Исследование тепловизионного канала

Содержание

Введение

Измерение характеристик инфракрасных систем

Эффективность тепловизора при НС

Исследование тепловизора с помощью тест-объектов

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Главной задачей данной курсовой работы является исследование тепловизионного канала. Для эксперимента был выбран тепловизор "Скат", применяемый для обнаружения НС и ЧС в условиях городской застройки.

Одной из основных характеристик тепловизора является пространственное разрешение. Это телесный угол, который ограничивает разрешение деталей объекта. Обычно это элементарный телесный угол, которым осуществляется анализ пространства; этот угол определяется совместным действием передаточных функций оптической системы, приёмника, электронной системы, системы визуализации и глаза наблюдателя. Передаточная функция системы определяется остаточным контрастом изображения миры с периодической структурой и контрастом самой миры, равным единице. Эта функция зависит от пространственной частоты миры. Таким образом, понятие пространственного разрешения может оцениваться способностью системы воспринимать раздельно два малых объекта или модуляционной передаточной функцией; при этом применяется преобразование Фурье. Наконец, понятие пространственного разрешения непосредственно связано с инерционностью системы через скорость сканирования.

Температурное разрешение это минимальная различимая разность эффективных температур объекта и его окружения. В зависимости от природы объекта определение температурного разрешения принимает различные формы. Для тепловизора "Скат", применяемого для нашего эксперимента, температурное разрешение имеет значение 0,1°С. Разность температур, эквивалентная шуму, ΔТп - это разность эффективных температур протяженного объекта и его окружения, которая дает пиковый сигнал, равный эффективному напряжению шума системы. Минимальная разрешаемая разность температур ΔТразр - это минимальная разность эффективных температур между штрихом и промежутком миры Фуко с периодической структурой, позволяющая визуально разрешить штрихи миры. Минимальная обнаруживаемая разность температур ΔTобн - это минимальная разность эффективных температур протяженного объекта и его окружения, при которой становится возможным восприятие объекта при визуальном наблюдении. Все эти эффективные температуры оцениваются в условиях, когда объекты уподобляются черным телам: разность эффективных температур может быть обусловлена как разностью истинных температур, так и разницей в коэффициентах излучения или в общем случае обеими причинами.

Параметр ΔТ связывает температурное и пространственное разрешение системы. Этот параметр характеризует влияние шума на угловое разрешение с учетом свойств блока визуализации. При определении ΔТ используют визуальное разрешение в изображении штрихов миры с периодической структурой (миры Фуко) и по возможности слабым температурным контрастом. Для обеспечения стандартных условий нужно использовать набор мир, содержащих по четыре параллельных штриха, отстоящих друг от друга на одинаковых в каждой мире расстояниях, причем пространственная частота каждой миры вдвое больше, чем предыдущей, а высота штриха в семь раз больше его ширины. Разность температур между штрихами и фоном, рассматриваемыми, как черные тела, также должна быть по возможности минимальной, чтобы система работала с максимальной чувствительностью. Результаты наблюдения изображения связаны и с физиологией зрительного восприятия, и с интерпретацией увиденного в мозгу человека. Интегрирование по времени с постоянной времени глаза в определенной мере способствует сглаживанию получаемой информации, что уменьшает шумы.

Метод проведения измерений состоит в том, что вначале разность температур между штрихом и промежутком миры сводят к нулю, так что наблюдатель видит однородное поле. Усиление системы устанавливают на максимум. Шум в изображении проявляется тогда в виде зернистости и случайных сцинтилляций. Постепенно повышая разность температур, достигают порога восприятия ΔT1 соответствующего визуальному разрешению штрихов изображения. Затем увеличивают разность температур до величины, соответствующей получению чёткого изображения и снова уменьшают её до тех пор, пока не исчезнет видимая периодическая структура. Достигнутый порог исчезновения ΔT2 обычно меньше, чем ΔT1. Действительно, легче отслеживать изображение в процессе постепенного исчезновения его очертаний, так как положение изображения с самого начала четко определено, тогда как перед появлением изображения внимание наблюдателя не фиксируется в определенной точке. По определению ΔTразр для данной пространственной частоты вычисляется как среднее арифметическое этих двух величин:

ΔTразр = (ΔТ1 + ΔТ2) /2°С

Опыт показывает, что эта функция очень быстро возрастает с ростом пространственной частоты миры. Измерения могут быть проведены по изображению объективным методом. При правильно выбранной постоянной времени фотометра полученные значения будут мало отличаться от значений, определенных с помощью субъективного метода (наблюдается, однако, некоторая остаточная разность, понятная, если учесть восприятие спектрального распределения шумов глазом, который мало чувствителен к шумам на низких пространственных частотах, а высокие частоты воспринимает только до определенной граничной частоты).

МДВ (метеорологическая дальность видимости) - это то наибольшее расстояние на котором в светлое время суток можно различить (обнаружить) на фоне воздушной дымки абсолютно чёрный объект достаточно больших угловых размеров (>15’).

При этом видимым считается такой объект, который различается на фоне неба хотя бы в виде неопределённого контура.

Для расчёта МДВ используется выражение:

=3,9εa ср

Где εa ср - средний коэффициент ослабления по всем направлениям.

Измерение характеристик инфракрасных систем

Измерение параметров, характеризующих инфракрасные системы, может производиться непосредственно по электрическому сигналу (видеосигналу) путем определения его амплитуды, постоянной времени и шумов. При этом измеряется отклик системы на известное воздействие, создаваемое эталонной мерой. Такой тип оценки обычно применяется для инфракрасных систем, предназначенных для измерительных целей.

Измерение характеристик систем, предназначенных для визуального наблюдения, должно производиться по конечному изображению, восстановленному в блоке визуализации, обычно на экране черно-белой или цветной электроннолучевой трубки. В этом случае результаты зависят от способов регулировки контраста и яркости изображения. Для таких измерений можно применять два различных метода.

Субъективный метод, при котором наблюдатель визуально оценивает возможность или невозможность различить в изображении те или иные детали. Результаты, полученные этим методом, учитывающим физиологию зрительного восприятия и психологические особенности восприятия сюжета, следует интерпретировать с осторожностью и по возможности статистически усреднять результаты нескольких наблюдателей. При этом в зависимости от сюжета одни наблюдатели могут предпочитать высокую яркость изображения при слабом контрасте, а другие - лучший контраст при пониженной яркости. Преимущество этого метода состоит в том, что испытанию подвергается вся цепочка звеньев, обеспечивающая получение изображения с помощью инфракрасной аппаратуры, включая наблюдателя. Это представляется логичным во всех тех случаях, когда речь идет о наблюдении изображения на экране глазом. Кроме того, глаз осуществляет интегрирование сигналов по времени (с постоянной времени порядка 0,15 с), что способствует уменьшению воспринимаемых в изображении шумов.

б. Объективный метод, при котором глаз наблюдателя заменяется оптическим фотометром, анализирующим яркость экрана блока визуализации от точки к точке. Чтобы наилучшим образом приблизиться к условиям анализа изображения глазом, устройство работает с постоянной времени, сравнимой по величине с постоянной времени глаза.

Эффективность тепловизора при НС

Тепловизор "Скат" применяется для мониторинга и обнаружения дымовых шлейфов над городской застройкой и является неотъемлемой частью системы АСДМ "Лидар". С помощью тепловизора можно легко определить очаг возгорания при сносе дымового шлейфа. На рисунке 1 наглядно показан пример такой ситуации.

тепловизионный канал инфракрасная система

Рис 1 (а)

Кадр tvv (Пожар на Тихорецком бульваре, дальность 8 км, МДВ=10 км)

Рис 1 (б)

Кадр irr (Пожар на Тихорецком бульваре, дальность 8 км, МДВ=10 км)

На рисунке 1 (а) (возгорание складских помещений по адресу Тихорецкий бульвар, дом 2) отчётливо виден дымовой шлейф; тепловизионный же кадр показывает его сравнительно высокую температуру, что само по себе говорит о серьёзности происшествия и необходимости предпринять ряд оперативных действий.

Также удобство тепловизора очевидно при небольших возгораниях или начинающихся пожарах, например как показано на рисунке 2.

На рисунке 2 (а) мы видим лишь небольшой дымовой шлейф, который поднимается из-за кустов. Однако на рисунке 2 (б) (тепловизионыый кадр.) мы явно видим очаг возгорания и даже нагретую дымом листву. Таким образом мы можем определить место возгорания и убедиться в том что это начинающийся пожар. Как видно на рисунке 2 (в) впоследствии данный пожар заметно увеличился. В данном случае тепловизор сыграл также важную роль для обнаружения данной НС.

Рис 2 (а)

Кадр tvv (НС, дальность 0,5 км, МДВ=7 км)

Рис 2 (б)

Кадр irr (НС, дальность 0,5 км, МДВ=7 км)

Рис 2 (в)

Кадр tvv (НС, дальность 0,5 км, МДВ=7 км)

Также тепловизор незаменим ночью, когда шлейф чёрного дыма на тёмном небе практически неразличим. Подобный пример приведён на рисунках 3 и 4. На рисунке 3 зафиксировано возгорание на автобазе, произошедшее 29.05 в 21.50 на расстоянии полутора километров от стационарного поста. В условиях ночи мы достаточно плохо видим дым на tvv-кадрах (cм. рис 3 (а)). Однако в данном случае выручает ИК-канал, (тепловизор) с помощью которого мы можем точно определить очаг возгорания. Похожая ситуация наблюдается и на рисунке 4. Тут дальность до пожара 400 метров и, также как и в первом случае, возгорание более отчётливо отслеживается именно с помощью тепловизионного канала.

Рис 3 (а)

Кадр tvv (Возгорание на автобазе, дальность 1,5 км, ночь).

Рис 3 (б)

Кадр irr (Возгорание на автобазе, дальность 1,5 км, ночь).

Рис 4 (а)

Кадр tvv (НС, дальность 0,4 км, ночь).

Рис 4 (б)

Кадр irr (НС, дальность 0,4 км, ночь).

Использование тепловизора особенно полезно в условиях низкого МДВ или зимой в условиях снегопада, как показано на рисунке 5.

Рис 5 (а)

Кадр tvv (НС, дальность 3 км, снег, МДВ=1,5 км).

Рис 5 (б)

Кадр irr (НС, дальность 3 км, снег, МДВ=1,5 км).

На рисунке 5 (б), представляющим собой tvv-кадр, шлейф дыма заметен с очень большим трудом. Это вызвано низким МДВ при снегопаде. Однако, с помощью ИК-канала мы легко определяем очаг возгорания.

Исследование тепловизора с помощью тест-объектов

Рассмотрим работу тепловизора "Скат" на примере объекта "Фрезер", расположенного в 600 метрах от СП-1. Как мы уже убедились в случае с НС, тепловизор незаменим при плохих погодных условиях (рис.6)

Рис 6 (а)

Кадр tvv (НС, снег, МДВ=1,5 км, t=1°С).

Рис 6 (а)

Кадр irr (НС, снег, МДВ=1 км, t=1°С).

Объект "Фрезер" на tvv-кадрах видно с трудом, однако на тепловизоре легко можно отследить нагретые части здания, например, окна. Более отчётливой картинке тепловизора в данном случае способствует также низкая температура воздуха.

На рисунке 7 показан тот же объект, но при МДВ равном 6 км. и температуре 6°С. В данном случае также отчётливо видны нагретые участки здания. На картинке 7 (б) они обозначены белым цветом.

Рис 7 (а)

Кадр tvv (Фрезер, МДВ=6 км, t°С =6).

Рис 7 (б)

Кадр irr (Фрезер, мдв=6 км, t°С =6).

Далее (рис.8) приведён пример при МДВ 14 км и t=10. В данном случае видно, что из-за более высокой температуры более нагретыми частями здания являются бетонные конструкции, а окна остаются тёмными (имеющими более низкую температуру по сравнению с остальной конструкцией)

Рис 8 (а)

Кадр irr (Фрезер, мдв=10 км, t°С =15).

Рис 8 (б)

Кадр irr (Фрезер, мдв=10 км, t°С =15).

Далее на рисунках 9 и 10 приведены кадры tvv и irr для МДВ 15 и 20:

Рис 9 (а)

Кадр tvv (Фрезер, МДВ=15 км, t°С =14).

Рис 9 (б)

Кадр irr (Фрезер, МДВ=15 км, t°С =14).

Рис 10 (а)

Кадр irr (Фрезер, МДВ=20 км, t°С =12).

Рис 10 (б)

Кадр irr (Фрезер, МДВ=20 км, t°С =12).

Заключение

В результате данной работы было установлено, что тепловизор незаменим для обнаружения и отслеживания НС. С помощью него можно легко определить очаг возгорания при сносе шлейфа дыма, это может быть особенно полезным в условиях низкого МДВ и ночью. Также удобство работы с тепловизором очевидно в более прохладную погоду, т.к. в летний зной, ввиду прогрева солнцем крыш зданий, асфальта и т.д. эффективность работы понижается.

Список использованной литературы

1) Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение Пер. с франц. - М.: Мир, 1988 - 416 с, ил.

) Поисковый тепловизор "Скат", инструкция по эксплуатации