Kronika termálneho zobrazovania (časť 1)

Kronika termálneho zobrazovania (časť 1)
Kronika termálneho zobrazovania (časť 1)

Video: Kronika termálneho zobrazovania (časť 1)

Video: Kronika termálneho zobrazovania (časť 1)
Video: Побег Из КАРТОННОЙ ТЮРЬМЫ Челлендж **3 часть** 2024, Smieť
Anonim

Ako obvykle, korene všetkých dôležitých vecí tak či onak siahajú do starovekého Grécka - termovízne zobrazovanie v tejto situácii nie je výnimkou. Titus Lucretius Carus bol prvým, kto naznačil, že existujú nejaké „tepelné“lúče, ktoré sú pre ľudské oko neviditeľné, ale záležitosť neprešla za špekulatívne závery. Zaspomínali si na tepelné žiarenie v ére vývoja parnej technológie a medzi prvými boli švédsky chemik Karl Scheele a nemecký fyzik Johann Lambert. Prvé v jeho diele „Chemické pojednanie o vzduchu a ohni“si zaslúžilo teplo celej kapitoly - táto udalosť sa stala v roku 1777 a stala sa predchodcom knihy „Pyrometria“, ktorú o dva roky neskôr napísal Lambert. Vedci zistili rovnosť šírenia tepelných lúčov a určili možno najdôležitejšiu vec - ich intenzita sa nepriamo znižuje so štvorcom vzdialenosti. Ale najpozoruhodnejší zážitok s teplom urobil Marc Auguste Pictet v roku 1790, keď postavil dve konkávne zrkadlá oproti sebe a v ohnisku jedného umiestnil vyhrievanú guľu. Pictet meraním teplôt zrkadiel zistil niečo prekvapujúce pre túto éru - zrkadlo sa ukázalo byť teplejším, v ohnisku ktorého bola horúca guľa. Vedec zašiel ďalej a zahriate telo zmenil na snehovú guľu - situácia dopadla presne naopak. Tak bol objavený jav odrazu tepelného žiarenia a pojem „lúče chladu“sa stal navždy minulosťou.

Obrázok
Obrázok

Ďalšou významnou osobou v histórii tepelného zobrazovania bol objaviteľ Uránu a jeho satelitov, anglický astronóm William Herschel. Vedec v roku 1800 zistil existenciu neviditeľných lúčov „s najväčšou vykurovacou silou“umiestnených mimo viditeľné spektrum. To sa mu podarilo pomocou skleneného hranola, ktorý rozkladá svetlo na jeho súčasti, a teplomera, ktorý zaznamenával maximálnu teplotu napravo od viditeľného červeného svetla. Ako stúpenec Newtonovho korpuskulárneho učenia Herschel pevne veril v identitu svetla a sálavého tepla, ale po experimentoch s lomom neviditeľných infračervených lúčov bola jeho viera poriadne otrasená. Ale v každom príbehu to nie je úplné bez autoritatívnych múdrych ľudí z vedy, ktorí kazia obraz svojimi falošnými dohadmi. Túto úlohu zohral fyzik John Leslie z Edinburghu, ktorý vyhlásil existenciu ohriateho vzduchu, čo sú v skutočnosti veľmi „mýtické tepelné lúče“. Nebol lenivý zopakovať Herschelov experiment, ktorý na tento účel vynašiel špeciálny diferenciálny ortuťový teplomer, ktorý zaznamenával maximálnu teplotu práve v zóne viditeľného červeného spektra. Herschel bol vyhlásený za takmer šarlatána, pričom poukázal na nedostatočnú prípravu experimentov a nepravdivosť záverov.

Čas však hodnotil inak - do roku 1830 početné experimenty popredných svetových vedcov dokázali existenciu „Herschelových lúčov“, ktoré Becquerel nazýval infračervené. Štúdium rôznych telies na schopnosť prenášať (alebo neprenášať) také žiarenie viedlo vedcov k pochopeniu, že kvapalina, ktorá vypĺňa očnú guľu, absorbuje infračervené spektrum. Vo všeobecnosti je to presne taká chyba prírody, ktorá vytvorila potrebu vynálezu termokamery. Ale v 19. storočí sa vedci dozvedeli iba o povahe teplo prenášajúceho a neviditeľného žiarenia, pričom prešli do všetkých nuancií. Ukázalo sa, že rôzne zdroje tepla - horúca kanvica, horúca oceľ, alkoholová lampa - majú odlišné kvalitatívne zloženie „infračerveného koláča“. Experimentálne to dokázal Talian Macedonio Melloni pomocou jedného z prvých zariadení na záznam tepla-termostĺpčeka bizmutu a antimónu (termomultiplikátor). Interferencia infračerveného žiarenia umožnila vysporiadať sa s týmto javom - v roku 1847 sa s jeho pomocou najskôr štandardizovalo spektrum s vlnovou dĺžkou až 1,94 mikrónu.

Kronika termálneho zobrazovania (časť 1)
Kronika termálneho zobrazovania (časť 1)

A v roku 1881 prišiel na pomoc experimentálnej fyzike bolometer - jedno z prvých zariadení na fixáciu žiarivej energie. Tento zázrak vynašiel švédsky matematik a fyzik Adolf-Ferdinand Svanberg, ktorý do dráhy infračerveného žiarenia nainštaloval extrémne tenkú začernenú platňu, ktorá je schopná vplyvom tepla meniť svoju elektrickú vodivosť. Takýto detektor žiarenia umožnil dosiahnuť v tom čase maximálnu možnú vlnovú dĺžku až 5,3 mikrónu a do roku 1923 bolo v žiarení malého elektrického oscilátora už detegovaných 420 mikrónov. Začiatok 20. storočia je poznačený vznikom množstva myšlienok týkajúcich sa praktickej implementácie teoretických rešerší predchádzajúcich desaťročí. Zdá sa teda, že fotorezistor sulfidu tálnatého je ošetrený kyslíkom (oxysulfid tália) a je schopný meniť svoju elektrickú vodivosť pod vplyvom infračervených lúčov. Nemeckí inžinieri vytvorili na ich základe prijímače tallofidov, ktoré sa stali spoľahlivým komunikačným prostriedkom na bojisku. Wehrmacht dokázal až do roku 1942 tajiť svoj systém, schopný prevádzky na vzdialenosť až 8 km, kým nebol prerazený pri El Alameine. Evaporografy sú prvé skutočné tepelné zobrazovacie systémy, ktoré získali viac alebo menej uspokojivé termogramy.

Obrázok
Obrázok

Zariadenie je nasledovné: v komore je umiestnená tenká membrána s presýtenými parami alkoholu, gáfru alebo naftalénu a vnútorná teplota je taká, že rýchlosť odparovania látok sa rovná rýchlosti kondenzácie. Túto tepelnú rovnováhu narúša optický systém, ktorý zameriava tepelný obraz na membránu, čo vedie k zrýchleniu odparovania v najhorúcejších oblastiach - v dôsledku toho sa vytvorí tepelný obraz. Nekonečné desiatky sekúnd v evaporografe boli vynaložené na vytvorenie obrazu, ktorého kontrast zanechal veľa želaných, hluk niekedy všetko zatienil a na kvalitný prenos pohybujúcich sa predmetov sa nedalo nič povedať. Napriek dobrému rozlíšeniu 10 stupňov Celzia, kombinácia nevýhod nenechala evaporograf miesto v sériovej výrobe. V ZSSR sa však objavil malý prístroj EV-84, v Nemecku-EVA, a v Cambridge sa uskutočnili experimentálne vyhľadávania. Od 30. rokov minulého storočia sa pozornosť inžinierov upriamovala na polovodiče a ich zvláštny vzťah k infračervenému spektru. Tu opraty moci prešli na armádu, pod ktorej vedením sa objavili prvé chladené fotorezistory na báze sulfidu olovnatého. Myšlienka, že čím nižšia je teplota prijímača, tým vyššia je jeho citlivosť, sa potvrdila a kryštály v termokamerách sa začali zmrazovať pevným oxidom uhličitým a kvapalným vzduchom. A na tie predvojnové roky už dosť vyspelá technológia, vyvinutá na pražskej univerzite, technológia striekania citlivej vrstvy vo vákuu. Od roku 1934 sa elektrooptický menič nulovej generácie, známejší ako „Holstovo sklo“, stal predchodcom mnohých užitočných technológií-od zariadení na nočnú jazdu tankov až po jednotlivé zameriavače.

Obrázok
Obrázok

Nočné videnie získalo dôležité miesto v námorníctve - lode získali schopnosť navigovať v úplnej tme v pobrežnej zóne, pričom udržiavali režim zatemnenia. V roku 1942 si letectvo požičalo skúsenosti flotily v oblasti nočnej navigácie a komunikácie. Vo všeobecnosti boli Briti prví, ktorí v roku 1937 ako prví zistili lietadlo na nočnej oblohe pomocou infračerveného podpisu. Vzdialenosť bola, samozrejme, skromná - asi 500 metrov, ale na tú dobu to bol nepochybný úspech. Najbližšie k termovíznej technológii v klasickom zmysle bolo v roku 1942, keď bol získaný supravodivý bolometer na báze tantalu a antimónu s chladením kvapalným héliom. Nemecké smerovače tepla „Donau-60“na jeho základe umožnili rozpoznať veľké námorné plavidlá na vzdialenosť až 30 km. Štyridsiate roky sa stali akousi križovatkou technológie tepelného zobrazovania - jedna cesta viedla k systémom podobným televízii s mechanickým skenovaním a druhá k infračerveným vidikonom bez skenovania.

História domáceho vojenského termovízneho zariadenia siaha do konca 60. rokov minulého storočia, keď sa v zariadení na výrobu nástrojov v Novosibirsku začali práce v rámci výskumných projektov „Večer“a „Večer-2“. Na teoretickú časť dohliadal vedúci výskumného ústavu aplikovanej fyziky v Moskve. Sériová termokamera vtedy nefungovala, ale vývoj bol použitý vo výskumnej práci „Lena“, ktorej výsledkom bola prvá termokamera na prieskum 1PN59, vybavená fotodetektorom „Lena FN“. 50 fotosenzitívnych prvkov (každý s veľkosťou 100x100 mikrónov) bolo umiestnených do jedného radu s krokom 130 mikrónov a zaisťovalo prevádzku zariadenia v spektrálnom rozsahu MWIR (Middle Wave Infrared) od 3 do 5 mikrónov s rozsahom rozpoznávania cieľa do 2 000 m. vysoký tlak vstúpil do mikro výmenníka tepla fotodetektora, ochladil ho na -194,5 ° C a vrátil sa do kompresora. Toto je vlastnosť zariadení prvej generácie - vysoká citlivosť vyžaduje nízke teploty. A nízke teploty si zase vyžiadali veľké rozmery a pôsobivú spotrebu energie 600 wattov.

Nainštalovaný 1PN59 na domácom prieskumnom vozidle PRP-4 „Nard“pomocou základne BMP-1.

Obrázok
Obrázok

Do roku 1982 sa domáci inžinieri rozhodli posunúť prevádzkový spektrálny rozsah termovíznych zariadení na 8-14 mikrónov (LWIR s dlhou vlnovou dĺžkou-Long Wave Infrared) kvôli lepšej „priepustnosti“atmosféry tepelného žiarenia v tomto segmente. Výrobok pod indexom 1PN71 bol výsledkom podobnej konštrukčnej práce v smere „Manual-2“, ktorá má ako „vševidiace oko“fotodetektor kadmia a ortuti (CdHgTe alebo MCT).

Obrázok
Obrázok

Tento citlivý prvok sa nazýval „Weightlessness-64“a mal … správne, 64 kryštálov MCT s rozmermi 50 x 50 s krokom 100 mikrónov. „Nulovú gravitáciu“bolo potrebné zmraziť ešte viac - až do -196, 50 ° C, ale hmotnosť a rozmery výrobku sa výrazne znížili. To všetko umožnilo dosiahnuť ďalekozrakosť 1PN71 na 3 000 metrov a výrazne zlepšiť obraz pred používateľom. Termovízna kamera bola nainštalovaná na delostreleckej mobilnej prieskumnej stanici PRP-4M „Deuteriy“, ktorá je okrem zariadenia 1PN71 vyzbrojená zariadením na pulzné nočné videnie, radarom a laserovým diaľkomerom. Vzácny druh v ruskej armáde-BRM-3 „Lynx“je tiež vybavený tepelným zobrazovacím zariadením na prieskum závodu v Novosibirsku na výrobu nástrojov. Termokamera 1PN126 „Argus-AT“, vyvinutá v roku 2005 Tochpribor Central Design Bureau a vybavená mikroskopickými citlivými prvkami s rozmermi 30 x 30 mikrónov z osvedčeného CdHgTe, sa odporúča zmeniť túto techniku v jednotkách. Skutočným vrcholom 126. termokamery je rotujúci oktaedrálny germániový hranol, ktorý je priehľadný pre infračervené žiarenie. Práve tento skener generuje na fotodetektore dva snímky v jednej otáčke v režime záznamu tepelného podpisu pozorovaného objektu. Na porovnanie - v 1PN71 túto úlohu hralo ploché zrkadlo - v Sovietskom zväze neexistovali lacné technológie na výrobu germániových okuliarov. Pre novú domácu termokameru bola pripravená prieskumná plošina predného okraja PRP-4A, alebo, ako sa často nazýva „vševidiace oko boha vojny“. Stroj je plný početných šošoviek optických prieskumných prostriedkov a je celkom podobný starovekému gréckemu viacokému obrovi, podľa ktorého bol pomenovaný.

Odporúča: