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

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 = РТЗ^а x С^б x ВР^в x ВПП^г x ВП^д x СГП^е x ВТК^ж x ВМО^з x СЭТ^и x СЭН^к x СЭР^л x СРМ^м x СО^н x СИЗБ^о х СУС^п, (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 = ДР^р x УПЗ^с x ТИД^т x ТИК^у x О^ф x М^х x Э^ц ВН^ч x Р^ш (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 τ_a τ_o d_вх.зр. b² ε ΔT A) (4Ψ (Δf_ш)^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 Гц^1/2,

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

τ_a – пропускание атмосферы,

τ_o – пропускание объектива и окуляра,

d_вх.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),

Δf_ш – эффективная полоса шумов (при частоте кадров F_к = 50 Гц Δf_ш = 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 Σr_λ k_λ λ^-1 = 2,3 x10^-4 Вт см^-2 К^-1 (5),

где

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

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

k_λ – 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) = T_о(N) T_ФПМ(N) T_эл(N) T_инд(N) T_ок(N) (6),

где

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

T_ФПМ(N) — коэффициент передачи контраста ФПМ,

T_эл(N) — функция передачи модуляции электронного канала,

T_инд(N) — коэффициент передачи контраста индикатора ТПВ,

T_ок(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
№ п/п	Наименование параметра	МБМ	PbSe
1	Удельная обнаружительная способность, Вт см^-1 Гц^1/2	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
№ п/п	Наименование параметра	ФПМ МБ	ФПМ PbSe
1	Удельная обнаружительная способность, Вт см^-1 Гц^1/2	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
№ п/п	Наименование 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
№ п/п	Наименование 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:

Гейхман И.Л. Видение и безопасность / И.Л. Гейхман, В.Г. Волков — М.: Новости, 2009. — 840 с.
Волков В.Г. Повышение эффективности разработок приборов ночного видения / В.Г. Волков // Специальная техника. – 2005. — № 3. – С.2.
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.
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.[schema type=»book» name=»ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ТЕПЛОВИЗИОННОГО ПРИБОРА НАБЛЮДЕНИЯ НА ОСНОВЕ ФОКАЛЬНО-ПЛОСКОСТНОЙ МАТРИЦЫ ФОТОПРИЕМНИКОВ » author=»Волков Виктор Генрихович, Гиндин Павел Дмитриевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-06-19″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)» ebook=»yes» ]

euroasia

Похожие записи