熱像觀察系統及其在海洋調查測量船上的應用

鄧玉芬 沈 明 張明亮 王 川

摘 要:隨著紅外熱成像技術的成熟和各種熱成像儀成本的逐步降低,熱成像技術得到了廣泛的應用。針對目前海洋調查測量船上配備的普通視頻監控系統監控功能的不足,引入采用紅外熱成像技術的熱像觀察系統,詳細論述了熱像觀察系統的工作原理、特點及其在大中型綜合海洋調查船上的重要應用。

關鍵詞:熱成像技術;紅外探測器;調查測量船;監視系統;探測器

中圖分類號:TN919 文獻標識碼:A

文章編號: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

目前海洋調查測量船上都配備有普通的電視監視系統用以延伸視覺,但普通的視頻監控很難做到全天候及雨、霧等惡劣的氣候條件下的監控。如夜晚沒有可見光,普通視頻監控也就失去了其監控功能。而船載熱像觀察系統采用的紅外熱成像技術,是被動接受目標自身的紅外熱輻射,無論雨霧、白天黑夜24 h均可以處于運行狀態而正常工作,并隨時對背景資料進行分析,一旦發現變化,可以及時發出預/報警。

1 熱像觀察系統的組成及工作原理

紅外熱成像技術是一種被動紅外夜視技術,其原理是基于自然界中一切溫度高于絕對零度(-273 ℃)的物體,每時每刻都輻射出紅外線,同時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判別各種被測目標的溫度高低和熱分布場提供了客觀的基礎。利用這一特性,通過光電紅外探測器將物體發熱部位輻射的功率信號轉換成電信號后,成像裝置就可以一一對應地模擬出物體表面溫度的空間分布,最后經系統處理,形成熱圖像視頻信號,傳至顯示屏幕上,就得到與物體表面熱分布相對應的熱像圖,即紅外熱圖像。

新一代非致冷焦平面紅外熱成像系統原理方框圖如圖1所示。非致冷焦平面紅外熱成像系統由光學系統、光譜濾波、紅外探測器陣列、輸入電路、讀出電路、視頻圖像處理、視頻信號形成、時序脈沖同步控制電路、監視器等組成。

系統的工作原理由光學系統接收被測目標的紅外輻射經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器陣列的各光敏元上,探測器將紅外輻射能轉換成電信號,由探測器偏置與前置放大的輸入電路輸出所需的放大信號,并注入到讀出電路,以便進行多路傳輸。高密度、多功能的CMOS多路傳輸器的讀出電路能夠執行稠密的線陣和面陣紅外焦平面陣列的信號積分、傳輸、處理和掃描輸出,并進行A/D轉換,以送入微機作視頻圖像處理。由于被測目標物體各部分的紅外輻射的熱像分布信號非常弱,缺少可見光圖像那種層次和立體感,因而需進行一些圖像亮度與對比度的控制、實際校正與偽彩色描繪等處理。經過處理的信號送入到視頻信號形成部分進行D/A轉換并形成標準的視頻信號,最后通過電視屏或監視器顯示被測目標的紅外熱像圖。紅外焦平面陣列的工作性能除了與探測器性能如量子效率、光譜響應、噪聲譜、均勻性等有關外,還與探測器探測信號的輸出性能有關,如輸入電路中的電荷存儲、均勻性、線性度、噪聲譜、注入效率,讀出電路中的電荷轉移效率、電荷處理能力、串擾等。

2 熱像觀察系統的特點

(1) 紅外熱成像技術是一種被動式的非接觸的檢測與識別,隱蔽性好。由于紅外熱成像技術是一種對目標的被動式的非接觸的檢測與識別,因而隱蔽性好,不容易被發現,從而使紅外熱成像儀的操作者更安全、更有效。

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

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

(4) 紅外熱成像技術的探測能力強,作用距離遠。利用紅外熱成像技術進行探測的能力強,可在敵方防衛武器射程之外實施觀察,其作用距離遠。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,且瞄準射擊的作用距離為2～3 km;在艦艇上觀察水面可達10 km,在1.5 km高的直升機上可發現地面單兵的活動,在20 km高的偵察機上可發現地面的人群和行駛的車輛,并可分析海水溫度的變化而探測到水下潛艇等。

(5) 紅外熱成像技術可采用多種顯示方式,把人類的感官由五種增加到六種。只有當物體的溫度高達1 000 ℃以上時,才能夠發出可見光被人眼看見。而所有溫度在絕對零度(-273 ℃)以上的物體,都會不停地發出熱紅外線。如一個正常的人所發出的熱紅外線能量,大約為100W,這些都是人眼看不見的。但物體的熱輻射能量的大小,直接和物體表面的溫度相關。熱輻射的這個特點使人們可以利用紅外熱成像技術對物體進行無接觸溫度測量和熱狀態分析,并可采用多種顯示方式顯示出來。如對視頻信號進行假彩色處理,便可由不同顏色顯示不同溫度的熱圖像;若反視頻信號進行模數轉換處理,即可用數字顯示物體各點的溫度值等,從而看清人眼原來看不見的東西。所以可以說,紅外熱成像技術把人類的感官由五種增加到六種。

(6) 紅外熱成像技術能直觀地顯示物體表面的溫度場,不受強光影響,應用廣泛。紅外測溫儀只能顯示物體表面某一區域或某一點的溫度值,而紅外熱成像儀則可以同時測量物體表面各點溫度的高低,直觀地顯示物體表面的溫度場,并以圖像形式顯示出來。由于紅外熱成像儀是探測目標物體的紅外熱輻射能量的大小,從而不像微光像增強儀那樣處于強光環境中時會出現光暈或關閉,因此不受強光影響。紅外熱成像技術除主要應用軍事方面外,還可廣泛應用于工業、農業、醫療、消防、考古、交通、地質、公安偵察等民用領域。并且,還可將這種技術大量地應用到安防監控領域中,以方便實現智能安防監控。

3 熱像觀察系統在海洋調查測量船上的重要應用

(1) 能做到全天候及惡劣氣候條件下保障測量船航行安全

熱像觀察系統在海上環境中使用很有效,它能探測到其他船只、航道交通情況、浮標、橋梁等。即使是雷達系統不能探測到的物體,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均能探測到目標。在白天,可以探測到肉眼看不到的目標,并且不會受到太陽強光的影響。在日出或日落期間導航時,可以透過眩目的光看清和探測可能的潛在威脅。

船只處于孤立無援,容易受到損傷的環境時,安裝在船上的熱像觀察系統可以看清楚其周圍的事物,甚至在遠距離情況下也是如此。它能監控港口的活動,或者停泊的船只,能看到接近的船只或人員,而不會驚動他們。

(2) 能做到全天候及惡劣氣候條件下對海上調查測量設施監控

在進行海上調查測量時,時常需要在海上安置、布放或拖曳一些調查測量設備,既工作母船要離開一段距離。這時對這些海上設施要晝夜進行人工監視,監控其工作狀態或防止丟失,如氣象及聲學浮標、海上臨時搭建的工作平臺等。此外如果這些設備進行夜間或惡劣氣候條件的作業,人工監視就非常困難。因為在雨、霧等惡劣的氣候條件下,由于可見光的波長短,克服障礙的能力差,因而觀測效果差。而工作在8～14 m波長的長波紅外熱成像儀,其穿透雨、霧的能力較強,從而仍可以正常地觀測目標。因此,在夜間以及惡劣氣候條件下,采用紅外熱成像系統監控布防在海上的調查測量設備,可以提高觀測效果,并減輕工作人員的勞動強度。

(3) 能做到全天候及惡劣氣候條件下對甲板作業狀態的實時監測

目前大中型綜合海洋調查測量船都配備有綜合測量設備系統,其中包括許多甲板作業的設備,如聲托魚、CTD、各種絞車和吊桿等。這些設備的操作部分大多在甲板上進行,而數據采集處理部分卻在艙室內,艙室內的操作人員既要操作計算機,以監控測量數據,又要了解設備的布防或拖曳狀態、甲板設備工作狀況及海面環境條件等,以便確定對甲板的下一步操控。為此以往操作人員分為兩部分,甲板操作人員和數據處理人員,這兩部分人員間的信息溝通成了難題,一般只能靠對講機進行語音溝通,艙室內人員只能了解少量的信息,其實時性和全面性受到限制,使雙方協調起來很不方便。目前許多新型的甲板設備增加了遙控部件,使操作人員在艙室內即可對甲板設備進行操控,同時又可監視測量數據的質量,這樣就更需要全面掌控甲板設備的工作狀態。但以往不能實時了解甲板上各甲板設備的工作狀態,因此這種遙控功能仍無法使用。因此配備電視監視系統就顯得極其必要,而在夜間或雨霧等惡劣條件下,熱成像監視系統就更為必要了。

(4) 能做到全天候及惡劣氣候條件下清楚觀察測量船周邊狀況

在海上進行測量和調查作業時,操控人員往往希望隨時對航行前方和兩側海面環境狀況有所了解,最好是一目了然。如:在水深測量時,測量人員希望知道測區內的海上情況,包括測區船只是否過多、有無障礙物以及水文氣象條件等,以便正確指揮船的航行和調整測量部屬。而熱成像系統可以全黑暗中或雨霧條件下很清楚地看到航道浮標、航道交通、陸上突出的停靠點、橋樁、漂浮碎片、裸露巖石、其他船只和任何在沒有探測到漂浮物體等,以保證所進行的調查測量作業安全有效。

4 結 語

由于船載熱像觀察系統比普通的電視監視系統在價格上要高出許多,目前普通的測量船上還沒有安裝該系統。但隨著科技的發展,關鍵技術的突破及加工效率的提高,今后紅外熱成像儀的的成本會大大降低,使以往只用于軍事和高端科學用戶的熱成像技術,擴展到了更多的應用中。

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作者簡介 鄧玉芬 女,1970年出生,遼寧葫蘆島人。主要從事儀器設備研究。