Исследование инфракрасного тепловизора, используемого в технологии разведки подводных лодок
Подводные лодки, как корабли, способные погружаться в подводную деятельность и вести бой, являются основными десантными кораблями современного военно-морского флота. Поскольку подводные лодки играют все более важную роль в военно-морской войне, технологии исследования подводных лодок также быстро развиваются.
Несколько причин повышают вероятность обнаружения подводной лодки. В основном шум, шум двигателей и связанных с ними объектов, легко улавливается гидролокатором. Есть еще магнетизм, электричество, тепло, радиочастота и т. д. Это основные факторы, влияющие на скрытность подводных лодок в бою.
В настоящее время существует множество видов основных методов обнаружения подводных лодок, которые можно условно разделить на две категории: оборудование подводного акустического обнаружения и оборудование неакустического обнаружения. Оборудование для подводного акустического обнаружения в основном включает в себя гидролокатор, тестер подводного шума, локатор звуковых лучей, тестер баллистической траектории, тестер подводного позиционирования, измеритель скорости звука, волномер и т. д. Оборудование для неакустического обнаружения в основном включает в себя магнитные детекторы и инфракрасные детекторы, датчики низкой видимости. телевизоры, погружные радары и температурные градиентометры.
1. Принцип инфракрасной технологии дайвинга.
Температура поверхности океана обычно определяется с помощью инфракрасного детекторного канала современного радиометра высокого разрешения. Из-за поглощения инфракрасного излучения молекулами воды инфракрасное излучение, испускаемое подводными лодками, работающими под водой, не может быть легко обнаружено с помощью инфракрасной тепловизионной системы над водой. Однако вся подводная деятельность подводной лодки, в том числе трение между поверхностью и морской водой в двигательной установке подводной лодки, работа различного оборудования и даже деятельность личного состава, вызывают энергозатраты. Согласно закону преобразования и сохранения энергии, вся потребляемая энергия в конечном итоге преобразуется в форму тепловой энергии, которая неизбежно рассеивается в окружающую среду, то есть морскую воду, тем самым повышая температуру морской воды вокруг подводной лодки. Более теплая морская вода достигает поверхности посредством конвекции и остается там в течение короткого периода времени. Таким образом, в том месте, где только что прошла подводная лодка, температура воды на поверхности моря немного отличается от температуры окружающей морской воды, поэтому существует также разница в ее инфракрасном излучении. Инфракрасная тепловизионная система способна преобразовывать разницу инфракрасного излучения морской поверхности в электрический сигнал и формировать изображение в видимом свете, показывающее путь подводной лодки.
Конечно, чтобы обнаружить эту очень небольшую разницу в температуре воды на поверхности моря, инфракрасная тепловизионная система должна иметь чрезвычайно высокую чувствительность, которая позволяет обнаруживать эту небольшую разницу в температуре воды на поверхности моря на расстоянии. Кроме того, инфракрасная тепловизионная система может быстро сканировать большую морскую поверхность в режиме визуализации, что больше подходит для нужд противолодочного обнаружения. Атомные подводные лодки особого стратегического значения, вероятно, будут формировать очевидные инфракрасные траектории на морской поверхности из-за необходимости регулярного сброса скопившейся горячей воды высокой температуры.
Когда атомная подводная лодка плывет, она всегда выпускает большое количество теплых волн для охлаждения атомной электростанции и, таким образом, генерирует сигнал о разнице температур в воде. По оценкам зарубежных экспертов, атомная подводная лодка с реактором мощностью 190 кВт выделяет в океан (4,5 х 4,19) х 107 Дж тепловой энергии в секунду. Идея обнаружения подводных лодок по аномальной температуре воды была предложена еще в 1980-х годах, а некоторые спутники были оснащены инфракрасными микроволновыми детекторами в качестве вспомогательного оборудования для обнаружения подводных лодок.
Вертикальное распределение плотности жидкости в реальной морской среде в основном нелинейное, но некоторые из них также можно аппроксимировать с помощью анализа линейного распределения. В связи с этим в некоторых отечественных лабораториях были проведены соответствующие эксперименты по подводным тепловым следам. В предположении, что плотность морской воды приблизительно линейна, оценен закон плавучести подводных тепловых следов в стратифицированных по плотности жидкостях. Установлена приближенная модель закона плавучести следа и проверена корректность модели с помощью имитационных экспериментов. Специально проанализированы характеристики плавучести и характеристики распределения теплового следа, что послужило научной основой для инфракрасного обнаружения подводных лодок на поверхности тепловой траектории. Комплексный теоретический анализ и анализ экспериментальных результатов позволяют получить закон плавучести и кластеры показателей теплового следа обычных подводных лодок в морской среде с однородной плотностью.
(1) Без влияния других факторов тепловой след подводной лодки может неограниченно всплывать в однородной морской среде.
(2) Затухание интенсивности сигнала разности температур теплового следа происходит относительно быстро на начальной стадии. По мере увеличения высоты на большом расстоянии тепловой сигнал ослабевает крайне медленно. Таким образом, даже если он поднимется на несколько десятков метров, тепловой след все равно может иметь сигнал разности температур порядка 0,1 ℃.
(3) В процессе постепенной плавучести ширина теплового следа продолжает увеличиваться, но скорость расширения постепенно замедляется. После достижения определенной высоты и определенного периода времени оно принципиально не меняется. Тепловой след обычных подводных лодок. Ширина теплового следа сигнала на водной поверхности может достигать от десяти метров до нескольких десятков метров.
(4) Тепловая траектория, образуемая тепловым следом на поверхности воды, не является однородным сигналом. Каждая часть имеет самую сильную точку сигнала. Тепловую траекторию надводного сигнала можно описать путем соединения наиболее сильных точек, что может стать методом обнаружения подводных лодок.
2. Анализ
Инфракрасное дайвинг требует температурной чувствительности менее 0,2К. Как анализировалось выше, тепловая энергия, излучаемая атомной подводной лодкой, может повысить температуру воды за ней примерно на 0,2 ℃. Согласно закону плавучести подводных следов, в однородной морской среде тепловые следы, испускаемые подводными лодками, могут выходить на поверхность без ограничений, в то время как тепловая сигнатура уменьшается крайне медленно. Поэтому разумно выбрать эту разницу температур в качестве минимального показателя температурной чувствительности для погружных применений.
Тепловизионная инфракрасная тепловизионная система на основе детектора в фокальной плоскости используется для обнаружения подводных лодок. Поскольку тепловая чувствительность системы значительно улучшена, можно эффективно определить тепловую траекторию подводной лодки, отвечающую потребностям исследований подводных лодок. Среди исследованных национальных военных тепловизионных систем НАТО американские военные наблюдатели и британские IR-18 и LT1085 имеют относительно высокое пространственное разрешение, но их температурная чувствительность составляет около 0,17К, что близко к 0,2К. Поэтому, когда разница температур поверхности моря составляет около 0,2 К, они не подходят для дайвинга из-за низкого отношения сигнал/шум.
LASH-ASW — это система видимого света с высоким пространственным разрешением, которая в основном используется для разведки подводных лодок в прибрежных водах или на мелководье. Подводные лодки обнаруживаются путем регистрации конусообразного трассирующего следа подводной лодки на поверхности океана, когда подводная лодка движется на перископной глубине или не находится под водой. Подводя итог, можно сказать, что в современных приложениях обнаружения подводных лодок акустическое оборудование может использоваться для обнаружения шума подводных лодок, а радары - для обнаружения подводных лодок на поверхности. Теперь тепловизоры можно использовать для обнаружения тепловой траектории подводных лодок.
3. Ключевые технологии
3.1 Улучшение NE△T
Хотя разница температур на поверхности моря будет вызвана плаванием подводной лодки, эта разница температур очень мала (обычно менее 0,2 К), а инфракрасный тепловизор имеет лишь достаточно небольшую минимально различимую разницу температур для эффективного извлечения полезных сигналов из фоновые помехи на морской поверхности. Это требование можно удовлетворить за счет уменьшения пространственного разрешения системы или увеличения эффективной апертуры оптической системы. Таким образом, система может использовать два оптических канала: канал видимого света с высоким пространственным разрешением и тепловой инфракрасный канал. А последующий анализ сигнала можно выполнить посредством объединения многоканальных данных.
3.2 Расчет абсолютной температуры
Если необходимо рассчитать абсолютную температуру поверхности морской воды, необходима высокоточная система калибровки. Использование черного тела для калибровки инфракрасной системы стало эффективным методом, широко используемым в мире, но предпосылка состоит в том, что источник калибровки имеет характеристики излучения почти черного тела, чтобы соответствовать требованиям высокоточной калибровки.
3.3 Постобработка цифровых изображений
В современных тепловизионных системах важную роль играет внедрение компонентов цифровой обработки. Цифровая обработка позволяет улучшить качество изображения и его соответствие зрению, а также может использовать различные формы сигналов адаптивной обработки, что значительно расширяет возможности применения тепловизионных систем в различных задачах. При цифровой обработке он может обеспечить создание изотерм, гистограмм и профилей температуры, разделить область интереса и определить экстремальную и медианную температуру теплового поля.
4. Резюме
В качестве нового средства обнаружения подводных лодок инфракрасная технология имеет несравненные преимущества перед другими системами в определенных областях применения и стимулирует развитие сопутствующих технологий. В практическом применении сочетание инфракрасной технологии и других технологий дайвинга будет иметь большие преимущества и более широкое применение в дайвинге.
После окончания Холодной войны Соединенные Штаты скорректировали свою глобальную стратегию. Среди них военное предложение США для будущих операций о том, что глобальная система наблюдения и система связи, а также синтез и обработка связанных данных могут быть сосредоточены в определенной зоне боевых действий для формирования информационного преимущества, которое позволит использовать две боевые возможности маскировки. прорыв линий обороны, а также обнаружение и поражение важных неподвижных и подвижных целей в любых погодных, дневных и ночных условиях тесно связаны с инфракрасными технологиями. Под влиянием военных потребностей и развития соответствующих технологий инфракрасная технология превратилась из тактической позиции в прошлом в стратегическую позицию сегодня.
Quanhom — профессиональный производитель индивидуальных инфракрасных линз, тепловизионных камер и системных компонентов . Наша команда устраняет разрыв между превосходной производительностью и ограниченным бюджетом, особенно когда мы участвуем в проектах, сочетающих высокую точность. Продукция включает в себя инфракрасные оптические сборки для VIS/SWIR/MWIR/LWIR, окуляры, элементы инфракрасных линз (от моноскопических до быстропереключающихся между многопольными и непрерывными инфракрасными линзами с зумом) и т. д. Если у вас есть соответствующие потребности, пожалуйста, свяжитесь с нами .
Рекомендации
[1] Чжан Ювэнь, под редакцией. «Инфракрасная оптическая инженерия», Шанхайский институт науки и технологий Китайской академии наук. Шанхайское издательство науки и технологий
[2] Ван Сяннань. «Двухканальный инфракрасный радиометр для дистанционного измерения температуры», Институт океанических технологий Государственного океанического управления. «Океанские технологии», 1999 №1, 217-219.
[3] Лу Синьпин, Шэнь Чжэнькан. «Анализ инфракрасной тепловизионной системы, применяемой для противолодочного обнаружения», Лаборатория ATR, Национальный университет оборонных технологий. «Инфракрасная и лазерная техника», 2002.6, Том 31, №3.
[4] Ван Цзян, Ань Гоянь, Гу Цзяньнун. «Теоретические и экспериментальные исследования по инфракрасному обнаружению скрытого теплового следа», Военно-морской инженерный университет. «Лазер и инфракрасное излучение», 2002.6, Том 32, №3, 159-162.
[5] Инфракрасная технология XVIII, протоколы SPIE, том 1762.
[6] Будущие европейские и японские датчики и программы дистанционного зондирования, материалы SPIE Vol. 1490.
[7] Оценка температуры поверхности моря с использованием сканера видимого и инфракрасного диапазона (VIRS). Хироши Му Таками, Национальное агентство космического развития Японии (NASDA), Исследовательский центр наблюдения за Землей (EORC).