишени-
(при скорости развертки 50 кадров/с) оказалось возможным при высоком зна-
чении электронного тока луча (2,5 мкА). Последнее обусловило конструкцию
электронного прожектора со сравнительно большими отверстиями в модуля-
торе и электроде, благодаря чему используется значительная часть эмити-
рующей поверхности катода.
Излучение, создаваемое накаленным катодом, может привести к засвет-
.ке мишени. Для устранения этого явления ось электронно-оптической систе-
мы наклонена относительно геометрической оси трубки на угол 4 , так что-
световые лучи катода не попадают на мишень; «выпрямление» электронного
луча производят поперечным магнитным полем, а его фокусировку перед
мишенью — аксиальным магнитным полем.
Крутизна характеристики трубки 1,9 мкА/B при токе луча 5,7 мкА
и напряжении на мишени 5 В.^При относительном отверстии объектива 1 : 4,5
с помощью трубки различаются объекты с температурой поверхности 180 °C;
для объектива с относительным отверстием 1 : 1,5 пороговая температура
-снижается до 150 °C. При меньшей температуре трубка может различать
только подсвечиваемые объекты [39, 40].
В нашей стране разработан видикон с монокристаллической полупровод-
никовой мишенью для работы в спектральной области до 4 мкм. При испыта-
Рис. 3.4. Видикон с мишенью из монокристал-
ла германия:
1 — модулятор; 2 — коллимирующая камера; 3— све
тобой луч накаленного катода; 4 — замедляющая
сетка; 5—вывод видеосигнала; 6 — трубопроводы
с расширенными соплами для подачи жидкого азота;
7 —входное окно; 8 — контур охлаждения; 9— ми-
гаень; 10 — электронный луч: 11 — электронно-оптиче-
ская система;12 — катод
нии трубки получены телевизионные изображения объектов, нагретых до
температуры 125 °C и выше. Пороговая облученность при этой температуре
1 10-6 Вт/см2, получаемое изображение практически безынерционно [39, 40].
Для увеличения длинноволновой границы чувствительности видикона
применяют мишени на основе InAs (рис- 3.5,а). Здесь «-область обращена
к наблюдаемому теплоизлучающему объекту; p-область обегает развертыва-
ющий электронный луч. Максимум спектральной характеристики видикона
(рис. 2.5, б) приходится на длину волны % = 3,25 мкм [39].
Рис. 3.5. Схема мишени на ос-
нове InAs (с) и спектральная
характеристика видикона (б):
1 — падающее тепловое излучение?
2 — п+-область; 3 — п-область; 4 —
сканирующий электронный луч; 5 —•
р-область
В видиконах обычных конструкций мишень выполняют из тонких полу-
проводниковых пленок, чувствительных к механическим нагрузкам, вслед-
ствие чего долговечность этих трубок невелика. Новейшие разработки види-
конов связаны с применением мишени в виде диодной матрицы, отличающей-
ся высокой прочностью и большой чувствительностью. Созданию таких
видиконов способствовали достигнутые успехи в технологии производства
планарных кремниевых полупроводниковых структур. Мозаика кремниевых
фотодиодов имеет толщину порядка 0,05...0,1 мм.
3
5 6' 7
Параметры видиконов с мишенью , в виде мозаики кремниевых диодов:
число фотодиодов на площади 15,7 X 12,2 мм2 468 тыс., диаметр каждого
диода 7,5...8,0 мкм, расстояние между центрами двух соседних диодов 20 мкм;
максимальная чувствительность соответствует длине волны 0,9 мкм и при-
мерно в 20 раз больше, чем у обычного видикона. Последнее объясняется тем,
что квантовый выход монокристаллического кремния значительно больше*
чем у полупроводниковых плеиок с множеством центров рекомбинации [39jZ
Голландской фирмой «Филипс» разработан видикон с мишенью, сформи-
рованной из 480 тысяч кремниевых диодов. Диаметр каждого из них 8 мкм,
расстояние между двумя соседними диодами 20 мкм. Видикон отличается вы-
сокой чувствительностью в красной и инфракрасной областях спектра. По.
данным фирмы новая трубка пока не пригодна для применения в телевизи-
онных камерах из-за чрезмерной зависимости темнового тока от температу-
ры, однако ее можно использовать в приборах ночного видения и в диагно-
стической аппаратуре [39].
При использовании види-
конов в тепловизорах возни-
кает две основные проблемы.
Первая проблема связана с вы-
соким уровнем потоков излуче-
ния от наземного фона в дале-
кой инфракрасной области
спектра, что приводит к насы-
щению мишеней, генерирую-
щих заряды и к обеднению
электронами считывающих пуч-
ков.’ Это означает, что передаю-
щие камеры с полупроводнико-
выми мишенями могут успешно
работать только на холодном
фоне, например на фоне кос-
моса. Вторая проблема состоит
Рис. 3.6. Схема конструкции,
термикона:
1 — отражающее зеркало; 2 — пада -
ющее излучение; 3 — входное окно;
4 — холодильник; 5 — чувствитель-
ный элемент; 6— корпус (диаметр.-
85, длина 285 мм); 7 — фотоумножи-
тель; 8 — выходной сигнал; 9 — ки-
нескоп, создающий бегущий световой луч; 10 —
фильтр, поглощающий тепловое излучение; 11 —
объектив
<//
Ю
9
в том, что во избежание пара-
витной модуляции необходимо иметь очень высокую однородность чувстви-
тельности мишени видикона. На основе видиконов созданы тепловизиониые-
системы для наблюдения сильно нагретых объектов.
Терминов и фильтерскан. Основной деталью телевизионной передаю-
щей трубки термикон [39] является чувствительный элемент в виде тонкой'
прозрачной пленки, покрытой с одной стороны веществом, поглощающим теп-
ловое излучение, а с другой — фотоэмиттером, чувствительным к изменению-
температуры (рис. 3.6).
Малая инерционность ЧЭ достигнута уменьшением его теплоемкости
и толщины составляющих компонентов. В качестве основы выбрана пленка
из S1O толщиной 5 нм или из А12О3 толщиной 20 нм. Поглощающий слой на-
носят напылением в вакууме золота или серебра на толщину (10...20) нм.
Коэффициент поглощения такого слоя примерно одинаков в диапазоне длин-
волн 3...15 мкм. Толщина фотослоя, нанесенного на пленку с противополож-
ной стороны, составляет 40 нм, диаметр ЧЭ 30 мм, суммарная толщина —
50...70 нм, что обеспечивает постоянную времени около 30 мс. Висмуто-це-
зиевые и висмуто-рубидиевые слои наносят на подслой из окиси олова. В ди-
апазоне температур 150...170 К температурный коэффициент фототока этих,
слоев достигает 0,05...0,07 А • К-1.
Для тепловой изоляции ЧЭ в корпусе создан глубокий вакуум, необхо-
1димый также для нормальной работы фотоумножителя. Поле зрения ограни-
чивается диафрагмой, охлаждаемой жидким азотом, которая задерживает
излучение от стенок трубки и одновременно охлаждает ЧЭ.
Входное окно, через которое проходит излучение от рассматриваемого-
объекта, изготовлено из кристалла BaF2,прозрачного для инфракрасных лучей
с длиной волны до 15... 16 мкм. Во избежание растрескивания кристалла при
охлаждении корпуса прибора кристалл приваривают к корпусу через пере-
ходное кольцо из хлористого серебра — эластичного и прочного материала.
, Объективом проецируются на ЧЭ изображения наблюдаемого объекта
эд светящегося пятна, движущегося по экрану электронно-лучевой трубки
по заданному закону. В отклоняющие катушки трубки ток поступает от ге-
нератора развертки. В зависимости от положения светящегося пятна на
ЧЭ и распределения температуры по его поверхности количество эмитиру-
емых электронов и выходной сигнал изменяются на 2...3 % на каждый гра-
.дус изменения температуры. Выходной сигнал подается на модулирующий
электрод индикатора, на экране которого получается изображение теплоиз-
лучающего объекта.
Максимальная разрешающая способность термикона 50 линий на всю
картину при регулируемом температурном перепаде ДТ = 1° [63].
Трубка фильтерскан, изобретенная в 1959 г. [39], состоит из конической
я цилиндрической частей, оси которых расположены под углом (рис. 3.7).
Инфракрасное изображение наблюдаемого объекта фокусируется объекти-
вом 1 на силиконовое входное окно 2 конической части трубки 3. Прошедшее
через окно излучение выходит через вы-
ходное окно 4, прозрачное для инфра-
красных лучей, и фокусируется с помо-
щью зеркально-линзового -объектива 6
на ЧЭ внешнего приемника излучения 5.
В цилиндрической части трубки раз-
мещен электронный прожектор 7, фо-
кусирующие и отклоняющие катуш-
ки 8. Электронный луч 9 направлен на
внутреннюю поверхность полупроводни-
кового (силиконового) окна. В точке,
где сфокусированный электронный луч
попадает в окно, образуются свободные
носители в полупроводнике, увеличи-
вающие его проводимость, вследствие
чего появляется небольшое непрозрачное пятно.
Отклоняющая система прожектора заставляет электронный луч и со-
здаваемое им пятно перемещаться по полупроводниковому окну, образуя растр.
Так как энергия, поглощаемая бегущим пятном, определяется яркостью
закрываемого им участка инфракрасного изображения наблюдаемого объек-
та, выходной сигнал ПИ зависит от изменения яркости по площади изобра-
жения. Подавая этот сигнал на приемный кинескоп, развертка которого син-
хронизирована с движением электронного луча, воспроизводят визуальное
(негативное) изображение объекта.
Трубка фильтерскан имеет следующие параметры: площадь бланки-
•рующего пятна 3,1 • 10~4 см2, площадь входного окна 2,24 см2, площадь
ЧЭ 0,1 см2.
’Рис. 3.7. Схема конструкции филь-
терскана
Пириконы. Наибольшую перспективу использования в тепловизорах
•с электронным сканированием имеют телевизионные трубки с пироэлектри-
ческой мишенью (пириконы). Интенсивное развитие этих новых электронно-
лучевых приборов объясняется многолетним стремлением создать сканирую-
щий преобразователь изображения для наблюдения объектов в инфракрас-
ной области спектра по их собственному излучению.
Принцип действия пирикона аналогичен принципу действия обычного
видикона. Изменение температуры, вызванное инфракрасным изображением
«а пироэлектрической мишени, создает соответствующее распределение по-
тенциала, которое считывается сканирующим электронным лучом. Выход-
ной сигнал представляет собой переменное по времени напряжение на нагруз-
ке пирикона, которое после усиления подается на управляющий электрод
электронно-лучевой трубки. Так как мишень более чувствительна к темпера-
турным эффектам, чем к квантовым, она восприимчива к излучению любой
длины волны, которое пропускается входной оптической системой и про-
ецируется на мишень. При этом охлаждения мишени не требуется, что явля-
ется главным преимуществом пирикона по сравнению с другими телевизион-
ными передающими трубками, предназначенными для работы в инфракрас-
ной области спектра.
Схема пирикона (рис. 3.8) аналогична схеме видикона с тем различием,
что входное окно выполнено из материала, прозрачного для инфракрасного-
излучения, а мишень обладает пироэлектрическим эффектом. Тепловое из-
лучение наблюдаемого объекта фокусируется объективом передающей ка-
меры на пироэлектрическую мишень и формирует на ее лицевой поверхности
температурный рельеф, который в свою очередь наводит на этой поверхности
электрические заряды. Потенциальный рельеф, возникающий на задней по-
верхности мишени, отображает тепловое изображение объекта.
Отдельные участки мишени во время работы пирикона заряжаются элек-
тронным лучом (пучком), площадь поперечного сечения которого в 106...10а
раз меньше площади мишени. Движущийся электронный луч производит
считывание мишени и сглаживание потенциального рельефа.
Ток, поступающий на мишень, зависит от ее потенциала. Поступление-
электронов из луча на мишень вызывает соответствующее изменение тока
во внешней цепи сигнальной пластины. Разность токов, протекающих по этой,
цепи в те моменты, когда луч на-
ходится на нагретом и на ненагре-
том участках пироэлектрической
мишени, образует видеосигнал.
Рис. 3.8. Схема пирикона.
1 — входное окно; 2 — нова ров ое коль-
цо; 3 — сигнальный электрод; 4 — пиро-
электрическая мише! ь; 5, 6, 7—катушки
фокусировки, развертки и корректиров-
ки; в — стеклянный баллон; 9 — управ-
ляющий электрод (модулятор); 10 — ка-
тод; 11— вольфрамовая нить; 12 13, 14—
первый, второй и третий аиоды; 15 —
выходной сигнал
Формирование считывающего электронного луча и его предварительная
фокусировка осушествляются электронным прожектором, состоящим из то-
чечного термоэмиссионного катода, анода с малым отверстием и фокусирую-
щего электрода с большими отверстиями в диафрагме.
Модулятор (управляющий электрод) имеет отрицательный относительно-
катода потенциал, за счет чего управляет током, отбираемым от катода
и первого анода, имеющего положительный относительно катода потенциал
и создающего ускоряющее поле для ухода электронов с катода.
В первом аноде находится апертурная диафрагма, диаметр отверстия!
которой соизмерим с диаметром луча у мишени. Потенциалы первого и вто-
рого анодов 300 В. Фокусировка и отклонение электронного луча произво-
дятся магнитным полем, создаваемым фокусирующе-отклоняющей системой..
Для работы в режиме медленных электронов (характерном для современ-
ных пириконов) перед мишенью располагают мелкоструктурную сетку,.
создающую однородное электрическое поле. Сетка электрически изолирована
от второго анода, имеет потенциал, в 1,5...2 раза превышающий потенциал'
этого анода, и является коллектором вторичных электронов мишени. При
коммутации быстрыми электронами роль коллектора выполняет второй
анод.
Пириконы собирают в стеклянном баллоне диаметром около 25 мм и дли-
ной 150...170 мм. В передней части баллона находится входное окно, которое-
выполняют обычно из просветленного германия толщиной 2 мм. Окно имеет
максимальное пропускание излучения в спектральном диапазоне длин волн
8... 14 мкм, соответствующем «окну прозрачности» атмосферы. Коэффициент
отражения в указанном диапазоне не превышает 5 %. ;
Пироэлектрические мишени спектрально неселективны, поэтому рабочий
диапазон спектральной чувствительности пирикона полностью определяет-
ся материалом входного окна. Мишень является ЧЭ пирикона, определяющим
его основные параметры. Материалы, применяемые для изготовления мише-
ней: триглицинсульфат (ТГС), дейтерированный триглицинсульфат (ДТГС)
и триглицинфторбериллат (ТГФБ).
Для уменьшения температуропроводности, присущей любой кристалли-
ческой мишени и ограничивающей эксплуатационные показатели пириконов,
•изготовляют структурированные ТГС-мишени (рис. 3.9). На основе таких
•мишеней созданы пириконы с высоким качеством изображения. Однако чув-
ствительность их составляет примерно 65 % чувствительности пириконов
•с монокристаллической ТГС-мишенью толщиной 30 мкм. Различия в чувстви-
тельности объясниются эффектами отражения от подложки и прохождения
излучения через протравленные участки, окружающие элементы мозаики
из ТГС.
Для защиты сканируемой поверхности мишени от эрозии ионами, гене-
рируемыми электронным лучом, ее покрывают слоем диэлектрического ма-
териала, стойкого к электронному облучению (BaF2, SiO2, А12О3, MgF2, или
Рис. 3.9. Структурированные (мозаичные) мишени с прямоуголь-
ными (а) и треугольными (б) канавками:
1 — триглицинсульфат; 2 — слой .оксида; 3 — сигнальный электрод; 4 — под-
держивающая пленка; 5 — подложка из сернистого мышьяка (все размеры
даны в микрометрах)
Рис. 3.10. Структура (а) н тыльная часть (б) мишени из полимер-
ной пленки PVF2:
1 — падающее тепловое излучение; 2— тепло поглощающий слой; 5*— пленка;
4— металлическая полоска толщиной 0,1 мкм; 5 — высокоомное покрытие;
6 — сканирующий электронный луч; 7 — соединительная шина (все размеры
даны в микрометрах)
КС1). Переднюю поверхность мишени покрывают тонким слоем золотой чер-
ни, электрически соединенным с предварительным усилителем.
У всех перечисленных выше сегнетоэлектриков максимальное значение
пироэлектрического коэффициента имеет место только в таком состоянии,
когда домены всей площади мишени имеют одинаковую направленность. Мо-
нодоменное состояние сегнетоэлектрика (монодоменизация) достигается
воздействием постоянного электрического поля.
В пириконах применяют также керамические мишени, изготовленные на
основе титаната бария н твердых растворов цирконата-титаната свинца.
Распространение пироэлектрической керамики обусловлено ее низкой сто-
имостью, возможностью получения рабочих тел большой площади, малой
толщины и разнообразной формы при воспроизводимости электрических
свойств. К разряду перспективных поликристаллических материалов отно-
сится керамика на основе твердых растворов метаниобата свинца PbNb2O6.
Приближаясь по своим параметрам к керамике системы Pb(Zr, Ti)O3, эти
материалы выгодно отличаются стабильностью свойств и менее критичны
и отклонениям технологических режимов.
Кроме того, мишени изготовляют из органических полимерных пироэлек-
триков на основе фторированного поливинила PVF2. На лицевую поверхность
пленки из этого материала наносят теплопоглощающий слой (чернь висмута)
толщиной 2 мкм (рис. 3.10). Термодиффузионная постоянная времени тако-
го слоя 0,5 мс на воздухе и 0,9 мс в вакууме, что существенно меньше дли-
тельности одного кадра и обеспечивает формирование теплового рельефа на
мишени при стандартном режиме разложения. Сканируемую (тыльную}
часть мишеня покрывают высокоомным материалом — смесью As2Ses и Те.
Мишень пирикона монтируют в поддерживающем металлическом кольце
на расстоянии 1...1.5 мм от входного окна или механически прикрепляют
к окну.
В отличие от других типов мишеней видиконов изменения температуры
пироэлектрической мишенн вызывают как положительные (нагревание),
так и отрицательные (остывание) заряды на ее поверхности. При сканировании
электронный пучок встречает накопленный рельеф из связанных электронов,
и из пучка на мишень оседают свободные заряды, которые не суммируются со
связанными, а лишь доводят общий заряд каждого элемента мишени до еди-
ного уровня.
Так как материалы, используемые в качестве мишеней, являются хоро-
шими изоляторами (удельное сопротивление достигает 101Б Ом • см), сво-
бодные заряды суммируются от кадра к кадру, что в конце концов приводит
к запиранию пирикона. Единственным средством борьбы с таким явлением
оказалось формирование пьедестала — положительного потенциала смеще-
ния мишени, которое осуществляет в каждом кадре принудительную разрядку
поверхности мишени, т. е. нейтрализацию свободных зарядов. В обычных
видиконах образования пьедестала не требуется, так как на фотопроводящнх
мишенях рельеф создается в форме свободных зарядов, с которыми суммиру-
ются заряды из электронного пучка. Это приводит к нивелированию всякого
зарядного рельефа.
Известно несколько способов создания на мишенн требуемого потенци-
ала. Европейские фирмы практикуют образование пьедестала из ионного
тока, для чего при изготовлении пирикона в колбу вводят под давлением
около 10~7 Па инертный газ или выделяют определенное количество водорода
накаливанием специального источника во время работы трубки.
В США используется метод создания пьедестала, основанный на вторич-
ной электронной эмиссии сканируемой поверхности пироэлектрической ми-
шени. Возбуждаемый на мишени вторичный ток (ток пьедестала) нейтрализу-
ет отрицательный заряд на ее поверхности.
Формирование пьедестала осуществляется переводом пирикона на время
каждого обратного хода строчной развертки в режим быстрых электронов
повышением разности потенциалов между катодом прожектора и мишенью
с одновременным увеличением тока луча, в результате чего поверхность мише-
ни доводится до равновесного потенциала. Недостатком этого метода является
значительная неравномерность фона, обусловленная перераспределением вто-
ричных электронов, и коэффициента вторичной эмиссии электронов по полю
мишени.
При наличии теплового, изображения ток, несущий информацию о сигна-
ле, равен сумме токов пьедестала и тока, вызванного изменением температу-
ры пироэлектрической мишени. В отсутствие теплового йзображення пучок
электронов, облучающий мишень, снижает ее потенциал до значения потен-
циала пьедестала.
Пироэлектрический материал чувствителен лишь к изменению темпера-
туры, поэтому инфракрасное изображение теплоизлучающего объекта, вы-
зывающее изменение температуры мишени, должно меняться во времени.
Если объект движется илн излучение, падающее на мишень, каким-либо
образом модулируется, преобразование теплового изображения объекта в ви-
димое не вызывает затруднений. При наблюдении неподвижных теплоизлуча-
ющих объектов со стационарным тепловым режимом необходима искусствен-
ная модуляция падающего на мишень излучения, которая может осуществлять-
ся двумя способами: 1) движением изображения относительно мншени путем
панорамирования камерой или перемещения объектива; 2) прерыванием па-
дающего излучения секторным диском или подобным ему устройством (моду-
лятором).
Первый из этих способов применялся в ранних образцах систем теплови-
дения с пириконами. Он обладал тем недостатком, что изображение объекта
на ТВ-мониторе двигалось и требовалось специальное устройство электрон-
ной компенсации для стабилизации этого изображения. Но даже при наличии
t
Рис. 3.11. Реакция пири-
кона на ступенчатый теп-
ловой импульс
такого устройства изображение смазывалось и, кроме того, собственные шумы
пирикона возрастали за счет неоднородностей материала мишени.
В большинстве выпускаемых в настоящее время тепловизионных камер
используется второй способ модуляции — прерывание падающего на мишень
излучения. Трудность реализации этого способа состоит в том, что необрабо-
танный выходной сигнал пирикона имеет переменную полярность. Когда
модулятор «открыт», темные участки объекта нагревают соответствующие
участки мишени и вырабатывается сигнал определенной полярности; при
«закрытом» модуляторе эти участки охлаждаются, так как излучение объек-
та не попадает на мишень, в результате чего вырабатывается сигнал той же
формы, но противоположной полярности.
При наблюдении объекта на экране позитивные и негативные изображе-
ния объекта будут попеременно воспроизводиться синхронно с вращением
модулятора. Наблюдение такого изображения чрезвычайно затруднено. Для
устранения этого явления можно было бы «отсекать» негативное изображение
и воспроизводить только позитивное изображение. Однако при наблюдении
такого прерывистого изображения замечается его
^.Uc мерцание. Поэтому негативное изображение ин-
вертируют синхронно с работой модулятора и по-
следующим согласованием черных уровней пози-
тивного и негативного изображений.
Так как пироэлектрический эффект возникает
в результате ориентации электрических диполей
внутри материала вдоль оси поляризации, макси-
мальный эффект мишени обеспечивается при ори-
ентации всех диполей в одном и том же на-
правлении. Такая ориентация достигается моно-
доменизацией— процессом, происходящим при со-
здании мощного постоянного электрического поля
IO4...!!)5 В /см поперек кристалла. Если непредвиденного перегрева мишени
нет или перерыв в работе передающей камеры составлял лишь несколько
минут,, монодоменизация не требуется.
Образование выходного сигнала при считывании потенциального релье-
фа в пирикоие ничем не отличается от механизма считывания в обычных пе-
редающих телевизионных трубках. При считывании потенциального релье-
фа мишени электронным лучом и модуляции падающего излучения возникают
сигналы разной полярности. Пирикон дифференцирует величину падающего
потока излучения. Реакция трубки на ступенчатый тепловой импульс в ма-
локадровом режиме работы иллюстрируется рис. 3.11, где Ф — поток излу-
чения; Tw—температура мишеии; £/с— выходной сигнал.
Отдельные процессы формирования видеосигнала при наблюдении
ционарных теплоизлучающих объектов состоят в следующем.
исходная равномерная поляризация мишени (монодоменизация;, у
ществляемая автоматически — оператору достаточно нажать на
подогрев мишени до определенной температуры (несколько и
ратуры Кюри) и поддержание ее в пределах ±5 С. Это необходимо Д ’
чтобы избежать «плавания» емкости, значение которой зависит от Р
туры мишени и уровня видеосигнала;
проецироваиие теплового изображения наблюдаемого объе "
зование иа мишени потенциального рельефа; пимтмня-
создание опорного потенциала для осуществления возможное и
ния биполярного рельефа; «„ппляп-
считывание пучком медленных электронов и формирование и р
кого видеосигнала униполярного;
принудительная разрядка поверхности пироэлектрической мише и.
Все перечисленные процессы не протекают раздельно. Наприм Р»
рание зарядного рельефа с поверхности мишеии и формирование on Р
потенциала происходит в ходе единого процесса внесения на мишень п
жительного заряда.
Одним из основных параметров пирикона, определяющих качество изо-
бражения, является разрешающая способность. Для ее определения исполь-
зуегся понятие тепловизионной миры — набор чередующихся «теплых»
{Т = Т*) и «холодных» (Т = 0) полос равной ширины. При воспроизведении
теплой полосы миры график изменения приращения температуры пироэлек-
трической мишени имеет вид колоколообразной кривой. Это объясняется тем,
что мишень пирикона обладает определенной теплопроводностью, являющей-
ся причиной «расплывания» теплового рельефа, которое ведет к ограничению
разрешающей способности трубки.
Разрешающая способность пирикова, лин/мм, N — 1 /2L„, где Lo =
= Vkh/(nEe) — характеристическая длина, на которой температура мишени
уменьшается в е раз; Ее = 4о7*®/п (ег -|- е2) — удельные радиационные тепловые
потери; о — постоянная в законе Стефана-Больцмана; 7М — температура мишени;
®i> е2 — коэффициенты теплового излучения лицевой и тыльной сторон мишени;
k — коэффициент теплопроводности, Вт/(ма К);
h — толщина мишени, мкм.
Рис. 3.12. Графики зависимости минимально разрешаемой тем-
пературы от разрешающей способности пириконов, выпускае-
мых фирмами «Амперекс» (/) и «Филипс» (2)
Рис. 3.13. Спектральные характеристики пирикона с окном из
германия (/) и из кристалла КРС-5 (2)
Основное ограничение на разрешающую способность пирикона накла-
дывает пироэлектрическая мишень. Для относительно толстых слоев пиро-
электрика (порядка 40 мкм) влиянием сигнального электрода из золота и ни-
хрома на разрешающую ^способность можно пренебречь. Для повышения
этого параметра искусственно снижают теплопроводность вдоль пироэлек-
трического слоя, создавая структурированную мишень.
К основным параметрам пирикона относят также температурную
чувствительность, оцениваемую минимальным значением температурного
контраста ЕТ последовательно визируемых элементов картинной плоскости,
проецируемой на мишень, при котором обеспечивается заданное отношение
сигнал/шум. На рис. 3.12 показаны графики зависимости минимально разре-
шаемой температуры от разрешающей способности пириконов, выпускаемых
•фирмами «Амперекс» и «Филипс». Мишени пириконов изготовлены из ТГС
толщиной 30 мкм; входное окно — из германия. Минимально разрешаемая
температура на крупных деталях достигает 0,1 °C; с уменьшением деталей
эта величина находится в пределах .0,5...0,8 °C
Основные параметры и характеристики наиболее распространенного за
рубежом пирикона TH 9851 фирмы «Томсон ЦСФ», предназначенного для ра-
боты в спектральном диапазоне 8... 14 мкм:
катод — с косвенным подогревом, напряжение накала 6,3 В, ток накала
0,15 А, время разогрева 1 мин;
мишень — формат кадра 18 X 24 мм, минимальный полезный диаметр
17 мм, спектральная характеристика изображена на рис. 3.13, входное окно
из германия или из кристала КРС-5 толщиной 2,1 ±0,1 мм, расстояние между
мишенью и внутренней поверхностью входного окна 1,2...1,5 мм, оптимальная
рабочая температура 30...35 °C;
габаритные и весовые данные — максимальная длина 165 мм, максималь-
ный диаметр 29 мм, диаметр баллона 26,7 мм, масса 60 г;
рабочие напряжения (токи) — мишень 125 В, электроды gf (рис. 3.14)
250 В (3...5 мкА), gs 200 В, gz 180 В, ток пьедестала 100...125 нА;
Рис. 3.14. Внешний вид (с), конструктивная схема (б) и цоколевка (в! пири«
кона TH 9851
Рис. 3.15. Графики зависимости отно-
сительной (с) и температурной чувстви-
тельности (б) от разрешающей способ-
ности пирикона TH 9851
другие параметры — порог чувствительности (в диапазоне длин волн
8... 14 мкм) 4,5 мкА/Вт, разрешающая способность 8 лин/мм, температурная
чувствительность 0,2 °C, количество строк развертки 625, частота кадров
25 кадр/с, полоса частот предусилителя 4 МГц, коэффициент усиления 3 дБ,
максимально допустимая облученность мишени при длительной работе
40 Вт/ма, чувствительность мишени увеличивается на 30...50 % при повы-
шении температуры от 25 до оптимального значения приблизительно 35 °C.
Графики зависимостей относительной и температурной чувствительности
от разрешающей способности пирикона изображены соответственно на рис.
3.15, а, б.
В табл. 3.1 приведены основные характеристики пириконов, изготовля-
емых иностранными фирмами.
3.1. Характеристики пириконов иностранного производства
Тип пирикона (страна) Материал Чувст- витель- ность, мкА/Вт / Разрешаю- щая спо- собность, ТВ линий Минималь- но разре- шаемая темпера- тура, °C
мишени окна
Р8090 (Англия) тгс ТГС (структу- — 5... 150 100 0,2 0,2
Р8092 (Англия) рированная) ДТГС (сплош- Ge 72 300...350 0,2
Е2130 (ФРГ)) ная и струк- турированная) ТГС KRS-5, — — 0,2
202/А (США) — 525 0,25
ЕК-2007 (Япония) PbTiOg .— — — .—
GM-IRC-11 (Япония) pvf2 — — 100 1...2
GM-IDPT (Япония) — 2,5 200 0,4...0,6
ТНУ840 (Франция) Ge 3,5 100... 150 0,3...0,4
ТН9846 (Франция) ТН9851 (Франция) тгс KRS-5 Ge 4,5 250 0,2
ТР9855 (Франция) KRS-5 — — —
S58XQ (США) ТГФБ, ДТГФБ Ge — 250 0,5
11. СТРУКТУРНЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ
ТЕПЛОВИЗОРОВ С ЭЛЕКТРОННЫМ СКАНИРОВАНИЕМ
Тепловизоры с видиконом. В передающей камере тепловизора с электрон-
ным сканированием изображение наблюдаемого объекта проецируется с по-
мощью оптической системы на мишень телевизионной передающей трубки
Рис. 3.16. Структурная схема тепловизора
с электронным сканированием:
1 — оптическая система; 2 — блок передающей
телевизионной трубки; 3 — блок кадровой и строч-
ной разверток передающей трубки; 4 — предвари-
тельный усилитель видеосигнала; 5 — видеотракт;
б — генератор гасящих и синхронизирующих им-
пульсов; 7 — блок приемной телевизионной трубки; 8—блок кадровой и строчной развер-
ток приемной трубки; 9 — блок синхронизации
типа видикон, чувствительной к коротковолновому инфракрасному излуче-
нию, которая преобразует электронное изображение в видеосигнал (рис. 3.16).
Для развертки изображения на отклоняющую систему трубки подаются на-
пряжения пилообразной формы строчной и кадровой частот, вырабатывае-
мые блоком развертки. Согласование во времени движения электронного лу-
ча по экрану приемной трубки с движением луча по миШени передающей труб-
ки осуществляется с помощью синхронизирующих импульсов, подаваемых
во время обратного хода луча. При этом системы развертки передающей и
приемной трубок должны работать синхронно и синфазно.
Синхронизирующие импульсы формируются на передающей части теле-
визионной системы и замешиваются в видеосигнал. Видеосигнал, состоящий
из сигнала изображения, гасящих и синхронизирующих импульсов, называ-
ется полным телевизионным сигналом. Он поступает на приемную телевизи-
онную трубку, изменяя яркость свечения экрана. Для получения изображения
электронный луч приемной трубки перемещается по плоскости экрана под
воздействием напряжений пилообразной формы строчной и кадровой частот,
вырабатываемых блоком разверток. Одновременно с подачей на приемную J
трубку телевизионный сигнал поступает на блок синхронизации, где синхро-
низирующие импульсы выделяются из него, разделяются на строчные и кад-
ровые и поступают на соответствующие генераторы блока разверток приемной
трубки.
Тепловизор с электронным сканированием содержит следующие основ-
ные блоки;
оптическую систему, представляющую собой объектив, изготовленный
из оптического материала, который пропускает инфракрасное излучение
в спектральном диапазоне чувствительности видикона;
блок передающей телевизионной трубки, состоящий из самой передающей
трубки, чувствительной к инфракрасному излучению, а также из фокусиру-
ющей и отклоняющей системы (ФОС). Последняя состоит из двух пар катушек
для отклонения электронного луча по горизонтали и вертикали. Поверх этих
Рис. 3.17. Структурная схема теп-
ловизора АТП-103:
1 — излучение испытуемого объекта; 2 —
излучение эталона; 3 — объектив; 4 —
ФОС; 5 — электронно-лучевая трубка;
6 — усилитель; 7 — индикатор: 8 — фор-
мирователь строба; 9 — формирователь
теплопортрета; 10 — привязка к уровню;
11 — устройство сравнения; 12 — сумма-
тор: 13 — формирователь изотерм; 14 —
ВКУ
катушек помещается фокусирующая катушка. Иногда для повышения каче-
ства изображения в ФОС вводят корректирующие катушки, исправляющие
траекторию луча на краях растра. Габариты ФОС отечественного производ-
ства: диаметр 60 мм, длина 115...142 мм;
блок кадровой и строч,ной развертки, вырабатывающий периодически
изменяющиеся напряжения, подаваемые в ФОС для отклонения электрон-
ного луча передающей трубки в двух взаимно перпендикулярных направле-
ниях. Генератор строчной развертки генерирует пилообразные напряжения
с частотой 15625 Гц (при стандарте разложения 625 строк и 25 кадров/с),
а генератор кадровой развертки — пилообразные напряжения с частотой
50 Гц;
предварительный усилитель видеосигналов;
видеотракт, состоящий из видеоусилителя и ряда каскадов, необходи-
мых для замешивания в видеосигнал различных служебных сигналов. На вы-
ходе видеотракта получается полный телевизионный сигнал положительной
полярности с размахом порядка 1 В. на нагрузке 75 Ом и отношением сиг-
нал/шум, равным 30 в полосе частот от 50 Гц до 7,5 МГц.
синхрогенератор, вырабатывающий кадровые синхронизирующие им-
пульсы, кадровые и строчные гасящие импульсы приемной и передающей
трубок;
блок синхронизации, выделяющий из полного телевизионного сигнала
синхронизирующие импульсы, которые поступают на блок развертки прием-
ной телевизионной трубки;
блок приемной телевизионной трубки, состоящий из самой приемной
трубки (кинескопа) и ФОС;
блок кадровой и строчной разверток, вырабатывающий периодически
изменяющиеся напряжения, подаваемые в ФОС для отклонения электронного
луча в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
К тепловизорам с электронным сканированием относится прибор АТП-
103 (рис. 3.17), предназначенный для анализа тепловых полей и разработан-
ный в Московском институте радиотехники, электроники и автоматики [42].
АТП-103 позволяет исследовать в реальном масштабе времени стационарные
тепловые поля сравнением теплового излучения эталонного и исследуемого
объектов в диапазоне температур 250—1200 °C с погрешностью ± 1 %.
Качественный анализ исследуемого объекта проводят по черно-белому
полутоновому изображению теплового поля на экране видеоконтрольного
устройства (ВКУ) с пропорциональной зависимостью яркости от температуры.
Количественные измерения проводятся сравнением мощности излучения от
объекта и эталонного излучателя, либо методом изотерм, который позволяет
выявить на экране ВКУ области, температура которых превышает уста-
новленный уровень. Координатная привязка изотерм производится наложе-
нием их на изображение теплового поля. Кроме того, прибор позволяет изме-
рять температуру по выделенной строке, для чего профилограмму выводят
иа экран осциллографа.
Излучение от исследуемого объекта поступает через объектив и фильтр
на мишень видикона, чувствительного в инфракрасной области спектра. По-
лученный на мишенн потенциальный рельеф считывается электронным пуч-
ком, отклонение которого по строкам и кадру выполняется ФОС. Выходной
сигнал видикона после усиления поступает в
где формируется стробирующий им-
пульс по строкам и кадру. Он опре-
деляет геометрические размеры зоны,
в которой измеряется температура
Рис. 3.18, Схема тепловизора с тер-
миконом:
Г—объект наблюдения; 2 — зеркальный
объектив; 3'— контрзеркало; 4 — плоское
зеркало; 5 — термикон; 6 — предусилитель;
7 — усилитель; 8 — приемная телевизионная
трубка; 9 — генераторы развертки; 10 — те-
левизионная трубка, создающая бегущий
световой луч; 11 — фильтр, поглощающий
тепловое излучение; 12 — объектив
блок обработки сигнала (БОС),
методом замещения. В БОС амплитуда сигнала видикона, пропорционального
температуре в контролируемой зоне объекта, сравнивается с амплитудой
сигнала, получаемого от эталонного излучателя. Изотермы формируются на
компараторе; на его вход поступают сигналы от эталонного источника напря-
жения и выходной видеосигнал, привязанный к заданному уровню. Сигналы,
формирующие теплопортрет, изотермы и стробирующие импульсы, суммиру-
ются и поступают на ВКУ, на экране которого воспроизводится изображение
исследуемого объекта.
Технические характеристики тепловизора: температурное разрешение
3 °C (при температуре объекта 310 °C); поле зрения 4 X 6°; геометрическое раз-
решение не хуже 5 мрад; число кадров в секунду 25; число строк в кадре 625.
Тепловизор АТП-103 конструктивно выполнен в виде четырех блоков:
приемной камеры, БОС, ВКУ и пульта управления. Связь между ними осу-
ществляется кабелями со штепсельными разъемами.
Тепловизоры с термиконом. Тепловое излучение рассматриваемого объ-
екта формируется зеркальным объективом на чувствительный элемент трубки
(рис. 3.18). Одновременно посредством линзы и зеркала на нем отображается
' интенсивное световое пятно от вспомогательного кинескопа, которое благо-
даря воздействию на его ФОС напряжений генераторов развертки обегает
рабочую поверхность ЧЭ. Эмитируемые электроны усиливаются фотоумно-
жителем, выходной сигнал которого модулирует по интенсивности луч кине-
скопа наблюдения синхронно с бегущим световым пятном, создавая видимое
Изображение объекта.
Параметры тепловизора с термиконом: частота повторения кадров 30 Гц,
число строк 200, постоянная времени 0,1 с, температурная чувствительность
Ю° при средней температуре объекта наблюдения 300 К. Температурная чув-
№ ствительность тепловизора может быть уменьшена до 1° уменьшением частоты
. повторения кадров до 15 Гц и числа строк до 50 при некотором ухудшении
"‘Качества изображения.
|"Л До появления пириконов тепловизоры с термиконом причислялись к наи-
более совершенным инфракрасным устройствам для наблюдения в ночных
условиях объектов по их собственному тепловому излучению.
Тепловизоры с пириконом. Тепловизоры с пириконом (рис. 3.19) пред-
назначены для наблюдения на малых расстояниях низкотемпературных дви-
жущихся и неподвижных объектов [29]. В передающей камере используется
временная модуляция потока излучения объекта, осуществляемая дисковым
модулятором с чередующимися прозрачными и непрозрачными секторами.
Модулятор снабжен схемой стабилизации частоты вращения и обеспечивает
постоянную частоту прерывания потока, равную 12,5 Гц. Для этого в схему
•стабилизации подаются опорные импульсы синхрогенератора и импульсы
от датчика частоты вращения модулятора. Электропривод модулятора управ-
ляется напряжением, снимаемым со схемы стабилизации.
Блок подготовки пирикона к действию осуществляет поляризацию и
разряд мишени, включение рабочего режима. Этот блок также формирует им-
Рис. 3.19. Функциональная схема передающей
тепловизионной камеры с пириконом:
1 — и фра красный объектив; 2 — модулятор с блоком
управления; 3 — катушка развертки; 4 — ФОС; 5 —
лириков; 6 — предварительный усилитель; 7 — усили-
тель-инвертор; 8— усилитель-формирователь; 9— блок
подготовки и формирования пьедестала; 10 — датчик
положения модулятора; 11 — датчик
частоты вращения модулятора; 12 —
схема стабилизации частоты враще-
ния модулятора; 18 — блок электро-
питания; 14 — сиихрогенератор
пульсы, подаваемые во время
обратного хода по строкам в ка-
тод пирикона и служащие для
создания электронного пьеде-
стала на мишени.
Инфракрасное излучение объекта наблюдения падает на объектив (см.
рис. 3.19), который формирует изображение в плоскости мишени пирикона.
Считая, что'перекрытие модулятором мишени происходит мгновенно, можно
записать выражение для ее облученности в виде
f при 0 < t С tx
I Lo при T
(мишень открыта);
(мишень закрыта),
где Т — период модуляции потока излучения; Lo — облученность мишени, соз-
даваемая излучением объектива и модулятора передающей камеры.
Ток сигнала преобразуется в напряжение U (t), причем
f Un + Uc (f) при 0 < t с ff,
U t Un — Uc (0 при ti < t С Т,
где (7П — напряжение пьедестала.
После предварительного усиления происходит выделение информацион-
ной части сигнала. Для получения униполярного видеосигнала при модуляции
падающего потока излучения служит усилитель-инвертор. Инвертирование
производится управляющими импульсами, поступающими в схему от датчика
положения лопастей модулятора. Сигнал с усилителя-инвертора поступает
в усилитель-формирователь, с выхода которого снимается видеосигнал по-
ложительной полярности амплитудой не менее 1 В на нагрузке 75 Ом.
Блок разверток и формирования видеосигнала содержит синхрогенера-
тор, генератор кадровой и строчной разверток, усилитель-формирователь
и блок питания.
Тепловизор может работать в режиме наблюдения объекта без обработки
видеосигнала и в режиме накопления видеосигнала с последующим проведе-
нием межкадровой разностной обработки. В первом случае видеосигнал
с усилителя-формирователя поступает на стандартное видеоконтрольное уст-
ройство, а во втором — в блок памяти, собранный на базе запоминающей
электроино-лучевой трубки. Назначение блока памяти — накапливать по-
лезный сигнал от объекта и, таким образом, сглаживать неравномерность,
фона мишени и повышать отношение сигнал/шум при последующем считыва-
нии мишени.
Блок памяти (рис. 3.20) кроме запоминающей трубки с ФОС содержит
сннхрогенератор, блок разверток, схемы управления режимами работы труб-
ки и коммутации напряжений иа ее электродах, усилитель записи, пред-
варительный усилитель, усилитель-формирователь выходного видеосигнала
и автоматической смены информации. Кроме синхронизации блока памяти.!
Рис. 3.20. Функциональная схема блока памяти:
1 — усилитель записи; 2 — коммутатор по катоду; 3 — блок -разверток; 4 —
предварительный усилитель; 5 — усилитель формирования; 6 коммутатор
режимов работы; 7 — автомат смены информации; 8 — стабилизатор фокуси-
рующего тока; 9, 10, II — соответственно коммутаторы по мишени, второму
и первому анодам; 12 — блок управления; 13 — автомат смены, информации;
14 — сннхрогенератор
в рабочем режиме от синхронизатора передающей камеры, предусмотрена-
автономная синхронизация при воспроизведении записанного изображения.
Схема управления режимами работ запоминающей трубки служит для»
перевода ее в режим «Запись», «Стирание», «Цикл» и «Стоп-кадр». Усилитель
ваписи предназначен для усиления и фиксации уровня видеосигнала, пода-
ваемого на трубку. Он обеспечивает амплитуду видеосигнала до 40 В при»;
входном сигнале 1 В в полосе частот 50 Гц ... 2 МГц. В схеме усилителя пре-
дусмотрена возможность изменения коэффициента усиления в зависимости»
от выбранного количества кадров записи. В режиме «Запись» выходной сиг-
нал усилителя подается на запоминающую трубку. Видеосигнал последней
после предварительного усиления подается в коммутатор режима работы
тепловизора вместе с выходным видеосигналом передающей камеры. Комму-
татор выбирает характер обработки видеосигнала, т. е. режим работы пере-
дающей камеры, и в случае второго режима подключает предварительный
видеоусилитель блока памяти к усилителю-формирователю, который обеспе-
чивает на выходе видеосигнал с амплитудой не менее 1 В на нагрузке 675 Ом.
Дальнейшее усиление видеосигнала происходит в видео контрольном устрой-
стве, соответствующем стандартной телевизионной системе типа ПТУ-27
Функциональная схема японского тепловизора с пириконом [41], пред-
назначенного для анализа тепловых полей, показана на рис. 3.21. Мишень
пирикона изготовлена из поливинилиденфторида толщиной 9 мкм. Трубка
наполнена водородом под давлением примерно 1,3 • 10-10 Па. Положительные -
ионы, образующиеся в результате соударения электронного „пучка с молеку-
лами газа, попадают на мишень и образуют положительный ток смещения.
В трубку введен геттер, селективно адсорбирующий и испускающий водо-
род. При пропускании электронного тока по геттеру удается регулировать
степень вакуума в трубке в диапазоне 1,3 • 10~12...1,3 • 10-9Па.
Передающая камера оснащена механическим модулятором и объективом
из просветленного германия со светосилой 1 : 0,8. Тепловое изображение
объекта можно наблюдать на черно-белом телевизионном мониторе. Кроме
того, сигналы с выхода передающей камеры преобразуются в цифровой код
с помощью специального преобразователя. Синхронизированные с модуля-
тором сигналы, которые запоминаются блоком памяти на интегральных схе-
мах, с помощью схемы преобразования преобразуются в сигнал восьми цве-
тов. Самая горячая точка объекта соответствует белому цвету, а самая хо-
Рис. 3,21. Функциональная схема экспериментальной тепловизионной установки
с пириконом:
1 —объект наблюдения; 2 —объектив, пропускающий инфракрасное излучение; 3—моду-
лятор; 4 — передающая камера; 5 — пирикон; 6 — усилитель; 7 — схема привода модуля -
тора; 8—преобразователь непрерывных сигналов в цифровой код; 5 — синхронизатор
и делитель сигналов; 10, 17 — переключатель работы в режимах нормальном и запомина-
ния; 11—преобразователь последовательного кода в параллельный; 12— сумматор; 13-^
вентиль памяти; 14 — блок памяти на интегральных схемах (256 X 128 х 8 бит); 15 —.регистр;
16 — преобразователь параллельного кода в последовательный; 18 — схема центрирования;
19— цветной телевизионный монитор; 20— черно-белый телевизионный монитор; 21 — гене-
рат ор синхронизирующих импульсов; 22 —схема регулирования.
лодиая — черному. Преобразованные черно-белые сигналы подаются на стан-
дартный цветной монитор, на котором в реальном масштабе времени изобра-
жаются закодированные цветом изотермы или другие картины тепловых полей.
Процесс преобразования черно-белых сигналов в цветные заключается
в следующем. Каждому из восьми цветов отводится трехразрядный двоичный
код; черная градация кодируется ООО, белая 111. Частота сигналов передающей
телевизионной камеры 5 МГц, что дает 500 импульсов на одну телевизионную
строку. Коды, соответствующие каждому импульсу, подаются на цветной мо-
нитор, где каждый разряд трехраз'рядного кода управляет одним из трех
электронных прожекторов цветной трубки. Так код 111 включает одновремен-
но все три прожектора (белый цвет), в то время как при коде ООО ие работает
ни один прожектор (черный цвет). При комбинациях 100, 010, 001 работает
только один из прожекторов, воспроизводя на экране основные цвета — крас-
ный, зеленый или синий. При других комбинациях включаются какие-либо
два прожектора, высвечивая хорошо различимые смешанные цвета.
Применение ЦЭВМ на микрокомпьютерах создает определенные трудно-
сти, связанные с согласованием тепловизионной аппаратуры со структурой
таких машин. Разработан универсальный полипроцессор, предназначенный
для сопряжения тепловизионных (и других телевизионных измерительных)
•систем с ЭВМ [41]. Полипроцессор представляет собой цифровой вычислитель-
ный видеоанализатор, который в границах введенной программы обраба-
тывает видеосигнал и приводит его к виду, удобному для управления другими
устройствами.
Полипроцессор (рис. 3.22) состоит из нескольких микропроцессоров,
которые могут выполнять с помощью введенных в запоминающее устройство
констант различные вычислительные и управляющие функции. Количество
микропроцессоров зависит от назначения данной системы и необходимого
быстродействия. Микропроцессоры имеют так называемую избирательную
конструкцию, при которой все подлежащие обработке данные вводятся по
объединенному каналу передачи данных, а проведение операций вычисления
или управления теми или иными вычислительными модулями производится
в соответствии с запрограммированными кодированными приказами.
Рис. 3.22. Функциональная схе"
ма полипроцессора:
1 — передающая телевизионная ка'
мера; 2 — блоки памяти; 3 — процес-
сор управления камерой; 4 — блок
оперативной памяти; 5, 6 — главный
и выходной процессоры; 7 — объе-
диненный канал передачи данных;
В — процессор управления; 9 — мо-
нитор
Видеосигнал, несущий информацию о наблюдаемом объекте, поступает
вначале в процессор камеры, который в соответствии с определенной програм-
мой, записанной в памяти констант, сортирует информацию и направляет ее
дальше в определенный канал. Информация записывается в блоке оперативной
памяти. Если в ней содержатся данные, необходимые для рассматриваемого
вида измерений, процессор камеры сообщает об этом главному процессору,
который включает необходимое число вычислительно-управляющих модулей
для обработки этих данных. Если обработка данных представляет большую
сложность или требует длительное время и не может быть выполнена главным
Процессором, в работу включается арифметический процессор.
Рис. 3.23. Структурная схе-
ма тепловизионной камеры
фирмы «Томсон ЦСФ»:
1—синхронизирующее устрой-
ств о; 2 — лампа накалив ания;
3 — фото приемник; 4 — сннхрон-
ны.1 серводвигатель; 5 — блок
видикона с пироэлектрической
мншенью; 6 объектив; 7 —
ФОС; 8—устройство сравнения
фаз; 9 — устройство задержки
сигналов; /0—генератор син-
хронизирующих импульсов
(32 кГц); //, /2— делитель час-
тоты: 13 — усилитель; 14 —
фильтр; 15 — процессор кадров;
16 — предусилитель; 17, 18 —
усилители негативных и позитив-
ных сигналов; 19 — коммутатор;
20— выходная цепь; 21— видео-
сигнал; 22— строчные синхрони-
зирующие импульсы; 23 — кадровые сннх ронизирующие импульсы
После обработки данные поступают на выходной процессор, где они на-
капливаются и подготавливаются к выдаче на внешние устройства (например,
на монитор).
Примером современной тепловизионной камеры на пириконе является
камера TH 7506 фирмы «Томсон ЦСФ» (рис. 3.23). В камере модели TH
7506А используется пирикон TH 9840 с остаточным газом, а в камере TH
7506В — высоковакуумный пирикон TH 9851; полезный диаметр мишени обоих
пириконов 17 мм.
Камера состоит из головки и блока управления. Габаритные размеры
230 X 180 X 150 мм; масса 3 кг; рабочая температура 298...308 К. В состав
головки входят: объектив диаметром 50 мм; пирикон с комплектом катушек
фокусировки, горизонтального и вертикального отклонения, центровки по
горизонтали и вертикали; механический прерыватель, вращаемый серводви-
гателем; генераторы строчной и кадровой разверток; предусилитель видео-
сигналов и схема гашения.
Дисковый прерыватель состоит из девяти лопастей и обеспечивает частоту
модуляции падающего потока излучения 25 Гц. Лопасти размещены непосред-
ственно перед пириконом, а модуляция излучения строго синхронизирована
со считыванием потенциального рельефа. В головке камеры такая синхрони-
зация осуществлена с помощью фотодатчика, состоящего из фотодиода и лам-
пы накаливания, размещенных по разные стороны прерывателя. Синхрони-
зирующий импульс с фотодиода подается на синхрогенератор, находящийся
в блоке управления.
Генераторы строчной и кадровой разверток получают сигналы гашения
строк и кадров от блока управления камерой и превращают их в пилообраз-
ные напряжения, которые подаются на катушки горизонтального и вертика-
льного отклонения пирикона. Схема гашения применяется для запирания на
время строчного и кадрового обратного ходов при использовании газонапол-
ненной трубки и на время кадрового обратного хода при использовании ва-
куумной трубки.
Выходной сигнал пирикона с нагрузочного резистора подается на базу
полевого транзистора с высоким входным сопротивлением. Выходное со-
противление видеоусилителя 75 Ом, коэффициент передачи 1,5 мВ/нА.
Блок управления камерой содержит блок питания, генератор синхронизи-
рующих импульсов, процессор кадра, видеоусилитель и специальные схемы,
необходимые для работы пирикона. В процессоре кадров запоминаются и вы-
читаются чередующиеся поля (полукадры), в результате чего полезная состав-
ляющая выходного сигнала удваивается, а неравномерность фона и шумы
мишени, имеющие постоянную полярность, значительно уменьшаются. Далее
чередующиеся поля инвертируются и формируется видеосигнал постоянной
полярности.
Габаритные размеры блока 260 X 482 х 76 мм; масса 7 кг. Тепловизор
обеспечивает телевизионный стандарт изображения: 625 строк при частоте
кадров 50 Гц. Температурное разрешение 0,3 °C при 70 линиях на диаметре
мишени и относительном отверстии объектива 1:1.
Глава 4
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ
И ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОВИЗОРОВ
12. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВИЗОРОВ
Современные тепловизоры используют не только для воспроизведения
изображения нагретых объектов по их собственному тепловому излучению,
но и для измерения тепловых (или температурных) полей различных тепло-
излучающих объектов. Для измерений с помощью тепловизоров необходимо
прежде всего знать их параметры и характеристики. К ним относятся: поле
и мгновенное поле зрения, угловое разрешение, порог температурной чувст-
вительности, дальность обнаружения (малоразмерных теплоизлучающих
объектов) и оптическая передаточная функция.
Поле зрения — плоские углы по вертикали ув и горизонталиуг , ограни-
чивающие область пространства, попадающего в кадр. При прямоугольном
растре отношение ув/ ^определяет его форму.
Мгновенное поле зрения — плоские углы по вертикали ув. мгн и горизон-
тали уг_ мгн, определяемые фокусным расстоянием объектива /об и линейными
размерами чувствительной площадки
^arctg^//^; у,. MrH = arctg«r//o6.
а приемника излучения- v —
'в. мгн
Угловое разрешение — предельный (минимальный) угол между двумя то-
чечными излучателями, расположенными на фоне с постоянной заданной тем-
пературой, и воспроизводимыми раздельно в тепловизионном изображении.
Трудность практической реализации точечных ИК излучателей, нерав-
номерность чувствительности тепловизоров в пределах мгновенного поля
обзора и наличие шумов привели к другому определению понятия углового
разрешения [66]. Угловое разрешение тепловизора — минимальное значение
плоского угла между цёнтрами одинаково излучающих элементов тест-объек-
та, отделенных друг от друга элементом, равным им по размеру и отличающим-
ся по радиационному контрасту, при котором эти элементы раздельно вос-
производятся в телевизионном изображении (ОСТ 3-4408-82).
Порог температурной чувствительности — минимальная разность тем-
ператур (ДТ)пор объекта и фона, вызывающая выходной сигнал, пиковое
значение которого равно среднеквадратичному значению шума (ОСТ 3-4408—
€2). В иностранной технической литературе величину (&Т)Пор обозначают
NETD (по первым буквам английских слов Noise Equivalent Temperature
Diffence — разность температур, эквивалентная шуму). Это сокращение ана-
логично обозначению порогового потока NEP (Noise Equivalent Power —
мощность, эквивалентная шуму).
Величина (ДТ)пор зависит от температуры Т объекта, поэтому более пол-
ной характеристикой температурного разрешения следует считать зависимость
(ДТ)пор = f (Т). Так как эту зависимость трудно определять на практике,
в паспортных данных тепловизоров приводят значение (ЛГ)пор для одной или
нескольких температур Т объекта.
Дальность обнаружения — максимальное расстояние между точечным
объектом наблюдения и тепловизором, при котором выходной сигнал послед-
него превышает в заданное число т раз среднеквадратичное значение шума.
Этот параметр зависит от большого числа факторов (характеристик теплоизлу-
чающего объекта, состояния атмосферы, характеристик фона, на котором
находится наблюдаемый объект, заданного числа /пит. д.).
Оптическая передаточная функция (ОПФ) — мера способности теплови-
зора воспроизводить пространственные частоты, содержащиеся в изобража-
емой картине. ОПФ является комплексной функцией, модуль которой пред-
ставляет частотно-контрастную характеристику (ЧКХ). Значение этой функ-
ции условно принято за единицу при нулевой частоте или близкой к ней.
Аргумент ОПФ определяет фазовый сдвиг пространственной частоты, вноси-
мый системой.
При использовании ОПФ как средства описания и анализа тепловизион-
ного прибора необходимо соблюдать следующие условия [56]: 1) воспринима-
емое тепловизором излучение некогерентно; 2) обработка сигнала линейна;
3) воспроизведение изображения — пространственно инвариантный процесс;
4) преобразование излучения объекта в его изображение однозначно и проис-
ходит без шумов. Последние три условия в тепловизорах обычно нарушаются,
поэтому использование ОПФ для тепловизионного прибора является не-
достаточно надежной оценкой его качества.
13. МАКСИМАЛЬНАЯ ДАЛЬНОСТЬ ОБНАРУЖЕНИЯ
МАЛОРАЗМЕРНЫХ ТЕПЛОИЗЛУЧАЮЩИХ ОБЪЕКТОВ
Максимальная дальность обнаружения Dmax является одним из главных
параметров тепловизора при использовании его для обнаружения и наблю-
дения удаленных теплоизлучающих объектов. Ниже приведены основные
формулы для определения величины Dmax.
При выводе формул были сделаны следующие допущения: объект обна-
ружения представляет собой плоский «серый» излучатель, имеющий постоян-
ные коэффициент излучения и температуру по всей поверхности; нормаль
к поверхности излучения образует угол ас линией дальности D', направления
осей пучков, исходящих из любых элементарных площадок излучения и опи-
рающихся на площадь объектива передающей камеры, настолько близки
друг к другу, что углы а и дальности D считаются одинаковыми для всех
элементарных площадок и относятся к геометрическому центру поверхности
излучения; фон, на котором находится объект, считается неизлучающим;
трасса наблюдения горизонтальна.
При этих допущениях получена формула для расчета Dm м [39, 40]:
П2 ^o6So6euruc0scegSB^
тах лт/9г1Д/Ф*орх
(4.1)
где
f МеЪ
-.п-т s, тя ах
J (Чл)тах % а
А = -\-------------
Ле
Г
' J «Л^тах
— коэффициент использования потока излучения; тоб, Sofi — коэффициент про-
пускания и площадь, м2, объектива передающей камеры; 5Ц, ец, Гц — площадь
коэффициент теплового излучения и температура, К, наблюдаемого объекта
соответственно; о = 5,67-10-8 Вт/(м2 • К4)— постоянный коэффициент; т —
допустимое значение отношения сигнал/шум; qn — площадь чувствительной
площадки ПИ, см2; А/ — полоса пропускания частот усилителя фототока, Гц;
Ф*ор— удельный порог чувствительности J приемника, Вт/(см • Гц!/2), приводи-
мый в каталогах и измеренный по черному телу с заданной температурой T*i
х =
Аг
С
J (ЛГ*Г) S}-
v vK1eVmax
Al
X-2
I I __ J 4 |
V Wmax I
Ai
коэффициент использования ПИ; /И*^ — спектральная плотность энергетиче-
ской светимости абсолютно черного тела с температурой Г®, Вт/(см2 • мкм);
Sj, Хъ Х2— спектральная чувствительность, коротковолновая и длинноволно-
вая границы чувствительности ПИ соответственно; МА/(МеК)тах — относи-
тельное значение спектральной плотности энергетической светимости объекта
с температурой 7Ц; та — спектральный коэффициент пропускания атмосферы
на горизонтальной трассе длиной Dmax; Хм—длина волны, соответствующая
максимальному значению спектральной плотности энергетической светимости
объекта наблюдения, мкм; г — функции, определяемые по табл. 1.4.
Так как искомая величина Ьгпах входит в левую и правую (через коэффи-
циент А) части уравнения (4.1), его переписывают в виде
™ Ф* pkDLx = COS г - г (4.2)
и решают графически, строя отдельно кривые зависимости левой и правой
частей уравнения (4.2) от дальности £>тах. Точка пересечения обеих кривых
дает искомое значение максимальной дальности действия тепловизора.
Из формулы (4.1) следует, что величина Dmax определяется тремя груп-
пами факторов: характеристиками наблюдаемого объекта (5Ц, Ти, ец); пара-
метрами элементов тепловизора (So6, тоб, Х2, Sx, qn, Ф*ор); спектральным
коэффициентом пропускания атмосферы на трассе наблюдения та.
Пример 4.1. Рассчитать максимальную дальность обнаружения тепловизором
объекта с температурой поверхности t = 127 °C, площадь 5Ц = 15 м2 и коэф-
фициент теплового излучения ец = 0,9, который можно считать независимым
от длины волны.
Дано: So6 = 70 см2; тоб = 0,8; приемник излучения на основе HgCdTe,
Zj = 8 мкм; Z2= 12 мкм; qn = 0,52 мм2; Д/=10КГц; Ф*ор =
= 1 • IO-1» (Вт/см • Гц1/2) при Т* = 373 К; а = 20°; Н = 0; tB = 10 °C; I =
= 20 км; m = 2.
Рис. 4.1. К расчету коэффициента использования приемника излу-
чения (а) и максимальной дальности обнаружения теплоизлучаю-
щего объекта (б):
/-Л4;к/(Л4^)П1ах = /1(Х); 2 = SK = /(X); 3 - Д (X) /2(Х) (пример 4.1)
Решение:
1. Находим длину волны, соответствующую максимуму спектральной плот-
ности энергетической светимости объекта
Хм = с/Та = 2898/(273 + 127) = 7,24 мкм.
2. Определяем значения функций г (Х/Хм)
Xj/XH = 8/7,24 = 1,10; г (1,10) = 0,316;
Ха/Хн= 12/7,24= 1,66; г (1,66) = 0,610.
3. Рассчитываем коэффициент использования и ПИ при тарировке по чер-
ному телу с температурой 300 °C, для чего строим в одном масштабе кривые
= /1 (*) и = /2 (X) (рис. 4.1, а).
vweMmax
Интегралы, входящие в формулу для к, находим графически. Получаем
и = 0,81. _______
4. "Вычисляем функцию уА = пт У qn фг>:1Ори£*тах для нескольких те-
чений Птах: У1 = 3,14 • 2 /0,52 • 10"2 • 10* • 1 • Ю"10 • 0,81Ртах.
Данные сводим в таблицу (табл. 4.1).
4.1. К вычислению функции
°тах’ км 10 12 1 4 6 18 20
Ух 25,4-10-8 36,6-10-8 49,8- IO"8 65,0- IO"8 82,3-10-8 101,6-10-8
5. Вычисляем функцию у2 = тоб So6 ец Та Sa cosaoK г j для
нескольких значений Отэх и соответствующие им значения коэффициента К
(см. табл. 1.8):
у2 = 0,8 • 70 • 0,9 • 4001 • 15 10~e • 0,91 • 5,67 10“12 К (0,610 —
— 0,316) « 300 - 10-» К.
Данные сводим в таблицу (табл. 4.2).
4.2. К вычислению функции у2 и коэффициента К
О я э 10 12 14 16 18 20
к 0,285 0,247 0,214 0,186 0,164 0,147
Уъ 85,5- IO-8 74,1-10-8 64,2-10-8 55,8- IO"® 49,2- IO"8 44,1-10-8
6. Строим кривые зависимостей У1 = fi(PmaK) и у2 = /2 (Dmax). Точка
пересечения обеих кривых соответствует искомой дальности (рис. 4.1, б).
Для случая, когда объект наблюдается на однородном излучающем фоне
со средними значениями коэффициента излучения Вф и температуры Тф, мак-
симальная дальность £)тах обнаружения объекта тепловизором определяется
из соотношения
[39]
®пор
тоб ^об \ cos аа
-г(г-)|-еФкФгф[г
I I
«а W
(4.3)
Где индексы «ц» и «ф» относятся соответственно к объекту и фону; Фпор —
пороговое значение потока излучения, воспринимаемого передающей камерой
тепловизора. Формула (4.3) выведена в предположении, что мгновенное
поле зрения прибора мало (узкопольная система).
Выведены формулы для определения так называемой идеализированной
дальности действия сканирующего И К прибора, т. е. дальности Do, ПРИ к0"
торой отношение рабочего сигнала к среднеквадратичному напряжению шума
и коэффициент пропускания атмосферы равны единице [39]. В том случае;
Когда шумы прибора определяются главным образом шумами ПИ
Do = лп /дк sin у Do6 тпр(ф₽/О)1/2/(2Фпор). (4.4)
Для случая, когда шумы прибора определяются главным образом флук-
туациями излучения фона
, г__________ /ф\1/2
Do = [qJ >
(4.5)
где п — показатель преломления среды, окружающей ПИ; I — приведен-
ная сила излучения объекта (сила излучения с учетом спектральной характе-
ристики приемника), Вт/ср; у — поле зрения; Р=?/Тмгн: Тмгн — мгновенное
поле зрения; Do6—диаметр объектива, см; •& = fl'/7’o6s; Та6з— период обзора
поля зрения, с; О’ — телесный угол, соответствующий полю зрения прибора,
рад; тпр — коэффициент пропускания оптической системы прибора: Фпор — по-
рог чувствительности ПИ, Вт; oL — спектральная плотность шума,-вызванного
неравномерной лучистостью фона; ф — коэффициент различимости, зависящей
от отношения длительности импульса /н (равного времени нахождения объекта
в мгновенном угле арения) к постоянной времени оптимального фильтра 1$.
График зависимости Ф = ф(^иАф' показан на рис. 4.2. Если постоянная
времени /п ПИ мала по сравнению с длительностью импульса tv, максимальное
значение коэффи- иента различимости ф « 3 (кривая 2). При таком выборе
/ф обеспечивается хорошее воспроизведение формы импульса. Если /п//н вели-
ко (кривая 3), величину ф невозможно максимизировать, изменяя /ф и сохра-
няя в то же время необходимую разрешающую способность фильтра. В фор-
Рис. 4.2. Графики зависимости ф = ф(/и//ф):
1—шумы определяются флуктуациями излучения фона;
2, 3 — шумы определяются собственными шумами приемни-
ка излучения при — 0,1 и tn/t^ — 1,0 соответственно
муле (4.5) не учитывается коэффициент пропускания оптической системы
прибора, так как сигнал и шум подвергаются одинаковому ее воздействию.
Пример 4.2. Рассчитать предельную (идеализированную) дальность
действия сканирующего тепловизора.
Дано-, угол'зрения у = 40 °; мгновенный угол зрения Умгн=0,5о; Р =
= у/умгн = 80; период обзора поля зрения Тобз = 0,1 с; коэффициент разли-
чимости ф=1; диаметр объектива £>об=10 см; коэффициент пропускания
оптической системы = 0,8 и не зависит от длины волны излучения; ПИ
на основе InSb, границы чувствительности X, = 3 мкм, Х2 = 5 мкм; удельный
порог чувствительности приемника Ф*ор=10~10 Вт/(см • Гц*/2) при темпера-
туре черного тела Т* = 373 К; полоса пропускания частот усилительного
тракта Д/ = 100 кГц; площадь ЧЭ приемника <?п = 0,5 мм2; объект наблюде-
ния — = 0,5 м2; ta = 227 °C; ец = 0,9.
Решение-.
1. Находим длину волны, соответствующую максимуму спектральной
плотности энергетической светимости объекта,
X = с!Т,, = 2898 (273 -J- 227) 5,8 мкм.
2. Рассчитываем приведенную силу излучения объекта
Фпрнв /М
/д>- = -г- = s г U j м ’
где
r f МЛ д,<-‘ д)
к. I к,
Находим Х2/Хм -- 0,86; z (0,86) =0,16:
Х../Х = 0,52; г (0,52) = 0,01; г (Х2/Хы) — 2 (Xj/XJ = 0,15.
А' М
.Коэффициент использования К определяем графоаналитически, для чего
на одном графике строим кривые Л4А/(Л4А)тах = Л (Л) и = /2 (Z) (рис.
4.3, а). Получаем К = Oj/o2 0,75,
/дх = 0,5 10* • 0,9 • 5,67 • 10-12 • 500* • 0,15 • 0,75/л = 57 Вт/ср.
3. Определяем порог чувствительности приемника: Фпор = Ф*ор к }//'<7п А/,
где
^2 л
Г <
«Ux
Aj
и
?-2 .
7 МеК ..
Л1
— коэффициент использования ПИ, который рассчитываем графоаналитически.
Построив кривые = Ф1 (^>> соответствующие температуре эталон-
ного излучателя Г* = 373 К, и S. = <р2 (X) (рис. 4.3, б), находим к = 0,4.
Тогда
• 0,4 /0,5 • 10-2 10s « 9 • 10 9 Вт-
Фпор = Ю-ю
4. Рассчитываем предельную дальность дей-
ствия тепловизора по формуле (4.4)
п _ / 3,14 • 1-57 • 0,64-10-0,8 х
° у 2,9 • 10“9
X 1/_______1 ' 80____= 11,5- Ю5 см = 11,5 км.
V 0,5/(57,2 -0,1)
Приведенные формулы позволяют прибли-
женно рассчитать максимальную дальность дей-
ствия тепловизиров при наблюдении точечных
теплойзлучающих объектов. Но главное их.на-
значение — показать влияние различных факторов
на величину Dlmx- Из формул (4.1)...(4.5) следует,
что Dmax увеличивается
с увеличением температуры, площади и коэф-
фициента теплового излучения наблюдаемого
объекта, спектрального диапазона чувствитель-
ности ПИ, коэффициента использования излуче-
Рис. 4.3. К численному расчету коэффициента
использования излучения объекта (а) (/ —
= Л (^): 2 - «х = 1-2 3 - /
Х/2(^)) и коэффициента использования приемни-
ка излучения (б) (/ — = фт (X); 2 —
= <р2 (X); 3 — ф! (Л) ф2 (X) (пример 4.2)
ния объекта, коэффициентов пропускания атмосферы и оптической системы
прибора, диаметра объктива, периода обзора поля зрения и
с уменьшением порога чувствительности,, постоянной времени и пло-
щади чувствительного элемента ПИ, мгновенного поля зрения, полосы
пропускания частот усилителя фототока, фокусного расстояния объектива
(при том же его диаметре).
14, ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ТЕПЛОВИЗОРОВ
Для определения порога температурной чувствительности (ПТЧ) тепло-
визора предложена следующая формула [63]:
(ДГ)ПОР = ____!_________!______, (4.6)
Т О*ор(/0)т0ДобТмгн-бГ2^х(Д111Чф
где О*ор (/о)— удельная обнаружительная способность приемника, см • Гц’^/Вт ,
на частоте модуляции /0;
т0 [тос ITa (^Иглах»
тос, та — спектральные коэффициенты пропускания оптической системы тепло-
визора и атмосферы; о = Do6/f — относительное отверстие объектива, равное
•отношению его диаметра к заднему фокусному расстоянию; умгн = у If If —
мгновенный угол зрения прибора; Т — температура абсолютно черного тела,
имитирующего фон; tBX — длительность входного импульса, с;
(Д1пХ)эф= [MAS,Toc(l)Ta^;
о
ЛТ^, тос $)> та — относительные спектральные функции энергетической
светимости объекта, чувствительности ПИ, оптической системы и атмосферы
соответственно. Так как ПИ с оптическим фильтром имеет коротковолновую
и длинноволновую Х2 границы чувствительности, то в интеграле в выраже-
нии для (Д1пХ)эф можно заменить пределы интегрирования 0 и со на X] и Х2
соответственно.
Пример 4.3. Вычислить температурную чувствительность тепловизора.
Дано: Ооб = 2 см; f = 5 см; о = 0,4; умгн = Ю’3; тос = 0,8; /вх = 27 X
X 10~е с; D*op (f0) = 2 • Ю1» см • Гц1/2/Вт; Т = 300 К; = 8 мкм; Х2 =
= 11,5 мкм; (Д1пХ)эф = 0,3.
Решение-.
_ 21,6 -10Ю 1 1 .___________1 1 -0 28 К
l 'nop 3003 2 • Ю10 • 0,8 2 • 0,4 • 10~3 ]/2 • 27 • 10~® °>3
Для самых приближенных оценок можно считать, что тос = 1, та = 1 и ис-
пользуется неселективиый ПИ (S? = 1). В этом случае [63]
Г Мек
(Д1пЛ)эф = (X) та S? ~ 1,22.
,! v wmax
Но даже при малых расстояниях между объектом, имеющим температуру
300 К, и приемником величина (Д1пХ,)Эф снижается до 1,18, а при расстоянии-
400 м до 0,53. Значения(Д1гЛ)Эф для неселективного ПИ и различных спект-
ральных интервалов и температур приведены в табл. 4.3 [63].
Для приближенного расчета температурной чувствительности теплови-
зора предложена формула [39]
/дЛ , (4.7)
по₽ к [г (й)г (ч)]6ц s°6 Тмгн °
где с2— вторая постоянная в законе Планка; лср— среднее значение длины
волны в интервале Хх...Л2 чувствительности ПИ (остальные обозначения такие
же, как и в формуле (4.1)).
4.3. Значения эффективной логарифмической спектральной ширины полосы
пропускания (Д In Х)Эф при различных спектральных интервалах и температурах
X,» мкм Z2, мкм 10» (Д 1п К)эф при Т, К мкм мкм 10® (Д In ?с)эф при 7, К
280 290 | 300 | 310 280 j 290 300 310
3 5 2,7 3,4 4,2 5,1 8 12 21 21 22 21
3 5,5 4,9 6,1 7,2 8,5 8 14 39 39 39 39
3,5 5 2,3 3,3 4,0 4,8 10 12 53 53 52 52
4 5 4,8 5,9 7,0 8,3 10 14 32 32 31 30
4 5,5 2,6 2,8 3,4 4,0 12 14 14 14 13 13
8 10 4,5 5,4 6,4 7,5
При выводе формулы (4.7) предполагалось, что объект обнаружения пред-
ставляет собой низкотемпературный плоский «серый» излучатель, имеющий по-
стоянные значения коэффициента излучения и температуры по всей поверхно-
сти, излучение фона не учитывалось. Расстояние между тепловизором и объектом
настолько велико, что последний можно считать точечным излучателем.
Пример 4.4. Вычислить по формуле (4.7) температурную чувствительность
тепловизора (используя исходные данные примера 4.3).
Дано: Do6 = 2 см; So6 = 3,14 см2; Та = 300 К; тоб = 0,8; ец = 0,9; Хх =
= 8 мкм; Х2 = 11,5 мкм (ПИ на основе HgCdTe); Ф*ор = 2 • 10~1° см-Гц*^2/Вт
1>в максимуме спектральной чувствительности);
J M^/(AfeX)max та d'K
к = \-------------------------- °.з;
М
qn = 1 мм2; Д/ = 62 кГц; умгн = 10“®.
Решение:
Хм = 2898/Тц = 9,66 мкм; Xj/ZM = 11,5/9,66 =1,19;
г (Л.а/Л,м) = 0,373; • = 8/9,66 = 0,83;
г (X/XJ = 0,142; г (Х2/Лм) - г (KjK^ = 0,23;
Хср = 9,75 мкм;
3,14 • 3 • 2 • 10-м . 9>75/10-2.62 . ю®
(дт)пор — 0j3 . 0>23 . 0>9 . ЗОО2 • 1,44 • 1С« • 0,8 • 3,14 • 10“3 • 5,67 10’12 ’
(ДПпор - °-24 К-
15. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ТЕПЛОВИЗОРОВ
При разработке и изготовлении тепловизоров процесс их испытаний сво-
дится к проверке на соответствие заданным основным метрологическим па-
раметрам и показателям, а также к проверке надежности и электробезопас-
иости.
Для измерения порога температурной чувствительности (ПТЧ) в поле
зрения тепловизора на расстоянии 1 м от его входного окна располагают на
одном уровне и в одной плоскости две кюветы с водой имеющие перепад тем-
пературы в 5...10 раз превосходящий ожидаемый ПТЧ и на 5...10 К выше тем-
пературы окружающей среды. Записывают термопрофиль через обе кюветы
(рис. 4.4). Зная разность Д7 температур между кюветами, пиковое значение
напряжения сигнала Uc, измеренное по термограмме, эффективное значение
напряжения шума также измеренное по термограмме, опре-
деляют ПТЧ по формуле
(A7’)r,op = A7’(t/mI + t/lu2)/(2t/c).
Рис. 4.4. Пример записи термо-
граммы для определения ПТЧ
Если необходимо проверить ПТЧ на соответствие заданному значению
между расположенными в непосредственной близости одна на фоне другой
кюветами, между ними устанавливают перепад температуры, равный
10 (дг)ПОр ПРИ температуре холодной кюветы на 5...10 К выше температуры
окружающей среды. Затем входное окно тепловизора закрывают фильтром
о десятикратным ослаблением в виде решетки с площадью отверстий, равной
0,1 его общей площади. Если на полу-
ченной термограмме визуально разли-
чается граница между кюветами, изме-
ренный ПТЧ считается не хуже задан-
ного.
Этот способ определения ПТЧ по
протяженному объекту зависит от субъ-
ективной оценки наблюдателей, поэтому
их показания необходимо усреднить.
Кроме того, на результаты измерений
влияет способ регистрации. Так, гра-
ницу между кюветами можно не обнару-
жить на экране ЭЛТ, но фотографируя
ее при длительной экспозиции, границу
уверенно обнаруживают благодаря ин-
тегрирующим свойствам фотоматериала.
Полезно предварительное термографирование кювет для обнаружения
и учета возможной неоднородности радиационной температуры. В качестве
покрытий применяют черный, хром, эмали АК-512, АК-243 и ХС-77 [89].
Для измерения минимальной разрешаемой разности температур (МРРТ)
перед входным окном тепловизора устанавливают фильтр с коэффициентом
ослабления k, органами управления тепловизор приводят в режим максималь-
ной чувствительности, в поле зрения его на расстоянии 1 м от входного окна
устанавливают одну из нескольких четырехштриховых мир (рис. 4.5) с наи-
меньшей пространственной частотой штрихов, за мирой на расстоянии 30...
50 мм располагают фоновый излучатель с температурой, близкой к темпера-
туре окружающей среды. Постепенно увеличивая температуру фонового из-
лучателя, записывают значение полученного перепада A7\ в момент времени,
когда штрихи различаются хотя бы двумя из
трех наблюдателей. Затем эти операции про-
водят с последующими мирами. На основании
результатов измерений (табл. 4.4) МРРТ
Рис. 4.5. Набор штриховых мир для измерения
МРРТ > 7; а = 3 ... 35 мм; ав = (З+Л) мм;
'Л = 0, 1, 2, 3 ...)
определяют по формуле (Д7)разр = еД77й, где Д7 — разность температур
штрихов и промежутков между ними, при которой штрихи различимы на
термограмме; е — коэффициент теплового излучения поверхности кюветы
и тест-объекта. Пространственную частоту fj- миры рассчитывают по фор-
муле fi — (R -f- г)/(2а). Здесь а — ширина штриха миры; R = 1000 мм — ра-
бочее расстояние; г — расстояние от входного конца до главной плоскости
оптической системы тепловизора. По данным табл. 4.4 строят простран-
ственно-частотную температурную характеристику (ПЧТХ) (Д7)разр = F (fr).
В описанной методике измерения МРРТ в качестве фонового излучателя ре-
4.4. Форма таблицы при определении МРРТ и пространственной частоты теп-
ловизора
Ширина штриха а, мм ^max * amin
Разность температур ДТ, К
МРРТ (Д7)разр, К
Пространственная частота fT
комендуется использовать кювету размерами порядка 330X250X75 мм с во-
дой (ОСТ 3 4408—82), способную медленно изменять АТ1. Для ускорения
замеров оптических характеристик разработаны методы, использующие оп-
тические фильтры с быстро регулируемым коэффициентом ослабления при
фиксированном ДТ. Фильтры выполняют в виде поворотных сеток с квад-
ратными отверстиями, устанавливаемых перед входным окном тепловизора
[54]. Для определения МРРТ можно использовать одномерный излучатель
типа тепловой клин, перед которым размещается мира, а также малоинерци-
онные фоновые или нестационарные излучатели [75].
Рис. 4.6. ЧКХ тепловизоров «Рубин-2» (а) и «Радуга-МТ» (б):
*об- кбо’ Ки< Хпр. ^пред - соответственно ЧКХ
объектива, блока обработки, индикатора, приемника, тепло-
визора, предусилителя; v —пространственная угловая час-
тота
Частотно-контрастная характеристика (ЧКХ) тепловизора строится
в виде зависимости относительного контраста Ктн от пространственного Т'^'1
или углового Q"1 периода миры (решетка с различным периодом) [27, 95].
На рис. 4.6 изображены для примера ЧКХ для тепловизоров «Рубин-2»
и «Радуга».
Для измерения температурно-частотных характеристик тепловизора,
представляющих собой зависимость МРРТ. от пространственной частоты
((ДГ)разр = <pv(v)) используют четырехштриховые тест-объекты, а для изме-
рения температурно-пространственной характеристики ((Д7')обн = <ри(ы))—
квадратные. При снятии характеристик измеряют перепад температур ми-
рой и кюветой и по негативной и позитивной термограммам используют
усредненные результаты (рис. 4.7).
При лабораторных испытаниях тепловизоров снимают также передаточ-
ную характеристику. Для аналоговых тепловизоров — это зависимость
перепада плотности почернения термограммы от фиксируемого перепада
температуры протяженного источника излучения в конкретном режиме
работы тепловизора (ДР = <ро(Д7)). Для цифровых тепловизоров, у кото-
рых термограмма может быть цветной или цифровой, под передаточной ха-
рактеристикой понимают зависимость выходного сигнала тепловизоров от
температуры протяженного АЧТ (А = <pn(7)) для заданного режима работы
тепловизора, определяемого значениями параметров термографирования
Рис. 4.7. Характери-
стики тепловизоров:
а — температурно-частот-
ная (7 — AGA-750; 2 —
«Радуга»); б — темпера-
турно-пространственная
(/ — AGA-750; 2 — «Рз-
дуга-МТ»; w — угловой
размер тест-объекта)
(уровня отсчета То и диапазона измеряемых температур Т ). Аппаратурно
добиваются линеаризации, стабильности и градуировки передаточной функ-
ции, которая может быть линейно-кусочной или линейно-ступенчатой.
Испытания тепловизора на соответствие заданной передаточной функции
заключаются в ее линеаризации и градуировке подстроечными элементами
электронного тракта при находящемся в поле зрения тепловизора одномерном
излучателе [120].
Для определения углового Да или линейного Ьх разрешения тепловизора
используют щелевую миру с коэффициентом теплового излучения е > 0,9
и регулируемой шириной щели, устанавливаемой перпендикулярно направ-
лению сканирования' с погрешностью не более 0,01...0,3 мм. Миру устанавли-
вают с зазором 20...50 мм перед фоновым излу-
чателем с температурой на 10...13 К выше окру-
жающей на расстоянии, например, R = 1 м от
входного окна тепловизора. На осциллографе
отмечают уровни сигнала тепловизора при пол-
ностью закрытой и открытой щели, затем изме-
няют ширину щели <3Щ до уровня 0,5 получаемого
сигнала. Угловое разрешение Да определяется
Рис. 4.8. Мира с клино-
образными вырезами
угловым размером щели, понижающим видеосиг-
нал до уровня 0,5. Полученные при этом угловые
размеры щели позволяют вычислить разрешение,
•определяемое по мире, состоящей из двух прямо-
угольных элементов тест-объекта, разделенных промежутком, равным их
ширине [63]. Для определения углового разрешения пользуются мирой
с клиньями (рис. 4.8), устанавливаемой перед фоновым излучателем. Предел
углового разрешения фиксируется по месту слияния на термограмме двух
клинообразных пазов. Применяют миры, в которых для проверки соответ-
ствия Да заданному значению имеется четыре группы щелей с переменным
шагом, учитывающим допуск значений углового разрешения для четырех
фиксированных расстояний перефокусировки (рис. 4.9). Круг и линии по
диагонали обеспечивают контроль геометрических искажений. Щели по пери-
метру миры отмечают поле обзора с учетом допусков для фиксированного
расстояния. Угловые размеры V поля обзора по горизонтали и вертикали
А
2(^+г)’
определяют по формуле у = arctg
где А — линейные размеры между
крайними видимыми на термограмме метками, R, г — расстояния от входного
окна тепловизора до объекта и до центра сканирующего зеркала соответственно.
За поле зрения принимают область в пространстве предметов, которая ска-
нируется тепловизором за время одного кадра.
Важнейшим параметром, определяющим метрологические возможности,
является стабильность показаний тепловизора, численно выражаемая дрей-
фом (в градусах) видеосигнала через время t0 прогрева после включения
тепловизора, которое указывается в его паспорте. При этом предполагается,
что после включения видеосигнал асимптотически приближается к некото-
рому уровню t/c0, определяемому температурой АЧТ, помещаемого в поле
зрения тепловизора. Примерный вид характеристики стабильности видео-
сигнала, соответствующий тепловизорам «Рубин-1», «Рубин-2», показан на
Рис. 4.9. Тест-объект для
проверки поля зрения, гео-
метрических искажений и уг-
лового разрешения теплови-
зоров
рис. 4.10 [103]. Регистрацию видеосигнала во
времени выполняют с помощью самописца или
по периодическим (через 5...10 мин) отсчетам
до полного испарения азота в заливном ПИ.
Величина AUC, пересчитанная в градусы, яв-
ляется мерой стабильности, а отнесенная к
единице времени — мерой дрейфа видеосигна-
ла, измеряемого в градусах на час. Время
выхода на режим измерений после включения
тепловизора определяется по моменту совпа-
дения его показаний с температурой АЧТ.
Применительно к задачам воспроизведения тепловизором мелкострук-
турных объектов разработан ряд новых критериев анализа и оценки тепло-
визионных систем [53].
16. ЭТАЛОННЫЕ ИНФРАКРАСНЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ
При тепловизионных измерениях функции эталонных источников выпол-
няют модели абсолютно черного тела, а также различные лампы и лазеры,
применяемые при калибровке приборов, имитации измерения фонов;
и целей.
В связи с отсутствием в настоящее время государственной поверочной
схемы по прямой передаче единицы Кельвина тепловизионным средствам из-
мерений низких температур, в тепловидении используется ГОСТ 8.106—80
«Государственный специальный эталон и общесоюзная поверочная схема для
средств измерений энергетической яркости и силы излучения тепловых источ-
ников с температурой от 220 до 900 К».
Переход к шкале радиационных температур осуществляется расчетным
путем по формуле Планка. Значение энергетической яркости, воспроизво-
димой государственным специальным эталоном при температуре фазовых пе-
реходов воды, олова и цинка, составляют соответственно 100,5; 1173,5 и
4151,0 Вт/(ср • м2). Эталон обеспечивает воспроизведение единицы энергети-
ческой яркости со средним квадратическим отклонением результата измере-
ний L с 0,5 • 10~2Вт/(ср • м2), у вторичного эталона L с 0,5 • 10~2Вт/
(ср -м2). Образцовые средства измерений 1-го и 2-го разряда имеют соот-
ветственно доверительную относительную погрешность бос 3 • 10-2 и 60с
С 9 • 10~2 для энергетической яркости. В качестве рабочих средств измере-
ний применяют излучатели с энергетической яркостью 40...12000 Вт/(ср • м2),
радиометры-яркомеры в диапазоне энергетической яркости 40....12000 Вт/
(ср • м2), излучатели с силой излучения 1 • 10~4...3,5 Вт/ср, радиометры
и приемники ИК излучения в диапазоне силы излучения 1 • 10~4...3,5Вт/ср.
Для рабочих средств измерений допускаемая относительная погрешность
б0= (3...50Н0-2. Соотношение погрешностей образцовых и рабочих средств
измерений должно быть не более 1 : 3.
При передаче единицы энергетической яркости от государственного спе-
циального эталона образцовым и рабочим ИК излучателям используется ме-
тод прямого измерения радиометрами-яркомерами и метод сличения радио-
метрами-компараторами. При прямом методе измерений по градуировочной
кривой радиометра и его реакции на излучение находят яркость градуиру-
емого излучателя. Метод сличения — более точный. Компаратором для эта-
лонной установки АЧТ-419 (температура затвердевания цинка — 419,58 ±
± 0,03 °C) является радиометр РАД-ЗС с поворотным устройством, предназна-
ченный для передачи единицы энергетической яркости рабочему эталону
ИРЭ-60Н. В эталонном излучателе АЧТ-01 используется температура трой-
ной точки воды (0,01 ± 0,0002 °C), а в АЧТ-232 — олова. Радиометр-ком-
паратор типа РАД-3 используется при непосредственном сличении рабочего
эталона с поверочными излучателями [6, 8].
Одними из первых были метрологически аттестованы как образцовые
средства измерения температуры низкотемпературные излучатели РП-728
и РП-729, воспроизводящие тепловое поле в виде круга 50 и 100 мм в диапа-
зоне от 26 до 36 °C при 11 фиксированных уровнях температуры [120]. Атте-
стацию проводили на установке УВС-1М непосредственным сличением этих
излучателей энергетической яркости с яркостью рабочего эталона ИРЭ-60Н
с помощью радиометра-компаратора РАД-ЗН методом замеиечия. Погреш-
ность не превышала 0,2 К на уровне 30 °C. Создан и рабочий эталон ИНЭ-1
с прямым измерением температуры [7].
Для выполнения операций сличения образцового и рабочих ИК излу-
чателей по энергетической яркости, определения неравномерности излуче-
ния по площади, получения теплопортрета излучателя, его изотермических
зон, времени выхода на режим и других параметров разработан стенд типа
Р2К (рис. 4.11) на базе тепловизора «Рубин-2» и преобразователя аналого-
вой термограммы в дискретную типа «Квантователь». Электронный тракт
тепловизора доработан с целью уменьшения нелинейных искажений, в его
зеркальный объектив введена кольцевая бленда, конструкция дополнена
интегрирующим звеном, вертикальным и горизонтальными приводами ска-
нирования, осциллографом, самописцем. Преобразователь «Квантователь»
в составе стенда использован без доработок.
Стенд Р2К может работать в пяти режимах: радиометрии, термографи-
ровании кадра за время 1 мин, сканировании вертикальной строки с часто-
той 1/150 Гц, сканировании вертикальной строки с периодом 1 мин, сканиро-
вании горизонтальной строки с периодом 1 мин. Стенд дает возможность
получать аналоговую или цифровую (квантованную на 5 или 10 уровней) тер-
мограмму, регистрировать вертикальный или горизонтальный термопрофиль.
При этом порог температурной чувствительности достигает 0,03 С.
Через сканирующее зеркало и объектив ИК излучение, прерываемое
с частотой 1360 Гц зеркальным модулятором, поступает через германиевый
конденсор на охлаждаемый жидким азотом ПИ, представляющий собой фото-
резистор из антимонида индия с размерами ЧЭ 0,15 X 0,15 мм. Сигнал через
малошумящий предусилитель и полосовой фильтр с полосой 1360 ± 31)0 1ц
поступает на основной усилитель, где усиление регулируется калиброванным
аттенюатором диапазона регистрируемых температур, а фаза сигнала , азо-
регулятором для обеспечения работы синхронного детектора. В предусилите-
ле через дифференциальный вход осуществляется вычитание из сигнала по-
стоянной составляющей, т. е. формирование уровня отсчета температур.
производится по каналу синхронизирующих импульсов, получаемых с син-
хродатчика с частотой 1360 Гц, через синхроусилитель, формирователь опор-
ных импульсов и аттенюар уровня отсчета температур. Нижний уровень
сигнала формируется от встроенного ИК излучателя, термостабилизируемо-
Рис. 4.11. Функциональная схема стенда Р2К для контроля ИК излу-
чателей:
1— аттенюатор диапазона; 2 — фазорегулятор; 3 — предусилитель; 4 — полосовой
фильтр; 5 — основной усилитель; 6 — синхронный детектор; 7 — интегрирующее
звено; 8 — фильтр-пробка; 9 — приемник излучения; 10 — аттенюатор уровня отсчета
температур; 11 — формирователь опорных импульсов; 12 — дополнительное интегри-
рующее звено; 13 — регулятор температуры; 14 — конденсор; 15 — синхродатчик;
16 — синхроусилитель; 17 — осциллограф: 18 — стрелочный индикатор: 19 —самопи-
сец; 20 — встроенный ИК излучатель; 21 — линза; 22 — модулятор; 23— привод
модулятора; 24 — датчик строчный; 25 — синхронизатор; 26 — электрохимический
регистратор; 27 — функциональный усилитель; 28 коммутатор; 29 — бленда; 30 —
объектив; 31 — привод строчный; 32 — муфта; 33 — ручной привод; 34 — визир; 35 —4
сканирующее зеркало; 36 — привод кадровый; 37 — вертикальный привод сканиро-
вания; 38 — горизонтальный привод; 39 — полутоновой датчик; 40 — датчик кадро-
вый; 41 — дискретизатор; 42 — формирователь изотерм; 43 — переключатель; 44 —
источник опорных напряжений; 45—коммутатор линейки резисторов; 46—сумма-
тор; 47 — формирователь сигналов перегрузки
го регулятором температуры. Вследствие конечного значения допусков на
симметрию четырехпластного модулятора и неидентичности коэффициента
отражения каждой из лопастей на выходе синхронного детектора появляется
паразитная модуляция сигнала с частотой 1360/4 = 340 Гц, подавляемая
фильтром-пробкой, ограничивающим порог температурной чувствительности.
Для улучшения работы фильтра к имеющемуся интегрирующему звену может
вводиться дополнительное звено в случае работы в режиме радиометра или
медленной регистрации термопрофилей самописцем (типа Н392) через
согласующий каскад. Сигнал можно наблюдать и измерять осциллографом
или стрелочным индикатором; возможно подключение вольтметра. Коммутатор
во время холостого хода сканера по строке обеспечивает от' полутонового
датчика получение дискретной десятиуровневой шкалы плотностей на электро-
химической бумаге типа ЭХБ-4, а во время обратного хода по кадру — полу-
чение гасящего импульса от датчика кадров. Переключателем сигнал пропус-
кается через преобразователь «Квантователь» и поступает на функциональ-
ный усилитель с нелинейной передаточной функцией, учитывающей нелиней-
ность зависимости оптической плотности бумаги ЭХБ-4 оттока записи через
нее. Термограмму получают в электрохимическом регистраторе, синхро-
низируемом со сканером через синхронизатор, строчные датчик и привод,
который может отключаться через муфту, подключающую ручной привод
или вертикальный привод сканиро-
вания. Для получения дискретной
термограммы, позволяющей обнару-
живать неизотермичность АЧТ и ви-
зуально ее наблюдать, в работу вклю-
чается «Квантователь» й сигнал через
дискретизатор, имеющий источник
опорных напряжений, поступает на
формирователь изотерм, которые на
термограмме могут быть белыми или
черными (для уверенного наблюдения
Рис. 4.12,. Схема классификации изме-
рительных ИК излучателей:
1 — измерительные; 2 — криогенные; 3 — вы-
сокотемпературные; 4 — низкотемператур-
ные; 5 — точечные; 6 — протяженные; 7 —
полостные; 8—планарные; 9 — функциональ-
ные; 10—серые; 11 — селективные; 12—неста-
ционарные; 13—одномерные; 14—двухмерные
на сером фоне). Одновременно сигнал поступает на коммутатор линейки рези-
сторов, формирующей дискретную термограмму, на которую в сумматоре
накладываются сигналы изотерм. Формирователь сигналов перегрузки гене-
рирует на термограмме штриховые зоны в местах, где сигнал выходит за
пределы динамического диапазона.
Стенд Р2К имеет поле обзора 20x15°, мгновенный угол зрения 7', диа-
пазон перефокусировки 0,4 м...оо, порог температурной чувствительности
0,03...0,1 °C (в зависимости от скорости сканирования).
Большое разнообразие существующих измерительных излучателей
и терминов, употребляемых для их обозначения, потребовали их дальнейшей
классификации. Так, различают излучатели высокотемпературные, точеч-
ные, протяженные, серые, селективные, полостные, планарные. Имеются
излучатели типа температурный клин», у которых температура или энерге-
тическая яркость изменяется по длине монотонно или дискретно, т. е. зависит
от одного параметра — длины. Излучатели с энергетической яркостью, за-
висимой от длины, называют одномерными. Существуют и излучатели, в ко-
торых энергетическая яркость зависит и от двух координат — длины и ширины-
(например, теплопортрет или модель ИК излучения интегральной микросхемы).
Протяженный излучатель с энергетической яркостью, изменяющейся по двум
координатам, называют двухмерным. Координаты могут задаваться в прямо-
угольной или полярной системе.
Излучатели с энергетической яркостью, изменяемой во времени по задан-
ному закону, необходимы в связи с наметившейся тенденцией применения
тепловизоров в термохронографическом режиме для исследования и имитации
динамики тепловых процессов объекта, для измерения временной разрешаю-
щей способности, под которой понимается минимальный тепловой импульс,
регистрируемый тепловизором. I
Так как один и тот же излучатель (в зависимости от расстояния, <; кото-
рого производится наблюдение) может быть и точечным, и протяженным, за
критерий при классификации (рис. 4.12) принимают его угловые размеры.
Если угловые размеры излучающей поверхности превосходят мгновенный
угол зрения тепловизора в десять и более раз, излучатель считают протя-
женным.
В табл. 4.5 приведены основные параметры моделей АЧТ, применяемых
при испытаниях тепловизоров.
4.5. Параметры АЧТ, применяемых при испытаниях тепловизоров
Параметр АЧТ «Рубин-2» АЧТ «Радуга* АЧТ «ИТ-80У* АЧТ «ИТ-80Д» АЧТ-КИ-1
Число излучающих поверхностей 1 2 1 1
Формы излучающей поверхности Круг Два квадрата Квадрат Квадрат Два круга
Площадь излучающей поверхности, см2 13 225 81 150 12,5
Диапазон воспроизво- димых температур, °C Время выхода на ре- жим, мин: 29 ... 39 20 ... 80 26 ... 85 26 ... 80 30 ... 40
при нагреве 5 15 2 3 5
при остывании 15 30 5 10 12
Нагреваемая масса, г 130 1200 160 180 —
Основная погрешность воспроизведения тем- пературы 2-Ю-2 2-Ю"2, 0,5 и 1,5-10-2 3-Ю"2 1-10-2
Относительная нерав- номерность энергети- ческой яркости по- вепхности — 0,33-ю-2
Дискретность уста- новки, °C 1 1; 10 1; 5 1 ... 30 2. 3; 5
В комплект тепловизоров «Рубин-2» и «Янтарь-МТ» входит одноэлемент-
ный излучатель АЧТ «Рубин-2» (рис. 4.13). Он состоит из собственно излу-
чателя и электронного блока, соединенных между собой кабелем длиной
1,5 м. Излучающая поверхность выполнена в виде круга из алюминиевого
сплава типа АМГ, имеющего концентрические треугольные канавки глуби-
ной 5 мм с покрытием. На обратной стороне круга имеется канавка в виде
спирали, куда укладывают нихромовый провод нагревателя, закрепляя его
с помощью гипса. В центре круга в углублении размещается полупровод-
никовый терморезистор типа СТЗ-19-2,2 к, заливаемый сплавом Розе для
обеспечения теплового контакта. Сверху на нагреватель наклеивают плати-
новый термометр сопротивления ИС-568; всю конструкцию размещают в ци-
линдрическом кожухе..
Электрическая схема состоит из моста переменного тока, датчика темпе-
ратуры R13, аттенюатора R9, усилителя рассогласования А1, фазочувстви-
(гельного регулятора на транзисторах Vll, V12, питающего полуволнами на-
пряжения через диод V13 нагреватель R14. Имея хороший тепловой контакт
с излучающей поверхностью, термометр R12 позволяет контролировать тем-
пературу в процессе настройки излучателя. Так как измерительный мост
(уравновешен, колебания питающего напряжения не оказывают значительного
Влияния на точность поддержания температуры.
Ззлучатель необходимо периодически проверять, так как со временем
дается уход температуры относительно заданной, что объясняется про-
цессом старения термодатчика. Схема, изображенная на рис. 4.13, исполь-
зовалась и для построения 10-элементного ИК излучателя, имеющего 10 ка-
налов регулирования температуры. Каждая из излучающих поверхностей
такого излучателя имеет площадь 65 см2, диапазон дискретно задаваемых тем-
R3
К
0225
R62W
Г RftHC-SSd “1
° !
У9ДВШГ__
ИНС-!
R5 2к
СО
500
Рис. 4.13. Принци-
пиальная электри-
ческая схема излу-
чателя к теплови-
зору «Рубин-2»
500
7x~va
500
V/ОДОЯГ
<TC2 -
500
~220В
V5-V3
Д226
R72W
R0 2к
УТЗД226'
£+—
vnnsos
Vf2KT5055
RH
3,6
кю\
12к\
0,033 _
Температура
R8
\R9-
/00 2,1k
ператур — (30...80) °C. Остальные параметры такие же, как и одноэлемент-
ного излучателя. Излучатель применяется для контроля линейности переда-
точного коэффициента тепловизоров; настройки их информационно-измери-
тельного канала.
Тепловизоры «Алмаз», «Радуга-МТ», «Радуга-АТ», «Радуга-2» комплек-
туются двухплощадным ИК излучателем (рис. 4.14,а). В него входят два кана-
н излучателя КИ-1 (б)
Канал 2
а
ла регулирования для каждой излучающей поверхности. Последние имеют
форму квадрата 150X150 мм и выполняются из плиты толщиной 20 мм алю-
миниевого сплава АМГ2М с покрытием. В полость плиты вкладывают намо-
танный на текстолитовый корпус нагреватель из константановой проволо-
ки; нагреватель дополнительно пропитывают электроизоляционным лаком,
после чего заливают сплавом Розе для обеспечения теплового контакта с пли-
той, имеющей отверстие для полупроводникового терморезистора. Для замера
температуры наклеивают термометр сопротивления ИС-568А. Термически
обе плиты, находящиеся в одной плоскости, изолируют одну от другой
зазором 3 мм. В первых моделях АЧТ «Радуга» имелся радиатор для про-
точной воды, охлаждающий излучатель до температур ниже окружающей
среды. Однако он увеличивал теплопроводность между двумя излучающими
поверхностями, что при значительной разности температур между ними
ухудшало изотермичность поверхностей и стабильность температуры.
Стабилизатор 1 питает мост постоянного тока 7, в плечи которогЬ вклю-
чены термодатчик 3 и аттенюатор 6, выполненный из двух переключателей иа
11 положений. Сигнал с диагонали моста 7 подается через дифференциальный
усилитель 8 на компаратор 9, ко второму входу которого подключен источник
переменного напряжения 5. По сигналам компаратора срабатывает тиристор-
ный регулятор 10, нагруженный на нагреватель 2, находящийся в тепловом
контакте с термометром сопротивления 4, по показаниям которого и подстра-
Рис. 4.15. Структурная схема излучателей ИТ-80У и ИТ-80Д из модульного
ряда «Излучатель»
ивают резисторы в плечах моста 7 для каждого из 21 положений аттенюатора
6. Возможна его настройка и по энергетической яркости при наличии стен-
да для сличения излучателей.
В комплект тепловизора ТВ-03 входит ИК излучатель типа КИ-1, име-
ющий две рабочие поверхности диаметром 40 мм каждая и электронный блок.
Температура одной поверхности равна 30 °C, на второй поверхности темпе-
ратура может быть 32, 35 и 40 °C при точности установки ± 0,2 °C. Местопо-
ложение излучающих поверхностей меняется с помощью телескопических
кронштейнов. Шероховатая излучающая поверхность покрыта эмалью
ПФ-19М и принадлежит медному нагреваемому сердечнику.
Структурная схема КИ-1 изображена на рис. 4.14,6 и представляет со-
бой замкнутую систему автоматического регулирования с термодатчиком 5,
включенным в мост с задатчиком 4, сигнал с которого через усилитель рас-
согласования 1 подается на тиристорный регулятор 2, нагружаемый на на-
греватель 3, термически связанный с сердечником 6 и излучающей поверхно-
стью излучателя.
Для тепловизора АТП-44М также разработан ИК излучатель с двумя
излучающими поверхностями, имеющими независимую регулировку темпе-
ратуры. Он предназначен для калибровки и проверки тепловизора в процессе
эксплуатации. Собственно ИК излучатели и их электронный блок крепят на
легком штативе.
При построении измерительных ИК излучателей целесообразно исполь-
зовать модульные конструкции. На рис. 4.15 изображена структурная схема
трех модулей (диапазона, уровня и управления), комбинации из которых по
два образуют два типа планарных излучателей: ИТ-80У'— для калибровки
уровня отсчета температур тепловизоров, ИТ-80Д — одномерный излучатель
для калибровки диапазона регистрируемых температур. Модуль управления
III может работать с модулем уровня / или модулем диапазона //. Габарит-
ные размеры последних модулей 195 X 220 х 352 мм, а первого — 195 X
X £28 X 352 мм. Создан и высокотемпературный модуль уровня, образую-
щий с модулем управления излучатель ИТ-200. Перечисленные излучатели
образуют- модульный ряд «Излучатель».
Модуль уровня I состоит из двух платиновых термометров сопротивле-
ния 1 и 3 типа ИС-568, датчика температуры 2, аттенюаторов 25 и 4, трансфор-
матора 6 н вентилятора 5 .В модуле диапазона II термометры сопротивления 10,
12 перекоммутируются по схеме измерения разности температур холодного
и горячего концов или измерения температуры последнего датчиком 8. Из-
мерительный мост, образованный термометрами сопротивления’ 10, 12 и атте-
нюаторами 25, 4, соединенными с модулем
II разъемом 20, запитывается от синхронизи-
руемого сетью генератора пилообразного на-
пряжения 21. Сигнал с частотой 100 Гц с вы-
хода моста подается на усилитель 24 перемен-
ного напряжения и далее на управляемый
формирователем меандра 18 синхронный де-
тектор 23, откуда выделенная постоянная со-
ставляющая сигнала рассогласования сравни-
вается компаратором 19 с пилообразным на-
пряжением. В момент равенства указанных
напряжений формирователь импульсов 17
через тиристорный регулятор 14 подает ток
на индикатор 15 выхода на режим и на транс-
форматор 7, во вторичную обмотку которого
включена излучающая поверхность 11. Пита-
ние и синхронизация всей схемы осуществляетси от блока питания, 22. Для ус-
корения процесса остывания излучающей поверхности при больших перепадах
температур, задаваемых аттенюаторами 25, 4, в схему введен вентилятор 5
с пороговой схемой управления 16, которая включает вентилятор лишь при
4.16. Основной модуль
Рис.
модульного ряда «Излуча-
тель»
определенной полярности и амплитуде сигнала рассогласования с синхронного
детектора. Для ориентировочного измерения температуры излучающей поверх-
ности имеются контрольные датчики температуры 13 типа ИС-568, позволяю-
щие оценить в модуле диапазона температуру холодного и горячего концов.
На рис. 4.16 схематически показана конструкция основного модуля мо-
дульного ряда «Излучатель», в котором в качестве излучающей поверхности
используется токопроводящая лента. Обмотку 1 трансформатора 2 питают
от сети 50 Гц, 220 В через тиристорный регулятор, работающий по сигналам
датчиков температуры 3. Токоваи шина 5 и лента нагревателя 4 образуют
замкнутый виток, в котором токи достигают сотен ампер.
Излучатели с ленточным нагревателем имеют минимальную нагревае-
мую массу, и, следовательно, малое время выхода на режим /Б, позволяющее
строить нестационарные излучатели. Для сравнения параметров многочис-
ленных конструкций излучателей предложен коэффициент эффективности
= ^„/(VU,
где о — площадь, излучающей поверхности; Тд — диапазон воспроизводимых
температур; у — относительная погрешность воспроизведении температуры.
Покрытие для планарных излучателей должно иметь хорошую тепло-
проводность В противном случае поток воздуха за счет конвекции вдоль
излучающей поверхности приводит к неравномерности энергетической яр-
кости. Температура верхней части излучателя оказывается выше нижней.
Так для покрытия АК-243 на меди перепад может достигать 0,1...0,3 С на
.уровне 35 °C в зависимости от толщины покрытия. С ростом температуры
излучателя растет и неизотермичность.
Глава 5
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОВИЗОРОВ
17. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ
ГТосле создания первых тепловизоров длительное время считалось до-
1 ^статочным качественное наблюдение теплоизлучающих объектов.
Затем появилась необходимость количественного измерения температуры
объектов по получаемым термограммам.В настоящее время применение тепло-
визоров для дистанционного измерения температурных полей является од-
ним из важных приложений тепловидения, используемых при неразру-
шающем контроле различных объектов.
Измерить истинную температуру нагретого тела с помощью тепловизора
сложно. Практически измеряются не истинную (7), а так называемую ради-
ационную (7Е) температуру — температуру абсолютно черного тела, при
которой его энергетическая светимость Ме равна энергетической светимости
нечерного излучателя с коэффициентом теплового излучения е (7).
На основании закона Стефана-Больцмана Ме = е (Т) оТ4 = о7Е , откуда
~ Т е (7). Величина 7Е определяется по показаниям тепловизора, отгра-
дуированного по черному телу.
Такой способ измерения радиационной температуры применяют в тех
случаях, когда в тепловизоре используется неселективный ПИ (например
пирикон). При этом относительная методическая погрешность 67 = (.7 —
- 7е)/7= 1 -/е(7).
Величина 67 зависит от коэффициента теплового излучения, знание
которого и его зависимость от температуры необходимы для правильной ин-
терпретации результатов измерений и количественной оценки температуры
тела.
Влияние отраженного объектом излучения окружающей среды на опреде-
ляемую температуру учитывают, вводя эквивалентный коэффициент теплового
излучения еэ = е (1 — е) TiOKp/Ti [59], где 7окр — температура окружающей сре-
ды.
Если 7 - 70Кр « 7, то еэ as 1 — (1 — е) 4 (7 — 7окр)/7.
Другой способ измерения температуры основан на определении энерге-
тической светимости тела в ограниченном спектральном диапазоне. Он при-
меняется тогда, когда в тепловизоре используется селективный ПИ. Если
спектральный диапазон чувствительности приемника Хр.-.Ха достаточно уз-
кий, то воспринимаемое тепловизором инфракрасное излучение объекта мож-
но считать монохроматическим с длиной волны Хср = (Х2— XJ/2. При этой
длине волны измеренная температура объекта будет равна температуре чер-
ного тела, имеющего такую же энергетическую яркость, что н объект. Эту
температуру называют яркостной.
Приса/(Хср7) > 1 соотношение между яркостной и истинной температурой
объекта имеет вид
1/7я«1/7-(Хср/Са)1п(Хср7). (5.1)
Если спектральный диапазон чувствительности К . ., Ха широкий, в фор-
мулу (5.1) следует вместо Хср подставлять величину
К
f ПК T)SKdk
4______________________
f ПК T)SHdh/K
ь,
где .S\ — спектральная характеристика ПИ и оптического фильтра; L (X, Т) —
спектральная яркость объекта. Относительная методическая погрешность изме-
рения
fi? = (Т- Тя)/Т = —Хэф Гя [In в(\ф, Т)]/С2.
Таким образом, при обоих способах тепловизионного измерения темпе-
ратуры нагретого объекта не устраняется влияние коэффициента теплового
излучения. Расчеты показывают [27], что если поверхность объкта имеет,
например, температуру 300 К и коэффициент теплового излучения в = 0,5,
то при отклонении коэффициента е на величину Де = 0,01 (Де/е = 2 %)
выходной сигнал тепловизора будет соответствовать температуре, отличаю-
щейся от 300 К на 0,6 К- С ростом коэффициента теплового излучения погреш-
ность Д7 измерения температуры уменьшается, но даже при е и 1 и Де/е =
= 1 % остается значительной (ДТ'зоо^— 0,3 К; °’4 К; Л^гск ~
0,55 К) и превышает разрешающую способность по температуре современ-
ных тепловизоров.
Тепловизионные измерения температуры нагретых объектов проводят
двумя способами: дифференциальным и непосредственным. В одних слу-
чаях важно знать непосредственное значение радиационной или яркостной
температуры, в других требуется определить лишь перепады этих температур
по поверхности объекта.
С учетом конструктивной сложности дифференциальные измерения ап-
паратуры выполняются проще, так как не требуется стабильность уровня
видеосигнала вследствие дрейфа нуля усилительного тракта, влияния низко-
частотного шума приемника излучения и т. п. Пример дифференциальных
измерений — определение тепловизором уровня жидкости в железнодорож-
ных цистернах по линии перепада температуры на их поверхности.
При дифференциальных измерениях местоположение уровня отсчета
видеосигнала на шкале температур не определено и его измеряют как разность
между двуми величинами. Точки нли зоны выборок видеосигнала на термо-
грамме определяют в зависимости от конкретных задач. При этом одну из
точек илн зону принимают за опорную и по отношению к ней оценивают пе-
репады температур.
Дифференциальные измерения делятся на сравниваемые с нормой или
с эталонным термопортретом, выполняемые визуально или с помощью ЭВМ.
Сравнение с нормой представляет собственно допусковый тепловой контроль,
а сравнение с теплопортретом — задачу по обработке изображений. В пер-
вом случае сравнивают двумерное изображение с заданной константой, во
втором — два двумерных изображения.
При измерениях различают цифровые (дискретные) и числовые термо-
граммы. Цифровые термограммы получают квантованием аналогового видео-
сигнала в цифровых тепловизорах илн с помощью соответствующих преобра-
зователей. При работе тепловизора с ЭВМ числовая термограмма получает-
ся, например, в виде массива цифр, адекватного объекту на ленте цифропе-
чатающего устройства илн образа термограммы, записанной на магнитную
ленту или перфоленту.
Непосредственные измерения проводят при контроле температурных ре-
жимов элементов радиоэлектронной аппаратуры, узлов авиационных двига-
телей и т. д. Такие измерения делятся на прямые и выполняемые путем сли-
чении. При прямых измерениях уровень отсчета температур формируется за
счет опорного сигнала, образуемого в самом тепловизоре. При измерениях
путем сличения точка отсчета формируется за счет опорного сигнала вне теп-
ловизора.
Измерения сличением широко применяли в первых моделях тепловизо-
ров и иногда применяют в современных моделях, где уже преобладают пря-
мые измерения. Сущность измерения сличением заключается в том, что рядом
с объектом в поле зрения тепловизора помещают эталонный инфракрасный
излучатель с известной температурой. Совместно термографируя объект и из-
лучатель по величине сигналов от них судят о распределении температур по
поверхности объекта. Оценка величины сигнала в одном из трех режимов
Рис. 5.1. Схема компенсации дрейфа ви-
деосигнала
радиометрическом, сканирования строки или кадра — ведется непосредствен-
но по яркости или цвету термограмм, изотерм различного типа или по инди-
каторам (стрелочный прибор, осциллограф, цифровой измеритель сигнала,
генератор термопрофилей и т. п.), т. е. отсчет измеряемой температуры ведет-
ся по изображению и по индикатору. Наибольшая точность измерения дости-
гается при равенстве опорного (от эталонного излучателя) и измеряемого (от
объекта) сигналов. Для остальных точек динамического диапазона сигнала
точность измерения уменьшается. Предварительно тепловизор градуируют
в пределах предполагаемой амплитуды сигнала от объекта. Для этого в поле
зрения тепловизора помещают АЧТ с температурой Т1 и регистрируют уро-
вень сигнала от. него. Далее изменяют температуру АЧТ до Т2 и по регистра-
тору отмечают вторую реперную точку. В пределах ДТ — Тг— Тг считают
шкалу индикатора линейной, что достаточно справедливо лишь при неболь-
шой ДТ, в связи с нелинейной зависимостью энергетической яркости АЧТ
от его температуры. Как правило, такая калибровка осуществляется после
включения тепловизора и достаточно длительного прогрева элементов его
конструкции. Далее калибровку
периодически повторяют, так как
измерение сличением носит харак-
тер лабораторных экспериментов.
Для уменьшения погрешности из-
мерения сличением вместо' АЧТ
используют протяженный ИК из-
лучатель в виде теплового анало-
гового или дискретного клина.
Дискретный десятиэлементный те-
пловой клин с температурами от
85 до 100° F (29,4—37,7 °C) ис-
пользовался в одном из первых
зарубежных тепловизоров фирмы «Барнс». Этот клин также необходимо было
после 30-минутного прогрева термографировать совместно с объектом и,
сравнивая оптическую плотность участка клина и объекта, оценивать зна-
чение температуры.
При измерении температуры сличением особых метрологических требо-
ваний к видеоканалу не предъявляется. При переходе на примые измерения
в новых моделях тепловизоров необходимо было переработать виедоканал,
что привело к его превращению в измерительный или информационно-изме-
рительный канал. Основное требование к последнему: стабильность коэффи-
циента передачи (так как он непосредственно определяет точность измерения)
а также формирование стабильной или известной точки отсчета уровня видео-
сигнала. При прямых, измерениях отсчет температуры также проводят по
изображению и по индикатору.
При создании измерительного канала наиболее важной задачей является
уменьшение дрейфа видеосигнала до величины, соизмеримой с порогом тем-
пературной чувствительности тепловизора. Для этого применяют ряд мер.
Одной из них является введение в состав тепловизора оптического прерыва-
теля, с помощью которого поток излучения объекта сравнивается с потоком
встроенного черного тела. Чем ближе к. входу оптического канала вводится
поток черного тела, тем выше точность калибровки, так как при этом учиты-
вается излучение элементов оптической системы.
По периодичности ввода потока черного тела различают построчную,
надкадровую и покадровую калибровку, для чего используют время обрат-
ного, или нерабочего хода при сканировании. С увеличением частоты автока-
лнбровки уменьшается мощность низкочастотного шума ПИ, проникающего
в видеосигнал.
Если такое устройство не обеспечивает необходимой точности измерения,
применяют электронную схему компенсации дрейфа сигнала, которая позво-
ляет при постоянной температуре черного тела изменять уровень отсче,а тем-
пературы тепловизором [79]. Схема состоит из прерывателя 1 (рис. 5.1),
который периодически подает на приемник излучения 2 потоки Фо5, Фо от
объекта и черного тела, ключа 5, предусилителя 4, усилителя 6 сигнала
рассогласования и запоминающего конденсатора 3. Прерыватель и ключ рабо-
тают синхронно, причем когда на ПИ падает поток Фо, ключ замкнут, а когда
поток Фоб— ключ разомкнут. Поток Фо подается на приемник во время не-
рабочего хода сканирующего луча; в этом случае выходное напряжение Uc
предусилителя равно постоянному (опорному) напряжению Ue и не зависит
от сигнала с ПИ. Обозначая АД— входное напряжение предусилителя, 1/к—
напряжение на зажимах конденсатора, и, полагая, что коэффициент уси-
ления предусилителя kx значительно меньше коэффициента усиления k2 уси-
лителя рассогласования, получим равенства:
"с = МД; АД^ТД-Д; Дк = ДДД2 = Д (Дс — До),
|откуда
Д ~ ДЦЛ1 + ДД) + Д ДД/О + ДД)-
При больших значениях k2 Дс= Uo. Таким образом, когда на ПИ падает
известный поток Фо от черного тела, на выходе предусилителя 4 появляется-
напряжение Uo, не зависящее от напряжения Un на приемнике.
При размыкании ключа 5 на конденсаторе запоминается значение напря-
жения Uk- Относительно уровня этого напряжения на вход предусилителя
попадает сигнал от приемника, вызванный потоком излучения от объекта Фоб.
Изменяя опорное напряжение Uo, можно, не меняя температуру черного-
тела, изменять уровень отсчета выходного сигнала Д, т. е. уровень отсчета-
измеряемой температуры.
Данное устройство было испытано в тепловизоре с ПИ на основе InSb
(охлаждение жидким азотом) с температурным разрешением 0,1 °C. При час-
тоте прерывателя 6 Гц дрейф сигнала, п ересчитанный в значение температу-
ры, не превышал 0,1 °C [70].
Для уменьшения погрешности измерения температура -черного тела-
должна быть близкой к среднему значению диапазона измеряемых темпера-
тур. Знак опорного напряжения До выбирается в зависимости от того, в мень-
шую илн большую сторону относительно температуры черного тела выбирается-
уровень отсчета.
К измерительным тепловизорам применимы метрологические понятия
и определения, используемые в другой измерительной аппаратуре.
Абсолютная погрешность &Т тепловизионных измерений выражается
в единицах измеряемой величины и является именованным числом. При
градуировке тепловизора по шкале температур обозначается &ТЪ°С; при гра-
дуировке по энергетической яркости черного тела АД, Вт/(см2 • ср).
Относительная погрешность 8Т тепловизионных измерений выражается,
в долях или процентах значения измеряемой величины. При градуировке
по шкале температур или энергетической яркости обозначается соответствен-
но и 6Д. Подставляя в выражение Ме— оТ'! значение Ме= ttLe для по-
лусферы, получаем Д—оТ^/л. Так как &LelLe= &Т/Т = 6TS, то
6Д,= 46 Д.
Для большинства тепловизоров измеряемую величину Тх можно пред-
ставить- в виде Тх= Ту ± kT^, где k — коэффициент пропорциональности-
Следовательно, погрешность измерения температуры зависит от погреш-
ности измерения уровня отсчета температур 7Д и погрешности измерения
диапазона регистрируемых температур TR.
Диапазоном регистрируемых температур Т? считается перепад темпера-
тур АЧТ, которому соответствует сигнал, укладывающийся в пределы динами-
ческого диапазона тепловизора.
За уровень отсчета температур Ту принимается температура АЧ1,
сигнал от которого не выходит за пределы динамического диапазона тепло-.
. визора при заданном диапазоне регистрируемых температур. Величина /у
используется как опорная точка в процессе отсчета температур.
Различают диапазон наблюдаемых температур £>ти и диапазон из-
меряемых температур DT И. За величину £>т н принимают максимальное
и минимальное значения температур АЧТ, термографируемых одновременно
или разновременно н вызывающих сигнал, соответствующий экстремаль-
ным границам динамического диапазона тепловизора. Величиной DT и
считается максимальное и минимальное значения температур АЧТ, измере-
ние которых тепловизором возможно с точностью, укладывающейся в пределы
заданной погрешности измерений.
В тепловизионных измерениях применяют также такие параметры, как
•последовательность устанавливаемых значений уровня отсчета и диапазона
измеряемых температур, погрешности измерения температуры окружающей
среды и поддержания уровня привязки, время выхода на режим измерений,
частоту и время-автокалибровки измерительного канала и др. (табл. 5.1).
5.1. Основные параметры измерительных тепловизоров отечественного произ-
водства
Параметр «Рубин-1» н «Рубин-2» «Рубин-3» («Факел») «Алмаз» «Радуга- МТ» «Раду- га-АТ» «Раду- га- » ТВ-03
Абсолютная погреш- ность, °C — ±0,5 1 1 1 — —
Относительная по- грешность, % — — — — — 5 ±5
Диапазон регистрируе- мых температур, °C 25 50 35 35 35 35 80
Уровень отсчета тем- ператур, °C — 0—100 20—200 0—200 0—200 — —
Диапазон наблюдае- мых температур, °C 20—200 20—600 20—200 0—200 0—200 0—20 20—200
Ди шазон измеряемых температур, °C — 10—50 25—50 25—50 25—50 20—80 25-50
Пределы значений уровня отсчета; шаг, — 0;1; 10 1 1;2; 10 1;2; 10 1 —
Пределы значений диапазона регистри- руемых температур, °C 1; 10 — 1; 2; ЗхЮ 1; 2; зхю — —.
Погрешность поддер- жания уровня привяз- ки, °C 0,3 0,1 — 0,2 0,2 0,2 —
Уровень привязки, °C . 35 г0 — 35 35 35 —
Время выхода на ре- жим измерений, мин 60 10 30 30 30 30 —
Частота автокалибров- — 6 150 25 25 25 200
Время калибровки, мкс — 104 185 185 185 185 —
Относительная нерав- номерность сигнала по каналам, % * to — температура окружа ющей сре ды. 0,5 0,5 0,5 0,5
Контроль качества сборки статоров электрических машин. В СССР впер-
вые в мире разработан способ неразрушающего контроля качества сборки
активной стали статоров мощных электрических машин (турбогенераторов
электростанций) в процессе их изготовления и профилактического ремонта.
Этот способ позволяет определить места статора, где нарушена изоляция меж-
ду листами активной стали. Дефектные участки имеют температуру, отличаю-
щуюся на несколько градусов от других участков статора, что обнаруживается
специально созданным тепловизором—дефектоскопом «Статор-1» (см. па-
раграф 7, рис. 2.22).
Поток излучения с внутренней поверхности статора фокусируется объ-
ективом на ЧЭ ПИ (селенид свинца с термоэлектрическим охлаждением).
Так как вольтовая чувствительность и порог чувствительности приемника за-
висят от его температуры и, следовательно, от температуры окружающей сре-
ды, питание термоэлектрического холодильника изменяется в зависимости
от температуры ЧЭ ПИ. С выхода приемника сигнал поступает на предусили-
тель VI (рис. 5.2) с компенсатором дрейфа сигнала (усилитель V2, ключ КК
запоминающий конденсатор С1).*
Рис. 5.2. Функциональная схема измерительного канала теплови-
зора-дефектоскопа «Статор-1»!
1 — сканирующее зеркало; 2 — приемник излучения; 3— объектив; 4 — дат-
чик температуры; 5 — стабилизатор температуры приемника; 6 — черное тело;
7 — электронный регулятор; 8 — синхронизатор; 9 — регистрирующее устрой-
ство; 10 — преобразователь; // —селектор видеосигнала; 12 — электронно-
лучевой индикатор
В предусилителе усиливается сигнал с ПИ н по командам датчика строч-
ных синхронизирующих импульсов привязывается к уровню сигнала от
черного тела. Привязка производится один раз за каждый оборот сканирую-
щего зеркала в тот момент времени, когда на приемник попадает излучение
черного тела.
Сигнал с предусилителя VI поступает на формирователь уровня V4r
с помощью которого формируется оптимальный уровень сигнала, укладываю-
щийся в динамический диапазон электронного тракта. Для этого на вход
формирователя VI через резистор R2 подается постоянное напряжение с сум-
матора V5, к которому приложено напряжение Къ с аттенюатора S1 и напря-
жение U4 с усилителя датчика температуры. Значение 1/4 зависит от темпе-
ратуры внутри оптической головки, что позволяет вводить в рабочий сигнал
поправку на изменение собственного излучения элементов конструкции го-
ловки. В формирователе уровня ключ К2 привязывает уровень рабочего
сигнала к нулю, так как он был сдвинут на величину 17S= (76.
В основном усилителе V6 диапазон регистрируемых температур регули-
руется изменением коэффициента усиления с помощью аттенюатора S2. Соб-
ственный дрейф усилителя устраняется ключом КЗ и конденсатором С2.
После основного усилителя видеосигнал поступает на селектор, разде-
ляющий его на постоянную и переменную составляющие. Переменная состав-
Работа компенсатора дрейфа была рассмотрена на с. 124»
ляющая несет информацию о перепадах температуры относительно средней
температуры статора, которая пропорциональна постоянной составляющей.
Значение последней наносится на термограмму в виде меток, образующих
линию. Отклонение этой линии от прямой характеризует изменение средней
составляющей температуры статора.
Видеосигнал подается на регистрирующее устройство через функцио-
нальный усилитель V7, который учитывает нелинейную зависимость оптиче-
ской плотности электрохимической бумаги типа ЭХБ-4 от тока, проходящего
через нее. Для быстрого выбора уровня отсчета и диапазона измеряемых тем-
ператур служит электронно-лучевой индикатор, по которому наблюдают
амплитуду видеосигнала и регулируют ее с помощью аттенюаторов S1
я S2.
Количественную оценку температурных полей производят по оптической
•плотности электрохимической бумаги с учетом показаний декадных аттеню-
аторов и линии регистрации средней температуры. Температура черного тела
поддерживается на уровне 60 ± 0,2 °C электронным регулятором. С помощью
синхронизатора, кинематически связанного с приводом сканирующего зер-
кала, ключи д/—КЗ замыкаются в моменты времени, когда на приемник по-
падает излучение от черного тела.
Контроль теплового режима электротехнических устройств (силовых
трансформаторов, электродвигателей, разъединителей, высоковольтных ли-
ний электропередач и др.) имеет важное значение для их эксплуатации.
Применение тепловизионных устройств позволило значительно сократить
время, необходимое для контроля, сделать его достоверным, дешевым и
«безопасным.
Впервые тепловизионный метод контроля теплового режима электро-
технических устройств применен шведской фирмой AGEMA. Разработанный
для этой цели тепловизор обеспечивает измерение абсолютной температуры
высоковольтных трансформаторов, переключающих и распределительных уст-
ройств высокого напряжения, высоковольтных изоляторов. Как показали
многократные проверки, повышение температуры объекта на 10 °C должно
регистрироваться и'учитываться при последующем осмотре; при повышении
на 20 °C объект подлежит замене при ближайшем ремонте; при превышении
«более чем на 30 °C напряжение должно быть отключено, а объект заменен
127].
В СССР была проведена серия экспериментов с целью определения эф-
фективности применения тепловизионного метода для контроля состояния
и профилактического осмотра высоковольтного оборудования [И]. Контро-
лю подвергались контакты и губки разьединителей (110 кВ), элементы конден-
саторных батарей (ПО кВ), трансформаторы тока (220 кВ), вводы масляных вы-
ключателей (110 кВ), подвесная изоляция (НО...330 кВ), контакты предохра-
нителей (6 кВ). Эффективность тепловизионного метода контроля видна из
примера проверки конденсаторной батареи подстанции «Южная» (мощность ба-
тареи 55 MBA, число конденсаторов 2874). При пробое элементов конденсатора
перегорают предохранители н ток, проходящий через конденсатор, падает
до нуля (рабочий ток 5 А). Поэтому пробитые конденсаторы имеют такую же
температуру, как и окружающие его металлические конструкции, а исправ-
ные — более высокую, так как через них проходит ток. По заводской инструк-
ции контроль конденсаторов должен проводиться 2 раза в год, что требует
примерно 2 чел./мес трудозатрат; тепловизионный контроль позволяет выпол-
нить эту работу в течение одного дня. По подсчетам экономический эффект
от внедрения тепловизионного метода для контроля высоковольтного обору-
дования крупной подстанции составляет около 100 тыс. рублей в год.
Большое значение для повышения надежности электроснабжения имеет
заблаговременное обнаружение прогрессирующих перегревов в линиях
электропередачи. Контрольные методы, которые применяются в настоящее
время для этой цели, трудоемки, связаны с большими материальными затра-
тами и необходимостью частичного отключения оборудования. Этих недостат-
ков лишен тепловизионный метод, который позволяет оценить проводимость
контактного соединения по градиенту температуры в области болтового со-
едннения.
Распределение температуры Т, °C, вдоль оси шины с плохим качеством
болтового соединения можно рассчитать теоретически по формуле [25]
Т — ф eVki/Qk . /2po(1 + стГуст) т
VkiQK + kid +7»’
где Ф = —— коэффициент теплоотдачи, Вт/(см2 • °C); I—пе-
риметр токопровода, см; Q — площадь сечения токопровода, см2; X — коэффи-
циент теплопроводности, Вт/(см • °C); I — ток, А; р0 — удельное сопротивление
материала, Ом • см2/м; а — температурный коэффициент сопротивления, 1/°C;
То — температура окружающей среды, °C; х — расстояние вдоль токопровода
от точки с максимальной температурой, см; Тусг — установившаяся температу-
ра, °C.
График зависимости Tmax — Туст= f (х) изображен на рис. 5.3 (штрих-
пунктирная линия); там же показан аналогичный график, построенный на
Рис. 5.3. График изменения темпера-
туры вдоль оси шины в зависимости
от расстояния до точки с максималь-
ной температурой Гтах
опасностью для обслуживающего пер-
основании контрольных замеров тем-
пературы вдоль оси шины с плохим
качеством болтового соединения с по-
мощью тепловизора «Рубин-МТ», име-
ющего выход строчного видеосигнала
на осциллограф (сплошная линия)
Успешно осуществляется конт-
роль линий электропередачи с верто-
лета.
Контроль состояния облицовки
плавильных печей. Сталеплавильные
печи облицованы изнутри керамиче-
скими огнеупорными материалами.
По мере эксплуатации печей часть об-
лицовки изнашивается и разъедается
расплавленным металлом, что связано с
сонала; поэтому облицовку через определенный срок приходится заменять.
Полная замена облицовки больших сталеплавильных печей очень дорога,
так как связана с остановкой производства на 3...4 нед. Наиболее приемлем
здесь термографический контроль. Внешняя проверка действующих печей
тепловизором может указать на локальные перегревы стальной оболочки,
трещины и области обмуровки-, где она тоньше нормы. Измерения температуры
внешней оболочки, выполненные с помощью тепловизора, могут указать об-
ласти разрушения обмуровки на рассматриваемом участке. Термограмма по-
зволяет задержать замену обмуровки до тех пор, пока она не станет абсо-
лютно необходимой, т. е. использовать обмуровку в течение максимального
возможного времени. Снятая во время работы печи термограмма будет спо-
собствовать быстрому обнаружению опасных трещин во время периодического
осмотра в охлажденной печи, так как сделать это визуально очень трудно.
Диагностика устройств тягового электроснабжения^ железных дорог.
С помощью тепловизоров возможна диагностика устройств тягового элек-
троснабжения железных дорог [85]. При этом для, массового контроля и вы-
явления неисправностей контактных соединений температурная чувс в
тельность тепловизора должна быть не ниже 5 °C, диапазон измеряемых ем
ператур — 20...+ 150 °C; поле зрении 20 X 10°, мгновенный угол зрения
10 Трите^л состояния тарельчатых изоляторов типа ПФ-6А может быть
разность температур между их шапкой и тарелкой. У исправног Tpr.Jl_
значения температуры тарелки и шапки не отличаются друг от ДРУ Ржя^
грамме, а общая температура изолятора отличается от температур РУ
ющей среды на 0,2...0,4 °C. Для выявления дефектных изоляторов с пюмогц
тепловизора его температурная чувствительность должна ы 3 X 5°, мгно-
диапазон измеряемых температур — 20...+50 С, поле зр
венный угол зрения 5'.
Наличие хотя бы одного исправного изолятора в гирлянде.(в тяговой сети
постоянного тока) не позволяет выявить дефектные изоляторы тепловизионным
способом, так как через гирлянду не проходит ток утечки.
Тепловизоры применяют также для определения состояния изоляции
•высоковольтных выводов на тяговых подстанциях энергоучастков. Чувстви-
тельность тепловизора при этом должна быть не ниже 0,1 °C.
Испытание автопокрышек. Тепловые процессы, протекающие в авто-
покрышках, имеют важное значение для их эксплуатации. При заводских
испытаниях автомобильных и авиационных покрышек на специальных стен-
дах стремятся выявить влияние на распределение температуры по структуре
покрышки таких факторов, как скорость ее вращения, изменение этой
скорости, давление воздуха в камере и нагрузка на колесо. Необходимо знать
влияние каждого из этих факторов в отдельности и их совместное воздействие.
Этн воздействия не одинаковы для разных точек покрышки и зависят от ее
конструкции. Однако'обычная термограмма показывает только среднюю темпе-
ратуру в каждом концентрическом слое покрышки, в результате чего положе-
ние области перегрева не может быть локализовано.
Эта задача успешно решается с помощью специального тепловизора,
снабженного дополнительным устройством, получившим название «термостроб».
Dho позволяет видеть стробированное (неподвижное) тепловое изображение
вращающегося объекта. Применяя тепловизор с термостробом, можно наблю-
дать тепловое изображение вращающейся покрышки во время динамических
испытаний и фиксировать участки ее перегрева.
К областям применения тепловизоров в промышленности и науке при ис-
следовании температурных полей относят также следующие:
измерение температурных режимов при изготовлении бумаги, листового
проката металла, производстве стекла, резины и пластика, бетонных и железо-
бетонных изделий:
испытание стекол с электрическим подогревом для автомобилей и само-
летов;
измерение температуры вращающихся деталей машин, а также металличе-
ских деталей и инструментов при обработке на станках;
изучение процессов теплопередачи в моделях, испытываемых в аэродина-
мических трубах;
исследование распределения температуры в газовой струе авиационных
двигателей;
определение температуры поверхности ИСЗ в камерах, моделирующих
космические условия полета;
контроль качества защиты атомных реакторов электростанций;
определение положений подземных и скрытых коммуникаций;
контроль уровня и положения теплых или холодных жидкостей в резер-
вуаре;
непрерывный контроль обмуровки вращающихся обжиговых печей в про-
цессе их работы;
определение потерь в зубчатых зацеплениях;
дефектоскопия материалов и отдельных конструкций при проведении ста-
тических и динамических испытаний;
определение областей перехода ламинарного режима течения в турбу-
лентный при аэрофизических исследованиях;
дефектоскопия болтовых и заклепочных соединений;
неразрушающий контроль неметаллических материалов;
исследование внутренней коррозии баков и цистерн;
контроль качества сварки тонкостенных конструкций по термограммам
сварного шва, на который подается импульс тока;
изучение теплоизоляции труб искусственных катков;
исследование тепловых эффектов в клинических и биологических процес-
сах и др.
С развитием тепловизионной техники область применения тепловизо-
ров для анализа тепловых полей непрерывно расширяется. В СССР и за
рубежом для этого созданы специальные типы приборов.
В модели АТП-44 (рис. 5.4) используется зеркальный объектив со скани-
рующим плоским зеркалом. Поле зрения 10 X 10°, порог температурной чув-
ствительности 0,2 °C, время сканирования кадра 2,5'с при 250 строках в кадре.
В тепловизоре цифровой преобразователь теплового сигнала в телевизионный
стандарт выполнен на основе оперативного запоминающего устройства (ОЗУ).
Запись и считывание информации производится независимо. На экране ЭЛТ
цветного ВКУ возможно получение неизменного сигнала любого выбранного
кадра. Предусмотрены изотермы, шкалы температур, соответствующих уров-
ню черного, указатель диапазона температур и строка цифр на 15 знаков [27].
В тепловизоре фирмы «Даты» (Япония) сканирование также осуществля-
ется плоским зеркалом с частотой от 0,80 до 0,25 Гц, при этом число строк
может изменяться от 67 до 200. Порог температурной чувствительности 0,2 °C.
В приборе введена линеаризация зависимости коэффициента усиления от
Рис. 5.4. Структурная
схема анализатора тепло-
вых полей АТП-44:
1— приемная камера; 2—блок
синхронизации; 3 —блок пред-
варительной аналоговой обра-
ботки; 4 — блок управления
сканером, 5 — АЦП; 6 — кон-
троллер ввода; 7 — ОЗУ; 8 —
контроллер вывода; 9— блок
формирования вспомогатель-
ной ииформацни; 10 — блок
формирования ТВ сигнала;
11 — черно-белое ВКУ; /2 —
цветное ВКУ
температуры, что облегчает анализ термограмм. На экране ЭЛТ, кроме тепло-
вого изображения наблюдаемого объекта, слева и снизу индицируется рас-
пределение амплитуды сигнала в вертикальном или горизонтальном направ-
лении.
В тепловизоре фирмы «Бофоре» (Швеция) вместо колеблющегося зерка-
ла используется шестигранная зеркальная призма, вращающаяся со скоростью
4500 мин~1 и обеспечивающая 110 строк/кадр. Кадровое сканирование осуще-
ствляется плоским зеркалом (рис. 5.5) с частотой 4 Гц. Порог температурной
чувствительности тепловизора 0,1 °C.
Применение зеркальной призмы привело к устранению паразитных
вибраций сканирующего зеркала, возникающих обычно при его колебатель-
ном движении. Амплитуда тем больше, чем выше скорость сканирования, что
не позволяет увеличивать частоту кадров
или строк.
В тепловизоре фирмы «Тексас Инстру-
менте» (США) также используется для ска -
нирования зеркальная вращающаяся приз-
ма. Малая скорость сканирования (0,25 Гц>
позволяет достигнуть низкого порога тем-
пературной чувствительности (0,07 °C); уг-
ловое разрешение прибора 0,75 мрад при
поле зрения 33 X 33°.
Рис. 5.5. Оптическая схема тепловизор»
фирмы «Бофоре» (Швеция):
1 — приемник излучения; 2 — усилитель: 3 — плос-
кое зеркало для кадрового сканирования; 4 — зер-
кальный объектив; 5—.зеркальная вращающанся-
призма; 6 — двигатель
Недостатком тепловизоров с одноэлементным ПИ и вращающейся зеркаль-
ной призмой является необходимость их установки перед объективом поля
зрения. Это ведет к увеличению размеров тепловизора и уменьшению
числа его граней. При этом частоту кадров не удается сделать больше»
5 Гц, что вызывает мелькание изображения на экране ВКУ даже при исполь-
зовании ЭЛТ с послесвечением.
18. НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ
ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ
Среди различных методов неразрушающего контроля изделий электрон-
ной техники (ИЭТ) метод исследования и прогнозирования работоспособ-
ности таких изделий по их тепловому излучению начинает занимать все более
значительное место.
Современные ИЭТ представляют собой сложные конструкции, содержа-
щие большое количество компактно размещенных элементов, в которых во вре-
мя работы выделяется и рассеивается тепловая энергия. Теплопроводность, кон-
векция и излучение являются теми механизмами, посредством которых тепло
передается окружающей среде от элементов ИЭТ, нагретых до температуры
более высокой, чем температура среды.
Потери через теплопроводность протекают, в основном, в объемах, за-
полненных твердым веществом. Эти потери зависят от физического контакта
между элементами ИЭТ и платой, на которой они смонтированы. Благодаря
теплопроводности от элементов отводится 70...80 % тепловой энергии тепло-
рассеивающих элементов, плотно смонтированных на подложке.
Потери через конвекцию зависят, главным образом, от потока тепловой
энергии, передаваемой окружающей среде в непосредственной близости к из-
лучающему элементу, и определяются разностью их температур. Количество
теплоты, удаляемое посредством конвекции, зависит от способа охлаждения
элемента и может изменяться в широких пределах от вуля (в вакууме) до
90 % (при принудительном потоке холодного воздуха). В условиях свободной
конвекции при нормальном атмосферном давлении отвод теплоты за счет кон-
векции составляет около 15 % общего количества удаленного тепла.
Потери через излучение происходят вследствие превращения части тепло-
вой энергии в лучистую и подчиняются закону Стефана—Больцмана (опреде-
ляются четвертой степенью абсолютной температуры излучающего элемента
и его коэффициентом теплового излучения). Эти потери составляют около 10%
общих тепловых потерь.
В реальных условиях нет четкого разделения между отдельными меха-
низмами теплопередачи в ИЭТ, а существует сложное взаимодействие между
ними, в результате чего меняются тепловая модель электронного устройства
и температура его отдельных компонентов. Теоретический расчет теплового
режима ИЭТ является очень сложным, вследствие чего особое значение приоб-
ретает неконтактный способ измерения температуры ИЭТ с помощью теплови-
зоров, который по сравнению с контактными способами, например, с помощью
термопар, имеет следующие преимущества:
при использовании тепловизоров или сканирующих ИК радиометров
получают информацию о температуре гораздо большего количества точек
поверхности ИЭТ, чем это возможно при использовании контактных датчиков
температуры, и за значительно меньший промежуток времени;
некоторые измерения можно провести в зонах высокого напряжения
и для тех элементов ИЭТ, которые не допускают физического контакта, на-
пример, изделия микроэлектроники;
использование неконтактных методов позволяет автоматизировать про-
цессы измерений и вывести их результаты на ЭВМ, получая при этом быструю
и непрерывную информацию о состоянии контролируемого изделия.
В современных ИЭТ широко используют многослойные печатные платы;
некоторые дефекты их производства (сужение дорожек, частичные разрывы,
царапины, микротрещины, отслоения проводников, внутренние короткие
звмыкания и др.) не могут быть выявлены при обычных испытаниях, ио хо-
рошо обнаруживаются на термограммах, снятых тепловизором. При исполь-
зовании последних в крупносерийном производстве предварительно снима-
ют эталонную термограмму с исправной платы или устройства и с ней сравни-
вают термограммы всех остальных плат, на основании чего принимается
решение о их пригодности для последующего монтажа в изготавливаемой
аппаратуре.
Перспективен тепловизионный метод дефектоскопии изделий микро-
электроники, так как для этого класса изделий особенно важны температур-
ные характеристики [27]. В то же время интегральные микросхемы (ИС) от-
носятся к наиболее сложным объектам с точки зрения тепловизионного ана-
лиза, так как минимальные размеры их элементов доходят до 5...10 мкм, а ми-
нимальная разность температур — до 0,05...0,1 °C. Это вызывает необходи-
мость автоматизации процесса телевизионного контроля и разработки этало-
на тепловизионного сигнала или эталона теплового поля для бездефектной
микросхемы [47].
Построение эталона теплового поля, соответствующего бездефектному
состоянию ИС, можно проводить как на основании теоретических расчетов,
так и по результатам статистической обработки большого количества изде-
лий с учетом информации от заказчика об их отказах при эксплуатации.
Целесообразно также коррректировать параметры применяемого эталона по
мере накопления экспериментальных данных.
Составлены следующие алгоритмы машинной классификации объектов
по их эталонным тепловизионным .сигналам [47]:
алгоритм 1 —определение коэффициента корреляции между исследуе-
мым и эталонным сигналами;
алгоритм 2 — выявление характерных областей теплопортретов;
алгоритм 3 — принятие решения.
В алгоритме 1 рассчитывают статистические характеристики выбороч-
ных значений тепловизионных сигналов исследуемых объектов (средние зна-
чения и дисперсии по строкам и по кадру и коэффициент взаимной корреля-
ции между входным и эталонным сигналами).
В алгоритме 2 просматривают все значения амплитуд теплопортретов,
сравнивают с заранее выбранным порогом (изотермическим уровнем) и выде-
ляют области, амплитуда которых превышает порог.
Алгоритм 3 осуществляет собственно классификацию объектов на осно-
вании поступающего на его вход набора признаков, вырабатываемых алго-
ритмами 1 и 2.
Качество работы алгоритмов машинной классификации объектов по их
тепловизионным сигналам проверено на опытной партии однотипных гибрид-
ных интегральных микросхем, состоящих из 64 усилительных каскадов. Про-
верка показала, что алгоритмы обеспечивают более высокое качество класси-
фикации, чем оператор [47].
Для обнаружения скрытых дефектов электронных и интегральных схем
тепловизионная контрольная аппаратура должна обладать высоким разреше-
нием по температуре и пространству. Скорость сканирования желательно иметь
переменной: малой для объектов с установившимся тепловым режимом и боль-
шой для исследования нестационарных тепловых полей. Юстирующие и фоку-
сирующие устройства должны обеспечивать проведение повторяющихся из-
мерений в идентичных условиях.
Этим требованиям удовлетворяет, в частности, микроскоп-тепловизор
AGA-680 (Швеция), предназначенный для определения «горячих точек»
в интегральных схемах и других элементах микроэлектроники. В микроскопе
можно использовать три сменных линзовых объектива (табл. 5.2).
5.2. Параметры объективов микроскопа-тепловизора A G А-680
Параметр Объектив
№ 1 № 2 № 3
Поле, зрения, мм 6x6 1.6х 1,6 0,65x0,65
Увеличение 15х 50 х 125х
Разрешающая способность, мкм 100 30 20
Расстояние от объектива до рабочей 36 21 20
поверхности, мм
При использовании объектива с 15-кратным увеличением минимальная
разрешающая способность тепловизора по температуре 0,6 °C (при темпера-
туре объекта 70 °C). Применяя объектив с 125-кратным увеличением, можно
зарегистрировать минимальную разность температур 2,5 °C.
Микроскоп-тепловизор фирмы AGEMA имеет одноэлементный ПИ и оп-
тико-механическую систему сканирования с частотой кадровой развертки
16 с-1 и строчной развертки 1600 с-1.
К основным областям применения тепловизора-микроскопа относят
следующие: выявление областей с повышенной температурой в микросхе-
мах; поиск и исследование дефектных соединений и контактов; наблюдение
за состоянием образца при его испытаниях с разрушением или без него; про-
верка соответствия термических характеристик изделия расчетным данным;
осмотр проводников, точек пайки или сварки внутри схемы во время ее ра-
боты; получение термограмм микросхем; проверка соединений тонкопленоч-
ных элементов.
Высоким быстродействием обладает микроскоп-тепловизор фирмы
«.Элматик» (ФРГ). Сканирование по строке в этом приборе осуществляется
колебаниями плоского зеркала с помощью торсионного механизма. Прибор
имеет три объектива с увеличением 15х, 36х, 52х и линейным разрешением
25,10 и 7,5 мкм соответственно. Меньшее быстродействие имеет прибор фир-
мы «Элтро» (ФРГ), предназначенный для наблюдения объектов в видимом
и инфракрасном диапазонах одновременно. Сменные зеркально-линзовые
объективы позволяют получить увеличение 15х, 52х и 73х. Частота кадров
1; 0,32 или 0,5 Гц при 100 строках в кадре. В качестве ПИ можно использо-
вать фоторезисторы из InSb или HgCdTe. Тепловое изображение рассматрива-
емого объекта воспроизводится на экране ЭЛТ. Предусмотрен просмотр рас-
пределения амплитуды вдоль строки. Кадровое поворотное зеркало управ-
ляется в этом режиме вручную, а ЭЛТ работает в осциллографическом режи-
ме. Разрешающая способность по температуре не ниже 1 °C [27].
При использовании тепловизоров для диагностики электронных схем
необходимо выполнять следующие условия: данные проверки идентичных уз-
лов можно сопоставлять только в том случае, если геометрическая конфи-
гурация узлов совершенно одинакова, температура Окружающего воздуха
постоянна, а способ крепления исследуемых объектов неизменен. Если коэф-
фициент теплового излучения материала постоянный, его знать не обязатель-
но. Это условие выполняется для изделий, изготовленных по единому техно-
логи ческому процессу.
Геометрическая конфигурация термограмм от одного исследуемого узла
электронной схемы к другому сохраняется неизменной, так как расположе-
ние компонентов фиксировано печатной платой. Горячие компоненты, в кото-
рых рассеивается большое количество тепла, проявляются на термограммах
в виде выбросов (пиков) и легко обнаруживаются.
В последнее время в связи с бурным развитием микроэлектроники по-
явились новые методы и средства неразрушающего контроля и прогнозирова-
ния надежности ПЭТ. Один из этих методов основан на использовании тепло-
визора-микроскопа с видиконом, чувствительными инфракрасному излучению.
Он позволяет наблюдать электролюминесцентное (рекомбинационное) излу-
чение из р- и n-областей структуры, прилегающих к р-п-переходам тран-
зисторов. Метод дает возможность контролировать оптимальные компоновки
структур, погрешности совмещения при фотолитографии и другие дефекты
технологии и производства ИЭТ.
19. СНЯТИЕ ТЕПЛОВЫХ КАРТ МЕСТНОСТИ
Использование тепловизоров для снятия тепловых карт местности ос-
новано на дистанционном измерении температуры земной поверхности с са-
молета или с ИСЗ. Получаемые тепловые карты несут информацию об энерге-
тическом состоянии исследуемых участков поверхности Земли, что исполь-
зуется для решения различных научных и практических задач.
Тепловые карты позволяют судить о геологическом строении и полях
активности кратеров, способствуют поискам и регистрации тепловых источ-
ников, гейзеров, мест подземных утечек в энергосистемах, тепломагистралях,
дренажных устройствах, позволяет своевременно обнаруживать очаги за-
рождающихся пожаров и определять границы крупных пожаров сквозь
пелену сплошного дыма, а также границы пожаров горючих ископаемых по
скрытым очагам в штабелях угля, сланцев, шахтных отвалов и т. д.
Большое внимание в нашей стране и за рубежом уделяется использова-
нию самолетных тепловизоров при борьбе с лесными пожарами. При этом вы-
деляют три основные задачи [67]: обнаружение малых (площадью не менее
0,5 м2) очагов зарождающихся пожаров с температурой 600...700 °C; карти-
рование контуров охваченного огнем значительного участка леса или торфя-
ного болота сквозь сплошную пелену дыма, когда визуальные методы неэф-
фективны; контроль за затухшим или затухающим пожаром, обнаружение
участков кромки, где можно ожидать вторичного возгорания.
Тепловые карты применяют также для изучения океанских течений и те-
чений, обусловленных стоком рек; обнаружения заболеваний лесной и сель-
скохозяйственной растительности; определения мощности и возраста льдов,
прогнозирования образования ледовых трещин; исследования природных ре-
сурсов Земли и т. д.
Тепловые карты существенно отличаются от обычных аэрофотоснимков,
так как в формировании последних участвует отраженное излучение, в фор-
мировании тепловых карт — отраженное и собственное излучение, а в ряде
случаев лишь последнее. Поэтому на тепловых картах обнаруживаются на-
гретые объекты или участки местности, которые не выявляются на фотосним-
ках. Особенностью тепловых карт является зависимость динамики тепловых
процессов, протекающих в течение суток. В связи с этим тепловые карты, по-
лученные в разное время даже от одних и тех же объектов отличаются друг
от друга.
Основные требования, предъявляемые к тепловизионной аппаратуре для
снятия тепловых карт местности: рабочий спектральный диапазон должен
соответствовать спектральным областям наибольшего пропускания инфракрас-
ного излучения атмосферой и областям максимального излучения исследу-
емой поверхности; чувствительность и разрешающая способность должны
позволять обнаруживать и регистрировать мелкие объекты с малыми темпе-
ратурными контрастами; угол обзора должен быть достаточно большим, но
при этом ухудшение разрешающей способности на краю поля обзора не долж-
но превышать допустимые значения.
Тепловизоры, предназначенные для снятия тепловой карты местности
и устанавливаемые на летательных аппаратах (ЛА), выполняют сканирование
мгновенного угла зрения только в плоскости, перпендикулярной направлению
полета, обеспечивая просмотр по строке. Просмотр по кадру осуществляется
за счет прямолинейного движения носителя аппаратуры. Обычно в таких теп-
ловизорах применяют систему с оптико-механическим сканированием, ре-
же — системы с электронным сканированием и самосканированием (на
основе приборов с зарядовой связью, чувствительных в ИК области спек-
тра).
Наиболее простая тепловизионная система для снятия тепловой карты
местности содержит одноэлементный приемник излучения 1 (рис. 5.6,а)
и плоское качающееся зеркало 2, расположенное в сходящемся пучке лучей
за объективом 3. Ширина строки /, просматриваемой за один период качания
зеркала I — 6пЯ//об, где 6П— линейный размер чувствительной площадки
ПИ в направлении полета летательного аппарата; Н — высота полета; fo6 —
фокусное расстояние объектива. Период сканирования строки 7С= 1/V,
где V — скорость полета летательного аппарата. Число элементов разложе-
ния вдоль строки Nc= Тобз/Тмгн- Время сканирования одного элемента раз-
ложения тс= Tct\c/Nc, где т]с учитывает только активную часть периода
сканирования тс= 6пЯт]с'умгн/(70бК'у0бз)- Это время должно быть в 5...10
раз больше постоянной времени ПИ.
В оптико-механических сканирующих устройствах тепловизионных си-
стем, предназначенных для снятия тепловой карты местности, используются
также многогранные призмы и многогранные усеченные пирамиды (см.
Несмотря на некоторые достоинства тепловизионных систем с одним ПИ
(простота конструкции, малые размеры приемника, упрощающие его систему
охлаждения) они заменяются системами с много-
элементным (линейным) приемником. За период
сканирования просматривается одновременно п
строк, где п — число ЧЭ ПИ.
Выходные сигналы чувствительных элемен-
тов можно обрабатывать параллельно в «каналах
и последовательно, сведя все сигналы в единый
канал. Последовательная обработка сигналов
может быть реализована высокоскоростной ком-
мутацией или мультиплексированием с помощью
приборов с зарядовой связью [5].
В Институте космических исследований АН
СССР разработана схема тепловизионной аппара-
туры с матричным приемником излучения [5].
Аппаратура состоит из двух каналов ab и cd
(рис. 5.6,6) с поддиапазонами а, б 0,4...2,4 и с,
d 3,2... 14 мкм. Каждый канал состоит из колеблю-
щегося зеркала /, объективов
2 и 4, щелевых диафрагм 3,
дифракционных решеток 5 и
матричных приемников излуче-
ния 6. Изображение, вырезае-
мое щелью 5, разлагается в
спектр. Полученный кадр счи-
Направление
онанирования
Рис. 5.6. Схема тепловизионной
системы с одноэлементным (а)
и с матричным приемниками из-
лучения (б)
матричным ПИ. Каждая строка кадра соответствует
изображению
тывается
узкой полосы сканируемой поверхности в определенной области спектра.
Колебания самолета относительно его центра масс вызывают искажения
геометрических контуров при снятии тепловой карты местности и ухудшают
разрешающую способность тепловизора. Колебания по углу тангажа и при-
водят к периодическому сгущению и разрежению строк сканирования (рис.
5.7, а), по углу крена у—к смещению во времени строк параллельно самим
себе по синусоидальному закону (рис. 5.7,6), а по углу рысканья ф— к вее-
рообразному периодическому развороту строк (рис. 5.7, е).
Минимальное линейное расстояние между двумя теплоизлучающими объ-
ектами на местности (вдоль или поперек линии полета), при котором они раз-
дельно воспринимаются на экране ВКУ, определяется по формулам [5]:
при колебаниях по тангажу I =77('Оп+1)'рмги/К;
при колебаниях по крену 1^=Н(уп +1)ТМГН/К, где Н, V — высота и скорость
полета самолета соответственно; &, у—уг-
ловые скорости тангажа н крена соответ-
ственно; п — число строк сканирования,
записываемых за один цикл (или число ЧЭ
линейного ПИ); -унгн— мгновенное поле
зрения тепловизора.
Рис. 5.7. Влияние колебаний самолета на искажения геометрических контуров
при линейно-строчном обзоре местности
Рис. 5.8. Схема самолетного тепловизора с гироскопической стабилизацией
На краях полосы просмотра разрешающая способность ухудшается до-,
полнительно из-за рысканья самолета, так что
/ф = (рфП81п ср/2+1) умги,
где ф— угловая скорость рысканья; <р — угловая ширина полосы просмотра.
В табл. 5.3 приведены значения разрешающей способности для телеви-
зоров (тепловизоров) с одноэлементным (n = 1) и многоэлементными (и =10)
линейными ПИ для двух типов самолетов; ширина полосы просмотра принята
равной 60°.Значение разрешающей способности дано в единицах мгновенного
поля зрения тепловизора; суммарная разрешающая способность =
— ^4 + ^ + ^ •
Устранение влияния колебаний самолета относительно его центра масс
на искажение геометрических контуров при снятии тепловой карты мест-
ности и ухудшение разрешающей способности тепловизоров достигается их
гироскопической стабилизацией (рис. 5.8) [5]. В кардановом подвесе с внеш-
ней 5 и внутренней 7 рамками размещается трехгранная зеркальная пирамида
6, приводимая во вращение двигателем 9. Пирамида выполняет функции ска-
5.3. Разрешающая способность картографической телевизионной аппаратуры
при угловых колебаниях самолета [5]
Тип само- лета V, м/с Вид коле- баний Параметры колебаний Угловое разрешение в единицах VMra
Амплиту- да, град Угловая скорость, рад/с Частота» Гц 0=1 п=10
При од- ном типе колебаний В центре На краю При од- ном типе колебаний В центре На краю
Транс- портный АН-12 200 Крен Тангаж Рысканье 0,5 0,7 5,0 0,27 0,08 0,54 1 2,35 1,40 2 35 2,7 3,1 14,5 5 14,5 15,5 21
Услов- ный самолет 300 Крен Тангаж Рысканье 2 0,44 2 2,45 2,45 1,73 3,5 3,9 15,5 15,5 8,3 22 23,5
нирующего устройства и ротора трехстепенного гироскопа. Коррекция
гироскопа по курсу производится датчиком момента 1 от самолетного ги-
рокомпаса; коррекция по таигажу — датчиком момента, расположенным на
вертикальной оси (на рисунке не показан), который отрабатывает сигнал тан-
гажа, выдаваемый датчиком 2 встроенной гировертикали 3.
В Схему тепловизора входят также магнитная головка 4 синхронизации
развертки визирного луча с разверткой электронного луча ВКУ и приемник
излучения 8. Головка сиязана с выходной осью по углу крена встроенной ги-
ровертикали передачей 1:1. Таким образом, поле обзора тепловизора ста-
билизировано по всем трем осям хг, уг и Zj.
Рассмотренные системы с линейно-строчным обзором местности обла-
дают следующими недостатками: зависимость потребной частоты вращения
веркального барабана от скорости полета носителя при заданном коэффициен-
те перекрытия строк; необходимость вращения с большой частотой крупно-
размерных оптических элементов; различная амплитуда сигналов от одина-
ковых объектов, расположенных в разных местах зоны обзора (вследствие
того, что излучающие объекты находятся на разных расстояниях от носителя
в пределах угла обзора); нелинейная форма строки (рис. 5.9).
Этих недостатков во многом лишена система с коническим обзором (см.
рис. 2.6), в которой мгновенный угол зрения вращается относительно оси
сканирования, совмещаемой с вертикалью. При этом размер площадки земной
поверхности, проектируемый в каждый момент времени на ЧЭ ПИ, остается
«еизмеиным.
Для уменьшения отражений от неба и облаков составляющей инфракрас-
ного излучения угол визироиания а выбирается близким к углу Брюстера
(60°). За счет полета самолета круговая траектория сканирования превраща-
ется в трохоидальную. Шаг 'трохоиды определяет расстояние между ее вит-
ками, равное при любом угле сканирования расстоянию, которое проле-
тает самолет за один цикл сканирования.
В системах сканирования с разверткой визирного луча по образующей
конуса сканирование земной поверхности без пропусков и наложения строк
получается при соотношении размеров чувствительной площадки ПИ, рав-
ном 1 : 3; применение мозаичного ПИ с числом ЧЭ 6x2 приводит к неболь-
шому выигрышу в чувствительности за счет снижения скорости сканирования
в 6 раз и накопления сигнала на двух площадках, последовательно просмат-
ривающих элементы тепловой карты местности;
сканирование визирного луча по образующей конуса позволяет получать
квазипараллельное движение проекции . ЧЭ приемника на местности. Траек-
тории просмотра земной поверхности каждой точкой не пересекаются между
собой;
при использовании однозеркального сканера мозаичный ПИ не применя-
ют, так как невозможна ориентация проекции его ЧЭ вдоль направления
полета ЛА [51.
В схеме одного из тепловизоров для картографирования и обзора мест-
ности с самолета, изображенной на рис. 5.10 [40], в качестве сканирующего
устройства используется вращающаяся зеркальная пирамида, которая пере-
мещает мгновенный угол зрения в плоскости, перпендикулярной направ-
лению полета ЛА. Поток излучения участка земной поверхности попадает
в объектив и фокусируется иа ЧЭ приемника излучения. Электрический сиг-
нал с выхода ПИ, пропорциональный принятому потоку излучения, усилива-
ется и подается на модулирующий электрод электронно-лучевой трубки. Раз-
Рис. 5.9. Форма строки при сканировании многогранной зеркаль-
ной призмой
Рис. 5.10. Функциональная схема тепловизора для картографиро-
вания и обзора местности с самолета:
1 — кинескоп; 2 — усилитель фототока; 3 — приемник излучения; 4 — объек-
тив; 5 — вращающаяся зеркальная пирамида; 6 — двигатель вращения пира-
миды; 7 — синхронизирующее устройство
вертка вдоль горизонтальных строк производится синхронно с вращением
призмы, а перемещение строк по кадру происходит в соответствии с высотой
и скоростью полета ЛА. В результате на экране трубки воспроизводится теп-
ловое изображение участка местности
Эффективность аппаратуры для аэросъемки при решении конкретных
задач зависит от правильного выбора порога температурной чувствительности
АГ и разрешающей способности прибора Й. Практика применения тепловизи-
онной аппаратуры для изучения природных ресурсов показывает, что удов-
летворительные результаты получают при АГ = 0,3...0,5 °C на фоне 20 °C
ий = 5...7' (1,5...2 мрад) [34]. Рекомендуется в тепловизорах для изуче-
ния природных ресурсов с воздуха иметь два канала — один с высоким
пространственным разрешением (5...7'), другой с низким (50...70'). В полете
нет необходимости производить непрерывную одновременную регистрацию
по обоим каналам. В необходимых случаях оператор использует тот или
иной канал простым переключением на фоторегистрирующее устройство [34].
Тепловизионную аппаратуру широко применяют в авиации для обзора
местности перед самолетом, обнаружения низкотемпературных излучающих
объектов, при посадке летательных аппаратов в условиях пониженной ви-
димости, для картографирования местности и т. д.
Конструктивные особенности такой аппаратуры можно проиллюстриро-
вать на примере установки AAD-4 фирмы «Тексас инструмент» (США), пред-
назначенной для обнаружения с вертолета теплоизлучающих наземных целей.
Сканирующее устройство, ПИ и электронная аппаратура смонтированы иа
«ардановом подвесе внутри вертолета. Ось визирования наводится на цель,
изображение местности индицируется на ЭЛТ с диагональю экрана 36 см.
'Приемник инфракрасного излучения выполнен на основе германия с примесью
ртути и представляет собой мозаику с 400 ЧЭ, охлаждаемыми до температуры
24...28 К. Поле зрения прибора в режиме поиска 23 х 30°, в режиме слежения
'5,75 X 7,5°. Сканирование по азимуту осуществляется в пределах 360°,
а по углу места — в пределах 90° (+20...—70°). Порог температурной чув
ствительиости составляет 0,14 °C в режиме поиска цели и 0,28 °C — в режим-
слежения. Частота кадров 30 кадр./с. Масса всей установки, включая кардане
ный подвес (60 кг), электронный блок (60 кг) и блок питания (50 кг), состав-
ляет примерно 290 кг. Для интерпретации результатов информации, полу-
ченной с помощью тепловизионной системы, наблюдатель должен обладать»
Рис. 5.11. Схема тепловизора для получения тепловых стереопар:
1 — усилитель фототока; 2 — приемник излучения; 3 — неподвижное зеркало?
4 — объектив; 5 — вращающаяся зеркальная призма; 6,8 — фотопленка; 7 —
вращающийся объектив; 9 — кинескоп
большим опытом, так как даже в изображении известных объектов в ряде слу-
чаев обнг руживаются непонятные детали.
В < От ременных тепловизионных системах, предназначенных для установ-
ки на ЛА, используют также ПИ из HgCdTe, работающие при температуре жид-
кого азота. На основе этих систем фирмой «Дженерал дайнемикс» разработа-
но несколько картографических устройств с линейным сканированием, осу-
ществляющих съемку непосредственно под самолетом.
Хотя туман и влажность атмосферы оказывают неблагоприятное влияние
на работу тепловизионных систем, инфракрасное излучение лучше рас-
пространяется в такой среде, чем видимый свет в дневных условиях. Напри-
мер, в случае, когда дальность метеорологической видимости составляла
всего 800...1400 м из-за наличия густого тумана с дымом, получено хорошее
изображение мест ноет и при съемке с больших расстояний.
Во всех рассмотренных тепловизорах для снятия тепловой карты мест-
ности предусматривается сканирование последней под ЛА, в связи с чем они
не позволяют получить продольную стереопару тепловых карт. В настоящее
время разработаны тепловизоры, позволиющие за один проход получить
ПК стереопару (рис. 5.11) [90]. В таком тепловизоре зеркальные грани приз-
мы расположены под разными углами, благодаря чему при вращении ее про-
изводится поочередное сканирование в двух плоскостях, расположенных под
углом 30 °. Оптическая система фокусирует ИК излучение участка земной по-
верхности на ЧЭ ПИ. Выходной сигнал приемника после усиления подается
на модулирующий электрод электронно-лучевой трубки. Световое пятно на
экране трубки с помощью объектива, вращающегося синхронно с призмой,
формирует строки изображений поочередно на двух фотопленках. Таким образом,
создаются два тепловых изображения одного и того же объекта, отснятые под
разными углами, что позволяет использовать для распознавания объекта такой
параметр, как его высота.
20. ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ СТОЛКНОВЕНИЙ КОРАБЛЕЙ
ПРИ ИХ ДВИЖЕНИЯХ НА ВСТРЕЧНЫХ КУРСАХ
В корабельном тепловизоре, предназначенном для навигации в ночных
условиях и предупреждения столкновений кораблей при их движении на
встречных курсах, узел сканирования выполнен по схеме, изображенной на
рис. 5.8, нс с вертикальной осью вращения зеркальной пирамиды (рис. 5.12).
Головка прибора помещена в кардановый подвес и связана электрическими
проводами и трубопроводами охлаждения
ПИ с корпусом, который устанавливают на
корабельной мачте.
Для получения четкого изображения
наблюдаемых теплоизлучающих объектов
необходима большая частота вращения зер-
Рис. 5.12. Схема корабельного тепловизора
с гироскопической головкой:
J — двигатель вращения зеркальной пирамиды; 2 —
редуктор; 3 — вращающаяся зеркальная пирами-
да; 4 — зеркало сканирования строк по кадру; 5—
объектив; 6 — приемник излучения
кальной пирамиды. Достаточно большой кинетический момент вращающейся
пирамиды используется в системе гироскопической стабилизации оси визи-
рования тепловизора при качке корабля [5].
21. МЕДИЦИНСКАЯ ДИАГНОСТИКА
Появление и развитие тепловидения позволило реализовать идею ис-
пользования инфракрасного излучения человеческого тела для медицинской
диагностики. Одно из первых сообщений о возможности радиометрического
-обнаружения опухоли молочной железы было сделано Р. Лоусоном [41], кото-
рый показал, что температура над опухолью может отличаться от температуры
тела в среднем на 1°. При клинических исследованиях была получена опреде-
ленная корреляция между ростом температуры и степенью развития злокаче-
ственной опухоли. В результате исследований с применением эвапорографа
оказалось, что этот прибор может быть использован для проведения профи-
лактических обследований подобно тому, как флюорография применяется
при обнаружении ранней стадии туберкулеза. Применение тепловизоров для
исследования собственного теплового излучения тела человека позволило
установить ряд показателей физиологического состояния его организма, свя-
занных с распределением температуры по поверхности кожного покрова.
Тепловидение значительно расширяет обычные области применения ИК
техники в медицине, так как позволяет не только фотографировать освещен-
ную ИК лучами поверхность тела человека и расположенные вблизи от нее
сосуды, но и наблюдать изображения, создаваемые собственным тепловым из-
лучением тела. Особенность наблюдения в этой области ИК спектра состоит
в том, что различные предметы, окружающие наблюдаемую поверхность,
имеют близкую к ней температуру. Вследствие этого радиационные контрас-
ты оказываются недостаточными для непосредственного наблюдения: даже
разность температур 1 °C создает при длине волны 10 мкм контраст, примерно
равный 1 %, что вдвое меньше минимального контраста, еще различимого
глазом.
Причины возникновения температурных перепадов на поверхности тела
человека продолжают широко обсуждаться, однако не вызывает сомнений
Прямая связ j поверхностных температурных эффектов с процессами, происхо-
дящими в организме. Наряду с чисто физической природой возникновения
температурных перепадов, существует еще зависимость их от работы вегета-
тивной нервной системы, вызывающей при любых изменениях тепловой энер-
гии внутренних органов эффект изменения кровенаполнения в сопряженной
с ними подкожной сосудистой сети в рефлексогенной зоне, соответствующей
данному органу, и, как следствие, изменения температуры. Свойства челове-
ческой кожи в ИК диапазоне по излучательной способности близки К абсо-
лютно черному телу [27]. Среднее значение коэффициента излучения кожи
принимают равным 0,97 и по различным данным он может иметь значение
в пределах 0,84... 1,00, что приводит к ошибкам определения истинной темпе-
ратуры. Так, различия коэффициентов излучения кожи в 1 % эквивалентно
перепаду температур в 1 °. Спектральный максимум излучения кожи Хм =
= 10 мкм. Изменение температуры фона также влияет на точность измерений,,
например, при ее изменении от 25 до 15 °C ошибка составляет 0,3 °C при
в = 0,95, а при в = 0,83 — 1,2 °C, т. е. погрешность измерения температуры
растет при уменьшении в. Температуру фона следует поддерживать с точ-
ностью zt 1 °C, что при в = 0,97 обеспечит погрешность, не превышающую
0,05 °C.
Инфракрасное излучение в диапазоне 0,7...0,9 мкм проникает сквозь
кожу на глубину около 3 мм, что позволяет регистрировать сосуды при осве-
шении пациента ИК источником. Регистрация изображения в ближней ИК
области возможна как с использованием соответствующих фотоматериалов,
так и аппаратуры на базе электронно-лучевых трубок типа видикон, электрон-
но-оптических преобразователей.
Важное значение в медицинской тепловизионной диагностике имеют
аппаратура, методики ее использования, помещение, где она установлена,
В ГОИ имени С. И. Вавилова имеется '^Планировочно-технологическое ре-
шение кабинета» для оснащения вновь строящихся лечебных учреждений
термографическими кабинетами, предназначенными для диагностики различ-
ных заболеваний и проведения массового профилактического осмотра населе-
ния.
Тепловидение является хотя и эффективным, но дополнительным методом’
при диагностике различных заболеваний; полезно сочетание тепловизион-
ного метода исследования с другими, например, рентгенологическим, ульт-
развуковым, радиоизотопным, лазерным, охватывающими более широкий
спектр электромагнитных волн [100].
Применяя иглотерапию или электроакупунктуру, также наблюдают
с помощью тепловизора изменение порядка на Г °C теплового поля кожи,
позволяющее судить о ходе лечения, например, такого заболевания, как
неврит лицевого нерва. Биологически активные точки (БАТ), как правило,
располагаются в областях с повышенной радиационной температурой. Отдель-
ные БАТ могут наблюдаться тепловизором, особенно если в нем предусмотре-
но подавление низкочастотных составляющих спектра видеосигнала. Создан-
ная в древности координатная привязка БАТ к поверхности тела человека
достаточно универсальна. Поэтому предпринимаются попытки использовать
существующую координатную привязку БАТ для систематизации тепловых
полей человека и установления их связи с местоположением БАТ в част-
ности с целью создания алгоритмов машинной диагностики згбэлеваний.
Для координатной привязки термограммы и поверхности тела разра-
ботана система обозначений, упрощающая описание термограмм, статисти-
ческую обработку экспериментальных результатов.
Решение задач медицинской диагностики облегчается при наличии эталона.
”?ак называемой нормальной термограммы. Выявление разницы между нор-
мой и патологией зависит от квалификации врача термолога. Наиболее полез-
ным является периодическое, в течение жизни человека, его термогра-
фиро ванне для сравнения настоящей и предыдущих термограмм. Для обна-
ружения патологии необходимо знать ориентировочные значения перепадов
и абсолютных значений температур различных участков- тела.
Для геометрического нормирования термографического изображения раз-
работаны алгоритмы анатомических реперов с целью ввода в ЭВМ унифи-
лированной термограммы и последующей ее обработки едиными алгоритма-
ми. После отработки алгоритмов на ЭВМ, набора статистических данных
функции обработки термограмм возлагают на процессор, встроенный в тепло-
визор.
Разработаны многочисленные методические рекомендации по применению
тепловидения, например, при травмах опорно-двигательного аппарата, в диаг-
ностике повреждений нервных стволов верхних конечностей, урологии, ор-
ганов дыхания, пищеварения, мочеполовых, эндокринных и др. Имеются
и методические рекомендации по контролю параметров тепловизоров, их прак-
тическому использованию и эксплуатации.
Глава 6
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
ТЕПЛОВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
22. ТЕПЛОВИЗОРЫ С САМОСКАИИРОВАНИЕМ
Основной блок телевизионной аппаратуры — формирователь видео-
изображения — содержит вакуумный прибор с накаливаемым катодом
и сложной системой управления электронным лучом. Попытки замены электро-
вакуумных телевизионных передающих трубок объединением фоточувстви-
тельной матрицы с электронным устройством, обеспечивающим последователь-
ный опрос ЧЭ матриц, делались уже давно, но успеха не имели. Принцип
работы и сложная технология не позволяли использовать матрицы с большим
числом ЧЭ, сравнимые с телевизионными трубками. Только изобретение при-
боров с зарядовой связью (ПЗС) позволило объединить фоточувствительную
матрицу и процессор и реализовать идею самосканирующего твердотельного
телевизионного устройства, аналогичного видикону. При использовании та-
кого устройства на порядок снижаются габаритные размеры и масса форми-
рователя изображения, отпадает необходимость в отклоняющих и фокусирую-
щих системах, источнике высоковольтного напряжения; появляются высокая
геометрическая точность изображения, жесткая привязка к координате, бе-
зынер ционность.
Следует различать фоточувствительные приборы с переносом заряда
(ФППЗ) и с зарядовой инжекцией (ФПЗИ)*. Основные принципы работы этих
приборов распространены на устройства ИК диапазона спектра электро-
магнитных волн. В результате появились так называемые тепловизоры
с самосканированием, разработка которых в настоящее время ведется весьма
интенсивно [2, 23, 84].
Современный самосканирующий ФППЗ, выполненный на ПЗС, пред-
ставляет собой кремниевую пластину, на которой содержится несколько со-
тен тысяч миниатюрных МОП-конденсаторов. На поверхность пластины про-
ецируется с помощью объектива изображение наблюдаемого объекта. Погло-
щенные фотоны вызывают генерацию электронно-дырочных пар, неосновные
носители которых накапливаются в элементах ФППЗ (МОП-конденсаторах).
Количество накопленных зарядов пропорционально числу попавших фотонов,
т. е. локальной освещенности (облученности). Благодаря этому распределение
зарядов в МОП-конденсаторах адекватно распределению освещенности в оп-
тическом изображении объекта. Изменяя смещения на электродах МОП-кон-
денсаторов, заряды перемещают поочередно к выходу ФППЗ, осуществляя
электронное сканирование. Так образуется видеосигнал, который использу-
ют для модуляции электронного луча в кинескопе. При наличии синхрониза-
ции между движением луча и перемещением зарядов ПЗС на экране кинеско-
па появляется изображение наблюдаемого объекта.
Процесс перемещения зарядов к выходу ФППЗ осуществляется регист-
ром переноса (рис. 6.1) [84]. Каждый элемент регистра образован тремя элек-
* Термины согласно ГОСТ 25532—82
тродами, соединенными с соответствующими шинами, чем обеспечивается на-
правленный перенос зарядовых пакетов. Предположим, к первой фазе Ф1
приложен высокий положительный потенциал и под всеми первыми электрода-
ми накоплены заряды. Если теперь подать высокий потенциал на вторую фа-
зу Ф2, а с первой Ф1 его снять, то потенциальные ямы под первыми электрода-
ми «схлопнутся», а под вторым — образуются..Заряды будут перетекать сле-
ва направо, так как на третьей фазе ФЗ (так же, как и на первой) потенциал
низкий. После накопления за-
рядов под электродами второй
фазы Ф2 высокий потенциал,
с нее снимается и подается на
третью. Заряды перетекут в-
пустые ямы справа; налево они
двигаться не будут, так как на
электродах первой фазы заряд
остается низким [84].
Направленность переноса
зарядов обеспечивается также
стоп-каналами, которые не поз-
воляют зарядовым пакетам рас-
Рис. 6.1. Трехтактный регистр
переноса:
I — окисел; 2 — кремний (п-тип); 3 —
электроды; 4— области стоп-диффу-
зии (п-тип); 5 — канал перенэса
текаться в стороны и направляют их строго вдоль регистра. Стоп-каналы
представляют собой области, легированные сильнее, чем кремний в самом
канале переноса. При приложении к электродам напряжения смещения потен-
циальные ямы образуются только в канале переноса (чем выше концентрация
примеси в кремнии, тем меньше глубина потенциальной ямы). Зарядовые па-
кеты под электродами сдвигаются (благодаря переключению потенциалов фаз}
к выходу регистра. Здесь они преобразуются в импульсы напряжения или
тока, которые после усиления по-
даются на видеоконтрольное уст-
ройство.
Световая инжекция неоснов-
ных носителей может происходить
не только при попадании в крем-
ний фотонов с энергией, достаточ-
ной для переброса носителя через
запрещенную зону, но и в резуль-
тате термогенерации. В кремнии
всегда генерируются пары элек-
трон—дырка и, если существует
электрическое поле, то под соот-
ветствующими электродами эти
Рнс. 6.2. Матричный ФППЗ (п =
= т = 10):
1 — выходной регистр; 2 — выходное
устройство
пары будут разделяться на основные и неосновные носители. Темп накопления
последних определяется температурой, качеством кристалла кремния и свой-
ствами поверхности раздела кремний-диэлектрик. Накопление в потенци-
альных ямах термогенерированных носителей является паразитным процес-
сом; отношение заряда этих носителей к времени накопления названо тем-
новым током.
Для того чтобы сформировать видеосигнал от двумерного изображения,
применяют матричный фоточувствительный прибор с переносом заряда (мат-
ричный ФППЗ,) содержащий п линейных светочувствительных регистров
по т элементов (рис. 6.2). Каждый светочувствительный регистр соединен
•с элементом регистра переноса, служащего только для вывода зарядовых па-
кетов из матрицы. Выходной регистр закрыт непрозрачным экраном.
Если изображение наблюдаемого объекта спроецировать на матрицу,
в элементах светочувствительных регистров накапливаются зарядовые паке-
ты, которые переносятся в подготовленные потенциальные ямы регистра пе-
реноса (например, под электроды второй фазы). Приняв зарядовые пакеты,
регистр переноса передвигает их к выходу, пока полностью не очистится.
Затем в регистр переноса перетекут из светочувст-
вительных регистров следующие заряды и цикл пере-
носа их к выходу будет повторяться до тех пор,
б
а
Рис. 6.3. Схема соединения чувствительных элементов матрицы со входом
-ПЗС при прозрачной (а) и непрозрачной (б) для ИК излучения подложке:
J — чувствительный элемент; 2 — ИК излучение; 3 — прозрачная для ИК излучения
подложка; 4 — вход ПЗС; 5 — просветляющее покрытие
Рис. 6.4. Матричные ФППЗ с переносом кадра (а) и со строчно-кадровым
переносом (б):
1 — стоп-каналы; 2 — секция хранения; 3—приемная секция (накопления); 4 — чув-
ствительный элемент матрицы; 5 — электроды; 6— выходное устройство; 7 — выходной
регистр переноса; 8 — регистры переноса, защищенные от излучения
яока ие очистятся все светочувствительные регистры и матрица окажется го-
товой к новому такту накопления. В действительности, работа матричного
ФППЗ гораздо сложнее и более подробно рассмотрена в специальной литера-
туре [87, 88]. .
Инфракрасные матричные ФППЗ подразделяются на два основных клас-'
са: гибридной и монолитной структуры. В матричных приборах {гибридной
структуры преобразование оптического сигнала в электрический и последу-
ющая обработка последнего происходят раздельно в двух разных частях при-
емника. В матрице фоточувствительных элементов производится детектирова-
ние оптического сигнала, а в кремниевых ПЗС-структурах — обработка вы-
ходных сигналов отдельных элементов матрицы. Это позволяет раздельно
оптимизировать детектирующие и считывающие структуры.
В матрице чувствительных элементов используются узкозонные полу-
проводники (InSb, Cdjc Hgi-jcTe, PbSnTe, PbS, PbSe и др-), легированный
кремний (Si : In, Si : Ga и др.) либо пироэлектрики. Выбор того или иного
материала определяется необходимой областью спектральной чувствительно-
сти, эксплуатационными требованиями по рабочей температуре, геометрией
фоточувствительных элементов и т. п.
Подложки, на которые наносят фоточувствительный материал, могут
быть прозрачными и непрозрачными для ИК излучения (рис. 6.3). В случае
непрозрачной подложки излучение попадает на фоточувствительные элементы
через окна в кремниевом кристалле.’Для этого в кремниевой ПЗС-структуре
должна быть удалена металлизация из окон, а их поверхности должны быть
оптически отполированы и просветлены. Оптические перекрестные помехи,
возникающие из-за большого числа отражающих поверхностей, несуществен-
ны при тонких слоях фоточувствительного материала. Оптимальная толщина
фоточувствительного слоя порядка 10 мкм [2].
После преобразования в ПЗС сигнала ПК чувствительного элемента в за-
рядовый пакет работа многоэлементного гибридного приемника ПК излу-
чения ничем не отличается от работы многоэлементных преобразователей
видимого излучения и определяется теми же параметрами и характеристи-
ками [83].
Характерной особенностью матричных ФППЗ гибридной структуры яв-
ляется наличие секции хранения или памяти, равной по площади приемной?
секции и используемой следующим образом. В приемной секции А (рис. 6.4,а}
происходит накопление информации (в течение полукадра). По окончании
периода накопления зарядовое изображение кадра быстро сдвигается из
приемной секции в секцию памяти Б, экранированную от воздействия излу-
чения. (Для уменьшения смазывания изображения при сдвиге время переноса
должно быть значительно меньше периода накопления). После этого в прием-
ной секции начинается накопление следующего кадра, а зарядовые пакеты
из секции хранения построчно переводятся в выходной регистр переноса
и далее — в выходное устройство.
Наряду с матрицами с переносом кадра в область хранения применяют
матрицы со строчно-кадровым переносом, в которых область накопления со-
стоит из вертикальных столбцов, между которыми вставлены защищенные
от излучения вертикальные регистры переноса (рис. 6.4,6). Заряды в фото-
чувствительных элементах накапливаются в течение кадра и затем параллель-
но переносятся в соседние ячейки регистров переноса. В период накопления
зарядов следующего кадра в ЧЭ зарядовые пакеты из регистров переноса пере-
водятся в выходной регистр и далее — в выходное устройство.
Фирмой «Хьюз Эркрафт» разработан миогоэлементный ПИ в виде линей-
ки 2 х 32 фоторезисторов на основе Cdx Hgi-яТедля диапазона 8...12 мкм по
технологии краевой металлизации. Применение такого приемника в теплови-
зоре с’оптико-механическим сканированием и последовательным съемом ин-
формации позволило получить изображение, сравнимое с телевизионным изо-
бражением, имеющим 350 X 600 элементов разложения.
В 1979 г. изготовлена матрица 32 X 32 фотовольтаических приемников
на основе InSb для тепловизора с самосканированием. Соединение фоточув-
ствительной матрицы с ПЗС регистром осуществлялось с помощью индиевых
столбиков с прямой инжекцией фототока в ПЗС.
Фирмой «Хонейвелл» создан гибридный приемник с матрицей ЧЭ на
основе Cd Hgi—jcTe и кремниевого ПЗС мультиплексора. Последний состоит
из 32 х 32 ячеек размером 100 X 100 мкм. Фотодиоды формируются на по-
верхности ПЗС мультиплексора с помощью фотолитографии. На входе каж-
дого канала мультиплексора предусмотрены схемы вычитания фонового’за-
ряда, защиты от переполнения потенциальной ямы сигналом от интенсивного-
точечного источника излучения, а также накопления сигнального заряда за
время кадра. В конце каждого кадра накопленный заряд инжектируется на
.вход мультипексора и считывается за время следующего кадра.
Практика показала, что параметры гибридных многоэлементных прием-
ников ИК излучения можно оценивать по параметрам собственной матрицы
ПЗС, так как ввод сигнала от ЧЭ вызывает ухудшение отношения сигнал/
шум считывающей схемы в пределах 10...20 % [2].
Французская- фирма «Томсон» создала гибридный приемник с фоточув-
ствительными элементами на основе- Pb0,8 Sn0,2 Те для диапазона длин волн
8...12 мкм. Фотодиоды с приемной площадкой 100 X 85 мкм формировались
методом жидкофазной эпитаксии на кремниевой подложке с ПЗС структурой.
Обнаружительная способность на длине волны 10 мкм и частотах 2 и 10 кГц
составляет 2 • 1010 и 3 • 1010 см • Вт-1 • Гц1/2 соответственно [131].
Специалистами фирмы «Аэроджет электросистемз» (США) разработан
многоэлемеитный приемник ИК излучения на основе PbS с числом элементов
192 X 64 = 12 888 для диапазона длин волн 2,5...3,5 мкм. Общий размер
матрицы 3,65 х 19,05 мм; размеры отдельного фоточувствительного элемен-
та 100 X 100 мкм. При рабочей температуре 156 К получены следующие
параметры: средняя по матрице мощность, эквивалентная шуму (NЕР), 2,1 х
X 10-14Вт; дисперсия NEP 1,2 • 10-14Вт; среднеквадратичная величина шу-
ма 2,5 • 10-9А; дисперсия шума 1,4- 10“®А; средняя чувствительность 1,2 X
X 10s А/Вт; дисперсия чувствительности 2,9 • 104А/Вт; число фоточувстви-
тельных элементов с неудовлетворительными параметрами 296 (2,4 %) [2].
В фоточувствительных приборах с зарядовой инжекцией (ФПЗИ) моно-
.л.тюй структуры перенос заряда происходит лишь между электродами
в каждой отдельной их паре без сдвига всех зарядовых пакетов к одному об-
щему выходу [87, 88]. Элемент
такого ФПЗИ состоит из двух
смежных МОП-конденсаторов,
расположенных в непосред-
ственной близости друг от дру-
га (рнс. 6.5). Один из них
присоединен к горизонтальной
(строчной) шине, а другой —
к вертикальной (столбцовой).
Шины управляются двумя
сдвиговыми регистрами гори-
зонтальной и вертикальной
разверток.
Матричный ФПЗИ работа-
ет по принципу координатной
выборки. За период накопления
неосновные носители собирают-
ся в ячейках строчных шин, на
которые подано напряжение
обедняющего смещения 17см.
Перед началом считывания
столбцовые шины и связанные
с ними электроды заряжаются
от источника опорного напря-
жения (7ОП и отключаются от Рис- 6-5- Матричный ФПЗИ монолитной
него ключами К7...К4; до на- структуры
чала считывания (7„„.
см- оп
Снимая с помощью регистра вертикальной развертки напряжение 6/см
со строки, выбранной для считывания, вызывают переход зарядов во всех ячей-
ках строки под электроды, связанные со столбцовыми шинами. Потенциалы
последних изменяются в зависимости от величины перешедших зарядовых па-
кетов. Эти изменения потенциалов считываются поочередно регистром горизон-
тальной развертки, который подключает поочередно столбцовые шины к вы-
ходному устройству посредством ключей К5...К8. '
Для подготовки прибора к следующему аналогичному такту работы одно-
временно на оба электрода подается нулевое смещение, и неосновные носители
инжектируются в подложку.
Возможен также режим неразрушающего считывания, когда пакеты
«нова возвращаются в МОП-конденсаторы строчных шин. Это позволяет
получить высокую чувствительность прибора при малых освещенностях.
Каждый чувствительный элемент ФПЗИ окружен стоп-канальной об-
ластью, благодаря чему подавляется растекание зарядов, и ПЗИ может нор-
мально функционировать при 1000-кратных локальных увеличениях падаю-
щего потока излучения [84].
В табл. 6.1 приведены основные параметры многоэлементных ФПЗИ
иностранного производства [2].
В отличие от ФПЗИ структур, в которых общее число подводящих кон-
тактов увеличивается с ростом числа ЧЭ, в ФПЗИ-структурах число подводя-
щих контактов не зависит от числа элементов. Кроме того, в таких приемки-
ках можно обеспечить большую чувствительность, чем в ПЗИ-структурах,
и осуществить режим накопления сигнала непосредственно в фотоприемной
матрице, а не во внешней схеме, как это имеет место в ФПЗИ-структурах [2].
Число элементов Nmax в матрице связано с диаметром do6 объектива тепло-
визионной передающей камеры следующей зависимостью [21:
4 (y/iCoLg)* 1/2 R2m
d л = ----------— --- -------------гтто , (6.1)
kCK (TNmax nk3Kp топт ХП)>/2
где у — угол зрения системы, ср; h — постоянная Планка, Вт • с/К; с0—
скорость света в вакууме, см • с-;1; LB— облученность объектива фоновым
6.1. Параметры многоэлементиых ФПЗИ
Фирма Число ЧЭ Размеры элемента (зазор между эле- ментами), мм Фотоп риемник
Материал Рабо- чая темпе- ратура, К Спектраль- ный диапа- зон чувст- вительно- сти, мкм
«Дженерал Электрик» 32 64 0,1 X 0,1 0,025x 0,025 In Sb 77 3...5
«Тексас Инструмент» 16x24 8x8 0.05x0,05 (0,025; 0,015) 0,025x 0,025 (0,025) In Sb CdHgTe 77 3 ... 5 3 ... 5
«Дженерал Электрик» 32 64 64 32x32 1,3-10“2* 0,043 x0,056 (0,020; 0,015) In Sb In Sb 77 67 77 77 3,7 ... 4,8 3,7 ... 4,8 4,85** 4,12**
«Хонейвелл» 8x200 — Cd Hg Те 77 3 ... 5
* Площадь элемента, мм2.
** Длина волны, соответствующая максимуму чувствительности.
излучением, Вт • см-2 • ср-1; R — расстояние между тепловизором и источ-
ником теплового излучения, см; т — необходимое отношение сигнал/шум;
йаб, ^ск> ^экр — коэффициенты, учитываю-
щие потери энергии за счет аберраций оп-
тической системы, процесса сканирования
и экранирования входного отверстия опти-
ческой системы, соответственно; I — сила
излучения источника, Вт/ср; топт, та — ко-
Рис. 6.6 Зависимость диаметра объектива от
максимального числа ЧЭ в матрице:
1 — do6 = /1 («щах)! 2 — do6 min = /в («max)
эффициенты пропускания инфракрасного излучения оптической системы и слоя
атмосферы между тепловизором и источником излучения соответственно; Т —
время обновления информации, равное длительности кадра для сканирующих
систем, с; т) — квантовая эффективность ЧЭ; X — длина волны излучения, мкм-.
С другой стороны, на минимальное значение диаметра объектива dmin
существуют ограничения, связанные с числом элементов в матрице и с дифрак-
ционными явлениями на входной апертуре:
!п ' \ 1/2
4nin = 2.'
Построив графики зависимости do6 = Л (nmax) и do6min=/2 ("max)- можно
найти минимальное значение диаметра объектива тепловизионной передающей
камеры. На рис. 6.6 графики построены для следующих численных значений
величин, входящих в формулу (6.1):
7'1/2 I/I? = j . jo-4 Вт - с1/2 . см_2. т = 4.
у = 0,75 ср; X = 11 мкм; т] = 0,4;
Та = /гоб = /гск = *экр = И Топт = °, 6.
В точке пересечения прямых на рис. 6.6 dmjn « 12см;
«max ~ 10s. Полученную величину nmax можно отне-
сти к ИК ФППЗ нового поколения.
Использование монолитных структур на узко-
зонных полупроводниках (InSb или CdHgTe) огра-
ничивается областью 3...5 мкм, так как в инверсных
слоях фоточувствительных материалов, для диапа-
зона 8...12 мкм возникают интенсивные туннельные
электронные переходы типа валентная зона — зона
проводимости, сильно зависящие от ширины запре-
щенной зоны.
Время накопле- ния, с Обнаружи- тельная способ- ность, 1011-см х ХГц^/Вт
1-10-» 2,5...5.0
3-10-4 3,46
8-10-5 1,6-10-4 1,6- 10-4 2,3-10~? 3,4 2,5 47 2,9
— 1-10.
23. ТЕПЛОВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ
МОДУЛЬНОГО ТИПА
В тепловидении формировался обособленный
подход к модульному конструированию с использо-
ванием ранее накопленного опыта в радиоэлектрон-
ной промышленности.
Собственно тепловизор представляет собой опти-
ческую головку и электронные блоки. Для послед-
них, с точки зрения конструктивного исполнения,
целесообразно использовать модули, применяемые
в конструкциях КАМАК, «БУК-б», «Еврокард»*, но
они непригодны для построения оптической головки,
совмещающей в себе элементы оптики, механики, электроники. С точки
зрения структурного построения тепловизоров, для них были созданы узко-
специализированные модульные принципы построения, позволившие в не-
сколько раз сократить стоимость и время на проектирование и изготовление
новых моделей. Примером могут служить тепловизоры модульного ряда
«Радуга», ежегодно пополняемого новой моделью [78].
Модули разбиваются на четыре группы: главные, функциональные,
контрольно-проверочные. Четвертая группа может быть выделена из трех
первых и относится к многорядиым или перспективным модулям.
Главными называются модули, обеспечивающие работоспособность тепло-
визора, т. е. регистрацию тепла определенным образом.
Совокупность главных модулей представляет простейший или базовый
тепловизор. Исключение любого главного модуля из состава тепловизора
приводит к потере его работоспособности. При замене главного модуля на
См. ГОСТ 26.201—60, ГОСТ 26.204—83, ОСТ 16.0.684.043—78,
главный модуль другой конструкции меняются и основные характеристики
тепловизора.
Функциональными называют модули, обеспечивающие работоспособность
тепловизора в соответствии с заданными функциональными характеристиками.
Исключение функциональных модулей из состава тепловизора не приводит
к потере его работоспособности, а сопровождается потерей части функцио-
нальных возможностей- Дополняя базовый тепловизор функциональными
модулями, получают новые модели.
Контрольно-проверочными называют модули, входящие в комплект
тепловизора и используемые эпизодически при изготовлении или проверке
его работоспособности. Примером могут быть ИК излучатели, используемые
для проверки измерительного
канала тепловизора.
Многорядными или перс-
пективными называют модули,
используемые для построения
Pffl 1*^0 1*5/] 1^1 [дЗ] Радуга-Р
ЕЗ Е Ц5] Радуга-2
1^7] Радуга МТ-ЭВМ
И®__________JTJELZZlL РадугаЧП__________
0 ® 0 Щ [0] @ 0
____________________________________
Е Е Е ИИ Ш Длмаз
z | I ЕО Е?Г|
Рис. 6.7. Набор функциональ-
ных модулей для тепловизоров
ряда «Радуга»:
1 — оптико-механическая головка;
2 — блок электроники; 3 терморегу-
лятор навесных ИК излучателей;
4 — оптический опорный канал; 5 —
штатив: 6 — выносной ИК излуча-
тель; 7 — тележка; 8 — фото пристав-
ка; 9 — комбинированный дисплей;
10 — формирователь термопрофилей;
11 — датчик оптического клина; 12 — генератор знаков: 13 — коммутатор цветов; 14 —
Генератор маркера; 15 — точечный измеритель; 16 — цифровой интегратор; // — механизм
увеличенного заклона; 18 — защитное окно; 19 — расширитель диапазонов; 20 — множитель
(Параметров термографирования; 21 — электрохимический регистратор; 22 — черно-белый
^телевизор; 23 — наращиваемое' ЦЗУ; 24 — цветной телевизор; 25 — цифровой автокалибра-
тор; 26 — определитель уровня отсчета; 27— определитель диапазона; 28 — формирователь
•программ ППЗУ; 29 — блок сопряжения с ЭВМ; 30 — блок доступа в память; 31 — элек-
тронная лупа; 33— высокотемпературный ИК излучатель; 33 — одномерный ИК излуча-
тель; 34 — выносное зеркало; 35 — вычислитель истинной температуры; 36 — селективные
фильтры; 37 — модуль сопряжения
тепловизоров из другого модульного ряда. К многорядным могут относиться
как главные, так и функциональные или контрольно-проверочные модули.
Из данной классификации модулей следует, что модульный ряд пред-
ставляет собой совокупность различных моделей тепловизоров, имеющих
® своем составе единые главные модули, удовлетворяющие основным харак-
теристикам тепловизора при различии их функционального назначения.
Приведенная классификация позволяет более организованно и целенаправ-
ленно осуществлять выпуск новых моделей тепловизоров, облегчает проведе-
ние функционально-стоимостного анализа и допускает оперативно менять
функциональные характеристики конкретных моделей.
На рис. 6.7 показан набор функциональных модулей для тепловизоров мо-
дульного ряда «Радуга», в основе которого лежит базовый тепловизор «Ал-
маз» [103]. В процессе разработки набор модулей для конкретной модели из-
менялся. Последующая модель получалась из предыдущей путем введения
® ее состав новых функциональных модулей при сравнительно неизменном
составе главных. В последующей модели могут отсутствовать модули, име-
ющиеся в предыдущей.
На рис. 6.8 изображен состав модульных рядов «Радуга», «Пирикон»
« ряд «Излучатель», состоящий из контрольно-проверочных модулей (инфра-
красных излучателей), используемых для калибровки и проверки информа-
щионно-измерительных каналов тепловизоров рядов «Радуга» и «Пирикон».
Состав модулей ряда «Излучатель» показан на рис. 6.9, где модуль регулято-
ра — один из главных и используется во всех типах излучателей [72, 74].
Модули уровня, диапазона, перепада и разрешения предназначены со-
ответственно для контроля уровня отсчета и диапазона регистрируемых тем-
перстур, порога температурной чувствительности и геометрического разре-
шения, модули имитатора и фона — для создания модели теплопортретов
различных объектов и фонов, на которых они располагаются (например^
мира со щелями на уровне температурного фона 30 °C), используемая для
измерения мгновенного угла зрения).
Рис. 6.8. Состав модульных рядов «Радуга», «Пирикон» и «Излучатель»:
А — перспективные многорядные модули тепловизоров; Б — контрольио-проверочнйе
модули излучателей; 1 — «Алмаз»; 2—«Радуга-МТ»; 3—«Радуга-АТ»; 4—«Радуга МТ-ЭВМ*;
5 — «Радуга-2»; 6 — «Радуга-3»; 7 — «Радуга-4»; 5 — Пирикон-1; 9 — Пирикон-2; 10 — Пири-
кон-3; //—Пирикон-4; 12 — модуль уровня; 13— модуль диапазона; 14 — модуль меди-
цинский; 15 —- модуль перепада; 16 — модуль фона; 17 — модуль разрешения; 18 — модуль
высокотемпературный
Рис. 6.9. Состав и сочетание модулей тепловых излучателей:
/, 8 — модули тока; 2 — модуль уровня: 3—модуль диапазона; 4 — модуль перепада; 5—
модуль фона; 6— модуль разрешения; 7 — модуль имитатора; 9— модуль стационарный;
10 — модуль задатчика; 11 — модуль регулятора; 12 — модуль охлаждения
и, следовательно, использовать ее для различных моделей тепловизоров.
Для примера на рис. 6.10 изображена функциональная схема ЦЗУ, вы-
полненного как модуль цифровой памяти в тепловизоре «Радуга-2», обеспе-
чивающий преобразование сложного растра в стандартный телевизионный-.
Кроме того, ЦЗУ обеспечивает запоминание, накопление и усреднение кад-
ров сканирования с разложением 168х
X 144 точки и выполнено на микро-
схемах типа К541РУ1А с емкостью
4096 X 1 бит, имеющих произволь-
ную адресацию. Число разновидно-
стей печатных плат сведено к двум —
плата накопителя и плата коммута-
тора. Как показано на рисунке, на
основе плат накопителя построены
Рис. 6.10. Модуль цифровой памяти:
1 — накопитель нечетных строк; 2 — плата
накопителя; 3—накопитель четных строк;
4 — плата коммутатора
идентичные накопители четных и нечетных строк, которые объединяют по
выходам с помощью платы коммутатора. Структура памяти позволяет пре-
образовывать параллельную информацию, поступающую на вход модуля»
в строчную последовательность, удобную для регистрации и отображения.
Это преобразование осуществляется с помощью адресного узла. Объем одной
платы накопителя составляет 12 288 X 4 бит. Плата накопителя содержит
входной и выходной регистры, сумматор, мультиплексор и собственно эле-
менты памяти, которые сгруппированы в три линейки посредством команд
«выбор кристалла». Объем всей памяти ЦЗУ 24 576 X 8 бит. Этот модуль
позволяет не только быстро выводить видеосигнал на телевизионный дис-
плей, но и медленно — на электрохимический регистратор, обеспечивая, воз-
можвости ЦЗУ по развязке масштабов времени, отличающихся на три
порядка.
В тепловизорах ряда «Радуга» используется электрохимический регист-
ратор, выполненный из двух конструктивно объединенных модулей — моду-
ля записи и модуля управления. Регистратор реализует возможность записи
термограмм, формируемых из цифрового четырехразрядного видеосигнала.
Имеется узел тестового контроля регистратора, выполненного как функцио-
нально автономный блок, пригодный для регистрации не только термограмм.
Запуск протяжки электрохимического регистратора производится внешним
импульсом или оператором. В регистраторе имеются синхронизирующие им-
пульсы для опроса внешних устройств. Пишущий электрод—замкнутая пере-
мещающаяся лента. Плотность записи 3,3 лин/мм, скорость регистрации
-5 лин/с, число различных градаций — 10.
В тепловизорах «Радуга-МТ», «Радуга-АТ» используется функционально
законченный модуль — цветной дисплей. Произведена его модернизация для
увеличения числа наблюдаемых черно-белых градаций до десяти и обеспе.
чеиия возможности обработки «запомненных» изображений. Возможны два
основных варианта отображения информации: 10 цветных и 5 черно-белых
градаций, 10 черно-белых и 5 цветных. Наличие двух режимов обеспечивает
просмотр одной и той же термограммы как в полутоновом, так и цветном ва-
риантах отображения. Кроме того, возможны дополнительные варианты, на-
пример, в виде полутонового черно-белого изображения с наложенной цвет-
ной изотермой или с гашением на изображении отдельных полутонов цветов
и др. [99, 77[.
Одним из главных модулей является объектив, который в тепловизорах
со сканированием потока излучения перед объективом практически невоз-
можно заменить на другой для изменения угла обзора. В тепловизорах, соз-
данных на базе пировидиконов, такая возможность имеется, поэтому раз-
работан параметрический ряд из четырех объективов, в том числе ОБ-699 на
базе оптической керамики ZnSe и бескислородных стекол с высоким разреше-
нием, а также ряд асферических объективов из германия с большой свето-
силой и относительным отверстием до 1...0.7. Асферические объективы прак-
тически по всем параметрам превосходят объективы со сферической оптикой,
но более сложны в изготовлении. [14, 15].
При разработке тепловизоров на базе пировидиконов используются
модульный принцип построения и цифровая форма представления видеосиг-
нала [48], которые позволяют создавать гибкие унифицированные теплови-
зионные системы. При построении новых моделей тепловизоров, например
АТП-44М, «Радуга-4», «Радуга-3», как правило, используют модульные прин-
ципы [49].. Широко применяют модули типа КАМАК. При этом к уже суще-
ствующим разрабываются новые, устанавливаемые в едином крейте. Заменяй
«ли дополняя серийные тепловизоры, например, АТП-44М, «Радуга-МТ»,
ТВ-03 новыми модулями, им придают новые качества [13, 94, 99].
Примером модульной конструкции является также тепловизор «Термо-
вижн-780» фирмы AGEMA. Он представляет собой систему широкого назна-
чения,которая основывается на модулях, объединяемых в зависимости от
конкретных требований.
Система «Термовижн-780» состоит из шести основных узлов: сканиру-
ющего и видеоконтрольного устройства, фотоприставок, аналогового и циф-
рового блоков, вспомогательных устройств.
Сканирующее устройство выполнено в двух вариантах: одноканальное
и двухканальное. Первое может быть укомплектовано приемником InSb
или HgCdTe, а второе— одновременно двумя такими приемниками. Охлаж-
дают приемники жидким азотом. Параметры сканирующих устройств: часто-
2
3
4
5
Объек-
тив
6.2. Параметры объективов сканирующих
устройств
Угол зрения, Фокус- ное рас* стоя- ние, мм Разре- шаю- щая способ- ность, мрад. Разме- ры, мм
3,5 191 0,5 142 300
7 99 1,1 78 152
12 53 1,9 64 86
20 33 3,4 64 47
40 17 5,8 64 47
2,8
0,7
0,3
0.2
0,2
числителе дроби ука-
В
Масса,
кг
Примечанве. ... ___
зан диаметр, в знаменателе — длина объектива.
строк и кадров 2500 Гц и 25 Гц соответственно; температурный режим
—15...+55 °C; масса одноканального устройства (без объектива) 1,6 кг, двух-
каиального — 3,2. В комплект сканирующего устройства входят пять легко-
заменяемых объективов, которые определяют угол зрения и разрешающую
способность системы (табл. 6.2.)
Каждое сканирующее устройство снабжено кассетой для оптических
фильтров, в которую можно устанавливать шесть фильтров для коротковол-
нового и длинноволнового участков спектра.
Черно-белое видеоконтрольное устройств обеспечивает размер видео-
изображения 50 X 50 мм и смонтировано в корпусе, в который можно вста-
вить до четырех различных блоков, позволяющих приспособить систему к кон-
кретным условиям. Этими блока-
ми являются:
селектор зоны измерения
(SAS), обеспечивающий определе-
ние и идентификацию зон измере-
ния на термоизображении;
термоамплитудный анализа-
тор (ТАМ), анализирующий ам-
плитуду видеосигнала в преде-
лах желаемой зоны измерений. С
помощью этого блока можно из-
мерять максимальный, минималь-
ный и средний уровни сигнала
(температуры) в зависимости от
выбранного изотермического диа-
пазона;
анализатор температурной
зоны (TAR), выявляющий ту часть
объекта, которая имеет определен-
ную температуру;
индикатор считываемого сиг-
нала (SRI), служащий для цифро-
вого отсчета выходного сигнала
анализатора температурной зоны
или термоамплитудного авализа-
тора;
оконечное устройство (IDT),
являющееся альтернативным средством для получения отсчета значений из
термоамплитудного анализатора или анализатора температурной зоны. Эти
данные автоматически отображаются на экране видеоконтрольного устрой-
ства по мере выполнения измерений.
Для аналоговой регистрации и обработки термоизображений возможны
следующие комбинации описанных блоков: SAS—ТАМ—SRI; SAS—ТАМ—
IDT; SAS—TAR—SRI’; SAS—TAR—IDT; SAS—ТАМ—TAR—SRI; SAS—
ТАМ—TAR—IDT.
В полный комплект тепловизора AGA-780 входит также блок OSCAR
для цифровой обработки и записи данных. Этот блок не является независи-
мым и играет роль промежуточного звена между тепловизором и ЭВМ. В со-
став блока OSCAR входят аналого-цифровой преобразователь (АЦП)с полу-
проводниковой памятью, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). Для
расширения емкости памяти введена цифровая ленточная система.
В таком составе OSCAR выполняет следующие функции: запоминает
любой требуемый кадр и сохраняет его в течение длительного времени на
экране ВКУ, запоминает в цифровом виде на ленточном устройстве теплови-
зионное изображение; служит промежуточным звеном для преобразования
тепловизионного изображения в цифровую форму и передачи ее в ЭВМ и об-
ратно. .
Вспомогательные устройства модульной системы «Термовижн-780»
составляют цветное видеоконтрольное устройство, обеспечивающее количе-
ственное измерение температуры объекта к J.0 выбираемых цветах, две ка-
меры для фотографирования экрана черно-белого видеоконтрольного уст-
ройства, камеру для съемки осциллограмм и автоматическую цветную при-
ставку для получения цветных изображений с экрана черно-белого вндео-
контрольного устройства, треноги, баллоны для жидкого азота емкостью
0,5 и 10 л, аналоговый и цифровой магнитофоны и пр.
24. ТЕПЛОВИЗОРЫ С ЭВМ
В процессе совершенствования тепловизоров, расширения объема их
выпуска и, следовательно, сфер применения в ряде случаев появляется необ-
ходимость в обработке тепловизионной информации с помощью ЭВМ. Такая
задача возникает в медицине при автоматизированной обработке термограмм,
проводимой для предварительной диагностики различных заболеваний [68],
при тепловом неразрушающем контроле, для определения качества различ-
ных объектов, нахождения местоположения дефектов, особенно, когда объект
подвижен, и в ряде других областей. Обработка термограмм на ЭВМ позво-
ляет также улучшить такие параметры тепло-
визоров, как порог температурной чувстви-
тельности и геометрическое разрешение, осу-
ществлять автокалибровку измерительного ка-
нала, устранять геометрический шум ЧЭ мно-
гоэлементногс приемника [78], автоматизиро-
вать процесс управления тепловизором, в осо-
бенности выбор оптимальных значений уровня
отсчета и диапазона регистрируемых темпера-
тур. В настоящее время в тепловидении при-
менение даже малых ЭВМ целесообразно лишь
на этапе ?отработки алгоритмов и программ.
Состояние элементной базы позволяет созда-
вать встроенные микропроцессоры для реше-
ния определенного круга -• тепловизионных
пряжения тепловизора «Ру-
бин-2» с ЭВМ «Минск-32»
задач.
Обработка тепловизионной информации на ЭВМ является одним из раз-
делов иконики, под которой понимается- научное направление, изучающее
общие свойства изображений и определяющее цели и задачи их преобразо-
ваний, отработки и воспроизведения на основе всех возможных методов и
средств [63]. Ниже рассмотрены устройства и методы обработки термограмм
с помощью ЭВМ и процессоров.
В аналоговых и цифровых термограммах каждый элемент разложения
представляется определенным значением оптической плотности или цветом
при геометрическом подобии объекта и его изображения. У числовых термо-
грамм каждый элемент разложения представлен числом на любом носителе
информации, например на ленте цифропечатающего устройства, перфолен-
те, магнитном диске.
Числовые термограммы обычно получают в комплексах типа тепловизор—
ЭВМ. Одним из первых были созданы комплексы на базе медленно сканиру-
ющих тепловизоров, сопряженных с ЭВМ через промежуточный носитель
информации—перфоленту, позволяющие производить развязку процессов
термографирования и обработки во времени и пространстве. Основным элемен-
том такого комплекса является устройство сопряжения (рис. 6.11).
Видеосигнал от тепловизора «Рубин-2» поступает на усилитель видеосиг-
нала 1, где усиливается до уровня, необходимого для нормальной работы кван-
тователя уровня 2. Квантователь преобразует входной аналоговый сигнал
в переменный код, который поступает на формирователь машинного кода 3,
преобразующий его в стандартный машинный параллельный 8-разрядный
код, который поступает в блок памяти 6. Время хранения записанной информа-
ции регламентируется перфоратором 5 (типа ПЛ-80 или ПЛ-150), т. е. после
записи строки информации на перфоленте с перфоратора поступает сигнал
нового кода в блок памяти. Так как на перфоленте каждая строка должна
содержать нечетное количество пробивок, то для контроля сигнала, записан-
ного в память, в устройство сопряжения введена схема проверки четности 8.
Для того чтобы в момент записи информации в памятьне произошла смена
кода, т. е. не был записан переходный процесс, выраженный числом с четным
количеством пробивок в строке, предусмотрена схема проверки четности 8.
С выхода схемы снимается импульс, который, пройдя через схему управления
памятью 4, запишет информацию, и на перфоленту будет выведена истинная
информация. Сигнал с блока 6 поступает иа схему управления перфоратором
7, гарантирующую нормальную работу перфоратора 5. В определенные моменты
времени на перфоленту выводится служебная информация от схемы форми-
рования 9 по командам оператора или от датчиков тепловизора,указывающих
параметры термографирования — уровень отсчета и диапазон регистрируе-
мых температур. В момент записи служебной информации производится бло-
кировка сигналов, поступающих с памяти 6 и служебная информация тран-
зитом через схему управления поступает на перфоратор 5. Вывод информации
осуществляется на 8-дорожковую перфоленту, позволяющую на алфавитно-
цифровом печатающем устройстве (АЦПУ) получать 128 символов в строке
при неограниченном их числе.
Обработка термограмм на ЭВМ проведена в онкологическом научном
центре М3 Грузинской ССР, где устройство сопряжения тепловизоров «Ру-
бин-2» и «М-1» (фирмы «Барнес») выполнено в основном из стандартных бло-
ков, таких как аналого-цифровой преобразователь Ф4-207-1, усилитель Ф-301,
перфоратор ПЛ-150-Л [16] или накопитель ЕС-9002 на магнитной ленте, где
можно поместить 300 числовых термограмм.
После обработки ЭВМ на АЦПУ получают числовую термограмму, со-
стоящую из 36 строк по 44 двухзначных числа, получаемых после усред-
нения выборок по каждым 10 точкам, т. е. 16 000 элементов разложения ана-
логовой термограммы превращают в 36 х 44 = 1584 чисел. Программа для
ЭВМ основана на сравнении симметричных точек термограмм. Для привязки
видеосигнала к температурной шкале в поле зрения тепловизора помещают
10-элемеитный ИК излучатель с линейно-ступенчатым распределением тем-
ператур в диапазоне 28. ..38 °C.
Для составления различных алгоритмов и программ с целью машинной
обработки термограмм при массовых медицинских исследованиях на базе теп-
ловизора «Рубин-2» и ЭВМ типа «Наири-4» также создан тепловизионный
комплекс. Связь осуществляется посредством блока согласования через стан-
дартный интерфейс этой машины. Видеосигнал снимается с нагрузочного ре-
гистра ПИ и подается на специально разработанный информационно-измери-
тельный тракт. В оптический канал тепловизора также вводится опорный
сигнал от ИК излучателя. Комплекс имеет универсальный дисплей для опе-
ративного контроля процесса обработки термоинформации, графопострои-
тель и АЦПУ. Диапазон измеряемых температур 20...40 °C, объем оператив-
ной памяти 64 Кбайт, объем памяти сменного магнитного диска 2,45 • 10е
байт, число элементов разложения термограммы 170х 140. Программное обес-
печение состоит из ввода исходной информации и формирования базы данных,
процедуры работы с файлами, обработки данных и выдачи результатов.
Программа ввода написана на языке Макро-П. Запись на магнитные диски
производится на уровне запросов WRITE, READ. Ввод данных ведется
в диалоговом режиме. На дисплей выводятся системные сообщения, результа-
ты обработки и инструкция, определяющая действия оператора [9]. Впослед-
ствии ЭВМ была заменена на СМ-4 АРМ. Время ввода кадра в память ЭВМ
1 мин, число отсчетов в кадре — 2,5 • 104 [43].
Имеется комплекс «Рубин-2» и микроЭВМ «Электроника С5-12», где для
привязки к шкале температур используют два ИК излучателя, код— шести-
разрядный, обеспечивающий шаг квантования 0,1°, кадр представляется 55
строками по 70 элементов. Тепловизор «Рубин-МТ» подсоединен к ЭВМ, при
этом за строку делается 128 выборок видеосигнала, которые за время обрат-
ного хода сканера с буферной памяти считываются в матрицу изображения.
Содержимое соседних строк усредняется так, что получается изображение
из 128 х 75 элементов при 150 строках сканирования в тепловизоре [109].
Созданы специализированные комплексы для теплового неразрушающего
контроля электрорадиоэлементов, где получаемая с 50-элемеитного прием-
ника информация обрабатывается ЭВМ «Электроннка-100». ЭВМ может
вычислить истинную температуру элементов микросхемы, которую предвари-
тельно термографируют после прогрева. Для этих целей выпущена серия
микрорадиометров ИКР-3, ИКР-4, ИКР-5 и ИКАР-1, имеющих блок связи
с ЭВМ [27, 91, 112].
1
Рис. 6.12. Структурная схе-
ма комплекса «Радуга-ЭВМ»:
1 — ИК излучение; 2 — сканирую-
щее устройство тепловизора;
3 — модуль управления; 4 — мо-
дуль ввода; 5 — АЦП; 6 — мо-
дуль ТВ; 7 — контроллер; 8 —
магистраль; 9 — устройство со-
пряжения; 10 — телевизор; 11 —
программное обеспечение тепло-
визора; 12 — магистраль; 13 —
ЭВМ; 14 — цифропечать; 15 —
дисплей; 16 — Н.МЦ, НМЛ
В современных системах организована интерактивная обработка тепло-
визионных изображений, например, с использованием ЭВМ «Электроника-60»,
цифрового ЗУ типа 15И3100 X 100-01 с организацией 3 X 256 X 256 X 8
бит и цветовым кодированием. В комплексе «Радуга—ЭВМ» (рис. 6.12), пред-
ставляющем собой промежуточную,
опытную модель в развиваемом ряде
«Радуга», цифровой видеосигнал по-
лучают из аналогового с помощью до-
полнительного АЦП, подключаемого
т! f
i
ц
5
-
Рис. 6.13. Структурная схема комплекса «Радуга-3»:
?— тепловизор «Радуга-МТ»; 2— оптическая головка; 3 — блок преобразования стан-
дартов разложения; 4 — блок отображения информации; 5 — устройство сопряжения;
6 — крейт-коитроллер СМ3; 7 — крейт контроллер Э 60; 8 — модуль входного регистра;
9—формирователь сигналов ввода-вывода; 10— модуль привода телевизора; 11 — черно-
белый телевизор
Рис. 6.14. Структурная схема комплекса «Радуга-4»:
1 — тепловизор «Радуга-2»; 2— оптическая головка; 3— блок электроники; 4— блок
электрохимической записи; 5 — черно-белое ВКУ; 6 — формирователь сигналов RGB;
7 — крейт КАМАК; 8 — модуль привода телевизора; 9 — формирователь сигналов ввода;
10 — модуль выходного регистра; II — формирователь сигналов ввода; 12 — формиро-
ватель сигналов RGB; 13 — крейт-контроллер СМ-3; 14 — крейт-контроллер Э-60; 15 —
модуль входного регистра; 16 — модуль управления накопителем; 17 — накопитель;
18 — цветной дисплей
к выходу оптико-механической головки тепловизора «Алмаз» [103]. Особен-
ностью схемы «Радуга—ЭВМ» является применение модульно-магистральной
структуры устройства сопряжения, соответствующего требованиям системы
КАМАК. Термограммы для визуального контроля выводят иа черно-белый
телевизор (с помощью соответствующего модуля сопряжения), на АЦПУ,
магнитную ленту или диск. Комплекс работает с ЭВМ типов СМ-3, СМ-4,
«Электроиика-60». Синхронизация съема данных и их запись в ЭВМ реали-
зуется модулем ввода, позволяющим произвести запись одного стоп-кадра за
1,76 с с [21 120 элементов разложения изображения. При” выводе на АЦПУ
формат кадра изображения имеет размеры 88 X 100 элементов [37].
Вводя в состав модернизированного тепловизора «Радуга-МТ» устройство
сопряжения (УСО), также выполненное в стандарте КАМАК, получен комп-
лекс «Радуга-3» (рис. 6.13). УСО позволяет при использовании стандартных
модулей добиться функциональной гибкости комплекса. Например, при смене
крейт-контроллера УСО может работать с различными ЭВМ. В состав УСО,
выполненного в виде крейта КАМАК, входят три модуля и два крейт-конт-
роллера: модуль формирователя сигналов ввода-вывода (ФСВВ), модуль
входного регистра (МВР), модуль привода черно-белого телевизора (МПТ),
крейт-контроллер СМ ЭВМ (ККСМ), крейт-контроллер Э-60 (КК Э-60). Мо-
дуль ФСВВ синхронизирует процесс вывода термоизображения из оператив-
ного запоминающего устройства тепловизора на магистраль КАМАК. МВР
принимает цифровую информацию и передает ее в ЭВМ. МПТ обеспечивает
вывод графической и буквенно-цифровой информации от ЭВМ через магис-
траль КАМАК на экран черно-белого телевизора. ККСМ управляет работой-
всех модулей под действием команд мини-ЭВМ серии СМ. КК Э-60 управ-
ляет работой модулей КАМАК по командам микроЭВМ типа «Электроника-
60». При работе УСО цифровая информация в виде четырех битовых слов,
с темпом 1 мкс выводится из оперативного запоминающего устройства тепло-
визора на ФСВВ, преобразующего синхронизирующие сигналы тепловизора-
в сигналы КАМАК, и передает информацию на МВР, откуда она считывается
крейт-контроллером в оперативную память ЭВМ. Крейт-контроллер деши-
фрирует команды и синхросигналы ЭВМ в сигналы и команды стандарта
КАМАК. Процесс ввода одного кадра термоизображения в ЭВМ длится 6 с.
Процесс ввода управляется по сигналу от кнопки «Пуск», расположенной на>
модуле ФСБ. На время ввода термограммы зажигается индикатор, что позво-
ляет визуально контролировать процесс. При этом ввод происходит незави-
симо от того, в каком режиме находится ОЗУ тепловизора.
В связи с тем что серийно выпускаемый тепловизор «Радуга-2» превос-
ходит тепловизор «Радуга-МТ» по разрядности цифрового кода (шесть против:
четырех), был создан комплекс «Радуга-4» (рис. 6.14), объединяющий «Ра-
дугу-2», УСО и ряд периферийных устройств. УСО в этом комплексе также
выполнено из набора модулей магистрально-модульной системы КАМАК
и состоит из двух крейт-контроллеров, модуля входного регистра (МВР),.
модуля управления накопителем (МУН), модуля привода телевизора (МПТ),.
формирователей сигналов ввода-вывода (ФСВВ), модуля входного регистра
(МВР) и формирователя сигналов RGB — для получения цветных изобра-
жений на дисплее. «Радуга-2», входящая в состав комплекса «Радуга-4»,,
также дополнена формирователем сигналов RGB. В состав комплекса введен:
и накопитель на магнитной ленте типа «Изот», позволяющий получение и об-
работку термограмм разнести во времени. С помощью МВР^и ФСВВ органи-
зован двухсторонний обмен информацией, содержащейся j в оперативной
памяти тепловизора и ЭВМ. Поэтому имеется возможность отрабатывать на.
ЭВМ термограммы и результаты обработки наблюдать на цветном дисплее,,
где также наблюдаются и необработанные термограммы непосредственно
с тепловизора. Формирователь сигналов RGB позволяет получать цветные,,
черно-белые и комбинированные изображения с числом градаций до 64.
Модуль привода телевизора формирует на экране черно-белую буквенно-
цифровую и графическую информацию, получаемую в результате обработки,
термограмм на ЭВМ. Предусмотрена постановка потребителю комплекса.
«Радуга-4» с различным набором модулей, определяющих ее функциональные-
возможности.
Рассмотренные комплексы типа «Тепловизор-ЭВМ» являются переход-
ными моделями на пути создания комплексов «тепловизор-микропроцессор»..
Особенно важно использование ЭВМ и микропроцессоров при тепловом не-
разрушающем контроле, где объект наблюдения подвижен. При этом возможно*
улучшение порога температурной чувствительности за счет накопления сиг-
нала от участков объекта, сканируемых многократно за время их пребывания
В поле зрения тепловизора.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Айгииа Н. Р., Богомолов П. А., Матвеенко А. В. Пироэлектрические
МК преобразователи с электронным сканированием // Зарубежная электрон-
ная техника.— 1981.— № 9 (243).— С. 57—112.
2. Аигина Н. Р., Богомолов П. А., Сидоров В. Н. Новое поколение фото-
приемных устройств ИК диапазона // Зарубежная электронная техника. —
1982,—№5 (251).—С. 3—81.
3. Анисимов Б. В., Кургенов В. Д., Злобин В. К. Распознавание и цифро-
вая обработка изображений.— М.: Высш, шк., 1983.— 284 с.
4. Бабаев А. А. Авиационный тепловизор с круговой разверткой визир-
ного луча II Оптико-мех. пром-сть.— 1980.— №. 1.— С. 15—17.
5. Бабаев А. А. Амортизация, демпфирование и стабилизация бортовых
оптических приборов.— Л.: Машиностроение, 1984.— 232 с.
6. Бабушкин В. В. Аттестация моделей АЧТ как образцовых источников
.для радиометрических исследований//Измерительная техника.— 1981.—
№9.—С. 39.'
7. Бабушкин В. В. Метрологическое обеспечение температурных измере-
ний с помощью тепловизионных устройств // Тр. конф. «Темп-82».— Лл
ГОИ.— 1984.— С. 88.
8. Бабушкин В. В., Долгих И. Ш., Либова И. В. Излучатели в виде мо-
дели АЧТ — образцовые средства измерений в ИК технике // Измерительная
техника.— 1979.— №4.— С. 68—70.
9. Беляева В. И., Кузьмичев В. Н., Налетова С. П. Программные сред-
ства контроля параметров комплекса тепловизор— ЭВМ // Тр. конф. «Темп-
-82»,—Л.: ГОИ.— 1984.—С. 191 — 194.
10. Блюдников Л. М., Иванова Р. Н., Кузьмин А. И. Применение тепло-
видения для исследования потерь в мелкомодульных зубчатых редукторах //
Тепловидение: Межвуз. сб. науч, тр.— 1982.— Вып. 4.— С. 92—98.
11. Блюдииков Л. М., Иванова Р. Н., Рудакас П. П. Применение тепло-
визоров в энергетике // Тепловидение: Межвуз. сб. науч. тр> — 1978.— Вып.
2,—С. 162—167.
12. Брамсои М. А., Каликеев А. Е. Инфракрасная техника капиталисти-
ческих государств.— М.: Сов. радио, 1960.— 184 с.
13. Вавилов В. П-, Ширяев В. В. Цифровая приставка к тепловизору
ТВ-03 // Тр. конф. «Темп-82».— Л.: ГОИ.— 1984.— С. 19—20.
14. Василевская Э.С. , Куликовская Н. Н. Особенности создания пара-
метрического ряда объективов для тепловизоров с пировидиконом II Тр.
конф. «Темп.-82».— Л.: ГОИ.— 1984.— С. 30.
15. Василевская В. С., Власенко С. Р., Иванов В. Е.-Тепловизор с пор-
тативной камерой на базе видикона с пироэлектрической мишенью//Тр.
жонф. «Темп-82».—Л.: ГОИ.— 1984.—С. 127—130.
16. Вепхвадзе Р. Я- Лалашвили К. Я. Принципиальная блок-схема для
получения промежуточного носителя термоинформации//Тр. конф. «Темп.-
82».— Л.: ГОИ.— 1984.— С. 184—186.
17. Верхопятницкий П. Д., Латинский В. С. Справочник по модульному
конструированию радиоэлектронной аппаратуры.— Л.: Судостроение,
1983.— 284 с.
18. Власенко С. Г., Иванова Р. Н., Кремень Н. В. Методика расчета по-
роговой чувствительности тепловизора с пировидиконом в качестве прием-
ника излучения//Тр. конф. «Темп-82».— Л.': ГОИ.— 1984.— С. 164—167.
19. Вораксо И. X., Соболева Н. Ф. Измерение температурно-частотной
характеристики тепловизоров // Тр. конф. «Темп-82».— Л.— ГОИ — 1984.—
С. 176—179.
20. Вораксо Н. X., Соболева Н. Ф. Измерение минимальной разрешаю-
щей разности температур тепловизионных приборов// Оптико-мех. пром-сть.—
1982.—№7.—С. 57—59.
21. Гуревич М. М. Фотометрия.— Л.: Энергоатомиздат, 1983.— 270 с.
22, Девятков Н. Д. Тепловидение — возможность и перспективы //
Мед. техника.— 1980.— № 4.— С. 10—13.
23. Достижения и техника передачи и воспроизведения изображений /
Под ред. Б. Кейзана.— М.: Мир, 1980.— Т.З.— 312 с.
24. Елизаренко А. С., Соломатин В. Я., Якушенков Ю. Г. Оптико-электрон-
ные системы в исследованиях природных ресурсов.— М.: Недра, 1984.—
216 с.
25. Жуков А. Г., Горюнов А. Н., Буць Л. Д. Тепловизионная диагности-
ка соединений токопроводов// Тепловидение: Межвуз. сб. науч. тр.— 1978.—
Вып. 2.—С. 168—171.
26. Жуков А. Г. Основные тенденции в развитии современного теплови-
дения//Тепловидение: Межвуз. сб. науч. тр.— 1982.— Вып. 4.— С 4—9.
27. Жуков А. Г., Горюнов А. Н., Кальфа А. А. Тепловизионные при-
боры и их применение.— М.: Сов. радио, 1983.— 114 с.
28. Жуков А. Г., Горюнов А. Н., Козаринов К. Д. О возможности кон-
троля надежности оборудования с помощью тепловизора // Вопр. радиоэлект-
роники. Сер. 1.— 1982.— С. 44—46.
29. Журавлев А. А., Кормушкин А. В., Куракин Л. А. Один вариант
построения тепловизионной системы на пироэлектрическом видиконе //
Тепловидение: Межвуз. сб. науч, тр.— 1982.— Вып. 4,— С. 30—36.
30. Иванов И. В., Гуськов В. П., Якунин В. Г. Сегнетоэлектрические-
тепловые излучатели с высокой стабильностью температуры // Оптико-мех.
пром-сть.— 1975.— Ns 6.— С. 57.
31. Иванова Р. Н. Новые направления в разработке тепловизионной ап-
паратуры // Тр. конф. «Темп-82».— Л.: ГОИ.— 1984.— С. 37—42.
32. Икоиика — новое направление в изучении изображений / Под ред..
М. М. Мирошникова // Тр. ГОИ.— 1982.— Т. 51, вып. 185.— С. 146—152.
33. Инфракрасная техника для дистанционного зондирования / Пер.
с англ. //ТИИЭР.— 1975.—Т. 63, № 1.—С. 212.
34. Карижеиский Е. Я., Мирошников М. М. Сканирующие системы для»
тепловизоров//Оптико-мех. пром-сть.— 1970.— №9.— С. 39—42.
35. Карижеиский Е. Я., Мирошников М. М., Шилин Б. В. Некоторые
результаты применения самолетного тепловизора при съемке лесных пожа-
ров//Оптико-мех. пром-сть.— 1974.— Ns 9.— С. 29—32.
36. Катыс Г. П. Автоматическое сканирование.— М.: Машиностроение,.
1969,— 520 с.
37. Колмычек А. А., Резиик В. Б., Галин О. Г. Тепловизионный комплекс-
на базе ЭВМ//Тр. конф. «Темп-82».— Л.: ГОИ.— 1984.— С. 186—191.
38. Кошелев В. Н., Митии В. П. Сканирование одиночным плоским зер-
калом, расположенным в заднем отрезке объектива//Оптико-мех. пром-сть.—
1980.—№ 8.—С. 23—24.
39. Криксунов Л. 3. Приборы ночного видения.— К.: Техн1ка, 1975.—
216 с.
40. Криксунов Л. 3. Справочник по основам инфракрасной техники.—
М.: Сов. радио, 1978.— 400 с.
41. Криксунов Л. 3., Рабышко В. А. Пириконы.— К.: Техн1ка, 1984.—
78 с.
42. Кормушкин А. В., Голубь Б. И., Журавлев А. А. Анализаторы теп-
ловых полей с оптико-электронным сканированием // Тепловидение: Меж-
вуз. сб. науч, тр.— 1978.—'Вып. 2.— С. 86—92.
43. Кузьмичев В. Н. Тепловизионный комплекс для анализа и обработки
теомоинформации и его характеристик // Тр. конф. «Темп-82». Л.: ГОИ.
1984.—С. 81—84. .
44. Кузнецова Е. М. Вероятность опознавания изображении//Оптико-
мех. пром-сть.— 1982.— №4.— С. 5—6.
45. Куликовская Н. И., Бармичева Т. В. Способы сохранения качества
изображения, создаваемого объективами тепловизоров при фокусировке
яа разные дистанции И Оптико-мех. пром-сть.— 1981.— №5.— С. 14—15.
.4 6. Куртев Н. Д. Расчет распределения яркости в изображении, формиру-
емом сканирующей тепловизионной системой // Тепловидение: Межвуз. сб.
науч. тр.—1980.— Вып. 3.— С. 9—17.
47. Куртев Н. Д., Анциферов С. С., Фолумеиов Е. М. Алгоритмы, ма-
шинной классификации объектов по их тепловизионным сигналам // Тепло-
видение: Межвуз. сб. науч. тр.— 1978.— Вып. 2.— С. 146—153.
48. Куртев Н. Д., Журавлев А. А., Кормушкин А. В. Тепловизионная
система на основе пировидикона с цифровой обработкой сигнала // Тр. конф.
«Темп-82».— Л.: ГОИ.— 1984.— С. 131- 134.
. 49. Куртев Н. Д., Ипин Ю. С., Хахин В. И. Промышленный тепловизор
с цифровой памятью//Тр .конф. «Темп-82».— Л.: ГОИ.— 1984.— С. 123—127.
50. Куртев Н. Д., Смирнов А. В. О построении унифицированной систе-
мы обработки тепловизионной информации // Тепловидение: Межвуз. сб.
иауч. тр.— 1982.— Вып. 4.— С. 75—80.
51. Куртев Н. Д., Смирнов А. В. Унификация и ранговое построение теп-
ловизионных систем // Тр. конф. «Темп-82».— Л : ГОИ — 1984.— С. 47—54.
52. Куртев Н. Д., Смирнов А. В., Хахин В. И. Анализаторы тепловых
полей // Электрон, пром-сть.— 1981.— № 7, 8.— С. 26—29.
53. Куртев Н. Д., Хахин В. И. Новый подход к анализу и оценке качества
тепловизионных систем // Тепловидение: Межвуз. сб. науч. тр.— 1980.—
Вып. 3.— С. 45—56.
54. Куртев Н. Д., Хахин В. И., Козис Е. В. Определение оптических
характеристик тепловизоров с использованием регулируемых фильтров //
Тр. конф. «Темп-85»,— Л.: ГОИ,— 1985.— С. 63.
55. Левитин И. Б. Применение инфракрасной техники в народном хо-
зяйстве.— Л.: Энергоиздат. 1981.— 264 с.
56. Ллойд Дж. Системы тепловидения / Пер. с англ.— М. : Мир,
1978.— 417 с.
57. Луизов А. В. Глаз и свет.— Л.: Энергоатомиздат, 1979.— 140 с.
58. Лустберг Э. А., Лапушкии Н. С. Сканирующие системы тепловизо-
ров с вращающимися клиньями // Оптико-мех. пром.-сть — 1975.— № 7.—
С. 21—23.
59. Лутовиков В. М. Поскачей А. А., Сухарев В. И. Некоторые метро-
логические характеристики тепловизоров при измерении температурных по-
лей // Тепловидение: Межвуз. сб. науч. тр.— 1982.— Вып. 4. — С. 60—68.
60. Маханек Б. Е., Шеидюк А. Д. Прибор для градуировки тепловизо-
ров // Электрон, техника. Сер. 8.— 1980.— Вып. 2.— С. 280—283.
61. Мартынов В. Н., Соколов Д. С. Малогабаритная модель низкотемпе-
ратурного абсолютно черного тела с автоматической регулировкой темпера-1
туры // Тр. МЭИ.— 1982.— Вып. 123.— С. 76—82.
62. Милеикии Н. К- Цветные телевизионные камеры на матричных
формирователях сигналов изображения // Техника кино и телевидения.—
1981.— №. 4,— С. 57—64.
63. Мирошников М. М. Теоретические основы оптико-электронных
приборов.— М.: Машиностроение, 1983.— 596 с.
64. Мирошников М. М. Тепловизионная аппаратура и ее применение
в медицине//Тр. конф. «Темп-82».— Л.: ГОИ.— 1984.— С. .7—19.
65. Мирошников М. М., Иванова Р. Н., Рудакас П. П. Тепловизор
для контроля качества сборки статоров турбогенераторов II Оптико-мех.
пром-сть,— 1978.— № 1.— С. 74—75.
66. Мирошников М. М., Синцов В. Н., Черняев Ю. С. Разработка мето-
дики испытания тепловизионных приборов II Оптико-мех. пром-сть.— 1971.—
№ 4.— С. 18—22.
67. Некоторые результаты применения самолетного тепловизора при
съемке лесных пожаров / Е. Я- Кариженский, М. М. Мирошников., Б. В. Ши-
лин, Е. Н. Зеленов //Оптико-мех. пром-сть.— 1974.— № 9.— С. 29—32.
68. Обработка изображений и цифровая фильтрация / Пер. с англ.;
'Под ред. Т. Хуанга.— М.: Мир, 1979.— 216 с.
69. Падалко Г. А. Информационно-измерительное обеспечение теплови-
зора «Статор-1»// Измер. техника.— 1980.— № 12.— С. 27—29.
70. Падалко Г. А. Измерительно-информационное обеспечение теплови-
зора «Рубин-3»//Измер. техника.— 1981.— №4.— С. 29—31.
71. Падалко Г. А. К вопросу улучшения основных параметров теплови-
зора на пировидиконе И Тр. конф. «Темп-82».—Л.: ГОИ,— 1985,—с. 30.
72. Падалко Г. А. Модульный способ построения серии планарных ИК'
излучателей//Тр. конф. «Темп-82»,—Л.: ГОИ.— 1985.—С. 52—54.
73. Падалко Г. А. Низкотемпературные инфракрасные излучатели //"
Тепловидение: Межвуз. сб. науч. тр.— 1980.— Вып. 3.— С. 82—88.
74. Падалко Г. А. Основы построения унифицированного ряда тепловых
излучателей в модульном исполнении // Тепловидение: Межвуз. сб. науч,
тр,— 1982.—Вып. 4,—С. 41—51.
75. Падалко Г. А. Разработка унифицированного ряда быстродейству-
ющих цифровых тепловизоров в модульном исполнении // Тепловидение:
Межвуз. сб. науч. тр.— 1982.— Вып. 4.— С. 20—29.
76. Падалко Г. А. Функциональный ИК излучатель для калибровкк
измерительного канала тепловизоров//Измер. техника.— 1983.— № 3.—
77. Падалко Г. А., Доценко В. С., Иванова Р. Н. Цифровая цветная теп-
ловизионная система «Радуга-МТ»//Тр. конф. «Темп-82».— Л.- ГОИ —
1984,— С. 134.— 136.
78. Падалко Г. А., Перлов В. В., Резник В. Б. Состояние и перспективы-
развития цифрового тепловидения//Тр. конф. «Темп-82».— Л.: ГОИ.—
1984.— С. 57.— 63.
79. Падалко Г. А., Рапопорт Д. А. Устройство для компенсации дрейфа-
сигнала при измерении температуры тепловизором-радиометром // Измер.
техника.— 1978.—№ 2.— С. 60—61.
80. Падалко Г. А., Самсонов А. С., Слиаа С. С. Быстросканирующий
цифровой тепловизор «Радуга-2» // Тепловидение: Межвуз. сб. науч. тр.—
1984.— Вып. 5. С. 69—75.
81. Падалко Г. А., Светлаков В. П., Прочухан А. Г. Стабилизация и об-
работка видеосигнала в тепловизоре «Рубин-3» // Тепловидение: Межвуз;
сб. науч. тр.— 1980.— Вып. 3.— С. 17—22.
82. Павлюков А., Холопов Г., Антропов В. Черное тело для энергетиче-
ской градуировки инфракрасной аппаратуры И Оптико-мех. пром-сть.—
1979.— № 10.— С. 24—25.
83. Полупроводниковые формирователи сигналов изображения/ Пер.
с англ^; Под ред. Р. А. Сурина.— М.: Мир, 1979.— 576 с.
84. Пресс Ф. П. Формирователи видеосигнала на приборах с зарядовой
связью.— М.: Радио и связь, 1981.— 136 с.
85. Применение инфракрасных излучений для проверки контактов и изо-
ляторов / Я. А. Цирель, В. С. Поляков, Л. М. Блюдников, Г. М. Овчарен-
ко, О. К- Шабашев //Электр, станции.— 1976.— № 1. С. 26—28.
86. Претт У. Цифровая обработка 'изображений.— М.: Мнр, 1982.—
216 с.
87. Приборы с зарядовой связью / Пер. с англ.; Под ред. Р. А. Сури-
на.— М.: Мир, 1982.— 240 с.
88. Приборы с зарядовой связью / Пер. с англ.; Под ред. М. Хоувза-
и Д. Моргана.— М.: Энергоиздат, 1981.— 372 с.
89. Рождественская Е. М. Разрешающая способность тепловизора //-
Тр. конф. «Темп-82»,— Л.: ГОИ.— 1982.— С. 168—176.
90. Сафронов Ю. П., Эльман Р. И. Инфракрасные распознающие устрой-
ства.— М.: Воениздат МО СССР, 1976,— 208 с.
91. Свет Д. Я. Оптические методы измерения истинных температур.—
М.: Наука, 1982.— 264 с.
92. Свет Д. Я., Найдич М. Е. О применении ЭВМ для измерения истин-
ной температуры тела по собственному излучению // Измер. техника.—
1971,— № 12,— С. 47—49. ,,
93. Соболева Н. Ф. Градуировка медицинских тепловизоров И Оптико-
мех. пром-сть.— 1984.— №4.— С. 41—43.
94. Смирнов А. В. Расширение функциональных возможностей теплови-
зора АТП-44 М Ц Тр. конф. «Темп-82».— Л.: ГОИ.— 1985.— С. 16—17.
95. Справочник по приемникам оптического излучения / Под ред,
Л. 3. Криксунова и Л. С. Кременчугского.— К-: Техища, 1985.— 216 с.
96. Справочник по приборам инфракрасной техники / Под ред. Л. 3. Кри-
ксунова.— К-: Техника, 1980.— 232 с.
97. Степанов И. М. Электрохимическая запись.— М.: Энергия, 1970.—
224 с.
98. Стодард Д. Ф. Обнаружение дефектов в схемах по тепловому излуче-
нию//Электроника.— 1967.— Т. 40, №7.— С. 27—29.
99. Тарасов В. В., Доценко В. С. Модернизированный дисплей для теп-
ловизоров «Радуга»//Тр. конф. «Темп-82».— Л.: ГОИ.— 1985.— С. 12—13.
100. Тепловидение в медицине I Под ред. М. М. Мирошникова.— Л.:
ГОИ. — 1976.— 116' с.
101. Тепловидение в медицине /I Библиографический указатель оте-
чественной и зарубежной литературы за 1972—1981 гг. / Под ред. М. М. Ми-
рошникова.— Л.: ГОИ, 1982.— 96 с.
' 102. Тепловизионная система «Радуга» / А. Ф. Горкавенко, В. С. Доцен-
ко, Г. А. Падалко, В. В. Тарасов // Электрон, пром-сть.— 1983.— № 6
<123).—С. 16—18.
103. Тепловизор «Алмаз» / М. М. Мирошников, Г. А. Падалко, В. С. До-
ценко, В. В. Тарасов II Оптико-мех. пром-сть.— 1983.— № 3. С. 27—28.
104. Тепловизор «Рубин-3» / М. М. Мирошников, Г. А. Падалко,
В. П. Светлаков, А. Г. Прочухан // Оптико-мех. пром-сть.— 1980.— № 8.—
С. 28—29.
105. Тепловизор АТП-44 / Н. Д. Куртев, Ю. С. Ипин, В. Н. Хахин
•и др. // Тепловидение: Межвуз. сб. науч. тр.— 1982.— Вып. 4.— с. 75—80.
106. Тепловизор-дефектоскоп «Статор-1» / М. М. Мирошников, Г. А. Па-
далко, Р. Н. Иванова и др. // Оптико-мех. пром-сть.— 1979.— № 12.—
-С. 17,—18.
107. Тепловизор для исследования природных ресурсов Земли /
В. В. Перлов, Д. Н. Красников, В. П. Сергеев и др. // Оптико-мех. пром-сть.
1981,—№ 4.—С. 27—29.
108. Тепловизор для исследования квазистационарных тепловых полей //
Оптико-мех. пром-сть.— 1971.— №6.— С. 68—69.
109. Товстых А. М., Кареткина Е. Н. Тепловизионно-вычислительный
-комплекс на базе тепловизора «Рубин-МТ» и системы обработки изображений
гамма-камеры // Тр. конф. «Темп-79».— Л.— ГОИ.— 1980.— С. 179.
110. Толанский С. Революция в оптике / Под ред. В. А. Угарова.—
М.: Мир, 1971,— 224 с.
111. Ушков Ф. В., Сухарев В. И., Новгородцев В. Г. Применение теп-
ловидения в строительстве// Тепловидение: Межвуз. сб. науч. тр.—1978.—
Вып. 2.—С. 155—162.
112. Федюшкин М. П., Бараночников М. Л., Гладкова Н. А. Применение
тепловых методов неразрушающего контроля в производстве гибридных
интегральных схем // Тепловидение: Межвуз. сб. науч. тр.— 1980.—
Вып. 3.— С. 121—126.
113. Федоровский А. Д. Оптические методы в гидродинамике.— К-:
Наук, думка, 1984.— 175 с.
114. Федюшкин М. Г., Елизаров И. В. Низкотемпературный эталонный
излучатель // Тепловидение: Межвуз. сб. науч. тр.— 1982.— Вып. 4.—
С. 36—40.'
115. Фотоприемники видимого и ИК диапазона / Под ред. В. И. Стафе-
ева.— М.: Радио и связь, 1985.— 326 с.
116. Хадсон Р. Инфракрасные системы / Пер. с англ.; Под ред. Н. В. Ва-
сильченко.— М.: Мир, 1972.— 534 с.
117. Хахин В. И. О качестве воспроизведения тепловизором мелкой струк-
туры И Тепловидение: Межвуз. сб. науч. тр.— 1980.— С. 23.
118. Хахин В. И., Козис Е. В., Мельманов В. И. Оценка характеристик
тепловизора АТП-41 / Тр. ковф. «Темп-82».— Л-: ГОИ.т- 1984.— С. 157.
119. Чистяков В. А., Лузянина 3. И., Козлятникова Л. П. Модель
•абсолютно черного тела для диапазона температур 50...300 °C // Измер. тех-
ника,— 1980.— № 8,— С. 48—50.
120. Шабашев О. Кч Муравейская А. А. Тепловые излучатели для опре-
деления параметров тепловизоров// Оптико-мех. пром-сть.— 1982.— № 12;
121. Шилин Б. В. Тепловая аэросъемка при излучении природных ре-
сурсов.— Л.: Гидрометеоиздат, 1980.— 248 с.
122. Широбоков А. М. Методика определения исследования зависи-
мости разрешающей способности самолетных тепловизоров от контраста
объектов // Оптико-мех. пром-сть,— 1976.— № 4.— С. 75—77.
123. Ярославский Л. П. Введение в цифровую обработку изображений.—
М.: Сов. радио, 1979.— 314 с.
124. Borley С. R., Gulldorf L. Н. А 100 line thermal viewer // Infrared"
Physics.— 1968.— Vol. 8, № 1.— p. 17—19.
125. Boot H. A. H. Castledine J. G., King P. G. R. A direct view thermal
imaging tube//Journal of Fhysics. D: Applied Physics.— 1979.— Vol. 9, № 5.—
p. 679—695.
126. Charles D. R., Le Carvenes F. Infrared Pick—up Tube with Electro-
nic Scanning Uncooled Tubes//Photo—Electronic Image Devices.— 1972.—
Vol. 33a.— p. 279—284.
127. Electro-optical systems design.— 1978.— Vol. 10, №2.— p. 16—18.
128. Geneve R. Introduction a la thermographie medical // Acta Electro-
nica.— 1969.—Vol.-12, № 1.— p. 78—81.
129 . Harmer A. L. Ramp mode operation of a pyroelectric -vidicon //
IEEE Transactions of Electron Devices.— 1979.— Vol. 23, № 12.— p. 1320—
1325.
130. IEEE Trans. Elec. Dev.— 1980.— Vol. ED—27,— № 1.— p. 175;
131. Infrared Physics.— 1982.— Vol. 22, № 1.— p. 57.
132. Kim C. W., Davern W. E. InAs Charge Storage Photodiode Infrared Vidi-
con Targets//IEEE Trans. Elec. Dev.— 1976.— Vol. ED.—18.— p. 1062—1069;
133. Logan R. M. Thermal response of some pyroelectric imaging sys»
terns // Infrared Physics.— 1975.— Vol. 15, № 2.— p. 51—64.
ПРЕДМЕТНЫЙ указатель
Абсолютно черное тело 114, 118
Анализатор тепловых полей 131
Атмосфера 25
Аэросъемка 139
Брюстера угол 138
Бумага электрохимическая 77
Видеоконтрольное устройство (ВКУ)
81, 153, 156
Видеосигнал 45
Видикон 83
Временная суммация глаза 34
Дальность метеорологической види-
мости 140
— обнаружения 103, 104
-Закон Вина 17
— Ламберта 23, 24
— Планка 17
— Стефана — Больцмана 7
— Тальбота 35
Зарядовые пакеты 144
Зрительное восприятие изображения
33
Излучатель инфракрасный 114, 119
Изображение видимое 37
— тепловое (инфракрасное) 33,
89
Иконика 154
Индикатриса силы излучения 24
Интерфейс 155
Картографирование местности 134,
139
Квантовая эффективность 149
Кинескоп 36, 139
Количество осажденной воды 26
Конический обзор 138
Коэффициент использования излуче-
ния 27, 104
----ПИ 104
— перекрытия строк 138
— пропускания атмосферы 26
----оптической системы 107
Крейт 152, 156
Криостат 45
Метеорологическая дальность види-
мости 27
Микроскоп инфракрасный 75
Мира 93, 111, 113, 151
Мишень видикона 85
— пирикона 89
— структурированная 90
— пироэлектрическая 89
МОП-конденсатор 143
Модуль 6, 149
Модулятор 48, 89
Обзор конический 44
— линейно-строчный 137
Обнаружительная способность 38
Объектив 133, 139, 152, 153
— зеркальный 45
Оптическая передаточная функция
103
Передающая камера тепловизора 37
Пирамида зеркальная 42, 139, 141
Пирикоиы 83, 98
— иностранного производства 95
Пластина плоскопараллельная 48
Поле зрения 102
Полипроцессор 101
Поток излучения 7
Порог температурной чувствительно-
сти 103, НО, 139
Потенциальная яма 144
Приемник инфракрасного излучения
37
— многоэлементный (мозаичный)'
39, 41, 136
— одноэлементный 38, 135
Пространственная суммация глаза 33
Развертка (разложение) 36 .
— быстрыми электронами 84
— кадровая 63
— медленными элекронами 84
— строчная 63
Разрешающая способность 139
Разрешение пространственное 139
— угловое 103
Растр телевизионный 41, 82
Регистр переноса 143
Регистратор электрохимический 77
Серое тело 22
Сила излучения 23
Сканирование двумерное 39
— линейное 140
— одномерное 39
— оптико-механическое 37
— построчное 40
— электронное 81
Сканирующее устройство 37, 152
Спектр электромагнитных волн 6, 142
Спектральная плотность энергетиче-
ской светимости 17
Спектральные характеристики ПИ 29
--- пирикона 93
Телевизионные передающие трубки 83
Температура радиационная 122
— яркостная 122
Тепловая карта местности 134, 140
Тепловизор AGA-661 71
— AGA 680 72, 133
— AGA-780 73
— «Алмаз» 56
— АТП-44 130
— АТП-44М 68
— БТВ-1 (ТВ-03) 63
— «Вулкан» 66
— дефектоскоп 65
— «Инфра-Ай-103» 70
— IRCD-11 71
— ITG-1A 70
— корабельный 141
— КТА-1 63
— «Радуга-2» 60
— «Радуга МТ» 67
— «Рубин МТ» 48
— «Рубин-2» 50
— «Рубин-3» («Факел») 53
— «Статор-1» 65
— «Тайга-2» 67
— «Янтарь МТ» 55
— «Янтарь-2» 56
— 60Т08М 76
— с Самосканированием 144
— с термиконом 97
— с ЭВМ
с электронным сканированием
Термикон 87, 97
Термопрофилограф 69
Усилитель фототока 45, 139
Фильтерскан 88
Фон 106
Формирователь видеоизображения
143
Фотон 143
Фоторезистор 38
Фоточувствительные приборы с пере-
носом заряда 143
----с зарядовой инжекцией 143
Цифровое запоминающее устройство
151
Частотно-контрастная характеристи-
ка глаза 33
---- тепловизора 112
Чувствительность температурная 109
Эвапорограф 30
Эджеограф 30 .
Электронно-дырочные пары 143
Энергетическая светимость 7