RU188418U1

RU188418U1 - Камера дистанционного температурного контроля

Info

Publication number: RU188418U1
Application number: RU2018146576U
Authority: RU
Inventors: Сергей Витальевич Шитов
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2019-04-11

Abstract

Полезная модель может быть использована при создании и оптимизации радиометрической исследовательской зоны с целью распознавания деталей объекта или совокупности объектов по их термодинамической эмиссии, в том числе, для поддержки режима общественной безопасности в зонах массового скопления людей. Конструктивно камера состоит из системы фокусирующих панелей, источника чернотельного излучения с температурой, отличной от окружающей, и изображающего радиометра. Технический результат состоит в улучшении практической чувствительности существующих приемников теплового изображения. Технический результат достигается за счет локализации электромагнитного излучения черного тела в объеме наблюдения, при условии защиты радиометра от прямого попадания в него излучения окружающей температуры.

Description

Полезная модель может быть использована для создания и оптимизации исследовательской зоны разного масштаба: настольной кюветы для физических экспериментов, комнаты, холла, коридора или площадки на открытом воздухе, предназначенной для распознавания термодинамической температуры отдельных деталей массивных объектов, в том числе, для скрытой поддержки режима общественной безопасности в зонах скопления или массового передвижения людей, например, на транспортных узлах. С физической точки зрения, полезная модель является новой опцией, дополняющей и объединяющей известный метод бездисперсионной спектроскопии и метод получения теплового изображения, в том числе за счет проникновения электромагнитного излучения сквозь покровы некоторых материалов. С точки зрения техники, полезная модель увеличивает потенциал приборов пассивной радиолокации и радиовидения, принципиально повышая тепловой контраст. С точки зрения общественной безопасности, полезная модель может быть отнесена к аналогам пропускной рамки устройства контроля безопасности, не использующей излучение. Это во многом аналогично ночному видению, но в меньших (камеральных) масштабах, и позволяет дистанционно измерять температурный контраст движущихся объектов, в том числе, для заблаговременного выявления лиц с высокой температурой тела (носителей острых инфекций), скрытого под одеждой оружия и взрывчатых веществ, а также анализировать химический состав атмосферы. Важно, что действие и само наличие камеры дистанционного контроля («контрольной рамки») невозможно обнаружить с помощью известных носимых устройств детектирования электромагнитных волн.

Известно, что дистанционное обнаружение экологических и террористических угроз возможно с использованием свойств радиочастотного излучения в пассивном режиме, то есть скрытно, работая только на прием термодинамического излучения самого объекта, как это исчерпывающе описано в Главе 19 сборника-обзора [Terahertz Spectroscopy and Imaging. Editors: Kai-Erik Peiponen, Axel Zeitler, Makoto Kuwata-Gonokami. Publisher: Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 2013. ISBN 978-3-642-29563-8 DOI: 10.1007/978-3-642-29564-5, Глава 19 «Millimeter-Wave and Terahertz Imaging in Security Applications))]. Для этого применяются радиометрические (пассивные) датчики, которые могут работать в разных режимах: в режиме радиометра или спектрометра - для определения интегральной мощности излучения (уровня излучения от поверхности) или для идентификации спектральных сигнатур газов или летучих веществ, соответственно.

Фундаментальным ограничением пассивной (скрытой) радиолокации является наличие термодинамического (шумового) фона, который в большинстве практических случаев лежит вблизи комнатной температуры и составляет около 300 градусов Кельвина. При наличии такого фона термодинамический (температурный) контраст веществ, находящихся при той же температуре, полностью отсутствует, а температурный контраст более теплой человеческой кожи в диапазоне миллиметровых волн, на которых эффективна подповерхностная радиолокация, не так велик.

В лабораторных исследованиях, проводимых при комнатной температуре, температурный контраст исследуемого объекта увеличивают методом бездисперсионной спектроскопии. Этот метод носит международную аббревиатуру NDIR (Non-Dispersive Infra Red) и использует эффект частотно-избирательного (узкополосного) поглощения электромагнитного излучения веществом в газообразном состоянии. Под бездисперсионной спектроскопией подразумевается отсутствие в устройстве преломляющей призмы или ее аналога, которые традиционно используются для пространственного разложения электромагнитного спектра. Для реализации NDIR нужен источник широкополосного излучения, например ИК-лампа, и это излучение направляется сквозь прозрачную для излучения кювету (англ. gas cell), в которой находится исследуемый газ. Измерение спектральной плотности излучения, прошедшего через кювету, позволяет обнаружить участок спектра с измененной плотностью, который можно описать частотно-зависимым коэффициентом поглощения, и который называют спектральной сигнатурой вещества.

Высокочувствительные детекторы, обладающие меньшим уровнем собственного шума, позволяют измерять меньшие температурные различия. Метод NDIR часто реализуется путем размещения кюветы с поглотителем (газом или парами вещества) на холодном термодинамическом фоне (перед холодным поглотителем, черным телом), имеющим криогенную температуру за счет охлаждения жидким азотом (около 77 К, или -196°С). При этих условиях сигнал от исследуемого объекта, который находится в кювете при комнатной температуре, легко выделяется, как это описано в работе [http://www.ijritcc.org/download/browse/Volume_5_Issues/January_17_Volume_5_Issue_1/1483939651_08-01-2017.pdf]. Данные, приведенные в вышеупомянутых обзорах, а конкретнее, высокий контраст человеческой кожи на фоне неба, подтверждают эффективность решения, представленного в данной заявке. Аналогичный эффект известен для существующих тепловизоров (приборов ночного видения): изображение человека четче на холодном фоне. Именно проблема холодного освещения в области коротких (миллиметровых и субмиллиметровых) радиоволн и, возможно, для ИК (для ночного видения на короткой дистанции) может быть решена с помощью представленной полезной модели.

Аналогами предлагаемой камеры дистанционного контроля (КДК) общественной безопасности является целое семейство устройств для фокусировки и направления волновой энергии: акустической и электромагнитной. К акустическим аналогам можно отнести звуковые линзы, в том числе, акустические купола в храмах и учебных аудиториях, позволяющие усиливать и концентрировать звук на больших площадках, а также направленные акустические микрофоны и (ультразвуковые) радары. В радиотехнике и в ИК-диапазоне к данному типу устройств можно отнести защищенные радиорелейные системы прямой видимости. Все эти устройства объединяет свойство направленного распространения невидимого глазом потока энергии, который меняет свою интенсивность, если в него попадает какой-либо предмет. В видимом свете и для ИК аналогом можно считать эффект тени, когда предмет оказывается между непрозрачной поверхностью и источником освещения. Однако эффекты в видимом свете нельзя считать ни скрытным, ни имеющим потенциал подпокровной локации.

Наиболее близким функциональным аналогом для получения скрытого «теневого эффекта», имеющего потенциал подпокровного детектирования, можно считать технологию газовых кювет, или вышеупомянутые приборы для NDIR, которые, с одной стороны, являются самостоятельным устройством, а с другой стороны, всегда используются в сопряжении с различными детекторами электромагнитных волн для конкретно выбранного диапазона частот. Как правило, кювета NDIR представляет собой отрезок цилиндрической трубы с радиопрозрачными (просветленными) торцами (окнами). После удаления атмосферных газов испытываемый газ помещается в такую кювету, и напротив одного из окон устанавливается радиометрический датчик соответствующего диапазона длин волн. Второе окно используется для ввода очень горячего или очень холодного (контрастного) широкополосного излучения, температура которого выполняет роль опорного уровня. На характерных частотах поглощения газа излучение опорного уровня блокируется, и уровень термодинамического сигнала, выходящего из измерительной апертуры (на выходе кюветы) понижается в случае горячего фона или повышается в случае холодного фона. Благодаря повышению температурного контраста, использование газовой кюветы позволяет получить наиболее точные характеристики поглощения. Так получают спектральную сигнатуру в радиодиапазоне. Обычно в таких экспериментах речь идет о частотно-зависимом, а не о пространственном разрешении, то есть об интегральной мощности на апертуре приемника. Заметим, и сама кювета, и объект исследования находятся в нормальных условиях (при комнатной температуре).

Понять близкое родство приборов NDIR и КДК можно, представив, что для описанных выше измерений выходного сигнала кюветы применен матричный радиометр. В случае неоднородного распределения поглощения по объему кюветы, мы получим одновременно два вида информации: широкополосное поглощение позволит определить положение неоднородностей, а узкополосные сигнатуры - свойства окружающего их газа.

Недостатками известных прототипов газовых кювет для NDIR являются малый объем и небольшие углы наблюдения, что не позволяет использовать эти эффективные устройства для мониторинга масштабных и социально значимых объектов, мест скопления людей и других публичных зон в нормальных условиях. Таким образом, создание оптимальных условий и адаптация известных методов для повышения чувствительности имеющихся и перспективных (разрабатываемых) высокотехнологичных средств контроля является нерешенной и актуальной на сегодня задачей.

Технический результат полезной модели выражается в том, что предлагаемая конструкция камеры дистанционного контроля увеличивает контраст пассивной радиолокации, включая подповерхностную радиолокацию, а также повышает эффективность спектрометрии для мониторинга чистоты воздуха, за счет создания эффекта всенаправленного холодного фона, что позволяет, в том числе, скрытно сопровождать свободно движущиеся объекты (человека или группу лиц) в произвольном направлении в пределах камеры или специально отведенной части такой камеры. Полезная модель позволяет принципиально повысить чувствительность и экономическую эффективность уже существующих методов дистанционных измерений с применением пассивных детекторов электромагнитного излучения. При этом кардинально растет скорость измерений, приближаясь к стандартной скорости видеопотока, и сканирующие радиометрические датчики и/или матричные системы радиовидения позволят непрерывно и одновременно проводить как позиционный, так и спектральный мониторинг исследуемой зоны.

Технический результат достигается тем, что камера дистанционного температурного контроля, состоящая из одной или нескольких отражающих панелей, охватывающих исследуемый объем, содержит две или более апертуры, предназначенные для ввода и вывода за пределы исследуемой зоны широкополосного термодинамического излучения, и отличающаяся тем, что поверхности отражающих панелей совпадают с поверхностью одного или нескольких эллипсоидов и расположены так, что фокальные точки эллипсоидов лежат внутри указанных выше апертур.

Фигура 1 иллюстрирует конструкцию, способ построения и функционирования камеры дистанционного контроля. Несколько дополнительных радиопрозрачных панелей могут быть применены для разделения исследуемого объем на функциональные зоны или для обозначения таких зоны.

Полезная модель осуществляется следующим образом. Производится математический расчет эллипсоида с размерами, соответствующими поставленной задаче, и с подходящими положениями фокусов (фокальных апертур). Такой эллипсоид представляет собой максимально возможный объем исследования. Может быть выбрана лишь часть объема, например, полу-эллипсоид или четверть-эллипоид, а также небольшой сегмент эллиптической поверхности с прилегающим к нему пространством. Такие эллиптические формы могут быть изготовлены различными способами. Одно из решений - это надувной ангар (полу-эллипсоид), который поддерживает заданную форму за счет небольшого избыточного давления, а его стенки облицованы металлизированной (отражающей) полимерной пленкой. Технологий формовки и контроля точности формы радиоотражающих и радиопрозрачных панелей лежат вне данной заявки. Исходя из оценок точности, приведенных ниже, можно заключить, что отражающая поверхность объекта может быть изготовлена, в том числе, с использованием упругих металлических панелей, например, алюминиевых, а также из токопроводящего текстиля (из мелкоячеистой металлической сетки). Это позволяет изготовить КДК, используя каркас с набором реперных точек, например, на раме из дерева или с использованием 3D принтера. Частным случаем эллипсоида является сферическая поверхность, для которой, с точки зрения математики, апертуры холодного излучения и приемной системы совпадают. Заметим, что в этом случае апертуры могут быть разнесены в пределах допустимого угла ошибки а, пределы которого будут обсуждаться ниже. Если установить в центральной области эллипсоида плоскую отражающую панель по оси 5 (см. Фиг. 1), то зона измерения может быть выбрана между этой отражающей панелью и фокусом четверть-эллипсоида, то есть в виде коридора. С помощью изменения углов такой панели и ее положения вдоль оси 5 можно переместить отображение второго фокуса в другое удобное место внутри усеченного полуэллипсоида. Вообще говоря, положение отражающих панелей, в том числе вышеупомянутой вертикальной отражающей панели, определяется сценарием исследования, и их размер может быть оптимизирован (уменьшен), при сохранении исходных условий и положений данной заявки. Например, отражающая панель может выполнять роль зеркала, позволяющего "осматривать" ОН с двух направлений точно так же, как при использовании традиционного (бытового) зеркала. Отражающие поверхности в области апертур можно уменьшить, например, ограничив их дугами 8 (см. Фиг. 1) в концах длинной оси эллипсоида, и затем спрятать, отделив их от зоны измерения вертикальными радиопрозрачными панелями 8. При этом зона контроля превращается в коридор привычной глазу прямоугольной формы.

Принцип действия устройства состоит в том, что оно обеспечивает постоянное заполнение диаграммы направленности радиометра излучением холодного черного тела вне зависимости от направления обзора, как проиллюстрировано на Фиг. 1. Для простоты, без потери общности, рассмотрим усеченный эллипсоид вращения, для которого главная ось 1 лежит в плоскости, на которой расположены апертура холодного чернотельного излучателя 2 и апертура приемной системы 3. Точечными линиями со стрелками показаны векторы, представляющие наиболее интересные направления облучения. Благодаря свойствам отражающих панелей эллипсоида, чернотельное излучение расходится с апертуры 2 в широком угле и, испытав единственное отражение, собирается на приемной апертуре 3, равномерно заполняя все пространство объекта и создавая на приемной апертуре 3 эффект холодного фона, который поступает на нее с любых доступных направлений. Приемник излучения (направленная антенна), установленный на апертуре 3 может иметь различную диаграмму направленности, оптимизированную для разных задач. Для локализации зоны измерений и максимального пространственного разрешения диаграмма антенны может быть острой, а для мониторинга газового состава, наоборот, широкой. Это может быть также набор синхронизированных диаграмм, что характеризует многопиксельный (матричный) изображающий радиометр (радиовизор). На Фиг. 1 штриховкой показан, для примера, возможный угол обзора матричного радиовизора. В принципе, в пределах одной приемной апертуры может быть установлено несколько приемных устройств разного назначения, а углы обзора сведены к оптимальным, что позволяет уменьшить (оптимизировать) размеры радиоотражающих панелей.

Эффективность и преимущества предлагаемого устройства можно описать следующим образом. Объект наблюдения (ОН) 4, движущийся, для примера, по прямой 5, пересекает один из отраженных лучей 6 и ход прямого холодного луча 7. Оба луча, луч 6, создающий холодный фон, и луч-отражение луча 7, могут быть приняты матричным радиовизором (тип устройство приемника излучения не относится к формуле заявки) с одного общего направления на ОН. Это позволяет детально охарактеризовать не только эмиссию, но и отражательную способность объекта наблюдения 4. Предположим, что систему безопасности пытается скомпрометировать террорист, пересекающий зону скрытого контроля на входе в аэропорт, под одеждой которого спрятаны «пояс шахида» и огнестрельное оружие (пистолет), как изображено схематично на Фиг. 2. Фигура 2 иллюстрирует зоны контроля ОН: 9 - открытая кожа, 10 - кожа под одеждой, 11 -металлический предмет, 12 - диэлектрический предмет (пояс). Составим математическое соотношение, характеризующее температурный контраст объекта, исходя из следующих практических соображений. В стандартных условиях фон имеет температуру T_bg=295 К (+22°С). В предложенной конфигурации фон может быть снижен примерно до 100 К. С помощью матричного радиовизора с пространственным разрешением около 1 см мы, в условии холодного фона сможем обнаружить температурный контраст открытых и закрытых участков кожи, а также отражение фона от металла и от диэлектрика, оба ослабленные одеждой. Температурный контраст ΔT_i, для разных частей ОН по отношению к фону можно описать следующей общей формулой:

Здесь индекс i - условный номер одной из зон контроля ОН, которые были описаны выше. Проведем сравнение теплового контраста ΔT_i разных зон, рассчитанное для трех различных температур фона: T_bg=295 К (+22°С) - н.у., 100 К (-173°С) - жидкий азот, 200 К (-73°С) - электрический охладитель. Интерес также представляет сравнение теплового контраста при использовании горячего фона, например, стабильной температуры кипящей воды. Температуру открытых кожных покровов примем равной 308 К (+35°С), для коэффициента отражения кожи возьмем S11=0,1 (практически, поглотитель), коэффициент пропускания одежды S21_cloth=0,5 (полупропускание), а ее температура T_cloth=295 К (+22°С, равна окружающей температуре), температура металлического предмета под одеждой 303 К (+30°С - математическое среднее между температурой тела и окружающей среды), коэффициент отражения металла примем S21=0,9 (практически, зеркало), температура диэлектрического материала под одеждой 300 К (+27°С, ближе к окружающему воздуху), коэффициент отражения диэлектрического материала 527=0,5. Результаты расчетов приведен в Таблице 1 и Таблице 2.

Заметим, что наибольший интерес представляет температурный контраст зоны 11 и зоны 12 не с окружающим фоном, а с прилежащими кожными покровами (с зоной 10), что указано в Таблице 1 и Таблице 2 как ΔТ_ТД для зоны 11 и зоны 12. Для полупрозрачной в микроволновом диапазоне одежды (527=0,5), температурный контраст, NET, при использованини холодного фона 100 К может быть увеличен в 5-7 раз (см. Таблицу 1). При учете зависимости

это соответствует увеличению скорости считывания

в 25-50 раз при той же пороговой чувствительности изображающего радиометра. Таким образом, при правильной реализации полезной модели современный радиометр, имеющий кадровую скорость 1 кадр в секунду (примерно ту же, что у контрольных рамок) сможет выдавать информацию с кадровой скоростью стандартного видеопотока - 25-30 кадров за секунду. Важным практическим фактором может стать «эффект бликования» плоского металлического (отражающего) предмета, который, в случае наличия бокового фона нормальной температуры, может изменять температуру отраженного сигнала от нормальной (при отражении фона 295 К) до холодной, около 250 К (при отражении фона 100 К), то есть контраст составит 45°С. При отсутствии холодного фона такого эффекта самообнаружения при бликовании, аналогичного солнечному зайчику, возникнуть не может.

Оценка отклонений формы, дающая гарантированный эффект, может быть сформулирована следующим образом. Угол отклонение нормали реальной отражающей поверхности от нормали идеального эллипсоида, α_max, не должен превосходить величины, прямо пропорциональной апертуре холодного излучения, D_x, и обратно пропорционально расстоянию от холодной апертуры до отражающей стенки с данного направления, L_R:

Это соотношение для помещения, представленного на Фиг. 1, длиной около 20 метров и шириной 10 метров при апертуре холодного излучения D_x=1 м дает значение α<1/20, то есть около 3°, что несложно реализовать на практике.

Claims

Камера дистанционного температурного контроля, состоящая из одной или нескольких радиоотражающих поверхностей, чернотельного излучателя и изображающего радиометра, расположенных так, что все радиоотражающие поверхности лежат на поверхности эллипсоида, а рабочие апертуры чернотельного излучателя и изображающего радиометра расположены в двух разных фокальных точках того же эллипсоида.