Аппаратурный комплекс и предварительные испытания системы наблюдения "Арктика"

1. ОАО «Государственный Оптический Институт им. С.И. Вавилова» (ОАО «ГОИ»)

2. Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ).

3. Крыловский Государственный научный центр

Описывается аппаратурный комплекс, который составлен для обеспечения качественного представления дневной или ночной обстановки вокруг охраняемого объекта в видимом диапазоне спектра с помощью телевизионной камеры высокого разрешения (днём) и низкоуровневого канала (ЭОП+ПЗС, ночью). Для оценки количественных характеристик разливов нефти в комбинированную систему введены тепловизионные каналы средневолнового и длинноволнового спектра ИК-излучения.

Здесь мы описываем результаты разработки всепогодной, все суточной системы наблюдения для охраны объектов и экологического мониторинга арктических нефтедобывающих, нефтеналивных и портовых сооружений. В работе были поставлены задачи разработки надёжной системы, работающей как в летнее, так и в зимнее время в арктических условиях и обеспечивающей фиксацию несанкционированного проникновения посторонних лиц в охраняемую зону и обнаружение разливов нефти, как на морской, так и на ледовой поверхностях.

О возможностях обнаружения и количественной оценки нефтяных разливов на открытой морской поверхности смотри нашу статью 2013 г.[1]. Теоретически и экспериментально установлена возможность обнаружения пленок по оптическим изображениям поверхности моря и показано, что обнаружение и классификация пленок по изменению средней яркости поверхности возможна, исключая зону солнечной дорожки, где существует зона инверсии контраста (ГОИ, ИОРАН).

На взволнованной поверхности моря контрасты между фоновыми и сликовыми поверхностями существенно зависят от двух факторов:

- углов наблюдения ВПМ;

-длины волны наблюдения ВПМ.

Обоснование.

В настоящее время разработано и активно используется большое количество ТпВ средневолнового и длинноволнового ИК поддиапазонов.

Начинается активная разработка приборов ближнего и коротковолнового ИК поддиапазонов, однако широкого распространения они пока не получили. В последние годы интенсивно развивается направление по созданию комбинированных и комплексированных приборов, сочетающих в своём составе несколько каналов приёма теплового излучения. Так, работы ведутся по построению ТпВ, чувствительных в ИК средневолновом окне прозрачности атмосферы и в длинноволновом. (см. табл. 1.)

В системах безопасности в основном используются ТпВ длинноволнового ИК поддиапазона. Это связано с техническими особенностями (большинство тепловизоров MWIR - охлаждаемые) и физическими причинами (в LWIR находится максимум излучения тел при комнатной температуре).

Таблица 1. - Диапазоны ИК излучения

До 90х годов основное развитие МФПУ двух и трёх цветной чувствительности осуществлялось с использованием технологии молекулярно лучевой эпитаксии (МЛЭ) путём варьирования структур тройных соединений. В большинстве случаев разделение на отдельные спектральные каналы осуществляется «по глубине» а не по площади фоточувствительного элемента. Каждый пиксель такой матрицы представляет многослойную полупроводниковую структуру, отдельные слои которой поглощают излучение в различных спектральных диапазонах. Такая структура может быть изготовлена на основе КРТ с различным составом [2].

Спектральные характеритики МФПУ на КРТ и QWIP матрицах заимствованы из обзора [3] и приведены на Рис.1 и Рис.2

Рис 1. Спектры пропускания 2х-цветного приёмника созданного путем оптимизации Jaumann в 3 ~ 5 мкм для длин волн, в среднем ИК диапазоне

тепловизионный канал камера низкоуровневый

Рис 2. Спектры пропускания двух спектральной QWIP матрицы

В ходе отработки построен образец комплексированной системы и отработаны принципы совмещения изображений на одном видеоконтрольном устройстве, как в раздельном предъявлении изображений каждого из каналов, так и в совмещённом варианте и в виде окна с автоматическим выделением объектов обнаружения:

· Люди на льду и береговых сооружениях

· Танкеры и строения типа пирс, вышка

· Разливы нефти или других углеводородных соединений.

В ходе предварительных и натурных испытаний проверена возможность обеспечения требований по достижению дальности обнаружения ростовых фигур человека на фоне моря (льда) на дальностях до 500м , танкеров и др. морских объектов на подходе к охранной зоне нефтяных и масляных разливов на фоне моря (льда) и определены предельно допустимые значения ослабления на трассе распространения теплового излучения целей.

Предварительные испытания, образца аппаратурного комплекса в финском заливе в районе терминала Приморский показали положительные результаты.

Количественные оценки сигналов от человека, его отражения ото льда и, собственно разливов нефтепродуктов на ледовой поверхности были охарактеризованы в натурных условиях следующими данными (Ростовые фигуры людей 113 и 97 о.е., их тепловые отражения ото льда 83 о.е. и 77 о.е., разлив машинного масла на поверхноти льда 73 о.е. Дистанции 50…110 метров. Углы визирования 10…30 градусов.)

Аппаратурный комплекс (Рис.3) составлен из соображений возможности качественного представления дневной или ночной обстановки вокруг охраняемого объекта в видимом диапазоне спектра с помощью телевизионной камеры высокого разрешения (днём) и низкоуровневого канала (ЭОП+ПЗС, ночью). Количественная оценка разливов нефти будет проводиться в соответствии с методикой, изложенной в [1] путём анализа разностного сигнала каналов средневолнового и длинноволнового ТпВ наблюдения.

Блок цифровой малогабаритный (БЦМ), включённый в состав комплекса для изображений камер независимо осуществляется:

- масштабирование и смещение полученного изображения с параметрами, задаваемыми БВ для каждого источника независимо.

- выделение пространственных градиентов изображения

Рисунок 3. Эскизная компановка аппаратурного наблюдательного комплекса Арктика

- сложение (вычитание) пространственных градиентов с исходным изображением с коэффициентами, задаваемыми БВ для каждого источника независимо.

- находится сумма масштабированных изображений всех источников (суб-изображение 1)

- находится максимум масштабированных изображений всех источников (суб- изображение 2)

-суб-изображения 1 и 2 складываются с коэффициентами, задаваемыми БВ, полученное компилированное изображение передается по интерфейсу связи на ВБ. В определенный момент времени оператор или какое-либо устройство обнаруживает объект интереса и помечает его пространственным стробом, координаты которого передаются ПО ВБ через библиотеку связи в БЦО. Далее БЦО выполняет сопровождение объекта, сообщая для каждого обработанного кадра через библиотеку связи в ПО ВБ новые координаты объекта.

Литература

1. Г.С. Мельников; В.М. Самков; Б.С. Товбин; О.А. Дерин Метод и аппаратураруг дистанционного обнаружения, распознавания и количественного анализа разливов нефти на морской поверхности // Оптический журнал. 2013. Т. 80. № 6. С.36-42.

Размещено на Allbest.ru