авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |

«ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Широбоков, Александр Михайлович Оптико­электронные приборы для экологического ...»

-- [ Страница 2 ] --

Как будет показано в 1,3, ближний ИК - диапазон оптимально сочетается с фотопри емниками на основе германия, в то время как на спеюральную область 0,4...09 мкм, с точки зрения реализации максимальной спектральной чувствительности, требует ся два фотоприемника: один на видимую часть спектра 0,4...0,75 мкм и другой на спектральный диапазон 0,7...0,9 мкм (приемник на основе фемния). Задачей прове денного анализа и являлось доказательство того факта, что с минимальными поте рями информации можно отказаться от регистрации сравнительно мало информа тивного диапазона 0,7...0,9 в пользу применения фотоприемника с максимальной чувствительностью в видимом диапазоне, что уменьшает размеры 0МБ.

1.2.2. Основные спектральные диапазоны для многоспектрального тепловизора.

Заканчивая анализ спектральных коэффициентов отражения природных образований с учетом огромного количества графических зависимостей указан ных коэффициентов от длины волны в видимом и ближнем ИК - диапазоне спектра, помещенных в специальной литературе, например [13,35], отметим, что спектральные коэффициенты отражений почвенных образований, морской воды с содержанием хлорофилла и фитопланктона или с пленками масла, а также снега и листвы либо максимальны на длине волны 0,6 мкм, либо имеют промежуточный максимум. Это обстоятельство и определило выбор фотоприемника с максимальной спек тральной чувствительностью на длине волны 0,6 мкм.

Дополнительно отметим, что большой объем информации о природных образованьях, в том числе травы, листвы, песка, почвы, окрашенных поверхно стей, бетонных покрытий, горных пород и т.д. заключен в спектральном диапа зоне 1...1,3 мкм.

Выбор спектральных диапазонов в средней (3.,.5 мкм) и дальней (8... мкм) области спектра очевиден и не требует обоснования.

В результате проведенного анализа выберем 5 основных спектральных диапазонов для многоспектрального тепловизора.

1. Ультрафиолетовый 0,3...0,4 мкм.

2. Видимый 0,4...0,75 мкм 3. Ближний ИК 1...1,3 мкм 4. Средний ИК 3...5 мкм 5. Дальний ИК 8...13 мкм Фотоприемники для перечисленных спектральных диапазонов в настоя щее время освоены российской промышленностью и выпускаются как серийно, так и штучно с заданной топологией размещения чувствительных элементов.

Фотоприемники для ультрафиолетового, видимого и ближнего ИК - диапазона не требуют охлаждения, а приемники для среднего и дальнего ИК - диапазона охлаждаются до температуры жидкого азота. Наиболее подробно характери стики фотоприемников изложены в [34,35] 1.3 Необходимость одновременной регистрации информации в много спектральном тепловизоре.

Выбранные в 1.2.2. приемники излучения позволяют наблюдать объекты и фоны в оптимальных спектральных диапазонах, когда максимум излучения в плоскости предметов соответствует максимуму спектральной чувствительности приемников. Введение узких спектральных фильтров в каждый спектральный диапазон позволяет получать информацию на еще более высоком уровне, раз деляя между собой объекты, излучающие в основном спектральном диапазоне.

При реализации выбранных спектральных каналов в конструкцию много спектрального тепловизора наиболее логичным с точки зрения габаритов при бора было бы последовательное использование спектральных каналов, когда наблюдение и регистрация производилась бы в одном из пяти, наиболее согла сованном по спектру с наблюдательными объектами. Однако это может при вести к значительной потере информации. Проведем сравнительные расчеты с использованием уже рассмотренного выражения (1):

dR Х Используя сравнительную методику [12], покажем, что возможна ситуа ция, когда две рядом расположенные зоны с разными температурами и разны ми коэффициентами температурнрго излучения в одном спектральном диапа зоне раздельно не различимы ( Д X.i - 8...13,5 мкм), а в другом (Д Хг - 3...5 мкм) различимы и наоборот в другой энергетической ситуации.

Рассмотрим энергетическую ситуацию в плоскости предметов, где подстилаю щей поверхностью является сухая трава при температуре воздуха 280 К. Под поверхностью травы расположен отапливаемый бункер, создающий перепад температур на поверхности 10 К. Коэффициент 8ф сухой травы при Тф= 280 К равен 0,94, а над бункером при Tg = 290 он меньше и равен 0,88. Тогда R* = 8...13,5 =9,2 • 0,94 • 10'^ = 8,65' ДХ R^ = 8...13,5 =9,83 • 0,88 = 8,65 • 10 -^ вт/см ^ что в диапазоне 8...13,5 мкм не позволяет обнаружить антропогенный объект, т.к.

R* =R^ ДХ ДХ 1 Другая картина в спектральном диапазоне 3...5 мкм Тф = 280 К, Тб = 290 К, 8ф = 0,82, 88 = 0,79.

;

= 2,76 • 0,82.10 -^ = 2,26 • 10"^ вт/см^ = 4,11 •0,79•10•^ = 3,25•10'^вт/cм^ что и регистрируется тепловизором, т.к.

R Д г* Х RД Х В другой энергетической ситуации картина иная.

Бункер расположен под слоем песка при температуре фона 300 К. Тф = 300 К, Т8= 310 К (температура песка над бункером). В ДА,, = 8...13,5 мкм 8ф = о.9б 5 = 0. R*M1 = 1.22 • 0,96 • 10 -^ = 1,17 • 10-^ вт/см^ R V 1 = 1.43 • 0,87 • 10 -^ = 1,24 • 10-^ вт/см^, что и реализуется тепловизором, т.к. R*AXI * R^дx В спектральном диапазоне ДХ,2 = 3...5 мкм ф = 0,89, S8, R*дx2=1.11 -0,89. 10-^ = 9,88-10"^ вт/см^ RV2 = 1.45 • 0,68 • 10 -^ = 9,88 • 10"^ вт/см^ и R Д 2= Х RД Х Таким образом только одновременное наблюдение в 2-х спектральных каналах позволит получить достоверную информацию в рассмотренных гипоте тических случаях. Рассмотрим еще один пример, но уже практический.

Одной из актуальных задач во всем мире является обнаружение отдель ных мин и минных установок, закопанных в земле и замаскированных. Наибо лее полно результаты исследований с использованием многоспектральной ре гистрации получены LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory, USA) [28].

Целью проведенных исследований было обнаружение минных установок, закопанных в среднем на глубину 15 см, выявление ложных минных установок (муляжей), а также обработка изображений нарушений почвенного слоя, вы званного жизнедеятельностью животных (не антропогенных) от антропогенных.

Исследования проводились в спектральных ИК - диапазонах 3...5 мкм и 8...13 мкм, а также в видимом и ближнем ИК - диапазоне 0,5 мкм;

0, мкм и 0,9 мкм.

Не останавливаясь здесь на вопросах обработки изображений, отметим окончательные выводы. Оказалось, что обнаружение антропогенных наруше НИИ почвы при минных установках, идентификация металлических и пластмас совых мин, выявление и отбраковка муляжей и следов раскопок животными возможно лишь при совместной обработке изображений в средней и дальней области ИК - диапазона 3...5 мкм и 8...13 мкм, а также при совместной обработ ке одновременно полученных изображений на длинах волн 0,9 мкм и 0,5 мкм.

Данных о ширине спектральных полос не приводится, однако в выводах приво дится рекомендация о подключении дополнительного ультрафиолетового диа пазона.

Выше была продемонстрирована необходимость одновременной регист рации многоспектральных изображений, однако в рассмотренных случаях об работка проводилась или должна проводиться в близко расположенных облас тях спектра.

Следующий пример, лежащий, правда, в стороне от основной темы ис следования, достаточно характерен и в практике использования многоспек трального тепловизора может представлять интерес.

Существуют ситуации, когда необходимо совмещать одновременно по лученные изображения в дальнем ИК - диапазоне с изображениями не средне го, а ближнего ИК - диапазона.

Дело в том, что в рамках международной программы ALG установлено, что для обеспечения безопасной посадки самолетов необходимо использовать помимо радиолокаторов еще и тепловизионную систему, позволяющую летчику на 10... 15 с раньше увидеть посадочную полосу, оборудованную посадочными огнями. Задача не может быть решена односпектральным тепловизором, т.к.

посадочная полоса имеет максимум излучения в дальнем ИК - диапазоне, а по садочные огни в этом диапазоне праетически не видны, т.к. они излучают в ши роком спектральном диапазоне от видимого до ближнего ИК - диапазона, одна ко, как установлено, только узкий диапазон 1...2 мкм минимально поглощается в тумане. Таким образом, требуется совмещение значительно разнесенных по спектру изображений. Аналогичная задача может быть актуальной и для разра батываемого многоспектрального тепловизора при регистрации с воздуха мест стихийных бедствий и экологических катастроф, особенно в ночных условиях.

На основании вышеизложенного можно сделать однозначный вывод о необходимости одновременной регистрации изображений во всех выбранных основных спектральных каналах.

1.4. Разработка оптической сканирующей системы базовой модели тепловизора Как следует из 1.4. только одновременная регистрация всех спектраль ных изображений может быть положена в основу современного многоспек трального тепловизора.

Рассмотрим способ, позволяющий провести одновременную регистра цию в двух каналах. [29] На рис. (7) показан зеркальный барабан 1, выполнен ный в возможностью вращения вокруг оси 2, первый компонент 3 объектива, зеркальная светоразделительная призма 4, два вторых компонента объектива:

второй компонент 5, оптически сопряженный с приемником 6 излучения, и вто рой компонент 7, оптически сопряженный с приемником излучения 8. На наруж ные поверхности линз компонента 3 нанесены два различных по спектральным характеристикам пропускания просветляющие покрытия, граница которых про ходит в направлении диаметра, перпендикулярного оси 2 вращения барабана и оптически сопряженного с ребром 10 призмы 4. На наружные поверхности линз компонентов 5 и 7 нанесены просветляющие покрытия с максимумом Рис. Рис. спектрального пропускания в области чувствительности соответствующих при емников излучения 6 и 8. На рис.(8) показан первый компонент объектива (раз ной штриховкой условно обозначены просветляющие покрытия разного спек трального пропускания).

Сканирующая система работает следующим образом. Со сканирующего барабана 1 на первый компонент 3 объектива падает все излучение, испускае мое объектом, и фильтруется просвещенными покрытиями: через одну часть компонента 3 проходит с максимумом пропускания излучение одного спек трального диапазона, а через другую его часть - излучение второго спектраль ного диапазона. Прошедшее излучение светоделительной призмой делится на два канала и воспринимается приемником соответствующей спектральной чув ствительности, отсекающим излучение другого спектрального диапазона. В случае применения приемника, чувствительного к обоим спектральным диапа зонам, перед приемником может быть установлен дополнительный спектраль ный фильтр.

При этом вторые компоненты просветлены по всей площади на макси мум одного пропускания, что позволяет пропустить излучение одного спек трального диапазона и значительно ослабить пропускание другого спектраль ного диапазона.

Таким образом, если рассматривать регистрацию двух спектральных ка налов, например 3...5 мкм и 8...13,5 мкм, то весь поступающий поток излучения можно направить на зеркальный барабан через одно и то же защитное окно, из готовленное, например, из оптического германия, просветленного в двух спек тральных диапазонах. Это обстоятельство позволяет сделать первый шаг к уменьшению массо-габаритных характеристик оптико-механического блока 0МБ тепловизора. Очень важным преимуществом рассмотренной оптической схемы является одновременная регистрация от одной и той же грани скани рующего барабана, что обеспечивает синхронность и синфазность получаемых изображений.

Если вернуться к рассмотренной ранее оптико-механической схеме теп ловизора "Вулкан", то она предполагает два разнесенных входных окна и реги страцию изображений от двух соседних граней сканера.

Формально, отличительные особенности предложенной оптической ска нирующей системы, можно вырезать следующим образом.

1. Оптическая сканирующая система, содержащая последовательно установ ленные зеркальный барабан, размещенный с возможностью вращения, первый компонент объектива, зеркальную светоделительную призму, два вторых ком понента объектива и два приемника излучения, отличающаяся тем, что первый компонент объектива выполнен с просветляющими покрытиями с различными спектральными диапазонами, граница которых проходит по диаметру объекти ва и перпендикулярна к оси вращения барабана и, кроме того, оптически со пряжена с ребром светоделительной призмы, а вторые компоненты объектива просветлены в диапазоне излучения, принимаемого соответствующим прием ником.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что первый компонент объектива выпол нен однолинзовым.

Предложенная оптическая сканирующая система может быть использо вана и для одновременной регистрации четырех спектральных диапазонов, при этом принцип действия не изменяется, но несколько увеличиваются габариты 0МБ. На рис. (9) показана оптическая сканирующая система, состоящая из двух "ветвей", каждая из которых рассмотрена выше. На одну и ту же грань скани рующего элемента 2 через защитное окно 1 поступают две пары спектральных диапазонов А и В: 3...5 мкм и 8..,13,5 мкм, и 0,4...0,8 мкм с 1...1,3 мкм. Для одновременного пропускания всех спектральных каналов одна половина защитного окна выпол нена из германия, а другая половина из сапфира или кварца.

Развивая идею одновременной регистрации дальше, можно, увеличив габарит грани сканера, разместить еще один канал - ультрафиолетовый. Сле дует отметить, что, если для регистрации одной пары А нужен линейный раз мер грани "L", для двух пар А + В линейный размер 2L, то окончательный ли нейный размер грани, одновременно сканирующей в пяти спектральных диапа зонах, будет 2,5 L.

1.5. Разработка многоспектрального тепловизора "Терма-2" Как отмечалось выше, к началу 90-х годов в России сложилась ситуация, когда экологический мониторинг с воздушных носителей стал существенно от ставать по эффективности от аналогичных зарубежных исследований с исполь зованием тепловизоров. Это объяснялось тем, что единственная модель теп ловизора "Вулкан", серийно выпускавшаяся Азовским оптико-механическим за водом, уже не могла в полной мере решать поставленные задачи. Это касается как геометрического и энергетического разрешения, так и массо-габаритных ха рактеристик прибора. К тому же, запись изображения осуществлялась по двум спектральным диапазонам на широкоформатную (180 мм) фотопленку, что за трудняло оперативную обработку изображений и принятие оперативных реше ний в случае экологических катастроф. Существовавшие в то время машины для оперативной проявки фотопленки на борту носителя были чрезвычайно громоздки и широкого распространения не получили.

С учетом всех этих обстоятельств. Федеральная служба лесного хозяй ства России, в компетенцию которой, в частности, входила защита лесов от по жаров, картирование пострадавших от пожаров лесов, а также контроль забо леваний лесов, предложила автору с группой сотрудников разработать принци пиально новый многоспектральный тепловизор с характеристиками, не усту пающими мировым стандартам. Так, например, хорошо известный на Западе французский многоспектральный тепловизор "Матра" при угле обзора 80° имел порядка 900 элементов разложения по строке, а "Вулкан" - 480. Немаловажным обстоятельством является и то, что в условиях сложившегося ограниченного финансирования, аренда больших воздушных носителей, на которых традици онного базировался тепловизор "Вулкан", стала затруднительной, а установка габаритного тепловизора с массой 0МБ 60 кг и громоздской стойки оператора массой 80 кг зачастую невозможна на самолетах типа АН-2 и вертолетах Ми-4, аренда которых в несколько раз меньше.

Поэтому исходными требованиями к вновь разрабатываемой аппаратуре было резкое снижение габаритов 0МБ, увеличение количества элементов раз ложения по строке с увеличением энергетической чувствительности и переходу к опера тивной регистрации информации с возможностью последующей обработки.

К моменту начала разработки. Федеральная служба лесного хозяйства в лице своего представителя в г. Ленинграде - институт Лесного хозяйства (Лен НИИЛХ) не имела четкой концепции о количестве спектральных диапазонов, которые должны быть реализованы в предложенной базовой схеме многоспек трального тепловизора и, с учетом недостаточного финансирования, выбрала I • Рис. Схема 0МБ тепловизора «Терма-2»

1. Стекло защитное 2. Призма сканирующая 3. Призма — делитель 4. Объектив 5. Линейки фотоприёмников 6. Линза спектральных диапазона: 1,..1,3 мкм, 3...5 мкм, 8.,.13,5, упростив базовую мо дель до трехспектральной, 1.5.1. Проведение энергетических расчетов и выбор основных оптических характеристик тепловизора "Терма-2" Общеизвестно, что к основным параметрам тепловизора относятся спо собность регистрировать малые перепады температур в плоскости предметов (энергетическое разрешение), а также регистрировать мелкие геометрические объекты в плоскости предметов ( геометрическое разрешение). Эти два пара метра тесно связаны между собой и в конечном итоге определяют требования к конструкции прибора: массогабаритные характеристики, энергопотребление и т.д.

При выборе или расчете основных параметров тепловизора обычно ис ходят из назначения прибора в условиях эксплуатации. Так, если тепловизор используется для экологического мониторинга, то одним из важных параметров является угол обзора поверхности Земли с максимальной детализацией как в части энергетического, так и геометрического разрешения.

Как было показано выше, существующие к началу разработки тепловизо ры для аналогичной цели морально устарели и не могли решать поставленные задачи в полном объеме.

Поэтому была поставлена задача повышения информативности теплови зора при резком уменьшении массогабаритных характеристик оптико механического блока.

Для решения этой задачи зададим первоначальные требования:

угол обзора Y =90°, а количество элементов разложения по строке - 1024. По роговое значение энергетического разрешения не должно превышать 0,15 К (по сложившейся мировой практике) в диапазонах 3...5 мкм и 8...13,5 мкм, а ско рость вращения сканера выберем 1500 об/мин.

Мгновенный угол обзора определяется как:

Т 90° _ б= =5,3угл.мин. = 1,6-Ю'^рад, п 102 " где п - число элементов разложения по строке.

С другой стороны:

, где а пр - линейный размер площадки приемника, f - задний фокусный отрезок объектива.

В соответствии с поставленной задачей, резко уменьшим а пр по сравне нию с тепловизором "Вулкан" (от 150 до 50 мкм). Тогда 0, а f'= = -10^=31, 5 1, Сложившаяся практика оптических расчетов показывает, что наиболее технологическим вариантом при серийном изготовлении оптики, является отно сительное отверстие 1:1,3. Тогда диаметр входного зрачка определяется как:

d = _ l l = ^1. = 24 MM 1.3 1, В качестве примера рассмотрим энергетический расчет для двух спек тральных диапазонов 3...5 мкм и 8..,13,5 мкм.

Расчет минимально регистрируемой разности температур А Тпор прове дем по методике, предложенной М.М. Мирошниковым [30] Д Rxmax 5с-6к Топт Татм бф Сг-Д^вх (А 1п X) эф, ГДе Af-эквивалентная шумовая полоса пропускания, гц Л Д*- удельная обнаружительная способность приемника на чистоте модуляции fo, ^ ВГ^см гц^' Ф =1,3 ( ) - максимальное значение спектральной плотности 5с, 5к - мгновенный угол по строке и по кадру - пропускание оптической системы - пропускание атмосферы ф - температурный коэффициент излучения фона Сг - постоянная, С2= 1,44 • 10 ^ мк • К Д^вх - диаметр входного зрачка объектива А In Я. э - относительная или логарифмическая спектральная полоса пропуска ф ния приемника излучения А In Я, эф = /х ф X К Татм d In А,, где.

Ф я, - относительная спектральная плотность потока юмерения,, К х- относительная спектральная чувствительность приемника излучения.

Расчет А Тпор для спектрального канала 8...13,5 мкм (приемника на основе КРТ) Определение А In X ЭФ 8...13,5 проведем методом графического интегрирова ния.

Расчеты сведем в табл. Таблица № КхФ.-Ю-^ X 1/МО'^ Кх Фх-10-^. 1,25 9,1394 0.34 3,, 1,22 9.3490 0,37 4., 1,19 9,5269 0,41 4,, 1.16 9,6745 0.46 5,, 1,13 9,7928 0,50 5,, 1,11 9,8824 0,56 6., 1.09 9,9450 0,59 6., 1,06 9,9826 0,63 6., 1.04 9,9979 0.70 7., 1,02 9,9924 0,75 7, 10,0 1.00 9,9682 0,80 7, 10,2 0.98 9,9242 0,87 8, 10,4 0.96 9,8648 0,91 8. 10,6 0,94 9,7915 0,94 8, 10,8 0.93 9,7051 0,98 8. 11,0 0,91 9,6080. 8, 11,2 0.89 9,4992 0.99 8, 11,4 0,88 9,3819 0,97 8, 11,6 0,86 9,2568 0.88 7, 11,8 0,85 9,1252 0,83 6, 12,0 0,83 9,9880 0,69 5, 12,2 0,82 8.8526 0,55 3, 12,4 0,81 8,7318 0,35 2, 12.6 0,79 8,5824 0,23 1, 12,8 0,78 8.4212 0.17 1, 13,0 0,77 8,2614 0.12 0, 13,2 0,76 8,1392 0.08 0. 13,4 7,9614 0.06 0, 0, Е= 154, Умножая на шаг интегрирования 0,2. получаем • Д In X эф = 30.1 • Определим эквивалентную полосу пропускания Д ^б.ш fo Д fш = foln + (fe - fa.tu) (4) Ahm= 10000 гц fo= 1000 ГЦ fH =, где РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ 41 БИБЛИОТЕКА т| - коэффициент спада фронта импульса;

ц =0, = 5 • 10'^ с - время одной строки с учетом КПД сканирования 0.016,.10^ = 3,2 ГЦ Кфс.где К фс - коэффициент формы сигнала по переднему фронту, К фс = 0, in - время о/^ного элемента 1024 0, и= 10^=153-10^гц 4, 10000 Д fu = 1000 In + (153000-10000)= 22350 гц 3.2 Теперь мы располагаем всеми исходными данными для вычисления р в канале 8..,13,5 мкм по формуле ( 3 ) 4-0,005 V 22350 • 9 • 10 ^-Ю-^". 10 ^-10 ^-10-^-10 ДТпор = = 0, 2-3,16 2,56-0,6. 1,44-31,1 -5, Для уменьшения массогабаритных характеристик 0МБ пойдем следующим пу тем. Используем входной зрачок объектива, для которого рассчитывалась ве личина АТпор, одновременно для двух спектральных диапазонов, причем поло вина зрачка будет коррегирована под диапазон 8...13,5, а вторая половина зрачка будет коррегирована под диапазон 3...5,0 мкм [№ патента].

Новое значение входного зрачка для каждого Д'вх определим из условия S' - площадь нового зрачка, S - площадь исходного зрачка д2 3,14-2,4^ S= S' = — ^ ' ^ ^ ' ^ - 2, = 2,26 см^ Д^'вх = - ^ - ^ = 2 3. п При этом изменится и значение А Тпор, где в знаменателе будет не 5,76, а 2,88 см^, т.е. А Т'пор = 0,2 К, но следующим шагом мы введем последователь ное сканирование 10 элементной линейкой с реализацией накопления [56] п элементов.

AT 0. В этом случае А Тпор=., =, Vn VTo^ Окончательно А Тпор = 0, Расчет А Тпор для спектрального канала 3...5 мкм Как и в предыдущем случае А In Хэф з...5,5 м м определим методом графического к интегрирования.

Таблица № КхФх -10- МХЛО'^ ФгЮ"^ Кх X 3,33 0, 3,0 0,0574 8,4.10-^ 3,2 0, 3,12 0,1127 1,58-10-^ 2, 3,4 0,46 0,2040 2,76-10-^ 3,6 2,78 0, 0,49 4,54-10-^ 0, 3,8 2,63 0,5091 7,63-10-^ 4,0 2,50 0, 0,67 1, 4,2 0,76 1,0215 1, 2, 0, 4,4 2,27 1,3591 2, 4,6 2,17 0,87 1,7449 3, 4,8 0,92 2,1735 4, 2, 5,0 2,00 0,97 2,6384 5, 5,2 1,92 1,00 3,1349 6, 4, 5,4 1,85 0,70 3, 5,6 1,79 0,20 4,1762 1, - 2 = 32,22- С учетом шага интегрирования 0,2 мкм:

1пЯ.эф3...5,5= 6,4-10'^ Определение эквивалентной полосы пропускания.

Afmfoln (fefa.m) In 'б.ш Для приемников на основе In Sb fo= f6iii= 400UW Остальные характеристики аналогичны ранее рассчитанным:

f„=3,2гц;

fв=153-10^ fu:= 400 In + 153000-400 « 154500 гц 3, A Тпор- ДЛЯ канала 3„.5,5 мкм будем определять при Д * = 1,3 • 10*^^ вт'^см гц^'^ и новом значении диаметра входного зрачка 1,7 см,_ 4- 0.005Vi54500-9-10-10-10.10- А Тпорз.,.5,5 = = 0,42 К 1,3 3,16 2,56 0,6-1,44 2,88-6, Как и в предыдущем случае, последовательное сканирование 10 элементной линейкой приемников на основе In Sb повысит чувствительность в V 10 раз и окончательно:

АТпор3...5,5=0,13К Существенное отличие АТпор 8...13.5 и АТпор з...5,5 совершенно очевидно, т.к. расче ты проводились для температуры фона, равной 300 К, при которой наиболее информативна дальняя область ИК-спектра.

1.5.2. Технические характеристики тепловизора "Терма-2".

Разработанные и изготовленные два многоспектральных тепловизора "Терма-2" обладали следующими техническими характеристиками:

- поле обзора, угл. град. - число элементов разложения по строке - количество реализованных основных спектральных диапазонов - приемник излучения:

в диапазоне 8...13,5 мкм - заливной жидким азотом фоторезистор на основе тройных соединений CdHgTe (KPT), обнаружительная способность Д\гп = 2-10^° ВГ^ см гц^'^, в диапазоне 3...5 мкм - заливной жидким азотом фотодиод на основе сурьмянистого индия In Sb с обнаружительной способностью Д \ т = 1 -Ю" ВТ'^ см гц^'^ в диапазоне 0,9...1,4 мкм - неохлаждаемый фотодиод на основе Ge с пороговой характеристикой 6 • 10"^^ лм.

- топология приемников: линейки из 10 элементов с размером одного элемента 0,05 мм и шагом 0,1 мм.

В первом образце тепловизора "Терма-2" аналоговые сигналы от прием ников ИК - излучения обрабатывались в блоке цифровой обработки (БЦО) и в телевизионном стандарте выводились на монитор и на три видеомагнитофона.

Была предусмотрена возможность одновременного наблюдения двух спектров на экране монитора, а БЦО был выполнен на микросхемах малой и средней степени интеграции.

По техническому заданию автора на базе ОАО "НИИРС"" холдинговой компании "Ленинец" во втором образце тепловизора "Терма-2" БЦО был реали зован на микросхемах высокой степени интеграции на базе TMS 320С80 с ис пользованием РС-104 и контроллеров к ним. Вместо записи каждого спектраль ного канала на свой видеомагнитофон была осуществлена запись на жесткий диск (винчестер) всех 1024 элементов каждого канала по строке с выводом на монитор тех же 1024 элементов в реальном масштабе времени и псевдоцветах ( если необходимо). Последующий анализ изображений благодаря программе обработки позволял быстро отыскать необходимые объекты на изображении земной поверхности, а спутниковая навигационная система GPS обеспечивала привязку изображений к системе координат с точностью не менее Юм.

W В тепловизоре реализовано максимальное быстродействие — = 0.15, где W - скорость полета (м/с) Н Н - высота полета (м) Так. при скорости полета вертолета 80 км/час минимальная высота по лета составит 150м, а элемент геометрического разрешения на местности бу дет 0,23 м.

0МБ тепловизора массой 20 кг легко устанавливается внутри салона воздушного носителя и производит наблюдение через штатный люк. Рабочее место оператора с монитором, клавиатурой, винчестерами и блоком питания легко размещается внутри салона любого воздушного носителя. Более под робного об обработке изображений будет изложено в 2.3.1.

Если перечислить возможности самолетного сканирующего тепловизора "Терма-2", то это прежде всего разведка и экологический контроль тепловых карт геологических строений и полей активности вулканов, поиск и регистрация тепловых источников включая термальные воды, мест подземных утечек в энергосистемах, тепломагистралях и дренагиных устройствах, обнаружение очагов зарождающихся лесных пожаров и картирование сквозь пелену дыма, регистрация границ пожаров горючих ископаемых по скрытым очагам в штабе лях угля, сланцев, в штатных отвалах, картирование и определение динамики распространение подземного горения торфяников. Кроме того, тепловизор "Терма-2" позволяет решать задачи контроля окружающей среды путем наблю дения и излучения морских течений, обусловленных стоком в моря и реки отхо дов промышленных предприятий, обнаружения заболеваний лесной и сельско хозяйственной растительности, а также проверки тепловой маскировки объек тов военной техники.

По одной иностранной публикации, тепловизором с энергетической чув ствительностью значительно уступающей тепловизору "Терма-2" (ДТ=0,5К) с самолета были обнаружены посадки конопли на фоне сельскохозяйственных культур.

Ниже будет приведен пример использования тепловизора "Терма-2" в народном хозяйстве для экологического контроля.

Выводы по первой главе 1. Проведенный анализ яркостных контрастов природных образований пока зал, что при использовании тепловизоров для экологического мониторинга и ликвидации экологических катастроф достаточно регистрировать изо бражения в пяти основных спектральных диапазонах:

0,3...0,38 мкм;

0,45...0,76 мкм;

0,9...1,4 мкм;

3...5 мкм;

8...13,5 мкм.

2. Разработанная оригинальная схема оптико-механического сканирующего устройства позволяет одновременно зарегистрировать все выбранные спектральные диапазоны синхронно и синфазно.

3. Разработанная оригинальная схема оптико-механического сканирования по зволила уменьшить массу оптико-механического блока в несколько раз по сравнению с серийным тепловизором "Вулкан" и довести ее в тепловизоре "Терма-2" до 20 кг.

Глава Применение многоспектрального тепловизора "Терма-2" для контроля нефте-продуктопроводов с воздушных носителей с целью предотвраще ния экологических катастроф.

По имеющейся информации [47], на начало 2000-х годов в России функ ционировало более 200 тыс. км подземных трубопроводов, значительная часть которых была представлена подземными нефтепроводами.и продуктопровода ми.

Отличаясь между собой по ведомственной принадлежности (ОАО "АК "Транснефть" и ОАО "АК "Транснефтепродукт"), видом перекачиваемого про дукта (нефть и продукты переработки - дизельное топливо или бензин), а также диаметрами трубопроводов (до 800 мм для нефти и до 500 мм для продуктов переработки нефти), эти трубопроводы представляют собой огромную опас ность для экологии в случае их повреждения.

Наиболее эффективным способом дистанционного контроля за состоя нием подземных коммуникаций является тепловизионный способ контроля с воздушных носителей, т.к. тепловизоры, в отличии от остальных приборов на блюдения, позволяют получать изображение по качеству, не уступающему те левизионному, но обладающему значительно большей информативностью как за счет регистрации собственного излучения исследуемых объектов, так и за счет получения изображения объектов в нескольких спектральных диапазонах.

Несмотря на то, что раньше основным назначением тепловизоров явля лось решение задач в интересах вооруженных сил, начиная с 80-х годов появи лись первые данные о воздушной тепловизионной диагностике магистральных трубопроводов на предмет подземной утечки нефти и нефтепродуктов, что хоть и является актуальной задачей, но зачастую до сих пор представляется как прорыв новых технологий.

На самом деле есть абсолютно неисследованные ситуации, связанные с несанкционированными врезками в трубопроводы, которые могут вызывать экологические катастрофы.

Рассмотрим последовательно эти два вида тепловизионной диагностики магистральных трубопроводов.

2.1. Дистанционный тепловизионный контроль магистральных трубопроводов на предмет подземных утечек нефтепродуктов.

Исправная работа линейной части действующих продуктопроводов ха рактеризуется одним из важнейших параметром их эксплуатационной надежно сти - герметичностью, нарушение которой приводит к появлению свищей, тре щин, разрывов, пробоев. При этом свищи и трещины обычно вызывают лишь незначительные утечки нефтепродуктов, не влияющие на гидродинамический режим их перекачки, и, следовательно, они не всегда могут быть обнаружены параметрическими системами непрерывного контроля. Несмотря на это, коли чество продукта, влияющего на экологию окружающей среды, может быть дос таточно большим. Применительно к нефти[ ], при диаметре свища 0,8 мм и давлении в нефтепроводе 20 атм. масса нефти, вышедшей из такого отверстия за время, необходимое для проникновения ее до поверхности земли (около 2-х месяцев), составит 100...110 т.

Возможность контроля с использованием тепловизора, размещенным на воздушном носителе, обусловлена тем, что при возникающем при подземной утечке переходе жидкой фазы находящегося под давлением нефтепродукта в газовую фазу, понижается температура почвы, в которую происходит выброс (эффект Джоуля - Томпсона).

Визуально такие утечки на ранних стадиях (до появления продукта на поверхности земли) не обнаруживаются, хотя температурный перепад над ме стом утечки может составлять несколько градусов, что легко обнаруживается и распознается тепловизором, имеющим температурную чувствительность 0,1°С.

Предпочтительность дистанционного тепловизионного контроля подзем ных утечек нефтепроводов подтверждают расчеты экономической эффективно сти при сравнении визуального контроля (наблюдение с вертолета) и теплови зионного контроля с такого же вертолета. Так, [ 47] разность полных средних ожидаемых затрат при использовании визуального и тепловизионного метода при контроле одного и того же участка трубопровода длиной 1 тыс. км в течение 10 лет составляет приблизительно 10 млн. долл. США в пользу тепловизионно го контроля. Следует отметить, что в России все работы по дистанционному контролю магистральных трубопроводов проводились с использованием мо рально устаревших тепловизоров, работавших только в одном спектральном диапазоне: либо в среднем ИК (3...5 мкм), либо в дальнем ИК (8... 13,5 мкм).

2.2. Дистанционный тепловизионный контроль магистральных трубопроводов на предмет несанкционированных врезок.

Несмотря на то, что дистанционному контролю за утечками нефти и неф тепроводов из подземных магистралей уделяется большое внимание во всем мире, появились неисследованные ситуации, которые могут вызывать экологи ческие катастрофы при эксплуатации трубопроводов. Дело в том, что в послед ние годы участились несанкционированные врезки в магистральные трубопро воды с целью хищения нефти и продуктов ее переработки. Если хищение неф ти из подземных нефтепроводов наиболее распространено на Северном Кавка зе, то несанкционированными врезками в магистральные продуктопроводы ох вачена вся Россия и страны ближнего зарубежья.

Так, за 8 месяцев 2002г. в России обнаружено 190 несанкционированных врезок, на Украине - 98, в Белоруссии -15. В России "лидирует" Орловская обл.

- 30 врезок. Московская обл. - 23 врезки. Челябинская обл. -16 врезок. [48] При этом следует отметить, что указанное количество врезок не может быть окончательным, т.к. с большой вероятностью можно предположить суще ствование тщательно замаскированных и законсервированных врезок, которые по существующей на сегодняшний день методике могут быть обнаружены толь ко во время откачки продукта по изменению давления в продуктопроводе с точ ностью 1,5...2 км подлине продуктопровода. После этого врезка обнаруживает ся по принципу "кто как умеет". Так, на Северном Кавказе две идущие навстре чу друг другу бригады последовательно прокалывают почву над трубой метал лическими прутами с целью найти место с рыхлым грунтом, в других местах вдоль магистрали прорезают почву плугом с целью обнаружения отводящих шлангов и т.д. Все это в наше время достаточно архаично и не оперативно, причем речь идет не о том количестве нефтепродуктов, которое может быть похищено за время поиска врезки, а о тех экологических последствиях, которые могут произойти в результате разрушения самодельной врезки, и соответст вующих штрафных санкциях.

По сути своей замаскированные врезка и раскоп с отводящим шлангом являются антропогенным (ручным) нарушением почвенного слоя, причем сама врезка находится в зоне тепловой проекции подземного трубопровода на по верхности земли [47].

Графически распределение температуры на поверхности земли можно представить как показано на рис. АТ(х) X 2г, из Рис. а математически определяется формулой Форхгеимера для трубопровода не ограниченной длины с теплоизоляционным покрытием, находящимся в одно родном неограниченном массиве с плоской поверхностью.

При этом трубопровод создает температурное поле Т (X, Y), определяе мое при условии стационарного теплообмена как:

+ (У* + Cf T(X,Y)-To 0 (X,Y, h•r, S) Гиз 2[ln( h*+C -To TH Г Гиз где i Y* = Y + ;

h ;

С= ;

г = г+ S + a. a Тн - температура стенок трубопровода, равная температуре продукта, в град.

Кельвина (К) То - температура грунта на глубине залегания, К h - расстояние от поверхности грунта до оси трубопровода, м г - наружный радиус трубопровода без изоляции, м S - толщина слоя теплоизоляции, м Хгр - теплопроводность грунта, ВТ/м, • К Х З - теплопроводность слоя теплоизоляции, ВТ/м, • К.

И а - коэффициент теплоотдачи с поверхности грунта, ВТ/м^, • К Среднее значение разности радиационных температур поля и фона равно:

л -г г ^ f * -г2 / ч ^ l1/ А TR = L J А Т (х) dx J Гиз о После интегрирования получаем:

е (Тн -То) • С 7Т Хиз • Г Я-тр '^из (X Например, для продуктопровода диаметром 0,5м, изолированного битумной лентой толщиной 2 мм, имеющего разность Тн То = ЗК и расположенного на глу бине 1,5 м, для типового значения а = 15 вт/м^ • К получаем А TR = 0,3 К, что вполне достаточно для получения изображения тепловой проекции трубопро вода специализированным тепловизором с энергетической чувствительностью 0,1 К.

2.3. 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.

2.3.1. Обработка тепловизионных изображений, получаемых многоспектральным тепловизором "Терма-2".

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).

Программа rw_show.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.

Реализация Программа написана на языке С+ и откомпилирована в среде Watcom С/С+10.0а, на платформе D0S/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 atsetexe.

Рекомендации по применению Максимальная продолжительность работы программы rw_show.exe зависит от емкости винчестера и может быть определена по следующей оценочной формуле:

Г = С/ где 7— время работы в часах, 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/HHOM = 0.15 и величина фактического соотношения W/Нфакт, Кроме этого, программа фиксирует ситуацию, когда величина W/Hфala 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 Назначение 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.

Основные режимы использования 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 количества одновременно просматриваемых каналов. Каждый пиксел кодируется целым числом в диапазоне 0..255, что соответствует определенной яркости данной точки в шкале серого цвета, где О - черный цвет, 255 — белый цвет.

Одной из проблем, возникающих при совместной обработке мно гоканальных изображений, является обеспечение максимальной точности совмещения (синхронизации) двух изображений из обрабатываемых каналов. В программе TermaVlew 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 рамках экологического мониторинга, однако существуют общие принципы, позволяющие получать аналитические выражения с точностью до коэффициентов.

В программе Тегта 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.

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:

ai-Bi Ki=. (5) где ai..., aj,.,, an - ряд спектральных сигналов, созданных изображением объекта "а" в N каналах;

BI BJ Вп - ряд спектральных сигналов, созданных изображением объекта "в" в N каналах.

Анализ, проведенный в [32], представляет для наших целей значительный интерес. Показано, что преобразованные сигналы могут быть представлены в виде последовательностей.где ai ai N- И а12 аз t i=N ( Па Bl В В| BN N= i=N Bl В2В В nBi nBi и контраст между преобразованными сигналами изображений двух объектов "а" и в" в величинах Q^^'n и Q^°'n определится как:

Bq aq' N N n ai Bq' N N n ai Для частного случая, когда количество каналов N=, повышенный контраст преобразованного и В изображения будет ai вь К= :;

:——, если i,где 1+ К I К'2 Bi ai и В, или в раскрытом виде:

(6) К= У выражения (6) есть очень важное ограничение: увеличение контраста происходит тогда, когда объекты, между которыми повышается контраст, имеет пересекающиеся участки кривых коэффициентов спектральной яркости, т.е.

формула эффективна при работе с узкими спектральными зонами шириной порядка 0,05 мкм, расположенными рядом.

Более широкие возможности в рамках первого случая представляет обработка значительно разнесенных по спектральному диапазону изображений [28]. При этом изображение объекта нормализуется по отношению к фону за счет вычитания среднего значения фона из изображения объекта и деления этого результата на стандартное отклонение фона. Математически это можно представить как центрирование в каждом канале величины (случай двух каналов) • ai,2 = ai,2-mBi,2, где Шв 1,2- математическое ожидание отклонения фона, с последующей нормализацией:

а А=—-,где Св - среднеквадратическое отклонение фона.

После этого из одного нормализованного изображения (как правило, с большой длиной волны) вычитается изображение с меньшей длиной волны.

Другой подход реализован в программе Terma View для обработки изображений, полученных в средневолновом диапазоне (СВД) и длинноволновом диапазоне (ДВД) [28].

При этом используется свойство радиационного закона Планка, применимое к спектральной плотности излучения объекта с температурой Т, вблизи значения То (обычно 288К). При температурах объектов, лежащих в пределах Т... То, спектральная плотность излучения пропорциональна спектральному коэффициенту излучения, т.е.

Режим температурной карты Для образования температурной карты вычисляется отношение изображений СВД к ДВД в следующем виде:

СВД ез.,.5 Т, = ( ) (7) ДВД Е8,..13.5 То Температурная карта усиливает разности температур для различных материалов поверхности. Карта нечувствительна к изменениям коэффициента "е" для поверхностей, имеющих близкие значения в СВД и ДВД Карта относительного излучения при этом используется отношение изображений, когда исключается влияние температур поверхностей или объектов:

(ДВД)' е8..,,з.з =е = (8) (СВД) Е3... Карта относительного излучения усиливает разности относительных излучений между объектами и фоном, отображая только различия в коэффициентах спектрального излучения независимо от температур поверхностей.

Обычно на практике приходится перебирать разные формулы (в том числе и отличающиеся от приведенных) и искать оптимальные значения коэффициентов для достижения максимального эффекта, под которым подразумевается контрастность и дешифрируемость интересующих нас объектов.

Для обеспечения удобства такого поиска в программе Terma View предусмотрены:

- выбор с помощью меню одной из композиционных формул;

управление изменением коэффициентов посредством графического управляющего элемента типа "счетчик" ("Spin Button").

Образцы результата совместной обработки разноспектральных изображений показаны на рис. 11. На левом рисунке показано тепловое изображение нефтебазы (ЛА, - 8.. 13,5 мкм). На этом изображении теплые объекты выглядят светлыми, а холодные - темными. Средний рисунок (ДА. - 1..1, мкм) не несет информации о температуре объектов. Поэтому подземные холодные и горячие трубопроводы на нем не видны, а наземные объекты отличаются (выявляются) за счет разницы в коэффициентах спектрального отражения в указанном спектральном диапазоне. Правый рисунок - результат совместной обработки - позволяет получить полную информацию о наземных и подземных объектах.

Началосеанс* Файл Гилпапфры Ыяравлаш С|*1Ч)0)*мтя Поиси ФоонулаоДмОткм Коми салю* Слраака йта 0^05-20(М Bc*^м l Г(4 V « l ) ^ (Ыпо1(Ь»*Д)) Шкюгл Долгот!

! Д П у « ( QSJ.?2.3iljl SL??.3.di?-Проем..

Рис.11 Изображения, полученные тепловизором "Терма-2", установленном на вертолете МИ-8Т, с высоты 300 м, во второй половине дня в условиях дымки.

Использование навигационной информации — новая функция второй версии программы TermaView С целью расширения функциональных возможностей в новой версии программы TermaView добавлена возможность вычисления и вывода на экран информации о географическом местоположении (широта и долгота) любой точки наблюдаемого изображения. Указанные вычисления оказались возможными благодаря сохранению в файле не только видеоинформации, но и навигационной информации, получаемой от спутника приемником GPS.

Для того, чтобы получить такую информацию, пользователь должен навести курсор мыши на интересующую его точку и щелкнуть правой кнопкой мыши. В ответ программа выводит диалоговое окно с указанием широты и долготы указанной точки изображения.


Примечание: Эта функция работает только в режиме «шаг».

Реализация Программа TermaView написана на языке C++ (компилятор Visual C++ 6.0) с использованием библиотеки MFC. Программа выполняется под управлением операционной системы Microsoft Windows 98/2000 или выше.

Рекомендации по применению Подготовка к работе Программа требует для своей работы палитру экрана "True Со1ог(24 бита)" или "True Со1ог(32 бита)", поэтому перед ее запуском необходимо установить соответствующий режим. Установка осуществляется через папку «Панель управления», пиктограмму «Экран», страницу «Настройка».

Работа Запустите на выполнение файл TermaVlew.exe. Откроется основное окно программы со строкой меню и панелью инструментов.

По умолчанию программа работает с режимом "True Со1ог(24 бита)". Если же на компьютере установлен режим "True Со1ог(32 бита)", то откройте меню «Тип палитры» и щелкните на команде "True Со1ог(32 разряда)".

Откройте меню «Начало сеанса». Выберите один из трех режимов в зависимости от того, сколько каналов одновременно вы хотите просматривать.

Откройте меню «Файл». Последовательно откройте файлы, соот ветствующие 1-му, 2-му и 3-му каналам (количество каналов зависит от выбора в п.4.4). Выбор каждого канала вызывает появление диалоговой панели "Open", в которой нужно выделить требуемое имя файла и щелкнуть на кнопке «Открыть».

После этого появляются изображения начальной части открытых файлов.

Внимание! Если изображения файлов не появляются, то проверьте правильность установки типа палитры.

Если число просматриваемых каналов более 1, то перед дальнейшим просмотром необходимо осуществить синхронизацию загруженных файлов. Для этого откройте меню «Синхронизация» и щелкните на команде «С точностью до 1 сек.». После выполнения синхронизации отображаемые кадры будут иметь одно и то же время для всех каналов (время выводится в Окне отображения спутниковой информации).

Дальнейший просмотр возможен либо в режиме «Шаг», либо в режиме «Прокрутка».

Кнопки задают перемещение на строк (пикселов) в соответствующем направлении, Кнопки задают перемещение на 1 кадр вперед или назад.

Примечание: Количество строк в кадре зависит от установленного разрешения экрана.

Имеются также кнопки для перемещения на 10 кадров вперед и на 100 кадров вперед, и кнопка для возврата на начало файла.

Внимание! В режиме «Прокрутка» переход от одного подрежима к другому («Вверх с шагом 20 строк », «Вверх с шагом 1 кадр »,...), а также выход из программы — должны осуществляться только с предварительной остановкой движения изображения кнопкой «Стоп»!

Для режима «Обработка» предусмотрены три кнопки повышения контрастности изображения по каждому каналу. Повторное нажатие кнопки возвращает прежний (номинальный) контраст.

Меню «Управление» позволяет вводить локальное управление по каждому каналу (только в режиме «Шаг»).

В окне отображения информации от спутниковой навигационной системы выводятся широта и долгота, относящиеся к центру кадра данного канала.

В режиме «Шаг» возможно определение широты и долготы для любой точки изображения текущего кадра. Это осуществляется наведением перекрестия (курсора) на нужную точку и последующим щелчком правой кнопкой мыши.

Примечание: В случае отсутствия полной спутниковой информации (например, нет информации по высоте "Н") данный режим не работает.

Окончание просмотра загруженных файлов осуществляется выбором меню «Конец сеанса». После этого можно либо инициировать новый сеанс (меню «Начало сеанса»), либо завершить работу с программой.

Вывод изображения на печать Вывод изображения на печать осуществляется через Буфер Обмена Windows следующим образом:

• Скопируйте содержимое экрана с интересующей Вас информацией в Буфер Обмена — нажатием клавиши Print Screen.

• Откройте редактор Paint (или другой графический редактор) и за грузите в новый файл формата BMP содержимое Буфера Обмена.

• Воспользуйтесь средствами вывода на печать графического редактора.

2.3.2. Измерение температурных контрастов в зоне залегания магистральных трубопроводов.

Уже на ранних стадиях применения тепловизионной аэросъемки для изучения геологического строения Земли было установлено [49], что резкая изменчивость температурного поля подстилающей поверхности во времени предопределяет необходимость исследования ее динамики, которая характеризуется тепловой инерцией объектов земной поверхности.

Тепловая инерция р = /~рЯ,с, где р,с,Я, - плотность, удельная теплоемкость и коэффициент теплопроводности слоя грунта, участвующем в теплообмене - теплофизическая характеристика, определяющая скорость восприятия и отдачи тепла.

В результате проведенного анализа [55] был сделан вывод, что при формировании суточных температурных контрастов объею"ов с различной тепловой инерцией наблюдаются две температурные инверсии, когда рассматриваемые температурные контрасты меняют знак. Из этого можно сделать однозначный вывод об отсутствии температурных контрастов в определенное время суток.

Наиболее детально этот вопрос был изучен [28] американскими исследователями при определении температурных контрастов почвенного слоя в местах установки закопанных металлических и пластиковых мин, а также их муляжей. Так, в частности, оказалось, что температура песка над закопанной миной ниже, чем температура песка в стороне от мины, на - 2,5 ± 0,5°С, причем существуют точки инверсии в утренние и вечерние часы, когда температурный контраст отсутствовал. Дополнительно установлено, что температурные контрасты в местах минных установок существенно зависят от типа почвы - песок, суглинок и т.д.

Проводя аналогию между вышеизложенным и проблемой врезок в магистральные трубопроводы можно отметить, что выявление динамики температурных контрастов в местах антропогенных нарушений почвы является неоднозначной задачей. Действительно, с одной стороны, представляет интерес выявление времени суток, когда температурных контраст почвы над закопанным трубопроводом и почвой в стороне является максимальным. Это необходимо для уверенного наблюдения тепловой проекции (следа) трубопровода с воздушного носителя.

С другой стороны, необходимо определить время суток, когда температурный контраст между замаскированной врезкой (антропогенным нарушением почвы) и почвой над трубопроводом, а также почвы в стороне от него является максимальным.

Общая схема проведенных изменений температур почвы была такова:

- измерение температуры почвы строго над трубопроводом;

- измерение температуры почвы в месте замаскированной врезки в трубопровод;

- измерение температуры почвы в 6 м от трубопровода.

Для получения статистических данных все термометры были заглублены на 60...80 мм в почву и находились в ней постоянно во все время измерений.

Целью первоначальных измерений было измерение температурных контрастов между температурной почвы над трубопроводом и температурой почвы в стороне от трубопровода. Измерения проводились для определения наиболее эффективного времени полетов над магистральными нефтепроводами вертолета МИ-8 с тепловизором 'Терма-2" в г. Тихорецке (Северный Кавказ) и г.

Сургуте в период 2000...2001 г.г.

На рис. (11...14) показаны наиболее характерные распределения температур, полученные в июне 2000 г. в г. Тихорецке на магистральном нефтепроводе ОАО "Черномортранснефть". Использовались почвенные ртутные термометры с точностью измерения 0,1°С, установленные в почвенном слое, состоящем из суглинка гамуссированного. На рисунках отчетливо наблюдаются точки инверсии, как совпадающие по времени в разные дни (8 час 40 м утра), так и не совпадающие. Наличие инверсии в 17 час, 18 час 20 мин. (рис.11,13) можно предположительно объяснить тем, что измерения производились в солнечную погоду, тогда как измерения (рис. 12,14) производились в пасмурную погоду.

Измерения температурных контрастов, проведенные в июле 2001 г. в г.

Сургуте на магистральном нефтепроводе ОАО "Сугрутнефтегаз", были проведены с учетом того, что существует разница в значениях температурных контрастов и точек инверсии в солнечную и пасмурную погоду. С учетом этого обстоятельства измерения температур производились одновременно как на солнечной стороне магистрального нефтепровода, так и на теневой стороне (затененной деревьями).

Измерения производились в дневное время с 9 до 19 час, что объяснялось режимом полетов вертолета с тепловизором, причем состав почвы, где были установлены почвенные температуры, был песчаный.

На рис. 15,16 показано распределение исследуемых температур на солнечной стороне нефтепровода. Наблюдаются точки инверсных переходов, не совпадающие по времени в разные дни измерений друг с другом.

На рис. 17,18 показано распределение исследуемых температур на затененном участке. В этом случае, как видно из графиков, точки инверсии отсутствуют.

Таким образом было получено экспериментальное подтверждение наличия температурного контраста между тепловой проекцией подземного трубопровода с окружающей почвой практически в любое время суток.

Наиболее полные измерения температурных контрастов, дополненные измерением температуры почвы в зоне несанкционированной врезки в трубопровод, были проведены в рамках выполнения работ с ОАО "Рязаньтранснефтепродукт".

Предметом исследования была трасса магистрального продуктопровода "Рязань-Москва" протяженностью 171 км. Как было отмечено выше, исследуемые температурные контрасты существенно зависят от вида почвы, в которой залегает магистральный продуктопровод. Было проведено исследование грунтов (таблица № 4), которое показало, что суглинистые почвы составляют 88,7% (148700 м) от всей длины трассы и являются преобладающими.

В этой связи был выбран участок трассы, расположенный на суглинистой почве с травянистым покрытием, где и был подготовлен полигон для измерения температурных контрастов и последующих полетов над ним (рис. 19).


Раскоп над продуктопроводом был произведен до глубины залегания продуктопровода с размещением на поверхности продуктопровода имитаторов привариваемых при реальных врезках штуцера, шарового крана, переходного штуцера и шланга высокого давления. Затем раскоп был засыпан и замаскирован снятым дерном, так же как и отвод от раскопа. В районе раскопа было установлено 3 термоконтактных электрических датчика с точностью измерения температур 0,1°С с глубиной погружения в почву 80 мм.

Один датчик был установлен строго над центром продуктопровода в 10 м от имитатора врезки, второй датчик был установлен в центре имитатора врезки, а третий датчик располагался в б метрах в сторону от продуктопровода, где гарантированно нет никаких подземных коммуникаций. Измерения проводились в zo • t lac Рпс. 11 Тихорецк 15, 16 июня, солнечно • Рис. 12 Тихорецк 14, 15 июня, пасмурно X - темнература почвы над трубопроводом, о - температура почвы в стороне от трубопровода, — температура воздуха Hiac /5 Рис, 13 Тихорецк 16,17 июня, солнечно lae oi Рис. 14 Тихорецк 2, 3 июля, пасмурно X - температура почвы пад трубопроводом, о - температура почвы в стороне от трубопровода, — температура воздуха Рис. г, Сургут, 1 июля, солпце iioc Рис. г. Сургут, 2 июля, солнце ifc Рис. га г. Сургут, 1 июля, тень / i toe /о / Рис. г. Сургут, 2 июля, тень X - температура почвы над трубопроводом, о - температура почвы в стороне от трубопровода Таблица № МНПП «Рязань-Москва»

Участк трассы, Протяженность Тип грунта км.

0-4,4 Суглинок лёссовидный буро-коричневый, макропористый, тугопластичный, влажный 4,4-8,9 Глина бурая, тугопластичная, влажная 8,9-14,1 Суглинок бурый, тугопластичный, влажный 14,1-14,2 Песок серый и желто-серый, мелкий иловатый, средней плотности, насыщенный водой 14,2-31,3 Суглинок бурый, тугопластичный, влажный 31,3-31,4 Песок серый и желто-серый, мелкий иловатый, средней плотности, насыщенный водой 31,4-35,3 Суглинок бурый, тугопластичный, влажный 35,3-35,4 Торф бурый, среднеразложивщийся 35,4-37,2 Суглинок бурый, тугопластичный, влажный 37,2-37,3 Песок желтый и серый мелкий и разнозернистый 37,3-52,4 Суглинок бурый, тугопластичный, влажный 52,4-53,1 Суглинок бурый, гумусированный, пластичный, влажный и мягкопластичныи, насыщенный водой 53,1-53,3 Торф бурый, хорощоразложившийся, мягкопластичныи, влажный и насыщенный врдой 53,3-55,5 Суглинок желто-коричневый, пылеватый, тугопластичный, влажный 55,5-55,6 Торф бурый, хорощоразложивщийся, мягкопластичныи, влажный и насыщенный водой 55,6-58,6 Суглинок желто-коричневый, пылеватый, тугопластичный, влажный 58,6-58,7 Торф бурый, хорощоразложивщийся, мягкопластичныи, влажный и насыщенный водой 58,7-73,9 Суглинок желто-коричневый, пылеватый, тугопластичный, влажный 73,9-74,3 Песок серый и желто-серый, мелкий, средней плотности, влажный 74,3-77,6 Суглинок желто-коричневый, пылеватый, тугопластичный, влажный 77,6-80,3 Песок серЬш и желто-серый, мелкий, средней плотности, влажный 80,3-81,9 Суглинок желто-коричневый, пылеватый, ' тугопластичный, влажный 81,9-85,4 Песок серый и желто-серый, мелкий, средней плотности, влажный Таблица № (продолжение) Мергель бело-розовый, крепкий 85,4-92, (пойма р.Ока) 92,5-144,9 Суглинок желто-коричневый, тугопластичный, влажный 144,9-145,9 Песок желто-серый, мелкий, глинистый, средней плотности, влажный и насыщенный водой 145,9-148,3 Глина темно-бурая, гумусированная, тугопластичная, влажная 148,3-150,4 Суглинок желто-коричневый, пылеватый, тугопластичный. влажный 150,4-150,5 Песок желто-серый, мелкий, глинистый, средней плотности, влажный и насыщенный водой 50,5-155,2 Суглинок желто-коричневый и желто-серый от тугопластичного до мягкопластичного, от влажного 155,2-155,4 Песок серый и желто-серый, мелкий иловатый, средней плотности, насыщенный водой 155,4-171,4 Суглинок бурый, тугопластичный, влажный 100% Общая протяженность, м 86,7% Суглинок, 4,7% Песок 4% Глина 0,03% Торф 4% Мергель, м ПЛАН ПОЛИГОНА Проекция трубопровода - места замеров температуры I 2м 2м 1м ^ 1,0 M ^I Задернён Открытый ^ Открытый 'Х^ 0\ Задернён О я L 20 м 20 м м о о о с?

о So о 0.25м 0, 2 5 M ^I j I ^ ^i' 0.5м 0.5м Рис. -Датчик над трубой № Датчик 6 метров от трубы Ns • Датчик 8 шурфе № -Датчик температура воздуха № Н со Кг ш со U- 00 с э о к-Ы сокгюш 1^« з со - ^ ю ш г ^ 00 OCTT-OJ сок" inicD к. 00 pj о TC J coki -N 11111 т-IT-IT-IT-IT-IT-IT-IT-h 16.10. 15.10. - - Рис. -J Т IJ I i_ i T H C IT-!CM C o W I W~ i«N I !

iOOlCJJ i O MCMOJi 17.10.2002 18.10. Рис. ON о j со№ш юг^ 00 слрк-Ы соКг ю CDK 00 юрк- CM COhr Ю CD - с T-lCMCOKr 19.10.2002 20.10. Рис. - Д а т а 7.08. Датчик над трубой № -Датчик 6 метров от трубы № -Датчик в шурфе № -Датчик:температура воздуха №4 ' 1 2 34 56 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Рис. период август-ноябрь 2002 г. и май-сентябрь 2003 г. с периодичностью 1 час, круглосуточно.

На рис. 20...22 показаны наиболее характерные распределения температур, полученные в 2002 г. Из графиков видно, что существуют дни, когда инверсия не наблюдается и дни, когда существуют нулевые контрасты либо между тепловым следом продуктопровода и врезкой, врезки и почвой в стороне. Лишь в одном случае (20.10.2002 г.)в 5 ч. 30 м. утра зарегистрирована двойная инверсия, когда все 3 кривые пересекаются. По всей видимости, это явление нетипичное, т.к.

больше не повторялось.

Измерения, продолженные в 2003 г, показали монотонность графиков, причем в указанный период не было зарегистрировано ни одной точки инверсного перехода. На рис. 23 приведено типичное распределение температур.

Полученные и обработанные результаты измерений позволили выбрать оптимальное время для натурных испытаний тепловизора "Терма-2", установленного на воздушном носителе, результаты которых будут изложены ниже.

Но перед этим оценим возможности тепловизора "Терма-2" применительно к поставленной задаче диагностики магистральных трубопроводов.

2.4. Оценка потенциальных возможностей тепловизора "Терма-2" применительно к задаче диагностики магистральных трубопроводов.

Полеты над магистральными трубопроводами проводились на двух типах воздушных носителей: вертолете МИ-8 и самолете Ан-2.

Поскольку самолет Ан-2 имеет большую минимальную скорость, чем вертолет МИ-8, и соответственно, с учетом быстродействия тепловизора, большую высоту полета, то с точки зрения геометрического разрешения объектов на земной поверхности самолет наиболее критичен и, поэтому, оценка возможности тепловизора будет проведена для самолета Ан-2.

Как было отмечено ранее, одной из важнейших характеристик тепловизоров типа Line Scan, к которым относится тепловизор "Терма-2", является быстродействие. Для тепловизора "Терма-2" эта величина составляет 0,15.

W =0, Н Исходя из того, что минимальная безопасная скорость полета самолета Ан- равна 120 км/час = 33,3 м/с, определим требуемую вьюоту полета:

= 222м Для определения элемента геометрического разрешения на земле с высоты Н=222 м нужно высоту умножить на величину мгновенного угла зрения (рад).

А=Н. б = 222 • 1,58. 10^ = 0,35 м Таким образом, на диаметр трубопровода, равный 0,5, приходится меньше элементов разрешения, а на диаметр врезки на полигоне, равный 1 м, приходится около 3-х элементов разрешения. Как при этом реализуется энергетическая чувствительность тепловизора, приведенная в перечне основных технических характеристик и равная 0,1°С ?

В тепловидении существует понятие пороговой энергетической чувствительности, которое и приводится во всех перечнях технических характеристик. Пороговая энергетическая чувствительность является предельной для каждого типа тепловизоров и может быть реализована тогда, когда в некую поверхность, отличающуюся от окружающего фона на величину, равную пороговой энергетической чувствительности АТпор, укладывает бесконечное количество элементов геометрического разрешения. На практике достаточным количеством является 15...20 элементов геометрического разрешения. Если в плоскости предмета (на земле) имеется одиночный объект, в размер которого укладывается несколько элементов геометрического разрешения с основной пространственной частотой, то в общем виде требуемый температурный перепад этого объекта по /т 2W отношению к фону, который может быть обнаружен тепловизором с известной величиной пороговой энергетической чувствительности ДТпор, будет [56]:

к пор 1/ 1/,y)(T^ F) Поскольку в данном случае мы не знаем нормированного распределения энергетической яркости врезки на полигоне и соответственно нормированного распределения яркости изображения этого объекта на выходе тепловизора [ J (X,Y)], то с точностью, достаточной для предварительной оценки, представим врезку в виде периодического энергетического сигнала и перейдем к понятию минимально разрешаемой разности температур АТраз. [56] 1/2 \1/ 3 АТпор Р"' ((/т, Р) АТраз (Л) = (Те F) 1/ Расчеты, проведенные по этой формуле, позволили построить оценочную графическую зависимость минимально разрешимой разности температур от количества элементов геометрического разрешения тепловизора, приходящихся на размер объекта на земле (на диаметр продуктопровода, врезки и т.д.) AT, AT пор n - число элементов разрешения, приходящихся на размер объекта 5 6 рис. Из рис.24 ВИДНО, ЧТО для обнаружения тепловой проекции трубопровода диаметром 0,5 м при элементе геометрического разрешения тепловизора с высоты 222 м, равным 0,35 м (1,43 элемента/размер объекта), требуется перепад температур между тепловой проекцией трубопровода и фоном 1°С, а для имитатора врезка с диаметром 1м (3 элемента/размер объекта) приблизительно 0,6°С.

Что касается геометрических размеров получаемых изображений объектов, то они определяются из следующих соображений. Если файл распечатывается на стандартный лист А4 (180x240 мм), то теоретически один элемент разложения (пиксел) будет составлять 1/1024 часть строки, т.к. число элементов разложения по строке в тепловизоре 'Терма-2" равно 1024.

Таким образом, изображение трубопровода диаметр будет •1,43=0,34мм изображение имитатора врезки будет 3 = 0,7 мм.

На самом деле в природе нет абсолютных излучателей, подобных дельта функции Дирака (единичная функция) или прямоугольной функции распределениях типа гест. Поэтому, если исходить из нормального закона распределения I энергетической яркости исследуемых объектов, можно считать, что размеры!

изображений будут больше приблизительно на 30%. / 2.5. Натурные испытания тепловизора "Терма-2" с целью диагностики магистральных трубопроводов.

Целью натурных испытаний базовой модели тепловизора "Терма-2" является подтверждение возможности использования тепловизионного метода контроля за наиболее опасными в настоящее время антропогенными нарушениями почвы в зоне прохождения трубопроводов, а именно, обнаружению тщательно замаскированных несанкционированных врезок и отводов от них.

2.5.1. Размещение тепловизора "Терма-2" на воздушных носителях.

В процессе применения тепловизора "Терма-2" для исследования возможности диагностики магистральных трубопроводов в течение 2000... г. прибор размещался на вертолете МИ-8 и самолете Ан-2.

И в том и в другом случае оптико-механический блок размещался в штатном люке в полу салона носителя, а электронная стойка с рабочим местом оператора размещалась справа от кабины пилотов - в вертолете и в хвостовой части салона - в самолете.

На рис. 25 показано размещение тепловизора "Терма-2" в салоне вертолета МИ-8.

2.5.2. Полигонные испытания тепловизора "Терма-2".

Необходимость полигонных исследований возможности тепловизионного метода выявления несанкционированных врезок объясняется тем, что до сих пор не были смоделированы те антропогенные нарушения почвы, которые возникают при стремительно увеличивающихся врезках в нефте продуктопроводы, как в России, так и в странах ближнего зарубежья, замаскированные настолько тщательно, что визуальный контроль с патрульных вертолетов и самолетов оказывается безуспешным и, как показывает практика, чисто формальным.

Если исходить из того, что реальный размер нарушения почвы при врезке в трубопровод составляет примерно 1x1 м^, то основным демаскирующим фактором является замаскированный отвод от врезки, длина которого может доходить до 500 м. Можно предположить, что даже если изображение отвода будет малозаметным, то все равно оно будет обнаружено за счет своей протяженности благодаря способности глаза осуществлять интегрирование по пространству [56].

Для проверки этих предположений на базе ОАО "Черномортранснефть" в г. Тихорецке был подготовлен полигон, представляющий собой открытые и закопанные траншеи длиной 25 м и различной ширины. С точки зрения практики выявления несанкционированных врезок наиболее применяемый отвод от врезки выполняется лопатой шириной 0,25 м. Именно такой ширины траншея на полигоне и являлась объектом исследования при помощи тепловизора "Терма-2", размещенного на вертолете МИ-8.

На рис. 26 помещены фотографические изображения полигона с изображением засыпанного имитатора отвода (поз.№1) без маскировки и то же изображение после маскировки снятым дерном и травой.

На рис. 27, 27а, 27в помещены тепловизионные изображения полигона с незамаскированным имитатором и с замаскированным.

Тепловизор "Терма-2 в салоне вертолета МИ- Электронная стойка Оптико-механический блок рис. Траншея (поз.1) без маскировки Траншея (поз.1) с маскировкой рис. ' к S_t_11_1.dat - Просмотр файлов тепловизора Начало сеанса Файл Тип палитры Управление Синхронизация Конец сеанса Справка Режим "Прокрутка" Обработка Режим "Шаг" OS Долгота:

Широта: Курс: W: км/'час Дата 27-04-2000 Время: 16:49:18 Н:

Всего кадров: Кадр W / H H O M. : 0.1500 W/Нфакт.:

I |Щ I I -Н J Панель управле! Принтеры 15: 1НИЯ Рис. 27 а Траншея (поз.1) без маскировки l_11_1.dat - Просмотр файлоп тепловизора Начало сеанса Файл Тип палитры Управление Синхронизация Конец сеанса (^авка И|Ш| in|t,..|l| Режим "Прокрутка" Обработка Режим "Шаг" Долгота: Курс: • Дэта 27-04-2000 Время: 16:53:35. Широта: W: км/час Н:

Всего кадров: Кадр W/HHOM. : 0.1500 W/Нфакт.:

J Панель управления ** J Принтеры 14: Рис. 27 b Траншея (поз.1) с маскировкой Рис. Тепловизионное изображение полигона с имитаторами врезок и раскопов.

Полигон с имитаторами врезок и раскопов через год после раскопов рис. Справка 04-08- Дата W (км/час): 89. Время 15:57:43 Н (м) :

Широта 54*32.464', N W/HHOM. : 0. Долгота 39*45.742', Е W/Нфакт. :

05* Рис. Тепловизиопное изображение полигона с имитаторами врезок и раскопов через год.

Справка Дата 04-08-2003 W (км/час): 35. Время 15:45:45 Н (м) :

Ширсяа 54'32.464', N W/HHOM ;

0. Долгота 39'45.742', Е W/Нфакт. :

Курс Л Р( А р т,.-.— CD ' Рис. Тепловизионное изображение полигона с имитаторами врезок и раскопов через год.

Можно отметить, что после маскировки визуальное изображение имитатора отвода отсутствует, в то время как на тепловизионном изображение оно уверенно наблюдается.

Более детальные исследования были проведены на базе ОАО "Рязаньтранснефтепродукт" на специально оборудованном полигоне в г.

Рязани.

План полигона показан на рис. 19.

На полигоне были проимитированы как врезки, так и отводы с несколько большими размерами, исходя из возможностей тепловизора "Терма-2" (см. 2.4).

Все раскопы проводились до глубины залегания продуктопровода, а полеты лроизводились на самолете Ан-2. Исследования выполнялись поздней осенью 2002 г., поэтому травяной покров был слабо выражен.

На рис. 28 показано тепловизионное изображение полигона как с засыпанными открытыми имитаторами врезок и отводов, так и с замаскированными (задерненными) имитаторами врезок и отводов (b,d).

Отметим, что на изображение полигона нет существенного отличия замаскированных и незамаскированных нарушений почвенного слоя.

Большой практический интерес представляют данные, полученные на этом же полигоне год спустя в августе 2003 г. Полеты проводились на вертолете МИ-8.

Полигон представлял собой поле с травяным покровом высотой 0,5 м.

(рис.29). Продуктопровод с имитаторами выходил от насосной станции (в верхнем правом углу фотоснимка) и проходил между двумя столбиками (в центре фотоснимка). Визуально имитаторы были неразличимы. Однако на тепловизионном изображении при полетах поперек отводов (рис. 30) видны имитаторы врезок "а" и "в", имеющие большие размеры, чем "d" и "с", а при полетах вдоль отводов (рис.31 ) видны как имитаторы "а" и "в", так и отводы от них.

Таким образом, можно отметить, что даже через год можно обнаруживать замаскированные и законсервированные врезки в трубопроводы.

В этот же период времени на другом участке магистрального продуктопровода, проложенном на пустынном участке с высотой травяного покрова 0,5 м, были организованы имитаторы врезки и отводящего раскопа с размерами, превосходящими реальные приблизительно в 3 раза. Это было сделано для того, чтобы продемонстрировать тепловизионные изображения, которые будут получены при помощи специализированного тепловизора с геометрическим разрешением в 3 раза выше, чем у базовой модели "Терма-2".

Подготовке исходных предпосылок для разработки технического задания на специализированный тепловизор для выявления несанкционированных врезок в магистральные трубопроводы и был посвящен этап летных испытаний в августе 2003 г.

На рис. 32 приведена фотография участка поля с засыпанной врезкой и отводящим раскопом без маскировки снятым дерном.

На рис. 33 помещено тепловизионное изображение раскопов.

На рис. 34 приведена фотография участка поля с раскопами, замаскированными снятым дерном и травой.

На рис. 35 помещено тепловизионное изображение замаскированных участков раскопов.

Полученные тепловизионные изображения продемонстрировали потенциальные возможности специализированного тепловизора в смысле повышенного геометрического разрешения по отношению к базовой модели тепловизора "Терма-2", а также еще раз подтвердили высокую вероятность Открытый имитатор врезки и раскопа рис. Замаскированный имитатор врезки и раскопа рис. раскоп незамаскированный резка незамаскированная W (км/час): 75. Дета : 07-08- Время : 11:47:13 Н (м) :

Широта : 54*30.830', N W/'HHOM, : 0. Долгота: 39*47.133', Е Курс : 14* W/Нфакт. :

1„".„. CDO О СОПЛТ Рис. раскоп замаскированный врезка замаскированная Дэта : 07-08-2003 Vy (км/час) 23. Время : 11:54:30 Н (м) Широта : 54*30.866', N W/HHOM.

Долгота: 39*47.114', Е 0. : 15* W/Нфакт.

Курс m „•,,.,. CD 0 о о плт V -.^rs 1 0 Рис. t 4 •- ID Режим "Шаг" Режим "Прокр1{гка" Конграстность W (км/час):

Дата : 05-07- Время ;

07:43:31 Н (м) :

Широта : ' ' W/HMOM : 0. Долгота: * ' W/Нфакт, :

S 1 1.DAT Всего кадров: Каар Рис. 36 А А, 8... 13,5 мкм Нефтебаза в г. Сургуте 1. Горячий подземный нефтепровод.

2. Холодный подземный нефтепровод.

3. Тепловые аномалии.

4. Пустые емкости.

5. Полные емкости M s _^_1_3.dal - Просмотр Файлов тепловизора Начало сеанса Файл Тип палитры Управление Синхронизация Пслюк Формула обра5с1гки Конец сеанса Справка t l i l - l - l m l m l J «.Ul iTiljTiJiTilieil ГаГ[*|. _oJ iJl оо Дата : 05-07- 05-07 2001 W (км/час):

Дата Время : 03:11. Зремя 0711 31 Н (м) :

Широта :

• Иирота : 0.1500 W/HHOM : 0. Долгота: * Долгота • W/Нфакт. :

W/Нфакт^ Курс * Файл: ST S 1 3.DAT Всего кадров ~С--!

Всего кадров: 5? Кадр Файл:5Т S 1 I.DAT Кадр " аапзск|и Прос.Д 16: -1... 1,2 мкм Х- 8... 13,5 мкм Рис. Изображения зоны обводнения.

обнаружения замаскированных врезок и раскопов при помощи тепловизионного метода диагностики.

Последующие исследования были проведены на действующих участках магистральных нефтепроводов и продуктопроводов.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.