Особенности городской атмосферы. Выбор спектрального окна работы ИК-камеры

В современном городе состояние атмосферы далеко от идеального как для проживания человека, так и для функционирования тепловизионных систем мониторинга КС\ЧС. В результате деятельности промышленных предприятий воздушный бассейн загрязнен различными газами, также характерны дымка, образование тумана, высокая влажность. Когда излучение проходит через большую толщу атмосферы, проявляются полосы поглощения присутствующего в атмосфере водяного пара. Эта составляющая атмосферы в значительной мере определяет поглощение в инфракрасной области. Из других газов важнейшим является углекислый газ, поглощающее действие которого слабее, чем паров воды.

Основные полосы поглощения водяного пара расположены на участках 2, 6 мкм, между 5, 5 и 7, 5 мкм и за пределами 20 мкм; в этих полосах излучение поглощается практически полностью на длине трассы 100 м и более. Следует отметить очень важное для практических применений обстоятельство – существование определенного числа прозрачных участков, окон прозрачности, т.е. областей, внутри которых поглощение очень слабое. Эти окна расположены в следующих интервалах длин волн 0, 4ч1, 0 мкм, 1, 2ч1, 3 мкм, 1, 5ч1, 8 мкм, 2, 1ч2, 5 мкм, 3ч5 мкм, 8ч13 мкм.

Последнее окно (8ч13 мкм), в котором хотя и сохраняется слабое поглощение, имеет очень большое значение, поскольку оно соответствует по длинам волн максимуму теплового излучения тел при окружающей температуре. Окно 3ч5 мкм выгодно использовать для обнаружения более нагретых тел или объектов, сильно излучающих в этом диапазоне (например, в случае излучения полосы углекислого газа – остатка практически всех продуктов сгорания).

 

Рис. 1.4. Пропускание атмосферы на трассе 1, 8 км, на уровне моря при толщине слоя осажденной воды 17 мм

 

Пропускание атмосферы зависит от длины трассы, а также от метеорологических условий. Измерения и расчеты спектрального коэффициента ослабления излучения атмосферой позволяют определить наиболее благоприятные для проведения измерений спектральные области.

Если этот фактор довольно слабо действует на очень коротких дистанциях, то этого уже нельзя сказать для расстояний в несколько сотен метров, на которых атмосфера не только поглощает часть излучения, но и добавляет собственное излучение на трассе. В общем случае очень влажная атмосфера оказывает большее влияние в диапазоне 8ч12 мкм, тогда как аэрозоли и дымка особенно неблагоприятны для диапазона 3ч5 мкм. Необходимо также отметить очень сильное поглощение углекислым газом в интервале длин волн 4, 2ч4, 4 мкм.

Если на коротких дистанциях, влияние пропускания атмосферы мало (оно очень хорошее в обоих диапазонах: и в 3ч5 мкм, и в 8ч12 мкм), то на больших дистанциях выигрывает диапазон 8ч12 мкм. Мощность испускаемого объектом излучения после прохождения через атмосферу, оптику и фильтры должна достигнуть приемника, имея величину, превышающую величину шума. Следовательно, при низких температурах на пороге обнаружения в канале 3ч5 мкм сигнал более близок по величине к шумам. Отношение сигнала к шуму в этом канале меньше, чем в канале 8ч12 мкм.

 

Рис. 1.5 Спектральное пропускание атмосферы

 

Помимо пропускания атмосферы важным фактором является поверхностная плотность (мощность) излучения самого наблюдаемого объекта при разных температурах в данных спектральных диапазонах.

 

Таблица 1.2. Поверхностная плотность потока в спектральных полосах 3, 5–5, 5 и 8–14 при разных температурах

ла мкм	лb мкм	Т=280К [Вт/см2]	Т=290К [Вт/см2]	Т=300К [Вт/см2]	Т=310К [Вт/см2]	Т=750К [Вт/см2]	Т=1000К [Вт/см2]
3.5	5, 5	5, 36∙ 10-4	7, 73∙ 10-4	1, 09∙ 10-3	1, 50∙ 10-3	5, 68∙ 10-1	2, 38
8	14	1, 26∙ 10-2	1, 48∙ 10-2	1, 74∙ 10-2	2, 01∙ 10-2	3, 34∙ 10-1	6, 05

Как видно из таблицы 1.2 в диапазоне длин волн 8ч14 мкм мощность излучения, испускаемая слабо нагретыми телами, значительно выше, чем в диапазоне 3, 5ч5, 5 мкм.

Указанные недостатки диапазона 3ч5 мкм частично компенсируются лучшей обнаружительной способностью. Это означает, что при одинаковых площадях фоточувствительного элемента и одинаковых электрических полосах пропускания приемники 3ч5 мкм чувствительны к более слабым сигналам, чем приемники 8ч12 мкм.

Также необходимо учесть влияние теплового контраста, характеризующего дифференциальную чувствительность измерений.

Кривые изменения теплового контраста для спектральных интервалов 3ч 5 и 8ч14 мкм показывают, что для данного перепада температур ∆ T=Т₀ - T_f в окрестности определенной окружающей температуры тепловые контрасты изображения в интервале длин волн 3, 5ч5, 5 мкм превосходят тепловые контрасты в интервале длин волн 8ч14 мкм.

 

Рис. 1.6 Тепловые контрасты спектральной Рис. 1.7 Тепловые контрасты спектральной области области ∆ л=3, 5ч5, 5 мкм ∆ л=8ч 14 мкм

 

Для системы тепловизионного мониторинга КС возможно использование как диапазона 3ч5 мкм, так и диапазона 8ч12 мкм. Диапазон 3ч5 мкм позволяет наблюдать слабоконтрастные объекты, что необходимо при ведении мониторинга, также помимо лучшего температурного контраста, на этот диапазон приходится максимум спектра излучения факела пламени и большинства строительных материалов. А диапазон 8ч12 мкм более выгоден на длинных дистанциях и соответствует наблюдаемому диапазону температур. Поэтому оптимальным решением для задач мониторинга является использование двух диапазонов одновременно, что позволит совместить их преимущества и сгладить недостатки. 1.3. Состояние рынка тепловизионных камер

 

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: