Анализ средств наблюдений в ИК диапазоне

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Томский государственный  университет систем управления 
и радиоэлектроники (ТУСУР)

Кафедра радиоэлектроники и защиты информации (РЗИ)

 

 

 

Анализ средств  наблюдений в ИК диапазоне

Курсовая работа по дисциплине

«Инженерно-техническая  защита информации»

 

 

Студент гр. 1А8

 

____________ КузнецовВ. Е.

«    » ___________ 2013

 

Руководитель

Доцент кафедры  РЗИ, 
к.ф.м.н.

____________ Максимов А.В.

«    » ___________ 2013

 

 

2013 
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра радиоэлектроники и защиты информации

 

 

УТВЕРЖДАЮ

Зав. кафедрой РЗИ,  профессор

____________А.С. Задорин

«_____»______________2013 г.

 

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу по дисциплине

«Инженерно-техническая защита информации»

 

 

Тема работы: Анализ средств наблюдений в ИК диапазоне

 

Исполнитель: студент гр. 1А8 Кузнецов Владимир Евгеньевич

 

Цель работы: анализ средств и методов лежащих в основе работы средств наблюдений в ИК диапазоне.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Источники разработки:

 

1. Гейхман И.Л., Волков В.Г. "Основы улучшения видимости в сложных условиях" Москва ООО" Недра-Бизнесцентр", 1999 г., 286 стр. 
2. Тарсов В.В., Якушенов Ю.Г. "Инфракрасные системы смотрящего типа Москва "ЛОГОС", 2004 г., 444стр. 
3. Криксунов Л.З., Волков В.А., Вялов В.К. "Справочник по приборам инфракрасной техники" изд. "Техника", 1980г., 232стр. 
4. Криксунов Л.З, "Справочник по основам инфракрасной техники", Москва "Советское радио", 1978 г., 400стр. 
5. Криксунов Л.З. "Приборы ночного видения", изд. "Техника", 1975г., 216 стр.
6. Брошюра о возможностях приборов, работающих в    SWIR – области http://www.flir.com/uploadedFiles/SWIR- Brochure.pdf

 

 

 

 

Руководитель  курсовой работы                                                                Задание получил

Максимов  А.В.Кузнецов В.Е.

 

Дата выдачи задания "__"_________ 2013 г.       

Срок сдачи  работы"__"________2013 г.

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

Курсовая работа 38 стр.,6 источников, 6 рисунков.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ПРИБОРОВ,РАБОТАЮЩИЕ В ИК ОБЛАСТИ, СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПРИБОРОВ РАЗНЫХ ТИПОВ.

 

Целью данной курсовой работы является анализ средств и  методов, лежащих в основе работы средств наблюдений в ИК диапазоне.

В ходе работы были изучены основные типы приборов, работающих в ИК области, приведены их основные характеристики, произведен сравнительный анализ приборов разных типов.

Курсовая работа выполнена в текстовом редакторе MicrosoftOfficeWord 2010.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

Введение

     В настоящее время чрезвычайно актуальным является обеспечение наблюдения при любых условиях освещения: днем при прямом солнечном свете и ночью, при пониженной освещенности и прозрачности атмосферы, при воздействии интенсивных световых помех, таких как излучение фар, прожекторов, сигнальных огней. Успехи, достигнутые в последнее время в освоении инфракрасного диапазона электромагнитного спектра, позволили создать разнообразную инфракрасную аппаратуру промышленного, научного и военного назначения, пригодную для работы в ухудшенных атмосферных условиях.

     Существующие технологии особенно востребованы по следующим направлениям:

      1) обнаружение целей  и определение траекторий их  движения:

-визуализация поля наблюдения,

-наблюдение целей, помеченных  с помощью других устройств,

-использование атмосферного ночного  свечения в качестве подсветки  в   условиях безлунной ночи  при наблюдении,

-различение и формирование изображения  в условиях тумана, дымки и  пыли,

     2) гиперспектральное  отображение:

-идентификация натуральных и  искусственных (произведенных человеком) материалов, источников излучения,

  -  спектральная идентификация  взрывоопасных веществ.     

     Однако на качество  работы инфракрасной аппаратуры  существенно влияет спектр поглощения  атмосферой, представляющей собой  механическую смесь различных газов, что обусловливает ее неоднородность по температуре и давлению. Весомый вклад в спектр поглощения ИК-излучения атмосферой вносит водяной пар, что делает его самым важным фактором в вариации свойств окна прозрачности атмосферы. На рисунке 1 показана зависимость поглощения излучения атмосферными газами от длины волны.

 

 

1. Пропускание излучения атмосферными газами в солнечном и тепловом диапазонах спектра.

     Как видно из рисунка  1, в диапазоне коротковолнового  ИК-излучения длин волн 0.9 – 2.0 мкм и в диапазоне 4.0 – 8.0 мкм есть окна прозрачности атмосферы, в котором водяной пар практически не поглощает излучение.

    

 

 

Основные типы приборов, работающих в ИК области

- По физическому принципу построения ОЭП делятся на:

- ОЭП на основе электронно-оптических преобразователей:

1. Нулевого поколения (одно-трехкамерные ЭОП со стеклянным входом и выходом, содержащие кислородно-серебрянно-цезиевый или многощелочной с пониженной инфракрасной чувствительностью входные фотокатоды);
2. Первого поколения (одно-трехмодульные ЭОП модульной конструкции с волоконно-оптическими деталями на входе и выходе, входной фотокатод – главным образом многощелочной с повышенной инфракрасной чувствительностью);
3. Второго поколения (ЭОП с микроканальным усилением, входной фотокатод). Сюда также входят ОЭП так называемого поколения «2+», которые отличаются от второго поколения сверхвысокой чувствительностью фотокатода;
4. Третьего поколения (ЭОП с микроканальным усилением, входной катод с отрицательным электронным средством);
5. Четвертого поколения (ЭОП гибридно-модульный или твердотельный);

- ОЭП низкоуровневые телевизионные (НТВ):

1. Первого поколения (на основе вакуумных телевизионных трубок);
2. Второго поколения (на основе ПЗС или ПЗИ-матриц);
3. Третьего поколения (на основе гибридно-модульных преобразователей изображения с ОЭС-фотокатодом);

 

 

- ОЭП лазерные:

1. Активно-непрерывные (непрерывный или импульсный лазерный подсвет без импульсного управления (стробирования) преобразователя изображения);
2. Активно-импульсные (импульсный лазерный подсвет в сочетании со стробированием преобразователя изображения);

- ОЭП тепловизионные трех поколений;

 

- По степени скрытности работы ОЭП делятся на:

- активные (с дополнительным подсветом  наблюдаемого объекта;

- пассивные (без подсвета);

- пассивно-активные (работающие с подсветом либо без него в зависимости от внешних условий);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Требования к оптико-электронным  наблюдательным приборам:

1. Обеспечение требуемой дальности действия – прибор должен решать зрительную задачу (обнаружение, распознавание, идентификация объекта) при расположении объекта наблюдения на дальности, не ниже требуемой;
2. Работа как при так называемых нормированных (нормальных)внешних условиях, так и при ухудшенныхусловиях (пониженная освещенность, ухудшенные метеорологические условия – дымка, туман, дождь, снегопад и пр., низкие природные и температурные контрасты);
3. Возможность поиска и обнаружение объекта наблюдения в пространстве предметов в заданном угловом поле зрения, либо за время, не более установленного;
4. Наблюдение при наличии световых и пыледымовых помех;
5. Представление визуальной информации для оператора в наиболее удобной для него форме, не приводящей к утомлению и неспособности в течение продолжительного времени решать зрительные задачи;
6. Способность к представлению, наряду с визуальной, также и необходимой измерительной информации – дальности до наблюдаемого объекта, его координат, скорости движения и пр.;
7. Ограниченные значения массы, габаритов, и энергопотребления применительно к конкретной специфике применения прибора;
8. Определенное время непрерывной работы и срок службы;
9. Стойкость к механико – климатическим воздействиям,
10. Низкая стоимость.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные параметры приборов наблюдения.

1. Дальность действия – основной параметр, характеризующий ОЭП. Он подразделяется на дальность обнаружения, распознавания и идентификации;
2. Угол поля зрения – угловая величина пространства предметов, в пределах которого может быть обнаружен объект наблюдения при неизменном положении оптической оси прибора в процессе поиска объекта, вершина угла совпадает с точкой расположения прибора.

 Для тепловизионных приборов:

1. Минимальная разрешаемая разность температур
2. Угловое (или линейное) разрешение
3. Поле обзора
4. Минимальное рабочее расстояние
5. Порог температурной чувствительности
6. Пространственно - частотная температурная характеристика
7. Передаточная характеристика

Для низкоуровневых телевизионных  приборов и приборов на базе ЭОП:

1. Чувствительность
2. Предельная разрешающая способность
3. Рабочая разрешающая способность
4. Контрастная чувствительность
5. Динамический диапазон
6. инерционность

 

 

 

Пассивные и пассивно-активные приборы  на базе ЭОП

Принцип дествия таких приборов основан на преобразованиии инфракрасного  излучения в видимое и на усилении низких урвней яркости, создаваемых  на наблюдаемом объекте свечением ночного неба, звезд и луны в видимой и ближней инфракрасной области спектра.

Объектив  создает перевернутое изображение  объекта на полупрозрачном фотокатоде ЭОП. Световой поток, попадая на фотокатод, возбуждает фотоэлектроны. Распределение их плотности соответствует распределению освещенности на фотокатоде. Фотоэлектроны ускоряются электрическим полем, формируемым с помощью электронной оптики ЭОП. Ускорение электронов происходит за счет энергии высоковольтного источника питания, который подает на экран ЭОП высоковольтное напряжение. Ускоренные фотоэлектроны фокусируются электронной оптикой на катодолюминесцирующий экран. Последний под действием фотоэлектронов излучает свет в видимой области спектра.

К источнику также может быть подключен инфракрасный осветитель, который служит для работы прибора в почти полной темноте. Его использование необязательно – он применяется только либо в активных, либо в пассивно-активных приборах и эффективен лишь при условии нормальной прозрачности атмосферы.

На данный момент существуют 5 поколений  приборов с ЭОП:

1. Нулевого поколения (одно-трехкамерные ЭОП со стеклянным входом и выходом, содержащие кислородно-серебрянно-цезиевый или многощелочной с пониженной инфракрасной чувствительностью входные фотокатоды).

ПНВ нулевого поколения не могут  работать в пассивном режиме из-за высокого уровня темновых шумов фотокатода, обусловленных значительным уровнем его термоэмиссии. Наблюдение с помощью таких приборов можно вести либо при помощи подсвета, либо при исключительно высоком уровне естественной освещенности, либо при помощи термоэлектрического охлаждения фотокатода. Дальность действия таких приборов невысока. С одной стороны, это определяется малым коэффициентом усиления яркости ЭОП с фотокатодом и низкой чувствительностью последнего. С другой стороны, излучение подсвета рассеивается в атмосфере, причем главным образом в обратном направлении, создавая световую помеху, которая накладывается на изображение наблюдаемого объекта и снижает контраст. Это обстоятельство ограничивает дальность действия прибора даже при нормальной прозрачности атмосферы, а при пониженной (дымка, туман, дождь, снегопад и пр.) прибор становится просто неработоспособным. Излучение ИК-подсвета демаскирует прибор, т.к. он может быть обнаружен в этом случае любым индикатором ИК-излучения, так и непосредственно невооруженным глазом, который при низких уровнях освещенности может воспринимать ИК-излучение ближнего диапазона вплоть до 1,2 мкм. Из-за подсвета такие приборы обладают значительной массой, габаритами и энергопотреблением. Также ЭОП нулевого поколения неустойчивы к световым помехам. Единственный способ борьбы с ними – выключение прибора.

2. Первого поколения (одно-трехмодульные ЭОП модульной конструкции с волоконно-оптическими деталями на входе и выходе, входной фотокатод – главным образом многощелочной с повышенной инфракрасной чувствительностью).

При использовании волоконно - оптических деталей удалось добиться отсутствия потерь по разрешению на краю поля зрения ЭОП, по отношению к центру. Это  коренным образом отличает ЭОП первого поколения от ЭОП нулевого поколения. Для получения высокого коэффициента усиления яркости отдельные модули могут быть объединены в двух- или трехмодульную систему. Металлокерамическая конструкция и наличие волоконно - оптических деталей снижают чувствительность ЭОП к засветкам и светорассеянию. Но в таких приборах используются зеркально-линзовые объективы, которые обладают более высоким качеством изображения, большим углом зрения, меньшей массой и габаритами по сравнению с линзовыми объективами, используемыми в приборах с ЭОП нулевого поколения. Однако в этих приборах также имеется и ряд недостатков – продольные габариты, определяемые продольными габаритами ЭОП (и соответственно масса) остаются сравнительно велики. В чаще всего используемых трехмодульных ЭОП наблюдается снижение разрешающей способности от модуля к модулю, возрастание искажения изображения на краях поля зрения за счет дисторсии. Сравнительно велика инерционность изображения, обусловленная наличием трех люминесцирующих экранов. Остается высокой чувствительность к засветкам от ярких источников света, что приводит к свертыванию изображения или появлению ореолов, приводящих к потере видимости.