Курсовая работа: Инфракрасные системы наблюдения и обнаружения

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова»

(БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова»)

БГТУ.СМК-Ф-4.2-К5-01

Факультет О Естественно-научный

Кафедра О4 Физика

КУРСОВАЯ РАБОТА

Дисциплина Специальные изделия лучевой энергетики

на тему

Инфракрасные системы наблюдения и обнаружения

Выполнил студент группы О481

Петров А.М.

РУКОВОДИТЕЛЬ Лентовский В.В

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2020

Содержание

Введение

1. ИК-излучение. Его свойства

2. Применение ИК-излучения

2.1 Инфракрасная спектрометрия

2.2 Инфракрасная фотография

2.3 Электронно-оптический преобразователь

2.4 ПП приборы с зарядовой связью

3. ИК - системы наблюдения и обнаружения

3.1 Тепловизоры

3.2 Системы ИК-видеонаблюдения

3.3 Системы ИК-обнаружения. Достоинства и недостатки

3.4 ИК - датчик «Вектор-СПЭК». ТТХ и назначение

Заключение

Список литературы

Введение

Данная работа посвящена такому немаловажному аспекту волновой оптики как тепловое или инфракрасное (ИК) излучение. В работе наиболее простым языком изложены основные законы, история открытия, принципы действия и основы применения свойств ИК - излучения.

В настоящее время ИК-системы получили широкое применение при решении насущных задач в военной технике, промышленности и научных исследованиях, что стимулировало их развитие.

Одной из важных задач в военных ИК-системах является обеспечение максимальной информативности получаемых и обрабатываемых изображений с целью получения ситуационных сведений об обстановке в воздухе, на море и на суше для принятия правильного решения. Для успешного решения актуальных задач аналитикам или операторам требуется получение изображений высокого разрешения в любое время суток, даже при неблагоприятных условиях. Это достигается использованием усовершенствованных ИК-систем высокого разрешения, работающих в разных диапазонах спектра. В настоящее время в зарубежных ИК-системах применяются ИК-датчики высокой четкости (HD) с форматом пикселей и выше, что позволило существенно увеличить информативность.

Например, агентство передовых оборонных исследовательских проектов Минобороны США (DARPA) разрабатывает программы по обеспечению превосходства вооруженных сил США в области науки и технологий. В части ИК-систем было принято ряд стратегических программ по обеспечению более высоких их характеристик. В направлении «Тактические технологии» была принята программа, в которой предусматривалось создание технических систем, позволяющих человеку «играть на опережение» при выполнении специальных операций.

1. ИК-излучение. Его свойства

Инфракрасное излучение или инфракрасные лучи - это электромагнитные волны в невидимой области электромагнитного спектра, которая начинается за видимым красным светом и заканчивается перед микроволновым излучением между частотами и 5• Гц (или находится в диапазоне длин волн 0.75-1000 мкм). Название происходит от латинского слова infra и означает «ниже красного.

Рис.1 Электромагнитный спектр излучений по длинам волн

Инфракрасные лучи были обнаружены в 1800 г. британским музыкантом и астрономом-любителем немецкого происхождения Уильямом Гершелем. Он с помощью призмы разделил солнечный свет на составляющие его компоненты и за красной частью спектра с помощью термометра зарегистрировал увеличение температуры.

Рис.2 Опыт В. Гершеля (1800 г.) в результате которого было открыто тепловое излучение

Инфракрасное излучение часто называют тепловым. Следует, однако, отметить, что оно является лишь его следствием. Тепло - это мера поступательной энергии (энергии движения) атомов и молекул вещества. «Температурные» датчики фактически измеряют не тепло, а только различия в ИК-излучении различных объектов. Многие учителя физики инфракрасным лучам традиционно приписывают всю тепловую радиацию Солнца. Но это не совсем так. С видимым солнечным светом поступает 50% всего тепла, и электромагнитные волны любой частоты при достаточной интенсивности могут вызвать нагрев. Однако справедливо будет сказать, что при комнатной температуре объекты выделяют тепло в основном в полосе среднего инфракрасного диапазона.

ИК-излучение поглощается и испускается вращениями и вибрациями химически связанных атомов или их групп и, следовательно, многими видами материалов. Например, прозрачное для видимого света оконное стекло ИК-радиацию поглощает. Инфракрасные лучи в значительной степени абсорбируются водой и атмосферой. Хотя они и невидимы для глаз, их можно ощутить кожей.

Области ИК диапазона:

- ближний (0.75 - 1.4 мкм)

- коротковолновой (1.43 - 3 мкм)

- средневолновой (3 - 8 мкм)

- длинноволновый (8 - 15 мкм)

- дальний (15 - 1000 мкм)

Однако эта схема классификации не используется повсеместно. Например, в некоторых исследованиях указываются следующие диапазоны: ближний (0,75-5 мкм), средний (5-30 мкм) и длинный (30-1000 мкм). Длины волн, используемые в телекоммуникации, подразделяются на отдельные полосы из-за ограничений детекторов, усилителей и источников.

Общая система обозначений оправдана реакциями человека на инфракрасные лучи. Ближняя ИК-область наиболее близка к длине волны, видимой человеческим глазом. Среднее и дальнее ИК-излучение постепенно удаляются от видимой части спектра. Другие определения следуют различным физическим механизмам (таким как пики эмиссии и поглощение воды), а самые новые основаны на чувствительности используемых детекторов. Например, обычные кремниевые сенсоры чувствительны в области около 1050 нм, а арсенид индий-галлия - в диапазоне от 950 нм до 1700 и 2200 нм.

Нет четкой границы между инфракрасным излучением и видимым светом. Глаз человека в существенной степени менее восприимчив к красному свету, который превышает длину волны 700 нм, хотя интенсивное свечение (лазера) можно видеть примерно до 780 нм. Начало инфракрасного диапазона определяется в разных стандартах по-разному - в каких-то случаях между этими значениями, но чаще всего это 750 нм. Таким образом видимые инфракрасные лучи возможны в диапазоне 750-780 нм.

2. Применение ИК-излучения

Инфракрасное излучение получило широкое применение во многих отраслях таких как: промышленность, медицина, научная деятельность, а также в военной технике.

2.1 Инфракрасная спектрометрия

Исследование спектров испускания и поглощения в инфракрасной области используется при изучении структуры электронной оболочки атомов, для определения структуры молекул, а также для качественного и количественного анализа смесей веществ сложного молекулярного состава, например моторного топлива.

Инфракрасная спектроскопия - раздел спектроскопии, включающий получение, исследование и применение спектров испускания, поглощения и отражения в инфракрасной области спектра.

Инфракрасная спектрометрия занимается главным образом изучением молекулярных спектров, так как в ИК-области расположено большинство колебательных и вращательных спектров молекул. В этом разделе наиболее широкое распространение получило исследование ИК-спектров поглощения, которые возникают в результате поглощения ИК-излучения при прохождении его через вещество.

В координатах интенсивность поглощенного излучения - длина волны (волновое число) инфракрасный спектр представляет собой сложную кривую с большим числом максимумов и минимумов.

Рис.3 Ближний ИК-спектр жидкого этанола

Количественная связь между интенсивностью I прошедшего через вещество излучения, интенсивностью падающего излучения I0 и величинами, характеризующими поглощающее вещество, основана на законе Бугера-Ламберта-Бера, т. е. на зависимости интенсивности полос поглощения от концентрации вещества в пробе. При этом о количестве вещества судят не по отдельным полосам поглощения, а по спектральным кривым в целом в широком диапазоне длин волн. Если число компонентов невелико (4-5), то удается математически выделить их спектры даже при значительном перекрывании последних. Погрешность количественного анализа, как правило, составляет доли процента.

Метод инфракрасной спектроскопии является универсальным физико-химическим методом, который применяется в исследовании структурных особенностей различных органических и неорганических соединений. Метод основан на явлении поглощения группами атомов испытуемого объекта электромагнитных излучений в инфракрасном диапазоне.

2.2 Инфракрасная фотография

Благодаря различию коэффициентов рассеяния, отражения и пропускания тел в видимом и инфракрасном излучении фотография, полученная в ИК-излучении, обладает рядом особенностей по сравнению с обычной фотографией. Например, на инфракрасных снимках часто видны детали, невидимые на обычной фотографии

Фотоснимки в инфракрасном излучении можно получать различными методами. Метод непосредственного фотографирования на фотопластинки и плёнки, чувствительные к ИК-излучению (инфраплёнки или пластинки) наиболее прост. Для этого на объектив устройства устанавливают светофильтр, пропускающий ИК-излучение и непрозрачный для видимого света. Длинноволновая граница чувствительности современных инфрафотоматериалов составляет л = 1,2 мкм.

Чувствительность инфраплёнок и пластинок относительно мала, из-за чего в условиях малой освещённости применяют приборы, состоящие из электронно-оптического преобразователя и обычного фотоаппарата. Электронно-оптический преобразователь, установленный перед объективом фотоаппарата, преобразует инфракрасное изображение в видимое и одновременно усиливает его яркость. Такие приборы позволяют получать снимки на обычной фотоплёнке в полной темноте при небольшой мощности облучающего источника ИК-излучения.

Инфракрасная фотография позволяет получать дополнительную (по сравнению с фотографией в видимом свете или при рассматривании объекта глазом) информацию об объекте. Так как ИК-излучение рассеивается при прохождении через дымку и туман меньше, чем видимое излучение. Такие фотографии позволяют получать снимки предметов повышенной четкости, удалённых на сотни км.

Благодаря различию коэффициентов отражения и пропускания в видимом и инфракрасном диапазонах на инфракрасных фото можно разглядеть детали, не видимые глазом и на фотографии, сделанной обычным фотоаппаратом. Это свойство широко используется в ботанике, медицине, инфракрасной аэросъемке и даже в астрономии.

Рис.4 Изображение зараженного листа дерева при обычном и инфракрасном освещении

Рис.5 Фото ноги, сделанное в видимом (слева) и в инфракрасном излучении (справа) для выявления кожных и сосудистых заболеваний. На снимке справа отчетливо видны вены

Рис.6 Фотография местности, сделанное в видимом и инфракрасном излучении. На фото справа (ИК-излучение) можно определить вид деревьев (хвойные - более темные, лиственные - более светлые)

Рис.7 Фотографии участка неба: слева - видимое излучение, справа - ИК -излучение. На снимке справа можно увидеть большое количество звезд, т.к. туманности прозрачны для ИК-излучения

Существуют и приборы, которые способны фиксировать тепловое излучение объекта, в разных точках которого температура различна. Интенсивность излучения в каждой точке изображения регистрируется приёмником и преобразуется в световой сигнал, который формируется на фотоплёнке. Изображение, получаемое в этом случае, не является инфракрасным снимком в обычном смысле, так как оно даёт картину распределения температуры по поверхности объекта. Такие приборы применяют для обнаружения перегретых участков машин, при ИК-аэросъёмке, а также для получения термальных карт местности.

Рис.8 Пример инфракрасного изображения, на котором мы можем видеть картину распределения температур объектов

2.3 Электронно-оптический преобразователь

Электронно-оптический преобразователь (ЭОП) представляет собой электровакуумный прибор и является одним из важнейших среди различного рода электронных усилителей яркости изображения. По конструкции ЭОП подразделяются на однокамерные и многокамерные; по спектральному диапазону преобразуемого излучения - на ЭОП, работающие в инфракрасной, в видимой, в ультрафиолетовой и в рентгеновской областях спектра; по способу переноса электронного изображения-на ЭОП с однородным электростатическим полем, с электростатической фокусировкой, с электромагнитной фокусировкой; по принципу усиления яркости изображения - на каскадные ЭОП с усилением методом оптического контакта экран - фотокатод, каскадные ЭОП с усилением за счет использования вторичной эмиссии «на прострел» тонкопленочных динодов, ЭОП канального типа с усилением за счет использования вторичной эмиссии с внутренних стенок микроканалов, ЭОП с усилением яркости за счет значительного уменьшения масштаба изображения при электронно-оптическом его переносе.

Основными частями простейшего ЭОП являются полупрозрачный фотокатод, электронно-оптическая система фокусировки электронов и люминесцентный экран. Схематически принцип действия однокамерного ЭОП показан на рис.9.

Рис.9 Принципиальная схема устройства ЭОП (1 - объект, 2 - объектив, 3 -фотокатод, 4 - фокусирующая система, 5 - траектории электронов, 6 - экран, 7 -окуляр)

При низких уровнях освещенности объектов экран ЭОП имеет столь малую яркость, что глаз наблюдателя не в состоянии определить различие в яркостях отдельных участков. В связи с этим наблюдатель не может распознать наблюдаемый объект. При повышении яркости изображения способность глаза к распознаванию участков с малой градацией яркости становится значительно выше.

Источник: https://otherreferats.allbest.ru/download/1279360/