Слайд 2
Основная литература
Дж. Ллойд, Системы тепловидения, Издательство «Мир», Москва 1978
Тарасов
В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. -М.: Логос,
2004
Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. Учебник для вузов. - М.: Логос, 2004
Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Конспект лекций «Многоэлементные приемники
излучения». - М.: МИИГАиК, 2001
Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы. -Логос, 2007
Тарасов В.В., Торшина И.П., Фотиев Ю.А., Якушенков Ю.Г. Сборник контрольных вопросов по дисциплинам «Оптические и оптико-электронные приборы и системы», «Источники и приемники оптического излучения», «Тепловизионные системы» (уч. пособие для вузов). - М.: МИИГАиК, 2004
Слайд 3
Дополнительная литература
Справочник по инфракрасной технике в 4-х томах./Пер.
с англ. под ред. Н.В.Васильченко, В.А.Есакова и М.М.Мирошникова. -
М.: Мир, 1998
The Infrared and Electro-Optical Systems Handbook. Ed by Y.S.Accetta and D.L.Shumaker. -Ann Arbor, ERIM, 1996
Парвулюсов Ю.Б., Родионов С.А., Солдатов В.П. и др. Проектирование оптико-электронных приборов. Под ред. Ю.Г.Якушенкова. - М.: Логос, 2000
Слайд 4
Введение в тепловидение. История.
Уильям Гершель
1738-1822
Занимаясь исследованием Солнца,
Гершель искал способ уменьшения нагрева инструмента, с помощью которого
велись наблюдения.
Опыт У. Гершеля (1800 г.) в результате которого было открыто тепловое излучение.
Слайд 5
Введение в тепловидение. История.
Cделал открытие, что каменная соль
(NaCl), которая доступна в больших количествах, оказалась прозрачной для
ИК излучения.
Термометр Ландриани может измерять температуру с погрешностью 0,2 ° C (0,036 ° F), поздние модели до 0,05 ° C (0,09 ° F).)
Слайд 6
Leopoldo Nobili
(1784-1835)
Изобрёл термопару и термобатарею.
Получил электричество, используя платиновые
электроды в щелочном нитрате, послужившем электролитом.
Изобрел астатический гальванометр
для измерения электрического тока.
Введение в тепловидение. История.
Меллони Мачедонио (Macedonio Melloni) (11.IV.1798 - 11.VIII.1854)
Исследование тепловой радиации.
Изобрел устройство для измерения теплового излучения, состоящее из гальванометра и термоэлемента (оптическая скамья Меллони).
В 1831 совместно с Л. Нобили изучал тепловой спектр Солнца и «прозрачность» различных тел для тепловых лучей.
Слайд 7
Введение в тепловидение. История.
Приемник теплового излучения М. Меллони
(1840 г.)
с гальванометром (справа)
Слайд 8
Введение в тепловидение. История.
изобрел болометр;
работы по созданию первого
летательного аппарата;
Сэмюэл Пирпонт Лэнгли
(1834-1906)
Слайд 9
Введение в тепловидение. История.
Дьюар, Джеймс
(1842-1923)
Важнейшие научные работы — в
области физики низких температур, термодинамики, оптики, спектроскопии и радиоактивности.
В
1892 г. изобрёл сосуд для хранения ожиженных газов (сосуд Дьюара) и первый предложил использование сжиженных газов для охлаждения ПОИ
Слайд 10
Введение в тепловидение. История.
Густав Роберт Кирхгоф
(1824-1887)
Исследовал спектры веществ,
поглощающих одноатомный газ, имеющий линейчатые спектры испускания, пропуская через
него белый свет (1854 г.)
Закон излучения Кирхгофа;
Правила Кирхгофа для электрической цепи;
Слайд 11
Введение в тепловидение. История.
Макс Карл Эрнст
Людвиг Планк
(1858-1947)
Основатель
квантовой теории предопределил основное направление развития физики с начала
XX века.
Формула Планка — выражение для спектральной плотности мощности излучения абсолютно чёрного тела
Научные труды по:
Термодинамике;
Теории теплового излучения;
Квантовой теории;
Специальной теории относительности;
Оптике;
Слайд 12
Введение в тепловидение. История.
Вильгельм Карл Вернер
Отто Фриц
Франц Вин
(1864-1928)
В 1893/94 гг. он вывел первый закон Вина,
а из него - закон смещения Вина, в 1896 г. - второй закон Вина для теплового излучения
Длина волны, при которой энергия излучения абсолютно чёрного тела максимальна, определяется законом смещения Вина:
λmax = b/T ≈ 0,002898 м·К × T −1 (K)
Слайд 13
Введение в тепловидение. История.
Лю́двиг Бо́льцман
(1844-1906)
Йозеф Стефан
(нем. Joseph Stefan)
(1835-1893)
Мощность
излучения абсолютно чёрного тела прямо пропорциональна площади поверхности и
четвёртой степени температуры тела:
Слайд 14
Введение в тепловидение. История.
Мирошников
Михаил Михайлович
(род. 1926)
Главные направления
работ:
использование ИК для создания авиационной теплопеленгационной аппаратуры и
ИК-дальномеров (1949—1959);
тепловидение — получение видимого изображения слабонагретых тел (с 1957);
исследования оптического излучения Земли, околоземного пространства, Солнца и планет с космических кораблей;
создание космической аппаратуры для измерения, обнаружения, навигации и наблюдения (с 1957).
Слайд 15
Введение в тепловидение. История.
Вейнгеров Марк Леонидович
(1903 -
1973)
Изобрёл (1937) принципиально новый селективный оптико-акустический приемник - спектрофона,
чувствительный от ультрафиолетовой до миллиметровой области спектра.
Выдающийся учёный в области физики и техники инфракрасных лучей, доктор физико-математических наук, профессор, лауреат Государственной премии.
Слайд 16
Введение в тепловидение. История.
1934 г. – создание ЭОП
Слайд 17
Введение в тепловидение. История.
Советские ИК приборы ночного видения
(ПНВ)
во Второй мировой войне.
Прицел на М1 «Снайперскоп»
ППШ с
ИК прицелом (1943 г.).
Слайд 18
Введение в тепловидение. История.
Планирующие торпеды СССР.
Слайд 19
Введение в тепловидение. История.
Отечественные инфракрасные приборы ночного видения
«Шип» и «Дудка»
Слайд 20
Введение в тепловидение. История.
Немецкий Sd.Kfz.251/20 Schutzenpanzerwagen - Infrarotscheinwerfer
(«Uhu» - сова)
Слайд 21
Введение в тепловидение. История.
Эвапорография (от лат. evaporo —
испаряю и ...графия)
Предложен немецким физиком М. Черни в 1929.
Схема получения изображения в эвапорографе:
1 — объект; 2 — объектив (обычно ИК); 3 — тонкая зачернённая мембрана; 4 — вакуумная камера: 5 — жидкостный рельеф.
Слайд 22
Пример кустарного эвапорографа
Введение в тепловидение. История.
Слайд 24
Различают три задачи для тепловизионного видения:
обнаружение объекта,
распознавание объекта,
идентификация объекта.
Обнаружение: Для того чтобы определить –
есть объект или нет.
Распознавание: Распознавание какого-либо объекта определяют как способность видеть класс объекта. Это означает возможность различать человека, автомобиль, грузовой автомобиль или любой другой объект.
Идентификация: Этот термин часто используется в военном смысле этого слова, который означает – увидеть (определить) "свой" или "чужой". Или распознавание внутри класса объектов.
Дальность работы с одним и тем же ТПЗ для каждой из этих задач уменьшается при переходе от предыдущей к следующей.
Задачи тепловидения.
Слайд 25
Обнаружение, распознавание, идентификация объекта типа «самолет»
Обнаружение, распознавание,
идентификация объекта типа «человек»
ОБНАРУЖЕНИЕ
РАСПОЗНАВАНИЕ ИДЕНТИФИКАЦИЯ
4 пикселя 14 пикселей 30 пикселей
Задачи тепловидения.
Критерий Джонсона: для зрительного анализатора выделяются несколько уровней восприятия изображения. Нижний уровень (обнаружения объекта) соответствует выделению какого-то размытого пятна на фоне помех, а высший уровень соответствует точной идентификации объекта и определению его специфических особенностей.
Слайд 26
Основы тепловидения.
Энергия излучения фотона
где h = 6,63 ·10-4
Дж • с — постоянная Планка,
с = 3
• 108 м/с — скорость света.
Инфракрасную область делят на три больших участка:
1. Ближняя инфракрасная область (0,75—1,5 мкм);
2. Средняя инфракрасная область (1,5—20 мкм);
3. Дальняя инфракрасная область (20—1000 мкм).
Слайд 28
Основы тепловидения.
В системах безопасности используется ТГц (мм) излучение
для сканирования багажа и людей.
Слайд 30
Источники излучения.
Излучение Солнца.
Слайд 31
Источники излучения.
Расчетные значения спектральной энергетической освещенности, создаваемой Луной
и планетами в верхних слоях атмосферы:
1 — полной Луны;
2 — Венеры; 3 — Марса; 4 — Сатурна;
отраженное солнечное излучение: 5 — Луны; 6 — Юпитера;
7 — Венеры (при наибольшем удалении); 8 — Марса (при противостоянии)
Слайд 32
Источники излучения.
АЧТ-30/900/2500
Абсолютно черное тело
АЧТ-45/100/1100
Электра+
ФДСВ-07
Слайд 33
Источники излучения.
Излучение промышленных объектов
Самолет С-47 «Скайтрейн»
Индикатриса излучения
в горизонтальной плоскости.
Т=80÷100
Твых. газов=1000÷1100
Т патрубков =800÷700
Коэффициент черноты капота 0,2-0,4;
патрубка 0,8-0,9 .
Слайд 34
Источники излучения.
Газовая струя реактивного двигателя.
При =0,1 полная мощность
6,8 10-15 Втм-2град-4
Форма факела (а) и распределение температуры в
газовой струе реактивного двигателя с тягой 300 кг (б).
Слайд 35
Источники излучения.
Живая сила противника.
Коэффициент излучения ε ≈ 0,99
для λ ≥ 4 мкм
Слайд 36
Источники излучения.
Наземные транспортные средства.
Коэффициент излучения ε ≈ 0,85
и выше
для λ ≥ 3÷5 мкм (холодные части автомобиля)
для
λ ≥ 8÷12 мкм (холодные части автомобиля
Слайд 37
Источники излучения.
Излучение фона.
Слайд 38
Теория теплового излучения. Прохождение излучения через атмосферу.
Слайд 39
Теория теплового излучения. Прохождение излучения через атмосферу.
Закон Бугера
— Ламберта — Бэра
где R — расстояние или длина
пути, а g(l) — показатель ослабления. Показатель ослабления равен сумме показателей рассеяния s(l) и поглощения к(l):
В атмосфере имеются окна прозрачности
Окна прозрачности, стандартизованные в МФС:
– B, V, R, J –диапазон – до 1,2 мкм;
– H-диапазон – (1,6 ± 0,1) мкм;
– К-диапазон – (2,2 ± 0,3) мкм;
– L-диапазон – (3,6 ± 0,45) мкм;
– М-диапазон – (4,6 ± 0,5) мкм;
– N-диапазон – (10,0 ± 2,0) мкм;
– Q-диапазон – (20,0 ± 0,4) мкм.
Полосы полного поглощения ИК-излучения,
углекислым газом СО2 2,6–2,9 мкм;
4,2–4,4 мкм и парами воды Н2О: 5,0–8,0 мкм.
Слайд 40
Теория теплового излучения. Прохождение излучения через атмосферу.
Поглощение ИК
излучения: вода (полосы поглощения) - 2,7; 3,2; 6,3 мкм,
углекислый
газ - 2,7; 4,3; 15 мкм, озона - 4,8; 9,6; 14,2 мкм,
закиси азота - 4,7; 7,8 мкм, окиси углерода - 4,8 мкм и метан - 3,2; 7,8 мкм.
Слайд 41
Рассеяние
sр, sп - коэффициенты
рассеяния и поглощения
Зависимости
показателя рассеяния от состояния атмосферы:
1 —
рэлеевское рассеяние, 2 - чистый воздух, 3 - легкая дымка,
4 - дымка, 5 - легкий туман
Теория теплового излучения. Прохождение излучения через атмосферу.
Слайд 42
Теория теплового излучения. Прохождение излучения через атмосферу.
Международный код
видимости, метеорологическая дальность видимости sM и показатель рассеяния aa0,55
Слайд 43
Теория теплового излучения. Прохождение излучения через атмосферу.
Эффективный коэффициент
пропускания среды (атмосферы) в пределах рабочего спектрального диапазона l1
... l2
где L(l) - спектральная плотность яркости источника излучения;
tс(l) - спектральный коэффициент пропускания среды (атмосферы);
t 0(l) - спектральный коэффициент пропускания оптической системы ИКС; Sn(l) - спектральная характеристика вольтовой чувствительности приемника излучения.
Слайд 44
Теория теплового излучения. Прохождение излучения через атмосферу.
Зависимости вероятностей
обнаружения цели от значений DT П
при различных статистически
усредненных a (от 0,2 до 1,0)
для расстояния до цели 500 м (а) и 5000 м (б)
Слайд 45
Теория теплового излучения. Прохождение излучения через атмосферу.
Зависимость показателя
преломления воздуха от давления Р и температуры Т имеет
вид
Для локально изотропной и однородной турбулентности (модель Колмогорова-Обухова) они имеют вид
где r - расстояние между двумя точками случайного поля n;
l0 и L0 - внутренний и внешний масштабы турбулентности (размеры наименьших и наибольших неоднородностей атмосферы);
Cп2 - структурная постоянная турбулентности показателя преломления, характеризующая влияние неоднородностей атмосферы на распространение оптического излучения
Слайд 46
Структурная постоянная турбулентности показателя преломления:
Другая модель (Хафнагеля-Волли) предусматривает
расчет по формуле:
В свою очередь скорость ветра vH может
быть рассчитана как
Регрессионная модель:
Теория теплового излучения. Прохождение излучения через атмосферу.
Слайд 47
Оптические материалы
для ИК-области спектра
Основные оптические и физико-механические
параметры и характеристики материалов:
- спектральное пропускание или отражение;
- показатель
преломления;
- дисперсия;
- изменение коэффициента пропускания и показателя преломления при изменении температуры;
- плотность;
- твердость;
- теплопроводность;
- коэффициент термического расширения;
- теплоемкость;
- модуль упругости;
- температуры размягчения и плавления;
- стойкость к воздействию различных сред.
Слайд 48
Твердость по Кнупу = P/S.
Оптические материалы
для
ИК-области спектра
Слайд 49
Число Аббе
Параметры инфракрасных стёкол
Оптические материалы
для ИК-области
спектра
Слайд 50
Оптические материалы
для ИК-области спектра
1 — золотая чернь
на сильвине;
2 — селен на сильвине;
3 — теллуровая
чернь на cильвине;
4 — окись магния на слюде;
5 — висмутовая чернь на сильвине;
6 — окись магния на стекле (d=0,l мм).
Пропускание порошковых фильтров
Слайд 51
Основы построения
тепловизионных систем.
Слайд 52
Типовые схемы тепловизионных систем 0-го, 1-го и 2-го
поколений
Основы построения
тепловизионных систем.
Обобщенная функциональная схема сканирующего тепловизора
1 –оптическая
система; 2 – блок оптико-механического сканирования;
3 – приемник излучения; 4 – система охлаждения; 5 – электронный тракт;
6 – видеоконтрольное устройство; 7 – система синхронизации.
Слайд 53
Типовые схемы тепловизионных систем 0-го, 1-го и 2-го
поколений
Основы построения
тепловизионных систем.
Методы сканирования:
а) сканирование одноэлементным ПИ;
б)
последовательное сканирование линейкой чувствительных элементов;
в) параллельное сканирование линейкой чувствительных элементов;
г) параллельно-последовательное сканирование матричным ПИ.
Слайд 54
Типовые схемы тепловизионных систем 0-го, 1-го и 2-го
поколений
Основы построения
тепловизионных систем.
Однозеркальная схема
кругового сканирования
Двухзеркальная схема
кругового
сканирования
Слайд 55
Типовые схемы тепловизионных систем 0-го, 1-го и 2-го
поколений
Основы построения
тепловизионных систем.
Двухзеркальная схема кругового сканирования с переменным
углом визирования
Схема кругового сканирования с удвоением скорости визирного луча
Слайд 56
Типовые схемы тепловизионных систем 0-го, 1-го и 2-го
поколений
Основы построения
тепловизионных систем.
Схема кругового сканирования
с зеркальной призмой
Тепловизоры,
в которых для развертки изображения использовался
диск Нипкова
Слайд 57
Типовые схемы тепловизионных систем 0-го, 1-го и 2-го
поколений
Основы построения
тепловизионных систем.
Сканирующие устройства с колеблющимся зеркалом
Сканирующее устройство
с вращающейся усеченной зеркальной пирамидой
Слайд 58
Типовые схемы тепловизионных систем 0-го, 1-го и 2-го
поколений
Основы построения
тепловизионных систем.
Схема кругового сканирования с зеркальной призмой
«Рубин-МТ»
Слайд 59
Типовая схема тепловизионной системы 3-го поколения
Основы построения
тепловизионных
систем.
Схема ТПВ-прицела Bill Night Sight (BNS):
1 – ИК-объектив,
2 – его сменные компоненты,
3 – сканирующий зеркальный барабан, 4 – ФПУ, 5 – блок его охлаждения,
6 – светодиодный индикатор, 7 – проекционная система,
8 – фильтр, 9 – ЭОП с окуляром
Слайд 60
Классификация по дальности действия:
малой дальности действия:
до 0,7-1
км по ростовой фигуре человека
до 1,5-2 км по автомашине;
средней
дальности действия:
до 1,2-1,5 км по ростовой фигуре человека
до 2-4 км по автомашине
до 8 км по самолету
повышенной дальности действия:
превышающие показатели, указанные выше.
Современное состояние развития тепловизионных систем.
Слайд 61
Современное состояние развития тепловизионных систем.
Тепловизионные приборы малой дальности
действия
Панорамные очки ночного видения (PVNG)
Слайд 62
Современное состояние развития тепловизионных систем.
Тепловизионные приборы малой дальности
действия
Панорамные очки ночного видения (PVNG)
Слайд 63
Современное состояние развития тепловизионных систем.
Тепловизионные приборы малой дальности
действия
Оптическая схема двухканального прицела «день-ночь»
с зеркально-линзовым объективом
Слайд 64
Современное состояние развития тепловизионных систем.
Тепловизионные приборы малой дальности
действия
Насадка KN250 норвежской фирмы «Simrad»
Слайд 65
Современное состояние развития тепловизионных систем.
Тепловизионные приборы средней дальности
действия
Комплекс "Корнет"
Слайд 66
Современное состояние развития тепловизионных систем.
Тепловизионные приборы средней дальности
действия
Противотанковый ракетный комплекс "НОТ"
(Haut subsonique Optiquement teleguide tire
d'un Tube)
Слайд 67
Современное состояние развития тепловизионных систем.
Тепловизионные приборы повышенной дальности
действия
НПО «Карат»
Слайд 68
Применение тепловизионных систем
Тепловое изображение корабля, полученное тепловизором FLIR
Systems,
и изображение в видимом диапазоне
Слайд 69
Применение тепловизионных систем
Спутный тепловой след надводных и подводных
кораблей
Слайд 70
Применение тепловизионных систем
Военное применение: наблюдение за объектами
Слайд 71
Применение тепловизионных систем
Наблюдение за гражданскими объектами
Слайд 72
Применение тепловизионных систем
Наблюдение за гражданскими объектами
Слайд 73
Применение тепловизионных систем
Сравнительные представления наблюдаемости объектов
в благоприятных
и неблагоприятных погодных и климатических условиях
тепловизором Прогресс
Благоприятные
условия
Неблагоприятные условия
Слайд 74
Применение тепловизионных систем
Благоприятные условия
Неблагоприятные условия
Сравнительные представления наблюдаемости объектов
в благоприятных и неблагоприятных погодных и климатических условиях
тепловизором
Прогресс
