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.