TERMOWIZJA: PROJEKTY BADAWCZE I WDROŻENIA PRZEMYSŁOWE

Transkrypt

1 XXII MSPO Kielce r. TERMOWIZJA: PROJEKTY BADAWCZE I WDROŻENIA PRZEMYSŁOWE - materiały z seminarium

2 Komitet Organizacyjny Seminarium: Stanisław Natkański, Marcin Muszkowski, Jerzy Wiśnioch, Aleksandra Celer (PCO S.A.) Tomasz Sosnowski, Mariusz Kastek (Instytut Optoelektroniki WAT) Organizatorzy Seminarium: PCO S.A. oraz IOE WAT 2

3 SPIS TREŚCI Słowo wstępne 5 Referaty: Termowizyjne systemy obserwacyjne wyniki prac badawczych i rozwojowych w latach Nowoczesne kamery termowizyjne opracowane w PCO S.A. przeznaczone do systemów przeciwlotniczych i systemów kierowania ogniem. Pomiary parametrów, kalibracja i testowanie obserwacyjnych kamer termowizyjnych. Technologiczne wyposażenie PCO S.A. w aparaturę i urządzenia niezbędne do prac w zakresie podczerwieni. Plan ekspozycji PCO S.A. podczas MSPO Podziękowanie Dane kontaktowe

4 4 Termowizja: Nowe spojrzenie w przyszłość.

5 Szanowni Państwo, Serdecznie zapraszam Państwa do uczestnictwa w seminarium pod tytułem Termowizja: Projekty badawcze i wdrożenia przemysłowe, które odbędzie się dnia 2 września 2014 roku, podczas XXII Międzynarodowego Salonu Przemysłu Obronnego. Jest to drugie seminarium poświęcone tej tematyce. Poprzednia konferencja pod tytułem Termowizja: Nauka, Przemysł, Bezpieczeństwo Państwa miała miejsce dwa lata temu również podczas MSPO. W ramach organizowanego seminarium, PCO S.A. oraz Wojskowa Akademia Techniczna, zaprezentują osiągnięcia w dziedzinie technologii termowizyjnych i ich zastosowań w systemach obserwacyjnych. Omówione zostaną między innymi nowoczesne kamery termowizyjne opracowane w PCO S.A. przeznaczone do systemów przeciwlotniczych i systemów kierowania ogniem. Przedstawimy również potencjał technologiczny i produkcyjny PCO S.A. w zakresie wytwarzania urządzeń termowizyjnych. Realizując działania w zakresie rozwoju technologii termowizyjnej dokonaliśmy wielu nowych wdrożeń, a powstały w toku projektów sprzęt może z powodzeniem rywalizować z wyrobami zagranicznymi. Kamery termowizyjne oraz głowice optoelektro- niczne, w których zostaną zastosowane, są urządzeniami przyczyniającymi się do wzrostu potencjału obronnego RP. Organizując seminarium chcemy pokazać potencjał jaki tkwi w technologiach termowizyjnych oraz zaawansowanie prac jakie nad nimi prowadzimy. Seminarium będzie okazją do omówienia niektórych wyrobów prezentowanych na stoisku PCO S.A. podczas XXII MSPO. Pragniemy również pokazać efekty współpracy między PCO S.A. oraz WAT dzięki której możliwe było opracowanie wielu wdrożeń i zwrócić uwagę na to jak ważna jest wymiana doświadczeń oraz wzajemne wspieranie potencjałów między uczelniami wojskowymi a krajowym przemysłem obronnym. Rozwój technologii termowizyjnych, ze względu na ich bardzo szerokie zastosowania, to również szansa dla polskiej nauki oraz gospodarki. Wierzę, że dzięki dotychczasowym osiągnięciom jesteśmy w stanie rozwinąć zaawansowane technologie, które w przyszłości będą wykorzystywane nie tylko przez Wojsko Polskie, ale również staną się towarem eksportowym, a nawet znajdą zastosowania cywilne. Zapraszam Państwa do udziału w seminarium oraz do zapoznania się z zamieszczonymi w niniejszym opracowaniu referatami. Z poważaniem Ryszard Kardasz Prezes Zarządu, Dyrektor Generalny PCO S.A. 5

6 TERMOWIZYJNE SYSTEMY OBSERWACYJNE WYNIKI PRAC BADAWCZYCH I ROZWOJOWYCH W LATACH Henryk Madura, Tomasz Sosnowski, Grzegorz Bieszczad Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Optoelektroniki Zakład Techniki Podczerwieni i Termowizji STRESZCZENIE W artykule omówiono wyniki prac badawczych i rozwojowych w zakresie opracowania kamer termowizyjnych z chłodzonymi i niechłodzonymi matrycami detektorów podczerwieni. Omówiono główne zespoły kamer termowizyjnych. Opisano parametry najnowszych zespołów matrycowych detektorów podczerwieni oraz zaprezentowano budowę obiektywów i zespołów elektronicznego przetwarzania danych z kamery. WPROWADZENIE Termowizja to dziedzina techniki zajmująca się detekcją i wizualizacją niewidzialnego promieniowania podczerwonego emitowanego przez obiekty, przy czym otrzymany obraz (kolorowy lub czarno-biały) jest odwzorowaniem rozkładów temperatury na powierzchni obserwowanego obiektu. Obraz ten jest nazywany termogramem. W urządzeniach termowizyjnych najnowszej generacji są stosowane wieloelementowe detektory podczerwieni (zintegrowane, hybrydowe lub monolityczne matryce detektorów - podobnie jak w kamerach dla światła widzialnego), przez co wyeliminowany został skomplikowany mechanicznooptyczny zespół przeszukiwania obrazu (obraz analizowany jest na drodze elektronicznej, najczęściej poprzez szeregową analizę wierszy i kolumn matrycy). Do budowy nowoczesnych obserwacyjnych kamer termowizyjnych używa się głównie matrycowych detektorów chłodzonych wykonanych z InSb, HgCd- Te lub detektorów QWIP. Rozmiary matryc detektorów podczerwieni są dostosowane do standardów wyświetlania obrazów i najczęściej są to matryce o wymiarach: 320x240, 384x288, 640x480, 640x512, 1280x1024 detektorów. Minimalny rozmiar pojedynczego detektora (piksela) dla matryc zakresu MWIR wynosi obecnie ok. 12 μm, a dla zakresu LWIR ok. 15 μm. Czułości termiczne detektorów chłodzonych są rzędu mk. Widok matrycowych detektorów podczerwieni z układami chłodzenia i elektronicznymi zespołami odczytu danych przedstawiono na rys. 1. Rys. 1. Matrycowe detektory podczerwieni z układami chłodzenia i elektronicznymi zespołami układów odczytu. Od lewej: detektor LEO 640x512 (15 μm) firmy SOFRADIR (Francja), detektory PELICAN 640x512 (15 μm) i HERCULES 1280x1024 (15 μm) firmy SCD (Izrael) [1]

7 W ostatnich latach bardzo intensywnie rozwija się produkcja matrycowych detektorów niechłodzonych, wśród których detektory mikrobolometryczne (rys. 2 i rys. 3) są najchętniej stosowane w kamerach bliskiego zasięgu. Mają one czułość termiczną poniżej 40 mk, niewielkie wymiary elementów czułych (17 μm) i co najważniejsze dużą liczbę detektorów w matrycy (np. 1280x1024). Rys. 2. Budowa mikrobolometrycznego detektora podczerwieni wymiar detektora (piksela) wynosi obecnie ok. 17 μm. Po prawej zdjęcie detektorów w matrycy [2] Rys. 3. Widok matrycowych mikrobolometrycznych detektorów podczerwieni w obudowach. Od lewej strony matryca detektorów 1024x768 (17 μm) i matryca detektorów 640x480 (17 μm) firmy ULIS (Francja). Po prawej matryca 640x480 (17 μm) firmy SCD (Izrael) Prawie wszystkie zaprezentowane na powyższych rysunkach matryce detektorów podczerwieni były zastosowane w prototypach obserwacyjnych kamer termowizyjnych opracowanych przez PCO S.A. oraz IOE WAT. W matrycach detektorów podczerwieni część detektorów może mieć różną czułość oraz mogą występować uszkodzone (nieczułe) piksele. Aby usunąć wady detektorów w matrycy należy przeprowadzić tzw. korekcję NUC (non uniformity correction) na specjalnych stanowiskach pomiarowych (rys. 4) stosując odpowiednie metody zastępowania uszkodzonych pikseli i metody korekcji NUC. Rys. 4. Zdjęcie i schemat stanowiska do wyznaczania współczynników korekcji NUC oraz do określania uszkodzonych pikseli matrycy detektorów (Instytut Optoelektroniki WAT) 7

8 Bardzo ważnym elementem obserwacyjnej kamery termowizyjnej jest obiektyw (rys. 5), który jest zbudowany z monokryształu germanu, krzemu lub selenku cynku. Rys. 5. Obiektywy kamer termowizyjnych. Po lewej obiektyw LWIR (prod. PCO S.A.) w środku teleobiektyw LWIR, po prawej teleobiektywy na zakres MWIR (prod. Izrael) W celu zwiększenia transmisji promieniowania podczerwonego, elementy optyczne obiektywu (soczewki, filtry) pokrywa się dodatkowo warstwami przeciwodblaskowymi. W szczególności obiektywy obserwacyjnych kamer wojskowych mają specjalne (odporne na ścieranie) warstwy przeciwodblaskowe o strukturze diamentu (hard carbon). Kamera termowizyjna działa na zasadzie przetwarzania promieniowania podczerwonego, emitowanego lub odbitego przez obiekty, na sygnał elektryczny, a następnie na obraz oglądany na monitorze. Uproszczony schemat funkcjonalny obserwacyjnej kamery termowizyjnej przedstawiono na rys. 6. Kamera składa się z układu optycznego (obiektywu), detektora promieniowania podczerwonego (przy czym może to być detektor pojedynczy, linijka lub matryca detektorów wraz z układem chłodzenia), elektronicznego toru wzmacniania, przetwarzania i wizualizacji. Zależnie od spektralnego zakresu pracy, kamery termowizyjne dzieli się najczęściej na średniofalowe MWIR (zakres pracy 3 5 μm) i długofalowe LWIR (8 14 μm). Rys. 6. Uproszczony schemat funkcjonalny obserwacyjnej kamery termowizyjnej Zasięgi wykrywania (detekcji), rozpoznania i identyfikacji obserwacyjnych kamer termowizyjnych zależą głównie od trzech parametrów: rozdzielczości termicznej, liczby detektorów w matrycy oraz kąta pola obserwacji kamery. 8

9 OBSERWACYJNE KAMERY TERMOWIZYJNE DO SYSTEMÓW KIEROWANIA OGNIEM Pierwsze prace badawczo-rozwojowe dotyczące opracowania obserwacyjnych kamer termowizyjnych z matrycowymi detektorami podczerwieni rozpoczęto w WAT i PCO S.A. dopiero w roku 2007, kiedy to zakupiono matrycowe detektory podczerwieni [3]. Do kamery systemu kierowania ogniem (SKO) wybrano detektor chłodzony typu HgCdTe firmy Sofradir o wymiarach 384x288 pikseli o nazwie handlowej Venus. Pojedynczy detektor tej matrycy ma wymiary 25x25 μm, układ chłodzenia zapewnia chłodziarka Stirlinga typu K508 (firmy Rico Izrael). Na rys. 7. przedstawiono widok detektora wraz z jego wymiarami. Rys. 7. Detektor Venus LWIR 384x288 pikseli firmy Sofradir (Francja) Aby lepiej zademonstrować złożoność kamery termowizyjnej do SKO na rys. 8. przedstawiono wybrane przekroje kamery. Rys. 8. Kamera termowizyjna do SKO. Po lewej przekrój z widokiem od strony złącz zasilania, sterowania i wyjść sygnałowych, po prawej przekrój z widokiem od strony obiektywu Prototyp obserwacyjnej kamery termowizyjnej (KT-1) przeznaczonej do systemów kierowania ogniem opracowano w roku 2009 (rys. 9). Rys. 9. Zdjęcie prototypu obserwacyjnej kamery termowizyjnej KT-1 opracowanej w WAT i PCO S.A. w ramach projektu celowego nr 296/BO/A. Po prawej uzyskany obraz termiczny 9

10 Widmowy zakres pracy kamery zawiera się w granicach 8 12 μm, a rozdzielczość termiczna kamery wynosi 0,014 C [3]. Wszystkie elementy kamery (za wyjątkiem detektora VENUS) zostały opracowane i wykonane w kraju. W projekcie rozwojowym nr O R (Konsorcjum WAT, PCO S.A.) opracowano demonstrator kamery termowizyjnej z matrycowym detektorem fotonowym z HgCdTe, gdyż podstawową zaletą tych detektorów jest bardzo wysoka czułość termiczna wynosząca od 0,015 0 C do 0,025 0 C. Wytypowano i zakupiono detektor Epsilon firmy Sofradir [4]. Matrycowy detektor podczerwieni Epsilon MW K562S F/3 jest detektorem chłodzonym kriogenicznie, przeznaczonym do pracy w średniofalowym zakresie podczerwieni MWIR (medium-wavelength infrared). Detektor jest wykonany w technologii hybrydowej MCT i charakteryzuje się następującymi głównymi parametrami: rozdzielczość 384 x 288 pikseli, rozmiar piksela 15 μm. W celu uzyskania dużej czułości detektor jest chłodzony (w obiegu zamkniętym, przez tzw. chłodziarkę Stirlinga) do temperatury około minus 170 stopni Celsjusza. Widok zespołu detekcyjnego z detektorem Epsilon przedstawiono na rys. 10. Rys. 10. Zdjęcie wykonanego zespołu detekcyjnego do obserwacyjnej kamery termowizyjnej z detektorem fotonowym (po prawej stronie widoczny układ zasilania chłodziarki Stirlinga, na pierwszym planie zespół zasilania i sterowania detektorem) Uproszczony schemat funkcjonalny opracowanej kamery termowizyjnej zamieszczono na rys. 11. Rys. 11. Schemat funkcjonalny obserwacyjnej kamery termowizyjnej z matrycą fotonowych detektorów podczerwieni (Epsilon) 10

11 W projekcie przyjęto dwa rozwiązania. W pierwszym założono, że do sprawdzenia poprawnego działania kamery zastosowany będzie zakupiony obiektyw o jednym kącie pola widzenia, natomiast do wersji końcowej (demonstrator technologii i prototyp) opracowano obiektyw (rys. 12) o dwóch kątach pola widzenia, przy czym zmiana kąta pola widzenia oraz ostrości realizowana jest za pomocą silników sterowanych z pulpitu obsługi kamery (port RS 485). Rys. 12. Projekt i zdjęcie wykonanego obiektywu o dwóch kątach pola widzenia na zakres widmowy 3-5 μm (PCO S.A.) Zaprojektowano i wykonano wszystkie podstawowe elementy mechaniczne i elektroniczne demonstratora technologii kamery termowizyjnej (rys. 13). Zintegrowano obiektyw podczerwieni z matrycą detektorów Epsilon w taki sposób, aby możliwa była regulacja detektora względem obiektywu. Następnie układy elektroniczne zaekranowano w obudowach stalowych i połączono ze sobą odpowiednie zespoły elektroniczne. Rys. 13. Projekt i zdjęcie demonstratora technologii kamery termowizyjnej wraz z integracją poszczególnych zespołów (na zdjęciu nie pokazano osłony zewnętrznej). Projekt rozwojowy nr O R (rok 2011) W oparciu o uzyskane pozytywne rezultaty projektu rozwojowego, w ramach własnych prac badawczych PCO S.A. wykonało kilka prototypów kamer termowizyjnych zakresu MWIR. 11

12 CELOWNIKI TERMOWIZYJNE Z MIKROBLOMETRYCZNĄ MATRYCĄ DETEKTORÓW PODCZERWIENI Celownik termowizyjny jest przeznaczony do obserwacji oraz prowadzenia ognia z broni ręcznej i zespołowej o kalibrze do 12.7 mm włącznie, w dowolnej porze dnia i nocy, bez względu na warunki oświetlenia, a także przy niekorzystnych warunkach atmosferycznych (mgła, zadymienie). Pierwsze prototypy celowników termowizyjnych powstały w ramach projektu celowego nr 296/BO/A realizowanego przez PCO S.A. i IOE WAT. Następnie w ramach prac umownych i prac własnych wykonano kilka różnych modeli i prototypów celowników termowizyjnych. Generalnie zespół elektroniczny celownika termowizyjnego składa się z czterech zasadniczych modułów: modułu matrycy detektorów, modułu sterowania i cyfrowego przetwarzania obrazu, modułu wyświetlacza oraz modułu zasilania. Uproszczony schemat zespołu elektronicznego celownika przedstawiono na rys. 14. Rys. 14. Uproszczony schemat modułów zespołu elektronicznego celownika termowizyjnego Zaawansowany technologicznie jest moduł cyfrowego przetwarzania i sterowania [5], który przetwarza analogowe sygnały z matrycy na postać cyfrową i generuje obraz termiczny. Dzięki zastosowaniu układów scalonych w obudowach BGA (pamięci, mikroprocesor, układ programowalny) udało się znacznie zminiaturyzować moduł sterowania i cyfrowego przetwarzania obrazu (rys. 15). Rys. 15. Zdjęcie wykonanego zespołu sterowania i przetwarzania obrazu do celownika termowizyjnego CTS-1 (widok płytki od strony elementów) W pierwszych opracowaniach celowników zastosowano matrycę firmy ULIS (Francja) o wymiarach 384x288 detektorów, a w następnych 640x480 detektorów. Wraz z rozwojem technologii detektorów mikrobolometrycznych (patrz rys. 2) wzrastała ich rozdzielczość termiczna i pierwsze prototypy miały rozdzielczość termiczną 0,08 stopnia Celsjusza, a obecne już 0,05 stopnia Celsjusza. Na obrazie termicznym jest znak celowniczy, który może być precyzyjnie przesuwany w płaszczyźnie pionowej i poziomej, aby dostosować celownik do danego typu karabinka. W celownikach istnieje możliwość wprowadzenia oprogramowania dla kilkunastu rodzajów broni i amunicji. Zaletą tej funkcji jest to, że po wprowadzeniu odległości (ręcznie lub z dalmierza) znak celowniczy ustawi się automatycznie w odpowiedniej pozycji. Celowniki posiadają również złącze wyprowadzające obraz termiczny do innego monitora. Dzięki dodatkowemu monitorowi (np. mały monitor mocowany na hełmie) strzelec będzie mógł prowadzić ogień zza ukrycia, przez okno, z okopu, zza rogu budynku nie wystawiając się na ostrzał. Na zdjęciach (rys. 16 do rys. 19) przedstawiono wybrane modele opracowanych celowników termowizyjnych. 12

13 Rys.16. Zdjęcia prototypów celowników termowizyjnych wykonanych w latach Po lewej celownik z obiektywem 6x8 stopnia, po prawej z obiektywem 5x7 stopnia Rys. 17. Zdjęcie prototypu celownika termowizyjnego z roku 2009 (widoczny wyjęty pojemnik z bateriami) Rys. 18. Zdjęcia prototypów celownika termowizyjnego CTS-1 z roku 2011 (zmieniona klawiatura w stosunku do wersji poprzednich) Rys. 19. Zdjęcie celowników termowizyjnych RUBIN (rok 2013) Celowniki wyposażono w uchwyt do mocowania na tzw. szynie picatinny (MIL STD-1913). Uchwyt jest wymienny i można dostosować mocowanie celownika do dowolnej broni. Po zdjęciu z karabinka celownik może również służyć jako termowizyjne urządzenie obserwacyjne. Podstawowe parametry celownika termowizyjnego CTS-1 zostały przedstawione tabeli 1., a na rys. 20 przedstawiono przykładowy obraz uzyskany z celownika termowizyjnego. Tabela 1. Podstawowe parametry celownika termowizyjnego do broni strzeleckiej CTS-1 PARAMETR WARTOŚĆ Zasięg wykrycia człowieka do 1300 m Detektor mikrobolometryczny a-si 384x288 Kąt pola widzenia 8 x 6 Rozdzielczość termiczna 0.08 C Czas gotowości do pracy 40 s Ciężar z bateriami i uchwytem 1.3 kg Zasilanie 6 szt. baterii typu AA Czas pracy 16 godz. Temperatura pracy C 13

14 Rys. 20. Obraz termowizyjny grupy ludzi i samochodów uzyskany za pomocą celownika do broni strzeleckiej CTS-1 (odległość do grupy ludzi 160 m, teren WAT) Na bazie doświadczeń uzyskanych w projektach dotyczących celowników do broni strzeleckiej opracowano (wspólnie z WAT, PCO S.A. oraz TELESYSTEM- MESKO S.A.) prototypy celowników termowizyjnych do wyrzutni rakiety GROM, PIORUN, w których zastosowano matrycę detektorów o wymiarach 640x480 detektorów. Rys. 21. Prototypy celowników termowizyjnych do wyrzutni rakiet GROM, PIORUN opracowane w latach OPTOELEKTRONICZNY WIELOWIDMOWY SYSTEM WSPOMAGAJĄCY LĄDOWANIE SAMOLOTÓW W ramach projektu rozwojowego nr O R zrealizowanego przez Konsorcjum WAT, PIT S.A., PCO S.A. (lata ) opracowano, wykonano i zbadano w warunkach rzeczywistych optoelektroniczny, wielowidmowy system wspomagający lądowanie samolotów. Głównym zadaniem systemu jest dostarczanie informacji o lądującym samolocie (w dzień, w nocy i przy zamgleniu) takich jak: umiejscowienie samolotu w osi pasa, kontrola kąta ścieżki podejścia do lądowania, odległość do punktu przyziemienia (lądowania) samolotu, obraz podwozia oraz obraz innych elementów samolotu. Powyższe dane są przekazywane (i rejestrowane) do stanowiska kontrolera lotniska, przez co wspomagają proces kierowania lotami. Opracowany system jest dedykowany przede wszystkim do zastosowań wojskowych jako element zwiększający bezpieczeństwo lądowania samolotów w szczególności w nocy i trudnych warunkach pogodowych [6]. Opracowany system (od rys. 22 do rys. 29) składa się z zespołu trzech kamer, w tym kamera na zakres widzialny, kamera na zakres podczerwieni MWIR oraz kamera na zakres podczerwieni LWIR. Kamery na zakres podczerwieni są wyposażone w matryce detektorów o wymiarach 640x512 detektorów. Transmisja danych do stanowiska dowodzenia realizowana jest trzema torami: radiowym, optycznym i światłowodowym. 14

15 Rys. 22. Uproszczony schemat funkcjonalny optoelektronicznego, wielowidmowego systemu wspomagającego lądowanie samolotów Rys.23. Widok projektu Zespołu Kamer (ZK) zawierającego kamery MWIR, LWIR, kamerę na zakres widzialny i zespoły wspomagające transmisję danych Rys.24. Zdjęcie wykonanej kamery termowizyjnej MWIR z matrycą detektorów Pelikan D (640x512 detektorów o rozmiarze 15 µm) Rys. 25. Zdjęcie zespołów kamery LWIR z detektorem 640x512 (15 μm) firmy AIM oraz widok projektu kamery termowizyjnej na zakres widmowy LWIR (widoczny obiektyw prod. PCO S.A.) 15

16 Rys.26. Zdjęcia wnętrza (bez obudowy) Zespołu Kamer (ZK) zawierającego kamery MWIR, LWIR, kamerę na zakres widzialny i zespoły wspomagające transmisję danych Rys. 27. Zdjęcia zespołu kamer w obudowie. Zespół umieszczony jest przed pasem startowym lotniska (od strony lądowania samolotów) Rys. 28. Zdjęcia zespołów transmisji danych w obudowach (w środku zdjęcie modułu MT-10W bez pokrywy, po prawej zdjęcie zespołu do transmisji optycznej) 16

17 Rys. 29. Poglądowy schemat rozmieszczenia elementów systemu na lotnisku w Radomiu (po prawej termowizyjny obraz samolotu ORLIK z odległości 2 km dla silnego zamglenia) System sprawdzono w praktycznym działaniu na lotnisku w Radomiu, gdzie zarejestrowano w podczerwieni podchodzące do lądowania samoloty i mimo średniej widoczności optycznej (około 1,5 km) za po- mocą kamer termowizyjnych widać było samoloty OR- LIK z odległości 8-10 km. Opracowany system może znaleźć zastosowanie, zarówno na lotniskach wojskowych, jak i lotniskach cywilnych. LITERATURA [1] Materiały reklamowe firmy SCD, data odczytu [2] Materiały reklamowe firmy ULIS, data odczytu [3] Madura H., Sosnowski T. i inni: Kamery termowizyjne z matrycami detektorów do celowników i systemów kierowania ogniem, Sprawozdanie merytoryczne z realizacji projektu celowego nr 296/BO/A, Warszawa 2009 [4] Madura H., Sosnowski T. i inni: Kamera termowizyjna z matrycowym detektorem fotonowym do systemów obserwacyjnych nowoczesnego uzbrojenia, Sprawozdanie merytoryczne z realizacji projektu rozwojowego nr O R , Warszawa 2011 [5] Sosnowski T., Orżanowski T., Kastek M.: System cyfrowego sterowania i przetwarzania obrazu z mikrobolometrycznej matrycy detektorów podczerwieni, Prace Instytutu Elektrotechniki 2008, z , s [6] Madura H., Sosnowski T., Bieszczad G., Chmielewski K. i inni: Optoelektroniczny wielowidmowy system wspomagający lądowanie samolotów, Sprawozdanie końcowe z realizacji projektu rozwojowego nr O R , Warszawa

18 NOWOCZESNE KAMERY TERMOWIZYJNE OPRACOWANE W PCO S. A. PRZEZNACZONE DO SYSTEMÓW PRZECIWLOTNICZYCH I SYSTEMÓW KIEROWANIA OGNIEM Marcin Muszkowski, PCO S.A. WSTĘP Obecnie w nowoczesnych systemach przeciwlotniczych i systemach kierowania ogniem istnieje konieczność prowadzenia obserwacji, zarówno w warunkach dziennych, jak i nocnych. Nieodzownym elementem takich systemów stają się zatem kamery termowizyjne, umożliwiające obserwację obiektów w całkowitej ciemności bądź w złych warunkach pogodowych: mgła, deszcz, zadymienie. W porównaniu do przyrządów noktowizyjnych, kamery termowizyjne nie wymagają do pracy nawet szczątkowego oświetlenia. Zasada pracy takich kamer polega na odbiorze promieniowania w zakresie fal podczerwonych generowanych przez obserwowane obiekty (każdy obiekt o określonej temperaturze jest źródłem promieniowania). Odebrane promieniowanie zamieniane jest na sygnał elektryczny przez matryce detektorów, a następnie sygnały elektryczne są w odpowiedni sposób przetwarzane i zamieniane na standardowy sygnał telewizyjny. Wyświetlany obraz przypomina monochromatyczny obraz z czarnobiałej kamery telewizyjnej. ZAKRES PRAC KONSTRUKCYJNYCH W 2011 roku PCO S.A. podjęło inicjatywę stworzenia całkowicie własnych konstrukcji kamer termowizyjnych. W tym celu powołano grupę inżynierów, przed którymi postawiono zadanie opracowania kamer termowizyjnych w oparciu o detektory niechłodzone jak i chłodzone. Do dnia dzisiejszego powstało 8 różnych rozwiązań kamer termowizyjnych wykorzystujących detektory chłodzone o różnych rozdzielczościach 384x288 i 640x512 pikseli, pracujące w zakresie długości fali od 3 5μm, do których należy rodzina kamer średniofalowych: KMW-1, KMW-2 i KMW-3, kamera wykorzystująca detektor chłodzony o rozdzielczości 640x512 pikseli, pracująca w zakresie długości fali od 8 12μm (KLW-1), kamera średniofalowa o rozdzielczości 640x512 pikseli zastosowana w stabilizowanej głowicy optoelektronicznej GOC-1, kamera długofalowa o rozdzielczości 640x512 pikseli zastosowana w stabilizowanej głowicy optoelektronicznej GOD-1 oraz dwa rozwiązania kamer bazujących na detektorze niechłodzonym o rozdzielczości 640x480 pikseli. WSTĘPNE PRACE BADAWCZE Pierwsze prace badawcze rozpoczęto od budowy kamery z wykorzystaniem detektora matrycowego chłodzonego III generacji wykonanego w technologii MCT (HgCdTe), o rozdzielczości 384x288 pikseli, pracującego w paśmie optycznym 3 5μm. Opracowano zaawansowane technologicznie pakiety elektroniczne zapewniające odpowiednie sterowanie detektora termowizyjnego, odbiór cyfrowego sygnału niosącego w sobie treść termowizyjną, układy przetwarzania obrazu zapewniające korekcję niejednorodności detektora, filtrację obrazu, automatyczną regulację jasności i kontrastu oraz generację sygnału wizyjnego w standardzie telewizyjnym. Do kamery specjalnie zaprojektowano obiektyw o dwóch polach widzenia, wykorzystujący soczewki asferyczne wykonane z germanu. Całość została umieszczona w odpowiednio skonstruowanej obudowie, spełniającej wymagania mechaniczne i klimatyczne dla wyrobów wojskowych, dzięki czemu uzyskano wysoką stabilność osi optycznej przy zmianie pól widzenia oraz w funkcji temperatury. KAMERA KMW-1 W oparciu o zebrane doświadczenia w 2012 roku powstała pierwsza kamera termowizyjna KMW-1, którą opracowano z myślą o zastosowaniu w zestawie przeciwlotniczym PILICA. Kamera wchodzi w skład głowicy obserwacyjno-śledzącej GOS-1. Wykorzystuje ona detektor chłodzony o rozdzielczości 384x288 pikseli, co po dwukrotnym powiększeniu umożliwia uzyskanie obrazu w pełnej rozdzielczości sygnału PAL. Kamera 18

19 pracująca w zakresie od 3 5μm, posiada 2 pola widzenia: 3 x2.15 i 6.35 x 4.57 odpowiednio dla wąskiego i szerokiego pola widzenia z możliwością dodatkowego cyfrowego powiększenia obrazu x2 i x4. Opracowana kamera mimo zastosowania detektora chłodzonego cechuje się bardzo małym poborem mocy rzędu 8W podczas pracy w stanie ustalonym. Przy pomocy tej kamery udało się zaobserwować samolot pasażerski w odległości ponad 180 km, co świadczy o wyjątkowo wysokiej czułości kamery pozwalającej rozróżniać szczegóły o bardzo małej różnicy temperatur. Szczegółowe parametry techniczne kamery KMW-1 przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Parametry techniczne kamery KMW-1 Typ detektora Zakres spektralny Rozdzielczość detektora Rozmiar piksela NETD Kąty pola widzenia Zakres temperatur pracy Wyjściowy sygnał wideo Sterowanie Napięcie zasilania Pobór mocy Funkcje specjalne Wymiary Masa Chłodzony III generacji MCT μm 384 x 288 pikseli 15x15 μm 32 mk NFOV: 3 x2.15 WFOV: 6.35 x C +55 C CCIR 50 Hz/625 linii RS422, Full duplex V 8 W Zmiana polaryzacji obrazu, zmiana orientacji obrazu, znaki celownicze, zoom cyfrowy x2, x4, regulacja kontrastu i jasności: ręczna/automatyczna, uwydatnianie szczegółów w obrazie, wybór pola analizy układów automatyki obrazu, regulacja ostrości 145 mm x 143 mm x 290 mm 6 kg 19

20 KAMERA KMW-2 Kolejną wersją kamery średniofalowej jest rozwiązanie proponowane do zastosowania w systemie przeciwlotniczym POPRAD, opracowanym w firmie PIT- RADWAR S.A. Kamera została zaprojektowana w taki sposób, aby zapewnić kompatybilność mechaniczną (gabaryty, punkty mocowania), elektryczną (złącza, protokoły transmisji, standard sygnału video), optyczną (kąty pola widzenia, stabilność osi optycznej) i funkcjonalną w stosunku do konkurencyjnej kamery początkowo planowanej do zastosowania w tym systemie. Testy porównawcze obu kamer wskazują na zdecydowanie wyższą jakość rozwiązania zaproponowanego przez PCO S.A. (większa rozdzielczość, większe zasięgi widzenia, mniejszy pobór mocy) i to co istotne w tak skomplikowanych produktach do zastosowań wojskowych, całkowicie własny produkt, co daje pełną niezależność od innych dostawców. Szczegółowe parametry techniczne kamery KMW-2 przedstawiono w tabeli 2. Tabela 2. Parametry techniczne kamery KMW-2 Typ detektora Zakres spektralny Rozdzielczość detektora Rozmiar piksela NETD Kąty pola widzenia Zakres temperatur pracy Wyjściowy sygnał wideo Sterowanie Napięcie zasilania Pobór mocy Funkcje specjalne Wymiary Masa Chłodzony III generacji MCT μm 384 x 288 pikseli 15x15 μm 32 mk NFOV: 2 x1.3 WFOV: 12 x9-30 C +55 C CCIR 50 Hz/625 linii RS422, Full duplex V 10 W Zmiana polaryzacji obrazu, zmiana orientacji obrazu, znaki celownicze, zoom cyfrowy x2, x4, regulacja kontrastu i jasności: ręczna/automatyczna, uwydatnianie szczegółów w obrazie, wybór pola analizy układów automatyki obrazu, regulacja ostrości 150 mm x 138 mm x 280 mm 5,5 kg 20

21 KAMERA KMW-3 Następna kamera termowizyjna opracowana w PCO S.A. została zaprojektowana z wykorzystaniem detektora chłodzonego o rozdzielczości 640x512 pikseli pracującego w paśmie 3 5μm. Zastosowano tu jeszcze bardziej innowacyjne rozwiązanie elektroniki sterującej pracą kamery, całkowicie opracowanej w PCO S.A. oraz obiektyw o płynnej zmianie powiększania umożliwiający uzyskanie kąta pola widzenia w zakresie od 2 do 32. Badania laboratoryjne analogicznej kamery zainstalowanej w stabilizowanej głowicy obserwacyjnej (GOC-1), wykonane w renomowanym laboratorium optoelektronicznym potwierdziły jej wysokie parametry techniczne. Czułość termalna, opisywana parametrem NETD, wyniosła dla całej głowicy 28mK (w układzie: kamera termowizyjna złącze obrotowe przełączniki wideo). Uzyskane wyniki badań zasięgowych kamery również wskazują na osiągnięcie wyników bliskich teoretycznym granicom detekcji. Pozwala to na stwierdzenie, że opracowana kamera może konkurować z rozwiązaniami opracowanymi przez renomowanych producentów zagranicznych. Szczegółowe parametry techniczne kamery KMW-3 przedstawiono w tabeli 3. Typ detektora Zakres spektralny Rozdzielczość detektora Rozmiar piksela NETD Tabela 3. Parametry techniczne kamery KMW-3 Chłodzony III generacji MCT μm 640 x 512 pikseli 15x15 μm 28 mk Kąty pola widzenia 2-32 Zakres temperatur pracy Wyjściowy sygnał wideo Sterowanie Napięcie zasilania Pobór mocy Funkcje specjalne Wymiary Masa -30 C +55 C CCIR 50 Hz/625 linii RS422, Full duplex V 16 W Zmiana polaryzacji obrazu, zmiana orientacji obrazu, znaki celownicze, zoom cyfrowy x2, x4, regulacja kontrastu i jasności: ręczna/automatyczna, uwydatnianie szczegółów w obrazie, wybór pola analizy układów automatyki obrazu, regulacja ostrości 150 mm x 138 mm x 304 mm 6 kg 21

22 KAMERA KLW-1 Kolejnym wyrobem zaprojektowanym w PCO S.A. jest kamera KLW-1. Jest to opracowanie analogiczne do kamery KMW-3, ale wykorzystujące detektor długofalowy o rozdzielczości 640x512 pikseli. Projekt ten został rozpoczęty z myślą o zastosowaniu w systemach kierowania ogniem w modernizowanych czołgach i w bojowych wozach piechoty, w zastępstwie stosowanych tam starych kamer opartych o detektory linijkowe z mechanicznymi układami skanującymi. Specjalnie do tego zastosowania został opracowany nowy obiektyw z 2 polami widzenia: 3 x2.25 i 10 x8, odpowiednio dla pola wąskiego i szerokiego, spełniający wymogi stawiane przez system kierowania ogniem. Kamera ta znajduje się w fazie testów laboratoryjnych i funkcjonalnych dotyczących współpracy z pozostałymi elementami systemu kierowania ogniem Drawa-T. Wstępne badania pozwalają stwierdzić na uzyskanie bardzo wysokich parametrów technicznych. Szczegółowe parametry techniczne kamery KLW-1 przedstawiono w tabeli 4. Tabela 4. Parametry techniczne kamery KLW-1 Typ detektora Zakres spektralny Rozdzielczość detektora Rozmiar piksela NETD Kąty pola widzenia (horyzontalnie) Zakres temperatur pracy Wyjściowy sygnał wideo Sterowanie Napięcie zasilania Pobór mocy Funkcje specjalne Wymiary Masa Chłodzony III generacji MCT μm 640 x 512 pikseli 15x15 μm 2 mk NFOV: 3 x2.25 WFOV: 10 x8-30 C +55 C CCIR 50 Hz/625 linii RS422, Full duplex V 18 W Zmiana polaryzacji obrazu, zmiana orientacji obrazu, znaki celownicze, zoom cyfrowy x2, x4, regulacja kontrastu i jasności: ręczna/automatyczna, uwydatnianie szczegółów w obrazie, wybór pola analizy układów automatyki obrazu, regulacja ostrości 179 mm x 149 mm x 362 mm 9 kg 22

23 STABILIZOWANE GŁOWICE OBSERWACYJNO CELOWNICZE GOC-1 I GOD-1 Na bazie kamer KMW-3 i KLW-1 w 2013 roku opracowano dwie głowice obserwacyjne GOC-1 i GOD-1 z przeznaczeniem zastosowania w wieżach bezzałogowych. Obie głowice różnią się kamerami termowizyjnymi. Głowica GOC-1 zawiera kamerę termowizyjną z detektorem chłodzonym o rozdzielczości 640x512 pikseli, pracującym w zakresie 3 5μm, 2 kamery telewizyjne kolorowe o wysokiej rozdzielczości odpowiednio dla wąskiego i szerokiego pola widzenia oraz dalmierz laserowy. Głowica GOD-1 wyposażona jest w kamerę termowizyjną długofalową. Zastosowane w głowicach układy stabilizacji zapewniają stabilizacje linii celowania w 2 osiach, co pozwala na uzyskanie stabilnego obrazu ze wszystkich kamer podczas jazdy po dowolnym terenie. Ponadto moduły mogą być wyposażone w układ video trackera umożliwiającego automatyczne śledzenie obiektów. Opracowane głowice są niezwykle skomplikowanymi urządzeniami, zastosowano w nich po kilkanaście procesorów, od prostych mikrokontrolerów zbierających dane z czujników, po procesory sygnałowe DSP i zaawansowane układy programowalne FPGA, zajmujące się przetwarzaniem obrazów z kamer oraz żyroskopy laserowe wykorzystane w układach stabilizacji położenia. Szczegółowe parametry techniczne głowic GOC-1 i GOD-1 przedstawiono w tabeli 5. Tabela 5. Parametry techniczne kamery głowic GOC-1 i GOD-1 Platforma GOC-1 GOD-1 Zakres obserwacji elewacja: azymut: Prędkość kątowa maksymalna: minimalna: Przyspieszenie kątowe Dokładność stabilizacji Rozdzielczość pomiaru kąta Interfejs sterujący Kamera dzienna TV Szerokie pole widzenia Wąskie pole widzenia Wyjściowy sygnał wideo Interfejs sterujący Kamera termowizyjna Zakres długości fali NETD Rozdzielczość w pikselach Wyjście wideo Szerokie pole widzenia Wąskie pole widzenia Czas gotowości do pracy Interfejs sterujący Dalmierz laserowy Klasa bezpieczeństwa Długość fali Zakres pomiaru odległości Dokładność pomiaru odległości Rozbieżność wiązki laserowej Minimalna odległość między celami Inne Zakres temperatur pracy Masa głowicy μm < 28 mk 640x512 CCIR 50 Hz/625 linii 8 x 6.4 2,4 x 1,9 < 7 min. RS C +50 C 39 ± 2 kg n x 360 1,0 rad/s 200 μrad/s 1 rad/s2 200 μrad (1σ) 100 μrad (16 bitów) RS422 lub CAN 10,7 8 3,3 2,5 standard CCIR PAL RS422 klasa 3R 1,54 μm (bezpieczna dla oka) m ± 5 m 0,7 mrad 20 m μm < 26 mk 640x512 CCIR 50 Hz/625 linii 10 x 8 3,1 x 2,5 < 7 min. RS C +50 C 88 ± 2 kg. 23

24 MODUŁ KAMERY BOLOMETRYCZNEJ MKB-1 Równolegle z pracami nad kamerami termowizyjnymi opartymi na detektorach chłodzonych prowadzono również prace nad kamerami zbudowanymi na detektorach niechłodzonych o rozdzielczości 640x480 pikseli. W ramach prac zaprojektowano miniaturowy moduł kamery MKB-1 (40x45x25mm), który w połączeniu z atermalnym obiektywem szerokokątnym o stałej ogniskowej jest proponowany jako kamera obserwacji nocnej dla kierowców wozów bojowych. Obiektyw również został całkowicie opracowany i wykonany w PCO S. A. Moduł wymaga pojedynczego zasilania w zakresie od 7 36V, pobiera 1.6W mocy i charakteryzuje się wysoką czułością termalną (NETD=50mK). Szczegółowe parametry techniczne modułu kamery bolometrycznej MKB-1 przedstawiono w tabeli 6. Tabela 6. Parametry techniczne modułu bolometrycznego MKB-1 Typ detektora Bolometryczny Zakres spektralny 8 12 μm Rozdzielczość detektora 640 x 480 pikseli Rozmiar piksela 17 x 17 μm NETD 50 mk Kąty pola widzenia 50 Zakres temperatur pracy -30 C +55 C Wyjściowy sygnał wideo CCIR 50 Hz/625 linii Sterowanie RS422, Full duplex Napięcie zasilania 7 36 V Pobór mocy 1,6 W Funkcje specjalne Zmiana polaryzacji obrazu, zmiana orientacji obrazu, znaki celownicze, zoom cyfrowy x2, x4, regulacja kontrastu i jasności: ręczna/automatyczna, uwydatnianie szczegółów w obrazie Wymiary 40 mm x 45 mm x 25 mm Masa 57 g (bez obiektywu) Kolejne zastosowanie opracowanego modułu bolometrycznego MKB-1 jest proponowane w połączeniu z obiektywem o 2 polach widzenia. Rozwiązanie to ma służyć jako celownik termowizyjny z przeznaczeniem do zastosowania w zintegrowanych modułach optoelektronicznych (ZMO-1 lub ZMO-2), opracowanych początkowo w PCO S.A. na bazie podzespołów zagranicznych. W tym przypadku integracja kamer w wyrobach wyższego rzędu pozwala na osiągnięcie zdecydowanie lepszych parametrów funkcjonalnych oraz możliwość dopasowania parametrów do konkretnych wymagań. Szczegółowe parametry techniczne celownika termowizyjnego przedstawiono w tabeli 7. 24

25 Tabela 7. Parametry techniczne celownika termowizyjnego zbudowanego w oparciu o moduł MKB-1 Typ detektora Zakres spektralny Rozdzielczość detektora Rozmiar piksela NETD Bolometryczny 8 12 μm 640 x 480 pikseli 17 x 17 μm 50 mk Kąt pola widzenia WFOV: 14.3 x 10.7 NFOV: 4.5 x 3.5 Wyjściowy sygnał wideo Sterowanie Napięcie zasilania Pobór mocy Funkcje specjalne Wymiary Masa CCIR 50 Hz/625 linii RS422, Full duplex 12 V 5,2 W Zmiana polaryzacji obrazu, zmiana orientacji obrazu, znaki celownicze, zoom cyfrowy x2, x4, regulacja kontrastu i jasności: ręczna/automatyczna, uwydatnianie szczegółów w obrazie, regulacja ostrości: ręczna/automatyczna 97 mm x 110 mm x 220 mm 1800 g ZASIĘGI DETEKCJI Na rysunkach 1 i 2 przedstawiono przykładowe wykresy zasięgu detekcji wykonane dla kamery termowizyjnej zastosowanej w głowicy obserwacyjnej GOC-1, odpowiednio dla wąskiego i szerokiego pola widzenia. Wykresy zasięgu zostały sporządzone na podstawie pomiarów MRTD zgodnie z normą STA- NAG 4347 dla celu NATO o powierzchni 2,3x2,3m2 i różnicy temperatury względem otoczenia równej 2. W przypadku pola wąskiego zasięg detekcji przewyższa 18.5 km, natomiast dla pola szerokiego otrzymano wynik równy 5.75 km. Są to wyniki bliskie wartościom teoretycznym, co oznacza, że opracowana kamera może konkurować z zaawansowanymi rozwiązaniami zagranicznymi. Rys. 1. Wykresy zasięgu detekcji dla kamery termowizyjnej zastosowanej w głowicy obserwacyjnej GOC-1 dla wąskiego pola widzenia NFOV=2.4 Rys. 2. Wykresy zasięgu detekcji dla kamery termowizyjnej zastosowanej w głowicy obserwacyjnej GOC-1 dla szerokiego pola widzenia WFOV=8.0 25

26 PRZYKŁADOWE OBRAZY ZAREJESTROWANE KAMERAMI TERMOWIZYJNYMI PRODUKCJI PCO S. A. Poniżej przedstawiono kilka obrazów termowizyjnych zarejestrowanych kamerami opracowanymi w PCO S. A. Na uwagę zasługuje wysoka wyrazistość i jednorodność obrazu, brak jakichkolwiek zniekształceń, brak martwych bądź migających piksel i bardzo dobra rozróżnialność szczegółów. Rys. 3. Obraz z kamery długofalowej KLW-1 dla szerokiego pola widzenia zarejestrowany z odległości kilkudziesięciu metrów. Rys. 4. Obraz z kamery średniofalowej KLW-3 dla szerokiego pola widzenia zarejestrowany z odległości około 50 metrów. Rys. 5. Obraz z głowicy GOD-1 (kamera długofalowa) dla wąskiego pola widzenia. Budynek na środku obrazu znajduje się w odległości 800 metrów. Rys. 6. Obraz z głowicy GOC-1 (kamera średniofalowa) dla wąskiego pola widzenia. Wieża kościoła znajduje się w odległości 1500 m, a komin elektrociepłowni w Kawęczynie w odległości 4600 m. Na rysunku 7 przedstawiono przykładowy wynik testów porównawczych kamery KMW-1 (384x288 pikseli) z konkurencyjnym rozwiązaniem zagranicznym. Obie kamery zostały ustawione na wspólnej platformie, umożliwiającej śledzenie samolotów. Obraz z kamer był wprowadzony do komputera i wyświetlany w osobnych oknach, prawy dolny róg kamera KMW-1, prawy górny róg kamera konkurencyjna, natomiast w lewej części obrazu wyświetlano położenie obserwowanych samolotów na mapie z dostępnej aplikacji internetowej. Obserwowany samolot (ikona samolotu zaznaczona na czerwono) znajduje się w okolicach Wyszkowa, co daje odległość ponad 50km z punktu obserwacji (siedziba PCO S. A.). Na obrazie z kamery KMW-1 widoczny jest sygnał z obserwowanego samolotu oraz częściowo smuga kondensacyjna na jednorodnym tle nieba w całym obszarze obrazu, natomiast za pomocą kamery konkurencyjnej samolot jest całkowicie niewidoczny, a dodatkowo widać tu silną niejedno- 26

27 rodność obrazu w rogach względem punktu centralnego. Oznacza to, że czułość kamery opracowanej w PCO S. A. jest zdecydowanie większa, jak również konstrukcja obiektywu jest znacznie lepsza, zapewniająca jednorodny obraz bez zniekształceń. Rys. 7. Testy porównawcze kamery KMW-1 i konkurencyjnego rozwiązania zagranicznego. PODSUMOWANIE Przedstawione w artykule wyniki prac umożliwiają ocenę potencjału PCO S.A. w zakresie produkcji kamer termowizyjnych. Szeroka gama zrealizowanych projektów, od prostych kamer bolometrycznych do skomplikowanych głowic optoelektronicznych, w tak krótkim czasie i o tak doskonałych parametrach technicznych, świadczy o wysokich kwalifikacjach zespołu konstruktorów, jak również o doskonale przygotowanym zapleczu produkcyjnym firmy. We wszystkich kamerach zaprojektowanych w PCO S.A. zaimplementowane są skomplikowane algorytmy przetwarzania i filtracji obrazu termowizyjnego, zapewniające polepszenie rozróżniania szczegółów, a jednocześnie redukcję niepożądanych szumów. Kamery są wyposażone w obiektywy o zmiennej ogniskowej umożliwiające płynną lub skokową zmianę kąta pola widzenia z możliwością ręcznej lub automatycznej regulacji ostrości obrazu. Wszystko to pozwala na uzyskanie idealnego obrazu termowizyjnego, bez zakłóceń i zniekształceń, z możliwością podniesienia kontrastu i wyrazistości obrazu w celu uwydatnienia interesujących szczegółów. Wszystkie te cechy pozwalają stwierdzić, że PCO S.A. jest w stanie samodzielnie zabezpieczyć potrzeby polskich sił zbrojnych. 27

28 POMIARY PARAMETRÓW, KALIBRACJA I TESTOWANIE OBSERWACYJNYCH KAMER TERMOWIZYJNYCH Tomasz Sosnowski, Mariusz Kastek, Jarosław Bareła, Krzysztof Firmanty Instytut Optoelektroniki, Wojskowa Akademia Techniczna STRESZCZENIE Kamery termowizyjne znajdują zastosowanie w coraz większej liczbie dziedzin nauki, techniki i życia. Wynikiem tego jest rosnąca produkcja kamer termowizyjnych, które muszą zostać poddane kalibracji i ocenie zakładanych parametrów. W artykule przedstawiono stanowiska oraz metody pomiaru parametrów kamer termowizyjnych, które mają na celu przetestowania i określenie prawidłowości działania kamery termowizyjnej w zakładzie produkcyjnym. Przedstawiono również metody i stanowiska do pomiaru parametrów w laboratoriach badawczych i akredytowanych, które mają na celu obiektywną ocenę i porównanie parametrów kamer termowizyjnych. WPROWADZENIE Kamery termowizyjne znajdują zastosowanie nie tylko w takich dziedzinach jak sprzęt wojskowy [10], policyjny, w medycynie, czy w badaniach naukowych, ale także w bardzo wielu innych dziedzinach [7] jak motoryzacja, systemy alarmowe, systemy nadzoru produkcji. Obserwacyjna kamera termowizyjna jest przeznaczona do obserwacji terenu, wykrywania i identyfikacji obiektów w dowolnej porze dnia i nocy, bez względu na warunki oświetlenia, a także przy niekorzystnych warunkach atmosferycznych (lekka mgła, zadymienie). Rys. 1. Ogólny schemat kamery termowizyjnej z podziałem na podstawowe moduły funkcjonalne Kamera termowizyjna rejestruje promieniowanie podczerwone pochodzące od obserwowanych obiektów i jest zbudowana z takich podstawowych elementów jak [7, 9, 10]: matryca detektorów podczerwieni, obiektyw dla danego zakresu podczerwieni, układy elektroniczne zapewniające odczyt sygnału z detektora oraz rejestrację i analizę sygnału, a także moduł wyświetlania. Ogólny schemat kamery termowizyjnej został przedstawiony na rys. 1. Najważniejszym i najbardziej technologicznie zaawansowanym elementem kamery termowizyjnej jest moduł matrycy detektorów podczerwieni. W skład tego modułu wchodzą: matryca detektorów oraz płytka drukowana z układami zasilającymi, kondycjonującymi sygnał oraz bufory cyfrowych sygnałów sterujących. Innym zaawansowanym technologicznie zespołem kamery termowizyjnej jest obiektyw na zakres 28

29 podczerwieni, wykonywany najczęściej z kryształu germanu lub krzemu. Jednym z bardziej złożonych zespołów kamery termowizyjnej jest zespół sterowania i cyfrowego przetwarzania sygnału. Zespół sterowania i cyfrowego przetwarzania obrazu najczęściej jest zbudowany w oparciu o układ programowalny i układ mikrokontrolera. Przy czym układ programowalny FPGA realizuje przetwarzanie danych obrazowych, które wymaga względnie dużych mocy obliczeniowych, zaś układ mikroprocesorowy realizuje sterowanie kamerą i inne czynności charakteryzujące się względnie niedużym nakładem obliczeniowym. Podczas projektowania kamery termowizyjnej należy uwzględnić znaczną liczbę zjawisk fizycznych takich jak szum źródeł zasilania, szum układów detekcyjnych, temperatura detektorów, temperatura otoczenia, szybkość i sposób przetwarzania danych cyfrowych, parametry przetwarzania analogowo-cyfrowego (np. szum kwantyzacji). W celu przeprowadzenia badań, pomiarów i testowania niezbędne jest posiadanie odpowiedniej bazy pomiarowej do kontroli parametrów kamer termowizyjnych oraz odpowiednich metodyk pomiaru wybranych charakterystyk i parametrów. Innym rodzajem stanowisk pomiarowych są stanowiska w laboratoriach badawczych i akredytowanych, które mają na celu obiektywną ocenę i porównanie parametrów różnych kamer termowizyjnych. POMIAR PARAMETRÓW KAMER TERMOWIZYJNYCH PODCZAS OPRACOWANIA I PRODUKCJI Pomiar parametrów modułów kamery termowizyjnej Matryca detektorów podczerwieni jest układem zawierającym, zarówno bloki analogowe, jak i cyfrowe. Do poprawnego działania wymaga szeregu napięć zasilających i kondycjonujących. W praktyce część z tych napięć jest napięciami sterującymi w analogowych układach odczytu, które muszą charakteryzować się małymi szumami (nawet poniżej 2 μv RMS) i dużą dokładnością wartości ustawianego napięcia. Wartości dopuszczalne odchyłki napięć zasilania oraz parametry szumowe są ściśle zdefiniowane przez producenta. W szczególności producent podaje wartości napięć zmiennych dla optymalnych warunków pracy. W trakcie uruchamiania modułów matrycy powinny być zmierzone wartości napięć oraz prądy pobierane z poszczególnych zasilaczy matrycy. Przykładowe stanowisko do pomiaru i testowania modułu matrycy zostało przedstawione na rys. 2. Rys. 2. Fotografia stanowiska do pomiaru parametrów modułu matrycy detektorem UL (laboratorium Zakładu Techniki Podczerwieni i Termowizji IOE WAT) Głównym przyrządem pomiarowym stanowiska jest oscyloskop cyfrowy MSO4104 firmy TEKTRONIX cechujący się rozbudowanymi możliwościami pomiarowymi sygnałów analogowych i cyfrowych. Ze względu na niski poziom szumów oscyloskop ten został uzupełniony o dodatkowy wzmacniacz ADA400A. Jest to niskoszumny wzmacniacz różnicowy pozwalający dokonywać pomiaru w następujących pasmach: do 100Hz, do 3kHz, do 100kHz oraz w pełnym paśmie wzmocnienia > 1MHz. Wzmocnienie jest regulowane skokowo w sekwencji 1V/V, 10V/V i 10V/V. Przyrząd ten jest dedykowany to tego typu oscyloskopów dzięki temu zmiana wzmocnienia jest automatycznie Rys. 3. Przykładowe przebiegi szumowe napięcia zasilającego matrycę detektorów w paśmie pomiarowym 1 Hz 3 khz (a) oraz 1 Hz 100 khz (b) uwzględniana w skali osi Y. Na rys. 3 zamieszczono przykładowe oscylogramy przebiegów szumowych dla napięć zasilających. 29

30 Matryca detektorów podczerwieni jest jednym z najbardziej kosztownych i jednocześnie łatwym do uszkodzenia układem kamery termowizyjnej. W związku z tym należy przetestować płytki elektroniczne, które bezpośrednio są połączone z matrycą detektorów. Testowanie takiej elektroniki jest często bardzo złożone, żmudne, czasochłonne i wymaga wysoko wyspecjalizowanej aparatury badawczej. W celu ułatwienia testowania modułów elektronicznych przed ich zmontowaniem z układem matrycy stosuje się specjalne testery. Na rys. 4 został przedstawiony przykładowy tester płytki elektronicznej przed zamontowaniem w niej matrycy mikrobolometrycznej. Rys. 4. Zdjęcie modułu testera PMTST podczas testowania płytki elektroniki przed zamontowaniem matrycy detektorów mikrobolometrycznych (opracowane przez IOE WAT dla PCO S.A.) Jednym z ważniejszych modułów kamery jest moduł zasilania. Jego parametry mają znaczący wpływ na działanie kamery termowizyjnej. W związku z tym moduł zasilania powinien być poddany badaniom mającym na celu sprawdzenie poprawności działania. W tym celu należy wykonać obciążenia rezystancyjne, które umożliwiają pomiar poszczególnych modułów przy przewidywanych maksymalnych prądach. Pomiarów parametrów układów zasilających (np. przetwornic DC/DC) pod obciążeniem rezystancyjnym należy dokonać stosując zewnętrzne źródło zasilania o wartości wynikającej z założonych warunków pracy kamery (np. 6,0 V dla zasilania dwoma bateriami CR123). W wyniku wykonywanych pomiarów należy ocenić wpływ obciążeń na wartość napięcia ustawionego na wyjściu poszczególnych przetwornic. W trakcie badań należy także sprawdzać sprawność modułu zasilania przy zastosowaniu maksymalnych przewidywanych stałych obciążeń prądowych. Wyliczona na podstawie obliczeń wartość współczynnika sprawności przetwarzania pozwala określić dostosowanie modułu zasilania do rzeczywistych warunków pracy. Rys. 5. Widok stanowiska laboratoryjnego do pomiaru szumów zespołu zasilania (laboratorium Zakładu Techniki Podczerwieni i Termowizji IOE WAT) Ważnym parametrem zespołu zasilania są jego szumy wyjściowe. Pomiaru szumów dokonuje się przez zastosowanie specjalnych czterokońcówkowych przystawek oscyloskopowych dokonujących pomiaru w pełni różnicowego. Tego typu przystawka wraz z oscyloskopem MSO4104 firmy TEKTRONIX została zastosowana na stanowisku laboratoryjnym przedstawionym na rys. 5. Na rys. 6 przedstawiono przykładowy oscylogram szumów zmierzonych w pełnym dostępnym paśmie przystawki pomiarowej tj w zakresie od 1Hz do 10MHz. Rys. 6. Przykładowy oscylogram szumu napięcia zasilania 5,0V w paśmie 1 Hz - 10MHz 30

31 Jedną z istotnych właściwości kamery termowizyjnej są parametry elektryczne i czasowe sygnałów cyfrowych generowanych przez moduł sterowania matrycą detektorów podczerwieni. Pomiar tych parametrów jest trudny ze względu na znaczne częstotliwości sygnałów oraz fakt występowania wielu bardzo krótkich sygnałów (rzędu setek nanosekund) występujących w ściśle określonej sekwencji w długim okresie czasu (rzędu dziesiątek milisekund). Przykładem stanowiska zbudowanego w celu zbadania właściwości elektrycznych sygnałów generowanych przez moduł sterowania matrycą detektorów podczerwieni oraz weryfikacji zależności czasowych tych sygnałów jest stanowisko badawcze składające się z oscyloskopu TEKTRONIX typu DPO7254 wraz z zestawem sond, komputera z interfejsem szeregowym RS232 oraz miernika uniwersalnego SANWA PC5000. Zdjęcie stanowiska zostało zaprezentowane na rys. 7a. Wszystkie sygnały cyfrowe modułu sterowania i cyfrowego przetwarzania sygnału można przetestować za pomocą specjalnej przystawki analizatora stanów logicznych do oscyloskopu DPO7254. Na rys. 7b przedstawiono stanowisko do pomiaru i rejestracji sygnałów cyfrowych z analizatorem stanów logicznych. Rys. 7. Stanowisko do pomiaru właściwości elektrycznych sygnałów cyfrowych sterujących matrycą detektorów (a) oraz stanowisko do pomiaru i rejestracji sygnałów cyfrowych za pomocą analizatora stanów logicznych (b) (laboratorium Zakładu Techniki Podczerwieni i Termowizji IOE WAT) Opracowane stanowisko pozwala sprawdzić poprawność parametrów czasowych oraz elektrycznych sygnałów sterujących oraz zweryfikować poprawność synchronizacji sygnału wyjściowego z matrycy z sygnałami cyfrowymi układu sterującego. Przykładowe oscylogramy sygnałów cyfrowych zostały przedstawione na rys. 8. Rys. 8. Przykładowe oscylogramy sygnałów sterujących matrycą detektorów podczerwieni 31