СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ИНФРАКРАСНЫХ СРЕДСТВ МОНИТОРИНГА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Использование оптических полей Земли видимого, теплового диапазонов электромагнитного спектра, измеряемых оптико-электронными средствами мониторинга земной поверхности, позволяет решать автономно, в пассивном режиме многие задачи, стоящие перед летательными аппаратами. Например, задачу использования геофизических полей для навигации в рамках системы предупреждения столкновения с Землей и автоматической посадки.
Оперативное решение этих задач связано с необходимостью иметь цифровые модели физических полей Земли оптического диапазона в виде карт этих полей и эталонов участков местности [1].
В современных условиях к мониторингу земной поверхности предъявляются такие основные требования как непрерывность, своевременность, достоверность и полнота получаемых данных, высокая точность определения координат.
Большинству этих требований отвечают оптико-электронные средства (ОЭС) видимого диапазона. При изменении условий погоды, ухудшения метеорологической дальности видимости, возникающего за счет таких явлений погоды как туман, дымка, осадки возможности по использованию данных средств сильно ограничены [2].
Известно, что необходимость выполнения автоматической посадки летательных аппаратов (ЛА) возникает не только в простых, но и, зачастую, в сложных метеорологических условиях.
Важно заметить, что степень ухудшения качества инфракрасного изображения по причине ухудшения метеорологических условий в большинстве случаев намного меньше, чем ухудшение качества изображения ОЭС, работающей в видимом диапазоне.
Также традиционно используемые средства маскировки военной техники, оказываются малоэффективными при использовании инфракрасных средств мониторинга земной поверхности в военных целях. На рис. 1 и 2 соответственно показаны изображения одних и тех же объектов, но на рис. 1 изображение получено ОЭС видимого диапазона, на рис. 2 - инфракрасной станцией (ИКС).
Рис. 1. Изображение, полученное в видимой области спектра
Рис. 2. Изображение, полученное в ИК диапазоне
В настоящее время в связи с существенным улучшением характеристик ОЭС ИК-диапазона во всем мире растет интерес к этим системам.
Основным элементом инфракрасной ОЭС является детектор ИК-излучения, который используют для поглощения ИК-излучения и преобразования этого излучения в электронные сигналы, на основе которых и формируется изображение.
Необходимо отметить, что особенностью работы ИКС является малая энергия квантов ИК-излучения. Например, фотон, соответствующий середине диапазона ∆λ=8…14 мкм, имеющий длину волны λ=11 мкм, обладает энергией в 20 раз меньшей энергии фотона с λ=0,55 мкм, соответствующей примерно середине видимого диапазона длин волн.
Приемники ИК-излучения при комнатной температуре имеют большие собственные шумы, поэтому их приходится охлаждать. Причем, чем больше средняя длина волны диапазона, тем ниже должна быть температура приемника излучения. Например, для ∆λ=3…5 мкм температура приемника излучения составляет 80…90 К в зависимости от конструкции и состава приемника, а для ∆λ=8…14 мкм - 4…80 К [3].
Для обеспечения высокой детальности ИКС необходимо иметь малые размеры элементарного приемника излучения, а также малую его инерционность. С уменьшением размера элементарного приемника излучения ИКС и его инерционности увеличивается вероятность обнаружения и распознавания объектов мониторинга земной поверхности.
Существуют два основных вида детекторов: детекторы прямого детектирования и детекторы тепло-детектирования.
Детекторы прямого детектирования (охлаждаемые) работают на принципе прямого преобразования фотонов в электроны. К этой категории относятся многие применяемые сегодня детекторы на основе материалов: PbS , PbSe , HgCdTe, InSb , PtSi , GaAs и т.д. На рис. 3 представлен один из охлаждаемых детекторов прямого детектирования [4].
Рис. 3. Охлаждаемый приемник ИК-излучения EYE-Z640
Основные преимущества охлаждаемых детекторов:
- высокочувствительные элементы позволяет получить изображение высокого качества (обладают высоким энергетическим разрешением) [4];
- позволяют работать с камерами, имеющими большие фокусные расстояния.
Основные недостатки охлаждаемых детекторов:
- относительно высокая потребляемая мощность;
- относительно долгое время охлаждения для выхода на рабочий режим (6-7 минут);
- относительно высокая цена по сравнению с неохлаждаемыми из-за наличия системы охлаждения;
- относительно большие габариты и вес по сравнению с неохлаждаемыми приемниками ИК-излучения (рис. 4, 5).
Рис. 4. Охлаждаемая ИКС CARMEL
Рис. 5. Охлаждаемая ИКС EYE-LITE
Детекторы тепло-детектирования используют для создания ИК-изображения побочные эффекты, такие как соотношения между проводимостью, емкостным сопротивлением и температурой детектора. К этой категории относятся микро-болометры, термопары и т.д. Детекторы этой категории, в большинстве случаев, не охлаждаются вообще, или же их температура стабилизируется в рамках +/- 30°С. Такие детекторы работают, как правило, в диапазоне 8-12 мкм (рис. 6, 7, 8, 9).
Рис. 6. Неохлаждаемый приемник ИК-излучения EYE-M35
Рис. 7. Неохлаждаемый приемник ИК-излучения EYE-R25
Основные преимущества неохлаждаемых детекторов:
- небольшие габариты и вес;
- обеспечивают немедленную картинку сразу после включения;
- низкая потребляемая мощность;
- более высокая наработка на отказ по сравнению с охлаждаемыми приемниками ИК-излучения;
- относительно невысокая цена по сравнению с охлаждаемыми.
Основные недостатки неохлаждаемых детекторов:
- низкая чувствительность не позволяет получить изображение, сравнимое по качеству с охлаждаемыми детекторами;
- неэффективны для работы с длиннофокусной оптикой.
Рис. 8. Неохлаждаемый приемник ИК-излучения EYE R640
Рис. 9. Неохлаждаемая ИКС MERON
Также можно отметить, что при использовании в ИКС неохлаждаемых детекторов 90% стоимости ИКС приходится на ее оптическую составляющую.
Традиционно сравнительная оценка ОЭС осуществляется посредством сопоставления эффективности их применения.
Одним из наиболее информативных показателей эффективности ИКС является линейное разрешение на местности. Чем меньше значение линейного разрешения на местности, тем выше разрешающая способность системы и соответственно вероятность распознавания до заданного класса, вида, типа объектов мониторинга земной поверхности [5].
Скачать полную версию статьи: