30 Дек

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ТЕПЛОВИЗИОННОГО ПРИБОРА НАБЛЮДЕНИЯ НА ОСНОВЕ ФОКАЛЬНО-ПЛОСКОСТНОЙ МАТРИЦЫ ФОТОПРИЕМНИКОВ




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

В настоящее время существует возможность создания тепловизионных приборов (ТВП) наблюдения третьего поколения [1] на основе либо фокально-плоскостной матрицы (ФПМ) микроболометров (МБ), либо на основе ФПМ фотоприемников на базе селенида свинца (PbSe). Произведем сравнительный анализ этих ТВП с целью выбора оптимального варианта.

Методика проведения сравнительного анализа имеющихся отечественных и зарубежных аналогов изделий и/или технологий, предлагаемых предприятиями промышленности разработчиками оптико-электронных систем (ОЭС), предполагает оценку степени рациональности построения ОЭС (РОЭС) для последующего их сравнения по следующей формуле [2]:

РОЭС = РТЗа x Сб x ВРв x ВППг x ВПд x СГПе x ВТКж x ВМОз x СЭТи x СЭНк x СЭРл x СРМм x СОн x СИЗБо х СУСп,                                                                  (1),

где РОЭС – рациональность ОЭС;

РТЗ – рациональность ОЭС с точки зрения выполнения требований ТТЗ;

С – стоимость;

ВР – время на разработку ОЭС;

ВПП – время на подготовку производства;

ВП – время на производство;

СГП – степень готовности производства к освоению схемы ОЭС;

ВТК – возможность создания технологичной и простой конструкции на основе схемы ОЭС;

ВМО – возможность метрологического обеспечения;

СЭТ – степень удовлетворения эксплуатационных требований по стойкости к механическим, климатическим и специальным воздействиям;

СЭН – степень эксплуатационной надежности;

СЭР – степень эргономичности;

СРМ – степень ремонтопригодности;

СО – степень обучаемости обслуживающего персонала;

СИЗБ – использование зарубежной элементной базы;

СУС – степень унификации и стандартизации;

РТЗ определяется по формуле [2]:

РТЗ = ДРр x УПЗс x ТИДт x ТИКу x Оф x Мх x Эц ВНч x Рш                                  (2),

где ДР – дальность распознавания;

УПЗ – угол поля зрения;

ТИД – точность измерения дальности;

ТИК – точность измерения координат;

О – объем (габариты) ТВП;

М – масса ТВП;

Э – энергопотребление ТВП;

ВП – время непрерывной работы ТВ,

Р- ресурс работы ТВП.

Показатели степени при всех компонентах формул (1, 2) назначаются в балльной системе по результатам анализа требований заказчика и обработки статистических данных экспертной оценки. В зависимости от характера применения ОЭС отдельные компоненты формул (1, 2) могут быть объединены или опущены.

Расчет дальности действия ТПВ третьего поколения может быть выполнен по методике работы [1]. По этой методике дальность действия может быть рассчитана по формуле:

D = ((104 D* α2 τa τo dвх.зр. b2 ε ΔT A) (4Ψ (Δfш)0,5 f’об2)-1 ΔW/T T(N))0,5             (3),

где:

D – дальность обнаружения (распознавания) объектов, м,

D* — среднее в спектральном диапазоне λ1, λ2 чувствительности фокально-плоскостной матрицы (ФПМ) значение удельной обнаружительной способности, Вт см-1 Гц1/2,

α – коэффициент заполнения ФПМ (α = 0,8 – 1,0),

τa – пропускание атмосферы,

τo – пропускание объектива и окуляра,

dвх.зр. – диаметр входного зрачка объектива, м,

b – размер элемента разложения (для ростовой фигуры человека b2 = 0,25х0,25 м2),

ε – излучательная способность объекта, ε = 0,9,

ΔT – температурный контраст, ΔT = 1,5 К,

А – диагональ матрицы ФПМ (например, для ФПМ 320х240 элементов А = 2 см),

Ψ – отношение сигнал/шум, соответствующее высококачественному изображению (для микроболометрической матрицы 320х240 элементов Ψ = 30),

Δfш – эффективная полоса шумов (при частоте кадров Fк = 50 Гц Δfш = 50 Гц),

f’об – фокусное расстояние объектива, м,

f’об = D а b-1                                                                                                          (4),

где а – размер фоточувствительного элемента ФПМ, м

ΔW/T = С2 Т-2 Δλ Σrλ kλ λ-1 = 2,3 x10-4 Вт см-2 К-1                                             (5),

где

С2 = 1,44х104 мкм К – постоянная Стефана – Больцмана из закона Планка,

rλ – значение спектральной плотности потока излучения для длины волны λ,

kλ – относительное значение чувствительности ФПМ для длины волны λ,

Δλ – шаг суммирования, мкм,

λ1, λ2 – 8 – 13 мкм

T(N) – коэффициент передачи контраста (функция передачи модуляции) ТПВ:

T(N) = Tо(N) TФПМ(N) Tэл(N) Tинд(N) Tок(N)                                                      (6),

где

Tо(N) – коэффициент передачи контраста входной оптики (объектива),

TФПМ(N) — коэффициент передачи контраста ФПМ,

Tэл(N) — функция передачи модуляции электронного канала,

Tинд(N) — коэффициент передачи контраста индикатора ТПВ,

Tок(N) — коэффициент передачи контраста окуляра ТПВ прибора.

Угол поля зрения ТВП рассчитывается по формуле:

2 arctg ω = 2 tg 0,5 a (f’об)-1                                                                              (7)

Исходные данные для расчета дальности распознавания ростовой фигуры человека (РФЧ) представлены в таблице 1.

                                                                                                                      Таблица 1.

Исходные данные для расчета дальности распознавания ростовой фигуры человека (РФЧ) в ТВП приборы и их углов поля зрения на ФПМ МБ и ФПМ на базе PbSe.

№ п/п Наименование параметра Численное значение параметра
МБМ PbSe
1 Удельная обнаружительная способность, Вт см-1 Гц1/2 1010 4,0х1010
2 Коэффициент заполнения матрицы фотоприемников 1 0,8
3 Пропускание атмосферы на 1 км при МДВ = 10 км 0,99 0,98
4 Пропускание объектива и окуляра 0,72 0,72
5 Диаметр входного зрачка объектива, м, 0,1 0,1
6 Размер элемента разложения РФЧ, м 0,25 0,25
7 Излучательная способность объекта 0,9 0,75
8 Температурный контраст, К 1,5 1,5
9 Диагональ матрицы фотоприемников, см 2 2
10 Отношение сигнал/шум 30 30
11 Эффективная полоса шумов, Гц 50 50
12 Фокусное расстояние объектива, м 0,1 0,1
13 Размер фоточувствительного элемента ФПМ, м (35х35) 10-6

 

(35х35) 10-6

 

14 Коэффициент передачи контраста входной оптики (объектива) 0,5 0,5
15 Коэффициент передачи контраста матрицы фотоприемников 0,5 0,5
16 Функция передачи модуляции электронного канала 0,7 0,7
17 Коэффициент передачи контраста индикатора ТПВ 0,8 0,8
18 Коэффициент передачи контраста окуляра ТПВ 0,95 0,95

 

19 Число фоточувствительных элементов  (ФЧЭ) в матрице фотоприемников  

320х240

 

320х240

20 Габаритные размеры ФПМ, мм 15,85х12,2 15,85х12,2

Основные параметры ФПМ фотоприемников приведены в таблице 2.

                                                                                                   Таблица 2.

Основные параметры ФПМ фотоприемников.

№ п/п Наименование параметра Численное значение параметра
ФПМ МБ ФПМ PbSe
1 Удельная обнаружительная способность,

Вт см-1 Гц1/2

2х1010 4,1х1010
2 Рабочая область спектра, мкм 8 — 14 1 – 5,5
3 Формат матрицы фотоприемников 320х240 320х240
4 Размер фоточувствительного элемента, мкм 35х35 35х35
5 Время выхода на рабочий режим, с, менее 5 120
6 Быстродействие, с 12х10-3 50х10-6
7 Напряжение питания, В 6 6
8 Потребляемая мощность в установившемся режиме, Вт, не более  

2

 

5

9 Масса, кг, не более 0,05 0,15
10 Наличие термоэлектрической системы охлаждения (ТЭО)  

Нет

 

Есть

11 Время непрерывной работы, час 8 5

Исходные данные для расчета рациональности ТВП с точки зрения выполнения требований ТТЗ представлены в таблицах 3 — 5.

                                                                                                                       Таблица 3.

Исходные данные для расчета рациональности ОЭС (РТЗ) с точки зрения выполнения требований ТТЗ.

№ п/п Наименование параметра Численное значение параметра
ФПМ МБ ФПМ PbSe
1 ДР, км 1,436 1,5
2 УПЗ, град 9х7 9х7
3 ТИД, м 5
4 ТИК, т.д. 1 1
5 О, дм3 7 9
6 М, кг 1,5 1,8
7 Э, Вт 3,5 9
8 ВН, час 8 5
9 Р, час 1000 500

                                                                                                                      Таблица 4.

Исходные данные для расчета степени рациональности построения ОЭС (РОЭС).

№ п/п Наименование параметра Численное значение параметра
ФПМ МБ ФПМ PbSe
1 РТЗ 124х109 15,4х109
2 С, тыс. руб. 180 120
3 ВР, лет 1 1
4 ВПП, лет 0,5 0,5
5 ВП, месяцы 1,0 1,0
6 СГП, % 100 100
7 ВТК, % 100 100
8 ВМО, % 100 100
9 СЭТ, % 100 100
10 СЭН, % 100 100
11 СЭР, % 100 100
12 СРМ, % 100 100
13 СО 100 100
14 СИЗБ, % 20 1
15 СУС, % 100 100

                                                                                                             Таблица 5.

\Значения показателей степени при параметрах в формулах 1.2, назначенные по итогам экспертного опроса.

а 1 и 4 с 4
б  — 4 к 4 т  — 3
в  — 4 л 4 у  — 3
г  — 3 м 4 ф  — 3
д  — 3 н 3 х  — 3
е 4 о  — 1 (да)

0 (нет)

ц  — 3
ж 4 п 4 ч 2
з 4 р 5 щ 2

В результате расчета по формулам 3 – 6 получены следующие данные распознавания РФЧ:

 — для ТВП на основе ФПМ МБ:843 м

 — для ТВП на основе ФПМ PbSe: 871 м

В результате расчета по формуле (7) угол поля зрения составляет:

— для ТВП на основе ФПМ МБ: 9º04′ х 6º58′ или 9х7º

 — для ТВП на основе ФПМ PbSe: 9º04′ х 6º58′ или 9х7º.

Таким образом, при одинаковых углах поля зрения ТВП на основе ФПМ PbSe имеет небольшое преимущество по дальности распознавания.

Из таблицы 3 следует, что по массе, габаритам, энергопотреблению, времени непрерывной работе и ресурсу преимущество имеет ТВП на основе ФПМ МБ, но он не обеспечивает измерение дальности до объекта наблюдения.

Из расчетов по формулам 1,2 с использованием данных таблиц 3,5 следует. что

РОЭС составляет:

— для ТВП на основе ФПМ МБ: 2,1х1066

 — для ТВП на основе ФПМ PbSe: 4,92х1066

Таким образом, ТВП на основе ФПМ PbSe по всей совокупности показателей рациональнее ТВП на основе ФПМ МБ в 2,34 раза.

Следует, однако, ТАКЖЕ отметить дополнительные преимущества и ТВП на основе ФПМ PbSe по сравнению с ТВП на основе ФПМ МБ:

 — за счет работы в области спектра 1 – 5,5 мкм и небольшого быстродействия (50 мкс) ТПВ на основе ФПМ PbSe может воспринимать излучение безопасных для глаз лазерных дальномеров с длиной волны 1,54 мкм и 1,7 мкм;

 — с помощью ТВП на основе ФПМ PbSe возможно обнаружение излучения факелов ракетных двигателей, работающих в области спектра 1 – 5 мкм [3];

 — ТВП на основе ФПМ PbSe в области спектра 1 – 5,5 мкм дает возможность работать в условиях повышенной влажности над морской поверхностью [4];

 — в работе [4] показано, что представляется наиболее целесообразным создание 2-х канального ТВП с рабочими диапазонами длин волн 1 – 5 мкм и 8 – 12 мкм; с этой точки зрения применение ТВП на основе матрицы PbSe в качестве канала такого прибора вполне оправдано.

Таким образом, ТВП на основе ФПМ PbSe может быть рекомендован к практическому применению.

Список литературы:

  1. Гейхман И.Л. Видение и безопасность / И.Л. Гейхман, В.Г. Волков — М.: Новости, 2009. — 840 с.
  2. Волков В.Г. Повышение эффективности разработок приборов ночного видения / В.Г. Волков // Специальная техника. – 2005. — № 3. – С.2.
  3. Тиранов А.Д., Филиппов В.Л. Расчет спектральной плотности силы излучения факелов ракетных двигателей на твердом топливе / Тиранов А.Д., Филиппов В.Л. // Оптический журнал – 2012. — № 3. – С.77.
  4. Макаров А.С., Омелаев А.И., Филиппов В.Л. Введение в технику разработки и оценки сканирующих тепловизионных систем / Макаров А.С., Омелаев А.И., Филиппов В.Л – Казань: Издательство «Унипресс», 1998. — 320 с.
    ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ТЕПЛОВИЗИОННОГО ПРИБОРА НАБЛЮДЕНИЯ НА ОСНОВЕ ФОКАЛЬНО-ПЛОСКОСТНОЙ МАТРИЦЫ ФОТОПРИЕМНИКОВ
    Written by: Волков Виктор Генрихович, Гиндин Павел Дмитриевич
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 06/19/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)
    Available in: Ebook