7 СВЕТ КАК ЧАСТЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО СПЕКТРА

Солнечный свет, тепло, радиоволны или рентгеновские лучи при всех своих различиях глубоко едины по природе - все они представляют собой электромагнитное излучение. Различие между ними связано с их разным положением в электромагнитном спектре, характеризуемым длиной волны или частотой. Участки электромагнитного спектра показаны на рисунке 9.

 

Рис. 9
Участки электромагнитного спектра

 

Инфракрасную область спектра принято разделять на четыре части: ближнюю (λ= 0,75-3 мкм), среднюю (λ = 3-6 мкм), дальнюю (λ = 6-15 мкм) и очень далекую (λ = 15 - 1000 мкм).

Таким образом, физические принципы работы тепловизора принципиально не отличаются от работы других оптических приборов наблюдения, например ТВ-камер. Так ПЗС-матрицы видеокамер могут регистрировать ближнюю часть ИК-диапазона (0,85-1,1 мкм). Данный факт используется при наблюдении с помощью ТВ - камер с использованием светодиодной подсветки. Однако, глаз человек это излучение уже не регистрирует.

Следует отметить, что ИК-диапазон (0,75-1000 мкм) гораздо протяженней по сравнению с диапазоном излучения видимого света (0,4-0,75 мкм).

Весь ИК-диапазон принято делить на поддиапазоны. Логика такого деления связана с окнами прозрачности атмосферы.

При прохождении инфракрасного излучения через земную атмосферу происходит его ослабление за счет рассеяния и поглощения молекулами водяного пара, углекислого газа и озона. Спектральное пропускание атмосферой излучения, измеренное на горизонтальной трассе протяженностью 1,8 км на уровне моря представлено на рисунке 10.

 

Рис. 10
Спектральное пропускание атмосферы

 

Пропускание атмосферы на горизонтальной трассе на уровне моря протяженностью 1,8 км при толщине слоя осажденной воды 17 мм. В нижней части рисунка указано, молекулами каких газов поглощается излучение.

Участки, характеризуемые высокой прозрачностью, называются атмосферными окнами.

7.1 Прохождение ИК излучения сквозь дождь

Полевые эксперименты показывают, что дождь ухудшает характеристики большинства инфракрасных систем, однако во многих случаях в отличие от тумана и облаков инфракрасные системы могут работать сквозь дождь.

Таблица 4 - Пропускание излучения сквозь дождь на трассе 1,8 км.

7.2 Прохождение ИК излучения сквозь туман

Согласно классификации Международной организации гражданской авиации (ICAO) туман разделяется на четыре категории:

- категория 1-дальность видимости до 1220 м;

- категория 2-дальность видимости до 610 м;

- категория 3-дальность видимости до 305 м;

- категория 4-дальность видимости до 92 м.

 

Рис. 11
Пропускание атмосферой тумана категории 1




Рис. 12
Пропускание атмосферой тумана категории 2




Рис. 13
Пропускание атмосферой тумана категории 3

 

Для тумана категории 1 (с дальностью видимости 1220 м), потери, как в средневолновом диапазоне, так и в длинноволновом диапазоне значительно меньше, чем в видимом диапазоне наблюдения (примерно в 6-8 раз). Поэтому производители тепловизоров так любят демонстрировать наблюдение удаленных объектов в слабом тумане или легкой дымке.

Для тумана категории 2 (с дальностью видимости 610 м) выигрыш в потери полезного сигнала будет меньше (примерно в 3-4 раз) и то только для длинноволнового диапазона наблюдения (8-14 мкм). Потери в средневолновом диапазоне наблюдения (3-5 мкм) даже больше чем в видимом диапазоне наблюдения.

Для тумана категории 3 (с дальностью видимости 305 м) потеря полезного сигнала примерно одинаковы как в видимом диапазоне, так и в ИК диапазонах.

Следует обратить внимание на значительное сокращение дистанции наблюдения при увеличении плотности тумана. Так для тумана категории 2 дальность наблюдения в ИК- диапазоне сокращается приблизительно в 7 раз по сравнению с наблюдением в тумане категории 1, а переход к наблюдению в тумане категории 3 сократит дальность наблюдения уже в 23 раза по сравнению с наблюдением в туман категории 1.

Вывод:

- туман и облака сильно рассеивают излучение и по существу непрозрачны для инфракрасных лучей, но через дождь, например, инфракрасное излучение проходит свободно;

- инфракрасные системы не могут рассматриваться как средства наблюдения при любой погоде, и каждый раз необходимо определить, для решения каких конкретных задач они используются;

- дальность наблюдения цели с помощью тепловизора сильно сокращается при работе в тумане;

- использование длинноволнового диапазона работы тепловизора (8-12 мкм) предпочтительно по сравнению со средневолновом диапазоном работы;

- обратите внимание на диапазон окон прозрачности атмосферы в 3-5 мкм и 8-12 мкм.

7.3 Источник инфракрасного излучения типа «черное» тело

Фундаментальным понятием при рассмотрении теплового излучения твердых тел является понятие об абсолютно черном теле. Абсолютно черным называется тело, поглощающее все падающее на него излучение любых длин волн.

Спектральное распределение излучения абсолютно черного тела описывается законом Планка.

 

Здесь W_λ – спектральная плотность излучения, вт ∙ см^-2 ∙ мкм^-1;

λ – длина волны, мкм;

h – постоянная Планка (6,6256 ± 0,0005)·10^-34 вт · сек²;

Т – абсолютная температура, °К;

с – скорость света (2,997925 ± 0,000003) · 10¹⁰ см · сек^-1;

c₁=2πhc² = (3,7415 ± 0,0003) · 10⁴ вт · сек^-2 ∙ мкм⁴;

c₂=ch/k = (1,43879 ± 0,00019) · 10⁴ мкм °К;

k – постоянная Больцмана (1,38054 ± 0,00018) · 10^-23 вт · сек ∙ °К^-1;

 

Рис. 14
Спектральная плотность излучения абсолютно черного тела при некоторых температурах

 

Из рисунка видно, что полный лучистый поток, излучаемый абсолютно черным телом и пропорциональный площади, ограниченной осью абсцисс и соответствующей кривой, быстро возрастает с ростом температуры. Закон этого возрастания можно получить, проинтегрировав уравнение Планка.

 

Это соотношение называется законом Стефана - Больцмана, а величина σ - постоянной Стефана - Больцмана. Она равна

 

σ = (5,6697 ± 0,0029) ∙ 10^-12 вт ∙ см^-2 ∙ ºK^-4.

 

Таким образом, полное излучение абсолютно черного тела увеличивается пропорционально четвертой степени температуры. Продифференцировав уравнение Планка, получим закон смещения Вина

 

λ_максТ = а,

 

где λ_макс - длина волны, на которой наблюдается максимум распределения спектральной плотности излучения по длинам волн; а = 2897,8 ± 0,4 мкм ∙ °К.

Пунктирная кривая на рисунке является геометрическим местом максимумов, смещающихся с ростом температуры в сторону коротких длин волн.

7.4 Температура окружающих тел, применительно к целям охранного наблюдения

При рассмотрении вопроса диапазона чувствительности тепловизоров целесообразно привязаться к двум характерным точкам:

1) 600ºС, что соответствует максимальной температуре выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания (иногда до таких температур могут нагревать выхлопные патрубки транспортных средств и отдельные детали двигателя).

2) 32ºС, что соответствует температуре наружных кожаных покровов человека.

7.4.1 Живая сила (человек)

Коэффициент излучения кожи человека очень высок, в среднем он составляет 0,99 на длинах волн больше 4 мкм. Интересно отметить, что коэффициент излучения не зависит от цвета кожи (температура 32° С). Полная сила излучения человеческого тела (принимаемого за точечный источник) равна 93,5 вт ∙ стер^-1. На расстоянии 300 м (без учета поглощения в атмосфере) облученность от тела составит около 10^-7 вт ∙ см^-2. Около 32% этой энергии лежит в диапазоне длин волн 8—13 мкм и только 1% — в интервале 3,2—4,8 мкм. Одежда, конечно, уменьшает величину облученности, так как и температура и коэффициент излучения одежды ниже, чем у обнаженной кожи.

 

Рис. 15
Распределение спектра излучения, вычисленного по закону Планка (расчет на ПК) для температуры 32 ºС

 

7.4.2 Наземные транспортные средства

Наземные транспортные средства могут излучать достаточно большую энергию, чтобы представлять интерес в качестве целей для инфракрасных систем. Краски, используемые для таких целей, обычно имеют коэффициент излучения 0,85 и выше. Старение и разрушение покраски, запыленность и загрязнение поверхности только увеличивают коэффициент излучения. Выхлопные трубы и глушители автомобилей могут излучать в несколько раз больше энергии, чем весь автомобиль, поэтому, уделяя внимание маскировке транспортных средств от инфракрасных систем обнаружения, стараются расположить особо излучающие части под автомобилем.

 

Рис. 16
Распределение спектра излучения, вычисленного по закону Планка (расчет на ПК) для температуры 600 ºС

 

Вывод:

- с ростом температуры энергия излучения тела возрастет пропорционально T⁴;

- при снижении температуры тела максимум спектральной плотности излучения тела смещается в область длинных волн.

Поэтому ТВ-камеры не способны регистрировать собственное излучение тела человека. Человек при температуре наружных кожаных покровов в 32 ºС практически ничего не излучает в области (0,4-1,1 мкм). Этим объясняется, что ТВ-камера всегда работает в отраженном от предмета свете, падающего на него от внешнего источника освещения.

Далее >>>