热像观察系统及其在海洋调查测量船上的应用

2022-05-01 10:25:02 | 浏览次数：

摘要:随着红外热成像技术的成熟和各种热成像仪成本的逐步降低,热成像技术得到了广泛的应用。针对目前海洋调查测量船上配备的普通视频监控系统监控功能的不足,引入采用红外热成像技术的热像观察系统,详细论述了热像观察系统的工作原理、特点及其在大中型综合海洋调查船上的重要应用。

关键词:热成像技术;红外探测器;调查测量船;监视系统;探测器

中图分类号:TN919 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)21-176-03

Thermal Imaging System and Its Application in Ocean Survey Ship

DENG Yufen,SHEN Ming,ZHANG Mingliang,WANG Chuan

(Naval Institute of Hydrographic Surveying and Charting,Tianjin,300061,China)

Abstract:With the mature of infrared thermal imaging technology and the cost reduction of various thermal imager,thermal imaging technology is widely applied.Aiming at the absence of normal video monitoring system equipping in the marine survey ships,thermal imaging observation system adopting infrared thermal imaging technology is introduced.The working principle,characteristics of thermal imaging observation system and its important application in the large-medium marine comprehensive survey ships are discussed in detail.

Keywords:thermal imaging technology;infrared detector;survey measurement ship;detection system;detector

目前海洋调查测量船上都配备有普通的电视监视系统用以延伸视觉,但普通的视频监控很难做到全天候及雨、雾等恶劣的气候条件下的监控。如夜晚没有可见光,普通视频监控也就失去了其监控功能。而船载热像观察系统采用的红外热成像技术,是被动接受目标自身的红外热辐射,无论雨雾、白天黑夜24 h均可以处于运行状态而正常工作,并随时对背景资料进行分析,一旦发现变化,可以及时发出预/报警。

1 热像观察系统的组成及工作原理

红外热成像技术是一种被动红外夜视技术,其原理是基于自然界中一切温度高于绝对零度(-273 ℃)的物体,每时每刻都辐射出红外线,同时这种红外线辐射都载有物体的特征信息,这就为利用红外技术判别各种被测目标的温度高低和热分布场提供了客观的基础。利用这一特性,通过光电红外探测器将物体发热部位辐射的功率信号转换成电信号后,成像装置就可以一一对应地模拟出物体表面温度的空间分布,最后经系统处理,形成热图像视频信号,传至显示屏幕上,就得到与物体表面热分布相对应的热像图,即红外热图像。

新一代非致冷焦平面红外热成像系统原理方框图如图1所示。非致冷焦平面红外热成像系统由光学系统、光谱滤波、红外探测器阵列、输入电路、读出电路、视频图像处理、视频信号形成、时序脉冲同步控制电路、监视器等组成。

系统的工作原理由光学系统接收被测目标的红外辐射经光谱滤波将红外辐射能量分布图形反映到焦平面上的红外探测器阵列的各光敏元上,探测器将红外辐射能转换成电信号,由探测器偏置与前置放大的输入电路输出所需的放大信号,并注入到读出电路,以便进行多路传输。高密度、多功能的CMOS多路传输器的读出电路能够执行稠密的线阵和面阵红外焦平面阵列的信号积分、传输、处理和扫描输出,并进行A/D转换,以送入微机作视频图像处理。由于被测目标物体各部分的红外辐射的热像分布信号非常弱,缺少可见光图像那种层次和立体感,因而需进行一些图像亮度与对比度的控制、实际校正与伪彩色描绘等处理。经过处理的信号送入到视频信号形成部分进行D/A转换并形成标准的视频信号,最后通过电视屏或监视器显示被测目标的红外热像图。红外焦平面阵列的工作性能除了与探测器性能如量子效率、光谱响应、噪声谱、均匀性等有关外,还与探测器探测信号的输出性能有关,如输入电路中的电荷存储、均匀性、线性度、噪声谱、注入效率,读出电路中的电荷转移效率、电荷处理能力、串扰等。

2 热像观察系统的特点

(1) 红外热成像技术是一种被动式的非接触的检测与识别,隐蔽性好。由于红外热成像技术是一种对目标的被动式的非接触的检测与识别,因而隐蔽性好,不容易被发现,从而使红外热成像仪的操作者更安全、更有效。

(2) 红外热成像技术不受电磁干扰,能远距离精确跟踪热目标,精确制导。由于红外热成像技术利用的是热红外线,因而不受电磁干扰。采用先进热成像技术的红外搜索与跟踪系统,能远距离精确跟踪热目标,并可同时跟踪多个目标,使武器发挥最佳效能。红外热成像技术可精确制导,使制导武器具有较高的智能性和发射后不用管的能力,并可寻找最重要的目标予以摧毁,从而大幅度提高了弹药的命中精度,使其作战威力呈几十倍的提高。

(3) 红外热成像技术能真正做到24 h全天候监控红外辐射是自然界中存在最为广泛的辐射。大气、烟云等可吸收可见光和近红外线,但是对3～5 m和8～14 m的红外线却是透明的,这两个波段被称为红外线的“大气窗口”。因此,利用这两个窗口,可以在完全无光的夜晚,或是在雨、雪等烟云密布的恶劣环境,能够清晰地观察到所需监控的目标。正是由于这个特点,红外热成像技术能真正做到24 h全天候监控。

(4) 红外热成像技术的探测能力强,作用距离远。利用红外热成像技术进行探测的能力强,可在敌方防卫武器射程之外实施观察,其作用距离远。目前手持式及装于轻武器上的热成像仪可让使用者看清800 m以上的人体,且瞄准射击的作用距离为2～3 km;在舰艇上观察水面可达10 km,在1.5 km高的直升机上可发现地面单兵的活动,在20 km高的侦察机上可发现地面的人群和行驶的车辆,并可分析海水温度的变化而探测到水下潜艇等。

(5) 红外热成像技术可采用多种显示方式,把人类的感官由五种增加到六种。只有当物体的温度高达1 000 ℃以上时,才能够发出可见光被人眼看见。而所有温度在绝对零度(-273 ℃)以上的物体,都会不停地发出热红外线。如一个正常的人所发出的热红外线能量,大约为100W,这些都是人眼看不见的。但物体的热辐射能量的大小,直接和物体表面的温度相关。热辐射的这个特点使人们可以利用红外热成像技术对物体进行无接触温度测量和热状态分析,并可采用多种显示方式显示出来。如对视频信号进行假彩色处理,便可由不同颜色显示不同温度的热图像;若反视频信号进行模数转换处理,即可用数字显示物体各点的温度值等,从而看清人眼原来看不见的东西。所以可以说,红外热成像技术把人类的感官由五种增加到六种。

(6) 红外热成像技术能直观地显示物体表面的温度场,不受强光影响,应用广泛。红外测温仪只能显示物体表面某一区域或某一点的温度值,而红外热成像仪则可以同时测量物体表面各点温度的高低,直观地显示物体表面的温度场,并以图像形式显示出来。由于红外热成像仪是探测目标物体的红外热辐射能量的大小,从而不像微光像增强仪那样处于强光环境中时会出现光晕或关闭,因此不受强光影响。红外热成像技术除主要应用军事方面外,还可广泛应用于工业、农业、医疗、消防、考古、交通、地质、公安侦察等民用领域。并且,还可将这种技术大量地应用到安防监控领域中,以方便实现智能安防监控。

3 热像观察系统在海洋调查测量船上的重要应用

(1) 能做到全天候及恶劣气候条件下保障测量船航行安全

热像观察系统在海上环境中使用很有效,它能探测到其他船只、航道交通情况、浮标、桥梁等。即使是雷达系统不能探测到的物体,如帆船、木船、漂浮的碎片等,用热像仪也能看得很清楚。

在任何光线下热像观察系统均能探测到目标。在白天,可以探测到肉眼看不到的目标,并且不会受到太阳强光的影响。在日出或日落期间导航时,可以透过眩目的光看清和探测可能的潜在威胁。

船只处于孤立无援,容易受到损伤的环境时,安装在船上的热像观察系统可以看清楚其周围的事物,甚至在远距离情况下也是如此。它能监控港口的活动,或者停泊的船只,能看到接近的船只或人员,而不会惊动他们。

(2) 能做到全天候及恶劣气候条件下对海上调查测量设施监控

在进行海上调查测量时,时常需要在海上安置、布放或拖曳一些调查测量设备,既工作母船要离开一段距离。这时对这些海上设施要昼夜进行人工监视,监控其工作状态或防止丢失,如气象及声学浮标、海上临时搭建的工作平台等。此外如果这些设备进行夜间或恶劣气候条件的作业,人工监视就非常困难。因为在雨、雾等恶劣的气候条件下,由于可见光的波长短,克服障碍的能力差,因而观测效果差。而工作在8～14 m波长的长波红外热成像仪,其穿透雨、雾的能力较强,从而仍可以正常地观测目标。因此,在夜间以及恶劣气候条件下,采用红外热成像系统监控布防在海上的调查测量设备,可以提高观测效果,并减轻工作人员的劳动强度。

(3) 能做到全天候及恶劣气候条件下对甲板作业状态的实时监测

目前大中型综合海洋调查测量船都配备有综合测量设备系统,其中包括许多甲板作业的设备,如声托鱼、CTD、各种绞车和吊杆等。这些设备的操作部分大多在甲板上进行,而数据采集处理部分却在舱室内,舱室内的操作人员既要操作计算机,以监控测量数据,又要了解设备的布防或拖曳状态、甲板设备工作状况及海面环境条件等,以便确定对甲板的下一步操控。为此以往操作人员分为两部分,甲板操作人员和数据处理人员,这两部分人员间的信息沟通成了难题,一般只能靠对讲机进行语音沟通,舱室内人员只能了解少量的信息,其实时性和全面性受到限制,使双方协调起来很不方便。目前许多新型的甲板设备增加了遥控部件,使操作人员在舱室内即可对甲板设备进行操控,同时又可监视测量数据的质量,这样就更需要全面掌控甲板设备的工作状态。但以往不能实时了解甲板上各甲板设备的工作状态,因此这种遥控功能仍无法使用。因此配备电视监视系统就显得极其必要,而在夜间或雨雾等恶劣条件下,热成像监视系统就更为必要了。

(4) 能做到全天候及恶劣气候条件下清楚观察测量船周边状况

在海上进行测量和调查作业时,操控人员往往希望随时对航行前方和两侧海面环境状况有所了解,最好是一目了然。如:在水深测量时,测量人员希望知道测区内的海上情况,包括测区船只是否过多、有无障碍物以及水文气象条件等,以便正确指挥船的航行和调整测量部属。而热成像系统可以全黑暗中或雨雾条件下很清楚地看到航道浮标、航道交通、陆上突出的停靠点、桥桩、漂浮碎片、裸露岩石、其他船只和任何在没有探测到漂浮物体等,以保证所进行的调查测量作业安全有效。

4 结语

由于船载热像观察系统比普通的电视监视系统在价格上要高出许多,目前普通的测量船上还没有安装该系统。但随着科技的发展,关键技术的突破及加工效率的提高,今后红外热成像仪的的成本会大大降低,使以往只用于军事和高端科学用户的热成像技术,扩展到了更多的应用中。

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