трусики женские украина

На головну

 Розробка тепловізійного каналу СП-1 АСДМ "Лідар" - Комунікації і зв'язок

Введення

При високій щільності населення і промислових підприємств в сучасних мегаполісах різко зростає небезпека масового ураження людей при неминуче виникають надзвичайні ситуації та екологічних катастрофах (пожежах, вибухах з виділенням отруйних речовин, забруднення атмосфери транспортом, промисловими підприємствами та ін.).

Повною мірою це відноситься до Москви, з тією відмінністю, що великий знос промислового обладнання у багато разів збільшує ймовірність виникнення кризових (КС) та надзвичайних ситуацій (НС). У зв'язку з цим різко зростає роль структур, що займаються моніторингом і прогнозуванням КС і НС. У механізмі управління міським господарством особливу роль відіграють системи оперативного попередження про надзвичайні ситуації: пожежах, вибухах, хімічних викидах, екологічних катастрофах і т.д. Як правило, подібні вузькопрофесійні системи попередження можуть охоплювати окремі приміщення, будівлі, райони міста або все місто цілком. Завдання, які вирішуються подібними системами, багато в чому схожі.

У дипломній роботі проводиться розробка тепловізійного каналу СП-1 АСДМ «Лідар» і його експериментальне дослідження на відповідність завданням моніторингу КС.

Автоматична система дистанційного моніторингу «Лідар» призначена для виявлення кризових і надзвичайних ситуацій у місті Москва, одним з показників яких є аварійний аерозольний викид в атмосферне повітря. Стаціонарний пост 1 (СП-1) працює в режимі цілодобового оперативного моніторингу КС. Згідно концепції системи, планується установка трьох СП із зоною охоплення 10-12 км кожен, що дозволить охопити всю територію Москви. СП-2, другий пост системи АСДМ «Лідар», є еволюційним продовженням СП-1. Сукупність рішень, застосованих в СП-1 і СП-2, послужать базою для розробки СП-3 - повністю автоматичного поста.

Тепловізійний канал у складі АСДМ «Лідар» призначений для ведення моніторингу у складних метеорологічних умовах, коли звичайні камери не дозволяють вести спостереження. У складі СП-1 тепловізійний канал переконливо довів свою ефективність, дозволяючи чітко розрізняти як шлейфи диму, так і нагріті тіла на тлі міської забудови.

1. Тепловізійні прилади та системи для завдань моніторингу кризових ситуацій у мегаполісі

У цій частині дипломного проекту розглянуті принципи побудови тепловізійних систем моніторингу КС, виділені основні завдання систем такого роду. Проаналізовано стан сучасного рівня техніки. Також були висунуті вимоги до тепловізійної системі СП-1, на основі яких сформульовано технічне заданіе.1.1 Фізичні основи тепловізійних приладів 1.1.1 Історична довідка

Існування теплового випромінювання за межами видимого спектру було відкрито Вільямом Гершелем в 1800 р За допомогою термометра, що розміщується за червоним ділянкою сонячного спектра при проходженні випромінювання крізь диспергирующую призму, Гершель виявив невидиме оком випромінювання, що несе енергію і проявляється своїм тепловим дією. Згодом він довів, що це випромінювання, назване інфрачервоним, підкоряється тим же законам, що і видиме світло.

Тільки в 1830 р з'явилися перші приймачі інфрачервоного випромінювання на основі принципу роботи термопари, які стали називати термоелементами. Поява в 1880 р терморезистивних матеріалів, тобто матеріалів, електричний опір яких змінюється в залежності від температури (болометри), дозволило істотно поліпшити чутливість приймачів інфрачервоного випромінювання.

У період 1870-1920 рр. прогрес техніки забезпечив розробку перших фотонних приймачів, заснованих на прямій взаємодії між фотонами випромінювання і електронами матеріалу приймача. Природа виявлення випромінювання тут інша - мова йде вже не про виникнення електричного сигналу у відповідь на тепловий вплив, а про безпосередньому перетворенні випромінювання в електричний сигнал. Ці приймачі, фоторезистори або фотодіоди, мають набагато більшу швидкодію і більш високу чутливість, ніж теплові приймачі.

У період 1930-1944 рр. були розроблені приймачі на основі сульфіду свинцю (PbS). Ці приймачі чутливі в спектральному діапазоні 1,5 ч3 мкм. У 1940-1950 рр. робочий спектральний діапазон був розширений на середню інфрачервону область (3 ч5 мкм), коли з'явився приймач з антимонида індію (InSb), а в 1960-х рр. почалося застосування в більш довгохвильовому діапазоні 8 ч14 мкм приймачів КРТ (кадмій - ртуть - телур (HgCdTe)). Приймачі цих типів потребують охолодження.

Фотонні приймачі завдяки високій чутливості і швидкодії дозволили розробити термографічні та тепловізійні системи, засновані на виявленні інфрачервоного випромінювання, що випускається тілами в інтервалі довжин хвиль 2ч15 мкм. 1.1.2 Фізичні принципи

Матерія безперервно випускає і поглинає електромагнітне випромінювання. Процес випромінювання пов'язаний з порушенням молекул усередині речовини, внаслідок чого виникають випромінювальні переходи електронів. Виділяється енергія несеться квазічастинками - квантами (фотонами) електромагнітного поля, що мають енергію W.

Звільнена у формі випромінювання енергія W характеризується довжиною хвилі л;

W = hc / л,

де h = 6,63 * 10-34Дж * с - постійна Планка, с = 3 * 108м / с - швидкість світла.

Довжина хвилі випускається випромінювання обернено пропорційна енергії, що виділилася при переході. Важливо відзначити в цьому зв'язку, що в інфрачервоній області порівняно з видимої довжини хвиль великі і енергія відповідно мала. Це зумовлює труднощі виявлення окремих фотонів інфрачервоного випромінювання.

Якщо в речовині відбуваються всі можливі переходи (теплове збудження молекул), то кожен атом випромінює певну енергію, а в сукупності енергетичні рівні приймають всі можливі значення; розподіл енергії по довжинах хвиль в такому випадку безперервне і спектр випускання випромінювання безперервний.

У деяких середовищах дозволеними виявляються тільки цілком певні переходи (квантовані переходи електрона всередині атома), випромінювання відбувається тоді на дискретних довжинах хвиль і спектр випускання випромінювання лінійчатий. Явище поглинання випромінювання речовиною є зворотним процесом і може бути більш-менш селективним на довжинах хвиль, притаманних розглянутої середовищі.

Спектр випромінювання довільно ділять на області за ознакою функціональних особливостей джерел або приймачів випромінювання. Ділянки електромагнітного спектра показані нижче в таблиці 1.1.

Таблиця 1.1. Спектр електромагнітного випромінювання

 Космічні промені Гамма-промені Рентгенівські промені УФ-випромінювання Інфрачервоне випромінювання Радіохвилі

 свч УКХ вч пч нч

 л 0,001? 0.1? 1? 10 ? 100 ? 0,1 мкм 1 мкм 10 мкм 100 мкм 0,1 см 1 см 10 см 1 м 10 м 100 м 1 км 10 км 100 км

 н, Гц

 3 * 10 21 3 * 10 19 3 * 10 18 3 * 10 17 3 * 10 16 3 * 10 15 3 * 10 14 3 * 10 13 3 * 10 12 3 * 10 10 3 * 10 8 3 * 10 6 3 * 10 Квітня

Інфрачервоний спектр відповідає області випромінювання речовини при температурах, що спостерігаються зазвичай на поверхні Землі. При цих температурах, званих звичайними, всі тіла мають помітне випромінювання. Об'єкт, який не повинен спостерігатися в інфрачервоній області, слід охолоджувати. Так, для зменшення в 100 разів випромінювання в околиці л = 4 мкм об'єкта з температурою + 20 ° С його слід охолодити приблизно на сотню градусів.

З урахуванням характеристик приймачів, що використовуються для виявлення випромінювання, інфрачервону область ділять на три великі ділянки - ближня інфрачервона область (довжини хвиль 0,75ч1,5 мкм), середня інфрачервона область (довжини хвиль 1,5ч20 мкм) і далека інфрачервона область (довжини хвиль 20ч1000 мкм).

Інфрачервоне випромінювання в ближній інфрачервоній області виявляється спеціальними фотографічними емульсіями (чутливими в області до л = 1 мкм), фотоелементами із зовнішнім фотоефектом, а також фоторезисторами і фотодіодами. У середній інфрачервоній області інфрачервоне випромінювання виявляється тепловими приймачами, фоторезисторами і фотодіодами. У далекій інфрачервоній області для виявлення випромінювання застосовуються в основному теплові приймачі.

Спектр випромінювання чорного тіла можна розрахувати відповідно до закону Планка:

dR (л, T) / dл = 2 рhc2л-5 / [exp (hc / лkT) - 1] Bт / м3

Тут dR (л, T) / dл - спектральна поверхнева щільність потоку випромінювання, тобто потужність випромінювання, що випускається одиницею поверхні чорного тіла в одиничному інтервалі довжин хвиль; h = 6,6256 * 10-34Дж * с, або Вт * С2 постійна Планка; к = 1,38054 * 10-23Дж / К - постійна Больцмана; с = 2,998 * 108м / с - швидкість світла; Т - абсолютна температура чорного тіла в Кельвіна.

Спектральна щільність потоку випромінювання чорного тіла залежить від довжини хвилі і від температури. Зручно представити закон Планка у формі сімейства кривих:

dR (л, T) / dл = Fт (л)

Крива спектрального розподілу величини dR (л, T) / d л при заданому значенні температури T проходить через максимум. Зсув максимуму у функції температури описується законом змішання Вина, який отримують дифференцированием закону Планка:

лмакс = 2898 / Т мкм,

dR (лмаксT) / dл = 1,286 * 10-15Т5Вт / см2 * мкм

де температура Т виражена в Кельвіна.

Отже, об'єкт при температурі навколишнього середовища Т = 290 К має максимум спектральної щільності потоку випромінювання при лмакс = 10 мкм, в той час як Сонце, ефективна (здається) температура якого ~ 6000 К, має максимум при лмакс = 0,5 мкм. Зауважимо, що рідкий азот (Т = 77К) має максимум при лмакс = 38 мкм.

Закон зміщення Віна наочно пояснює зсув у бік коротких хвиль максимуму (видимого або невидимого) випромінювання тіл по мірі їх нагрівання.

Закон, одержуваний інтегруванням закону Планка по л в межах від нуля до нескінченності називається законом Стефана - Больцмана. Він визначає інтегральну щільність (потужність) потоку випромінювання чорного тіла при температурі Т:

RT = уT4

у = 2р5k4 / 15c2h3 = 5,67 * 1012Вт / (см2 * К4) = 5,67 * 108Вт (м2 * К4) - постійна Стефана - Больцмана.

Рис. 1.1 Спектральний розподіл поверхневої густини потоку випромінювання різних джерел: 1 - Сонце, Т - 6000 К; 2 - випромінювання чорного тіла при температурі навколишнього середовища Т - 290 К; 3 - випромінювання чорного тіла при температурі Т = 77 К

Фізично RТпредставляет собою площу під кривою dR (л, T) / d л = fT (л).

Якщо закон планка проинтегрировать по діапазону довжин хвиль ла- лb, то ми отримаємо потужність випромінювання чорного тіла в цьому діапазоні при температурі Т:

де ла- нижня межа діапазону, лb- верхня межа.

Рис. 1.2. Поверхнева щільність потоку випромінювання в спектральної полосе1.1.3 Приймачі інфрачервоного випромінювання

Приймачі випромінювання є незамінними елементами інфрачервоних приладів і призначені для перетворення енергії оптичного випромінювання в електричну (або яку-небудь іншу) енергію, більш зручну для безпосереднього вимірювання.

За принципом дії приймачі ділять на дві великі групи: теплові та фотонні. Теплові приймачі засновані на зміні тих чи інших властивостей при зміні температури, що утворюється під впливом падаючого променистого потоку, незалежно від його спектрального складу. В фотонних приймачах має місце пряма взаємодія між падаючими фотонами та електронами матеріалу чутливого елемента.

Серед теплових приймачів останнім часом великого поширення набули мікроболометричних матриці з максимумом чутливості в діапазоні 8ч12 мкм. Принцип дії болометрів заснований на зміні електричного опору напівпровідника або металу при зміні температури, викликаному впливом падаючого променистого потоку. Мікроболометричних матриці не вимагають охолодження.

Серед фотонних приймачів поширені фоторезистори, принцип дії яких заснований на внутрішньому фотоефекті, що полягає в утворенні вільних електронів у твердому тілі і зміні його електропровідності при поглинанні квантів випромінювання. Розрізняють три групи фоторезисторов: плівкові, монокристалічні і леговані домішками. До першої групи відносять сірчистої-свинцеві (PbS), селенистий-свинцеві (PbSe) і телуристі-свинцеві (РbТе) фоторезистори. Другу групу складають фоторезистори з антимонида індію (lnSb) і теллурідов ртуті та кадмію (HgСdTe); третю групу - фоторезистори з германію (Ge), легованого різними домішками.

Рис. 1.3. Енергетичні зони в фоторезистори

У фоторезистори дискретні енергетичні рівні, які займають електрони, утворюють зони. Найвищу енергетичну зону, повністю заповнену електронами, називають валентної. Більш високу енергетичну зону, яка може бути і не заповненої електронами, називають зоною провідності. Провідність матеріалу визначається електронами, що знаходяться в зоні провідності. Відповідно до квантово-механічними умовами між валентною зоною і зоною провідності знаходиться заборонена енергетична зона.

Провідник характеризується частковим заповненням зони провідності; в ізоляторі заборонена енергетична зона настільки широка (3 еВ і більше), що енергія валентних електронів недостатня для їх переходу в зону провідності, тому в ній відсутні електрони (рис. 1.3 б). Полу провідник займає проміжне положення між провідником і ізолятором. У ньому ширина забороненої зони настільки мала (частки електронвольт), що навіть при кімнатній температурі енергія деяких валентних електронів достатня для їх переходу через заборонену зону в зону провідності (рис. 1.3 в). Стану, раніше зайняті цими електронами, називають дірками.

Під дією електричного або магнітного полів дірки можуть переміщатися аналогічно електронам, але в протилежному напрямку. Отже, в чистому напівпровіднику перехід електрона в зону провідності створює електронно-дірковий пару носіїв заряду, що підвищує провідність. Цей вид провідності називають власною провідністю. Падаючі на напівпровідник фотони віддають свою енергію валентним електронам, які переходять в зону провідності і утворюють електронно-діркові пари, що змінюють провідність напівпровідника (явище фото провідності).

Порогову довжину хвилі Л0, за якою енергія фотона недостатня дли створення електронно-діркової пари, називають довгохвильової кордоном і визначають наступним відношенням: Л0 = 1,24 / Езапр.мкм, де Езапр.- ширина забороненої зони, еВ.

Приймачі випромінювання з власною провідністю мають ширину забороненої зони при кімнатній температурі Езапр.?0,18 еВ, тому для них Л0 <7 мкм. При охолодженні ширина забороненої зони зменшується і довгохвильова границя приймача збільшується. Такий же ефект може бути отриманий введенням невеликих кількостей домішок інших чистих напівпровідників; цей процес називають легуванням, а отримані матеріали - домішковими напівпровідниками.

Якщо домішковий атом має меншу кількість валентних електронів ніж основний матеріал, то відсутні ковалентні зв'язки забезпечуються сусідніми атомами; в результаті цього виникають дірки у валентній області, які стають зарядоносітелямі і утворюють матеріал р-типу.

Домішки, що призводять до нестачі електронів, називають акцепторними, так як вони акцептують (забирають) електрони з основного матеріалу.

Якщо домішковий атом має більшу кількість валентних електронів, ніж основний матеріал, то він діє як донор електронів і в результаті утворюється матеріал n-типу. У всіх приймачах інфрачервоного випромінювання використовують матеріал р-типу.

Для отримання приймача, чутливого в довгохвильовій області, вибирають матеріал з вузькою забороненою зоною. Але чим вже заборонена зона, тим більше носіїв, збудження не фотонами, а термічним шляхом. У першому наближенні вважають, що фоторезистори, чутливі до випромінювання з довжиною хвилі до 3 мкм, не потребують охолодження; а діапазоні 3ч8 мкм необхідно помірне охолодження (до 77К), а для фоторезисторів, що працюють в діапазоні 8 ч14 мкм, необхідно глибоке охолодження (кілька кельвінів).

Фоторезистор підключають до джерела живлення послідовно з навантажувальним резистором. При опроміненні чутливої ??площадки змінюється її електричний опір; Пален напруги на навантажувальними резисторами являє собою робочий сигнал, який через ємнісний зв'язок подають в предусілітель.1.2 Особливості побудови тепловізійних систем контролю кризових ситуацій 1.2.1 Робочий діапазон температур

Тепловізійні системи контролю кризових ситуацій у мегаполісі призначені для спостереження панорами міської забудови, при коливаннях температури навколишнього середовища в межах від -40 до + 400С (233ч3130К). При цьому в зоні кризової ситуації температура, як правило, не перевищує температуру навколишнього середовища більше ніж на 2000С і не нижче її більш ніж на 500С. При цьому, в якій або зоні, коливання температури можуть бути і вище і нижче зазначених значень, але для визначення їх надзвичайного характеру такого запасу більш ніж достатньо. Так, наприклад, нагрівання стіни будівлі на 100С вище температури навколишнього середовища вже дає привід для вивчення ситуації в цій точці панорами. Тому чутливість каналу до різниці температур (температурний контраст) повинна бути не гірше 50С, тобто з дворазовим запасом на перешкоди, які накладаються атмосферою. З тих же міркувань для виявлення зон КС достатньо похибки вимірювання температури 50С.

Відповідно діапазон робочих температур для системи контролю кризових ситуацій в умовах мегаполісу від -50 до + 2400С (223ч5130К), максимальна спектральна щільність потоку випромінювання відповідає діапазону довжин хвиль лмакс? від 13 до 5,6 мкм.1.2.2 Просторова роздільна здатність

Виходячи з конфігурації АСДМ «Лідар», частиною якої є СП-2, діапазон дальності його дії становить 0,5ч12 км, цьому ж вимогу повинна відповідати і ТепСКО. При цьому тепловизионная система спостерігає панораму міської забудови, на якій необхідно виділяти зони або тіла з аномальною температурою, це можуть бути стіни будівель, викиди диму і пари, а також відкрите полум'я. Розміри таких об'єктів, як правило, не менше 20х20 м, однак можуть сильно відрізнятися в початковій і кінцевій стадії свого розвитку. Наприклад, у міру розгоряння пожежі збільшується його площа, а шлейф диму, що викидається може значно перевищувати за площею 50х50 м.

В умовах мегаполісу більшість віддалених будівель перекриті міською забудовою, тому КС на дальності 8 - 12 км, в більшості випадків, можливо зареєструвати лише за викидами нагрітих аерозолів. Виходячи з цього, системі, для впевненого виявлення КС, достатньо розрізняти на відстані 12 км об'єкти розміром 50х50 м, що відповідає миттєвому полю зору близько 4 мрад. Це дозволить розрізняти на 8 км об'єкти мінімальним розміром 25х25 м.

Тому в тепловізійному каналі СП-1 необхідно використовувати тепловізійну камеру з миттєвим полем зору <4 мрад.1.2.3 Особливості міської атмосфери. Вибір спектрального вікна роботи ІЧ-камери

У сучасному місті стан атмосфери далеко від ідеального як для проживання людини, так і для функціонування тепловізійних систем моніторингу КС \ НС. В результаті діяльності промислових підприємств повітряний басейн забруднений різними газами, також характерні серпанок, освіта туману, висока вологість. Коли випромінювання проходить через велику товщу атмосфери, проявляються смуги поглинання присутнього в атмосфері водяної пари. Ця складова атмосфери значною мірою визначає поглинання в інфрачервоній області. З інших газів найважливішим є вуглекислий газ, що поглинає дія якого слабкіше, ніж парів води.

Основні смуги поглинання водяної пари розташовані на ділянках 2,6 мкм, між 5,5 і 7,5 мкм і за межами 20 мкм; в цих смугах випромінювання поглинається практично повністю на довжині траси 100 м і більше. Слід відзначити дуже важливе для практичних застосувань обставина - існування певного числа прозорих ділянок, вікон прозорості, тобто областей, усередині яких поглинання дуже слабке. Ці вікна розташовані в наступних інтервалах довжин хвиль 0,4ч1,0 мкм, 1,2ч1,3 мкм, 1,5ч1,8 мкм, 2,1ч2,5 мкм, 3ч5 мкм, 8ч13 мкм.

Останнє вікно (8ч13 мкм), в якому хоч і зберігається слабке поглинання, має дуже велике значення, оскільки воно відповідає за довжинами хвиль максимуму теплового випромінювання тіл при навколишній температурі. Вікно 3ч5 мкм вигідно використовувати для виявлення більш нагрітих тіл або об'єктів, сильно випромінюють в цьому діапазоні (наприклад, у випадку випромінювання смуги вуглекислого газу - залишку практично всіх продуктів згоряння).

Рис. 1.4. Пропущення атмосфери на трасі 1,8 км, на рівні моря при товщині шару обложеної води 17 мм

Пропущення атмосфери залежить від довжини траси, а також від метеорологічних умов. Вимірювання та розрахунки спектрального коефіцієнта ослаблення випромінювання атмосферою дозволяють визначити найбільш сприятливі для проведення вимірювань спектральні області.

Якщо цей фактор досить слабо діє на дуже коротких дистанціях, то цього вже не можна сказати для відстаней в декілька сотень метрів, на яких атмосфера не тільки поглинає частину випромінювання, але і додає власне випромінювання на трасі. У загальному випадку дуже волога атмосфера надає більший вплив в діапазоні 8ч12 мкм, тоді як аерозолі та серпанок особливо несприятливі для діапазону 3ч5 мкм. Необхідно також відзначити дуже сильне поглинання вуглекислим газом в інтервалі довжин хвиль 4,2ч4,4 мкм.

Якщо на коротких дистанціях, вплив пропускання атмосфери мало (воно дуже гарне в обох діапазонах: і в 3ч5 мкм, і в 8ч12 мкм), то на великих дистанціях виграє діапазон 8ч12 мкм. Потужність испускаемого об'єктом випромінювання після проходження через атмосферу, оптику і фільтри повинна досягти приймача, маючи величину, що перевищує величину шуму. Отже, при низьких температурах на порозі виявлення в каналі 3ч5 мкм сигнал більш близький за величиною до шумів. Відношення сигналу до шуму в цьому каналі менше, ніж у каналі 8ч12 мкм.

Рис. 1.5 Спектральний пропускання атмосфери

Крім пропускання атмосфери важливим фактором є поверхнева щільність (потужність) випромінювання самого об'єкта, що спостерігається при різних температурах в даних спектральних діапазонах.

Таблиця 1.2. Поверхнева щільність потоку в спектральних смугах 3,5-5,5 і 8-14 при різних температурах

 л а

 мкм

 л b

 мкм

 Т = 280К

 [Вт / см 2]

 Т = 290К

 [Вт / см 2]

 Т = 300К

 [Вт / см 2]

 Т = 310К

 [Вт / см 2]

 Т = 750К

 [Вт / см 2]

 Т = 1000К

 [Вт / см 2]

 3.5 5,5

 5,36 - 10 -4

 7,73 - 10 -4

 1,09 - 10 -3

 1,50 - 10 -3

 5,68 - 10 -1 2,38

 14 серпня

 1,26 - 10 -2

 1,48 - 10 -2

 1,74 - 10 -2

 2,01 - 10 -2

 3,34 - 10 -1 6,05

Як видно з таблиці 1.2 в діапазоні довжин хвиль 8ч14 мкм потужність випромінювання, що випускається слабо нагрітими тілами, значно вище, ніж в діапазоні 3,5ч5,5 мкм.

Зазначені недоліки діапазону 3ч5 мкм частково компенсуються кращої обнаружительной здатністю. Це означає, що при однакових площах фоточутливого елемента і однакових електричних смугах пропускання приймачі 3ч5 мкм чутливі до більш слабких сигналів, ніж приймачі 8ч12 мкм.

Також необхідно врахувати вплив теплового контрасту, що характеризує диференціальну чутливість вимірювань.

Криві зміни теплового контрасту для спектральних інтервалів 3ч 5 і 8ч14 мкм показують, що для даного перепаду температур ?T = Т0- Tfв околиці певної навколишньої температури теплові контрасти зображення в інтервалі довжин хвиль 3,5ч5,5 мкм перевершують теплові контрасти в інтервалі довжин хвиль 8ч14 мкм.

Рис. 1.6 Теплові контрасти спектральної Рис. 1.7 Теплові контрасти спектральної області області ?л = 3,5ч5,5 мкм ?л = 8год 14 мкмДля системи тепловізійного моніторингу КС можливе використання як діапазону 3ч5 мкм, так і діапазону 8ч12 мкм. Діапазон 3ч5 мкм дозволяє спостерігати слабоконтрастні об'єкти, що необхідно при веденні моніторингу, також крім кращого температурного контрасту, на цей діапазон доводиться максимум спектру випромінювання факела полум'я і більшості будівельних матеріалів. А діапазон 8ч12 мкм вигідніший на довгих дистанціях і відповідає наблюдаемому діапазону температур. Тому оптимальним рішенням для завдань моніторингу є використання двох діапазонів одночасно, що дозволить поєднати їх переваги і згладити недоліки. 1.3. Стан ринку тепловізійних камер 1.4 Тепловізійні системи контролю КС

На сьогоднішній день в Росії не існує систем тепловізійного контролю КС за винятком ТепСКО СП-1 АСДМ «Лідар». Представлені на ринку системи призначені для охоронної, пошуково-рятувальної діяльності, медичної діагностики, а також потреб промисловості і мало підходять для моніторингу КС.

В даний час в системі «АСДМ-Лідар» в тепловізійному каналі СП-1 використовується тепловізор «Скат». Поле зору об'єктива тепловізора «Скат» одно 18х14 кут. град., причому конструкція тепловізора дозволяє використовувати об'єктиви з меншим полем зору для забезпечення надійного виявлення КС (на граничних відстанях), що супроводжуються тепловими викидами. Тепловізор «Скат» працює в діапазоні 8?13 мкм, має роздільну здатність 320х240 пікселів, не вимагає охолодження рідким азотом. Інтерфейс зв'язку з комп'ютером RS-485. Для виведення зображення в телевізійному стандарті використовується цифро-аналоговий перетворювач, встановлений між системним блоком комп'ютера і його монітором.

Тепловізор встановлений на опорно-поворотний пристрій, що дозволяє направляти його на потрібний сектор панорами. Поле зору тепловізора збігається з полем Візир камери.

Система функціонує з 2007 р по нинішній день і в ході реальної експлуатації показала придатність тепловізора «Скат» для моніторингу КС. Частота кадрів 25 Гц дозволяє вести моніторинг у реальному часі.

ТепСКО СП-1 при хороших погодних умовах забезпечує видимість до 12 км (Останкінська телевежа на рис. 1.8). Для СП-1 існують два штатних тест-об'єкта: будівля заводу «Фрезер» знаходиться на відстані 800 м від поста і будівля НДІ «Оріон» на відстані 2 км. Тепловізійний канал СП-1 дає можливість отримувати контрастне зображення димів на тлі міської забудови і неба.

Рис. 1.8 Останкіно, Скат. МДВ -13 км, температура 10С, вологість 75%

Рис. 1.9 Тест-об'єкт «Оріон», Скат. МДВ -13 км, температура 110С, вологість 60%

Рис. 1.10 Тест-об'єкт «Фрезер», Скат. МДВ -14 км, температура 130С, вологість 50%

Рис. 1.11 Дим на тлі неба, Скат. МДВ -10 км, температура-50С, вологість 83% 1.5 Постановка завдання

Тепловізійна система кругового огляду (ТепСКО) СП-1

 Найменування параметра

 Значення

 Гранична дальність виявлення АТВ, що мають розміри не менше 50 х 50 м:

 - При МДВ> 15 км, км - в тумані при МДВ <15 км, км

 Діапазон робочих ІК хвиль, мкм

 Поле зору тепловізійної камери:

 - По азимуту

 - По куту місця

 Миттєве поле зору, мрад.

 Діапазон кутів наведення тепловізійної камери (забезпечується приводами ОСН):

 - По азимуту

 - По куту місця

 Температурний контраст, 0 С

 Умови роботи тепловізора:

 - Діапазон температур, 0 С

 - Вологість,%

 ? 10

 уточнюють при дослідної експлуатації СП-1

 3ч5 або 8ч12

 ? 10-11 0

 ? 10-11 0

 <4

 від 0 до ? 360 0

 ± 15 0

 <5

 відкрита атмосфера

 -40 Год +40

 до 100

Постановка завдання

Згідно з технічним завданням розробити тепловізійний канал аналізу КС / НС для стаціонарного поста СП-1 АСДМ «Лідар».

Тепловізійний канал повинен включати в себе:

- Тепловізійну камеру, що має вікно спектральної чутливості в діапазоні 3ч5 мкм або 8ч12 мкм;

- Скануючий пристрій;

- Персональний комп'ютер на робочому місці оператора зі спеціальним програмним забезпеченням.

При розробці необхідно врахувати можливість модернізації системи із заміною окремих вузлів або без такої. А також проаналізувати можливість доопрацювання системи до повністю автоматичною. Тобто можливість введення зображення в програму «Alarm» для автоматичного розпізнавання зон КС.

2. Розробка оптико-електронної схеми тепловізійного каналу

У цій главі виробляється обгрунтований вибір тепловізійної камери, а також розробка оптико-електронної схеми каналу на основі вибраної камери. Наведено опис застосовуваних рішень і пристроїв.

тепловізійний камера моніторінг2.1 Тепловізійні системи контролю КС

На сьогоднішній день в Росії не існує систем тепловізійного контролю КС за винятком ТепСКО СП-1 АСДМ «Лідар», розвитком якої є розроблюваний ТепСКО СП-2. Представлені на ринку системи призначені для охоронної, пошуково-рятувальної діяльності, медичної діагностики, а також потреб промисловості і мало підходять для моніторингу КС.

Для тепловізійного каналу СП-1 необхідно вибрати тепловізійну камеру, що задовольняє поставленим умовам. На даний момент найбільш придатними для завдань моніторингу є:

· Тепловизор «ІРТІС-200»;

· Тепловизор «Скат» .2.2 Тепловизор «ІРТІС-2000» Опис роботи і функцій тепловізора «ІРТІС-2000»

Придатним для використання в тепловізійному каналі СП-1 є тепловізор ІРТІС-2000, що має електромеханічну розгортку з періодом оновлення інформації 1,5 сек., Що накладає суттєві обмеження на швидкодію автоматизованої системи виявлення НС в ІК діапазоні. Поле зору об'єктива тепловізора ІРТІС-2000 одно 20х20 кут. град., причому конструкція тепловізора не дозволяє використовувати об'єктиви з меншим полем зору для забезпечення надійного виявлення КС (на граничних відстанях), що супроводжуються тепловими викидами. Тепловізор ІРТІС-2000 працює в діапазоні 3?5 мкм, має дозвіл 256х256 точок, вимагає охолодження рідким азотом. Інтерфейс зв'язку з комп'ютером RS-485. Для виведення зображення в телевізійному стандарті використовується цифро-аналоговий перетворювач, встановлений між системним блоком комп'ютера і його монітором.

Тепловізор встановлений на опорно-поворотний пристрій, що дозволяє направляти його на потрібний сектор панорами. Поле зору тепловізора збігається з полем Візир камери. Для захисту від зовнішнього середовища тепловизионная камера встановлена ??в гермобокс, в якому, за рахунок обігріву та вентиляції, підтримуються оптимальні для її роботи кліматичні умови.

Система в ході реальної експлуатації показала придатність тепловізора ІРТІС-200 для моніторингу КС. Так часу формування кадру 1,5 с. виявилося цілком достатньо для спостереження за реальними КС, однієї заправки рідким азотом вистачає на строк до 6 годин безперервної роботи.

Тепловізор «ІРТІС-2000» представляє собою прецизійний оптико-механічний скануючий інфрачервоний прилад для візуалізації та вимірювання теплових полів.

Принцип роботи «ІРТІС-2000» заснований на скануванні випромінювання в полі зору камери оптико-механічним сканером з одноелементна високочутливим ІЧ-приймачем (рисунок 2.1). При цій схемі здатність 320х240 відповідає 240 рядках, в кожній з яких, зчитування сигналу з ІЧ-приймача проводиться 320 разів. Сканування по вертикалі забезпечує дзеркало 1, а по горизонталі дзеркало 2. Крім цього дзеркало 1 видає імпульс початку кадру, а дзеркало 2 початку рядка. Випромінювання, що пройшло через дзеркальний сканер, фокусується об'єктивом на фотоприймач. Об'єктив камери може бути сфокусований на різні відстані, для чого на правій стороні корпусу тепловізора, мається регулювальна ручка (рисунок 2.2).

Вхідний ілюмінатор тепловізійної камери виготовлений з тонкої плівки прозорою для ІК-випромінювання, проте має низьку стійкість до механічних впливів.

У тепловізійної камері встановлений фотоприймач з антимонида індію (InSb) з максимумом спектральної чутливості в діапазоні довжин хвиль 3ч5 мкм, який для роботи вимагає охолодження до 720К. Охолодження забезпечується заливкою рідкого азоту в кріостат, до якого і прикріплений фотоприймач. Згідно з даними виробника однієї заливки кріостату рідким азотом вистачає більш ніж на 5 годин роботи.

Рис. 2.1 Схема роботи тепловізора «ІРТІС-2000»

Рис. 2.2 Загальний вигляд тепловізора «ІРТІС» в процесі установки в гермобокс

Аналоговий сигнал від надходить від ІЧ-приймача, а також задають імпульси від дзеркал, мультиплексируются і перетвориться АЦП в цифровий сигнал. Далі сигнал передається мережевим контролером на комп'ютер, де програма «ScanIR» формує на екрані відео зображення, відповідне тепловому полю в фокальній площині об'єктива. Тепловізор «ІРТІС-2000» використовує для зв'язку з комп'ютером інтерфейс Ethernet 10BST, аналогових відеовиходів тепловізор не має. Тепловізійну камеру підключають до комп'ютера стандартним мережевим кабелем UTP 5kat. Відповідно обов'язкова вимога до комп'ютера для роботи з камерою - наявність мережевої карти підтримуючої даний інтерфейс.

Стандартно тепловізор «ІРТІС-2000» живиться від літієвої батареї, уніфікованого з побутовими відеокамерами, напругою 6 вольт. Для підключення акумулятора на задній стінці камери знаходиться спеціальне кріплення.

Рис. 2.3 Ручка фокусування

Програма «ScanIR» виробляє обробку отриманого від тепловізійної камери цифрового сигналу і виробляє його візуалізацію на моніторі комп'ютера. Крім цього вона містить програмний драйвер для встановлення з'єднання з камерою і керування швидкістю сканування (формування кадру). «ScanIR» дозволяє змінювати параметри візуалізації відображуваного тепловізійного зображення, для поліпшення його інформативності.

Весь набір функцій «ІРТІС-2000» закладений в його програмно-математичному обеспеченіі.Функціональная схема каналу

Для захисту від впливів зовнішнього середовища тепловизионная камера «ІРТІС-2000» повинна бути поміщена гермобокс. Можливість сканування різних секторів панорами забезпечується установкою гермобокс з тепловізором всередині на опорну поворотну площадку ОСН СП-1. Харчування, 6 вольт постійного струму, тепловізійної камери забезпечує блок встановлений на СП-1 у складі блоку живлення СП-1. Для підведення живлення до камери використовується перехідник, виготовлений з акумулятора від побутової відеокамери. Управління харчуванням тепловізійної камери здійснюється з ПЕОМ ВУК СП-1.

Тепловізійна камера з'єднана з процесорним блоком тепловізора допомогою мережевого кабелю UTP kat.5, в якому встановлена ??мережева карта, що підтримує інтерфейс Ethernet 10BST.

Для зв'язку з тепловізором і обробки надходить від нього інформації в процесорний блок встановлено ПМО входять у комплект «ІРТІС-2000» - програма «ScanIR». Ця програма забезпечує візуалізацію і запис тепловізійних кадрів.

Для введення тепловізійного зображення в програму «Alarm» необхідний аналоговий сигнал в PAL форматі, що обумовлено технічним рішенням, застосованим в СП-1. Для введення сигналу від камер СП-1 використовується карта FS5 фірми Flystreem що має 16 аналогових входів і здійснює в режимі виявлення КС послідовне перемикання між ними (мультиплексування). Сигнал з карти FS5 надходить на чорно-білу карту RT-822, яка виробляє його оцифровку і передачу в програму «Alarm». Карта FS5 не має цифрового входу.

Висновок тепловізійного зображення в PAL форматі для відображення на TV моніторі, а також введення в програму «Alarm» для автоматичного виявлення КС, проводиться з відеокарти «ASUS V9520» встановленої в процесорний блок тепловізора та обладнаній спеціальним відеовиходом. Вибір відеокарти «ASUS V9520» зумовлений високою швидкодією застосованого процесора фірми Nvidia і високою якістю цифро-аналогового перетворювача. Що забезпечує мінімальні втрати в якості одержуваного TV сигналу.

Програма «ScanIR» була доопрацьована виробником для відображення тільки тепловізійного зображення без полів налаштування і шкали температур.

Функціональна схема тепловізійного каналу СП-1 представленна на малюнку 2.4.

Рис. 2.4 Функціональна схема тепловізійного каналу СП-1

Поле зору тепловізійної камери збігається з полем зору візира камери СП-1 (при відповідній установці трансфокатора останньої), що полегшує наведення на заданий сектор панорами. Це досягається за рахунок загального угломестной приводу, і установкою обох камер на ОСН. Крім того, для більш точного поєднання, кронштейни обох камер мають можливість змінювати своє положення щодо системи приводів.

Гермобокс тепловізійної камери являє собою ізольовану камеру з ілюмінатором, з тонкого плівкового матеріалу, прозорого для ІК-хвиль в діапазоні 3ч5 мкм. У гермобокс для підтримки мікроклімату знаходиться система клімат-контролю включає: температурний датчик, осушувач, вентилятор продувки внутрішнього простору, а також нагрівальний елемент. Регулювання мікроклімату проводиться автоматично, в результаті чого всередині обсягу підтримуються температура і вологість, передбачені режимом нормального функціонування тепловізійної камери, відповідно до паспорта тепловізора. Конструкція гермобокс забезпечує підведення живлення і кабелю до тепловізійної камері без порушення герметічності.Программно-математичне забезпечення «ІРТІС-2000»

Програмний пакет IRTIS розроблений для ефективного функціонування системи в польових і лабораторних умовах.

Включений в стандартний комплект поставки приладу і є невід'ємною частиною тепловізійної камери «ІРТІС-2000» програмний пакет забезпечує відображення, аналіз, обробку, перегляд і роздруківку кадрів. Основна програма пакета - ScanIR, також в пакет входить програма для обробки термограмм, побудови термопрофілей і полегшення підготовки термографічних звітів - IRPreview. Пакет розроблений для ОС Windows 95/98 / NT / 2000 / XP.

За бажанням користувача розробниками ПМО до програм можуть бути додані додаткові функції, необхідні для більш ефективного функціонування системи відповідно до конкретного її застосуванням.

Програмний пакет дозволяє записувати динамічний термографічний фільм, вимірювати абсолютне значення температури в будь-якій точці чи області термоізображенія, конвертувати термограмми і дані, отримані в ході обробки в стандартні формати для подальшого використання в іншому ПЗ.

ПМО тепловізора «ІРТІС-2000» підтримує великий набір сервісних функцій, таких як:

- Висновок максимальної, мінімальної та середньої температур в поле кадру;

- Зупинка кадру для попереднього аналізу;

- Запис динамічного термографічного фільму;

- Запис окремих термограмм;

- Вимірювання температур;

- Автонастройка динамічного діапазону;

- Вибір різних палітр і ізотерм;

- Покадровое підсумовування;

- Згладжування (smoothing);

- Збільшення різкості (sharpening);

- Контрастування (contrasting);

- Кадрування (cutting);

- Обертання (rotation);

- Колірна корекція (color correction);

- Конвертація у формат PCX і BMP.

Програма «ScanIR» необхідна для функціонування тепловізора «ІРТІС-2000», без неї неможлива візуалізація переданого тепловізійної камерою зображення. «ScanIR» включає в себе програмний драйвер тепловізійної камери і набір інструментів для зміни параметрів візуалізації зображення.

Для установки «ScanIR» необхідно скопіювати папку з програмою і додатковими файлами з компакт-диска додається до тепловізора на жорсткий диск комп'ютера. Для запуску програми необхідно запустити ScanIR.exe.

Мінімальні вимоги до комп'ютера:

- Комп'ютер - Pentium - 200 MMX;

- Жорсткий диск - HDD 2 Gb;

- Оперативна пам'ять - 64 Mb;

- Операційна система - Windows 95/98/2000 / XP.

Для установки з'єднання між тепловізором і комп'ютером необхідно провести налаштування мережевої карти. Потрібно у властивостях протоколу TCP / IP вказати:

- IP-адреса: 192.168.0.1 (останнє значення може варіюватися від 1 до 255 крім 32);

- Маску підмережі: 255.255.255.0;

- Підтвердити зазначені зміни;

- Перезавантажити комп'ютер.

- Запустити «ScanIR».

- Встановити з'єднання натиснувши F5.

У програмі «ScanIR» широко використовуються «гарячі» клавіші, з їх допомогою досягається необхідна оперативність доступу до функцій, закладеним у програмі.

«ScanIR» підтримує 8 палітр фальшивих кольорів перемикання, між якими здійснюється прямо під час сканування, а також можливо і з уже збереженим кадром. Також існує режим інверсії палітри включається натисканням клавіші 9.

Натисканням клавіші F1 включається режим «тільки тепловізійне зображення», використовуваний при введенні зображення в програму «Alarm».

Для поліпшення інформативності кадрів можливі наступні дії:

- Зміна діапазону відображаються температур;

- Автоподстройка діапазону відображаються температур під кожен кадр (F8);

- Зрушення палітри щодо шкали температур;

- Оконтуривание зображень (натисканням сполучення клавіш Alt + F3);

- Згладжування зображення (F3);

- Нерезкое маскування (F4);

- Зміна швидкості сканування (Alt + 1,2,3,0)

Програма дає можливість записати послідовність тепловізійних кадрів у вигляді фільму (Alt + F), що дозволяє відстежувати динаміку розвитку подій при КС.2.3 Тепловизор «Скат» Опис роботи та функції тепловізора «Скат»

Тепловізор «Скат» являє собою оптичний інфрачервоний прилад, призначений для виявлення та візуалізації теплових полів.

Приймач теплового випромінювання в тепловізорі являє собою неохолоджувану мікроболометричних матрицю на основі піроелектріка. Піроелектріки (від грец. Pyr - вогонь) - кристалічні діелектрики, що володіють спонтанною (мимовільної) поляризацією, тобто поляризацією у відсутності зовнішніх впливів. Зазвичай спонтанна поляризація піроелектриків не помітна, оскільки електричне поле, створюване нею, компенсується полем вільних електричних зарядів, які «натекает» на поверхню з його об'єму і з навколишнього повітря. При зміні температури величина спонтанної поляризації змінюється, що викликає появу електричного поля, яке можна спостерігати, поки вільні заряди не встигнуть його компенсувати. Це явище називається піроелектричні ефектом або Піроелектрика.

Типові представники піроелектриків: турмалін, трігліцінсульфіт, титанат барію, титанат свинцю, сегнетоелектрічеськие цирконат свинцю, сополімери вініліденфториду (PVDF), моногідрат сульфат літію.

Дія піроелектріка в тепловізорі засноване на реєстрації електричних сигналів, що виникають в кристалі при зміні його температури під дією випромінювання.

Приймач випромінювання має максимум спектральної чутливості в діапазоні довжин хвиль 8ч13 мкм. Подібні мікроболометричних матриці дуже перспективні, оскільки є неохолоджуваними і не вимагають заливки рідкого азоту.

Об'єктив тепловізора з фокусною відстанню F = 50 мм виготовлений з германію, матеріалу, прозорого для теплового випромінювання в діапазоні 8ч13 мкм.

Тепловізор «Скат» має клас захисту корпусу від зовнішніх впливів IP65, що характеризує його як прилад з пилонепроникної конструкцією, захищеною від попадання водяних струменів. Таким чином, тепловізор є всепогодним.

Тепловізор має високостабільну електронну розгортку («жорсткий растр»), частоту кадрової розгортки 25 Гц, що забезпечує швидке оновлення теплової інформації, а, отже, і високу швидкодію тепловізійної системи виявлення аномальних теплових викидів. Відсутність електромеханічної системи розгортки і необхідності охолодження приймальні матриці забезпечує високу надійність і великий (не менше 10 000 годин) термін служби, що робить тепловізор «Скат» ідеальним для використання в системі моніторингу.

Крім цього основного переваги, «Скат» має велику кількість сервісних можливостей, таких як: автоматична корекція температурного діапазону, високу температурну чутливість, високу швидкість обробки теплової інформації. Є можливість виведення інформації як на аналоговий телевізійний монітор, так і введення інформації в ПК по високошвидкісний цифровий лінії передачі.

Загальний вигляд тепловізора «Скат» та вид встановленого на ОСН тепловізора показані на малюнках 2.6 і 2.7 відповідно.

Рис. 2.7. Загальний вигляд тепловізора «Скат»

Рис. 2.8. Тепловізор «Скат», встановлений на ОСН СП-1 разом з візиром камерою Програмно-математичне забезпечення

ПМО, що застосовується для обробки інформації з тепловізора «Скат», відрізняється від ПМО для тепловізора «ІРТІС». Справа в тому, що термограмми, отримані Термограф «ІРТІС» і оброблювані програмою ScanIR, спочатку несуть в собі інформацію про температуру об'єкта, що спостерігається, і програма може вимірювати значення абсолютної температури при обробці термограмм. До того ж візуалізація тепловізійного зображення з «ІРТІС» неможлива без самої програми ScanIR.

Тепловізійні зображення «Ската» знімаються безпосередньо в програмі «Alarm», вихідний формат зображення - .jpeg. Даний формат не несе в собі інформації про температуру об'єкта, але отримувані чорно-білі зображення є візуалізацією інтенсивності теплового випромінювання об'єкта, що спостерігається.

Для обробки інформації тепловізійних зображень з тепловізора «Скат» на СП-1 використовується програма MIM Visualizer 1.0. Програма підтримує великий набір сервісних функцій:

- Перегляд зображень форматов.bmp и.jpg;

- Побудова перетинів (профілів інтенсивності) зображення по вертикалі, горизонталі та в будь-якому напрямку в межах кадру;

- Висновок розподілу інтенсивності в тривимірному вигляді;

- Налаштування шкали інтенсивності зображення;

- Побудова гістограми зображення;

- Перегляд зображення в чорно-білій та кольоровій палітрі;

- Настройка різкості та розмиття зображення;

- Операції додавання і віднімання між декількома зображеннями;

- Інвертування зображення.

- Вимірювання відстані між двома точками (в пікселях) Опис програми MIM Visualizer

Для установки програми MIM Visualizer необхідно скопіювати папку з програмою на жорсткий диск комп'ютера. Для запуску програми необхідно запустити файл mimvis.exe. При появі повідомлення про необхідність введення серійного номера програми потрібно відкрити файл serial.txt, що знаходиться в папці з програмою, і скопіювати серійний номер.

MIM Visualizer відображає інтенсивність тепловізійного зображення і включає в себе набір інструментів для зміни параметрів візуалізації зображення.

MIM Visualizer підтримує дві палітри фальшивих кольорів - в градаціях сірого і багатобарвна, перемикання між якими здійснюється за вже збереженим кадром.

Основне вікно програми MIM Visualizer представлено на рис. 2.8.

Панель управління детально представлена ??на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Основне вікно програми MIM Visualizer (включена багатобарвна палітра)

Рис. 2.10. Панель управління

1. Багатобарвне відображення.

2. Відображення в градаціях сірого.

3. Тривимірна модель зображення.

4. Виділення колонки (перетин по вертикалі).

5. Виділення горизонтальної лінії.

6. Виділення довільного перетину.

7. Вимірювання відстані між двома точками (в пікселях).

8. Виділення області.

9. Інвертувати поточне зображення.

10. Повернути поточне зображення на 180 градусів.

11. Повернути поточне зображення на 90 градусів за годинниковою стрілкою.

12. Повернути поточне зображення на 90 градусів проти годинникової стрілки.

13. Повернути поточне зображення на довільний кут.

14. Дзеркально відобразити поточне зображення по горизонталі.

15. Дзеркально відобразити поточне зображення по вертикалі.

16. Підвищити різкість у виділеній області або на всьому зображенні.

17. Застосувати розмиття до виділеної області або на всьому зображенні.

18. Побудова гістограми для виділеної області або на всьому зображенні.

Приклад тепловізійного зображення і побудови його термопрофілю (перетину) за допомогою програми MIM Visualizer показаний на рис. 2.11:

Рис. 2.11. Тепловізійне зображення штатного тест-об'єкта СП-1 (ТЕЦ-8) і термопрофілю, отриманого проведенням перетину по горизонталі. Включена палітра градацій сірого

Слід зазначити, що в програмі є деяка кількість інших функцій, які не мають практичного значення при обробці тепловізійних зображень «Ската». Але одна з функцій має велике значення. Ця функція дозволяє віднімати одне зображення з іншого і в результаті виводити тепловізійну картинку, що представляє собою різницю між початковими двома зображеннями. Різниця виражається в зміні інтенсивності температурної картинки з плином часу і дозволяє спостерігати за зміною температури спостережуваного об'єкта.

На малюнку 2.12 представлені дві термограмми, які передбачається відняти один з одного для виявлення температурної різниці між ними. На термограммах зображений штатний тест-об'єкт СП-1 ТЕЦ-11. Термограмми зняті з інтервалом в 15 секунд.

Рис. 2.12. Приклади термограмм для обробки в програмі MIM Visualizer.

Для операції віднімання в програмі повинні бути відкриті два зображення. Активним має бути віконце з тим зображенням, з якого передбачається відняти друге зображення (рис. 2.13):

Рис. 2.13. Вид основного вікна MIM Visualizer з відкритими термограммами

Далі необхідно виконати команду меню Зображення / Операції / Відняти ... Або клікнути на активному зображенні правою кнопкою миші, далі команди Операції / Відняти ... З'явиться віконце наступного виду (рис. 2.14):

Рис. 2.15. Віконце віднімання зображень

Під графою «Зображення» відображається список зображень, які передбачається відняти з вихідного. Оскільки зображення в списку тільки одне, тиснемо OK.

Виходить тепловізійне зображення, що є різницею в розподілі температур між двома зображеннями (рис. 2.16):

Рис. 2.16. Результат застосування функції «Віднімання»

Отримане зображення показує, що навколишні об'єкти не поміняли температурної інтенсивності, але помітна різниця у відображенні піднімаються теплових потоків з труб ТЕЦ-11. При обробці термограмм, знятих з великим інтервалом часу (близько години або двох), результат віднімання буде більш помітний, в тому числі і на оточуючих будівлях, оскільки температурна інтенсивність за більш довгий час може ізменіться.2.4 Порівняльний аналіз тепловізорів «ІРТІС» і «Скат »

Був проведений порівняльний аналіз двох тепловізорів - «ІРТІС» і «Скат», проаналізовано їх властивості, функції, принципи роботи. У ході експериментів були виявлені явні переваги і недоліки кожного приладу.

«ІРТІС-2000» працює в діапазоні 3ч5 мкм, що дозволяє спостерігати слабоконтрастні об'єкти, і на цей діапазон доводиться максимум спектру випромінювання факелів полум'я. ПМО до тепловізор дозволяє вимірювати значення абсолютної температури, будувати термопрофілі обраної області термограмми, конвертувати термограмми у формати, придатні для обробки в іншому ПЗ. Крім того, даний термограф є повністю Російської розробкою.

З недоліків тепловізора ІРТІС найбільш суттєвими виявилися необхідність постійної заливки рідкого азоту для охолодження приймача випромінювання і обмеження безперервної роботи тепловізора. Час формування кадру 1,5 с, що накладає суттєві обмеження на безперервний моніторинг. Тепловізор для захисту від зовнішніх впливів (вулиця) необхідно встановлювати в спеціально виготовлений термобокс. Експеримент з тепловізором проводився близько року, дані недоліки показали, що «ІРТІС-2000» не цілком придатний для безперервного цілодобового моніторингу КС. Подальші експерименти з ним не проводилися.

Переваги тепловізора «Скат»: неохолоджуваному мікроболометричних матриця не вимагає заливки рідким азотом; частота розгортки кадрів 25 Гц забезпечує більш високу швидкодію тепловізійного каналу; висока надійність і час безперервної роботи більше 10000 годин. Діапазон 8ч13 мкм виграє на великих дистанціях, оскільки відношення сигналу до шуму в зображеннях слабо нагрітих тіл вище, ніж при діапазоні 3ч5 мкм. Програма MIM Visualizer, якою обробляються термограмми «Ската», має безліч корисних функцій, таких як наявність двох палітр відображення термограмм, відображення інтенсивності температурної картини на теплоізображеніі; побудова термопрофілю (перетину) зображення будь-якої довжини та напрямки в межах кадру; функція віднімання одного кадру з іншого, що дозволяє спостерігати зміну температурної інтенсивності з плином часу.

З недоліків тепловізора «Скат» можна виділити посередню якість термограм при надто вологому атмосфері; при однакових площах фоточутливого елемента і однакових електричних смугах пропускання приймачі 3ч5 мкм чутливі до більш слабких сигналів, ніж приймачі 8ч12 мкм. Також слід виділити темний ореол навколо сильно нагрітих об'єктів, що виникає через неточної налаштування апертурной діафрагми тепловізора.

У ході експериментальної експлуатації тепловізор «Скат» показав себе з дуже хорошого боку. Стабільна робота, висока частота кадрів, захищеність приладу від дощу і вітру показали відмінну придатність «Ската» для цілодобового моніторингу КС. Подальші експерименти на СП-1 проводилися з тепловізором «Скат».

3. Експериментальна відпрацювання можливостей тепловізора «Скат»

У цьому розділі наводяться результати експериментального відпрацювання можливостей тепловізора «Скат» за допомогою програми побудови інтенсивності теплового зображення MIM Visualizer. Наводяться приклади побудови термопрофілей зображень з метою демонстрації можливостей тепловізора та програми MIM Visualizer. Наводяться приклади термограмм різних об'єктів, цікавих з точки зору моніторингу та поставлених завдань, таких як: виявлення аномально нагрітих об'єктів і теплових вулканів, виявлення вогнищ загоряння, яких не видно неозброєним оком, спостереження теплового контрасту зображень при різній метеорологічної дальності видимості (МДВ), виявлення вогнищ загоряння і пожеж (КС, НС) .3.1 Побудова та аналіз термопрофілей зображення

Термопрофіль зображення дозволяє отримати картинку інтенсивності теплового випромінювання об'єкта, що спостерігається. Також він дозволяє проаналізувати тепловізійне зображення на предмет шумів і слабоконтрастних областей, що можуть бути цікавими.

На малюнках 3.1 і 3.2 представлені термограмми, на яких зображений штатний тест-об'єкт СП-1 - будівля заводу «Фрезер» і проведені через його зображення перерізу по горизонталі і вертикалі. Ця будівля відіграє для СП-1 роль натуральної тепловізійної світи, за якою визначається роздільна здатність тепловізора. Судячи з отриманих зображень термопрофілей, тепловізор в змозі розрізнити сітку вікон будівлі і побудувати її контрастну картину.

На термограммах позначені початок (1) і кінець (2) лінії перетину. На термопрофілях лінія перетину за замовчуванням йде тільки зліва направо. Далі по тексту третього розділу зберігаються такі ж налаштування програми.

Рис. 3.1. Термограмма «Фрезера» і термопрофіль, проведений

На малюнку 3.3 представлена ??термограмма із зображенням ще одного штатного тест-об'єкта - ТЕЦ-11 з проведеним перетином через все зображення по горизонталі. Віконце термопрофілю розтягнуто відповідно із зображенням. Згідно з отриманою картинці, програма відмінно розпізнає контрастні профілі труб (два високих піку в центрі термопрофілю), а також менш контрастні профілі теплових потоків, що піднімаються з труб (1 і 2).

Перетин 2 проведено через ділянку неба, близьке до горизонту, при цьому воно зачіпає слабоконтрастних шлейф від труби котельні, розташованої від СП-1 приблизно в 5 км. На термопрофілей 2 видно ясно виразний пік, утворений більшою температурною інтенсивністю цього шлейфу. Пік позначений на термопрофілей буквою S. Програма дозволяє виявляти на термограммах слабоконтрастні об'єкти.

3.2 Виявлення аномально нагрітих об'єктів

Виявлення аномально нагрітих об'єктів - одне з основних завдань моніторингу СП-1 системи АСДМ «Лідар». Аномально нагріті об'єкти характеризуються високим температурним контрастом на термограмме по відношенню до оточуючих об'єктам. Дані термограмми дозволяють судити про якусь нештатної ситуації на об'єкті спостереження. У ряді випадків аналіз зображень відразу після зйомки дозволяє судити про аномальний тепловому викиді або про нинішньому пожежу.

У цій частині глави представлені серії із зображень Візир телевізійної камери і тепловізора «Скат» в однаковому ракурсі. Зображення зняті з інтервалом у кілька секунд, щоб зображення як можна більш відповідали один одному.

На тепловізійної зображенні видно сильно нагріті трансформатори на даху електропоїзда, а також нагріті від тертя колісні пари вагонів. По даній картинці можна судити, що електропоїзд знаходиться в русі досить довгий час. Якщо поїзд зовсім недавно вийшов з депо, колісні пари не встигають достатньо нагрітися, і на тепловізорі їх контрастного зображення видно не буде.

На території розташований невеликий бункер, де практично постійно спалюють сміття. На зображенні він обведений білим прямокутником.

На тепловізійному зображенні, знятому секундою пізніше в тому ж ракурсі, на місці бункера видно різко контрастує з навколишніми предметами яскрава пляма, що позначає джерело сильного нагріву. Завдяки таким зображенням, можна з високим ступенем достовірності виявляти джерела відкритого вогню.

Темний ореол навколо сильно нагрітого джерела обумовлений неточною налаштуванням апертурной діафрагми тепловізора; в ідеалі темного ореолу не повинно бути взагалі, а решта картинка в порівнянні з нагрітим ділянкою повинна кілька бліднути, щоб компенсувати розподіл інтенсивності.

На термопрофілей виразно видно пік інтенсивності, який припадає на найбільш нагріту область зображення. При аналізі подібних зображень потрібно насамперед звертати увагу на максимуми інтенсивності температури на термопрофілях.

Рис. 3.9. Термопрофіль зображення 3.8. Видно максимум інтенсівності3.3 Виявлення «теплових вулканів»

«Тепловими вулканами» називають яскраво виражені викиди тепла, добре реєстровані приймачами теплового випромінювання. Такі викиди тепла можуть свідчити про наявність спалаху або аварійного викиду на підприємствах, коли джерело не видно, але видно теплові потоки, що піднімаються над об'єктом спостереження.

На рис. 3.10 зображено довколишнє будівлю, зняте телевізійною камерою. На рис. 3.11 зображення тієї ж будівлі, зняте тепловізором. На тепловізійної зображенні явно помітні викиди тепла, що виривається з будівлі. Це пов'язано з тим, що на останніх двох поверхах подекуди відкриті нижні фрамуги вікон (1), і помітний викид тепла з технічної шахти (2). У ряді випадків такі викиди передують спалахів, тому необхідно вести за ними пильне спостереження.

Висновок

Розроблений в даній дипломній роботі тепловізійний канал СП-1 АСДМ «Лідар» являє собою сучасний технічний продукт, повністю відповідає завданням моніторингу КС.

У ході роботи над дипломним проектом були проведені експерименти, в ході яких виявлено явні переваги і недоліки кожного тепловізора. Зіставивши їх, була обрана тепловизионная камера «Скат», яка задовольняє умовам всіх завдань моніторингу. Висока надійність, тривалий час безперервної роботи, всепогодность, можливість знімати контрастні теплові зображення вдень і вночі при різній МДВ, роблять тепловізор «Скат» незамінним інструментом моніторингу. Програма MIM Visualizer дозволяє будувати перетину теплових зображень «Ската» з метою візуалізації профілів інтенсивності теплового випромінювання від спостережуваного об'єкта.

Поєднання обраного тепловізора і описаного програмного забезпечення гарантує надійну і безвідмовну роботу тепловізійного каналу протягом усього терміну служби.

Також в даній дипломній роботі проведені організація і планування робіт по темі, складено кошторис витрат на тему, дана економічна оцінка результатів проведеної роботи.

У ході робіт над дипломним проектом спроектовані оптимальні умови праці інженера-розробника.

Список використаної літератури

1. Ж. Госсорг. Інфрачервона термографія. Основи, техніка, застосування. Москва, «Мир» 1988

2. Л.З. Кріксунов. Довідник з основ інфрачервоної техніки. Москва, «Радянське радіо» 1978

3. В.П. Вавилов, А.Н. Александров. Інфрачервона термографическая діагностика в будівництві та енергетиці. Москва, НТФ «Енергопрогрес», «Енергетик» 2003

4. Методичні вказівки по Організаційно-економічної частини дипломних проектів. 1990 р

5. Методичні вказівки з дипломного проектування розділу Охорона праці та навколишнього середовища. 1980

6. B.C. Розанов, А.В. Рязанов. Безпека життєдіяльності. 1994

7. ГОСТ 12.2.032-78 ССБТ, СанПіН 2.2.2.542-96.

Авіація і космонавтика
Автоматизація та управління
Архітектура
Астрологія
Астрономія
Банківська справа
Безпека життєдіяльності
Біографії
Біологія
Біологія і хімія
Біржова справа
Ботаніка та сільське господарство
Валютні відносини
Ветеринарія
Військова кафедра
Географія
Геодезія
Геологія
Діловодство
Гроші та кредит
Природознавство
Журналістика
Зарубіжна література
Зоологія
Видавнича справа та поліграфія
Інвестиції
Інформатика
Історія
Історія техніки
Комунікації і зв'язок
Косметологія
Короткий зміст творів
Криміналістика
Кримінологія
Криптологія
Кулінарія
Культура і мистецтво
Культурологія
Логіка
Логістика
Маркетинг
Математика
Медицина, здоров'я
Медичні науки
Менеджмент
Металургія
Музика
Наука і техніка
Нарисна геометрія
Фільми онлайн
Педагогіка
Підприємництво
Промисловість, виробництво
Психологія
Психологія, педагогіка
Радіоелектроніка
Реклама
Релігія і міфологія
Риторика
Різне
Сексологія
Соціологія
Статистика
Страхування
Будівельні науки
Будівництво
Схемотехніка
Теорія організації
Теплотехніка
Технологія
Товарознавство
Транспорт
Туризм
Управління
Керуючі науки
Фізика
Фізкультура і спорт
Філософія
Фінансові науки
Фінанси
Фотографія
Хімія
Цифрові пристрої
Екологія
Економіка
Економіко-математичне моделювання
Економічна географія
Економічна теорія
Етика

8ref.com

© 8ref.com - українські реферати


енциклопедія  бефстроганов  рагу  оселедець  солянка