Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Исследование принципов построения и разработкамногоспектрального тепловизора . 9
1.1. Методы и аппаратура для дистанционного зондирования. 9
1.1.1. Методы дистанционного зондирования. 9
1.1.2. Аппаратура для дистанционного зондирования. 12
1.2. Выбор основных спектральных диапазонов длямногоспектрального тепловизора . 17
1.2.1. Спектральные коэффициенты отражения природных образований 19
1.2.2. Основные спектральные диапазоны для многоспектральноготепловизора 30
1.3. Необходимость одновременной регистрации информациив многоспектральном тепловизоре 31
1.4. Разработка оптической сканирующей системы базовой моделитепловизора 33
1.5. Разработка многоспектрального тепловизора "Терма-2" 36
1.5.1. Проведение энергетических расчетов и выбор основныхоптических характеристик тепловизора "Терма-2" 38
1.5.2. Технические характеристики тепловизора "Терма-2" 43
Глава 2 Применение многоспектрального тепловизора "Терма-2" для контроля нефтепродуктопроводов с воздушных носителей с целью предотвращения экологических катастроф . 46
2.1. Дистанционный тепловизионный контроль магистральныхтрубопроводов на предмет подземных утечек нефтепродуктов. 46
2.2. Дистанционный тепловизионный контроль магистральныхтрубопроводов на предмет несанкционированных врезок. 47
2.3. Подготовка тепловизора "Терма-2" к натурным испытаниям 50
2.3.1. Обработка тепловизионных изображений, получаемых многоспектральным тепловизором "Терма-2".50
2.3.2. Измерение температурных контрастов в зоне залеганиямагистральных трубопроводов. 58
2.4. Оценка потенциальных возможностей тепловизора "Терма-2" применительно к поставленной задаче диагностики магистральных трубопроводов. 70
2.5. Натурные испытания тепловизора "Терма-2"с целью диагностикимагистральных трубопроводов. 73
2.5.1. Размещение тепловизора "Терма-2" на воздушных носителях. 73
2.5.2. Полигонные испытания тепловизора "Терма-2". 73
2.5.3. Натурные исследования с тепловизором "Терма-2". 88
2.6. Основные технические характеристики специализированного тепловизора для выявления несанкционированных врезок в магистральные трубопроводы с борта воздушного носителя. 98
Глава 3 Инфракрасное сканирующее устройство для эффективного тушения лесных пожаров с воздушных носителей - танкеров . 100
3.1. Предпосылки для создания инфракрасного прицельного устройства (ИКПУ) 101
3.2. Разработка ИКПУ и способа пожаротушения на его основе . 103
3.2.1. Существующие способы и аппаратура для тушения лесных пожаров с воздушных носителей. 103
3.2.2. Способ пожаротушения с использованием ИКПУ. 103
3.2.3. Расчет основных параметров ИКПУ. Выбор спектрального диапазона. 104
3.2.4. Технические характеристики и экспериментальны исследования ИКПУ "Терма-5" 106
Выводы по третьей главе. 127
Глава 4 Пути дальнейшего совершенствования инфракрасного прицельного устройства "Терма-5". 128
4.1. Оценка недостатков ИКПУ "Терма-5" 128
4.2. Разработка управляющего алгоритма бортового вычислителя с учетом аэродинамики слива жидкости с летательных аппаратов. 129
4.3. Экспериментальная проверка разработанного алгоритма . 140
4.4. Использование ИКПУ "Терма-5" в составе комплексабортовой аппаратуры воздушных носителей - танкеров. 141
Выводы по четвертой главе. 143
Выводы по работе 144
Список литературы 146
- Выбор основных спектральных диапазонов длямногоспектрального тепловизора
- Подготовка тепловизора "Терма-2" к натурным испытаниям
- Разработка ИКПУ и способа пожаротушения на его основе
- Экспериментальная проверка разработанного алгоритма
Введение к работе
Научно-технический прогресс и быстрый рост производственных мощностей во всем мире привели к резкому увеличению антропогенной нагрузки на природную среду. В основе развития экологического кризиса лежит тот факт, что экономическое развитие общества пришло в явное противоречие с ограниченными ресурсами, воспроизводящими и жизнеобеспечивающими возможностями биосферы. Все виды природопользования - промышленное, сельскохозяйственное, лесохозяиственное, рекреационное и другие сопровождаются не только получением желаемых результатов, но и нежелательными различными экологическими и социальными последствиями. В результате наблюдается истощение ресурсов суши и океана, безвозвратная потеря различных видов растений и животных, техногенное нарушение биохимических круговоротов веществ, загрязнение всех составляющих природной среды, упрощение и деградация экосистем. [45]
Поэтому среди задач экологического мониторинга и рационального использования ресурсов Земли вопросы, связанные с контролем за состоянием природной среды и вопросы, связанные с ее охраной от возможных экологических катастроф, имеют первостепенное значение.
При этом представляется целесообразным определение основных источников экологических катастроф, которые могут быть предотвращены с помощью приборов, работающих в ИК - диапазоне спектра, причем наиболее оперативно и эффективно. [47] Действительно, с точки зрения расстановки приоритетов, контроль с воздушных носителей за заболеваниями лесов (поражение вредителями - насекомыми) не может быть сопоставим с выявлением несанкционированных врезок в нефтепроводы, [53,48] которые могут приводить к экологическим катастрофам регионального масштаба. С другой стороны, использование того же тепловизора для контроля экологии лесов для обнаружения сквозь дым очагов возгорания в лесу и применение ИК систем для точного попадания пожаротушащей жидкости из самолетов (вертолетов) - танкеров на зарождающийся очаг лесного пожара является одной из самых актуальных задач предотвращения экологических катастроф такого же регионального масштаба. [52]
Поэтому, безусловно, те ИК - приборы, о которых пойдет речь ниже, предназначены для решения, в первую очередь, оперативных задач, что не исключает возможность их использования в народном хозяйстве для других целей. [51]
Автор диссертации отдает себе отчет, что в рамках данной работы невозможно охватить все оптико-электронные приборы, предназначенные для решения указанных выше задач. Поэтому в работе будет рассмотрено несколько направлений, которыми автор занимался в течение последних 10 лет, а именно: разработкой многоспектрального самолетного тепловизора для экологического мониторинга и созданием новых технологий экологического мониторинга с использованием этого тепловизора, а также разработкой инфракрасной аппаратуры для эффективного тушения лесных пожаров с воздушных носителей-танкеров и разработкой методики применения таких приборов.
Широкие возможности для экологического контроля окружающей среды открывают тепловизионные системы наблюдения, базирующиеся на воздушных носителях как на самолетах, так и на вертолетах. Общеизвестно, что тепловизионные методы наблюдения обладают высокой точностью и чувствительностью, имеют широкий динамический диапазон, работают в реальном времени и могут быть использованы в труднодоступных для наземных методов контроля местах, причем в любое время суток и при любых погодных условиях, включая дым и туман. Наличие воздушного носителя позволяет осуществлять построчное сканирование, перпендикулярное движению носителя, а кадровое сканирование производится за счет движения носителя. Именно этот тип тепловизоров со строчным сканированием (тип Line Scan) .будет в дальнейшем рассматриваться. Отсутствие оптико-механического кадрового сканирования, применяемого в тепловизорах "впередсмотрящих" (FLIR), формирующих целиком тепло-визионный кадр, выгодно отличает системы Line Scan тем более с учетом того обстоятельства, что число элементов разложения по строке в системе Line Scan в среднем в 2 раза превышает число элементов разложения по строке в тепловизорах FLIR при одинаковых углах обзора.
Начало разработок тепловизоров строчного сканирования было осуществлено в Государственном Оптическом Институте им. СИ. Вавилова (г. Ленинград) в середине 60-х годов. К концу 60-х годов коллектив сотрудников под руководством д.т.н. проф. М.М. Мирошникова имел законченные разработки самолетных сканирующих тепловизоров "Тепло-4" и "Тепло-М", выполненные при участии автора диссертации. В дальнейшем результаты разработки были переданы на Азовский Оптико-механический завод (АОМЗ), где был налажен мелкосерийный выпуск самолетных (вертолетных) тепловизоров "Вулкан" (подробные характеристики этого изделия будут приведены в первой главе). Далее, по приказу Миноборонпрома автору с группой сотрудников было предложено оснастить двухспектральный тепловизор "Вулкан" третьим спектральным каналом (1...1,3 мкм), а также добиться устранения рассеянного света внутри серийных корпусов тепловизоров "Вулкан" (шифр работы "Проба"). Оснащенный третьим спектральным каналом тепловизор "Вулкан" был передан в Лаборатории аэрометодов в геологии (ЛАЭМ) г. Ленинграда, а доработанная документация была внедрена на АОМЗ.
Несмотря на то, что тепловизор "Вулкан" применялся во многих отраслях народного хозяйства СССР,[8] являясь единственным серийным тепловизором класса Line Scan, к концу 80-х годов стало очевидным, что невысокое геометрическое и энергетическое разрешение прибора, а также запись изображения на фотопленке и большие габариты оптико-механического блока не позволяют в полной мере реализовать все возможности тепловизионного метода дистанционного зондирования с воздушных носителей, особенно с легких самолетов и тем более с беспилотных носителей.
Борьбе с лесными пожарами во всем мире уделяется большое внимание. Как показывает мировая практика, наиболее эффективным способом борьбы с лесными пожарами является авиация, обеспечивающая оперативную доставку огнетушащей жидкости к очагам возгорания, а также картирование очагов возгорания сквозь дым.
По мере развития авиации появились большие возможности для транспортировки к месту пожара огнетушащей жидкости, состав которой видоизменялся от простой воды до сложной химической смеси, повышающей эффективность подавления огня. В настоящее время наиболее крупных успехов в транспортировке добилась Россия, самолеты и вертолеты которой могут оперативно доставлять к месту лесного пожара от 3 до 50т жидкости. [36]
По-видимому, нет смысла останавливаться на вопросах оснащения самолетов и вертолетов лесопожарной авиации резервуарами для доставки жидкости к месту лесных пожаров, на конструкции этих резервуаров и на недостатках, присущих этим конструкциям, Отметим лишь одно обстоятельство - независимо от конструкции и размещения резервуаров на борту воздушного носи теля слив жидкости во всем мире осуществляется вручную, т.е. путем механического нажатия пилотом на кнопку сброса жидкости с носителя. По мировой статистике вероятность попадания составляет 50%. Попытки применения известных оптических прицелов (о чем будет доложено во второй главе) наталкиваются на непреодолимые препятствия, связанные с высокими скоростями полета носителя на малых, порядке 40м, высотах. Поэтому, разработка методики и аппаратуры для автоматизированного прицельного слива пожаротушащей жидкости с борта воздушного носителя-танкера без участия человека является наиболее актуальной задачей.
Цель и задачи работы
Целью работы является исследование основных принципов, на базе которых должны быть разработаны и подвергнуты натурным испытаниям инфракрасные сканирующие приборы, предназначенные для эффективного экологического мониторинга и ликвидации экологических катастроф. Указанная цель достигается решением следующих задач.
1. Выявление особенностей построения тепловизоров с одномерным оптико- механическим сканированием.
2. Анализ особенностей тепловизионного тракта в УФ, видимой, ближней 0,8...1,2 мкм; средней 3...5 мкм и дальней 8...13,5 мкм областях ИК- спектра.
3. Анализ спектральных характеристик в УФ, видимой, в ближнем и дальнем ИК -диапазоне различных классов и типов природных образований.
4. Разработка принципиально новой схемы оптико-механического блока тепловизора, обеспечивающего одновременное сканирование в 4 областях спектра (базовая модель).
5. Реализация результатов разработки в экспериментальном базовом образце тепловизора.
6. Проведение натурных испытаний базовой модели с воздушных носителей.
7. Проведение сравнительного анализа существующих методов тушения очагов пожаров с воздушных носителей.
8. Анализ спектральных характеристик очагов горения .
9. Разработка требований к оптико-механической схеме оптико-электронного устройства для автоматизированного сброса жидкости на очаги пожаров.
10. Изготовление автоматизированного оптико-электронного устройства для эффективного пожаротушения и его натурные испытания на воздушных носителях- -танкерах.
Новые научные результаты и основные положения, выносимые на защиту.
1. Анализ спектральных характеристик отражения различных классов и типов природных оьразований по классификации Кринова, проведенный с целью выявления возможных пределов их изменения и зависимости от различных факторов и условий и, как следствие, выявления степени их пригодности для дистанционных исследований.
2. Обоснование выбора схемы четырехспектрального самолетного тепловизора со строчным сканированием на основе анализа основных закономерностей формирования температурного поля земной поверхности и значений теплового и яркостного контраста.
3. Разработка методики дистанционного тепловизионного контроля на предмет выявления несанкционированных врезок в нефте-продуктопроводы.
4. Обоснование выбора схемы оптико-электронного сканирующего устройства, обеспечивающего автоматический точный сброс жидкости на очаг пожара с воздушного носителя-танкера.
5. Способ тушения лесных пожаров с использованием инфракрасного прицельного устройства.
Практическая ценность работы
1. Разработанный многоспектральный самолетный тепловизор "Терма-2", на схему оптико-механической развертки которого получен Патент РФ, позволил сформировать новый подход к экологическому мониторингу магистральных нефте-продуктопроводов.
2. Предложенная методика дистанционного тепловизионного контроля магистральных трубопроводов для выявления несанкционированных врезок позволяет оперативно предотвращать экологические катастрофы от выброса нефти и нефтепродуктов из мест криминальных нарушений трубопроводов.
3. С учетом полученных практических результатов поступило предложение от Руководства ФСБ РФ о докладе в Совете Безопасности РФ по вопросу воздушной многоспектральной разведке с использованием тепловизионной аппаратуры "Терма-2" и ее модификаций.
4. Разработанное по заказу Федеральной службы лесного хозяйства России инфракрасное сканирующее устройство (ИКПУ "Терма"), предназначенное для автоматического слива пожаротушащей жидкости на очаги пожаров без участия человека с самолетов-танкеров, легло в основу нового способа тушения лесных пожаров, защищенного Патентом РФ.
5. Результаты применения нового способа эффективного подавления очагов пожаров с использованием инфракрасного сканирующего устройства рассмотрен на Парламентских слушаниях в Государственной Думе Российской Федерации.
Апробация работы Материалы работ докладывались на следующих конференциях и семинарах:
- международной конференции "Прикладная оптика (1996 г. г. С. Петербург) -2 доклада
международной конференции "Физике - 96"(1996 г., г. Велико Тырново, Болга рия)
- международном научно-практическом семинаре "Прикладные вопросы точно сти приборов и механизмов" (1997 г., ИТМО, г. С. Петербург)
- конференции "Методы дистанционного зондирования и ГНС - технологии для контроля и диагностики состояния окружающей среды (1997 г., г. С. Петербург)
- российском научно-техническом семинаре "Концепция обеспечения достовер ности экоаналитической информации в России за период до 2020 г. (2001 г., ИТМО, г. С. Петербург)
- конференции "Высокоскоростная фотография и фотоника" (2001г., ВНИИОФИ, г. Москва)
- конференции "Научно-техническая конференция ППС ИТМО" (2002 г., ИТМО, г. С. Петербург)
- Парламентских слушаниях "Экологические проблемы лесов России" (0.02.2003 г., Государственная Дума, г. Москва).
Внедрение материалов диссертации.
1. Экспериментальные образецы многоспектрального тепловизора "Терма-2" были внедрены в организации: ЗАО "Котлин-Новатор" холдинговой компании "Ленинец" (г. С. Петербург), НПК "Аэрокосмосгеологический" при Лаборатории аэрометодов в геологии (г. С. Петербург)
2. Работы по экологической безопасности магистральных нефте-продуктопроводов с использованием многоспектрального тепловизора "Терма-2", в том числе по выявлению несанкционированных врезок, выполнялись с интересах ОАО "Черномортранснефть" (ОАО "АК " Транснефть"), ОАО "Сургутнефтегаз", ОАО Рязаньтранснефтепродукт" (ОАО "АК "Транснефтепродукт").
3. Инфракрасное сканирующее устройство ИКПУ "Терма-5" успешно прошло межгосударственные российско-украинские испытания на самолете-танкере Ан-32П.
4. По согласованию с Центральной Базой охраны лесов России ИКПУ "Терма-5" будет установлено на самолет-амфибию БЕ-12П.
5. Документация на установку ИКПУ "Терма-5" в корпусе самолета БЕ-12П внедрена в ОАО "ТАНК" им. Бериева (г. Таганрог).
6. После успешной демонстрации ИКПУ "Терма-5" в Португалии на вертолетах "Пума" и "Bell-205" 2 комплекта аппаратуры были закуплены лесопожарной службой этой стороны.
Публикации
1. На оптико-механический блок тепловизора "Терма-2" получен патент РФ.
2. Способ борьбы с лесными пожарами с использованием ИКПУ "Терма-5" запатентован в РФ.
3. По материалам работы имеется 21 публикация.
Выбор основных спектральных диапазонов длямногоспектрального тепловизора
Общеизвестно, что наиболее информативно объекты и подстилающие поверхности (фоны) представлены в диапазоне длин волн от ультрафиолетового до инфракрасного (включительно) и находятся в спектральном интервале 0,3...14 мкм. Не требует доказательств и тот факт, что невозможно создать одноканальную систему, позволяющую эффективно регистрировать весь объем информации в указанном спектральном диапазоне, тем более, как будет показано ниже, в некоторых случаях требуется совместная обработка разноспектральных изображений, полученных одновременно. Поэтому, исходя из спектральной чувствительности приемников излучения и окон прозрачности атмосферы, разделим спектральный диапазон 0,3...14 мкм на поддиапазоны: ультрафиолетовый 0,3...0,4 мкм, видимый 0,4...0,75 мкм, ближний инфракрасный 0,75...2 мкм, средний инфракрасный 3...5 мкм и дальний инфракрасный 8...14 мкм.
Задачей настоящего анализа является выбор основных спектральных интервалов, которые будучи реализованными в многоспектральном тепловизоре, позволят при минимальных габаритах прибора получать максимальную информацию об объектах и фонах. Здесь следует сделать два пояснения. Во-первых, на самом деле многоспектральный прибор, о котором идет речь, следовало бы именовать спектровизором, так как только в спектральном диапазоне 3....14 мкм присутствует собственное (тепловое) излучение тел, в то время как в других спектральных диапазонах анализируется отраженная часть солнечного спектра излучения, однако предлагается использовать привычное название - тепловизор. Во вторых, под основными спектральными диапазонами понимаются отмеченные выше поддиапазоны, внутри которых за счет введения спектральных фильтров могут выделяться сравнительно узкие (порядка 50 нм) спектральные полосы.
Начнем анализ с собственного (теплового) излучения тел. При рассмотрении теп лового излучения твердых тел фундаментальным понятием является понятие об абсолютно черном теле (АЧТ). АЧТ называется тело, которое поглощает все падающее на него излучение любых длин волн. Спектральное распределение АЧТ описывается законом Планка:
Встречаемые в природе тела не являются абсолютно черными телами. Такие нечерные тела поглощают только часть падающего излучения и характеризуют спектральным коэффициентом излучения" є", зависящим от температуры тела и длины волны. Любое тело, имеющее температуру, отличную от абсолютного нуля, излучает в широком диапазоне длин волн, однако максимум излучения приходится на длину волны, определяемую законом смещения Вина:
Следовательно, можно сказать, что объект при температуре окружающей среды Т=290 имеет максимум спектральной плотности энергетической светимости при Хтах =10 мкм, а для более нагретых объектов Хтах смещается в коротковолновую область.
Для определения величины спектральной плотности энергетической светимости в интервале Д X используют выражение [12]
Как будет показано ниже, в спектральных диапазонах 3...5 мкм и 8...14 мкм величины R д к не только дополняет друг друга, но и не могут рассматриваться отдельно в некоторых случаях. Поэтому в мировой практике многоспектральных тепловизоров эти два спектральных канала обязательно присутствуют, позволяя проводить наблюдение в условиях плохой видимости днем и ночью.
Не имеет альтернативы и спектральный канал в ультрафиолетовой области спектра. В этом диапазоне содержится большой объем информации о составе морской воды, о содержании в ней хлорофилла в различной концентрации [13], а также о наличии масляных пятен загрязнения [13].
Переходя к анализу спектральных характеристик объектов в видимой и ближней ИК - области спектра, еще раз отметим, что все выбранные спектральные каналы тепловизора должны работать одновременно и их количество, с одной стороны, должно быть минимально с учетом габаритов прибора, но с другой стороны, не приводить к существенной потере информации.
При использовании спектральных методов в тепловидении спектральные характеристики отражения и излучения природных образований оказывают важнейшее влияние на формирование изображения. С другой стороны сами спектральные характеристики отражения и излучения в большой степени зависят от вида и состояния природных объектов, от вида и степени нарушения экологического равновесия природной среды. Поэтому для правильной интерпретации результатов тепловизионных изображений необходимо провести анализ факторов, влияющих на изменчивость спектральных характеристик отражения и излучения природных образований.
В ближней ИК-области спектральное отражение природных образований характеризуется либо спектральным альбедо, либо коэффициентом спектральной яркости. Спектральное альбедо поверхности равно отношению спектральной плотности потока, отраженного во всех направлениях данной поверхностью к спектральной плотности полного потока, упавшего на поверхность. Коэффициент спектральной яркости (КСЯ) поверхности в данном направлении при данных условиях освещенности есть отношение спектральной плотности яркости этой поверхности к спектральной плотности яркости идеального рассеивателя, находящегося при тех же условиях освещения. Под идеальным рассеивателем понимается ортотропная поверхность, полностью отражающая по закону Ламберта весь падающий на нее поток излучения. Спектральное альбедо (спектральный коэффициент отражения) и КСЯ связаны соотношением:.Ф - надирный угол наблюдения;и - азимутальный угол между вертикалями сканирования и источника освещения (Солнце). Для ортотропно отражающих поверхностей спектральное альбедо и КСЯ равны между собой.
Подготовка тепловизора "Терма-2" к натурным испытаниям
Подготовка самолетного сканирующего тепловизора "Терма-2" к диагностике магистральных трубопроводов с воздушных носителей заключалась в доработке компьютерной программы "Terma-View" и проведении наземных измерений температур почвы в местах предполагаемой работы.
Большим скачком в записи тепловизионных изображений являлся переход от традиционной записи на фотопленку в блоке фоторегистрации к записи на жесткий носитель информации, что позволяет не только записывать информацию, но и визуализировать ее в реальном масштабе времени, а также обрабатывать.
Задачей совместной обработки изображений, получаемых в различных спектральных диапазонах, является повышение контраста исследуемых объектов с целью их выявления и более надежного дешифрирования. С этой целью было разработано, а позднее доработано программное обеспечение "Terma-View", содержащее две основные программы:- программа мониторинга и записи изображений во время полета (rw_show.exe);- программа просмотра и обработки изображений на персональном компьютере (TermaView.exe).Назначение
Программа rw_show.exe предназначена для вывода изображения, поступающего от тепловизора, а также навигационной информации, принимаемой от GPS, на экран, и одновременной записи всех данных на диск (винчестер).
Программа rw_show.exe выполняется процессором микроЭВМ РС-104, входящей в состав блока цифровой обработки аналоговых сигналов (БЦО) на борту летательного аппарата. Первичная обработка сигналов в БЦО реализована на процессоре TMS. Далее видеоинформация записывается в буферное двухпортовое ОЗУ, из которого она считывается и подвергается дальнейшей обработке программой rw_show.exe. На экран, подключенный к видеокарте РС-104, информация выводится построчно в режиме реального времени, поэтому в результате оператор наблюдает бегущую картинку.
Кроме того, программа принимает сигналы от спутниковой навигационной системы, и, в частности, метки текущего времени, а также записывает эту информацию на винчестер. На борту устанавливаются два или три БЦО в зависимости от количества приемников оптического блока для каждого спектрального диапазона. Эти БЦО, каждый со своим винчестером, образуют параллельно работающие независимые каналы.
Программа написана на языке С+ и откомпилирована в среде Watcom С/С+Ю.Оа, на платформе DOS/4GW. Для обеспечения записи требуемого объема информации на винчестер в реальном времени в программе использованы специально разработанные для этого драйверы, работающие с диском на физическом уровне.
Для приема информации от GPS 1-й последовательный порт в модуле РС-104 должен быть установлен в режим "RS422 at 03F3H". Проверка имеющейся установки и, при необходимости, ее изменение осуществляются с помощью программы atset.exe.
Рекомендации по применениюМаксимальная продолжительность работы программы rw_show.exe зависит от емкости винчестера и может быть определена по следующей оценочной формуле:С — доступная для записи емкость винчестера в мегабайтах.
Например, при доступной памяти на винчестере 700 Мб максимальное время работы программы составляет 2.5 часа.
После запуска программы rw_show.exe следует убедиться в том, что индицируемая на панели параметров средняя высота рельефа местности над уровнем моря (Нрел, в метрах) соответствует действительности. Этот параметр устанавливается заранее до полета; он необходим для правильного вычисления истинной высоты полета по данным, получаемым от приемника GPS. Если величина Нрел не верна, то войдя в режим редактирования параметров (клавиша F3), необходимо установить требуемую высоту Нрел.
Для получения оптимального качества изображения следует поддерживать соотношение скорости полета к высоте полета (W/H) как можно ближе к величине 0.15. Чтобы контролировать соблюдение этого соотношения, на панель параметров выводится величина номинального соотношения W/H„0M = 0.15 и величина фактического соотношения \Л//Нфает, Кроме этого, программа фиксирует ситуацию, когда величина W/Нфакт отличается от величины W/HHOM более, чем на 10%, и выводит в этом случае сообщение:"Внимание! Рекомендуется скорость полета ... км /час."
При желании можно выключить/включить индикацию данного сообщения на экране нажатием клавиши F7.
Программа TermaView.exe предназначена для просмотра файлов, записанных на винчестеры, после полета. В ней реализованы также методы совместной обработки изображений, полученных в разных спектральных диапазонах. Далее для краткости будем называть эту программу TermaView.
Программа TermaView позволяет просматривать информацию либо для одного выбранного канала, либо для двух каналов одновременно, либо для двух каналов плюс результат совместной обработки.
Изображение представляет собой двумерный массив пикселов, размерность которого зависит как от установленного разрешения экрана, так и от » целым числом в диапазоне 0..255, что соответствует определенной яркостиданной точки в шкале серого цвета, где 0 - черный цвет, 255 — белый цвет.
Одной из проблем, возникающих при совместной обработке мно гоканальных изображений, является обеспечение максимальной точностисовмещения (синхронизации) двух изображений из обрабатываемых каналов. В программе TermaView эта проблема решается двумя способами. В первом способе используются метки времени, записанные на винчестеры, так как они пишутся одновременно во всех каналах. Однако, из-за недостаточной надежности приема спутниковой информации эти метки могут отсутствовать. Тогда применяется второй способ, при котором оператор отмечает выбранные им наиболее характерные (контрольные) точки, - с помощью манипулятора "мышь", - на разноканальных изображениях, которые идентичны по способу получения, после чего программа выполняет совмещение контрольных точек путем сдвига одного из изображений.
В программе предусмотрены два основных режима просмотра: режим «шаг»; режим «прокрутка». В режиме «шаг» изображение текущего кадра остается на экране, пока пользователь не щелкнет мышью на одной из кнопок перемещения кадра (вверх или вниз с заданным смещением). В режиме «прокрутка» изображение непрерывно перемещается по экрану (с заданным смещением) в направлении от начала к концу файла. Представляется очевидным, что не может существовать универсального алгоритма обработки изображений, пригодного для решения любой задачи в ш рамках экологического мониторинга, однако существуют общие принципы, позволяющие получать аналитические выражения с точностью до коэффициентов. В программе Terma View использованы общие подходы к обработке изображений [31], основанные на математических операциях со спектральными компонентами. При этом учитывалась сложившаяся практика для многоспектральных тепловизоров, когдасовместная обработка производится для изображений, полученных: 1) видимой и ближней инфракрасной области спектра и 2) изображений, полученных в средней и дальней областях ИК- диапазона. ф Так, в [32] при обработке многоспектральных ( от видимого до ближнего ИК - диапазона) изображений экспериментально установлен эффект от совместной обработки: как положительный, так и отрицательный. В некоторых случаях контраст синтезированного изображения увеличивался, а в некоторых -уменьшался, при этом улучшением различимости изображения одного элемента (пиксела) объекта на фоне другого считается определенное увеличение их контраста: aj-Bj КІ= , (5) Зі + Bj где ai.„, ai..,, an - ряд спектральных сигналов, созданных изображением объекта "а" в N каналах; ві в-, вп - ряд спектральных сигналов, созданных # изображением объекта "в" в N каналах. 1 i N Анализ, проведенный в [32], представляет для наших целей значительный интерес. Показано, что преобразованные сигналы могут быть представлены в виде последовательностей
Разработка ИКПУ и способа пожаротушения на его основе
Как правило, в развитых странах для борьбы с лесными пожарами используют тепловизоры, установленные на патрульных самолетах или вертолетах, для раннего обнаружения и картирования очагов возгорания [40]. Конструкции и способы размещения этих приборов могут быть различными [41,42], однако при тушении пожаров в процессе слива жидкости они участия не принимают.
Известно [43] устройство, предназначенное для тушения лесных пожаров водой из резервуаров, перевозимых к очагу пожара вертолетами или самолетами, однако слив жидкости производят вручную. Достаточно близким прототипом является способ [44], основанный на использовании емкостей с водой, установленных на вертолете, для слива на очаг пожара при зависании носителя над очагом пожара. Недостатком такого способа является опасность зависания вертолета над очагом пожара и низкая точность слива.
Рассмотрим способ повышения оперативности и точности слива жидкости в зону пожара [59].
Указанная цель достигается тем, что очаг пожара вводят в поле зрения расположенного на летательном аппарате устройства, построчно сканирующего местность поперек направления полета, определяют момент начала регистрации очага приемным устройством и устанавливают вручную или автоматически временную задержку для срабатывания системы слива огнетушащей жидкости.
Кроме того, с целью исключения ложных сигналов анализируется заданная последовательность однотипных строк сканирования.
Такое решение является новым, не известным в практике тушения лесных пожаров и других очагов возгорания. Способ реализуется следующим образом (рис.47).
На летательном аппарате 1 под фюзеляжем или внутри него устанавливается оптико-электронная аппаратура 2, включающая оптико-механический блок 3, приемное устройство 4 и электронный блок 5. Внутри летательного аппарата размещается пульт 6 управления и система 7 сброса жидкости из наружных емкостей 8. Установленная аппаратура 2 построчно (см. например, строку 9) сканирует местность 10 с высоты Н и с углом а оси визирования к продольной оси 11 носителя в пределах угла р обзора местности 10. Каждая грань многогранного сканирующего барабана оптико-механического блока 3 направляет в приемное устройство 4 лучистую энергию от каждого участка местности 10. При сканировании участка пожара 12 с повышенной температурой относительно соседних участков местности в приемном устройстве 4 появляются соответствующие сигналы 13, которые усиливаются электронным блоком 5 и по линии связи 14 передаются на пульт 6 управления. О наличии этих сигналов оператор оповещается сигнальной лампой. Сигнальное устройство срабатывает только в том случае, если сигнал от нагретого объекта будет продублирован следующей строкой. Наличие продублированного сигнала является командой на автоматический слив жидкости после установленного заранее времени задержки слива. Подробнее о конструкции прибора будет изложено далее. Формально разработанный способ тушения лесных пожаров и ИКПУ может быть описан в следующем виде: 1. Способ тушения очагов пожара, содержащий визуальное наведение летательного аппарата на очаг пожара и слив огнетушащей жидкости, отличающийся тем, что очаг пожара вводят в поле зрения расположенного на летательном аппарате устройства, построчно сканируют местность поперек направления полета, определяют момент начала регистрации очага приемным устройством и устанавливают временную задержку для срабатывания системы слива огнетушащей жидкости. 2. Способ п.п. 1, отличающийся тем, что временную задержку устанавливают вручную. 3. Способ по п.1 отличающийся тем, что временную задержку устанавливают по параметрам полета математически при помощи вычислительного устройства. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что с целью исключения приема ложных сигналов, анализируют заданную последовательность однотипных строк сканирования. Известно, что температура возгорания древесины составляет приблизительно 300 С, в то время как температура углей равна 600 С. Если считать, что тушение одиночного очага пожара происходит через некоторое время после его возгорания, то можно с большой вероятностью предположить о наличии в этом очаге углей с указанной температурой. Для определения максимальной длины волны, соответствующей температуре 600 С, воспользуемся законом смещения Вина: Очевидно, что с уменьшением температуры очага пожара от 600 С и ниже, максимальная длина волны будет смещаться в дальнюю область ИК - спектра. В настоящее время в спектральном диапазоне 3...5 мкм более употребляемыми приемниками являются неохлаждаемый селенид свинца (Pb Se), охлаждаемый до азотных температур сурьмянистый индий (Jn Sb) и охлаждаемый до температуры замерзания углекислоты приемник на основе тройных соединений кадмия, ртути и теллура (Cd Hd Те). Понятно, что для практики наиболее подходящим будет неохлаждаемый приемник на основе селенида свинца. Типичная спектральная характеристика фотоприемника на основе PbSe на рис. 48 Расчет основных характеристик оптико-механического блока прицельного устройства Выбор поля обзора. Для российских воздушных носителей - пожарников АН-26 П, БЕ-12 П, АН-32 П и вертолета МИ-8 МТ ширина полосы слива составляет приблизительно 60м, т.к. наибольшая эффективность слива, как показывает мировая практика, происходит с высоты 40м над очагом пожара. Пусть максимальная скорость носителя при сливе будет 240 км/час, что соответствует 66,7 м/с. Если исходить из того, чтобы от момента захвата цели до момента пролета носителя над очагом было не менее 2с, горизонтальная дальность будет Lrop = 66,7x2=133м (рис. 49). С учетом высоты горизонтального полета 40м, угол, под которым производится анализ земной поверхности, будет
Экспериментальная проверка разработанного алгоритма
Обширный экспериментальный материал, полученный во время испытаний ИКПУ "Терма-5" на Украине в 1995 г. на самолете АН-32П позволяет сравнить реальные результаты сливов с расчитанными при помощи управляющего алгоритма.
Рассмотрим подробно первый полет со сливом жидкости. Из таблицы №6 выбираем исходные данные высота полета 55м, скорость полета 265 км/час (73,6м/с),угол установки прицела 12 ( а =1 2), тангаж 3,91, курс самолета 158, направление ветра 290, скорость ветра VB = 4 м/с, штатная величина угла тангажа v = 2,8, время задержки слива, установленное на приборе - 1с. Таким образом: у0 - 12 = 2,8 = 14,8, проекция скорости ветра на курс самолета дает величину составляющей VB = -2,68 м/с, AV = 1,11, to = 1с, tan = 0,8Отметим, что на рис. 53 при времени задержки слива 1с центр тяжести пятна "перелетел" костер на 3 клетки, т.е. на 60м, а расчетное время получилось еще больше!Аналогичным образом рассмотрим 2 полет со сливом (рис. 54): Н = 55м, V0 = 72,5м/с, у0 = 14,8, Ду = 0,37, VB = -2,68м/с, t3 = 1.13с. При времени задержки Ос центр масс "перелетел" на 20м, расчетное время задержки опять больше.
Наиболее интересны последующие 2 полета со сливами, когда при установленном времени задержки слива t$ = 0 наблюдалось практически 100% совмещение центра тяжести пятна с очагом пожара.Полученное значение двух члена ( + tan) интересно проверить на
реальном сливе №7 (табл.№ 11, рис. 58), проведенном в нестандартных условиях (высота полета при сливе составляла не 50, а 80м). Итак: Н=78м, для эффективного (в смысле пожаротушения ) точность слива с высоты полета даже вдвое превышающей требуемую по техническому заданию высоту. При этом показано, что ошибка составляет всего 0,09с.
Для размещения ИКПУ "Терма-5" в бортовом комплексе электронного оборудования самолетов (вертолетов) - танкеров, работающих для ликвидации лесных пожаров, необходима полная автоматизация выдачи команды начала слива пожаротушащей жидкости, для чего требуется постоянное измерение наклонной дальности до очага возгорания. Как было показано в 2.3.1.Измерение наклонной дальности до очага
Как отмечалось выше, наиболее рациональным способом использования ИКПУ "Терма" в режиме полного автомата является оснащение прибора портативным лазерным дальномером с дальностью действия последнего не более 500м. В этом случае конструктивно дальномер, работающий в спектральном диапазоне 1,06 мкм, может быть размещен в ОМБ ИКПУ с параллаксом не более 100 мм, причем оптическая ось дальномера остается неподвижной во время развертки оптической оси ИКПУ и направлена в центр образующейся строки на местности.
Во время работы сканирующей системы ОМБ ИКПУ дальномером постоянно выдаются значения наклонной дальности, которые воспринимаются бортовым вычислителем только в том случае, когда приходит сигнал от очага пожара. В бортовом вычислителе значения наклонной дальности L пересчитываются в значения соответствующей высоты полета по формуле:алгоритма, рассмотренного выше.Практическая реализация бортового вычислителя может быть выполнена на базе доступных элементов не представляющей сложности для реализации в настоящее время. 1. Проведенный анализ показал необходимость построения бортовоговычислителя для совместной работы с ИКПУ "Терма-5".2. Полученный алгоритм определения времени задержки слива жидкости с самолета позволяет построить относительно простой, линеаризованный по большинству параметров бортовой вычислитель, входными параметрами которого является скорость, наклонная дальность до цели, скорость ветра и отклонение угла тангажа от заданного режима, и выходным параметром - время задержки команды на слив жидкости.3. Проведенное сравнение расчетных значений времени задержки слива по разработанному алгоритму с реальными значениями при экспериментальных сливах с самолета-танкера АН-32П показали достаточно точное совпадение расчетного с экспериментальным значением времени задержки.4. Показана необходимость введения в бортовой вычислитель линейногодвухчлена ( + tan), который для каждого типа воздушного носителя будет
Установлено, что для самолета-танкера АН-32П значение двухчлена равно
экологических катастроф достаточно регистрироватьизображения в пяти основных спектральных диапазонах:оригинальная схема оптико-механического сканирующего устройства позволяет одновременно зарегистрировать все выбранные спектральные диапазоны синхронно и синфазно.3. Разработанная оригинальная схема оптико-механического сканирования позволила уменьшить массу оптико-механического блока в несколько раз по сравнению с серийным тепловизором "Вулкан" и довести ее в тепловизоре "Терма-2" до 20 кг.4. Установлено, что магистральные подземные трубопроводы представляют большую угрозу экологии не только из-за возможности утечек нефти и нефтепродуктов, но в первую очередь, из-за возможного выброса нефти или нефтепродуктов в местах несанкционированных врезок в трубопроводы.5. Установлено наличие температурных контрастов между температурой почвы в месте врезки, температурой почвы над трубопроводом и температурой почвы в стороне от трубопровода. Показана необходимость наземных измерений температур. Разработана методика измерения указанных температурных контрастов.6. Проведенные наземные измерения температурных контрастов в нескольких регионах России показали, что практически в любое время суток существуют температурные перепады в зоне подземных трубопроводов и врезок в них. Показано, что величина этих температурных перепадов составляет от десятых долей градуса до градусов, что может быть зафиксировано тепловизором.7. Установлено, что точки инверсных переходов, когда температурныеконтрасты отсутствуют, наиболее часто отмечаются в утренние и вечерниечасы суток, что необходимо учитывать при организации плановых облетовмагистральных трубопроводов на воздушных носителях с тепловизором.8. Показано, что вследствие малой продолжительности инверсных переходов (до десятка минут), для уверенного обнаружения и дешифрирования несанкционированных врезок и отводов целесообразно проводить тепловизионную съемку при полетах над магистральными трубопроводами туда и обратно с продолжительностью полета в одну сторону не менее одного часа.9. Показано, что при существующих методах пожаротушения с воздушных
