Возможности тепловизионного метода неразрушающего контроля в решении антитеррористических задач.

Возможности тепловизионного метода неразрушающего контроля в решении антитеррористических задач

КОВАЛЕВ Алексей Алексеевич
КОВАЛЕВ Алексей Васильевич, профессор, доктор технических наук

Источник: Журнал «Специальная Техника» № 6 2007 год

Все, что связано с терроризмом и безопасностью, обсуждается в настоящее время с большим энтузиазмом, на разных уровнях, с различным итоговым результатом. Это бесспорно необходимо и актуально, но при этом необходимо понимать, что проблемы безопасности требуют тщательного исследования, изучения и анализа с обязательным прогнозированием итогового результата. Такой процесс принято называть диагностикой.

Диагностика в ее широком понимании — основа безопасности. Вся жизнь человека, от начала и до конца, в течение многих столетий сопровождается диагностированием — от шлепка только что родившемуся малышу, чтобы он закричал, до прикладывания зеркала ко рту, чтобы убедиться, что человек еще дышит. Как медицина, так и безопасность должны сопровождаться диагностикой с помощью известных методов и средств исследования. В основе подавляющего числа всех чрезвычайных событий и террористических актов лежит отсутствие эффективной диагностики. Диагностика — это техническое и методическое обеспечение безопасности, ее главный интеллект. Если говорить об антитеррористическом аспекте безопасности, то в этом случае антитеррористическую и криминалистическую диагностику (АТКД) можно определить как совокупность принципов, методов и средств предотвращения и предупреждения террористических актов и других криминальных проявлений или, другими словами, как активную составляющую технического обеспечения безопасности страны, общества и предотвращения терроризма.

Цель настоящей работы — дальнейшее рассмотрение возможностей методов неразрушающего контроля (НК) для предотвращения террористических актов и повышения безопасности общества, более конкретно — рассмотрение тепловизионных методов контроля, его особенностей, этапов развития и современного аппаратурного арсенала. Общеизвестно, что высокая информативность и широчайшие потенциальные возможности методов НК обусловлены использованием практически всего частотного диапазона электромагнитного спектра, что позволяет создавать технические средства, обладающие возможностью видения в оптически непрозрачных средах. Процесс видения осуществляется путем визуализации с помощью оптико-электронных систем невидимых человеческому глазу изображений, создаваемых в рентгеновском, ультрафиолетовом, инфракрасном (ИК) и других диапазонах электромагнитного спектра.

Оптические изображения и образы являются высшей формой получения, хранения и передачи информации, а также ее наиболее удобным, оптимальным видом для восприятия человеком. Если посмотреть на графическое изображение спектра электромагнитного излучения, то нетрудно увидеть, что видимый диапазон, то есть диапазон, в котором видит человек без применения технических средств, занимает лишь его небольшую часть. Естественно, что для получения большей информации об окружающем нас мире или об отдельных объектах необходимо осуществлять видение в других диапазонах.

Достаточно интересным и информативным является ИК-диапазон спектра, что обуславливается тем, что именно здесь сосредоточена основная доля собственного электромагнитного излучения большинства окружающих нас объектов естественного и искусственного происхождения. ИК-диапазон охватывает длины волн от 0,76 до 1000 мкм (что соответствует частотам от 300 до 0,3 ТГц ). Эта достаточно широкая область спектра условно делится на пять промежуточных диапазонов: ближний (0,76 — 1,1 мкм), коротковолновый (1,1 — 2,5 мкм), средневолновый (3,0 -5,5 мкм), длинноволновый (8 — 14 мкм) и дальний (15 -1000 мкм). Иногда два первых диапазона для удобства объединяют в один (0,76 — 2,5 мкм).

ИК-диапазоны 3 — 5,5 и 7 — 14 мкм являются рабочими зонами тепловизионного метода неразрушающего контроля. Следует отметить, что особый интерес вызывает более информативный диапазон 8-14 мкм, полностью совпадающий с наиболее широким окном прозрачности атмосферы и соответствующий максимальной излучатель-ной способности наблюдаемых объектов в температурном диапазоне от -50 до +500° С.

Тепловизионный метод контроля основан на том, что любые процессы, происходящие в природе и человеческой деятельности, сопровождаются поглощением и выделением тепла, изменяя внутреннюю энергию тела, которая в состоянии термодинамического равновесия пропорциональна температуре вещества. В результате этого поверхности физических тел приобретают специфическое температурное распределение. Основным путем реализации тепловизионного метода является создание аппаратурных средств, обеспечивающих преобразование температурного распределения или ИК-излучения в видимое изображение. Реализация возможностей тепловизионного метода, обеспечивающего как выявление внутренних дефектов в различных объектах, так и эффективного решения проблемы ночного видения, обнаружения скрытых (замаскированных) объектов или осуществления поисковых мероприятий в сложных метеоусловиях, обусловила создание широкого спектра тепловизионных аппаратурных средств -портативных, мобильных, стационарных. В основу принципа действия тепловизионных приборов положено двумерное преобразование собственного теплового излучения от объектов и местности (или фона) в видимое изображение. Тепловизионная техника обладает рядом достоинств и присущих только ей возможностей: обнаружение удаленных теплоизлучающих объектов (целей) независимо от уровня естественной освещенности, а также до определенной степени — от тепловых или других помех (дыма, дождя, тумана, снега, пыли и т.п.) Начало развития тепловизионной техники было положено в начале 60-х гг. XX столетия исследованиями и разработкой приборов по двум основным направлениям:

• с использованием дискретных приемников излучения совместно с системами сканирования (развертки) изображения;
• с использованием аппаратуры без механического сканирования на базе двумерных ИК-приемников.

Сегодня можно условно выделить четыре поколения развития такой техники.

Нулевое поколение основано на применении единичных охлаждаемых приемников и двумерной (строчной и кадровой) развертки с помощью сканирующей оптико-механической системы;

Первое поколение — на применении строчных линеек приемников и упрощенной кадровой развертки;

Второе поколение — на использовании сгруппированных нескольких линеек (с временной задержкой и накоплением) и низкоскоростной системой развертки. Ко второму поколению относят вакуумные приборы с электронным сканированием приемной мишени -пироконы.

Принципиально новое третье поколение основано на применении «одновременно смотрящих» — фокально-плоскостных (FPA — Focal Plate Area) и двумерных твердотельных многоэлементных (матричных) приемников излучения (МПИ), то есть без использования оптико-механических систем развертки.

В последние годы развитие тепловизионной техники идет в основном по пути применения неохлаждаемых многоэлементных МПИ, физические характеристики которых весьма высоки и практически не уступают охлаждающим системам. Современные тепловизионные системы (ТПС) имеют малые массо-габаритные характеристики и энергопотребление, обеспечивают бесшумную работу и высокое качество тепловизионного изображения, широкий динамический диапазон при работе в режиме вещательного телевизионного стандарта, цифровую обработку в реальном масштабе времени, связь с ЭВМ и т.п. и делятся на два основных класса:

• наблюдательные (показывающие);
• измерительные, или радиометрические (термографы).

Наблюдательные ТПС предназначены для обнаружения, распознавания и визуализации на фоне тепловых помех удаленных теплоизлучающих объектов (или целей). Такие системы могут дополняться автономными каналами, содержащими, как правило, отмасштабированный телевизионный канал и канал дистанционного измерения температуры с лазерным целеуказанием, а также лазерными дальномерами.

Рис. 1. Результаты обнаружения различных объектов тепловизионной системой

Рис. 2. Спектральный коэффициент пропускания атмосферы

Такое дополнение наблюдательных ТПС позволяет им частично выполнять измерительные функции. Измерительные  (радиометрические) ТПС используются преимущественно для квалифицированной тепловой диагностики   различных   промышленных объектов, техники, зданий, сооружений, механизмов и т.п. Каждый из этих классов ТПС имеет свою специфику практического применения (рыночную нишу) и свои эксплуатационные возможности. Далее будут рассмотрены наблюдательные ТПС, которые занимают особое место при решении поисковых и досмотровых задач. ТПС, выполняющие такие функции наряду с наблюдательными, называют поисково-досмотровыми, или просто поисковыми. Поисковые ТПС обеспечивают возможность видения на значительных расстояниях независимо от уровня естественной освещенности, интенсивности световых помех, степени прозрачности атмосферы. Эти приборы способны регистрировать тепловое излучение от объектов через среды, не прозрачные для видимого и ближнего ИК-излучения, но прозрачные для теплового излучения: листва, маскировочные сети, небольшой слой земли, нагромождение предметов и пр., что дает возможность обнаруживать замаскированные или скрытые объекты. Поисковые тепловизионные    системы    могут использоваться для круглосуточного всепогодного наблюдения, разведки, прицеливания, сопровождения целей, охраны объектов, таможенного контроля, для решения криминалистических задач, вождения транспортных средств, поиска раненных и пострадавших в результате военных действий или стихийных бедствий, для обнаружения мин и т.п.

Возможности  поисковых  ТПС  по обнаружению и распознаванию техники и людей на значительных расстояниях демонстрирует рис. 1, где показаны результаты обнаружения различных объектов тепловизионной системой на основе неохлаждаемой болометрической   тепловизионной матрицы формата 320×240 элементов (размер пикселя 50 мкм) с объективом фокусным расстоянием 100 мм. Здесь представлены предельно достижимые результаты обнаружения и распознавания. На практике те же результаты будут выглядеть несколько более скром но, что объясняется неоптимальными условиями контроля, пониженной прозрачностью атмосферы и рядом других факторов, снижающих характеристики аппаратуры. Более подробно эти факторы будут рассмотрены ниже.

Влияние атмосферы на процесс распространения ИК-излучения при наблюдении за удаленными объектами выражается в виде ослабления собственного излучения объекта и обусловлено двумя основными факторами:

• поглощением излучения, в результате которого происходит преобразование его энергии в другие виды;
• ослаблением или рассеянием излучения.

Результатом действия указанных факторов является ослабление энергии сигнала от объекта контроля, снижение контраста изображения, искажение его пространственной структуры, что в итоге приводит к ухудшению качества изображения и уменьшению дальности видения.

Действительно,  согласно  пространственно-частотным представлениям, основанным на математическом аппарате преобразования Фурье, пространственное распределение яркости любого объекта всегда можно представить в виде некоторого набора (спектра) пространственных частот, каждая составляющая которого имеет определенную амплитуду и фазу. Слой рассеивающей среды (атмосфера) пропускает каждую из этих составляющих с некоторым коэффициентом передачи, зависящим от пространственной частоты. В результате первоначальный пространственно-частотный спектр искажается.

Количественное описание всех факторов, влияющих на качество ИК-изображения и дальность видения, не входит в задачи настоящей работы, поскольку это достаточно трудоемкий и объемный процесс. Приведем лишь пример, демонстрирующий классическую картину пропусканияатмосферы для приземной трассы длиной 1 км (рис. 2). Вид представленной картины в общем случае зависит от концентрации в атмосфере поглощающих веществ, изменяющейся с высотой трассы (часто и с длиной), а также ряда других факторов.

Условно ТПС в зависимости от дальности действия делятся на три группы:

• ТПС малой дальности действия: до 0,7 — 1 км по ростовой фигуре человека и до 1,5 — 2 км по автомашине;
• ТПС средней дальности действия: соответственно 1,2 -1,5 и 2 — 4 км, а также до 8 км по самолету;
• ТПС повышенной дальности действия, превышающей значения, соответствующие средней дальности.

К поисковым ТПС первой группы относятся удерживаемые в руках портативные тепловизоры весом до 2 кг, малогабаритные прицелы для стрелкового оружия, нашлемные и наголовные приборы наблюдения. К поисковым ТПС второй группы относятся носимые или временно устанавливаемые на штативе приборы наблюдения. Третья группа поисковых ТПС — это стационарно размещаемые приборы, оснащенные длиннофокусной оптикой, а также возимые или устанавливаемые на плавсредствах системы наблюдения.

В основе современных поисковых ТПС лежат неохлажда-емые преобразователи ИК-излучения, представляющие собой фокально-плоскостные двумерные многоэлементные матрицы, способные воспринимать температурные контрасты до 50 — 80 мК.

В спектральном диапазоне 8-14 мкм в неохлаждаемых ТПС используются в качестве преобразователей микроболометрические (МБ) фокальные матрицы большого формата и многоэлементные приемники на основе пиро-электриков или сегнетоэлектриков.

Основное преимущество МБ-систем — отсутствие охлаждения — делает их экономичными по потребляемой мощности, более легкими и более дешевыми, чем охлаждаемые ТПС. МБ-системы способны выходить на рабочий режим за несколько секунд. Вторым важным преимуществом МБ-систем по сравнению с другими неохлаждаемыми системами, например на пироэлектрических приемниках излучения (ППИ), является возможность работы без механических модуляторов. МБ-системы являются бесшумными, что немаловажно для работы в условиях скрытого наблюдения. Третьим важным преимуществом является чувствительность МБ-приемников в широком спектральном диапазоне. В настоящее время практически используется наиболее распространенный диапазон 8-14 мкм, но МБ потенциально пригодны для создания перспективных многоспектральных систем.

Формат МБ-матриц подавляющего числа моделей, особенно на начальном периоде их серийного выпуска, был двух типов: 320×240 и 160×120 элементов, а температурная чувствительность, равная минимальной эквивалентной шуму разности температур NETD (Noise Equivalent Temperature Difference), составляла 100 — 150 мК. При этом размер элемента матрицы составлял 50×50 мкм. Несколько позднее появились матрицы форматом 640×480 элементов, размер пикселя уменьшился до 28×28 мкм, a NETD достигла 50 мК. Программа совершенствования неохлаждаемых тепловизионных систем (Advanced Uncooled Thermal Imaging Program) Агентства по перспективным оборонным научно-исследовательским проектам (Defense Advanced Research Projects Agency — DARPA) предусматривает создать микроболометр формата 1280×960, размером пикселей 15 мкм при температурном разрешении 10 мК. В настоящее время уже производятся матрицы размером 640×480 мкм при размере пикселя 17 мкм (L-3 Communication, США), а к 2009 г. ожидается серийный выпуск этой фирмой матриц форматом 1280×1024 с пикселем 17 мкм и чувствительностью менее 20 мК. Применение таких матриц значительно улучшит пространственное и температурное разрешение ТПС.

Что касается другого типа неохлаждаемых матричных ИК-приемников — ППИ, то по чувствительности они несколько уступают МБ-матрицам. NETD ППИ не превышает 80 мК, типичное значение лежит в пределах 100 — 150 мК. Наиболее используемый формат — 320×240 элементов. В последнее время появились матрицы форматом 640×512 и 512×256 пикселей. Существует сфера применения пироэлектрических матриц, где они имеют явное преимущество над болометрическими, — это круглосуточные системы наблюдения, при работе которых имеется вероятность прямого солнечного воздействия на чувствительную область матрицы. Вероятность выхода из строя в этом случае пироэлектрической матрицы значительно ниже, чем болометрической.

Таблица 1. Критерии Джонсона