ТЕПЛОВИЗОР Российский патент 2009 года по МПК G01J5/28 

Изобретение относится к оптико-механическому приборостроению, а именно к технике формирования и передачи изображений, и может быть использовано в устройствах тепловидения, преимущественно в тепловизорах, предназначенных для визуального наблюдения тепловых изображений различных объектов посредством бесконтактной оптико-цифровой регистрации собственного и отраженного теплового излучения и отображения теплового портрета в блоке визуализации, в том числе для визуализации в реальном времени скрытых предметов, т.е. недоступных для регистрации обычными оптическими средствами - скрытых под одеждой, в багажной и пластиковой упаковке и т.п.

Особую актуальность представляет обнаружение скрытых предметов, представляющих потенциальную опасность для жизни, - оружия, взрывчатых веществ, наркотиков, а также предметов, подрывающих экономические основы государства, - контрабандные товары.

Из наиболее перспективных методов, способных решать данную задачу, можно отметить способ пассивной радиотеплолокации (радиовидения, радиотепловидения), основанный на регистрации и картировании контраста собственного теплового радиоизлучения, исходящего и отраженного от объекта при помощи специальных высокочувствительных приемников - радиометров, оснащенных узконаправленными антеннами с механическим или электрическим сканированием. В отличие от радиолокационных и рентгеновских методов, предусматривающих активное воздействие на объект, - излучение РЧ генератора или рентгеновского источника, методы радиотеплолокации являются пассивными. Методы радиотеплолокации нашли применение в радиоастрономии, навигации, системах космического землеобзора, в биологии для скрытого наблюдения за животными в темноте. Аналогичные возможности тепловидения применяют в военных и охранных целях. Идея применения радиотепловидения для обнаружения скрытых предметов основана на том, что исходящее от нагретого объекта радиоизлучение в определенном диапазоне длин волн может проходить через некоторые предметы, например одежду, без существенного ослабления. В то же время другие предметы например металлические, дают существенное отражение радиоволн. Таким диапазоном является 2-10 мм, т.е. диапазон миллиметровых волн. В настоящее время развита теория применения радиотепловидения, предложены различные технические решения, позволяющие реализовать выявление скрытых предметов радиотепловизионным методом.

Известен тепловизор, предназначенный для обнаружения предметов, скрытых под одеждой людей (см. патент РФ №2133971, МПК G01V 3/11, G08B 13/18, H04N 5/33, опубл. 27.07.99 г.), содержащий последовательно соединенные узел регистрации электромагнитного поля, блок обработки и блок отображения информации, при этом узел регистрации электромагнитного поля выполнен в виде радиометра и радиоприемной антенны, снабженной узлом сканирования, подключенным к блоку отображения информации, антенна выполнена с возможностью фокусирования ее луча в процессе сканирования на участке поверхности тела человека, между этой поверхностью и радиоприемной антенной помещена ширма с щелью для прохождения луча антенны, окружающая устройство и покрытая материалом, поглощающим электромагнитные волны, выполненная с возможностью поддержания этого материала при температуре, отличной от температуры тела человека.

Из недостатков данного тепловизора можно отметить нерациональное использование времени, отводимого непосредственно на сканирование объекта, которое обеспечивается поворотом треугольной призмы. Это связано с тем, что сканируемый угловой сектор составляет малую часть от полного оборота этой призмы. В результате затрудняется быстрое накопление сигнала от объекта, что приводит в конечном итоге к снижению чувствительности тепловизора.

Известен тепловизор, относящийся к оптико-механическому приборостроению, в частности к сканирующим устройствам [см. Pirogov Y.A., Gladun V.V., Chzhen S.P., Tischenko D.A., Timanovskiy A.L. Passive millimeter-wave imaging with superresolution // Proc. SPIE, 2004. V.5719. P.318], оптическая сканирующая система которого содержит телескопическую систему, плоское сканирующее зеркало, первое сферическое зеркало, первый зеркальный многогранный сканирующий барабан с внешним отражением, объектив, фотоприемник и имитатор абсолютно черного тела, второе сферическое зеркало, центр кривизны которого совпадает с центром кривизны первого сферического зеркала, образуя вторую телескопическую систему, второй зеркальный барабан с внутренним отражением с числом граней, отличным от первого, установленный на одной с ним оси с возможностью вращения вокруг нее в ту же сторону. Входной зрачок телескопической системы лежит в плоскости, проходящей через центр кривизны сферических зеркал, образующих вторую телескопическую систему, и точку пересечения визирных осей объектива, в фокальной плоскости которого расположены чувствительные площадки фотоприемника и сканирующих барабанов.

Недостатком описанного тепловизора является многократное отражение принимаемого сигнала, критичные требования к точности изготовления механических узлов и их юстировке, что усложняет настройку системы синхронизации.

Известен также наиболее близкий по технической сущности к заявляемому тепловизор (см. R.Doyle, В.Lyons, J.Walshe, P.Curtin, A.H.Lettington, T.McEnroe, J.McNaboe. Low Cost Millimetre Wave Camera Imaging up to 140GHz // 34th European Microwave Conference - Amsterdam, 2004, pp. 1285-1289), содержащий последовательно соединенные узел регистрации в виде матричного радиометра, оптическую сканирующую систему, в состав которой входит зеркало, обеспечивающее проецирование изображения на матричный радиометр, а также блок обработки информации, при этом матричный радиометр выполнен 32-канальным, оптическая сканирующая система - из трех специальным образом ориентированных зеркал для проецирования изображения на матричный радиометр, два из которых имеют возможность вращения во взаимно противоположных направлениях и выполнены скошенными, оптическая ось которых находится под углом к оси их вращения.

В результате использования описанного тепловизора возможно получение изображений предметов размерами до 0.6×2.0 м с разрешением 10 мм на расстоянии до 2 м. Для получаемых изображений характерны искажения, которые проявляются в виде модуляции яркости в направлении, перпендикулярном направлению сканирования. При использовании 32-канального матричного радиометра обеспечивается чувствительность, достаточная для того, чтобы проводить сканирование с частотой 10 кадров в секунду.

Недостатком такой системы является наличие многократного - не менее 4 раз отражения сигнала при прохождении системы зеркал, что приводит к ослаблению сигнала и искажениям из-за дифракционного рассеяния. Для компенсации ослабления сигнала применяется сравнительно большое количество (32) канала матричного радиометра, стоимость которых в настоящее время достаточно велика - сопоставима со стоимостью всех остальных элементов конструкции.

Кроме того, вращение скошенных зеркал с необходимой для данной цели большой апертурой (порядка 60 см) связано с большими механическими нагрузками на приводы из-за необходимости преодоления значительного, постоянно изменяющегося момента. А поскольку у скошенных зеркал оптическая ось отклонена от оси вращения, то вращение таких зеркал неизбежно сопровождается наличием вибраций, механического и акустического шума. Указанные факторы ограничивают применение данной модели в условиях нестационарных, динамических нагрузок и создают нежелательное демаскирующее сопровождение процессу обнаружения скрытых предметов.

В основу изобретения поставлена задача такого усовершенствования тепловизора, при котором за счет перехода от линейного сканирования к коническому создаются условия для уменьшения механических нагрузок на приводы, снижения вибраций, механического и акустического шума, вследствие чего обеспечивается возможность использования предлагаемого тепловизора в условиях нестационарных, динамических нагрузок и возможно скрытное использование тепловизора, обеспечивается также улучшение пространственно-временных характеристик тепловизора при сохранении возможности получения радиоизображения в режиме реального времени.

Для решения этой задачи предлагается тепловизор, содержащий последовательно соединенные узел регистрации в виде матричного радиометра, оптическую сканирующую систему, в состав которой входит зеркало, обеспечивающее проецирование изображения на матричный радиометр, а также блок обработки информации, согласно изобретению зеркало имеет возможность кругового конического сканирования и выполнено вогнутым в виде части эллипсоида вращения, в ближней фокальной плоскости которого находится матричный радиометр, при этом для обеспечения кругового конического сканирования упомянутое зеркало кинематически связано с эксцентриком, насаженным на ось шагового двигателя, снабженного сферическим подшипником, посредством штока соединенным с дополнительным сферическим подшипником, центр которого совпадает с центром зеркала, а на штоке жестко закреплен сайлент блок в виде кольца, предназначенный для ограничения диапазона вращения зеркала, наружная поверхность которого закреплена на неподвижной части оборудования, а внутренняя - на штоке.

В заявляемом тепловизоре нет необходимости преодоления значительного, постоянно изменяющегося момента, возникающего при вращении единственного зеркала. Поэтому с уменьшением механических нагрузок значительно уменьшаются вибрации, механический и акустический шумы, вследствие чего обеспечивается возможность использования предлагаемого тепловизора в условиях нестационарных динамических нагрузок и возможно скрытное использование тепловизора. Угол качания (угол конуса) при круговом коническом сканировании определяется отношением величины эксцентриситета к расстоянию между упомянутыми сферическими подшипниками и составляет 1,2°, а поскольку коническое сканирование осуществляется с таким же малым углом, то амплитуда качания - максимальное отклонение эллиптической антенны - составляет порядка 10 мм (вместо 50 мм для прототипа). Поэтому для конического сканирования характерен малый механический момент на оси качания и благодаря этому в приводе конического сканирования можно использовать сравнительно маломощный двигатель.

В связи с тем, что в предлагаемом тепловизоре не происходит многократного отражения сигнала, как в устройстве по прототипу, а имеет место лишь однократное отражение сигнала при прохождении через вогнутое, изготовленное в виде эллипсоида вращения зеркало, то ослабления сигнала и искажений из-за дифракционного рассеяния не происходит. Поэтому для компенсации ослабления сигнала возможно использовать не 32-, а 8-канальный матричный радиометр, который и стоит соответственно значительно дешевле.

На чертеже представлен общий вид заявляемого тепловизора.

Тепловизор состоит из последовательно соединенных узла регистрации в виде матричного радиометра 3, оптической сканирующей системы, в состав которой входит зеркало 2, обеспечивающее проецирование изображения на матричный радиометр 3, а также блока обработки информации, согласно изобретению зеркало 2 имеет возможность кругового конического сканирования и выполнено вогнутым в виде части эллипсоида вращения, в дальней фокальной плоскости которого находится объект 1, а в ближней фокальной плоскости которого находится матричный радиометр 3, при этом для обеспечения кругового конического сканирования упомянутое зеркало 2 кинематически связано с эксцентриком 8, насаженным на ось шагового двигателя 9, снабженного сферическим подшипником 13 посредством штока 12, соединенного с дополнительным сферическим подшипником 14, центр которого совпадает с центром зеркала 2, синхронизация конического сканирования с работой матричного радиометра 3 осуществляется по оптическому датчику 11, а диапазон вращения зеркала 2 задается посредством сайлент блока (не показан), изготовленного в виде кольца, внутренняя поверхность которого жестко зафиксирована на штоке 12, а наружная поверхность закреплена на неподвижной части оборудования, угол качания (угол конуса) зеркала 2 определяется отношением величины эксцентриситета элиптического зеркала к расстоянию между упомянутыми сферическими подшипниками 13 и 14 и составляет 1,2°, блок обработки информации состоит из блока синхронных детекторов 4 (БСД), аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 5, персонального компьютера (ПК) 6 и монитора 7.

Тепловизор работает так:

Зеркало 2, качаемое двигателем 9 через эксцентрик 8 и шток 12 на сферических подшипниках 13, 14, осуществляет коническое сканирование объекта 1, находящегося в дальней фокальной плоскости зеркала 2. Излучение от объекта 1 попадает на зеркало 2 и фокусируется им на матричный радиометр 3, который передает информацию на БСД 4. С БСД 4 информация поступает в АЦП 5 и в цифровом виде передается в ПК 6. После обработки алгоритмами построения изображения она выводится на монитор 7. Шаговый двигатель 9 конического сканирования управляется с ПК 6 через контроллер 10. Синхронизация конического сканирования с работой матричного радиометра 3 осуществляется по оптическому датчику 11.

Изобретение относится к оптико-механическому приборостроению. В тепловизоре, содержащем последовательно соединенные узел регистрации в виде матричного радиометра, оптическую сканирующую систему, в состав которой входит зеркало, а также блок обработки информации, согласно изобретению зеркало имеет возможность кругового конического сканирования и выполнено вогнутым в виде части эллипсоида вращения, в ближней фокальной плоскости которого находится матричный радиометр. Зеркало кинематически связано с эксцентриком, насаженным на ось шагового двигателя, снабженного сферическим подшипником, посредством штока соединенным с дополнительным сферическим подшипником, центр которого совпадает с центром зеркала. На штоке жестко закреплен сайлент блок в виде кольца, предназначенный для ограничения диапазона вращения зеркала, наружная поверхность которого закреплена на неподвижной части оборудования, а внутренняя - на штоке. Технический результат - улучшение пространственно-временных характеристик тепловизора. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Тепловизор, содержащий последовательно соединенные узел регистрации в виде матричного радиометра, оптическую сканирующую систему, в состав которой входит зеркало, обеспечивающее проецирование изображения на матричный радиометр, а также блок обработки информации, отличающийся тем, что зеркало имеет возможность кругового конического сканирования и выполнено вогнутым в виде части эллипсоида вращения, в ближней фокальной плоскости которого находится матричный радиометр.

2. Тепловизор по п.1, отличающийся тем, что зеркало кинематически связано с эксцентриком, насаженным на ось шагового двигателя, снабженного сферическим подшипником, посредством штока соединенным с дополнительным сферическим подшипником, центр которого совпадает с центром упомянутого зеркала.

3. Тепловизор по п.1, отличающийся тем, что на штоке жестко закреплен сайлент блок в виде кольца, предназначенный для ограничения диапазона вращения зеркала, наружная поверхность которого закреплена на неподвижной части оборудования, а внутренняя поверхность - на штоке.