鄧玉芬 沈 明 張明亮 王 川

摘 要:隨著紅外熱成像技術(shù)的成熟和各種熱成像儀成本的逐步降低,熱成像技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。針對(duì)目前海洋調(diào)查測(cè)量船上配備的普通視頻監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控功能的不足,引入采用紅外熱成像技術(shù)的熱像觀察系統(tǒng),詳細(xì)論述了熱像觀察系統(tǒng)的工作原理、特點(diǎn)及其在大中型綜合海洋調(diào)查船上的重要應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:熱成像技術(shù);紅外探測(cè)器;調(diào)查測(cè)量船;監(jiān)視系統(tǒng);探測(cè)器

中圖分類(lèi)號(hào):TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):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

目前海洋調(diào)查測(cè)量船上都配備有普通的電視監(jiān)視系統(tǒng)用以延伸視覺(jué),但普通的視頻監(jiān)控很難做到全天候及雨、霧等惡劣的氣候條件下的監(jiān)控。如夜晚沒(méi)有可見(jiàn)光,普通視頻監(jiān)控也就失去了其監(jiān)控功能。而船載熱像觀察系統(tǒng)采用的紅外熱成像技術(shù),是被動(dòng)接受目標(biāo)自身的紅外熱輻射,無(wú)論雨霧、白天黑夜24 h均可以處于運(yùn)行狀態(tài)而正常工作,并隨時(shí)對(duì)背景資料進(jìn)行分析,一旦發(fā)現(xiàn)變化,可以及時(shí)發(fā)出預(yù)/報(bào)警。

1 熱像觀察系統(tǒng)的組成及工作原理

紅外熱成像技術(shù)是一種被動(dòng)紅外夜視技術(shù),其原理是基于自然界中一切溫度高于絕對(duì)零度(-273 ℃)的物體,每時(shí)每刻都輻射出紅外線,同時(shí)這種紅外線輻射都載有物體的特征信息,這就為利用紅外技術(shù)判別各種被測(cè)目標(biāo)的溫度高低和熱分布場(chǎng)提供了客觀的基礎(chǔ)。利用這一特性,通過(guò)光電紅外探測(cè)器將物體發(fā)熱部位輻射的功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后,成像裝置就可以一一對(duì)應(yīng)地模擬出物體表面溫度的空間分布,最后經(jīng)系統(tǒng)處理,形成熱圖像視頻信號(hào),傳至顯示屏幕上,就得到與物體表面熱分布相對(duì)應(yīng)的熱像圖,即紅外熱圖像。

新一代非致冷焦平面紅外熱成像系統(tǒng)原理方框圖如圖1所示。非致冷焦平面紅外熱成像系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、光譜濾波、紅外探測(cè)器陣列、輸入電路、讀出電路、視頻圖像處理、視頻信號(hào)形成、時(shí)序脈沖同步控制電路、監(jiān)視器等組成。

系統(tǒng)的工作原理由光學(xué)系統(tǒng)接收被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射經(jīng)光譜濾波將紅外輻射能量分布圖形反映到焦平面上的紅外探測(cè)器陣列的各光敏元上,探測(cè)器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào),由探測(cè)器偏置與前置放大的輸入電路輸出所需的放大信號(hào),并注入到讀出電路,以便進(jìn)行多路傳輸。高密度、多功能的CMOS多路傳輸器的讀出電路能夠執(zhí)行稠密的線陣和面陣紅外焦平面陣列的信號(hào)積分、傳輸、處理和掃描輸出,并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,以送入微機(jī)作視頻圖像處理。由于被測(cè)目標(biāo)物體各部分的紅外輻射的熱像分布信號(hào)非常弱,缺少可見(jiàn)光圖像那種層次和立體感,因而需進(jìn)行一些圖像亮度與對(duì)比度的控制、實(shí)際校正與偽彩色描繪等處理。經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)送入到視頻信號(hào)形成部分進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換并形成標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào),最后通過(guò)電視屏或監(jiān)視器顯示被測(cè)目標(biāo)的紅外熱像圖。紅外焦平面陣列的工作性能除了與探測(cè)器性能如量子效率、光譜響應(yīng)、噪聲譜、均勻性等有關(guān)外,還與探測(cè)器探測(cè)信號(hào)的輸出性能有關(guān),如輸入電路中的電荷存儲(chǔ)、均勻性、線性度、噪聲譜、注入效率,讀出電路中的電荷轉(zhuǎn)移效率、電荷處理能力、串?dāng)_等。

2 熱像觀察系統(tǒng)的特點(diǎn)

(1) 紅外熱成像技術(shù)是一種被動(dòng)式的非接觸的檢測(cè)與識(shí)別,隱蔽性好。由于紅外熱成像技術(shù)是一種對(duì)目標(biāo)的被動(dòng)式的非接觸的檢測(cè)與識(shí)別,因而隱蔽性好,不容易被發(fā)現(xiàn),從而使紅外熱成像儀的操作者更安全、更有效。

(2) 紅外熱成像技術(shù)不受電磁干擾,能遠(yuǎn)距離精確跟蹤熱目標(biāo),精確制導(dǎo)。由于紅外熱成像技術(shù)利用的是熱紅外線,因而不受電磁干擾。采用先進(jìn)熱成像技術(shù)的紅外搜索與跟蹤系統(tǒng),能遠(yuǎn)距離精確跟蹤熱目標(biāo),并可同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo),使武器發(fā)揮最佳效能。紅外熱成像技術(shù)可精確制導(dǎo),使制導(dǎo)武器具有較高的智能性和發(fā)射后不用管的能力,并可尋找最重要的目標(biāo)予以摧毀,從而大幅度提高了彈藥的命中精度,使其作戰(zhàn)威力呈幾十倍的提高。

(3) 紅外熱成像技術(shù)能真正做到24 h全天候監(jiān)控紅外輻射是自然界中存在最為廣泛的輻射。大氣、煙云等可吸收可見(jiàn)光和近紅外線,但是對(duì)3～5 m和8～14 m的紅外線卻是透明的,這兩個(gè)波段被稱為紅外線的“大氣窗口”。 因此,利用這兩個(gè)窗口,可以在完全無(wú)光的夜晚,或是在雨、雪等煙云密布的惡劣環(huán)境,能夠清晰地觀察到所需監(jiān)控的目標(biāo)。正是由于這個(gè)特點(diǎn),紅外熱成像技術(shù)能真正做到24 h全天候監(jiān)控。

(4) 紅外熱成像技術(shù)的探測(cè)能力強(qiáng),作用距離遠(yuǎn)。利用紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行探測(cè)的能力強(qiáng),可在敵方防衛(wèi)武器射程之外實(shí)施觀察,其作用距離遠(yuǎn)。目前手持式及裝于輕武器上的熱成像儀可讓使用者看清800 m以上的人體,且瞄準(zhǔn)射擊的作用距離為2～3 km;在艦艇上觀察水面可達(dá)10 km,在1.5 km高的直升機(jī)上可發(fā)現(xiàn)地面單兵的活動(dòng),在20 km高的偵察機(jī)上可發(fā)現(xiàn)地面的人群和行駛的車(chē)輛,并可分析海水溫度的變化而探測(cè)到水下潛艇等。

(5) 紅外熱成像技術(shù)可采用多種顯示方式,把人類(lèi)的感官由五種增加到六種。只有當(dāng)物體的溫度高達(dá)1 000 ℃以上時(shí),才能夠發(fā)出可見(jiàn)光被人眼看見(jiàn)。而所有溫度在絕對(duì)零度(-273 ℃)以上的物體,都會(huì)不停地發(fā)出熱紅外線。如一個(gè)正常的人所發(fā)出的熱紅外線能量,大約為100W,這些都是人眼看不見(jiàn)的。但物體的熱輻射能量的大小,直接和物體表面的溫度相關(guān)。熱輻射的這個(gè)特點(diǎn)使人們可以利用紅外熱成像技術(shù)對(duì)物體進(jìn)行無(wú)接觸溫度測(cè)量和熱狀態(tài)分析,并可采用多種顯示方式顯示出來(lái)。如對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行假彩色處理,便可由不同顏色顯示不同溫度的熱圖像;若反視頻信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理,即可用數(shù)字顯示物體各點(diǎn)的溫度值等,從而看清人眼原來(lái)看不見(jiàn)的東西。所以可以說(shuō),紅外熱成像技術(shù)把人類(lèi)的感官由五種增加到六種。

(6) 紅外熱成像技術(shù)能直觀地顯示物體表面的溫度場(chǎng),不受強(qiáng)光影響,應(yīng)用廣泛。紅外測(cè)溫儀只能顯示物體表面某一區(qū)域或某一點(diǎn)的溫度值,而紅外熱成像儀則可以同時(shí)測(cè)量物體表面各點(diǎn)溫度的高低,直觀地顯示物體表面的溫度場(chǎng),并以圖像形式顯示出來(lái)。由于紅外熱成像儀是探測(cè)目標(biāo)物體的紅外熱輻射能量的大小,從而不像微光像增強(qiáng)儀那樣處于強(qiáng)光環(huán)境中時(shí)會(huì)出現(xiàn)光暈或關(guān)閉,因此不受強(qiáng)光影響。紅外熱成像技術(shù)除主要應(yīng)用軍事方面外,還可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、消防、考古、交通、地質(zhì)、公安偵察等民用領(lǐng)域。并且,還可將這種技術(shù)大量地應(yīng)用到安防監(jiān)控領(lǐng)域中,以方便實(shí)現(xiàn)智能安防監(jiān)控。

3 熱像觀察系統(tǒng)在海洋調(diào)查測(cè)量船上的重要應(yīng)用

(1) 能做到全天候及惡劣氣候條件下保障測(cè)量船航行安全

熱像觀察系統(tǒng)在海上環(huán)境中使用很有效,它能探測(cè)到其他船只、航道交通情況、浮標(biāo)、橋梁等。即使是雷達(dá)系統(tǒng)不能探測(cè)到的物體,如帆船、木船、漂浮的碎片等,用熱像儀也能看得很清楚。

在任何光線下熱像觀察系統(tǒng)均能探測(cè)到目標(biāo)。在白天,可以探測(cè)到肉眼看不到的目標(biāo),并且不會(huì)受到太陽(yáng)強(qiáng)光的影響。在日出或日落期間導(dǎo)航時(shí),可以透過(guò)眩目的光看清和探測(cè)可能的潛在威脅。

船只處于孤立無(wú)援,容易受到損傷的環(huán)境時(shí),安裝在船上的熱像觀察系統(tǒng)可以看清楚其周?chē)氖挛?甚至在遠(yuǎn)距離情況下也是如此。它能監(jiān)控港口的活動(dòng),或者停泊的船只,能看到接近的船只或人員,而不會(huì)驚動(dòng)他們。

(2) 能做到全天候及惡劣氣候條件下對(duì)海上調(diào)查測(cè)量設(shè)施監(jiān)控

在進(jìn)行海上調(diào)查測(cè)量時(shí),時(shí)常需要在海上安置、布放或拖曳一些調(diào)查測(cè)量設(shè)備,既工作母船要離開(kāi)一段距離。這時(shí)對(duì)這些海上設(shè)施要晝夜進(jìn)行人工監(jiān)視,監(jiān)控其工作狀態(tài)或防止丟失,如氣象及聲學(xué)浮標(biāo)、海上臨時(shí)搭建的工作平臺(tái)等。此外如果這些設(shè)備進(jìn)行夜間或惡劣氣候條件的作業(yè),人工監(jiān)視就非常困難。因?yàn)樵谟辍㈧F等惡劣的氣候條件下,由于可見(jiàn)光的波長(zhǎng)短,克服障礙的能力差,因而觀測(cè)效果差。而工作在8～14 m波長(zhǎng)的長(zhǎng)波紅外熱成像儀,其穿透雨、霧的能力較強(qiáng),從而仍可以正常地觀測(cè)目標(biāo)。因此,在夜間以及惡劣氣候條件下,采用紅外熱成像系統(tǒng)監(jiān)控布防在海上的調(diào)查測(cè)量設(shè)備,可以提高觀測(cè)效果,并減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

(3) 能做到全天候及惡劣氣候條件下對(duì)甲板作業(yè)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

目前大中型綜合海洋調(diào)查測(cè)量船都配備有綜合測(cè)量設(shè)備系統(tǒng),其中包括許多甲板作業(yè)的設(shè)備,如聲托魚(yú)、CTD、各種絞車(chē)和吊桿等。這些設(shè)備的操作部分大多在甲板上進(jìn)行,而數(shù)據(jù)采集處理部分卻在艙室內(nèi),艙室內(nèi)的操作人員既要操作計(jì)算機(jī),以監(jiān)控測(cè)量數(shù)據(jù),又要了解設(shè)備的布防或拖曳狀態(tài)、甲板設(shè)備工作狀況及海面環(huán)境條件等,以便確定對(duì)甲板的下一步操控。為此以往操作人員分為兩部分,甲板操作人員和數(shù)據(jù)處理人員,這兩部分人員間的信息溝通成了難題,一般只能靠對(duì)講機(jī)進(jìn)行語(yǔ)音溝通,艙室內(nèi)人員只能了解少量的信息,其實(shí)時(shí)性和全面性受到限制,使雙方協(xié)調(diào)起來(lái)很不方便。目前許多新型的甲板設(shè)備增加了遙控部件,使操作人員在艙室內(nèi)即可對(duì)甲板設(shè)備進(jìn)行操控,同時(shí)又可監(jiān)視測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量,這樣就更需要全面掌控甲板設(shè)備的工作狀態(tài)。但以往不能實(shí)時(shí)了解甲板上各甲板設(shè)備的工作狀態(tài),因此這種遙控功能仍無(wú)法使用。因此配備電視監(jiān)視系統(tǒng)就顯得極其必要,而在夜間或雨霧等惡劣條件下,熱成像監(jiān)視系統(tǒng)就更為必要了。

(4) 能做到全天候及惡劣氣候條件下清楚觀察測(cè)量船周邊狀況

在海上進(jìn)行測(cè)量和調(diào)查作業(yè)時(shí),操控人員往往希望隨時(shí)對(duì)航行前方和兩側(cè)海面環(huán)境狀況有所了解,最好是一目了然。如:在水深測(cè)量時(shí),測(cè)量人員希望知道測(cè)區(qū)內(nèi)的海上情況,包括測(cè)區(qū)船只是否過(guò)多、有無(wú)障礙物以及水文氣象條件等,以便正確指揮船的航行和調(diào)整測(cè)量部屬。而熱成像系統(tǒng)可以全黑暗中或雨霧條件下很清楚地看到航道浮標(biāo)、航道交通、陸上突出的?？奎c(diǎn)、橋樁、漂浮碎片、裸露巖石、其他船只和任何在沒(méi)有探測(cè)到漂浮物體等,以保證所進(jìn)行的調(diào)查測(cè)量作業(yè)安全有效。

4 結(jié) 語(yǔ)

由于船載熱像觀察系統(tǒng)比普通的電視監(jiān)視系統(tǒng)在價(jià)格上要高出許多,目前普通的測(cè)量船上還沒(méi)有安裝該系統(tǒng)。但隨著科技的發(fā)展,關(guān)鍵技術(shù)的突破及加工效率的提高,今后紅外熱成像儀的的成本會(huì)大大降低,使以往只用于軍事和高端科學(xué)用戶的熱成像技術(shù),擴(kuò)展到了更多的應(yīng)用中。

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作者簡(jiǎn)介 鄧玉芬 女,1970年出生,遼寧葫蘆島人。主要從事儀器設(shè)備研究。