eng
Выпуск #3/2017
В.В.Старцев, В.К.Попов, К.Е.Аношин
Мультиспектральный модуль обнаружения и анализа угроз для охраны протяженных объектов на базе ИК- и видеосистем
Мультиспектральный модуль обнаружения и анализа угроз для охраны протяженных объектов на базе ИК- и видеосистем
Просмотры: 4168
В статье рассматриваются вопросы конструкции серийного мультиспектрального видео-тепловизионного модуля АСТРОН-3А и приводится обзор его технических характеристик.
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.63.3.82.96
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.63.3.82.96
Теги: all-weather system of object protection intelligent video and thermal analysis ir detector threats всепогодная система защиты объектов ик-детектор интеллектуальный видео- и термический анализ угрозы
ИСТОРИЯ РАЗРАБОТКИ ИК-ДЕТЕКТОРОВ
Технологии производства инфракрасных детекторов развиваются и совершенствуются уже на протяжении более 200 лет с момента проведения опыта английским астрономом У. Гершелем. При испытании он обнаружил, что в полученном с помощью призмы спектре Солнца температура контрольного термометра повышается за границей красного света, и его значения отличаются от показаний других термометров. Первый работоспособный электронно-оптический преобразователь был разработан Холстом в фирме "Филипс" (Голландия) в 1934 году. С середины 30-х годов из открытой печати полностью исчезли публикации по ИК-технике. Началось первое соревнование великих держав – Англии, СССР, Германии и США в области ночного видения. "Стакан Холста" был доработан до серийного производства фирмой EMI (Англия), и с 1942 по 1945 год их было выпущено несколько тысяч штук для нужд британской армии. В конце войны в американской зоне оккупации Германии на заводе "Karl Zeiss" была обнаружена производственная линия по выпуску тепловых головок самонаведения "Kiel-IV" с фотоприемниками из сульфида свинца. Крупные исследования по фотоприемникам начались в США в 1940 году после организации Национального совета по оборонным исследованиям при президенте США. В задачи совета входило курирование вопросов оптики и ИК-техники. Известны ночные прицелы для стрелкового оружия, удачно примененные при десанте американцев на остров Окинава. В 1944 году стало известно об использовании немецкой армией теплопеленгационной аппаратуры для обнаружения с берега морских целей (нагретые трубы английских кораблей с расстояний до 10 км). Позже стало известно, что немецкими войсками береговой обороны применялись инфракрасные теплопеленгаторы на длину волны 10 мкм с использованием болометрического эффекта. В этих приборах излучение от целей (кораблей, катеров и др.) собиралось параболическим зеркалом на зачерненной пластинке, нагревало ее, что приводило к возрастанию сопротивления. Момент изменения сопротивления свидетельствовал о нахождении корабля в поле зрения теплопеленгатора. Около ста таких приборов было изготовлено на заводе "Karl Zeiss". В Советском Союзе приборами ночного видения занимались П. В.Тимофеев и В. И.Архангельский, а также академики С. И.Вавилов и А. А.Лебедев из ленинградского Государственного оптического института. К началу войны Черноморский флот располагал 15 комплектами корабельных систем ночного видения. Аппаратура, разработанная в 1943–1944 годах, предназначалась в основном для инженерных войск. Постановлением ГКО был сформирован моторизированный инженерный полк специального назначения, который был вооружен ночными приборами "Альфа", "Гамма", "Комета" и инфракрасными прожекторными станциями "ОСА‑1" и "ОСА‑2". Прибор "Альфа" с прожекторной станцией "ОСА‑2" позволял обнаруживать цель в темноте на расстоянии до 250 метров, а прибор "Гамма" – до 150 метров. Прибор "Комета" предназначался для поиска проходов в минных полях в ночных условиях. Для целей дальнего наблюдения был разработан опытный образец прибора ночного видения "Слон", который при прожекторном ИК-освещении позволял видеть человеческую фигуру на расстоянии до 450 метров. Для вооружения инженерного полка было изготовлено 7 прожекторных станций, 100 приборов "Альфа", 78 приборов "Гамма" и 363 прибора "Комета". В 1943–1945 годах полк провел свыше 300 тематических учений, показавших пригодность и эффективность разработанных приборов для ночного наблюдения за передним краем обороны противника, для форсирования водных преград, для указания проходов в минных полях и др. К 1944 году инженерные войска получили первый отечественный прицел для ночной стрельбы "Искра". Однако в боевых условиях эти приборы не успели себя показать [1].
Интенсивность процессов исследований, разработки и освоения тепловизионного направления значительно возросла в последние 50 лет. Сегодня, рассматривая физические принципы обнаружения теплового излучения и существующие технологии, можно классифицировать ИК-детекторы по группам (рис.1).
Принцип работы всех тепловых детекторов основан на изменении электрических характеристик материала приемника за счет энергии поглощенного теплового излучения. У микроболометров повышение температуры приемника изменяет его электропроводность, у термопилей появляется термоЭДС, у пироэлектрического приемника изменяется значение поверхностного заряда, а у термоэлектронных тепловых диодов – значение тока внутренней термоэлектронной эмиссии.
Технологии изготовления тепловых детекторов достигли определенной степени совершенства и предопределили ряд преимуществ, благодаря которым сенсоры этого типа занимают доминирующее положение на рынке в количественном отношении. Их достоинства – простота конструкции и отсутствие необходимости в охладителе. Практически нет необходимости в сервисном обслуживании. Микроболометры не требуют охлаждения, для них достигнут температурный эквивалент шума (NETD) 40–50 мК для апертурного числа, равного единице [2].
При прохождении через атмосферу Земли тепловое излучение ослабляется вследствие поглощения молекулами газов, а также рассеяния скоплениями молекул и частиц (аэрозолями) – дождем, снегом, туманом, дымом, смогом, пылью. Известны "окна прозрачности" атмосферы Земли:
• 0,3–1,3 мкм (видимый диапазон) – "большое окно",
• 1,5–1,8 мкм (ИК диапазон) – "первое окно",
• 2,0–2,6 мкм (ИК диапазон) – "второе окно",
• 7,0–15,0 мкм – "тепловой ИК-диапазон", или "третье окно".
Молекулярное поглощение является главной причиной ослабления излучения (в отсутствие сильного задымления и иных причин), причем наиболее сильно излучение поглощается парами воды, углекислым газом и озоном (рис.2). Между полосами прозрачности существуют полосы полного поглощения ИК-излучения атмосферой, в основном углекислым газом CO2 (2,6–2,9; 4,2–4,4 мкм) и парами воды Н20 (5–8 мкм) [2].
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОДУЛЯ АСТРОН‑3А
Мультиспектральные видео-тепловизионные модули АСТРОН‑3А (рис.3), являются базовыми элементами построения распределенной системы защиты железнодорожного пути и объектов железной дороги от возможных угроз. Модули разработаны с учетом значительного опыта эксплуатации тепловизионных систем типа АСТРОН (табл.1) по охране протяженных объектов компаний "Газпром" и РЖД. Применение в модуле хорошо зарекомендовавших себя тепловизионных систем АСТРОН‑320А100, АСТРОН‑320А75, которые серийно выпускаются на протяжении последних лет, позволяет гарантировать устойчивую работоспособность модуля в течение трех лет (или более 30 000 часов наработки).
Мультиспектральный модуль АСТРОН‑3А работает в двух диапазонах излучения: видимом и дальнем ИК (7–14 мкм). В модуле, кроме тепловизионного канала, предусмотрен видеоканал с дальностью видения и распознавания до 1 000 метров. Углы обзора видео- и тепловизионного канала идентичны. Видеоканал используется в основном в дневное время. Однако применение в камерах видимого диапазона низкоуровневых сенсоров позволяет использовать оптический канал при низких освещениях (до 0,001 лк), что особенно эффективно во время утренних и вечерних выравниваний температур. Предусмотрено переключение камер в режим противотуманного наблюдения. Благодаря наличию двух каналов существенно увеличена обнаружительная способность модуля в любое время суток и при любых погодных условиях.
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ МОДУЛЯ АСТРОН‑3А
Жесткость и надежность крепления модуля на опору контактной сети (при применении в системах российских железных дорог) обеспечивает отсутствие колебаний и дрожания модуля во время прохождения высокоскоростных поездов. Настройка на поле зрения производится без нарушения герметичности модуля. Конструкция корпуса содержит германиевые окна с просветлением и алмазоподобным покрытием для исключения потери прозрачности в ИК-диапазоне при их загрязнении. Специальная конструкция защиты германиевых окон предотвращает их загрязнение во время прохождения поездов. Предусмотрен прямой обогрев германиевого окна с одновременной термокалибровкой матрицы для оттаивания снега.
Антивандальность. Благодаря зеркалу в тепловизионном отсеке изменена оптическая ось тепловизионного модуля. При разрушении внешнего защитного окна в результате попадания механических внешних предметов (камень, пуля и т. д.) производится быстрая замена съемного модуля вместе с окном. Стоимость съемного модуля в десятки раз меньше стоимости германиевого объектива и тепловизора, которые остаются при этом целыми.
Повышение надежности. Важными особенностями являются: отсутствие необходимости проведения работ в полевых условиях внутри модуля, высокая герметичность между отсеками и с внешней стороной корпуса, герметичность разъемов питания и оптоволокна связи, встроенная система защиты от перенапряжения по цепи питания, диэлектрическая прочность стеклопластикового корпуса, электрическая изоляция высоковольтными изоляторами с напряжением перекрытия больше разрядного напряжения разрядника. Всем этим достигается надежность работы модуля в экстремальных условиях железной дороги. Микроболометрические матрицы, прошедшие военную приемку, с работоспособностью до –40°С исключают их деградацию при возможном отключении питания в зимнее время. Противотуманные низкоуровневые камеры видимого диапазона оснащены свехрсветосильной оптикой для распознавания объектов угроз на расстоянии до 1000 метров.
СОСТАВ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ МОДУЛЯ АСТРОН‑3А
Модуль содержит, кроме необходимых для тепловизионного и видимого охранного наблюдения блоков, аппаратуру для защиты самого модуля от электромагнитных помех, электрических и магнитных наводок, скачков и пульсаций напряжения, поддержания в необходимом температурном диапазоне различных блоков, обдув и прямой нагрев окна, а также некоторые другие элементы (табл. 2).
Конструкция мультиспектрального модуля АСТРОН (рис.4) включает основные узлы:
• верхний отсек (1) содержит низкоуровневую противотуманную камеру видимого диапазона, объектив и окно со щеткой;
• нижний отсек (2), содержащий призму для поворота оптической оси, систему юстировки, германиевое защитное окно. Тепловое излучение от объекта через германиевое окно попадает на зеркальную призму и направляется вверх на объектив тепловизионного блока. Расположение в нижнем отсеке исключает оседание на германиевый объектив пыли и конденсата. Юстировка на объект осуществляется изменением положения зеркальной призмы. Призма выполнена в виде кассеты и легко может быть заменена вместе с германиевым окном.
• герметичный отсек (3), содержащий светосильный германиевый объектив, болометрическую матрицу, плату захвата, блок видеоаналитики, устройства защиты от перенапряжения и др.
Корпус модуля установлен на высоковольтные опорные изоляторы (4) с выдерживаемым напряжением, превышающим напряжение срабатывания разрядника на линии молниезащиты (заземления) контактной сети железной дороги. Сам корпус выполнен из стеклопластика и не требует заземления.
Для удобства монтажа корпус модуля АСТРОН-ЗА имеет на трех сторонах посадочные места для крепления изоляторов, которые устанавливаются на пластину опоры контактной сети. Это позволяет крепить модуль в зависимости от необходимости с левой, правой сторон опоры или фронтально. Посадочные места с трех сторон на корпусе модуля под изоляторы имеют герметичное исполнение, что позволяет устанавливать модуль на любой стороне от опоры контактной сети и в любом направлении обзора от железнодорожного пути.
В нижней части корпуса модуль содержит два герметичных IP67 разъема для подключения оптоволокна и силового кабеля. В комплект поставки входит ответный штекер для разъема с подключенным оптоволокном и кабелем питания необходимой длины, согласованной с монтажной организацией. Возможны поставки с подключенными к оптоволокну муфтой и с прокалывающим зажимом для соединения провода питания с линией самонесущего изолированного провода. Муфта оптического кабеля имеет герметичное исполнение, обеспечивающее эксплуатацию модуля на открытом воздухе и не требующие дополнительной защиты.
СВЕТОСИЛЬНЫЕ ГЕРМАНИЕВЫЕ ОБЪЕКТИВЫ МОДУЛЕЙ АСТРОН-ЗА
Германий пропускает спектр излучения в диапазоне 2–16 мкм и имеет высокий коэффициент преломления, что позволяет получать значительную оптическую мощность приборов в диапазоне 8–12 мкм. В тепловизионых модулях АСТРОН-ЗА применяются специально рассчитанные объективы для обнаружения людей в условиях плохой видимости на больших расстояниях. Опыт российских предприятий в области ИК-телескопов для получения и идентификации ИК-излучения звезд малой светимости позволил нам создать сверхсветосильные объективы для тепловизоров. Нам представляется, что важность такого параметра, как диаметр объектива, недооценивается специалистами охранного телевидения и специалистами, использующими охранные тепловизоры. При малых диаметрах объектив не способен собрать от дальнего объекта необходимое количество теплового ИК-излучения для реакции болометрического пиксела. Особенно важным размер объектива становится в тепловизоре, так как болометр – это, иными словами, терморезистор, нагреваемый ИК-лучами. От того, сколько лучей попадет от объекта на болометр, будет зависеть чувствительность всего тепловизора.
Принято считать, что применять микроболометры для получения изображения на длинных дистанциях проблематично, так как требуется оптика большего размера с высокой ценой. Наш опыт показывает, что современный уровень развития технологии выращивания методом Чохральского крупногабаритных (диаметром более 100 мм) монокристаллов германия с высоким структурным совершенством позволяет получить необходимые линзы по вполне приемлемой себестоимости в промышленном масштабе [3]. Германиевые окна, контактирующие с агрессивной внешней средой, имеют специальное "алмазоподобное" покрытие. Оно предотвращает повреждение германиевого окна при воздействии пыли и абразивных частиц.
НОМЕНКЛАТУРА МОДУЛЕЙ И РАССТОЯНИЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ЧЕЛОВЕКА НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ПУТЯХ
Номенклатура модулей и расстояния детектирования человека на железнодорожных путях приведены в табл.3. Расстояние детекции человека определяется встроенной в модуль интеллектуальной аналитикой. Параметры, указанные в таблице, представлены на основе опыта эксплуатации на главном ходу железной дороги. Данные могут отличаться от расчетных по методу Джонсона, так как реальная эксплуатация учитывает особенности железнодорожной инфраструктуры.
Интеллектуальный видео- и термоанализ
В модуле АСТРОН‑3А применяется встроенная интеллектуальная видео- и термоаналитика. Настройка аналитики имеет дружественный интерфейс, понятный любому пользователю компьютера. Все настройки производятся из Ситуационного центра. Настраиваются все стандартные модели угроз, разработанные экспериментальным путем. Настройка интуитивно понятна и заключается в калибровке горизонта и перспективы с учетом реальных размеров по манекенам человека и выделении зон контроля с определением функций.
Особенности аналитики АСТРОН‑3А
Особенности работы аналитики заключаются в условиях эксплуатации и специфики тепловизионного изображения: детектирование объектов до 2–3 пикселов при разрешении 324 Ч 256 тепловизионного сенсора, значительно больший диапазон анализируемых температур, чем 256 градаций серого обычных телевизионных изображений, особенности распознавания локомотивов и составов поездов, особенности работы при пылевых, снежных бурях, сопровождающих проход высокоскоростных поездов, дрожание анализируемого изображения.
Распознавание человека и предметов
Интеллектуальная аналитика видео и термоизображения способна распознавать не только тип объекта (человек, собака, предмет, поезд и т. д.) но и определяет его размеры и скорость движения (рис.6). Именно данные распознавания встроенной аналитикой (объективный фактор) указаны в табл.3 модельного ряда модулей.
Особенности одновременной регистрации в видимом и тепловом спектре
Благодаря наличию двух каналов существенно увеличилась обнаружительная способность модуля в дневное, утреннее и вечернее время. Отдельный анализ видеоизображения дублирует тепловизионный канал, дополняя его. Высокая обнаружительная способность модуля, проявляющаяся в любое время суток и при любой погоде, обеспечивает возможность детектирования предметов, упавших с путепроводов на железнодорожные пути (рис.6 и 7). Разработаны типовые решения для двухпутных и четырехпутных линий.
Подключение ВОЛС и наладка сетевого оборудования
Для подключения волоконно-оптического кабеля используется распределительная муфта, которая позволяет провести транзитные ВОЛС и завести необходимые оптические линии для работы модуля. Наладка всех компонентов сетевого оборудования не требует проведения работ внутри модуля и производится по сети Ethernet TCP/IP из любой точки доступа.
Сервисное обслуживание тепловизионного модуля
Тепловизионный модуль на всем протяжении работы не требует специального сервисного обслуживания. При необходимости специальных перепрошивок матрицы или изменения параметров выдачи, алгоритмов обработки температурных полей работы проводятся путем подключения через герметичный разъем кабеля питания, содержащего сервисные шины для настройки матрицы. Сервисное обслуживание блока аналитики производится через сеть Ethernet в любой точке доступа [4].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Мультиспектральный модуль АСТРОН‑3А является блоком полной заводской готовности, устанавливаемым на опоры контактной сети и подключаемым к системе по оптоволоконной сети (рис.8). Модуль АСТРОН‑3А специально разработан для нужд железной дороги на основе серийно изготавливаемых тепловизионных и видеоблоков. Модуль полностью адаптирован для работы в условиях железной дороги. Технические решения, найденные в ходе разработки, могут быть применены как для усовершенствования существующих тепловизоров, так и для разработки тепловизоров нового поколения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пономаренко В. П., Филачев А. М. Инфракрасная техника и электронная оптика. Становление научных направления. – М.: Физматкнига, 2016.
2. Смук С., Кочанов Ю., Петрошенко М., Соломицкий Д. Инфракрасные датчики длинноволнового диапазона на квантовых ямах. – Компоненты и технологии, 2014, № 1, с. 152–156.
3. http://www.infracrystal.ru/
4. http://www.astrohn.ru/
Технологии производства инфракрасных детекторов развиваются и совершенствуются уже на протяжении более 200 лет с момента проведения опыта английским астрономом У. Гершелем. При испытании он обнаружил, что в полученном с помощью призмы спектре Солнца температура контрольного термометра повышается за границей красного света, и его значения отличаются от показаний других термометров. Первый работоспособный электронно-оптический преобразователь был разработан Холстом в фирме "Филипс" (Голландия) в 1934 году. С середины 30-х годов из открытой печати полностью исчезли публикации по ИК-технике. Началось первое соревнование великих держав – Англии, СССР, Германии и США в области ночного видения. "Стакан Холста" был доработан до серийного производства фирмой EMI (Англия), и с 1942 по 1945 год их было выпущено несколько тысяч штук для нужд британской армии. В конце войны в американской зоне оккупации Германии на заводе "Karl Zeiss" была обнаружена производственная линия по выпуску тепловых головок самонаведения "Kiel-IV" с фотоприемниками из сульфида свинца. Крупные исследования по фотоприемникам начались в США в 1940 году после организации Национального совета по оборонным исследованиям при президенте США. В задачи совета входило курирование вопросов оптики и ИК-техники. Известны ночные прицелы для стрелкового оружия, удачно примененные при десанте американцев на остров Окинава. В 1944 году стало известно об использовании немецкой армией теплопеленгационной аппаратуры для обнаружения с берега морских целей (нагретые трубы английских кораблей с расстояний до 10 км). Позже стало известно, что немецкими войсками береговой обороны применялись инфракрасные теплопеленгаторы на длину волны 10 мкм с использованием болометрического эффекта. В этих приборах излучение от целей (кораблей, катеров и др.) собиралось параболическим зеркалом на зачерненной пластинке, нагревало ее, что приводило к возрастанию сопротивления. Момент изменения сопротивления свидетельствовал о нахождении корабля в поле зрения теплопеленгатора. Около ста таких приборов было изготовлено на заводе "Karl Zeiss". В Советском Союзе приборами ночного видения занимались П. В.Тимофеев и В. И.Архангельский, а также академики С. И.Вавилов и А. А.Лебедев из ленинградского Государственного оптического института. К началу войны Черноморский флот располагал 15 комплектами корабельных систем ночного видения. Аппаратура, разработанная в 1943–1944 годах, предназначалась в основном для инженерных войск. Постановлением ГКО был сформирован моторизированный инженерный полк специального назначения, который был вооружен ночными приборами "Альфа", "Гамма", "Комета" и инфракрасными прожекторными станциями "ОСА‑1" и "ОСА‑2". Прибор "Альфа" с прожекторной станцией "ОСА‑2" позволял обнаруживать цель в темноте на расстоянии до 250 метров, а прибор "Гамма" – до 150 метров. Прибор "Комета" предназначался для поиска проходов в минных полях в ночных условиях. Для целей дальнего наблюдения был разработан опытный образец прибора ночного видения "Слон", который при прожекторном ИК-освещении позволял видеть человеческую фигуру на расстоянии до 450 метров. Для вооружения инженерного полка было изготовлено 7 прожекторных станций, 100 приборов "Альфа", 78 приборов "Гамма" и 363 прибора "Комета". В 1943–1945 годах полк провел свыше 300 тематических учений, показавших пригодность и эффективность разработанных приборов для ночного наблюдения за передним краем обороны противника, для форсирования водных преград, для указания проходов в минных полях и др. К 1944 году инженерные войска получили первый отечественный прицел для ночной стрельбы "Искра". Однако в боевых условиях эти приборы не успели себя показать [1].
Интенсивность процессов исследований, разработки и освоения тепловизионного направления значительно возросла в последние 50 лет. Сегодня, рассматривая физические принципы обнаружения теплового излучения и существующие технологии, можно классифицировать ИК-детекторы по группам (рис.1).
Принцип работы всех тепловых детекторов основан на изменении электрических характеристик материала приемника за счет энергии поглощенного теплового излучения. У микроболометров повышение температуры приемника изменяет его электропроводность, у термопилей появляется термоЭДС, у пироэлектрического приемника изменяется значение поверхностного заряда, а у термоэлектронных тепловых диодов – значение тока внутренней термоэлектронной эмиссии.
Технологии изготовления тепловых детекторов достигли определенной степени совершенства и предопределили ряд преимуществ, благодаря которым сенсоры этого типа занимают доминирующее положение на рынке в количественном отношении. Их достоинства – простота конструкции и отсутствие необходимости в охладителе. Практически нет необходимости в сервисном обслуживании. Микроболометры не требуют охлаждения, для них достигнут температурный эквивалент шума (NETD) 40–50 мК для апертурного числа, равного единице [2].
При прохождении через атмосферу Земли тепловое излучение ослабляется вследствие поглощения молекулами газов, а также рассеяния скоплениями молекул и частиц (аэрозолями) – дождем, снегом, туманом, дымом, смогом, пылью. Известны "окна прозрачности" атмосферы Земли:
• 0,3–1,3 мкм (видимый диапазон) – "большое окно",
• 1,5–1,8 мкм (ИК диапазон) – "первое окно",
• 2,0–2,6 мкм (ИК диапазон) – "второе окно",
• 7,0–15,0 мкм – "тепловой ИК-диапазон", или "третье окно".
Молекулярное поглощение является главной причиной ослабления излучения (в отсутствие сильного задымления и иных причин), причем наиболее сильно излучение поглощается парами воды, углекислым газом и озоном (рис.2). Между полосами прозрачности существуют полосы полного поглощения ИК-излучения атмосферой, в основном углекислым газом CO2 (2,6–2,9; 4,2–4,4 мкм) и парами воды Н20 (5–8 мкм) [2].
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОДУЛЯ АСТРОН‑3А
Мультиспектральные видео-тепловизионные модули АСТРОН‑3А (рис.3), являются базовыми элементами построения распределенной системы защиты железнодорожного пути и объектов железной дороги от возможных угроз. Модули разработаны с учетом значительного опыта эксплуатации тепловизионных систем типа АСТРОН (табл.1) по охране протяженных объектов компаний "Газпром" и РЖД. Применение в модуле хорошо зарекомендовавших себя тепловизионных систем АСТРОН‑320А100, АСТРОН‑320А75, которые серийно выпускаются на протяжении последних лет, позволяет гарантировать устойчивую работоспособность модуля в течение трех лет (или более 30 000 часов наработки).
Мультиспектральный модуль АСТРОН‑3А работает в двух диапазонах излучения: видимом и дальнем ИК (7–14 мкм). В модуле, кроме тепловизионного канала, предусмотрен видеоканал с дальностью видения и распознавания до 1 000 метров. Углы обзора видео- и тепловизионного канала идентичны. Видеоканал используется в основном в дневное время. Однако применение в камерах видимого диапазона низкоуровневых сенсоров позволяет использовать оптический канал при низких освещениях (до 0,001 лк), что особенно эффективно во время утренних и вечерних выравниваний температур. Предусмотрено переключение камер в режим противотуманного наблюдения. Благодаря наличию двух каналов существенно увеличена обнаружительная способность модуля в любое время суток и при любых погодных условиях.
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ МОДУЛЯ АСТРОН‑3А
Жесткость и надежность крепления модуля на опору контактной сети (при применении в системах российских железных дорог) обеспечивает отсутствие колебаний и дрожания модуля во время прохождения высокоскоростных поездов. Настройка на поле зрения производится без нарушения герметичности модуля. Конструкция корпуса содержит германиевые окна с просветлением и алмазоподобным покрытием для исключения потери прозрачности в ИК-диапазоне при их загрязнении. Специальная конструкция защиты германиевых окон предотвращает их загрязнение во время прохождения поездов. Предусмотрен прямой обогрев германиевого окна с одновременной термокалибровкой матрицы для оттаивания снега.
Антивандальность. Благодаря зеркалу в тепловизионном отсеке изменена оптическая ось тепловизионного модуля. При разрушении внешнего защитного окна в результате попадания механических внешних предметов (камень, пуля и т. д.) производится быстрая замена съемного модуля вместе с окном. Стоимость съемного модуля в десятки раз меньше стоимости германиевого объектива и тепловизора, которые остаются при этом целыми.
Повышение надежности. Важными особенностями являются: отсутствие необходимости проведения работ в полевых условиях внутри модуля, высокая герметичность между отсеками и с внешней стороной корпуса, герметичность разъемов питания и оптоволокна связи, встроенная система защиты от перенапряжения по цепи питания, диэлектрическая прочность стеклопластикового корпуса, электрическая изоляция высоковольтными изоляторами с напряжением перекрытия больше разрядного напряжения разрядника. Всем этим достигается надежность работы модуля в экстремальных условиях железной дороги. Микроболометрические матрицы, прошедшие военную приемку, с работоспособностью до –40°С исключают их деградацию при возможном отключении питания в зимнее время. Противотуманные низкоуровневые камеры видимого диапазона оснащены свехрсветосильной оптикой для распознавания объектов угроз на расстоянии до 1000 метров.
СОСТАВ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ МОДУЛЯ АСТРОН‑3А
Модуль содержит, кроме необходимых для тепловизионного и видимого охранного наблюдения блоков, аппаратуру для защиты самого модуля от электромагнитных помех, электрических и магнитных наводок, скачков и пульсаций напряжения, поддержания в необходимом температурном диапазоне различных блоков, обдув и прямой нагрев окна, а также некоторые другие элементы (табл. 2).
Конструкция мультиспектрального модуля АСТРОН (рис.4) включает основные узлы:
• верхний отсек (1) содержит низкоуровневую противотуманную камеру видимого диапазона, объектив и окно со щеткой;
• нижний отсек (2), содержащий призму для поворота оптической оси, систему юстировки, германиевое защитное окно. Тепловое излучение от объекта через германиевое окно попадает на зеркальную призму и направляется вверх на объектив тепловизионного блока. Расположение в нижнем отсеке исключает оседание на германиевый объектив пыли и конденсата. Юстировка на объект осуществляется изменением положения зеркальной призмы. Призма выполнена в виде кассеты и легко может быть заменена вместе с германиевым окном.
• герметичный отсек (3), содержащий светосильный германиевый объектив, болометрическую матрицу, плату захвата, блок видеоаналитики, устройства защиты от перенапряжения и др.
Корпус модуля установлен на высоковольтные опорные изоляторы (4) с выдерживаемым напряжением, превышающим напряжение срабатывания разрядника на линии молниезащиты (заземления) контактной сети железной дороги. Сам корпус выполнен из стеклопластика и не требует заземления.
Для удобства монтажа корпус модуля АСТРОН-ЗА имеет на трех сторонах посадочные места для крепления изоляторов, которые устанавливаются на пластину опоры контактной сети. Это позволяет крепить модуль в зависимости от необходимости с левой, правой сторон опоры или фронтально. Посадочные места с трех сторон на корпусе модуля под изоляторы имеют герметичное исполнение, что позволяет устанавливать модуль на любой стороне от опоры контактной сети и в любом направлении обзора от железнодорожного пути.
В нижней части корпуса модуль содержит два герметичных IP67 разъема для подключения оптоволокна и силового кабеля. В комплект поставки входит ответный штекер для разъема с подключенным оптоволокном и кабелем питания необходимой длины, согласованной с монтажной организацией. Возможны поставки с подключенными к оптоволокну муфтой и с прокалывающим зажимом для соединения провода питания с линией самонесущего изолированного провода. Муфта оптического кабеля имеет герметичное исполнение, обеспечивающее эксплуатацию модуля на открытом воздухе и не требующие дополнительной защиты.
СВЕТОСИЛЬНЫЕ ГЕРМАНИЕВЫЕ ОБЪЕКТИВЫ МОДУЛЕЙ АСТРОН-ЗА
Германий пропускает спектр излучения в диапазоне 2–16 мкм и имеет высокий коэффициент преломления, что позволяет получать значительную оптическую мощность приборов в диапазоне 8–12 мкм. В тепловизионых модулях АСТРОН-ЗА применяются специально рассчитанные объективы для обнаружения людей в условиях плохой видимости на больших расстояниях. Опыт российских предприятий в области ИК-телескопов для получения и идентификации ИК-излучения звезд малой светимости позволил нам создать сверхсветосильные объективы для тепловизоров. Нам представляется, что важность такого параметра, как диаметр объектива, недооценивается специалистами охранного телевидения и специалистами, использующими охранные тепловизоры. При малых диаметрах объектив не способен собрать от дальнего объекта необходимое количество теплового ИК-излучения для реакции болометрического пиксела. Особенно важным размер объектива становится в тепловизоре, так как болометр – это, иными словами, терморезистор, нагреваемый ИК-лучами. От того, сколько лучей попадет от объекта на болометр, будет зависеть чувствительность всего тепловизора.
Принято считать, что применять микроболометры для получения изображения на длинных дистанциях проблематично, так как требуется оптика большего размера с высокой ценой. Наш опыт показывает, что современный уровень развития технологии выращивания методом Чохральского крупногабаритных (диаметром более 100 мм) монокристаллов германия с высоким структурным совершенством позволяет получить необходимые линзы по вполне приемлемой себестоимости в промышленном масштабе [3]. Германиевые окна, контактирующие с агрессивной внешней средой, имеют специальное "алмазоподобное" покрытие. Оно предотвращает повреждение германиевого окна при воздействии пыли и абразивных частиц.
НОМЕНКЛАТУРА МОДУЛЕЙ И РАССТОЯНИЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ЧЕЛОВЕКА НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ПУТЯХ
Номенклатура модулей и расстояния детектирования человека на железнодорожных путях приведены в табл.3. Расстояние детекции человека определяется встроенной в модуль интеллектуальной аналитикой. Параметры, указанные в таблице, представлены на основе опыта эксплуатации на главном ходу железной дороги. Данные могут отличаться от расчетных по методу Джонсона, так как реальная эксплуатация учитывает особенности железнодорожной инфраструктуры.
Интеллектуальный видео- и термоанализ
В модуле АСТРОН‑3А применяется встроенная интеллектуальная видео- и термоаналитика. Настройка аналитики имеет дружественный интерфейс, понятный любому пользователю компьютера. Все настройки производятся из Ситуационного центра. Настраиваются все стандартные модели угроз, разработанные экспериментальным путем. Настройка интуитивно понятна и заключается в калибровке горизонта и перспективы с учетом реальных размеров по манекенам человека и выделении зон контроля с определением функций.
Особенности аналитики АСТРОН‑3А
Особенности работы аналитики заключаются в условиях эксплуатации и специфики тепловизионного изображения: детектирование объектов до 2–3 пикселов при разрешении 324 Ч 256 тепловизионного сенсора, значительно больший диапазон анализируемых температур, чем 256 градаций серого обычных телевизионных изображений, особенности распознавания локомотивов и составов поездов, особенности работы при пылевых, снежных бурях, сопровождающих проход высокоскоростных поездов, дрожание анализируемого изображения.
Распознавание человека и предметов
Интеллектуальная аналитика видео и термоизображения способна распознавать не только тип объекта (человек, собака, предмет, поезд и т. д.) но и определяет его размеры и скорость движения (рис.6). Именно данные распознавания встроенной аналитикой (объективный фактор) указаны в табл.3 модельного ряда модулей.
Особенности одновременной регистрации в видимом и тепловом спектре
Благодаря наличию двух каналов существенно увеличилась обнаружительная способность модуля в дневное, утреннее и вечернее время. Отдельный анализ видеоизображения дублирует тепловизионный канал, дополняя его. Высокая обнаружительная способность модуля, проявляющаяся в любое время суток и при любой погоде, обеспечивает возможность детектирования предметов, упавших с путепроводов на железнодорожные пути (рис.6 и 7). Разработаны типовые решения для двухпутных и четырехпутных линий.
Подключение ВОЛС и наладка сетевого оборудования
Для подключения волоконно-оптического кабеля используется распределительная муфта, которая позволяет провести транзитные ВОЛС и завести необходимые оптические линии для работы модуля. Наладка всех компонентов сетевого оборудования не требует проведения работ внутри модуля и производится по сети Ethernet TCP/IP из любой точки доступа.
Сервисное обслуживание тепловизионного модуля
Тепловизионный модуль на всем протяжении работы не требует специального сервисного обслуживания. При необходимости специальных перепрошивок матрицы или изменения параметров выдачи, алгоритмов обработки температурных полей работы проводятся путем подключения через герметичный разъем кабеля питания, содержащего сервисные шины для настройки матрицы. Сервисное обслуживание блока аналитики производится через сеть Ethernet в любой точке доступа [4].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Мультиспектральный модуль АСТРОН‑3А является блоком полной заводской готовности, устанавливаемым на опоры контактной сети и подключаемым к системе по оптоволоконной сети (рис.8). Модуль АСТРОН‑3А специально разработан для нужд железной дороги на основе серийно изготавливаемых тепловизионных и видеоблоков. Модуль полностью адаптирован для работы в условиях железной дороги. Технические решения, найденные в ходе разработки, могут быть применены как для усовершенствования существующих тепловизоров, так и для разработки тепловизоров нового поколения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пономаренко В. П., Филачев А. М. Инфракрасная техника и электронная оптика. Становление научных направления. – М.: Физматкнига, 2016.
2. Смук С., Кочанов Ю., Петрошенко М., Соломицкий Д. Инфракрасные датчики длинноволнового диапазона на квантовых ямах. – Компоненты и технологии, 2014, № 1, с. 152–156.
3. http://www.infracrystal.ru/
4. http://www.astrohn.ru/
Отзывы читателей
