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:
- 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» ]