Posibilidades del método de imagen térmica de no -pruebas destructivas en la resolución de tareas antiterroristas
KOVALEV Alexey Alekseevich
KOVALEV Alexey Vasilievich, profesor, Doctor en Ciencias Técnicas
Fuente: Revista «Equipo especial» N° 6 2007
Todo lo relacionado con el terrorismo y la seguridad se está discutiendo actualmente con gran entusiasmo, a diferentes niveles, con diferentes resultados finales. Esto es sin duda necesario y relevante, pero es necesario comprender que los problemas de seguridad requieren una investigación, estudio y análisis cuidadosos con la obligatoria predicción del resultado final. Este proceso suele denominarse diagnóstico.
Diagnóstico en su sentido amplio — base de seguridad. Toda la vida de una persona, de principio a fin, ha estado acompañada durante muchos siglos de diagnósticos — desde abofetear a un bebé recién nacido para hacerlo gritar, hasta colocar un espejo en su boca para asegurarse de que la persona todavía respira. Tanto la medicina como la seguridad deben ir acompañadas de diagnósticos que utilicen métodos y herramientas de investigación conocidos. La gran mayoría de todas las situaciones de emergencia y ataques terroristas se basan en la falta de diagnósticos eficaces. Diagnóstico — Este es el soporte técnico y metodológico de la seguridad, su principal inteligencia. Si hablamos del aspecto antiterrorista de la seguridad, entonces, en este caso, el diagnóstico forense y antiterrorista (ATCD) se puede definir como un conjunto de principios, métodos y medios para prevenir y prevenir actos terroristas y otras manifestaciones criminales o, en es decir, como un componente activo de apoyo técnico a la seguridad del país y de la sociedad y a la prevención del terrorismo.
El propósito de este trabajo — mayor consideración del potencial de las técnicas de ensayos no destructivos (END) para prevenir ataques terroristas y mejorar la seguridad pública, más específicamente — consideración de los métodos de control de imágenes térmicas, sus características, etapas de desarrollo y arsenal de equipos modernos. Es bien sabido que el alto contenido de información y las capacidades potenciales más amplias de los métodos de END se deben al uso de casi todo el rango de frecuencia del espectro electromagnético, lo que permite crear medios técnicos que tienen la capacidad de ver en superficies ópticamente opacas. ambientes. El proceso de visión se lleva a cabo visualizando, mediante sistemas óptico-electrónicos, imágenes invisibles para el ojo humano, creadas en rayos X, ultravioleta, infrarrojos (IR) y otros rangos del espectro electromagnético.
Las imágenes e imágenes ópticas son la forma más elevada de recibir, almacenar y transmitir información, así como su forma más conveniente y óptima para la percepción humana. Si observa una representación gráfica del espectro de radiación electromagnética, es fácil ver que el rango visible, es decir, el rango en el que una persona ve sin el uso de medios técnicos, ocupa solo una pequeña parte del mismo. Naturalmente, para obtener más información sobre el mundo que nos rodea o sobre objetos individuales, es necesario realizar la visión en otros rangos.
La gama IR del espectro es bastante interesante e informativa, debido a que es aquí donde se concentra la mayor parte de la radiación electromagnética propia de la mayoría de los objetos de origen natural y artificial que nos rodean. El rango de infrarrojos cubre longitudes de onda de 0,76 a 1000 µm (correspondientes a frecuencias de 300 a 0,3 THz). Esta región bastante amplia del espectro se divide convencionalmente en cinco rangos intermedios: cerca (0,76 — 1,1 micrones), onda corta (1,1 — 2,5 micrones), onda media (3,0 -5,5 micrones), larga -onda (8 — 14 µm) y onda larga (15 -1000 µm). A veces, los dos primeros rangos se combinan en uno por conveniencia (0,76 — 2,5 micrones).
Bandas IR 3 — 5,5 y 7 — 14 micrones son las zonas de trabajo del método de prueba no destructiva por imagen térmica. Cabe señalar que de particular interés es el rango más informativo de 8 a 14 micrones, que coincide completamente con la ventana más amplia de transparencia atmosférica y corresponde a la emisividad máxima de los objetos observados en el rango de temperatura de -50 a +500° C. .
El método de control por imágenes térmicas se basa en el hecho de que cualquier proceso que ocurre en la naturaleza y la actividad humana va acompañado de la absorción y liberación de calor, cambiando la energía interna del cuerpo, que en un estado de equilibrio termodinámico es proporcional a la temperatura del sustancia. Como resultado, las superficies de los cuerpos físicos adquieren una distribución de temperatura específica. La principal forma de implementar el método de imágenes térmicas es crear hardware que convierta la distribución de temperatura o la radiación IR en una imagen visible. La implementación de las capacidades del método de imagen térmica, que proporciona tanto la identificación de defectos internos en diversos objetos como una solución efectiva al problema de la visión nocturna, la detección de objetos ocultos (camuflados) o la implementación de actividades de búsqueda en condiciones climáticas difíciles. , condujo a la creación de una amplia gama de equipos de imágenes térmicas: portátiles, móviles y estacionarios. El principio de funcionamiento de los dispositivos termográficos se basa en la transformación bidimensional de la propia radiación térmica de los objetos y el terreno (o el fondo) en una imagen visible. La tecnología de imagen térmica tiene una serie de ventajas y capacidades únicas: detección de objetos remotos que emiten calor (objetivos) independientemente del nivel de luz natural y, hasta cierto punto, también — por interferencias térmicas o de otro tipo (humo, lluvia, niebla, nieve, polvo, etc.) El desarrollo de la tecnología de imágenes térmicas comenzó a principios de los años 60. Investigación y desarrollo de dispositivos en el siglo XX en dos direcciones principales:
- uso de receptores de radiación discretos junto con sistemas de escaneo (escaneo) de imágenes;
- uso de equipos sin escaneo mecánico basados en dos Receptores IR multidimensionales.
Hoy en día podemos distinguir aproximadamente cuatro generaciones de desarrollo de dicha tecnología.
Generación cerobasado en el uso de receptores con refrigeración única y escaneo bidimensional (línea y cuadro) mediante un sistema óptico-mecánico de escaneo;
Primera generación — sobre el uso de receptores de línea y escaneo de cuadros simplificado;
Segunda generación— en el uso de varias reglas agrupadas (con retardo de tiempo y acumulación) y un sistema de escaneo de baja velocidad. La segunda generación incluye dispositivos de vacío con escaneo electrónico del objetivo receptor: los piroconos.
La tercera generación, fundamentalmente nueva, se basa en el uso de la “visión simultánea” — receptores de radiación de plano focal (FPA — área de placa focal) y bidimensionales de estado sólido (matriz) multielemento (MPI), es decir, sin el uso de sistemas de escaneo óptico-mecánicos.
En los últimos años, el desarrollo de la tecnología de imágenes térmicas ha avanzado principalmente por el camino del uso de MPI de elementos múltiples no refrigerados, cuyas características físicas son muy altas y prácticamente no inferiores a los sistemas de refrigeración. Los sistemas de imágenes térmicas (TMS) modernos tienen características de peso, dimensiones y consumo de energía reducidos, proporcionan un funcionamiento silencioso e imágenes térmicas de alta calidad, un amplio rango dinámico cuando se opera en modo estándar de transmisión de televisión, procesamiento digital en tiempo real, comunicación con una computadora, etc. . y se dividen en dos clases principales:
- observacionales (que muestran);
- medición o radiométricos (termógrafos).
Los RTD de observación están diseñados para detectar, reconocer y visualizar objetos (u objetivos) remotos que emiten calor en un contexto de interferencia térmica. Estos sistemas pueden complementarse con canales autónomos que contienen, por regla general, un canal de televisión a escala y un canal para la medición remota de la temperatura con designación de objetivo láser, así como telémetros láser.
Arroz. 1. Resultados de la detección de varios objetos mediante un sistema de imágenes térmicas
Fig. 2. Transmitancia espectral de la atmósfera
Esta adición a los TPS observacionales les permite realizar parcialmente funciones de medición. Los TPS de medición (radiométricos) se utilizan principalmente para diagnósticos térmicos calificados de diversas instalaciones industriales, equipos, edificios, estructuras, mecanismos, etc. Cada una de estas clases de TPS tiene su propia aplicación práctica específica (nicho de mercado) y sus propias capacidades operativas. A continuación se considerarán los TPS observacionales, que ocupan un lugar especial en la resolución de tareas de búsqueda e inspección. Los TPS que realizan tales funciones junto con las de observación se denominan búsqueda e inspección, o simplemente búsqueda. Los RTD de búsqueda brindan la capacidad de ver a distancias considerables, independientemente del nivel de iluminación natural, la intensidad de la interferencia lumínica o el grado de transparencia de la atmósfera. Estos dispositivos son capaces de detectar la radiación térmica de objetos a través de medios que no son transparentes a la radiación visible e infrarroja cercana, pero sí a la radiación térmica: follaje, redes de camuflaje, una pequeña capa de tierra, un montón de objetos, etc., que Permite detectar objetos camuflados u ocultos. Los sistemas de búsqueda de imágenes térmicas se pueden utilizar para vigilancia, reconocimiento, localización de objetivos, seguridad de objetos, control de aduanas, resolución de problemas forenses, conducción de vehículos, búsqueda de heridos y lesionados como resultado de operaciones militares o desastres naturales, para detección de minas, etc. p.
Las capacidades del TPS de búsqueda para detectar y reconocer equipos y personas a distancias significativas se muestran en la Fig. 1, que muestra los resultados de la detección de varios objetos mediante un sistema de imágenes térmicas basado en una matriz de imágenes térmicas bolométricas no refrigeradas de formato de 320 x 240 elementos (tamaño de píxel de 50 micrones) con una distancia focal de lente de 100 mm. Estos son los resultados máximos de detección y reconocimiento que se pueden lograr. En la práctica, los mismos resultados parecerán algo más modestos, lo que se explica por condiciones de control subóptimas, menor transparencia de la atmósfera y una serie de otros factores que reducen las características del equipo. Estos factores se analizarán con más detalle a continuación.
La influencia de la atmósfera en el proceso de propagación de la radiación IR al observar objetos distantes se expresa en forma de atenuación de la radiación propia del objeto y se debe a dos factores principales:
- absorción de radiación , como resultado de lo cual su energía se convierte en otros tipos;
- atenuación o dispersión de la radiación.
El resultado de la acción de estos factores es un debilitamiento de la energía de la señal del objeto de prueba, una disminución del contraste de la imagen y una distorsión de su estructura espacial, lo que finalmente conduce a un deterioro de la calidad de la imagen y una disminución del rango de visión.
De hecho, según los conceptos de frecuencia espacial basados en el aparato matemático de la transformada de Fourier, la distribución espacial del brillo de cualquier objeto siempre se puede representar como un cierto conjunto (espectro) de frecuencias espaciales, cada componente del cual tiene una cierta amplitud y fase. Una capa de medio de dispersión (la atmósfera) transmite cada uno de estos componentes con un determinado coeficiente de transmisión que depende de la frecuencia espacial. Como resultado, el espectro de frecuencia espacial original se distorsiona.
Una descripción cuantitativa de todos los factores que afectan la calidad de la imagen IR y el rango de visión no está incluida en el alcance de este trabajo, ya que se trata de un proceso voluminoso y que requiere bastante mano de obra. Pongamos simplemente un ejemplo que demuestra la imagen clásica de la transmisión atmosférica para un trayecto superficial de 1 km de longitud (Fig. 2). La apariencia de la imagen presentada en el caso general depende de la concentración de sustancias absorbentes en la atmósfera, que cambia con la altura del camino (a menudo con la longitud), así como una serie de otros factores.
Convencionalmente, los TPS, según el alcance, se dividen en tres grupos:
- TPS de corto alcance: hasta 0,7 — 1 km según la altura humana y hasta 1,5 — 2 km en coche;
- TPS de autonomía media: respectivamente 1,2 -1,5 y 2 — 4 km, así como hasta 8 km en avión;
- TPS con rango aumentado, superando los valores correspondientes al rango promedio.
El TPS de búsqueda del primer grupo incluye cámaras termográficas portátiles de mano que pesan hasta 2 kg, miras pequeñas para armas pequeñas y dispositivos de vigilancia montados en cascos y cabezas. Los RTD de búsqueda del segundo grupo incluyen dispositivos de observación portátiles o montados temporalmente en un trípode. El tercer grupo de búsqueda TPS — Se trata de dispositivos colocados permanentemente equipados con ópticas de enfoque largo, así como sistemas de observación transportados o instalados en embarcaciones.
Los RTD de búsqueda modernos se basan en convertidores de radiación IR no refrigerados, que son multidimensionales bidimensionales de plano focal. -matrices de elementos capaces de percibir contrastes de temperatura de hasta 50 — 80 mK.
En el rango espectral de 8-14 µm en TPS no refrigerados, se utilizan como convertidores matrices focales de microbolómetro (MB) de gran formato y detectores multielementos basados en piroeléctricos o ferroeléctricos.
La principal ventaja de los sistemas MB — falta de refrigeración — los hace económicos en consumo de energía, más livianos y más baratos que los RTD refrigerados. Los sistemas MB son capaces de alcanzar el modo operativo en unos segundos. La segunda ventaja importante de los sistemas MB en comparación con otros sistemas no refrigerados, por ejemplo los basados en receptores de radiación piroeléctrica (PPR), es la capacidad de funcionar sin moduladores mecánicos. Los sistemas MB son silenciosos, lo cual es importante para trabajar bajo condiciones de vigilancia encubierta. La tercera ventaja importante es la sensibilidad de los receptores MB en un amplio rango espectral. Actualmente, se utiliza prácticamente el rango más común de 8 a 14 micrones, pero los MB son potencialmente adecuados para crear sistemas multiespectrales prometedores.
El formato de las matrices MB de la inmensa mayoría de los modelos, especialmente en el período inicial de su producción en serie, era de dos tipos: 320×215;240 y 160×215;120 elementos, y la sensibilidad a la temperatura igual al mínimo ruido- La diferencia de temperatura equivalente NETD (diferencia de temperatura equivalente de ruido), fue de 100 — 150 mK. En este caso, el tamaño del elemento de matriz fue de 50 x 50 µm. Un poco más tarde aparecieron matrices con un formato de 640×480 elementos, el tamaño de píxel disminuyó a 28×215;28 micrones y NETD alcanzó los 50 mK. El programa DARPA de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa para mejorar los sistemas de imágenes térmicas no refrigeradas (Advanced Uncooled Thermal Imaging Program) prevé la creación de un microbolómetro de formato 1280×960, un tamaño de píxel de 15 micrones con una resolución de temperatura de 10 mK. Actualmente ya se están produciendo matrices de 640 x 480 micrones con un tamaño de píxel de 17 micrones (L-3 Communication, EE. UU.), y se espera que para 2009 esta empresa produzca en serie matrices con un formato de 1280 x 1024 con un píxel de 17 micras y sensibilidad inferior a 20 mK. El uso de dichas matrices mejorará significativamente la resolución espacial y de temperatura del RTD.
En cuanto a otro tipo de receptores IR de matriz no refrigerados, — PPI, entonces en sensibilidad son algo inferiores a las matrices MB. NETD TPI no supera los 80 mK, el valor típico está dentro de 100 — 150 mK. El formato más utilizado es — 320×240 elementos. Recientemente han aparecido matrices con un formato de 640×512 y 512×215;256 píxeles. Existe un área de aplicación de las matrices piroeléctricas donde tienen una clara ventaja sobre las matrices bolométricas, — Se trata de sistemas de observación las 24 horas, durante el funcionamiento de los cuales existe la posibilidad de exposición solar directa a la zona sensible de la matriz. La probabilidad de fallo en este caso de la matriz piroeléctrica es significativamente menor que la de la matriz bolométrica.
Tabla 1. Criterios de Johnson
| Nivel de visión |