Тепловизионные приборы дистанционного контроля

Примером систем дистанционного контроля, формирующих изображение, являются тепловизионные системы. Тепловизионные системы предназначены для создания видимого аналога теплового изображения. В них происходит преобразование оптического изображе­ния, полученного в ИК-области спектра, в адекватное изображение в видимой области.

Отметим особенности тепловых изображений, т. е. изображений, полученных в ИК-области спектра. Распределение контрастов в тепловом изображении (в ИК-области спектра) может существенно отличаться от соответствующего распределения в видимом изображе­нии. Если в видимой области спектра распределение контрастов обусловлено различиями в отражательной способности природных образований, то в ИК-области это распределение обусловлено также (или главным образом) различиями в их излучательной способности. Поэтому тепловое изображение не имеет теней. Поскольку в тепловом изображении фикси­руется различие в излучательных способностях, то возможно обнаружение объектов, имею­щих одинаковую температуру, но различные коэффициенты излучения.

Рис. 6. Принципиальная схема ИК-радиометра

Принципиальная схема ИК-радиометра приведена на рис. 6. В состав радиометра вхо­дят следующие основные элементы:

· приемник излучения (ПИ);

· эталонный источник излучения (абсолютно черное тело (АЧТ));

· модулятор, осуществляющий (с помощью двигателя) попеременное облучение чувствительной площадки приемника внешним или эталонным источниками;

· электронная схема (усилитель на рис. 6), преобразующая и усиливающая электри­ческий сигнал с выхода приемника;

· измерительное устройство.

Различают тепловизионные системы:

1) без сканирования, системы с фотоэлектронным сканированием;

2) системы с оптико-механическим сканированием.

Современные тепловизионные системы с оптико-механическим сканированием име­ют частоту сканирования, соизмеримую с частотой сканирования в телевизионных системах.

Функциональная схема тепловизионной системы с оптико-механическим сканирова­нием представлена на рис. 7.

Из тепловизионных систем наиболее известны пятиканальный радиометр AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer), устанавливаемый на американских метеороло­гических спутниках "NOAA"; датчик ATSR (Along Track Scanning Radiometer) спутников "ERS", а также многоканальный сканер с конической разверткой МСУ-СК, используемый на российских спутниках "Ресурс" и "Океан-0".

В тепловизионных системах для исследования природных ресурсов с одноэлемент­ным сканированием наиболее часто применяется построчно-прямолинейная траектория ска­нирования, причем для развертки вдоль траектории полета (по кадру) используется собствен­ное движение ЛА, а развертка в перпендикулярном направлении (по строке) осуществляется с помощью оптико-механических дефлекторов. Такие системы по принципу построения ана­логичны однострочным телевизионным системам. В схеме тепловизионной системы с одноэлементным сканированием, приведенной на рис. 8, в качестве дефлектора использова­но плоское качающееся зеркало 2, расположенное в сходящемся пучке лучей за объективом 1.3 - приемник излучений. Примером такой тепловизионной системы является радиометр AVHRR, в котором используется линейное сканирование (рис. 9).

Рис. 9. Сканирующий ИК-радиометр AVHRR с линейной механической разверткой

Приведем основные технические характеристики датчика ATSR, который имеет наи­лучшие метрологические характеристики из всех упомянутых ИК-радиометров. Датчик ATSR состоит из двух приборов: ПК-радиометра (Infra-Red Radiometer - IRR) и микроволно­вого радиометра (Microwave Sounder - MWR).

Радиометр IRR разработан и создан консорциумом из нескольких лабораторий: Резерфордовской лабораторией прикладной физики, Оксфордским университетом, Метеорологи­ческой службой Великобритании, CSIRO из Австралии. Главной целью создания IRR являет­ся прецизионное измерение глобальной температуры морской поверхности. Абсолютная точность измерения температуры составляет 0,5 К при усреднении по пространству в 50x50 км и при условии, что хотя бы 20 % наблюдаемой территории свободны от облаков. Для сво­бодных от облачности участков относительная точность составляет 0,1 К при элементе раз­решения 1×1 км.

Для достижения таких показателей IRR был сконструирован как радиометр получе­ния изображений с четырьмя параллельными спектральными каналами, имеющими длины волн 1,6; 3,7; 10,8 и 12 мкм, формируемыми раздельными лучами и многослойными интер­ференционными фильтрами.

Мгновенное поле зрения прибора, при обзоре в надир, имеет размеры 1 × 1 км и фор­мируется как изображение на детекторах после параболического зеркала. Для уменьшения собственных шумов детекторы, размещенные в фокальной плоскости, охлаждены до 80 К охладителем Стирлинга.

Область одновременного обзора перемещается по поверхности Земли через поворот плоскости зеркала таким образом, что это дает два направления обзора: надирное с углом па­дения 0º и переднее с углом падения 55º.Такой угол выбран не случайно, поскольку при нем расстояние визирования в надир и вперед по полету отличается ровно в два раза

Сканирующее зеркало отклоняется на максимальный угол 23,45º от вертикали. Номи­нальная ширина полосы обзора составляет 500 км, при этом передний и надирный сканы раз­несены на 900 км вдоль трассы. Подобная геометрия обеспечивает просмотр одного и того же элемента на подстилающей поверхности под двумя различными углами, что позволяет одновременно использовать и многоканальную и многоугловую методики восстановления температуры поверхности моря. Период сканирования составляет 150 мс, а каждый скан со­стоит из 2000 пикселей. Для калибровки каналов в течение каждого периода сканирования в IRR формируются сигналы, соответствующие температурам двух бортовых черных тел (од­ного холодного и одного горячего). После сжатия данных на борту пакет из 960 пикселей передается на Землю вместе со служебными данными.

Только 3 канала из 4-х могут работать одновременно (каналы 12 мкм и 10,8 мкм рабо­тают постоянно). Переключение между каналами 1,6 мкм и 3,7 мкм происходит автоматиче­ски по уровню отраженного ИК-излучения.

Основной задачей микроволнового датчика MWR является измерение влагосодержания в атмосфере (как испарений, так и в жидком виде) для использования в расчетах наибо­лее неизученной части задержки сигналов спутникового альтиметра. MWR имеет два канала, работающих на частотах 23,8 и 36,5 ГГц, каждый с шириной полосы 400 МГц.

В ИК-радиометре датчика ATSR-2, установленного на борту спутника ERS-2, допол­нительно добавлены 3 канала видимого диапазона с длинами волн 0,555; 0,669 и 0,865 мкм. Эти каналы калибруются с использованием новой системы по рассеянному солнечному све­ту один раз за виток. Точность радиометрической калибровки видимых каналов составляет 2 % и отношение сигнал-шум равно 20 для 20 % альбедо.