Thermal Vision Chronicles (Partea 1)
Ca de obicei, rădăcinile tuturor lucrurilor importante se întorc cumva în Grecia Antică - imagistica termică în această situație nu face excepție. Titus Lucretius Car a fost primul care a sugerat că există niște raze „termice” invizibile pentru ochiul uman, dar problema nu a mers mai departe decât concluziile speculative. Ei și-au amintit radiația termică în epoca dezvoltării tehnologiei cu abur, iar chimistul suedez Karl Scheele și fizicianul german Johann Lambert au fost printre primii. Primul din lucrarea sa, „A Chemical Treatise on Air and Fire”, a onorat un întreg capitol cu căldură – acest eveniment a avut loc în 1777 și a devenit precursorul cărții „Pyrometrie”, scrisă de Lambert doi ani mai târziu. Oamenii de știință au aflat rectitudinea propagării razelor de căldură și au determinat, probabil, cel mai important lucru - intensitatea lor scade invers cu pătratul distanței. Dar cel mai izbitor experiment cu căldura a fost făcut de Marc Auguste Pictet în 1790, când a așezat două oglinzi concave una față de cealaltă și a plasat o minge încălzită în centrul uneia. După ce a măsurat temperaturile oglinzilor, Pictet a aflat ceva surprinzător pentru acea epocă - oglinda s-a dovedit a fi mai caldă, în centrul căreia era o minge fierbinte. Omul de știință a mers mai departe și a schimbat corpul încălzit într-un bulgăre de zăpadă - situația s-a dovedit exact invers. Astfel, a fost descoperit fenomenul de reflectare a radiațiilor termice, iar conceptul de „raze reci” a devenit pentru totdeauna un lucru al trecutului.
William Herschel (1738-1822) astronom englez, descoperitorul radiației infraroșii. Sursa - en.wikipedia.org
Următoarea persoană semnificativă în povestiri Imagistica termică a fost descoperitorul lui Uranus și al sateliților săi, astronomul englez William Herschel. Omul de știință a descoperit în 1800 existența razelor invizibile, „deținând cea mai mare putere de încălzire”, situate în afara spectrului vizibil de om. A reușit cu ajutorul unei prisme de sticlă, care descompune lumina în componentele ei, și a unui termometru, care a înregistrat temperatura maximă chiar în dreapta luminii roșii vizibile. Fiind un adept al doctrinei corpusculare a lui Newton, Herschel credea ferm în identitatea luminii și a căldurii radiante, cu toate acestea, după experimente cu refracția razelor infraroșii invizibile, credința lui a fost destul de zguduită. Dar, în orice poveste, nu este completă fără înțelepți autorizați din știință care strica imaginea cu presupunerile lor false. Acest rol a fost jucat de fizicianul John Leslie din Edinburgh, care a anunțat existența aerului încălzit, care, de fapt, este chiar „razele de căldură mitice”. Nu i-a fost prea lene să repete experimentul lui Herschel, a inventat pentru aceasta un termometru diferențial cu mercur special, care a înregistrat temperatura maximă doar în zona spectrului roșu vizibil. Herschel a fost declarat aproape șarlatan, subliniind insuficienta pregătire a experimentelor și falsitatea concluziilor.
Cu toate acestea, timpul a judecat altfel - până în 1830, numeroase experimente ale oamenilor de știință de top ai lumii au dovedit existența „razelor lui Herschel”, pe care Becquerel le-a numit infraroșu. Studiul diferitelor corpuri pentru capacitatea de a transmite (sau nu transmite) astfel de radiații i-a determinat pe oamenii de știință să înțeleagă că fluidul care umple globul ocular absoarbe spectrul infraroșu. În general, tocmai o astfel de greșeală a naturii a creat necesitatea inventării unei camere termice. Dar în secolul al XIX-lea, oamenii de știință au învățat doar natura radiațiilor purtătoare de căldură și invizibile, mergând în toate nuanțele. S-a dovedit că diferite surse de căldură - un fierbător fierbinte, oțel fierbinte, o lampă cu alcool - au o compoziție calitativă diferită a „plăcintei cu infraroșu”. Acest lucru a fost demonstrat experimental de italianul Macedonio Melloni cu ajutorul unuia dintre primele dispozitive de înregistrare a căldurii - un termopilon de bismut-antimoniu (termomultiplicator). Interferența radiațiilor infraroșii a făcut posibilă tratarea acestui fenomen - în 1847, cu ajutorul lui, a fost standardizat pentru prima dată spectrul cu o lungime de undă de până la 1,94 microni.
Bolometru din pânză de păianjen - înregistrator de radiații termice. Sursa - en.wikipedia.org
Și în 1881, un bolometru a venit în ajutorul fizicii experimentale - unul dintre primele dispozitive pentru fixarea energiei radiante. Acest miracol a fost inventat de matematicianul și fizicianul suedez Adolf-Ferdinand Svanberg, care a instalat pe calea radiației infraroșii o placă înnegrită extrem de subțire, capabilă să-și modifice conductibilitatea electrică sub influența căldurii. Un astfel de receptor de radiații a făcut posibilă atingerea lungimii de undă maximă posibilă la acel moment până la 5,3 microni, iar până în 1923, 420 de microni au fost deja detectați în radiația unui mic oscilator electric. Începutul secolului al XX-lea este marcat de apariția unei mase de idei privind implementarea practică a căutărilor teoretice din deceniile precedente. Apare astfel un fotorezistor din sulfura de taliu tratata cu oxigen (oxisulfura de taliu), capabil sa-si modifice conductibilitatea electrica sub actiunea razelor infrarosii. Inginerii germani au creat receptori de tallofide pe baza lor, care au devenit un mijloc de comunicare de încredere pe câmpul de luptă. Până în 1942, Wehrmacht-ul a reușit să-și păstreze sistemul secret, capabil să funcționeze la o distanță de până la 8 km, până când au fost străpunși la El Alamein. Evaporografele sunt primele sisteme adevărate de termoviziune care permit obținerea de imagini termice mai mult sau mai puțin satisfăcătoare.
Schema schematică a evaporatorului. Din cartea „Fundamentals of infrared technology” Kozelkin V.V.
Dispozitivul este după cum urmează: o membrană subțire cu vapori suprasaturați de alcool, camfor sau naftalină este amplasată în cameră, iar temperatura din interior este astfel încât rata de evaporare a substanțelor să fie egală cu viteza de condensare. Acest echilibru termic este perturbat de un sistem optic care focalizează imaginea termică pe membrană, ceea ce duce la o accelerare a evaporării în zonele cele mai fierbinți - ca urmare, se formează o imagine termică. Zeci de secunde nesfârșite în evaporograf au fost petrecute pentru a forma o imagine, al cărei contrast a lăsat mult de dorit, zgomotul a umbrit uneori totul și nu a fost nimic de spus despre transmiterea de înaltă calitate a obiectelor în mișcare. În ciuda unei rezoluții bune de 10 grade Celsius, combinația de dezavantaje nu a lăsat evaporografului un loc în producția de masă. Cu toate acestea, un dispozitiv la scară mică EV-84 a apărut în URSS, în Germania - EVA, iar căutări experimentale au fost efectuate și la Cambridge. Începând cu anii 30, atenția inginerilor a fost atrasă asupra semiconductorilor și a relației lor speciale cu spectrul infraroșu. Aici frâiele puterii au trecut la armată, sub conducerea cărora au apărut primele fotorezistoare răcite pe bază de sulfură de plumb. Ideea că, cu cât temperatura receptorului este mai mică, cu atât sensibilitatea acestuia este mai mare, a fost confirmată și cristalele din camerele termice au început să fie înghețate cu dioxid de carbon solid și aer lichid. Și deja destul de high-tech pentru acei ani de dinainte de război, dezvoltată la Universitatea din Praga, era tehnologia depunerii unui strat sensibil în vid. Din 1934, tubul intensificator de imagine de generație zero, mai bine cunoscut sub numele de „sticlă Holst”, a devenit strămoșul unei mase de echipamente utile - de la dispozitive pentru conducerea nocturnă. tancuri la lunete individuale de lunetist.
Sticla lui Holst este primul convertor electron-optic. Sursa - zodiak.uu.ru
Viziunea de noapte a primit un loc important în naval flota - navele au câștigat capacitatea de a naviga în zona de coastă în întuneric complet, menținând în același timp modul de întrerupere. În 1942, evoluțiile flotei în navigația nocturnă și comunicațiile au fost împrumutate de forțele aeriene. În general, britanicii au fost primii care au detectat o aeronavă pe cerul nopții prin semnătura sa în infraroșu în 1937. Distanța, desigur, a fost modestă - aproximativ 500 de metri, dar pentru acea perioadă a fost un succes fără îndoială. Cea mai apropiată abordare a unei camere termice în sensul clasic a venit în 1942, când a fost obținut un bolometru supraconductor pe bază de tantal și antimoniu răcit cu heliu lichid. Căutătorii germani de direcție a căldurii „Donau-60” pe baza acestuia au făcut posibilă recunoașterea navelor maritime mari la o distanță de până la 30 km. Anii patruzeci au devenit un fel de răscruce pentru tehnologia imaginilor termice - o cale a dus la sisteme asemănătoare televiziunii, cu scanare mecanică, iar a doua la vidicon-uri în infraroșu fără scanare.
Istoria echipamentelor militare de termoviziune interne datează de la sfârșitul anilor 1960, când au început lucrările la Uzina de fabricare a instrumentelor din Novosibirsk, ca parte a proiectelor de cercetare Evening și Evening-2. Partea teoretică a fost supervizată de către Institutul de Cercetare Principal de Fizică Aplicată din Moscova. O termocamera în serie nu a funcționat atunci, dar evoluțiile au fost folosite în munca de cercetare Lena, care a dus la primul aparat de termoviziune pentru recunoaștere 1PN59, echipat cu un fotodetector Lena FN. 50 de elemente fotosensibile (fiecare cu dimensiunea de 100x100 µm) au fost dispuse pe un rând cu un pas de 130 µm și au asigurat funcționarea dispozitivului în domeniul spectral de unde medie (MWIR – Middle Wave Infrared) de 3-5 µm cu un domeniul de recunoaștere a țintei de până la 2000 m. presiune mare a intrat în microschimbătorul de căldură al fotodetectorului, l-a răcit la -194,5°C și a revenit la compresor. Aceasta este o caracteristică a instrumentelor de prima generație - sensibilitate ridicată necesită temperaturi scăzute. Iar temperaturile scăzute, la rândul lor, necesitau dimensiuni mari și un consum de energie impresionant de 600 de wați.
Instalat 1PN59 pe vehiculul de recunoaștere intern PRP-4 „Nard”, folosind baza BMP-1.
Vehicul de recunoaștere PRP-4 "Nard"Sursa - cris9.armforc.ru
Până în 1982, inginerii autohtoni au decis să schimbe intervalul spectral de lucru al dispozitivelor de imagistică termică la 8-14 microni (LWIR cu lungime de undă lungă - Long Wave Infrared) datorită „debitului” mai bun al atmosferei de radiație termică din acest segment. Produsul sub indicele 1PN71 a fost rezultatul unei lucrări de proiectare similare în direcția „Posobie-2”, care are un fotodetector cu telurura de cadmiu-mercur (CdHgTe sau CRT) ca „ochi atotvăzător”.
Produs 1PN71. Sursa - army-guide.com
Acest element sensibil s-a numit „Weightlessness-64” și avea... așa e, 64 de cristale MCT de 50x50 cu un pas de 100 de microni. A fost necesar să se înghețe și mai mult „imponderabilitate” - până la -196,50С, dar indicatorii de greutate și dimensiune ai produsului au scăzut considerabil. Toate acestea au făcut posibilă obținerea unei hipermetropie a 1PN71 la 3000 de metri și îmbunătățirea semnificativă a imaginii în fața utilizatorului. Termocamera a fost instalată pe stația mobilă de recunoaștere a artileriei PRP-4M Deuterium, care, pe lângă dispozitivul 1PN71, este înarmată cu un dispozitiv de viziune nocturnă în impulsuri, un radar și un telemetru laser. O specie rară în armata rusă - BRM-3 "Lynx" este, de asemenea, echipat cu un dispozitiv de recunoaștere cu imagini termice de la uzina de fabricare a instrumentelor din Novosibirsk. Termocamera 1PN126 Argus-AT, dezvoltată în 2005 de către Biroul Central de Proiectare Tochpribor și echipată cu elemente sensibile microscopice care măsoară 30x30 microni din CdHgTe dovedit, este chemată să schimbe acest echipament în trupe. Adevăratul punct culminant al celei de-a o sută douăzeci și șase de camere termice a fost o prismă octaedrică rotativă de germaniu, transparentă la radiația infraroșie. Este acest scaner care formează două cadre într-o singură rotație pe fotodetector în modul de înregistrare a semnăturii termice a obiectului observat. Pentru comparație - în 1PN71 acest rol a fost jucat de o oglindă plată - în Uniunea Sovietică nu existau tehnologii ieftine pentru producția de ochelari cu germaniu. Sub noua cameră termică internă, a fost pregătită platforma de recunoaștere de primă linie PRP-4A sau, așa cum este adesea numită, „ochiul atotvăzător al zeului războiului”. Prevăzută cu numeroase lentile de echipamente optice de recunoaștere, mașina este destul de asemănătoare cu uriașul grec antic cu mulți ochi, în onoarea căruia a fost numită.
William Herschel (1738-1822) astronom englez, descoperitorul radiației infraroșii. Sursa - en.wikipedia.org
Următoarea persoană semnificativă în povestiri Imagistica termică a fost descoperitorul lui Uranus și al sateliților săi, astronomul englez William Herschel. Omul de știință a descoperit în 1800 existența razelor invizibile, „deținând cea mai mare putere de încălzire”, situate în afara spectrului vizibil de om. A reușit cu ajutorul unei prisme de sticlă, care descompune lumina în componentele ei, și a unui termometru, care a înregistrat temperatura maximă chiar în dreapta luminii roșii vizibile. Fiind un adept al doctrinei corpusculare a lui Newton, Herschel credea ferm în identitatea luminii și a căldurii radiante, cu toate acestea, după experimente cu refracția razelor infraroșii invizibile, credința lui a fost destul de zguduită. Dar, în orice poveste, nu este completă fără înțelepți autorizați din știință care strica imaginea cu presupunerile lor false. Acest rol a fost jucat de fizicianul John Leslie din Edinburgh, care a anunțat existența aerului încălzit, care, de fapt, este chiar „razele de căldură mitice”. Nu i-a fost prea lene să repete experimentul lui Herschel, a inventat pentru aceasta un termometru diferențial cu mercur special, care a înregistrat temperatura maximă doar în zona spectrului roșu vizibil. Herschel a fost declarat aproape șarlatan, subliniind insuficienta pregătire a experimentelor și falsitatea concluziilor.
Cu toate acestea, timpul a judecat altfel - până în 1830, numeroase experimente ale oamenilor de știință de top ai lumii au dovedit existența „razelor lui Herschel”, pe care Becquerel le-a numit infraroșu. Studiul diferitelor corpuri pentru capacitatea de a transmite (sau nu transmite) astfel de radiații i-a determinat pe oamenii de știință să înțeleagă că fluidul care umple globul ocular absoarbe spectrul infraroșu. În general, tocmai o astfel de greșeală a naturii a creat necesitatea inventării unei camere termice. Dar în secolul al XIX-lea, oamenii de știință au învățat doar natura radiațiilor purtătoare de căldură și invizibile, mergând în toate nuanțele. S-a dovedit că diferite surse de căldură - un fierbător fierbinte, oțel fierbinte, o lampă cu alcool - au o compoziție calitativă diferită a „plăcintei cu infraroșu”. Acest lucru a fost demonstrat experimental de italianul Macedonio Melloni cu ajutorul unuia dintre primele dispozitive de înregistrare a căldurii - un termopilon de bismut-antimoniu (termomultiplicator). Interferența radiațiilor infraroșii a făcut posibilă tratarea acestui fenomen - în 1847, cu ajutorul lui, a fost standardizat pentru prima dată spectrul cu o lungime de undă de până la 1,94 microni.
Bolometru din pânză de păianjen - înregistrator de radiații termice. Sursa - en.wikipedia.org
Și în 1881, un bolometru a venit în ajutorul fizicii experimentale - unul dintre primele dispozitive pentru fixarea energiei radiante. Acest miracol a fost inventat de matematicianul și fizicianul suedez Adolf-Ferdinand Svanberg, care a instalat pe calea radiației infraroșii o placă înnegrită extrem de subțire, capabilă să-și modifice conductibilitatea electrică sub influența căldurii. Un astfel de receptor de radiații a făcut posibilă atingerea lungimii de undă maximă posibilă la acel moment până la 5,3 microni, iar până în 1923, 420 de microni au fost deja detectați în radiația unui mic oscilator electric. Începutul secolului al XX-lea este marcat de apariția unei mase de idei privind implementarea practică a căutărilor teoretice din deceniile precedente. Apare astfel un fotorezistor din sulfura de taliu tratata cu oxigen (oxisulfura de taliu), capabil sa-si modifice conductibilitatea electrica sub actiunea razelor infrarosii. Inginerii germani au creat receptori de tallofide pe baza lor, care au devenit un mijloc de comunicare de încredere pe câmpul de luptă. Până în 1942, Wehrmacht-ul a reușit să-și păstreze sistemul secret, capabil să funcționeze la o distanță de până la 8 km, până când au fost străpunși la El Alamein. Evaporografele sunt primele sisteme adevărate de termoviziune care permit obținerea de imagini termice mai mult sau mai puțin satisfăcătoare.
Schema schematică a evaporatorului. Din cartea „Fundamentals of infrared technology” Kozelkin V.V.
Dispozitivul este după cum urmează: o membrană subțire cu vapori suprasaturați de alcool, camfor sau naftalină este amplasată în cameră, iar temperatura din interior este astfel încât rata de evaporare a substanțelor să fie egală cu viteza de condensare. Acest echilibru termic este perturbat de un sistem optic care focalizează imaginea termică pe membrană, ceea ce duce la o accelerare a evaporării în zonele cele mai fierbinți - ca urmare, se formează o imagine termică. Zeci de secunde nesfârșite în evaporograf au fost petrecute pentru a forma o imagine, al cărei contrast a lăsat mult de dorit, zgomotul a umbrit uneori totul și nu a fost nimic de spus despre transmiterea de înaltă calitate a obiectelor în mișcare. În ciuda unei rezoluții bune de 10 grade Celsius, combinația de dezavantaje nu a lăsat evaporografului un loc în producția de masă. Cu toate acestea, un dispozitiv la scară mică EV-84 a apărut în URSS, în Germania - EVA, iar căutări experimentale au fost efectuate și la Cambridge. Începând cu anii 30, atenția inginerilor a fost atrasă asupra semiconductorilor și a relației lor speciale cu spectrul infraroșu. Aici frâiele puterii au trecut la armată, sub conducerea cărora au apărut primele fotorezistoare răcite pe bază de sulfură de plumb. Ideea că, cu cât temperatura receptorului este mai mică, cu atât sensibilitatea acestuia este mai mare, a fost confirmată și cristalele din camerele termice au început să fie înghețate cu dioxid de carbon solid și aer lichid. Și deja destul de high-tech pentru acei ani de dinainte de război, dezvoltată la Universitatea din Praga, era tehnologia depunerii unui strat sensibil în vid. Din 1934, tubul intensificator de imagine de generație zero, mai bine cunoscut sub numele de „sticlă Holst”, a devenit strămoșul unei mase de echipamente utile - de la dispozitive pentru conducerea nocturnă. tancuri la lunete individuale de lunetist.
Sticla lui Holst este primul convertor electron-optic. Sursa - zodiak.uu.ru
Viziunea de noapte a primit un loc important în naval flota - navele au câștigat capacitatea de a naviga în zona de coastă în întuneric complet, menținând în același timp modul de întrerupere. În 1942, evoluțiile flotei în navigația nocturnă și comunicațiile au fost împrumutate de forțele aeriene. În general, britanicii au fost primii care au detectat o aeronavă pe cerul nopții prin semnătura sa în infraroșu în 1937. Distanța, desigur, a fost modestă - aproximativ 500 de metri, dar pentru acea perioadă a fost un succes fără îndoială. Cea mai apropiată abordare a unei camere termice în sensul clasic a venit în 1942, când a fost obținut un bolometru supraconductor pe bază de tantal și antimoniu răcit cu heliu lichid. Căutătorii germani de direcție a căldurii „Donau-60” pe baza acestuia au făcut posibilă recunoașterea navelor maritime mari la o distanță de până la 30 km. Anii patruzeci au devenit un fel de răscruce pentru tehnologia imaginilor termice - o cale a dus la sisteme asemănătoare televiziunii, cu scanare mecanică, iar a doua la vidicon-uri în infraroșu fără scanare.
Istoria echipamentelor militare de termoviziune interne datează de la sfârșitul anilor 1960, când au început lucrările la Uzina de fabricare a instrumentelor din Novosibirsk, ca parte a proiectelor de cercetare Evening și Evening-2. Partea teoretică a fost supervizată de către Institutul de Cercetare Principal de Fizică Aplicată din Moscova. O termocamera în serie nu a funcționat atunci, dar evoluțiile au fost folosite în munca de cercetare Lena, care a dus la primul aparat de termoviziune pentru recunoaștere 1PN59, echipat cu un fotodetector Lena FN. 50 de elemente fotosensibile (fiecare cu dimensiunea de 100x100 µm) au fost dispuse pe un rând cu un pas de 130 µm și au asigurat funcționarea dispozitivului în domeniul spectral de unde medie (MWIR – Middle Wave Infrared) de 3-5 µm cu un domeniul de recunoaștere a țintei de până la 2000 m. presiune mare a intrat în microschimbătorul de căldură al fotodetectorului, l-a răcit la -194,5°C și a revenit la compresor. Aceasta este o caracteristică a instrumentelor de prima generație - sensibilitate ridicată necesită temperaturi scăzute. Iar temperaturile scăzute, la rândul lor, necesitau dimensiuni mari și un consum de energie impresionant de 600 de wați.
Instalat 1PN59 pe vehiculul de recunoaștere intern PRP-4 „Nard”, folosind baza BMP-1.
Vehicul de recunoaștere PRP-4 "Nard"Sursa - cris9.armforc.ru
Până în 1982, inginerii autohtoni au decis să schimbe intervalul spectral de lucru al dispozitivelor de imagistică termică la 8-14 microni (LWIR cu lungime de undă lungă - Long Wave Infrared) datorită „debitului” mai bun al atmosferei de radiație termică din acest segment. Produsul sub indicele 1PN71 a fost rezultatul unei lucrări de proiectare similare în direcția „Posobie-2”, care are un fotodetector cu telurura de cadmiu-mercur (CdHgTe sau CRT) ca „ochi atotvăzător”.
Produs 1PN71. Sursa - army-guide.com
Acest element sensibil s-a numit „Weightlessness-64” și avea... așa e, 64 de cristale MCT de 50x50 cu un pas de 100 de microni. A fost necesar să se înghețe și mai mult „imponderabilitate” - până la -196,50С, dar indicatorii de greutate și dimensiune ai produsului au scăzut considerabil. Toate acestea au făcut posibilă obținerea unei hipermetropie a 1PN71 la 3000 de metri și îmbunătățirea semnificativă a imaginii în fața utilizatorului. Termocamera a fost instalată pe stația mobilă de recunoaștere a artileriei PRP-4M Deuterium, care, pe lângă dispozitivul 1PN71, este înarmată cu un dispozitiv de viziune nocturnă în impulsuri, un radar și un telemetru laser. O specie rară în armata rusă - BRM-3 "Lynx" este, de asemenea, echipat cu un dispozitiv de recunoaștere cu imagini termice de la uzina de fabricare a instrumentelor din Novosibirsk. Termocamera 1PN126 Argus-AT, dezvoltată în 2005 de către Biroul Central de Proiectare Tochpribor și echipată cu elemente sensibile microscopice care măsoară 30x30 microni din CdHgTe dovedit, este chemată să schimbe acest echipament în trupe. Adevăratul punct culminant al celei de-a o sută douăzeci și șase de camere termice a fost o prismă octaedrică rotativă de germaniu, transparentă la radiația infraroșie. Este acest scaner care formează două cadre într-o singură rotație pe fotodetector în modul de înregistrare a semnăturii termice a obiectului observat. Pentru comparație - în 1PN71 acest rol a fost jucat de o oglindă plată - în Uniunea Sovietică nu existau tehnologii ieftine pentru producția de ochelari cu germaniu. Sub noua cameră termică internă, a fost pregătită platforma de recunoaștere de primă linie PRP-4A sau, așa cum este adesea numită, „ochiul atotvăzător al zeului războiului”. Prevăzută cu numeroase lentile de echipamente optice de recunoaștere, mașina este destul de asemănătoare cu uriașul grec antic cu mulți ochi, în onoarea căruia a fost numită.
informații