Патент на изобретение №2341812

(54) СПОСОБ ПАССИВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ ДО ИНФРАКРАСНОГО ИСТОЧНИКА С ИЗВЕСТНОЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Использование: в области инфракрасной техники. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей тепловизионных наблюдательных приборов (ТНП), работающих на трассах класса «земля – земля». В способе пассивного определения расстояния до ИК источника с известной температурой, основанном на измерении плотности излучения (R) объекта в областях прозрачности и интенсивного поглощения (затухания) как непосредственно у источника (R_п0) и (R_з0), так и на измеряемом в километрах расстоянии (L) (R_пL) и (R_зL), выбирают для наблюдаемого объекта на уровне моря наиболее эффективные участки прозрачности и затухания в зависимости от его температуры (_п) и (_з). Вычисляют R_п0 и R_з0 в выбранных участках _п и _з. Используя закон Планка и таблицы Пассмана-Лэрмора-Хадсона, определяют для объекта, подлежащего наблюдению, функцию L=P(₀, R_п0, R_з0, R_пL R_зL), где ₀ – количество осажденной воды в мм на длине в один километр. По измеренным в момент наблюдения температуре воздуха и относительной влажности определяют текущее значение ₀. Измеряют величины R_пL и R_зL. Вводя значения ₀, R_п0, R_з0, R_пL R_зL в математическое выражение L, вычисляют расстояние до наблюдаемого объекта. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области инфракрасной (ИК) техники и может быть использовано для расширения функциональных возможностей (пассивное определение дальности до объектов с известной температурой) тепловизионных наблюдательных приборов (ТНП), работающих на трассах класса «земля – земля».

Известны различные системы, сопрягающие ТНП с дальномерами активного действия. Эти системы сложны в эксплуатации, однако главный их недостаток в том, что они затрудняют проведение скрытного наблюдения (Волков В.Г. Тепловизионные и многоканальные приборы наблюдения для бронемашин. Специальная техника №2, 2005 г, с.2).

Из пассивных методов известны способы, основанные на триангуляции или стереоскопии, как это делается в видимом диапазоне. На практике для малогабаритных носимых ТНП эти способы не получили широкого развития из-за сложности, большой массы и габаритных размеров, а также отсутствия уверенности в том, что обе части дальномера направлены на одну и ту же цель (Хадсон Р. Инфракрасные системы. – М.: Мир, 1972, с.406).

Дальнометрические системы, построенные по принципу измерения угловой скорости лучистого потока или по времени его запаздывания, предназначены для обнаружения и сопровождения перемещающихся объектов (Хадсон Р. Инфракрасные системы. – М.: Мир, 1972, с.406).

Известны способы, использующие эффект излучения горячими телами энергии с определенной интенсивностью и длиной волны и свойства их селективного ослабления в атмосфере (патент США №3103586 МПК⁷ G01S 11/12 от 10.09.63 г., патент США №3117228 МПК⁷ G01S 11/12 от 07.01.64 г., патент Великобритании №2323730А МПК⁷ G01S 11/12 от 30.09.98 г.).

Если рассмотреть диаграмму пропускания атмосферой ИК излучения (фиг.1), то видно, что имеются области с существенно разными коэффициентами пропускания, зависящими в основном от паров воды Н₂О или углекислого газа СО₂ (Госсорг Ж. Инфракрасная термография. – М.: Мир, 1988., с.81). Очевидно, что если взять отношение интенсивностей излучения объекта в двух спектральных диапазонах, например в диапазонах от 5 до 8 мкм (область интенсивного поглощения) и от 8 до 12 мкм (область прозрачности), то это отношение будет уменьшаться с увеличением расстояния до точки наблюдения в связи с более значительным затуханием в диапазоне от 5 до 8 мкм. Осуществляя количественную оценку этого отношения с отношением интенсивностей излучения вблизи источника, зависящего только от его тепловых характеристик, и зная коэффициенты пропускания на измеряемом участке в этих диапазонах, можно определить расстояние до объекта.

Указанные способы рассчитаны для использования на трассах «воздух – воздух», где основной поглотитель – углекислый газ (CO₂).

С позиции применения данных способов на трассах класса «земля – земля» такие положения, как использование эффекта излучения горячими телами энергии с определенной интенсивностью и длиной волны, свойства их атмосферного селективного ослабления, являются основополагающими. Однако имеются два принципиальных недостатка:

– в рассматриваемых способах коэффициенты затухания в диапазонах пропускания и поглощения постоянны во времени и зависят только от высоты измерения;

– убывание излучаемой энергии из-за коэффициентов затухания принимается экспоненциальным, то есть W_r пропорциональна е^–r.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является выбранный в качестве прототипа способ, описанный в изобретении «Аппарат для пассивного инфракрасного определения дальности» для трасс класса «воздух – воздух» (патент США №3117228 МПК⁷ G01S 11/12 от 07.01.64 г.), включающий операции измерения интенсивности излучения объекта в спектральной области прозрачности W_п на единичном расстоянии, измерения интенсивности излучения в спектральной области затухания W_з на единичном расстоянии, измерения интенсивности излучения в спектральной области прозрачности W_пr на расстоянии r, измерения интенсивности излучения в спектральной области затухания W_зr на расстоянии r.

Кроме того, способ содержит операции вычисления константы затухания излучения в атмосфере в спектральной области прозрачности _п, как функции от высоты, вычисления _з в спектральной области затухания и вычисления расстояния до объекта по формуле

При работе на трассах «земля – земля» необходимо определять и сравнительно небольшие расстояния: десятки, сотни метров и для обеспечения необходимой точности требуется использовать более интенсивные поглотители излучений, а это пары воды (Н₂О) в диапазоне от 5 до 8 мкм по сравнению с СО₂. Концентрация же этих паров существенно зависит от температуры и влажности атмосферы в данной географической точке, которые, в свою очередь, очень динамичны во времени. Поэтому практически использовать коэффициенты затухания в процессе наблюдения за объектом как заранее вычисленные константы не представляется возможным.

Убывание излучаемой энергии от коэффициента затухания по экспоненте справедливо только для монохроматического излучения. Для коэффициента затухания в спектральной полосе этот закон более сложный.

В настоящее время в ИК диапазоне имеется широкая номенклатура портативных ТНП, позволяющих вести наблюдение за объектами на трассах «земля – земля». Общим недостатком этих устройств является невозможность определения расстояния до наблюдаемых объектов в пассивном режиме.

Прототипом, реализующим предлагаемый способ, может быть устройство ТНП, имеющее в своей структурно-функциональной схеме последовательно соединенные объектив, многоканальный приемник ИК излучения в области прозрачности, блок усилителей, блок визуализации, например неохлаждаемый тепловизор «Катран», выпускаемый ЗАО НИИИН МНПО «Спектр» (119048, Москва, ул.Усачева, 35, строение 1).

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей ТНП путем придания им способности определять расстояние до ИК источников в пассивном режиме, то есть не обнаруживая факта наблюдения.

Цель достигается тем, что в известный способ, основанный на измерениях плотности излучения ИК источника в областях прозрачности и интенсивного поглощения (затухания) как непосредственно у источника (R_п0) и (R_з0), так и на измеряемом расстоянии L (R_пL) и (R_зL), согласно изобретению в атмосфере на уровне моря выбирают для наблюдаемого объекта наиболее эффективные участки прозрачности и затухания в зависимости от его температуры (_п) и (_з), вычисляют спектральные плотности (r_п) и (r_з) и плотности излучений объекта (R_п0) и (R_з0) в выбранных участках _п и _з, определяют коэффициенты пропускания атмосферой излучений объекта в полосах _п и _з на расстоянии одного км (_пк) и (_зк) в экспериментально полученных точках спектрального пропускания атмосферы при различной концентрации паров воды, выраженной в мм осажденной воды на длине в один км (₀) путем перемножения спектральных составляющих r_п и r_з на соответствующие спектральные составляющие коэффициентов пропускания, суммирования этих произведений в областях _п и _з и последующего деления вычисленных сумм на плотности излучений в этих диапазонах R_п0 и R_з0, делят _зк на _пк при каждом значении ₀ и получают ряд точек функции изменения от ₀ производят графическую интерполяцию функции осуществляют замену переменной ₀ на ₀L и получают функцию где _пL, _зL – коэффициенты пропускания излучений объекта на измеряемом расстоянии L, преобразуют полученную функцию в обратную интерпретируют ее математическим выражением, решают его относительно расстояния до объекта L=P(₀, R_п0, R_з0, R_пL, R_зL), определяют в точке наблюдения текущее значение соо путем измерения температуры t°C и относительной влажности f воздуха и расчета по формуле

где е – упругость насыщенных паров в Па;

Т_в – температура в К.

Измеряют величины R_пL и R_зL вводят значения ₀, R_п0, R_з0, R_пL, R_зL в математическое выражение L, вычисляют расстояние до наблюдаемого объекта.

Цель достигается тем, что в устройство для пассивного определения дальности до инфракрасного источника с известной температурой, содержащее соединенные последовательно объектив, первый многоэлементный приемник, первый блок предварительных усилителей, блок визуализации, согласно изобретению введены светоделитель, первый коммутатор, первый интегратор, второй многоэлементный приемник, второй блок усилителей, второй коммутатор, второй интегратор, контроллер, блок индикации, термогигрометр, блок ручного управления коммутаторами, кнопка «измерение», причем объектив соединен со входом светоделителя, первый выход которого соединен со входом первого многоэлементного приемника, второй выход – со входом второго многоэлементного приемника, выходы первого и второго многоэлементных приемников соединены со входами первого и второго блоков усилителей, выходы первого и второго блоков усилителей соединены со входами первого и второго коммутаторов соответственно, выходы коммутаторов соединены со входами первого и второго интеграторов, выходы интеграторов соединены с аналого-цифровыми первым и вторым портами контроллера, выходы термогигрометра и кнопки «измерение» соединены с первым и вторым портами ввода/вывода контроллера, выход контроллера через третий порт ввода/вывода соединен с первым входом блока индикации, первый выход блока ручного управления коммутаторами соединен с входами первого и второго коммутаторов, второй выход со вторым входом блока индикации.

Предлагаемый способ отличается новыми операциями, а устройство – введенными новыми блоками с соответствующими связями.

Из проведенного анализа существующих способов и технических решений авторам не известны признаки, предлагаемые в данном изобретении. Поэтому изобретение обладает новизной.

Изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень», так как оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

Изобретение может быть использовано в области приборостроительной промышленности для создания ТНП, обладающих способностью определять расстояние до ИК источника, не обнаруживая факта наблюдения, и соответствует критерию «промышленная применимость».

На фиг.1 изображена зависимость коэффициента пропускания земной атмосферы на горизонтальной трассе на уровне моря протяженностью D=1,828 км при толщине слоя осажденной воды h=17 мм от длины волны в мкм.

На фиг.2 представлена зависимость отношения коэффициентов пропускания от влажности ₀ (толщины слоя осажденной воды на длине один километр в мм).

На фиг.3 показана зависимость ₀L от отношения коэффициентов пропускания на длине L км.

На фиг.4 представлена структурно-функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

На фиг.5 представлена блок-схема алгоритма работы контроллера.

Сущность способа заключается в следующем.

Для объекта, подлежащего наблюдению, исходя из его температуры, выбирают на уровне моря наиболее эффективные зоны прозрачности и поглощения _п и _з. Например, для человека это участки 8…12 мкм и 5…8 мкм. Для объектов с более высокой температурой область прозрачности целесообразно выбрать на участке 3…5 мкм (фиг.1).

В выбранных участках _п и _з вычисляют плотности излучений объекта R_п0 и R_з0 и их спектральные составляющие r_п и r_з, используя закон Планка (Госсорг Ж. Инфракрасная термография. – М.: Мир, 1988, с.18).

Определяют коэффициенты пропускания атмосферой излучений объекта в полосах _п и _з на расстоянии одного километра _зк и _пк в точках ₀, представленных в таблицах Пассмана-Лэрмора-Хадсона (Хадсон Р. Инфракрасные системы. – М.: Мир, 1972., с.88) путем перемножения спектральных составляющих r_п и r_з на соответствующие спектральные составляющие коэффициентов пропускания, представленных в указанных таблицах, суммирования этих произведений в областях _п и _з и последующего деления вычисленных сумм на плотности излучений R_п0 и R_з0. Делят _зк и _пк при каждом значении ₀ и получают ряд точек функции изменения от ₀ на дистанции в один км. Производят графическую интерполяцию данной функции На фиг.2 представлена функция для случая, когда объектом наблюдения является человек. Осуществляя замену переменной ₀ на ₀L, получают функцию

где _пL и _зL – коэффициенты пропускания излучений объекта на измеряемом расстоянии L в областях _п и _з.

Преобразуют полученную функцию в обратную (фиг.3)

С помощью известных методов определяют ее математическое выражение, например, методом интерполяции рациональной дробью (Бахвалов Н.С. Численные методы. – М.: Наука, 1973, с.85) и решают его относительно расстояния до наблюдаемого объекта L:

где а_j и b_j – коэффициенты дроби (i=0, 1…n и j=0, 1…k);

Выражение «y» определяется из отношения

где R_пL и R_зL – плотности излучений объекта в областях прозрачности и затухания на измеряемом расстоянии L.

С целью упрощения математического выражения (уменьшения n и k) при сохранении требуемой точности интерпретации функция может разбиваться на несколько участков.

Все перечисленные операции по выводу математического выражения для L и определения R_п0 и R_з0 производятся заблаговременно для каждого наблюдаемого типа объектов.

В момент наблюдения объекта определяют текущее значение ₀ путем измерения температуры t°C и относительной влажности f воздуха и расчета по формуле (2).

Расчет также может производиться по таблицам «Количество осажденной воды при 100%-ной влажности воздуха и различной температуре», умножая табличное значение ₀ на f%/100 (Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. – М.: «Советское радио», 1978, с.175), измеряют величины R_пL и R_зL вводят значения ₀, R_п0, R_з0, R_пL, R_зL в математическое выражение L и вычисляют расстояние до наблюдаемого объекта.

Устройство, реализующее способ (фиг.4), содержит объектив 1, первый многоэлементный приемник 2 в области прозрачности, первый блок предварительных усилителей 3, блок визуализации 4, светоделитель 5, первый коммутатор 6, первый интегратор 7, второй многоэлементный приемник в области интенсивного поглощения 8, второй блок предварительных усилителей 9, второй коммутатор 10, второй интегратор 11, контроллер 12, блок индикации 13, термогигрометр 14, блок ручного управления коммутаторами 15, кнопку «измерение» 16.

Объектив 1 соединен со входом светоделителя 5, первый выход которого соединен со входом первого многоэлементного приемника 2, второй выход – со входом второго многоэлементного приемника 8, выходы первого и второго многоэлементных приемников 2, 8 соединены со входами первого и второго блоков усилителей 3, 9, выходы с первого и второго блоков усилителей соединены с входами первого и второго коммутаторов 6, 10 соответственно, выходы коммутаторов соединены со входами первого и второго интеграторов 7, 11, выходы интеграторов соединены с аналого-цифровыми первым и вторым портами контроллера 17, 18, выходы термогигрометра 14 и кнопка «измерение» 16 соединены с первым и вторым портами ввода/вывода контроллера 19, 20, выход контроллера через третий порт ввода/вывода 21 соединен с первым входом блока индикации 13, первый выход блока ручного управления коммутаторами 15 соединен со входами первого и второго коммутаторов 6, 10, второй выход – со вторым входом блока индикации 13.

Устройство работает следующим образом.

Инфракрасный световой поток от объекта через объектив 1, пропускающий диапазоны прозрачности и затухания с помощью светоделителя 5, направляется в многоэлементные приемники 2 и 8 диапазона прозрачности и поглощения соответственно. Электрические сигналы с многоэлементного приемника 2 через блок предварительных усилителей 3 поступает в блок визуализации 4, где преобразуется в видимое изображение объекта и окружающего его фона. Кроме того, электрические сигналы поступают на коммутатор 6, электрические сигналы с многоэлементного приемника 8 через блок усилителей 9 поступают на коммутатор 10. Сигналы с коммутаторов 6 и 10 поступают через интеграторы 7 и 11 соответственно на аналого-цифровые порты 17, 18 контроллера 12. Коммутаторы 6, 10 с помощью блока ручного управления коммутаторами 15 ограничивают центральную площадь измерения интенсивности излучения наблюдаемого объекта, обеспечивая тем самым уменьшение влияния на результаты измерений окружающего фона. Управление осуществляют с помощью блока индикации 13, наблюдая на индикаторе изменения площади измерения в зависимости от сигнала с блока 15. На входы 19, 20 контроллера 12 подаются также сигналы с термогигрометра 14 с цифровым выходом, измеряющим температуру и относительную влажность окружающего воздуха и кнопки «измерение» 16, определяющей момент начала процесса определения расстояния до наблюдаемого объекта. Данные о расстоянии до объекта после соответствующих вычислений выдаются с выхода 21 контроллера 12 на вход блока индикации 13.

Контроллер 12 выполняет следующие функции (фиг.5): по команде, полученной через вход 20 «измерение», производит опрос с интеграторов 7, 11 на входах 17, 18 значений R_пL и R_зL, на входе 19 фиксирует текущие значения относительной влажности (f) и температуры воздуха (t°C), вычисляет абсолютную температуру Т_в, определяет по таблицам упругость насыщенных паров (е), используя либо формулу (2) либо по таблицам «Количество осажденной воды при 100%-ной влажности и различной температуре», умножая табличное значение ₀ на f(%)/100 (Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. – М.: Советское радио, 1978, с.175), определяет текущее значение ₀; в формулу L=Р(₀, R_п0, R_з0, R_пL, R_зL), записанную во флэшпамяти, вводит значения ₀, R_пL, R_зL, R_п0, R_з0 и вычисляет расстояние до наблюдаемого объекта, передает значение L через выход 21 в блок индикации 13.

Блоки устройств многоэлементных приемников, предварительных усилителей, коммутаторов, интеграторов могут быть выполнены на элементной базе соответствующего типа ТНП. В качестве контроллера могут служить микропроцессоры типа 1806 ВМ 2 или фирмы «Micro Chip» серии Pie F16x. В качестве термогигрометра – компактный логгер влажности и температуры ЕС 650 с интерфейсом RS 232 фирмы «Micro Log».

Введение в состав ТНП измерительного канала, состоящего из светоделителя, многоэлементного приемника в ИК диапазоне интенсивного поглощения, блока усилителей, коммутаторов, интеграторов, контроллера, блока индикации, термогигрометра, блока ручного управления коммутаторами и кнопки «измерение» позволило при сравнительно небольшом увеличении веса (например, для ТНП «Катран» не более 20%) придать ТНП новое качество – пассивное определение расстояния до наблюдаемого объекта, то есть без возможности обнаружения факта наблюдения.

Формула изобретения

1. Способ пассивного определения дальности до инфракрасного (ИК) источника с известной температурой, основанный на измерениях плотности излучения ИК источника в областях прозрачности и интенсивного поглощения как непосредственно у источника (R_п0) и (R_з0), так и на измеряемом расстоянии L (R_пL) и (R_зL), отличающийся тем, что в атмосфере на уровне моря выбирают для наблюдаемого объекта наиболее эффективные участки прозрачности и затухания в зависимости от его температуры (_п) и (_з), вычисляют спектральные плотности (r_п) и (r_з) и плотности излучений объекта (R_п0) и (R_з0) в выбранных участках _п и _з, определяют коэффициенты пропускания атмосферой излучений объекта в полосах _п и _з на расстоянии одного км (_пк) и (_зк) в экспериментально полученных точках спектрального пропускания атмосферы при различной концентрации паров воды, выраженной в мм осажденной воды на длине в один км (₀) путем перемножения спектральных составляющих r_п и r_з на соответствующие спектральные составляющие коэффициентов пропускания, суммирования этих произведений в областях _п и _з и последующего деления вычисленных сумм на плотности излучений в этих диапазонах R_п0 и R_з0, делят _зк на _пк при каждом значении о и получают ряд точек функции изменения _зк/_пк от ₀, производят графическую интерполяцию функции _зк/_пк=f(₀), осуществляют замену переменной ₀ на ₀L и получают функцию _зL/_пL=Q(₀L),

где _пL, _зL – коэффициенты пропускания излучений объекта на измеряемом расстоянии L,

преобразуют полученную функцию в обратную ₀L=F(_зL/_пL), интерпретируют ее математическим выражением, решают его относительно расстояния до объекта L=P(₀, R_п0, R_з0, R_пL R_зL), определяют в точке наблюдения текущее значение ₀, путем измерения температуры t°C и относительной влажности f воздуха и расчета по формуле

где е – упругость насыщенных паров, Па;

Т_в – температура, К,

измеряют величины R_пL и R_зL, вводят значения ₀, R_п0, R_з0, R_пL, R_зL в математическое выражение L, вычисляют расстояние до наблюдаемого объекта.

2. Устройство для пассивного определения дальности до инфракрасного источника с известной температурой, содержащее объектив, первый многоэлементный приемник, первый блок предварительных усилителей, выходы которого соединены со входами блока визуализации, отличающееся тем, что введены светоделитель, первый коммутатор, первый интегратор, второй многоэлементный приемник, второй блок предварительных усилителей, второй коммутатор, второй интегратор, контроллер, блок индикации, термогигрометр, блок ручного управления коммутаторами, кнопка «измерение», причем объектив соединен со входом светоделителя, первый выход которого соединен со входом первого многоэлементного приемника, второй выход – со входом второго многоэлементного приемника, выходы первого и второго многоэлементных приемников соединены со входами первого и второго блоков предварительных усилителей, выходы первого и второго блоков предварительных усилителей соединены со входами первого и второго коммутаторов соответственно, выходы коммутаторов соединены со входами первого и второго интеграторов, выходы интеграторов соединены с аналого-цифровыми первым и вторым портами контроллера, выходы термогигрометра и кнопки «измерение» соединены с первым и вторым портами ввода/вывода контроллера, выход контроллера через третий порт ввода/вывода соединен с первым входом блока индикации, первый выход блока ручного управления коммутаторами соединен со входами первого и второго коммутаторов, второй выход со вторым входом блока индикации.

РИСУНКИ