Слайд 1ЧАСТЬ 7. ПРИБОРЫ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ (ПНВ)
и
ТЕПЛОВИДЕНИЕ
Слайд 23. ПРИБОРЫ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ
Глаз воспринимает узкий участок от 0,38
до 0,78 мкм, да и то начиная с определенного уровня
освещенностей (≥0.01люкс)
1. Приборы ночного видения дают явное преимущество их владельцам. Они позволяют хорошо видеть не только при очень слабой освещенности, но и почти в полной темноте. Приборы ночного видения могут применяться в следующих сферах деятельности:
ночном наблюдении
ночных фото и видеосъемках
при проведении военных и специальных операций
патрулировании и охране объектов
навигации воздушных и морских судов
охоте и наблюдении за животными
Слайд 6Основные технические характеристики НПВ:
Поколение I, I+. ПНВ обеспечивают при освещенности
0,01 люкса (освещенность, создаваемая ночью четвертью луны) обнаружение ростовой фигуры
человека на фоне зелени со 150- 200 м и распознавание ее деталей примерно с 70-100 м. Стоимость таких ПНВ порядка 300 – 600 $.
Поколение II+. Эти ПНВ дают возможность наблюдения даже в безлунную ночь, что соответствует освещенности на местности (1...5)х10-3люкс. Фигура человека обнаруживается с расстояния 400-600 м, а ее детали - с 250-300 м. ПНВ обладают хорошей помехозащищенностью. Цена – не менее двух тысяч долларов.
Поколение III. Эти ПНВ дают возможность наблюдения в безлунную ночь на расстоянии 800 – 1500 м.
Слайд 7ПНВ с документированием изображения
Многофункциональным ПНВ является система, в которой
изображение с экрана ЭОПа оптически передается на ПЗС-матрицу с помощью
фоконов. Электронная схема преобразует полученное изображение в видеосигнал, который наблюдается на мониторе. Возможна одновременная запись изображения, и передача на несколько мониторов для нескольких операторов.
Качество таких систем определяется числом телевизионных линий. При использовании ПНВ поколения II+ 300-350 линий передается при освещенности (1-5)х10-3 люкс, а для ПНВ третьего поколения III - при 1х10-4 люкс.
Более сложный комплекс из двух ПНВ с ПЗС со специальными светофильтрами после цифровой обработки сигналов создает на мониторе изображение наблюдаемой ночной сцены в естественных цветах, что повышает эффективность обнаружения и распознавания объектов в ночных условиях на 30-60 процентов.
Слайд 8ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПНВ:
более совершенные приборы ночного видения,
комплексные приборы,
сочетающие ПНВ, радиолокатор, низкоуровневый телевизор, тепловизор.
Слайд 9ТЕПЛОВИДЕНИЕ
Или
ТЕПЛОВАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Слайд 12С помощью тепловизоров обыденные предметы выглядят загадочно
Слайд 14Примеры тепловизионных изображений
Монохромное изображение ТПЗ (www.nighthunter.com).
Цветное изображение ТПЗ (www.nighthunter.com).
Слайд 15Вид танка и БМП
в тепловизоре.
Представленные
изображения демонстрируют наиболее уязвимые
места для обнаружения тепловизором.
Слайд 17ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВИДЕНИЯ
Тепловое излучение тела.
Любое тело, находящееся при
температуре
T выше абсолютного
нуля, излучает в широкой области
электромагнитного излучения.
Из курса физики известно, что
абсолютно черное тело, имеющее
температуру Т, излучает в широком
спектре длин волн электромагнитное
излучения, плотность которого
описывается формулой Планка
Формула Планка представляет собой основной закон теплового излучения, из которого можно получить все остальные законы излучения и абсолютно черного тела, и любых других тел.
Слайд 18ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВИДЕНИЯ
Планковское излучение имеет максимум при соответствующей длине волны.
Этот максимум излучения сдвигается в область более длинных длин волн
при уменьшении температуры тела. Закон Вина описывает зависимость максимума длины волны теплового излучения от температуры λ = 2880 / Т (мкм).
Для тепловизионных наблюдений выбраны два диапазона инфра-красного излучения:
3 - 5 мкм и 8 - 16 мкм.
Причины такого выбора:
Здесь находится максимум излучения для приложений ТПЗ,
В диапазонах 3 – 5 мкм и 8 – 13 мкм – существуют окна прозрачности в атмосфере для электромагнитного излучения
Слайд 19Спектральный коэффициент пропускания атмосферы
Наиболее информативный диапазон 8 – 14
мкм, так как:
Полностью совпадает с наиболее широким окном прозрачности
атмосферы,
Соответствует максимальной излучательной способности наб-людаемых объектов в температурном диапазоне от – 50 до + 500 С.
наименее подвержен атмосферным помехам (туман, пыль и т.д.)
Слайд 20ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВИЗОРОВ
1. Терморезисторный (или болометрический),
Принцип действия. Излученное
телом инфракрасное (ИК) излучение фокусируется обьективом прибора (тепловизора), при этом
изображение проецируется на матрицу болометров (термоприемников), изготовленных из полупроводников, например, VO (оксид ванадия).
В болометре используется внутренний фотоэффект, состоящий в изменении электропроводности (электрического сопротивле- ния) полупроводников под действием квантов ИК излучения (в диапазоне 8 – 16 мкм). Болометр имеет малые размеры (порядка 25 мкм х 25 мкм), матрица болометров - 640х480 пикселей.
Под действием собственного ИК излучения объектов возникают сигналы от матрицы болометров, которые после электронной обработки образуют тепловое изображение, видимое глазом.
Эти тепловизоры недороги, компактны, могут работать при температурах от -30ОС до +30ОС, а при необходимости – и в большем диапазоне температур.
Слайд 22ПРОБЛЕМА ПРОЗРАЧНОСТИ.
Главная проблема тепловизоров – объективы. Дело в том,
что традиционное стекло абсолютно непрозрачно для инфракрасного излучения с длиной
волны 8–15 микрон (именно в этом диапазоне работают неохлаждаемые матрицы).
Для изготовления тепловизионных объективов применяется очень дорогой материал – чистый германий. Рыночная цена оптического германия – $1800–2000 за килограмм.
Чтобы разглядеть на расстоянии 1 км человека, требуется объектив с входной линзой не менее 100 мм, который стоит около $7000.
Более «дальнобойные» объективы стоят $20 000 и выше.
Таким образом, стоимость обьектива составляет не менее 40-45% стоимости прибора.
Слайд 23Принципиальная схема тепловизора.
Слайд 24Схема микроболометрической матрицы
(МБМ) (www (МБМ) (www. (МБМ) (www.popmech (МБМ)
(www.popmech. (МБМ) (www.popmech.ru)
Конструкция современных ТПЗ.
Внешний вид
ИК - матрицы
Слайд 25Составные части тепловизионного прибора
Слайд 26Задачи тепловизионного видения
Различают три задачи для тепловизионного видения:
Обнаружение объекта,
Распознавание объекта,
Идентификация объекта.
Дальность работы тепловизоров с одним и тем
же объектом для каждой из этих задач уменьшается при переходе от предыдущей к следующей.
Дальность работы тепловизора определяется:
Потерей светового потока вследствие уменьшения угловой апертуры видности объекта,
размытием теплового изображения объекта (уменьшением числа пикселей матрицы детектора).
Свойствами объекта обнаружения и условиями наблюдения
Слайд 27
ОБНАРУЖЕНИЕ
4 пикселя
РАСПОЗНАВАНИЕ
14 пикселей
ИДЕНТИФИКАЦИЯ
30 пикселей
Задачи тепловизионного видения
84 пикселя
45 м
42 пикселя
91 м
21 пиксель
137 м
16 пикселей
182
м
10 пикселей
275 м
7 пикселей
364 м
5 пикселей
ТЕПЛОВИЗИОННОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ РАССТОЯНИЯ
Слайд 29Обнаружение, распознавание, идентификация
ОБНАРУЖЕНИЕ
РАСПОЗНАВАНИЕ ИДЕНТИФИКАЦИЯ
4
пикселя 14 пикселей 30 пикселей
Вы можете видеть, что Вы можем видеть, что Вы можете видеть,
здесь что-то находится. там кто-то есть. человека держащего
в руках винтовку.
Слайд 30ОБНАРУЖЕНИЕ, РАСПОЗНАВАНИЕ, ИДЕНТИФИКАЦИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
с
критическим измерением 2,3 м используя тепловизор с 38 микронным точечным
детектором
ОБНАРУЖЕНИЕ, РАСПОЗНАВАНИЕ, ИДЕНТИФИКАЦИЯ ЧЕЛОВЕКА
с критическим измерением 1,8 м используя тепловизор с 38 микронным точечным детектором
Слайд 31Развитие тепловидения связано с делением на четыре поколения:
1-е поколение:
тепловизоры (ТПЗ) на одиночных линейках фотоприемников на основе КРТ с
двумерной разверткой;
2-е поколение: тепловизоры (ТПЗ) на субматрицах на основе КРТ с суммированием сигналов не менее чем по 2 элементам и одномерной разверткой;
3-е поколение: тепловизоры (ТПЗ) на матрицах CdHgTe с размером чувствительных элементов 20мкм. Высокая чувствительность таких фотоприемников позволяет получить температурную чувстительность тепловизора Т < 0,07 °С;
4-е поколение: тепловизоры (ТПЗ) на тепловых неохлаждаемых матрицах на основе микроболометров из кремния и других материалов (типа VO), а также на основе пироэлектрических матриц. В тепловизорах 4-го поколения отсутствуют сканер и система глубокого охлаждения.
Слайд 32Концепция развития тепловизоров
В России разработана концепция построения ТПЗ на линейках
с малым числом элементов (10 - 32). Они уступают импортным
на 60-элементных фотоприемниках. Предприятиями МО была разработана концепция модульного принципа ТПЗ.
Большинство модулей в виде отдельных образцов изготовлены для четырех классов тепловизоров. Образцы ТПЗ на основе модулей не изготовлены, не проведены их испытания.
В России быстрыми темпами велись работы по созданию ПНВ и ТПЗ гражданского применения. Количество разработок ТПЗ разработчиками перевалило за сотню, однако ничего нового в этих разработках нет.
В армии США и НАТО полностью обеспечено решение всех задач ночного видения с помощью ТПЗ 1-го поколения. Во всех приборах принят принцип модульного конструирования. По насыщенности ТПЗ армии США и НАТО существенно опережают Российскую Армию.
Слайд 33Тепловизор модели Catherine FC, французской компании Thales устанавливаются на танках
Т-90 российской армии (www.warinform.ru).
Слайд 34Некоторые разработки тепловизоров в России
В России в серийном производстве освоены
тепловизоры первого поколения ("Пособие-2", "Агава-2"). "Пособие-2" - тепловизионный прибор разведки
на 50-элементном фотоприемнике из JnSb для разведывательного пункта.
ТПЗ "Поколение-2"на основе фотоприемного устройства, представляющего 64- элементную линейку из КРТ.
Выпускается серийно тепловизионный прицел "Агава-2" на базе фотоприемного устройства "Арча" на 128-элементного фоторезистора из КРТ.
На основе субматрицы из четырех столбцов по 128 элементов с шахматным расположением площадок, на основе матрицы из КРТ (128х128 элементов) в НПО "Орион" разработаны тепловизоры с достаточно хорошей системой обработки сигналов.
Слайд 35Некоторые разработки тепловизоров.
За рубежом в виде образцов существуют тепловизоры
(ТПЗ) всех поколений. В частности,
бинокль Sophie французской фирмы CSF
на основе субматрицы 4х288 элементов 0,03х0,03 мм массой 2 кг. Дальность опознавания человека 1200-1300 м.
тепловизор (ТПЗ) для вождения различных военных машин и некоторые другие тепловизоры.
Фирмы Texas Instrumemts, Hughes (США) разработали гамму тепловизоров (ТПЗ) на основе микроболометрических и пироэлектрических матриц. В частности, прицел для стрелкового оружия массой 1,77 кг и дальностью действия 800 м, и некоторые другие тепловизоры.
Слайд 36Тепловизионный охотничий прицел «Канюк». Дальность обнаружения лося – 2 км,
кабана – 1,6 км.
Слайд 38Flir Infracam – легкий и компактный тепловизор, самая недорогая ($10
000) модель фирмы Flir
Слайд 39профессиональный тепловизор для промышленного применения ($60 000)
Слайд 43Два принципа действия анти тепловизионной защиты (АТВЗ)
Слайд 44Первый принцип реализации АТВЗ
Это создание покрытий, полностью отражающих исходящее от
обьекта инфракрасное излучение в диапазонах длин электромагнитных волн 3-5 мкм
и 8-16 мкм. Именно в этих диапазонах инфракрасных волн работают современные тепловизоры.
Таким образом, такое анти тепловизионное отражающее покрытие (АТВОП) решает задачу «обнуления» инфракрасного излучения, регистрируемого тепловизором.
Этот подход аналогичен поглощающим оптическим и антирадарным покрытиям, применяемым в технологии «Стелс» для самолетов, или кораблей. Техника расчета таких покрытий существует и успешно используется как для оптических покрытий, так и для антирадарных покрытий.
Слайд 45Первый принцип реализации АТВЗ
Недостатком такого подхода является небольшая область углов,
под которыми это покрытие эффективно работает, т.е. эти покрытия хорошо
работают, когда тепловизор расположен под небольшими углами перед объектом. С увеличением угла между нормалью к плоскости защитного покрытия и осью тепловизора эффективность работы АТВП резко падает.
Второй проблемой, которая возникает при реализации такого АТВОП является проблема выбора материалов для покрытия. Для многих приложений (например, для стрелков) АТВОП должны быть прозрачными одновременно в оптической и инфракрасной областях электромагнитного излучения. Таких материалов мало, и все они весьма дорогие (наиболее распространенный - германий). Кроме того, и технология нанесения тонких слоев (порядка долей микрометров) усложняется с увеличением поверхности их нанесения.
Слайд 46Первый принцип реализации АТВЗ
Таким образом
наиболее приемлемая область применимости таких АТВОП
– это защитные лицевые передние щитки для стрелков
Ниже
приведено фото первого отечественного шлема с анти тепловизионным покрытием, выполненным по такой технологии (wwwwww.www.nistaliwww.nistali.www.nistali.ru) . Оно совмещено вместе с антирадарным покрытием, нанесенным поверх АТВОП.
Слайд 48Два принципа действия анти тепловизионной защиты (АТВЗ)
АТВЗ
Нейтрализация при-
боров наблюдения
(тепловизоров)
Выравнивание темпе-
ратур поверхности
обьекта и внешней
среды (воздух,
земля)
Слайд 49Второй принцип реализации АТВЗ
Второй принцип реализации АТВЗ – это «обнуление»
температурного контраста между поверхностью объекта и температурой среды. Как известно,
мощность теплового излучения w абсолютно черного тела в среде с температурой T0 описывается законом Стефана-Больцмана:
w = σ ( T4 – T04 ) ; σ = 5,66 10-12 вт/(см2 град4) .
Тепловизоры регистрируют, в основном, тепловое излучение поверхности тела. Поэтому, если температуры поверхности объекта и среды выровнять, то тепловой поток с поверхности тела будет равен нулю.
Назовем такое состояние объекта принципом «обнуления» температуры поверхности объекта.
Слайд 50Классификация АТВЗ по принципу действия (привлечения источников энергии или вещества)
Слайд 51Некоторые практические способы второго принципа реализации АТВЗ
Системы АТВЗ можно
классифицировать по принципу привлечения или непривлечения источника энергии или вещества,
на:
Пассивные АТВЗ - без привлечения каких-нибудь источников вещества или энергии (электрических, физических, химических и т.д.)
Активные АТВЗ - могут иметь источники энергии или вещества,
Комбинированные АТВЗ - включают в себя сочетание пассивных и активных АТВЗ.
Слайд 52Теплофизический критерий качества АТВП
Критерий качества АТВП (степень анти тепловизионной защиты
АТВП) – это
отношение температурного контраста на поверхности АТВП к
температурному контрасту на поверхности объекта :
K = ΔT / ΔT0 , 0 < K < 1.
ΔT0 =Т0 – ТСР ,Т0 - температура поверхности объекта,
ΔT =Тп – ТСР, Тп – температура поверхности АТВП
Слайд 53Существующее положение.
Различные задачи → специальные АТВП
Слайд 54Классификация АТВЗ по принципу действия (привлечения источников энергии или вещества)
Слайд 55Пассивные АТВЗ
Их можно разделить на две группы:
Первая группа АТВЗ
- это анти тепловизионные поглощающие покрытия (АТВПП), которые обеспечивают на
внешней стороне покрытия температуру, равную температуре среды. Это теплоизолирующие покрытия, которые можно выполнять по разным технологиям.
Например, АТВПП может быть выполнена в виде ячеистой или сотовой структуры из теплоизоляционного материала с пустотами, заполненными воздухом. Также может быть использован теплоизоляционный материал с высокой пористостью (на базе вспененного пенопласта и др.). На внутреннюю поверхность такой структуры можно нанести металлизированный слой для лучшего отражения от объекта инфракрасного электромагнитного излучения.
Слайд 56Пассивные АТВЗ первого типа
Примером такого покрытия может является первый отечественный
защитный костюм для стрелка, показанный на рис. На следующих рисунках
показаны изображения стрелка на экране тепловизора (wwwwww.www.nistliwww.nistli.www.nistli.ru).
Как и шлем, анти тепловизионное покрытие для стрелка должно быть совмещено с антирадарным покрытием.
Слайд 57Тепловизионое изображение стрелка в защитном анти тепловизионном костюме
Вид стрелка
в зимнем общевойсковом (утепленном) обмундировании (слева), а справа - вид
в тепловизоре (с близкого расстояния).
Слайд 58 Общий вид АТВЗ костюма
Изображение в тепловизоре (вблизи)
Изображение
в тепловизоре на расстоянии 180 м.
Слайд 59Многоцелевое АТВП на основе унифицированного модуля
АТВП разного назначения
для
разных объектов
(танк, стрелок, БТР, машина)
может быть набрано из
унифицированных анти
тепловизионных модулей.
УМ в АТВП набираются при
помощи различных
технологий
Многослойная
сборка АТВП
Слайд 61 Двухслойная конструкция УМ с газом или вакуумом между слоями
1–Ткань
(плащевка защитного цвета);
2,5– Пенополиуретан (толщина h мм) с металлизированным внутренним
слоем,
3 –Металлизированные слои (0.2-0.5мм) для отражения теплового излучения;
4 – Связующие пенополиуретановые выступы высотой H мм;
6 – Металлизированный слой для отражения теплового излучения, исходящего от объекта;
Защищаемый
объект
h
H1
h
Полная высота УМ:
H = 2h + H1 + d .
Слайд 624. Двухслойная конструкция УМ с разрежением (вакуумом) между слоями
Степень анти
тепловизионной защиты
двухслойного УМ можно оценить выражениями
К
= 1 / (1 + α2 RK + α2 2 h / λ + α2 H1 / λЭФ + d / λ1).
Здесь α2 – коэффициент теплообмена с внешней
поверхностью УМ, h – толщина материала УМ,
RK – контактное термическое сопротивление между
поверхностью выступов УМ 7, и поверхностью объекта
λ – коэффициент теплопроводности материала УМ,
λЭФ – эффективный коэффициент теплопроводности
для связующих элементов 4, и вакуумом между ними,
λ1 - эффективный коэффициент теплопроводности
Слайд 63Результаты расчетов качества различных типов УМ
Слайд 64Область предельно допустимого
значения ΔТ
Температурный контраст разных типов УМ с общей
толщиной модуля, равной 2см.
Слайд 65Пассивные АТВЗ второго типа
Вторая группа пассивных АТВЗ – это уменьшение
поверхности излучения объекта.
Полная мощность W теплового излучения объекта, попадающая
в объектив, получается в результате интегрирования w по поверхности S объекта, которая видна из объектива тепловизора:
W = σ ∫ ε(r) ( T4 – T04 ) dr ;
Здесь коэффициент ε учитывает коэффициент черноты и координату нахождения на поверхности объекта, причем 0 < ε < 1.
Из формулы следует, что уменьшение поверхности S излучения уменьшает полный тепловой поток, и затрудняет тепловизионное обнаружение объекта.
Слайд 66Пассивные АТВЗ второго типа
Простейшее реализация такого метода – окапывание, или
самоокапывание (как для БМД-2 ). Варианты могут быть предложены разные.
Такой способ может быть применен как в боевых условиях, так и на других этапах.
Особенно интересными и эффективными является сочетание уменьшения поверхности излучения и вышеописанных АТВПП для оставшейся излучающей части объекта.
Так, применение самоокапывания и пассивных АТВПП весьма перспективно для бронетехники, особенно имеющей переменный клиренс (например, БМД–2).
Слайд 67Активные АТВЗ
АТВЗ с постоянно действующими источниками энергии или вещества
(с неограниченным временем действия).
К ним можно отнести анти тепловизионные
покрытия, которые имеют активные элементы, позволяющие выравнивать температуру поверхности с температурой внешней среды, например, термоходильники /нагреватели, работающие на эффекте Пельтье, При этом необходимо иметь источник электрического тока для питания такой охладительно- нагревательной системы.
В качестве второго примера можно привести такие средства тепловизионной защиты, как водяные завесы. При их применении необходим постоянный источник воды с температурой окружающей среды.
Такие активные средства АТВЗ могут эффективно затруднить все три задачи (обнаружение, распознавание и идентификация) тепловизионного видения.
Слайд 68Активные АТВЗ
АТВЗ с заранее запасенными источниками вещества или энергии (с
ограниченным временем действия).
В качестве примера такого АТВЗ можно привести
систему охлаждения наиболее горячих зон танка (двигатель, выхлопная труба (газы)) с помощью бака с жидким азотом. Эта система работает до тех пор, пока весь азот не испарится.
Слайд 69Комбинированные АТВЗ
Это – наиболее перспективное направление АТВЗ.
В них
могут участвовать и пассивные, и активные АТВЗ в разумной пропорции.
