Применение пожарных тепловизоров для решения пожарно-спасательных задач. Учебно-методическое пособие. Смагин М.С.

М.С. Смагин

Применение тепловизоров для решения пожарно-спасательных задач. (Учебно-методическое пособие)

Оглавление

Теоретические основы тепловидения3Инфракрасный диапазон электромагнитных волн3Модель ситуации применения инфракрасной системы наблюдения5Наблюдаемый источник излучения6Среда распространения12Устройство и функциональные возможности тепловизоров16Фокусирующая оптика16Тепловизионная матрица20Аппаратура цифровой обработки25Дополнительные возможности тепловизоров29Система отображения29Батарея30Корпус32Практическое применение тепловизоров для решения пожарно- спасательных задач34Поиск пострадавших в лесистой местности34Первичная разведка пожара39Источник излучения39Среда распространения41Поиск пострадавших под завалами строительных конструкций42Поиск очагов возгорания и пострадавших в задымленной зоне45Список литературы481. Теоретические основы тепловидения

Инфракрасный диапазон электромагнитных волн

Электромагнитными волнами называются распространяющиеся в пространстве возмущения связанных между собой электрического и магнитного полей. Помимо света, к электромагнитным волнам относятся радиоволны, используемые для радиосвязи, телевидения и передачи данных в беспроводных технологиях Интернет. Любая электромагнитная волна имеет две характеристики – мощность и частоту.

Мощность волны определяет, насколько далеко волна распространяется в пространстве. Чем мощнее свет, тем он ярче и дальше светит. Чем мощнее радиоволны – тем дальше они распространяются. Мощность излучения измеряется в ваттах.

Частота является главной характеристикой электромагнитной волны, поскольку именно она определяет особенности ее восприятия. Каждый радиоприемник имеет определенный диапазон рабочих частот. Глаз человека также является радиоприемником со своим рабочим диапазоном. Он настроен на прием электромагнитных волн определенного диапазона частот, которые человек воспринимает как видимый свет.

Распределение электромагнитных волн по различным частотам называется спектром. Если мы рассмотрим общий спектр электромагнитных волн и место видимого света в нем, то получим следующую картину.

Таблица 1

Частота

(Герц) 0 108 1

09 1011 1012 1014 400

ТГц 790

ТГц 1015 1016 10

17 1020

Длина волны <1мм 1мм – 1м 780нм-1мм 380-780 нм 10-380 нм 0,01-10 нм

Единицы измерения Герцы, Кило- герцы, Мега- герцы Гига- герцы Терагерцы 400-790

Терагерц Петагерцы Экзагерцы

Видэлек- тромагнит- ных волн Радио- волны Микро- волны Инфра- красные волны Видимый Свет Ультра- фиолетовые волны Рентгеновские Волны

Используе- мое обору- дование Радио, теле- визоры Сотовые телефоны Микро- волновые печи ИК-

приборы, Тепло- визоры Глаза, видео- камеры Искусствен- ные солярии Рентгеновские аппараты

Инфракрасным называется диапазон длин волн электромагнитного спектра, имеющий более высокую длину волны, чем видимый свет, но менее высокую длину волны, чем микроволны. Точнее говоря, к инфракрасному диапазону

относится электромагнитное излучение с длинной волны от 0,74 микрометра до

1 миллиметра.

Особенностью инфракрасных волн является то, что в воздухе они распространяются неравномерно. Волны одной длины поглощаются атмосферой более активно, волны другой длины – практически не поглощаются. Соотношение энергии электромагнитной волны, прошедшей через атмосферу, и общей энергии излученной волны, называется коэффициентом пропускания атмосферы для волн данной длины. Его принято выражать в процентах. График значений коэффициента пропускания атмосферы, выраженного в процентах, для волн дли- ной до 1 до 14 микрометров представлен на рисунке 1.

719327237644

Рисунок 1

Как видно из графика, электромагнитное излучение с длиной волны от 5 до 8 мкм поглощается атмосферой практически полностью, а на участках от 1 до 5 и от 8 до 14 мкм атмосферой задерживается лишь незначительная доля энергии электромагнитных волн, и коэффициент пропускания атмосферы приближается к 90 %. Такие участки называют окнами прозрачности атмосферы. В подавляющем большинстве случаев современные средства инфракрасного зрения работают либо в диапазоне 3-5 мкм, либо в диапазоне 8-14 мкм. Их проектируют таким образом, чтобы они могли полностью использовать особенности окон прозрачности атмосферы.

Диапазон 3-5 мкм, расположен ближе к видимому диапазону электромагнитных волн (0,38 – 0,74 мкм), поэтому его часто называют ближним инфракрасным диапазоном (или просто ближним ИК). Диапазон 8-14 расположен дальше и поэтому его называют дальним инфракрасным диапазоном или просто дальним ИК.

В ближнем ИК-диапазоне распространяется преимущественно отраженное излучение. Солнце и привычные для нас лампы накаливания светят не только в видимом нам диапазоне электромагнитных волн, но и в ближнем ИК-диапазоне. Излучаемые ими инфракрасные волны отражаются от различных предметов и ведут себя почти так же как обычный свет. За тем лишь исключением, что наш глаз не умеет их воспринимать.

В природных условиях в ночное время суток нам кажется, что вокруг темно. Это значит, что отсутствуют источники света видимого диапазона, и мы видим лишь то, что позволяют нам немногие естественные ночные источники света – луна и звезды. Особенность же их в том, что в ближнем инфракрасном диапазоне они светят, зачастую, даже ярче, чем в видимом.

Если бы человеческий глаз мог воспринимать волны ближнего ИК-диапазона, то и ночью нам было бы светло, как днем. Это явление использовано в приборах ночного видения, которые воспринимают волны ближнего ИК-диапазона.

Но важно даже не это, а то, что такие приборы ночного видения являются инфракрасными приборами, но не являются тепловизионными. А вот про тепловизионные приборы, основную тему нашей статьи, и разговор будет особый.

Для начала разберемся с теплом и тепловидением. Как известно из школьного курса физики, тепло – это форма энергии. Если какой-либо объект вырабатывает энергию сам или может ее накапливать, получая от других, он излучает часть энергии в атмосферу. В зависимости от физических характеристик такого объекта, энергия может излучаться в виде волн инфракрасного диапазона, видимого света или, например, радиоволн.

Когда какой-то предмет нагревают, ему сообщают энергию. Когда он после нагрева начинает сам излучать тепло, он излучает часть сообщенной ему энергии в виде электромагнитных волн инфракрасного диапазона.

Человеческая система зрения имеет ограниченные возможности, поэтому наши глаза не дают нам возможности увидеть инфракрасное излучение. Однако мы можем его почувствовать кожей в виде тепла. Однако и кожа наша, как чувствительная система, имеет ограниченные возможности, поэтому она воспринимает как тепло не все волны инфракрасного диапазона, а только часть из них, в более узком диапазоне длин волн.

Диапазон волн, воспринимаемых нами как тепловые, наиболее близок к дальнему ИК-диапазону. Этот момент является принципиально важным. Не всякая система инфракрасного видения является тепловизионной. Или, перефразируя расхожее выражение,  каждый тепловизор это инфракрасный прибор, но не каждый инфракрасный прибор это тепловизор. Тепловизионными можно назвать лишь системы, чувствительные к волнам дальнего ИК-диапазона с длинами волн от 7 до 14 мкм.

Модель ситуации применения инфракрасной системы наблюдения

Если рассмотреть большинство ситуаций применения тепловизионных приборов, то подавляющее большинство из них можно описать с помощью простейшей модели. Такая модель будет включать в себя всего три компонента:

Собственно наблюдаемый разогретый объект, излучающий электромагнитные волны в дальнем ИК-диапазоне;

Среда распространения, которую эти волны проходят, прежде чем регистрируется тепловизором;

Тепловизор, регистрирующий параметры потока инфракрасного излучения, попадающего на его чувствительный элемент.

1778507177496

Рисунок 2

В дальнейшем, по мере рассмотрения, мы будем вносить в эту модель небольшие измерения, но указанные три являются системообразующими и существуют всегда. Далее, для краткости, будем называть эту теоретическую модель моделью «Источник-Среда-Приемник». Пока же, рассмотрим объекты модели более подробно.

Наблюдаемый источник излучения

Все существующие материальные объекты испускают и поглощают электромагнитные волны. Явление испускания связано с движением молекул внутри вещества и полностью исчезает, только когда молекулы перестают двигаться, т.е. при температуре абсолютного нуля –273 градуса по Цельсию. Тепловизионный диапазон частот и длин волн соответствует области излучения вещества при температурах, наблюдаемых обычно на поверхности земли

Диапазон и распределение мощности инфракрасных волн, излучаемых любым телом, определяется его температурой. Очевидно, что чем выше температура, тем выше мощность излучения и тем шире его спектральный диапазон. График распределения мощности излучения по диапазону инфракрасных частот при определенной температуре описывается так называемым уравнением Планка, названным в честь немецкого физика Макса Планка, исследовавшего законы электромагнитного излучения.

График функции Планка имеет вид перевернутой дуги и представлен на рисунке 3. С ростом температуры излучающего тела дуга будет подниматься все выше. Это означает, что будет расширяться спектр излучения и увеличиваться его мощность.

Есть и еще одна интересная закономерность. С ростом температуры излучающего тела верхняя точка дуги, соответствующая частоте инфракрасных волн, на которой будет излучаться максимальная мощность, будет смещаться в сторону увеличения частоты. Эта зависимость получила название «Закон смещения Вина». Согласно данному закону, максимум излучения нагретого тела приходится на волны с длиной равной 2898/Т, где температура T выражена в кельвинах. Причем этот закон является универсальным для электромагнитных волн во всех их видах. Как можно заметить, пик яркости излучения при повышении температуры будет смещаться к видимому диапазону.

Именно поэтому чрезвычайно горячие тела начинают испускать свет, видимый невооруженным глазом. По мере роста температуры максимум графика функции Вина смещается от красной области видимого спектра к фиолетовой, и горячее тело становится сначала «раскаленным до красна» а потом, по мере роста температуры, «раскаленным до бела».

719327179467

Рисунок 3

Значение длины волны, вычисленное по закону Вина для конкретной температуры, имеет размерность – микрометры. Если сопоставить вычисленные по закону Вина максимумы длин волн для различных температур с характеристиками окон прозрачности атмосферы, то можно увидеть, что в пределах окна прозрачности 8-14 мкм можно эффективно наблюдать предметы с температурой от -66 до +90° С. Это не значит, что мы не сможем видеть более нагретые тела. Но нужно иметь в виду, что контрастность отображения на экране тепловизора двух тел с разной температурой, превышающей +90° С, будет меньше, чем в случае, когда разница температур будет такой же, но температура обоих тел будет ниже +90° С.

Исследование вопроса излучения твердых тел опирается на понятие «абсолютно черного тела». Это физическая абстракция, не существующая в реальной жизни. Предполагается, что абсолютно черное тело полностью поглощает все излучение, падающее на него, и ничего не отражает. Это главное свойство абсолютно черного тела, но с точки зрения тепловидения, важно не столько оно само, сколько следствие из него. Если черное тело поглощает все падающее на него излучение, то это значит, что излучение, которое это тело испускает, вызвано только движением молекул черного тела и, значит, точно соответствует его температуре.

В природе абсолютно черных тел не существует, но существуют объекты, близкие по своим свойствам к абсолютно черному телу. Например, абсолютно черным телом является солнце. Снег для волн инфракрасного диапазона близок по своим свойствам к абсолютно черному телу. В лабораторных условиях в качестве модели абсолютно черного тела используются полые предметы с почти полностью замкнутой полостью, соединяющейся с внешней средой через небольшое отверстие, размеры которого много меньше размеров самой полости.

Большинство же объектов реальной жизни в большей или меньшей степени отличаются по своим характеристикам от абсолютно черного тела. Назовем их условно, «нечерными телами». Нечерные тела поглощают только часть Е падающего излучения, отражая часть R и пропуская часть P, как это показано на рисунке 5.

1485900208422

Рисунок 5

Если система находится в состоянии термодинамического равновесия, то в соответствии с законами сохранения, энергия, возвращаемая в окружающую среду излучением, должна быть равна энергии, накапливаемой поглощением. Проще говоря, температура нагретого предмета, и, соответственно, мощность его теплового излучения определяется только той частью падающего излучения, которая им поглощается, то есть частью E на рисунке 5.

Соответственно, при наблюдении объекта в тепловизор, его яркость на изображении определяется двумя составляющими – собственным излучением объекта и отраженным от него излучением других объектов. Соотношение этих составляющих определяется таким параметром наблюдаемого объекта, как «коэффициент поглощения», обозначаемым буквой E. Величина отраженного излучения определяется коэффициентом R, который еще называется «коэффициентом отражения».

Коэффициент Е является очень важным для решения задачи тепловидения. Тепловизор воспринимает поток инфракрасного излучения, идущий от объекта. Коэффициент Е показывает, какая доля этого излучения на определен ной длине волны соответствует температуре самого объекта. Например, если известно, что для какого-то объекта E=0,6, и его температура, наблюдаемая в тепловизор, равна 100° С, то значит его реальная температура равна 100° С ·0,6=60° С.

Значение коэффициента Е зависит от длины волны, температуры излучающего тела, материала, из которого оно сделано, его формы и угла наблюдения его поверхности. Для того чтобы несколько упростить вычисления и уменьшить число неизвестных, от которых зависит данная величина, коэффициент Е считают как среднее арифметическое по всем его значениям для различных длин волн. Остальные параметры, кроме температуры, тоже усредняют. Получившийся коэффициент называют «интегральным коэффициентом излучения» и обозначают как ε(Т).

Интегральный коэффициент излучения ε(Т) представляет собой отношение энергии излучения, испускаемого материалом при температуре Т, к энергии излучения, испускаемого абсолютно черным телом при той же температуре.

Чаще всего тепловизоры настраиваются на определенное значение ε(Т) и отклонение характеристик материалов, из которых изготовлены наблюдаемые объекты, от настроек тепловизора обуславливает помехи в картине, наблюдаемой на экране тепловизора. То есть, чем больше ε(Т) наблюдаемого объекта отличается от значения ε(Т), на которое настроен тепловизор, тем больше будет ошибка в определении яркости теплового излучения объекта, и, соответственно, в оценке его температуры.

Что интересно, у большинства материалов коэффициенты излучения в видимой части электромагнитного спектра и в инфракрасной не имеют между собой никакой зависимости и могут очень сильно отличаться. Так снег, имеющий очень малый коэффициент излучения в видимой области спектра и кажущийся нам белым, является почти черным телом в инфракрасной области.

Значения спектрального коэффициента излучения сильно зависят от температуры и особенностей материала, из которого сделан излучатель. Спектральные коэффициенты излучения металлов обычно малы, а диэлектриков, − наоборот, очень велики. Проще говоря, если смотреть в тепловизор, то металл ведет себя как зеркало, отражая падающее тепловое излучение, а диэлектрики наоборот, излучают собственное тепло. Это следует иметь в виду, поскольку большинство строительных и отделочных материалов (дерево, бетон, пластик, кафель и т.д.) относятся как раз к этой группе, однако металлы часто применяются для облицовки стен и покрытия крыш.

Помимо длины волны и температуры, коэффициент излучения материалов зависит также от угла наблюдения. Данный эффект также определяется особенностями материала, из которого изготовлен наблюдаемый объект. Например, при длине волны излучения 10 мкм поверхность воды близка к абсолютно черному телу при наблюдении ее поверхности под прямым углом, и становится практически зеркалом при наблюдении по касательной.

Коэффициент излучения большинства металлов практически неизменен в интервале углов от 0 до 40° относительно нормали к поверхности. Для диэлектриков этот интервал несколько шире – от 0 до 60°. За пределами этих значений коэффициент излучения быстро уменьшается до нуля при направлении наблюдения по касательной.

Для примера, на рисунке 6 нарисован график изменения коэффициента излучения воды в зависимости от величины угла между перпендикуляром к поверхности воды и точкой наблюдения. Как видно из графика если наблюдатель смотрит почти параллельно поверхности воды, то вода ведет себя как зеркало, а если перпендикулярно,  почти как абсолютно черное тело.

2238755209338

Рисунок 6

Когда две поверхности образуют двугранный угол, существует связь между величинами их излучения вследствие многократных отражений. Каждая поверхность, обладающая собственным коэффициентом излучения, будет иметь эффективный коэффициент излучения, изменяющийся в зависимости от ее наклона. Кроме того, помеху будут вносить электромагнитные волны, отраженные от соседней поверхности.

Например, если двугранный угол образован двумя идентичными поверхностями с одинаковыми температурами, то это создаст контраст в тепловом изображении вследствие различной ориентации этих поверхностей. Схематичное изображение такой ситуации представлено на рисунке 7.

Рисунок 7

Значения коэффициентов излучения для наиболее распространенных строительных материалов таковы:

Гудрон Бетон при + 20 °С 0,79 – 0,84

0,92

Дерево брус при + 20 °С 0,5-0,7

доска

Кирпич при + 20 °С 0,8-0,9

Красный Мрамор при + 20 °С 0,93

серый при + 20 °С 0,93

Цемент

Кровельная при + 20 °С 0,54

жесть при + 20 °С 0,05

Как уже говорилось выше, измеряемое излучение при наблюдении тела с температурой T является наложением трех явлений. Тело отражает часть R энергии излучения, испускаемого окружающей средой. Если тело частично прозрачно, оно пропускает часть P излучения фона, и наконец, третьей составляющей является собственное излучение тела Е.

Каждое тело, помимо коэффициента излучения характеризуется также коэффициентом отражения, который, как и коэффициент излучения, зависит, помимо температуры, от особенностей материала, из которого изготовлен наблюдаемый объект, и структуры его поверхности.

Отражение является особенно большой проблемой, которую всегда следует учитывать. Наиболее ярко его эффект проявляется, если тело само окружено другими телами, имеющими иные температуры, зачастую более высокие, чем температура исследуемого объекта. Особенно это важно в условиях пожара, когда пламя является источником излучения, сверхвысокой температуры, излучение которого может не только поглощаться, но и отражаться близлежащими объектами, внося, тем самым, помехи в наблюдаемую тепловизионную картину.

Среда распространения

Наличие промежуточной среды распространения электромагнитного сигнала между источником и приемником сигнала является причиной дополнительных помех. При тушении пожаров в качестве подобной среды в подавляющем большинстве случаев выступает атмосфера. Кроме того, необходимо помнить, что явления, сопутствующие пожару и процессу его тушения, такие как дым, пар, области высокой температуры, также существенно влияют на проходящие через них инфракрасные сигналы.

Результаты данного влияния можно условно поделить на три вида – искажение, рассеивание и поглощение. Рассмотрим данные эффекты более подробно.

Первый из рассматриваемых эффектов, – искажение. Он проявляет себя не только в инфракрасном, но и в видимом диапазоне электромагнитных волн, поэтому многим хорошо знаком. Наверняка всем приходилось наблюдать, как потоке горячего воздуха над костром искажаются очертания расположенных напротив предметов. Точно такой же эффект можно наблюдать и в инфракрасном диапазоне. Причины его связаны с температурной неоднородностью среды распространения и наличием в ней областей с более высокой и более низкой температурой. Предположим, что в среде распространения между излучающим объектом и приемником-тепловизором имеется нагретая область. Среда в этой области, благодаря высокой температуре, будет иметь более низкую плотность. В таком случае для инфракрасного излучения будут верны законы геометрической оптики, знакомые нам из школьного курса физики для света в видимом диапазоне. Картина распространения излучения показана на рисунке 8.

Рисунок 8

Лучи электромагнитного излучения будут, при прохождении границы раздела сред, прижиматься или отклоняться от нормали к поверхности, в зависимости от разницы в плотности этих сред. Соответственно, область высокой температуры будет играть роль рассеивающей линзы, искажающей восприятие геометрической формы наблюдаемого объекта, и снижающей мощность сигнала на единицу площади чувствительного элемента приемного устройства.

В реальной жизни, подобные области высокой температуры будут иметь преимущественно не вертикальную, как в рассмотренном примере, а горизонтальную ориентацию, кроме того, они могут иметь произвольную форму и чередоваться с областями более низких температур. Все это вместе может приводить к довольно сложным искажениям восприятия геометрических форм наблюдаемых объектов. По своему виду эти искажения очень похожи на те, что возникают, когда мы смотрим на предметы через пламя костра.

Эффект рассеивания возникает при наличии в среде распространения большого количества мелких частиц, находящихся в виде взвеси. При столкновении электромагнитных волн с частицами, они частично отражаются в обратном направлении, частично отклоняются от прежнего направления излучения. Характеристики рассеивания определяются, в первую очередь, размером частиц, и во вторую, – плотностью насыщения среды, а проще говоря, количеством частиц на единицу объема среды распространения. Наиболее ярко этот эффект проявляется если размеры частиц сопоставимы с длиной волны.

Об эффектах, связанных с поглощением энергии электромагнитных волн мы уже упоминали в самом начале, когда говорили об окнах прозрачности атмосферы в электромагнитном диапазоне. Напомню, что электромагнитные волны, распространяющиеся в атмосфере, поглощаются газами, входящими в ее состав. Коэффициент поглощения может меняться в зависимости от длины волны и достигает минимальных значений в диапазонах волн 3-5 и 8-14 мкм, называемых окнами прозрачности атмосферы. Особенность данного эффекта в том, что характеристики окон прозрачности получены для атмосферы в нормальном состоянии. Однако в условиях пожаротушения состояние атмосферы, как среды распространения электромагнитных волн, существенно отличается от нормального, ввиду наличия в ней плотных клубов дыма и пара. Кроме того, оно может само по себе меняться в довольно широких пределах в зависимости от текущих погодных условий.

Чаще всего, эффекты поглощения и рассеивания проявляются совместно. Поэтому мы рассмотрим, как влияют на них два основных фактора, препятствующих визуальному наблюдению очага возгорания – дым и пар.

Дым, как известно, представляет собой смесь газов, образующихся в процессе горения, и мелких частиц горючего материала. С точки зрения эффекта поглощения электромагнитных волн он не имеет существенного значения, поскольку входящие в него газы, как правило, не отличаются высокой поглощающей способностью. То же самое можно сказать и про эффекты рассеивания.

Согласно исследованиям, размер частиц дыма, образующихся в результате горения, составляет порядка 10-1-10-2 мкм. Таким образом, разница между длиной волны тепловизионного диапазона (8-14 мкм) и размером частиц составляет 2-3 порядка. Поэтому, даже несмотря на большую плотность насыщения густого дыма частицами (порядка 106 частиц на кубический метр), тепловизор позволяет видеть сквозь дым.

Однако при высоких температурах горения и мощных конвективных потоках размер частиц существенно увеличивается и становится сопоставимы с длиной волны. В этом случае эффекты рассеивания начинают играть существенную роль и могут приводить даже к полной непрозрачности дыма для тепловизора. Подобные явления можно наблюдать при возгорании больших объемов легковоспламеняющихся материалов с высокой удельной теплотой сгорания, например дерева. В пожарной практике об этом стоит помнить при тушении деревянных зданий, а также при разведке лесных пожаров.

В отличие от дыма, водяной пар, и вообще вода, присутствующая в атмосфере в различных агрегатных состояниях, представляет для тепловизора серьезную преграду почти всегда. Степень ее влияния на мощность инфракрасных волн, регистрируемых тепловизором, прямо пропорционально зависит от ее концентрации в среде распространения (т.е. от влажности), температуры среды, а также агрегатного состояния.

Как правило, атмосфера вокруг очага возгорания обладает повышенной относительно нормальных условий влажностью. Повышение концентрации водяных паров может быть связано как с высвобождением и испарением воды, находившейся в связанном состоянии в горящих материалах, так и с действиями пожарных, осуществляющей тушение водой, испаряющейся от высокой температуры в очаге возгорания или после контакта с разогретыми несгоревшими предметами в очаге.

На небольших расстояниях, порядка десяти метров, его влияние не столь существенно, а вот на расстоянии порядка сотен метров, оно уже весьма значительно. Говоря в пожарных терминах,  при работе с тепловизором в очаге пожара, поглощением электромагнитных волн в среде можно пренебречь, а вот при разведке пожара снаружи горящего влияние клубов водяного пара может быть уже весьма существенным вплоть до полной непроницаемости для тепловизора. Кроме того, такая ситуация может возникнуть при работе в очаге, когда очаг возгорания заливают большим количеством воды, а отсутствие вентиляции не позволяет пару рассеиваться.

Другой причиной повышенной концентрации водяного пара и вообще воды в среде распространения являются атмосферные явления. Здесь следует выделить два основных вида явлений – туман и дождь.

Туман представляет собой скопление в атмосфере мельчайших капель воды. Согласно данным приведенным в литературе, размеры капель воды в тумане лежат в пределах от 0,5 до 80 мкм, причем наибольшее их количество имеют диаметр от 5 до 15 мкм. То есть, размеры частичек тумана чаще всего сопоставим с длинами волн, регистрируемых тепловизорами. Таким образом, туман, а равно и облачность, для тепловизора практически непроницаемы. Это следует учитывать при тушении зданий повышенной этажности, а также при поиске пострадавших с воздуха.

Дождь же относится к категории атмосферных осадков, выпадающих в виде капель жидкости. Размеры капель дождя обычно варьируются от 0,5 до 3 мм, т.е. существенно больше диапазона длин волн, регистрируемых тепловизором. Таким образом, эффекты, связанные с рассеиванием, в дождь практически не наблюдаются, и влияние на наблюдаемую инфракрасную картину оказывает только общее повышение влажности, сопутствующее дождю. Поэтому сколько-нибудь значимое ослабление регистрируемых инфракрасных волн в дождь наблюдается только при очень сильных ливнях.

Устройство и функциональные возможности тепловизоров

Теперь разберемся с техническим устройством тепловизора. Его техническое устройство очень похоже на устройство привычного для нас цифрового фотоаппарата и представлено на рисунке 9. Инфракрасные волны, излученные нагретыми предметами, попадают через фокусирующую оптику на тепловизионную матрицу. Изображение с тепловизионной матрицы передается на электронную аппаратуру цифровой обработки, а затем, после обработки подается на дисплей.

719327208422

Рисунок 9

Инфракрасные волны, излученные нагретыми предметами, попадают через фокусирующую оптику на тепловизионную матрицу. Изображение с тепловизионной матрицы передается на электронную аппаратуру цифровой обработки, а затем, после обработки подается на систему отображения, выполненную в виде дисплея или окуляра.

Рассмотрим каждый из этих составных элементов более подробно.

Фокусирующая оптика

Электромагнитные волны инфракрасного диапазона, как и привычный для нас свет, распространяются в соответствии с законами оптики. Задача фокусирующей оптики,  собрать инфракрасные волны, отраженные от предметов наблюдаемой сцены и сфокусировать их на матрицу. С практической точки зрения, самой важной характеристикой оптической системы является угол обзора. Он характеризует, какая часть 360-градусной панорамы вокруг наблюдателя будет отображаться на экране тепловизора. Чем он больше, тем большая часть наблюдаемой сцены будет на экране тепловизора, но тем сложнее будет разглядеть отдельные детали. Обычно в технической документации на тепловизоры указывают два значения угла обзора, – по вертикали и по горизонтали.

Объективы тепловизоров существенно отличаются от обычных фотоаппаратов. В объективах тепловизоров используются особые стекла, сделанные на основе минерала германия. Достоинством таких стекол является их прозрачность для инфракрасного излучения, а недостатком,  высокая цена, которая может достигать до 40% стоимости тепловизора. Несмотря на довольно высокую прочность германиевого стекла и устойчивость к механической ударной нагрузке, к ним стоит относиться как можно бережнее, и беречь от ударов и царапин.

Помимо своей основной функции, фокусирующая оптика может быть так же причиной искажений тепловизионного изображения. Чаще всего искажения могут возникать от попадания на стекла капелек воды (которая непрозрачна для инфракрасных волн) или копоти в густом дыму. В обоих случаях от искажений можно легко избавиться, если протереть объектив мягкой сухой тканью. Для этого лучше всего подойдет специальная ткань или, в крайнем случае, нитяная перчатка. Нельзя протирать линзы тепловизора элементами боевой одежды пожарного, например рукавами или перчатками, поскольку это может их поцарапать и, в дальнейшем, привести к неисправности тепловизора.

Бывают искажения, более сложные, избавиться от которых зачастую, невозможно. Причина их возникновения связана с особенностями ситуации излучения и восприятия электромагнитных волн. Для того, чтобы понять причину их возникновения, обратимся к рисунку 10.

1496567208423

Рисунок 10

Рассмотрим точечный источник теплового излучения. Он излучает инфракрасные волны во всех направлениях и, соответственно, фронт излучения будет представлять собой сферу. Тепловизор, наблюдающий данный источник, через входное окно своей оптической системы, будет воспринимать участок поверхности данной сферы, представляющий собой выпуклую фигуру. Задача оптической системы состоит в том, чтобы геометрически преобразовать эту выпуклую фигуру в плоскую, и спроецировать ее на плоский чувствительный участок тепловизионной матрицы. Подобное преобразование, само по себе, является искажающим, поэтому при его выполнении неизбежно появление дополнительных искажений, влияющих на восприятие геометрических форм наблюдаемых предметов.

Наиболее часто встречающиеся виды подобных искажений,  виньетирование и аберрации. Они хорошо знакомы людям занимающимся фотоделом.

Явление виньетирования проявляется в виде затемнения или, проще говоря, постепенного падения яркости изображения от центра к краям изображения. Наиболее ярко виньетирование проявляется по углам получаемого изображения. Пример изображения видимого диапазона, искаженного виньетированием, представлен на рисунке 11.

2136648208421

Рисунок 11

С аберрациями все несколько сложнее. Само слово «аберрация» происходит от латинского aberration или «уклонение». В общем случае под аберрацией понимают любое уклонение от нормы, ошибку или погрешность. В оптике имеют место так называемые оптические аберрации, которые проявляются в виде искажений и ложных объектов, наблюдаемых на изображениях.

На изображении оптические аберрации проявляются в виде искажения форм и размытия контуров объектов, а также в виде появления фантомных объектов, отсутствующих в наблюдаемой сцене. Аберрации, связанные с искажением форм, называются геометрическими аберрациями или дисторсиями. Чаще всего встречаются дисторсии двух типов: типа «бочка» и типа «подушка».

При дисторсии типа «бочка» или, как еще говорят, бочкообразной дисторсии, объекты расширяются к центру кадра и сужаются к периферии. Так, при наблюдении решетки, состоящей из вертикальных и горизонтальных линий, пересекающихся под прямым углом, изображение с бочкообразной дисторсией будет вид, представленный на рисунке 12

Рисунок 12

При подушкообразной дисторсии наоборот − объекты сужаются к центру кадра и расширяются к периферии. В этом случае решетка, описанная выше, будет вид, представленный на рисунке 13.

2968751208422

Рисунок 13

Помимо оптических, существует еще один тип аберраций,  хроматические. На практике они чаще всего появляются в виде фантомных ореолов или каплевидных фигур вокруг источников света, ложных контуров вокруг краев ярких объектов и т.д. Пример изображения с бочкообразной (обратите внимание на левый ряд окон) дисторсией и хроматической аберрацией (ореолы во- круг источника тепла) приведен на рисунке 14.

Рис. 14. Тепловизионное изображение с бочкообразной (обратите внимание на левый ряд окон) и хроматической (ореолы вокруг источника тепла) аберрациями

Причиной появления аберраций является несовершенство линз. Явление это известно давно, поэтому в современных устройствах наблюдения местности (не только тепловизионных) оптические системы составляют из нескольких линз так, чтобы минимизировать эффекты аберраций. Однако они могут начать заметно проявляться при нарушении центровки линз в подобных системах.

Чаще всего нарушение центровки возникает из-за сотрясений, вызванных внешним механическим воздействием. Проше говоря, если тепловизор часто ронять или использовать в качестве ударного инструмента, то качество изображения начнет ухудшаться.

С практической точки зрения, самой важной характеристикой оптической системы является угол обзора. Он характеризует, какая часть 360-градусной панорамы вокруг наблюдателя будет отображаться на экране тепловизора. Чем он шире, тем большая часть наблюдаемой сцены будет на экране тепловизора, но тем сложнее будет разглядеть отдельные детали. Обычно в технической документации на тепловизоры указывают два значения угла обзора – по вертикали и по горизонтали.

Для простоты данные характеристики тепловизоров удобно сопоставлять с характеристиками зрительной системы человека. Если человек смотрит двумя глазами, то он охватывает пространство приблизительно 160° по горизонтали и приблизительно 130° по вертикали. У тепловизоров этот показатель гораздо меньше, хотя единого стандарта здесь нет.

Тепловизоры фирм Bullard и Argus, как правило, имеют углы обзора 50º по горизонтали и 37,5º по вертикали, что приблизительно соответствует изображению, получаемому зрительной системой человека, но с увеличением в три с небольшим раза. Углы зрения тепловизоров фирм MSA и Drager меняются, в зависимости от модели, от 36º×27º (увеличение в 4,5 раза) до 57º×41º (увеличение в 2,8 раза).

Отдельно следует сказать о тепловизорах фирмы FLIR Systems серии HF, чья оптика обеспечивает очень небольшие углы обзора (5º по горизонтали и 7º по вертикали), что дает увеличение около 18 крат. По сути дела такой тепловизор представляет собой тепловизионную «подзорную трубу». Такие тепловизоры удобны для дистанционной разведки пожара при развертывании сил и средств сразу после прибытия, а также дистанционного контроля тушения, на- пример с места расположения штаба руководителя тушения пожара.

Очень важный момент, который в связи с этим необходимо отметить, что даже в условиях задымления и ограниченной видимости тепловизор можно использовать только как вспомогательный прибор, но вовсе не как устройство, заменяющее обычное зрение. Поскольку небольшие (сравнительно со зрительной системой человека) углы обзора очень затрудняют ориентирование в окружающей обстановке.

Тепловизионная матрица

Следующий элемент устройства тепловизора – тепловизионная матрица. По своему устройству и характеристикам очень похожа на матрицу фотоаппарата. Как и матрица фотоаппарата, она характеризуется разрешающей способностью, которую обычно указывают не в мегапикселях, а в количестве пикселей по горизонтали и вертикали. Здесь все точно так же, как в фотоаппаратах,  чем выше разрешение матрицы, тем четче получается фотография. Чаще всего в современных пожарных тепловизорах используются матрицы разрешением 160х120 или 320х240 чувствительных ячеек, называемых пикселями. Такое небольшое их количество объясняется тем, что размер чувствительного элемента должен быть пропорционален длине волны. Для обнаружения сравнительно длинных волн, каковыми являются инфракрасные, требуются пиксели большого размера.

Главное в работе матрицы, что необходимо четко понимать, это то, что матрица регистрирует не температуру объекта, а мощность электромагнитных волн, которые он излучает в инфракрасном диапазоне частот. Применительно к графику функции Планка, рассмотренному выше, это означает, что матрица регистрирует не длину волны, на которой наблюдается пик излучения и даже не высоту этого пика, матрица определяет площадь под графиком функции Планка. Причем площадь под той частью графика, которая попадает в рабочий диапазон длин волн – 7-14 мкм. Начиная с температуры порядка +70 ºС, график функции Планка начинает выходить за пределы этого диапазона. Соответственно, часть энергии сигнала теряется и приращение мощности сигнала, а следовательно и площади под графиком, становится меньше. Обычно в программном обеспечении тепловизора это явление учитывается, и при расчетах делается поправка на высокую температуру. Тем не менее, нужно помнить, что с рос- том температуры погрешность ее измерения тепловизором повышается.

Второй момент касается того, как именно матрица работает. Инфракрасное излучение, попадающее на матрицу, преобразуется в электрический заряд, который накапливается в пикселях матрицы. Дальше пиксели разряжаются, а получившийся при разряде электрический ток является носителем информации о засветке пикселя. Но этого тока самого по себе недостаточно. Для того чтобы судить о мощности излучения, принятого пикселем, необходимо опорное значение, которое можно принять за ноль.

Поэтому по периферии чувствительной области в матрице имеются области, закрытые от внешнего излучения. С них считывается так называемый темновой ток, значение которого и является опорным − уровнем нуля.

Но и темновой ток сам по себе ничего не решает. Ведь необходимо не просто зафиксировать факт наличия облучения, но и определить его характеристики. То есть, проще говоря, электрический ток необходимо измерять. Для этого осуществляется так называемое «квантование по уровню».

То есть ток определенной силы принимают за единицу. Ток вдвое большей силы, соответственно, за двойку, ну и так далее. Все промежуточные значения округляются до ближайшего целого. Количество уровней, которые может различать тепловизионная матрица, называется «динамическим диапазоном». Большинство современных тепловизионных матриц различают 256 различных значений уровней мощности электромагнитного излучения, и, соответственно, могут генерировать ток 256 различных номиналов. Очевидно, что при разбивке всего диапазона от −66 °С до +90 °С (а диапазон современных тепловизоров гораздо больше,  чаще всего, работают в диапазоне от −40 °С до +600 °С) на 256 уровней мы получим точность порядка двух с половиной градусов.

Поэтому систему измерений несколько усложнили. Полученное матрицей изображение анализируется на предмет выяснения так называемой «фоновой температуры». Проще говоря, в качестве таковой используется значение мощности излучения, которое зафиксировано наибольшим числом пикселей изображения. И уже от него осуществляется квантование по уровню как в направлении плюса, так и в направлении минуса. Такой участок температур называют «окном чувствительности».

Причем, что очень важно, оно охватывает не весь диапазон значений температуры, а только его часть. Соответственно предметы имеющие температуру за пределами квантуемого участка отображаются на изображении как монотонно черные или как монотонно белые. Подобный же эффект можно наблюдать в традиционных цифровых фотоаппаратах, если фотографировать какие-то предметы на фоне яркого источника света.

Кроме того, фоновая температура играет решающую роль при температурных измерениях с помощью тепловизора. Если она определена с ошибкой, то, соответственно «плывут» и все измерения в рамках привязанного к ней динамического диапазона.

Иногда, фоновую температуру специально фиксируют, чтобы установить окно чувствительности на определенный диапазон температур. Например, в тепловизоре Drager UCF 9000 имеется режим поиска пострадавших “Person mode”, при включении которого окно чувствительности принудительно фиксируется на отметке 36°, что соответствует температуре человеческого тела.

В документации к тепловизорам чаще всего указываются такая характеристика матрицы, как разрешение. Под разрешением понимают размеры тепло- визионной матрицы в количестве пикселей по горизонтали и вертикали.

Разрешение матрицы напрямую определяет характеристики тепловизионного изображения, наблюдаемого с помощью тепловизора. С одной стороны, чем выше разрешение матрицы, тем выше четкость изображения. С ростом четкости изображения повышается точность и скорость распознавания наблюдаемых объектов, а также дальность их обнаружения

Существует так называемый критерий Джонсона, который показывает, какое количество пикселей считается достаточным для успешного решения задач обнаружения, распознавания и идентификации объектов. Под обнаружением понимается получение информации о наличии некоего объекта. Под распознаванием – определение вида объекта, а под идентификацией – определение особенностей наблюдаемого объекта относительно других объектов похожего вида.

Характеристические значения критерия приведены в табл.2:

Таблица 2

Задача Количество пикселей

Обнаружение 2

Распознавание 8

Идентификация 16

Дальность обнаружения различных объектов с помощью тепловизора легко посчитать по формуле:

L  R  ctg H

(1)

CX

Где: R- длина или ширина объекта в зависимости от ориентации С –количество пикселей, соответствующее задаче (2, 8 или 16)

H – Угол обзора по горизонтали или вертикали, в зависимости от ориентации интересующего объекта

X – горизонтальное или вертикальное разрешение тепловизионной матрицы в зависимости от ориентации интересующего объекта.

Возьмем, в качестве примера, тепловизор Drager UCF 6000. Он оснащен тепловизионной матрицей разрешением 160 пикселей по горизонтали и 120 по вертикали и оптикой, обеспечивающей углы обзора 47º по горизонтали и 32º по вертикали. Рассчитаем для него максимальную дальность обнаружения (2 пикслеля), распознавания (8 пикселей) и идентификации (16 пикселей) для лежащего (горизонтальная ориентация) человека ростом 1,85 м.

Дальность обнаружения составит:

L  1,85  ctg 47

 180метров

(2)

2160

Дальность распознавания, соответственно:

L  1,85  ctg 47

 45метров

(3)

8160

А дальность идентификации:

L  1,85  ctg 47

 22,5метра

(4)

16160

Иными словами, с расстояния максимум в 180 метров будет понятно, что это некий объект, обладающий аномальной, относительно фоновой, температурой. С расстояния максимум в 45 метров будет понятно, что это человек, а не животное или некая машина. А с расстояния максимум в 22,5 метра можно бу дет определить, является ли данный субъект пострадавшим или бойцом-пожарным.

C другой стороны, физический размер матриц различного разрешения, как правило, одинаков, и, соответственно, чем выше разрешение матрицы, тем меньше размер одного пикселя. Чем меньше пиксель, тем меньше инфракрасного излучения он будет поглощать в единицу времени. Это негативно отражается на чувствительности матрицы в целом и контрастности получаемого тепловизионного изображения.

Еще одним важным моментом, касающимся работы тепловизионной матрицы, является ее ограниченный ресурс работы. По мере использования ее детектирующие характеристики могут ухудшаться и возможно возникновение таких помеховых эффектов, как дрейф, усталость, последействие и память.

Эти явление наиболее удобно проиллюстрировать графическим способом на примере реакции системы на единичные внешние воздействия.

1327403209946

Рис. 15.

Под дрейфом чаще всего понимают явление изменения показаний прибора при неизменном внешнем воздействии. На рисунке изображен дрейф в сторону увеличения, который наблюдается как при нулевом, так и при единичном воздействии на систему.

Усталость – частный случай дрейфа. Явления, связанные с усталостью, заключаются в дрейфе выходного значения в сторону нуля при неизменном единичном входном воздействии.

Визуально дрейф и усталость проявляются в постепенном изменении яркости наблюдаемого тепловизионного изображения притом, что на наблюдаемой сцене изменений не происходит. В случае усталости изображения будет постепенно тускнеть, в случае дрейфа вариантов больше,  изображение может как тускнеть, так и становиться ярче, причем участки с различной яркостью могут вести себя по-разному.

Последействие, явление чуть более сложное, чем дрейф, заключается в сохранении динамических характеристик выходного сигнала при изменении динамических характеристик входного. Проще говоря, при явно выраженном последействии, изменение входного сигнала приводят к соответствующим изменениям выходного, причем выходной сигнал продолжает изменяться даже после стабилизации входного сигнала.

И, наконец, память,  явление, заключающееся в зависимости текущих значений выходного сигнала от его предыдущих значений. В отличие от последействия, явление памяти определяется характеристиками не динамических, а статических состояний выходного сигнала в предыдущие моменты времени, и наиболее ярко оно проявляется именно в моменты стабильности входного и выходного сигнала.

Визуально последействие и память проявляются в сохранении на тепловизионной картине элементов ранее наблюдавшихся сцен. Такие элементы могут проявляться в виде фантомных изображений, ярких шлейфов за перемещающимися объектами и т.д.

Аппаратура цифровой обработки

На аппаратуру цифровой обработки в тепловизорах возлагается две основных задачи. Первая  преобразование изображений, и вторая  их сжатие, хранение и передача. Именно возможности аппаратуры электронной обработки обеспечивают выполнение большей части пользовательских функций тепловизора – фотографирование, измерение температуры, раскрашивание и т.д.

Под преобразованием тепловизионных изображений подразумевается их очистка от шумов и помех, а также добваление к ним служебной информации, например перекрестия и различных цифровых данных. Кроме того, в большинстве тепловизоров аппаратура цифровой обработки выполняет также задачу улучшения изображений, т.е. внесения в них изменений, которые, с одной стороне, не соответствуют реально наблюдаемой картине, но с другой, улучшают восприятие наблюдаемого изображения оператором. Наиболее часто в тепловизорах применяются следующие операции улучшения:

Яркостное контрастирование;

Инфракрасная матрица тепловизора, как правило, воспринимает инфракрасное излучение во всем диапазоне от 7 до 14 микрометров. Каждый элемент матрицы суммирует попавшее на него излучение по всем частотам этого диапазона, суммирует мощность излучения по всем частотам и преобразует энергию инфракрасного излучения в энергию электрического сигнала. Задача формирования изображения на основе набора электрических сигналов от всех элементов тепловизионной матрицы возлагается на аппаратуру цифровой обработки.

В простейшем случае такая картина формируется путем яркостного контрастирования, когда яркость определенного участка изображения зависит от мощности электрического сигнала от определенного элемента матрицы.

Такая зависимость может быть как прямой (т.е. чем интенсивнее сигнал от элемента матрицы, тем выше яркость), так и обратной (чем интенсивнее сигнал, тем ниже яркость). В первом случае наиболее горячим предметам наблюдаемой сцены будут соответствовать наиболее светлые участки тепловизионного изображения, во втором наоборот,  наиболее горячие предметы будут отображаться наиболее темными цветами.

Как правило, большинство современных тепловизоров поддерживает как прямой, так и обратный режимы контрастирования. Причем отображение может осуществляться как в черно-белом режиме, когда степень нагрева отображается разными градациями серого, так и в одноцветном, когда степень нагрева отображается разными градациями яркости зеленого или синего цветов.

Пример тепловизионного изображения с яркостным контрастированием приведен на рисунке 16. Повышение яркости соответствует повышению температуры.

1795272208422

Рисунок 16

Цветовое раскрашивание (Колоризация);

В этом случае температура предметов наблюдаемой сцены кодируется на тепловизионном изображении не яркостью, а разными цветами. Иначе говоря, предметы наблюдаемой сцены, имеющие разные температуры будут на тепловизионном изображении окрашиваться в разные цвета. Чаще всего шкала цветов выстраивается по мере роста температуры от зеленого цвета через желтый и оранжевый к красному.

Часто раскрашивание затрагивает не весь температурный диапазон, а только верхнюю его часть. Проще говоря, предметы на тепловизионном изображении отображаются в черно-белой палитре. Лишь те из них, чья температура превышает определенный предел, раскрашиваются дополнительно. Порог раскрашивания, в зависимости от модели тепловизора, может быть задан жестко или настраиваться пользователем.

Например, в тепловизорах фирмы Bullard предусмотрен режим отображения Super Red Hot, при котором предметы на тепловизионном изображении с температурой ниже 250 °C отображаются разными градациями серого, свыше 250 °C окрашиваются в желтый цвет, свыше 400 °C – в оранжевый, и свыше 500 °C – в красный.

Пример тепловизионного изображения с цветовым раскрашиванием приведен на рисунке 17. Рост температуры отображается переходом от желтого к красному.

1757172208422

Рисунок 17

Цветовое выделение;

В этом случае изображение, как и при яркостном контрастировании, отображается в черно-белом, режиме, а цветом (чаще всего красным или синим), на нем выделяются участки, имеющие определенную температуру.

Чаще всего подобным образом выделяются либо наиболее горячие участки изображения, либо участки, температура которых превышает определенный порог, задаваемый пользователем. Так, например, в тепловизорах фирмы Bullard реализован режим, получивший название Electronic Thermal Throttle®, при котором на наблюдаемом черно-белом тепловизионном изображении наиболее горячие участки выделяются синим цветом.

Порог температуры, с которого начинается цветовое выделение, может как задаваться заранее производителем, так и настраиваться пользователем. Пример изображения с цветовым выделением представлен на рисунке 18. Разогретые области изображения выделены синим цветом.

Рисунок 18

Объединение изображений;

Наиболее сложный режим, реализованный в настоящее время только в дорогих и сложных тепловизорах. Реализуется за счет того, что в тепловизор, помимо тепловизионной матрицы, устанавливают также обычную фотографическую, чувствительную к электромагнитным волнам видимого диапазона частот. Таким образом, в каждый момент времени тепловизор получает одновременно два изображения, инфракрасное и видимое, которые в дальнейшем объединяет, представляя оператору единое изображение, сочетающее элементы из инфракрасного и видимого диапазонов.

Чаще всего, объединение изображений в тепловизоре осуществляется по яркостному критерию. Т.е. участки тепловизионного изображения, яркость которых превышает определенное пороговое значение, переносятся на изображение видимого диапазона и накладываются на соответствующие участки видимого изображения. При этом участки видимого изображения могут либо полностью отбрасываться и заменяться изображением с тепловизора, либо делаются полупрозрачными и как бы подсвечиваются тепловизионной картинкой. В результате получается объединенное изображение, на котором общая обстановка представлена в виде привычного человеческому глазу видимого изображения, а наиболее разогретые участки отображаются более информативным тепловизионным изображением.

Примером реализации подобной системы, служит функция ScanPlus в тепловизоре Drager UCF9000. При ее включении на экран тепловизора выводится видимое изображение, на которое накладываются раскрашенные тепловизионные участки, температура которых превышает заданный пользователем порог раскрашивания.

Дополнительные возможности тепловизоров

Вторая важная задача аппаратуры цифровой обработки,  это сжатие, хранение и передача изображений. Подавляющее большинство современных тепловизоров могут работать как цифровые фотоаппараты и записывать цифровые фотографии или даже видеозаписи, которые в дальнейшем могут быть полезны для доклада руководителю тушения пожара о результатах разведки пожара, документирования деятельности пожарно-спасательных подразделений с целью дальнейшего разбора, обучения и передачи опыта.

Более сложные и дорогие тепловизоры имеют в своем составе радиомодули передачи данных, позволяющие передавать наблюдаемое в тепловизор изображение удаленным абонентам в реальном масштабе времени. Такие устройства позволяют, например, организовать передачу информации о наблюдаемой обстановке от звеньев ГДЗС к руководителю тушения пожара. Тем самым мгновенно обеспечивая РТП достоверной информацией из очага, что позволяет ему более эффективно распоряжаться силами и средствами пожаротушения.

Еще одной полезной функцией тепловизоров является наличие источника лазерного луча. Лазер обладает высокой проникающей способностью даже в сравнительно густом дыму, поэтому позволяет в любой момент понять, на какой предмет направлен тепловизор, может служить указкой, для отдачи приказов пожарным расчетам, а в наиболее сложных и дорогих пожарных тепловизорах, используется в составе лазерных дальномеров для определения дальности.

Правда пользоваться им для этих целей следует осторожно, поскольку в условиях силного задымления отражение лазерного луча от частиц дыма может привести к ошибкам в расчете расстояния. Производители тепловизоров не рекомендуют использовать лазерные дальномеры для критически важных измерений, например определения глубины прогаров.

В большинстве современных тепловизоров также реализована функция цифрового увеличения. Однако не следует ждать от нее слишком многого, поскольку четкость наблюдаемого изображения определяется только разрешением матрицы и свойствами оптической системы. В такой ситуации любое цифровое увеличение будет сопровождаться соответствующими потерями четкости изображения.

Система отображения

Система отображения используется для представления тепловизионной картины оператору. Конструктивно она может выполняться в виде дисплея или в виде окуляра. Каждое решение имеет свои достоинства и недостатки.

Дисплей более уязвим для внешних воздействий. В первую очередь даже не столько ударов, сколько неизбежных на пожаре грязи и мусора, которые могут существенно усложнить восприятие информации. Дисплейная система имеет более высокую массу, чем окулярная, что тоже немаловажно. Дисплей потребляет больше энергии батарей, поэтому время работы тепловизора с окуляром гораздо выше, чем тепловизора с дисплеем.

С другой стороны, тепловизор с окуляром практически нельзя использовать в задымленной зоне, поскольку маска дыхательного аппарата не позволит поднести окуляр к глазу.

Дисплей, как техническое устройство, также имеет ряд важных эксплуатационных характеристик. Во-первых, это диагональ,  чем больше дисплей, тем проще различить на нем различные объекты. Во-вторых, это яркость,  чем ярче дисплей, тем легче с ним работать в дыму. Диагональ, как и всякий линейный размер, измеряется в сантиметрах. Комментарии здесь, я думаю, излишни. А вот яркость дисплея измеряется физическими единицами – канделами на квадратный метр. Слово кандела, по-итальянски, означает «свеча». Поэтому можно условно говорить, что если дисплей имеет яркость 100 кандел на квадратный метр, то это значит, что если бы такой дисплей имел площадь 1 квадратный метр, то он бы светил так же ярко, как 100 свечей.

Высокий размер и яркость дисплея имеют свои достоинства и недостатки. С одной стороны, чем больше и ярче дисплей, чем выше его разрешение, тем четче и детальнее будет изображение, тем проще будет увидеть его в условиях задымления. С другой стороны, с ростом размера, яркости и разрешения дисплея, растет и его энергопотребление. Кроме того, несмотря на все меры конструктивной защиты, дисплей остается уязвимым участком на корпусе тепловизора. Чем больше его площадь, тем выше шанс его повреждения при падении или тряске.

Батарея

Ну и самый главный элемент, дающий энергию для работы всей системы, это аккумуляторная батарея. С точки зрения пользователя наиболее важными их характеристиками являются емкость и саморазряд.

Емкость определяет количество энергии «запасаемой в аккумуляторе». Традиционно емкость измеряют в ампер-часах (А-ч) или ватт-часах (Вт-ч). Величину, выраженную в одних единицах легко пересчитать в другие, поделив (для Вт-ч) или умножив (для А-ч) на номинальное напряжение батареи.

Саморазрядом аккумуляторов называется явление потери заряда аккумуляторами с течением времени при отсутствии внешней нагрузки. Чаще всего его выражают в процентах от исходной емкости за определенный период времени.

В современных тепловизорах используются как литий-ионные (Dräger, MSA), так и никель-металлгидридные (Argus, Bullard) аккумуляторы. И те, и другие имеют свои достоинства и недостатки.

Достоинством никель-металлгидридных (NiMH) аккумуляторов является их сравнительно невысокая цена, также высокая удельная емкость (порядка 100 Вт-ч/кг). Вопреки распространенному стереотипу, они не требуют полного разряда перед зарядкой.

Недостатки тоже весьма значительны. В первую очередь это высокий саморазряд (порядка 20 % в первые сутки и далее по 20 % за каждый месяц хранения). Кроме того, они чувствительны и часто полностью выходят из строя при глубоком разряде. Соответственно, их резервное хранение необходимо осуществлять в заряженном состоянии с периодической подзарядкой, а повторную зарядку необходимо осуществлять при первой возможности после использования. Количество циклов заряда-разряда также сравнительно невелико – от 200 до 500, что, собственно, и диктует необходимость наличия резервных аккумуляторов. Кроме того, для них характерно сравнительно длительное время зарядки (порядка 15-16 часов), которое необходимо строго выдерживать, если только производитель не снабдил их интеллектуальным зарядным устройством с автоматическим выключением.

Однако все указанные недостатки меркнут перед одним очень важным достоинством, которое особенно значимо в условиях России. NiMH- аккумуляторы устойчиво работают в условиях низких температур вплоть до

−40 °С.

Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы почти по всем своим характеристикам оказываются существенно лучше NiMH. Они обладают большей удельной емкостью (порядка 150-200 Вт-ч/кг), выдерживают большее количество циклов зарядки (порядка 600), а также обладают низким саморазрядом (менее 10 % в месяц) при коротком (порядка полутора часов) времени зарядки. Однако они дороже и, главное, практически неработоспособны в условиях отрицательных температур,  оптимальной температурой работы для большинства из них является температура +20 °С, а при −20 °С возможна полная потеря работоспособности аккумулятора.

Особенности технического устройства аккумулятора необходимо учитывать в процессе выбора тепловизора для закупки и использования. Кроме того, важно неукоснительно следовать руководству пользователя в процессе эксплуатации.Корпус

Все описанные устройства объединены в едином корпусе, как правило, обладающем степенью защиты IP67. Данный буквенно-цифровой индекс регламентирован международным стандартом IEC 60529, а также отечественным ГОСТ 14254-96. Буквенная часть является аббревиатурой от английского словосочетания Ingress Processing (защита от проникновения).

Цифровая часть состоит из двух цифр. Первая из них обозначает защиту от твердых предметов, а второй – защиту от проникновения воды. Указатель защиты от твердых предметов может принимать значения от 0 до 6 в соответствии с таблицей 3:

Таблица 3

Уровень Защита от посторонних предметов, имеющих диа- метр Описание

0 — Нет защиты

1 >50 мм Большие поверхности тела, нет защиты от сознательного контакта

2 >12,5 мм Пальцы и подобные объекты

3 >2,5 мм Инструменты, кабели и т. п.

4 >1 мм Большинство проводов, болты и т. п.

5 Пылезащищенное Некоторое количество пыли может проникать внутрь, однако это не нарушает работу устройства. Полная защита от контакта

6 Пыленепроницаемое Пыль не может попасть в устройство. Полная защита от контакта

Указатель защиты от воды имеет более широкий диапазон значений, в зависимости от степени защищенности. Расшифровка значений указана в таблице:

Таблица 4

Уровень Защита от Описание

0 — нет защиты

1 Вертикальные капли Вертикально капающая вода не должна нарушать работу устройства

2 Вертикальные капли под углом до 15° Вертикально капающая вода не должна нарушать работу устройства, если его отклонить от рабочего положения на угол до 15°

3 Падающие брызги Защита от дождя. Вода льется вертикально или под углом до 60° к вертикали.

4 Брызги Защита от брызг, падающих в любом направлении.

5 Струи Защита от водяных струй с любого направления

6 Морские волны Защита от морских волн или сильных водяных струй. Попавшая внутрь корпуса вода не должна нарушать работу устройства.

7 Кратковременное погружение на глубину до 1м При кратковременном погружении вода не попадает в количествах, нарушающих работу устройства. Постоянная работа в погруженном режиме не предполагается.

8 Длительное погружение на глубину более 1м Полная водонепроницаемость. Устройство может работать в погруженном режиме

Таким образом, корпуса большинства тепловизоров обеспечивают полную защиту от пыли и защиту от воды достаточную для кратковременного погружения на глубину до 1 метра.

Практическое применение тепловизоров для решения пожарно- спасательных задач

Рассмотрим, как приведенные выше теоретические данные влияют на применение тепловизоров в пожарно-спасательной практике. Практический опыт автора и консультации со специалистами показывают, что в повседневной деятельности пожарно-спасательных подразделений тепловизоры используются для решения следующих задач:

Первичная разведка пожара;

Поиск очагов возгорания и пострадавших в очаге пожара

Поиск пострадавших в лесистой местности

Поиск пострадавших под завалами

Разберем каждую из задач более подробно через призму описанной выше теоретической модели «Источник-Среда-Приемник». Специфика каждой из задач состоит в том, что помимо основных объектов, названия которых вынесены в название модели, в модель добавляются дополнительные объекты. Поэтому мы будем их рассматривать по мере увеличения сложности. Наиболее простым случаем, как ни странно, является задача поиска пострадавших в лесистой местности. С нее и начнем разбор.

Поиск пострадавших в лесистой местности

Поиск пострадавших в лесистой местности с помощью тепловизоров осуществляется с воздушного носителя, самолета или вертолета. При этом с помощью тепловизора осуществляется сканирование земной поверхности на предмет поиска объектов с повышенной относительно фона температурой.

С точки зрения описанной выше модели «Источник-Среда-Приемник», в ней появляется дополнительные объекты – листва и ветви деревьев, выступающие преградой между источником и приемником излучения. Схематичное изображение такой ситуации представлено на рисунке 19. Рассмотрим ее более подробно.

Рисунок 19

С точки зрения наблюдателя, воспринимающего излучение инфракрасного диапазона, листва и ветви деревьев представляют собой неплотную преграду между излучателем и приемником излучения. Очень часто в рекламных проспектах к тепловизорам пишут, что они позволяют видеть сквозь листву. Это не совсем так. Как в видимом, так и в инфракрасном диапазоне листва является преградой для электромагнитных волн.

Причина непроницаемости листвы для человеческого взгляда лежит не столько в физике, сколько в особенностях человеческого зрения. Во-первых, в видимом диапазоне электромагнитных волн листва обладает высокой отражательной способностью. Поэтому листва хорошо отражает и рассеивает солнечный свет, видимый глазу. Как известно даже одиноко стоящее дерево отбрасывает тень, в густом лесу и вовсе даже в самый солнечный день царит полумрак. В такой ситуации глазу трудно увидеть слабо освещенные объекты прикрытые листвой, даже если они находятся в зоне прямой видимости. Похожий эффект возникает, если в яркий солнечный день пытаться увидеть, что происходит в полутемном помещении.

Во-вторых, отражательная способность листвы особенно высока на участке видимого диапазона, соответствующем зеленому цвету, к которому человеческий глаз наиболее чувствителен. Свет, отраженный от листвы, как бы «засвечивает» глаз, мешая ему видеть даже хорошо просматривающиеся объекты, если их отражательная способность ниже, чем у листвы.

Совсем другое дело, если источник света и наблюдатель находятся по разные стороны лиственной преграды. В этом случае наблюдатель будет видеть источник света даже сквозь довольно плотную листву и даже сможет сделать какие-то выводы о его природе.

Очень показательный пример подобной ситуации – костер в ночном лесу. Для наблюдателя со стороны он будет хорошо виден, а для тех, кто находится у костра, видимая область заканчивается на границе светового круга.

Поэтому тепловизор не позволяет видеть сквозь листву, просто особенности излучения и распространения инфракрасных волн таковы, что поиск разогретого объекта частично прикрытого листвой подобен поиску костра в ночном лесу.

Точно такая же ситуация возникает при поиске пострадавших в лесу с помощью тепловизора. Тело пострадавшего является источником излучения, а листва – преградой, сквозь которую этот источник будет просматриваться. Однако если листва очень густая, листьев много, они растут на толстых ветвях и сучьях, свет увязнет в такой преграде. И электромагнитные волны инфракрасного диапазона тоже. Поэтому если применение тепловизора для поиска пострадавших в лесу осуществляется с воздушного носителя, то наиболее эффективно будет сканирование пространства непосредственно под носителем, так чтобы линия визирования была, по возможности, параллельна стволам деревьев и перпендикулярна поверхности земли.

Теперь мы еще больше приблизим нашу модель к реальной ситуации и добавим в не еще один объект,  солнце, являющееся источником света и тепла в дневное время суток. Данная ситуация представлена на рисунке 20.

1819655208423

Рисунок 20

В отличие от видимого диапазона инфракрасных волн, где листва имеет высокий коэффициент отражения, в инфракрасном диапазоне листва обладает очень высоким (около 0,97) коэффициентом излучения. То есть ведет себя почти как абсолютно черное тело, поглощая все попадающие на него инфракрасные волны, а затем самостоятельно излучая их в окружающее пространство.

Когда листва освещена солнцем, она нагревается и превращается из пассивного экрана, не пропускающего инфракрасные волны от источника, в активный. То есть сама начинает излучать. Это приводит к снижению контрастности наблюдаемой тепловизионной картины, а при неравномерном нагреве листвы (например, в условиях переменной облачности), к появлению на изображении областей с различной яркостью излучения. Такие области могут сбить оператора с толку, и даже восприниматься как фантомные объекты. В связи с этим поиски потерявшихся людей в лесистой местности с помощью тепловизора будут наиболее эффективны в ночное время суток.

Густота листвы будет являться определяющим фактором для выбора высоты полета летательного аппарата. Чем гуще, листва, тем соответственно, ниже, необходимо опускаться при поиске. При выборе высоты можно руководствоваться описанным выше критерием Джонсона и формулой для расчета дальности обнаружения, распознавания и идентификации исходя из технических характеристик тепловизора. Листва, в подобной ситуации, будет сокращать количество ярких пикселей, наблюдаемых в тепловизор, поэтому, на нее надо вносить поправку при выборе высоты.

В подобной ситуации наиболее эффективной представляется стратегия, при которой осмотр лесного массива осуществляется на высоте, соответствующей дальности обнаружения (с учетом поправки на густоту листвы). Затем, при обнаружении подозрительных температурных аномалий, необходимо снижаться до высоты распознавания и идентификации для выяснения подробностей.

Для облегчения и ускорения процедуры выбора оптимальной высоты полета, удобно определять ее, ориентируясь на получаемые тепловизионные изображения объектов с заранее известными характеристиками, находящимися в похожих условиях. Например, при поиске пострадавших в лесу, можно, в начале вылета, установить нужную высоту, наблюдая размещенную в том же лесу поисковую партию.

Значительное влияние на эффективность поиска пострадавших в лесу оказывает среда распространения сигнала. Как уже отмечалось выше, электромагнитные волны, проходящие через атмосферу от источника сигнала к приемнику, ослабляются с увеличением расстояния. Причем коэффициент поглощения растет с ростом влажности. Как, опять-таки, говорилось выше, на расстояниях порядка нескольких десятков метров эти эффекты проявляются слабо, то на расстояниях порядка сотни метров, они становятся уже весьма существенными. Отсюда несложно сделать вывод, что поиск пострадавших в лесных массивах с помощью тепловизоров будет наиболее эффективен в ясную погоду при низкой влажности.

В пасмурную погоду, при сравнительно высокой влажности, необходимо уменьшать высоту полета так чтобы летательный аппарат был максимально близко к земле и обязательно ниже уровня облаков, которые, как мы уже говорили, являются для тепловизора непроницаемой преградой. При интенсивных осадках, снеге, дожде и т.д., эффективность использования тепловизора будет крайне низкой.

Необходимость сокращения расстояния между источником и приемником, требование параллельности линии визирования стволам деревьев, а также требование перпендикулярности линии визирования к подстилающей поверхности диктуют еще одну особенность применения тепловизоров для поиска пострадавших в лесных массивах. При осмотре местности с борта летательного аппарата, необходимо осматривать пространство непосредственно под летательным аппаратом. Просмотр местности в направлении полета, например из кабины пилота, практически бесперспективен.

Особенно важно, чтобы между тепловизором и наблюдаемой местностью не было никаких дополнительных преград, пусть даже и прозрачных для человеческого глаза. Наблюдение за местностью через иллюминатор или стекло кабины пилота не имеет смысла, поскольку большинство видов стекла и прозрачного пластика ведут себя в инфракрасном диапазоне как почти абсолютно черные тела, т.е. поглощают все падающее на них электромагнитное излучение. Поэтому наблюдение в тепловизор через стекло позволяет наблюдателю получить информацию только о нагреве этого стекла и не более того.

В условиях неполноты информации об искомом объекте, как правило сопровождающей поиск людей, потерявшихся в лесных массивах, большое значение приобретает мастерство оператора по правильной интерпретации наблюдаемых тепловизионных изображений.

В первую очередь, необходимо учитывать, что искомый пострадавший может быть не единственным теплокровным живым организмом в обследуемом лесном массиве. Поэтому большое значение приобретает правильное распознавание и идентификация обнаруженных источников инфракрасного излучения. Помимо пострадавшего в лесном массиве могут находиться животные, посторонние люди (охотники, рыболовы, туристы) и, наконец, наземные поисковые партии.

Во-вторых, важным источником информации могут служить косвенные признаки, связанные с последствиями человеческой деятельности. В первую очередь это костры и потухшие кострища, сохраняющие аномальные температурные характеристики в течение 4-5 часов после того, как костер погас. Кроме того, в условиях густой листвы о пребывании человека могут свидетельствовать локальные изменения ее излучательных характеристик, связанные с ее высыханием в потоке горячего воздуха над ярким костром, или если ветви были специально подрублены. Цветовые характеристики здоровой и поврежденной листвы в видимой части спектра будут практически идентичны, а вот излучательные характеристики в ИК-диапазоне могут существенно различаться.

ВЫВОДЫ:

Тепловизор не позволяет смотреть сквозь листья и ветки. С ростом густоты леса эффективность применения тепловизора падает.

Поиск пострадавших в лесных массивах с помощью тепловизора с борта летательного аппарата наиболее эффективен в ночное время суток при ясной погоде.

Не следует проводить поиск в условиях осадков (дождь, снег) и атмосферных явлений, связанных с высокой влажностью (туманы).

Выбор высоты полета должен осуществляться с учетом густоты листвы и влажности атмосферы. С ростом влажности воздуха и густоты листвы высота полета должна снижаться.

Следует просматривать местность непосредственно под летательным аппаратом, так чтобы линия визирования была, по возможности, перпендикулярна поверхности земли.

Сканирование местности тепловизором следует осуществлять напрямую, без каких либо, пусть даже прозрачных для человеческого глаза, преград между входным окном тепловизора и земной поверхностью.

При просмотре местности очень важно непрерывно анализировать наблюдаемую картину, − проводить распознавание и идентификацию наблюдаемых температурных аномалий, а также искать косвенные свидетельства человеческой деятельности.

Первичная разведка пожара

Чаще всего применение тепловизоров для первичной разведки пожара осуществляется в процессе развертывания пожарно-спасательных сил и средств непосредственно после прибытия к объекту возгорания, когда требуется как можно скорее установить локализацию и оценить масштабы пожара. Особенно часто подобная задача возникает при тушении пожаров на высоких этажах зданий повышенной этажности. Кроме того, тепловизор может быть полезен в подобной ситуации для обнаружения пострадавших, расположенных в оконных проемах, но скрытых дымом от непосредственного наблюдения.

Рассмотрим данную задачу с точки зрения модели «Источник-Среда-

Приемник».

Источник излучения

При первичной разведке пожара источником излучения будут являться внешние стены и архитектурные элементы здания, расположенные в непосредственном контакте, или просто поблизости от очага возгорания. Как можно увидеть из приведенной несколькими разделами выше таблицы, большинство современных строительных материалов, по своим излучательным характеристикам в ИК-диапазоне, близки к абсолютно черному телу. Это означает, что наблюдаемое инфракрасное излучение строительных конструкций практически соответствует их реальной температуре и влияние отраженного излучения не- велико.

С другой стороны, большинство строительных материалов обладают очень высокой теплоемкостью. Соответственно, повышение мощности их излучения наступает с задержкой относительно начала нагрева, а понижение – с задержкой относительно момента охлаждения. Проще говоря, если огонь ушел по пустотам в другие помещения, их внешние стены далеко не сразу начнут «светиться» в тепловизоре. Верно и обратное,  даже если возгорание ликвидировано, стены будут еще некоторое время сохранять нагрев и служить источниками инфракрасного излучения.

Важным источником информации могут служить дефекты, позволяющие проникать через стены инфракрасному излучению непосредственно из очага. Такие дефекты могут быть вызваны как строительным браком (плохо заделанные швы и отверстия), так и разрушениями, возникшими в ходе пожара (прогары, разбитые окна). Благодаря тому, что они служат путями непосредственного теплообмена с внешней средой, их можно использовать для получения информации о температурном режиме за преградой.

Важным источником информации, требующим, однако, правильной интерпретации, являются застекленные окна. Как уже было сказано выше, обычные оконные стекла не пропускают волны инфракрасного диапазона и по своим поглощательным характеристикам близки к абсолютно черному телу. Однако теплоемкость стекла сравнительно невелика, и если окна ярко выделяются на тепловизионном изображении как объекты с высокой температурой, это может значить, что за ними расположен мощный источник тепла.

Большую роль при первичной разведке пожара играет пространственная ориентация наблюдаемых в тепловизор элементов конструкции относительно наблюдателя. Как мы помним из теоретической части, коэффициент излучения объектов падает по мере отклонения линии визирования от номали к поверхности излучаемого объекта. Если угол между нормалью к поверхности объекта и линией визирования превышает 60 гардусов, то поверхность объекта начинает вести себя как вертикальный отражатель.

Поскольку в большинстве случаев первичная разведка пожара ведется с земли, а стены зданий, как правило, ориентированы по вертикали перпендикулярно земле, то существует минимальное расстояние между стеной здания и точкой с которой осуществляется тепловизионный мониторинг. Причем это расстояние растет с увеличенеием высоты точки возгорания. Этот фактор особенно важен при разведке и последующем тушении пожара в зданиях повышенной этажности.

В приведенной ниже табл. 5 приведены значения минимального расстояния, с которого следует осуществлять тепловизионный мониторинг, в зависимости от номера этажа, на котором произошло возгорание. В качестве величины высоты одного этажа взято значение в 3 метра, характерное для зданий "брежневской" постройки, составляющих основу жилого фонда в большинстве городов РФ. Все значения даны в метрах.

Таблица 5

Номер этажа Высота (м) Минимальная дальность наблюдения (м)

5 15 9

6 18 11

7 21 13

8 24 14

9 27 16

10 30 18

11 33 19

12 36 21

13 39 23

14 42 25

15 45 26

16 48 28

Кроме того, нельзя забывать, что в зданиях со сложными архитектурными элементами, переменной этажности и т.д. возможно наличие в поле зрения тепловизора нескольких плоскостей, находящихся под различными углами к линии визирования. В этом случае необходимо:

Во-первых, делать поправку на углы между данными плоскостями и линией визирования. Необходимо помнить, что две плоскости одинаковой температуры, расположенные под разными углами, будут иметь разную яркость на экране тепловизора.

Во-вторых, необходимо иметь в виду, что в областях, прилегающих к местам стыка различных плоскостей, наблюдаются эффекты, связанные с переотражением инфракрасных лучей. Чтобы не вдаваться в сложности геометрической оптики, сформулируем простое оешающее правило. Если в поле зрения тепловизора имеется одновременно несколько архитектурных плоскостей, то плоскости перепендикулярные линии визирования, холоднее, чем кажутся, плоскости, расположенные под острыми углами к линии визирования, горячее, чем кажутся.

Дополнительным фактором, вносящим помехи, будет являться солнце. В летнее время года яркий солнечный свет способен нагревать бетон и прочие строительные материалы до высоких температур, снижая тем самым контрастность наблюдаемой картины.

Среда распространения

При выполнении задачи первичной разведки пожара в качестве среды распространения выступает атмосфера. Как уже отмечалось выше, основным фактором, обуславливающим негативное влияние атмосферы на электромагнитные волны, является влажность. Чем выше влажность атмосферы,  тем интенсивнее идет поглощение инфракрасных волн. Поэтому применение тепловизора для первичной разведки пожара наиболее эффективно в сухую ясную погоду. Применение тепловизора в дождь или снег будет малоэффективно.

Другим негативным фактором является дым, однако, он влияет только на очень больших расстояниях, например при разведке пожара на верхних этажах зданий сверхвысокой этажности (небоскребах) с вертолетов. Также в данной ситуации существенную негативную роль может играть облачность, практически непрозрачная для ИК-излучения.

Выводы:

Применение тепловизора для первичной разведки пожара наиболее эффективно в ясную сухую погоду.

Использование тепловизора для первичной разведки пожара в дождь и снег крайне неэффективно.

При использовании тепловизора для первичной разведки пожара в типовых жилых и административных зданиях следует соблюдать минимально допустимое расстояние от здания, устанавливаемое в зависимости от высоты этажа, на котором происходит возгорание.

При разведке пожара в зданиях со сложными архитектурными элементами следует учитывать ориентацию наблюдаемых в тепловизор конструктивных плоскостей горящего здания относительно линии визирования. Две плоскости, имеющие одинаковую температуру, но поазному ориентированные к линии визирования будут иметь разную яркость на экране тепловизора.

В местах стыка конструктивных плоскостей горящего здания, расположенных под различными углами к линии визирования, плоскости расположенные перпендикулярно к линии визирования кажутся горячее, а плоскости, расположенные под острыми углами к линии визирования, холоднее, чем есть на самом деле.

Оконные стекла непрозрачны для тепловизоров, однако являются хорошими проводниками тепла. Их нагрев может свидетельствовать о наличии за ними источника высокой температуры.

Поиск пострадавших под завалами строительных конструкций

Рассмотрим задачу поиска пострадавших под завалами строительных конструкций с точки зрения модели «Источник-Среда-Приемник». Помимо базовых объектов модели, в нее добавляется всего один дополнительный объект, преграда. В условиях поиска пострадавших под завалами роль преграды выполняют обломки строительных конструкций, находящиеся между пострадавшим и сотрудником пожарно-спасательного подразделения с тепловизором. Подобная ситуация изображена на рисунке 21.

Рисунок 21

Если осмотр зоны ЧС осуществляется с близкого расстояния, то можно не учитывать ни особенности источника излучения, ни особенности среды распространения инфракрасных волн. Поэтому самую важную роль играет как раз преграда,  обломки строительных конструкций.

Как мы уже увидели выше, большинство строительных материалов (дерево, кирпич, бетон) по своим излучательным характеристикам в инфракрасном диапазоне близки к абсолютно черному телу. Это значит, что они поглощают инфракрасные волны и практически полностью непрозрачны в инфракрасном диапазоне. Таким образом, они поглощают тепло как от внешних излучателей (солнце, открытый огонь и т.д.), так и от внутренних, в первую очередь имеется в виду тепловое излучение заключенных под завалами пострадавших. Другая их особенность в том, что они обладают высокой теплоемкостью. Таким обра зом, для их прогрева требуется приложить большой объем энергии.

Теперь посмотрим, как эти особенности влияют на решение нашей задачи. Итак, строительные конструкции не пропускают инфракрасные волны, поэтому тепловизор не позволяет увидеть сквозь преграду. С другой стороны, высокая теплоемкость строительных конструкций не позволяет пострадавшему за счет температуры тела существенно повысить их температуру, чтобы пострадавших можно было обнаружить по аномальному нагреву самих конструкций.

Единственными тепловыми аномалиями, которые можно будет наблюдать в тепловизор, будут элементы тел пострадавших, которые будут находиться в прямом визуальном контакте с приемником излучения через отверстия в преграде. В условиях низкой температуры воздуха, такие объекты будут иметь высокий тепловой контраст на фоне преграды.

Теперь добавим в модель «Источник-Среда-Приемник» дополнительный элемент – солнце. Графическое изображение такой усложненной модели можно увидеть на рисунке 22.

Рисунок 22

Солнце является мощным источником инфракрасного излучения, которое попадает и поглощается объектами, находящимися в прямом визуальном контакте с солнцем. В контексте рассматриваемой модели, такими объектами будут, в первую очередь, строительные конструкции, играющие роль преграды.

В условиях их нагрева будет падать контраст между ними и элементами тел пострадавших, которые можно наблюдать через отверстия в преграде. Это делает тепловизор практически неэффективным для поиска пострадавших под завалами строительных конструкций в дневное время суток, особенно в ясную погоду.

Все вышесказанное не означает, что тепловизоры совершенно бесполезны при поиске пострадавших под завалами строительных конструкций. Дело в том, что тепловизор, как уже было сказано в теоретической части, является пассивным прибором, регистрирующим излучение окружающих объектов, но, при этом не дающим самостоятельного излучения. Это свойство тепловизора можно использовать при просмотре различных полостей в завалах после их вскрытия в процессе разборки. Визуальный осмотр таких полостей с фонарем менее эффективен, поскольку световое излучение фонаря приводит к образованию затененных областей. Контроль таких областей может быть крайне затруднителен, кроме того, тени сами по себе являются визуальными помехами, часто приводящими к ложному распознаванию интересующих объектов. Тепловизор, как не излучающий прибор, лишен таких недостатков.

Выводы:

Тепловизор в целом малоэффективен для поиска пострадавших под завалами строительных конструкций, особенно в дневное время суток.

Тепловизор может быть эффективен при первичном осмотре зоны обрушения в темное время суток в условиях недостаточного освещения, особенно в зимних условиях (Трансвааль-парк, Басманный рынок) на начальном этапе ликвидации ЧС.

Тепловизор может быть эффективно использован для просмотра полостей, вскрываемых при разборке завалов.

Поиск очагов возгорания и пострадавших в задымленной зоне

При работе в очаге и задымленной зоне тепловизор может быть эффективно использован звеньями ГДЗС для разведки пожара, спасательными подразделениями для поиска и эвакуации пострадавших из очага и зоны задымления, а также расчетами пожарных стволов при поиске и тушении очагов возгорания.

Первое, что надо помнить при работе в задымленной зоне, что тепловизор может показать то, что не видно человеческим глазом, но, зачастую, не может показать то, что видно. Поэтому он может дополнить возможности нашей зрительной системы, но не может ее заменить. Поэтому даже при работе в задымленной зоне тепловизор остается лишь вспомогательным средством получения информации об окружающей обстановке, наряду с другими имеющимися в распоряжении у пожарного.

В первую очередь, следует помнить о личной безопасности. Например, различные разрушения и прогары не обладают ярко выраженными тепловыми характеристиками, поэтому могут быть просто не видны в тепловизор. Поэтому не следует воспринимать тепловизор как прибор для видения в темноте или в дыму и пренебрегать фонарем и прощупыванием пространства вокруг себя с помощью лома.

Не стоит забывать и о сохранности тепловизора в исправном состоянии. Разогретый воздух, не находя выхода, может скапливаться в замкнутых помещениях, особенно в верхней их части на уровне человеческого роста. Если его температура близка или превышает рабочую температуру тепловизора (у большинства тепловизоров она составляет порядка +80 ºС), то электроника тепловизора начинает сбоить и выходить из строя, что может выражаться в искажении и пропадании изображения на экране, а также самопроизвольном выключении тепловизора. В такой ситуации следует опустить тепловизор ниже, в более холодный слой воздуха, и использовать его из положения полусидя.

Ситуация поиска очагов возгорания и пострадавших в очаге пожара является наиболее сложной из всех рассмотренных. С точки зрения модели «Источник-Среда-Приемник», для нее характерны сложные геометрические очертания наблюдаемых объектов, наличие большого количества помех, вызванных переотражением теплового излучения, а также сложным состоянием среды распространения инфракрасных волн.

Наиболее неприятными эффектами, с точки зрения практической работы, является эффекты, связанные с переотражением. В качестве отражателей инфракрасных волн могут, выступать, в первую очередь, зеркала,  как настенные, так и встроенные в мебель и межкомнатные двери. Кроме того, возможно переотражение теплового излучения от луж воды, гладких металлических поверхностей и т.д. если их плоскость находится под острым (менее 30°) углом к оптической оси тепловизора.

Наблюдаемым эффектом от переотражения инфракрасных волн будет появление фантомных объектов, отражений, наблюдаемых на экране тепловизора, но отсутствующих в реальности. Таким фантомным объектом, в частности, может быть зеркальное отражение самого пожарного подразделения с тепловизором, которое можно увидеть в бытовом зеркале.

В связи с этим следует быть очень внимательным и постоянно анализировать наблюдаемые в тепловизор объекты, особенно подвижные, на предмет определения их природы и установления, являются ли они реальными объектами или фантомными.

Второй по сложности группой эффектов являются эффекты, связанные с наличием преград между очагом возгорания и наблюдателем. В качестве преград могут выступать, опять-таки, элементы мебели, межкомнатные двери межэтажные, межкомнатные и несущие перекрытия. Большинство материалов, из которых изготовлены данные объекты (стекло, дерево, кирпич, бетон), по своим излучательным характеристикам близки к абсолютно черным телам, а значит, активно поглощают инфракрасное излучение.

В связи с этим часто бывает сложно понять, наблюдается ли на тепловизионном изображении очаг возгорания или просто разогретый предмет или элемент преграды. С одной стороны, высокая температура наблюдаемого объекта позволяет сделать косвенный вывод, что очаг возгорания, разогревший объект, находится поблизости. С другой стороны, большинство негорючих материалов, используемых в быту, обладают очень высокой теплоемкостью. Проще говоря, они медленно разогреваются и медленно охлаждаются. Если принять такой предмет за очаг возгорания подать на него воду из ствола, то вода испарится, помещение заполнится паром, который, как мы помним, является преградой для инфракрасного излучения. Тепловизор в этом случае станет бесполезен, поскольку в него ничего нельзя будет увидеть.

Чтобы не попасть в такую ситуацию, необходимо, опять-таки, быть внимательным и анализировать наблюдаемое изображение. Чаще всего нагретые объекты, в силу большой теплоемкости, нагреваются равномерно, то есть весь предмет или его нагретые элементы, имеют приблизительно одинаковую температуру по всей площади нагрева. Визуально на экране тепловизора, такой предмет, или его нагретый участок, наблюдаются как монотонно яркое пятно без ярко выраженных отличий по нагретой площади. В этом его отличие от области возгорания, где всегда имеются температурные аномалии, которые, к тому же, все время перемещаются.

Еще одним способом проверить себя в подобной ситуации, является подача небольшого количества воды из ствола на разогретый объект. Если вода испарится без существенного изменения наблюдаемой тепловой картины, значит вы имеете дело с разогретым предметом. Если же тепловая картина изменится, значит, вы, скорее всего, обнаружили очаг возгорания.

Кроме того, тепловизор не позволяет фиксировать очаги возгорания и осуществлять поиск пострадавших, находящихся за преградами подобного рода. И если о наличии возгорания можно судить по косвенным признакам (истечение горячего воздуха через отверстия в преграде, общий нагрев преграды и т.д.), то для поиска пострадавших данные преграды необходимо удалять – осуществлять проверку помещений, мебели (в первую очередь шкафов) и т.д.

Выводы:

Учитывая такие особенности тепловизора, как ограниченный угол обзора, а также неспособность выделять различные объекты, обладающие одинаковыми температурными характеристиками, его необходимо использовать как вспомогательный инструмент разведки пожара и поиска пострадавших, но не как основной канал получения визуальной информации из очага.

При работе в очаге с использованием тепловизора следует помнить, что многие объекты, представляющие опасность для сотрудников пожарно-спасательных подразделений (разрушения, прогары) могут быть не видны в тепловизор.

При возгораниях в замкнутых помещениях возможно возникновение у потолка зон скопления разогретого воздуха, попадание тепловизора в которые может привести к сбоям в его работе и даже поломке. В подобных ситуациях тепловизор следует применять из положения полусидя.

При тушении пожаров в жилых и административных помещениях необходимо учитывать, что бытовые зеркала, зеркальные элементы отделки и мебели отражают инфракрасные волны. Наблюдаемые в них отражения являются фантомными объектами, не существующими в реальности.

При использовании тепловизора в составе пожарного подразделения со стволом необходимо избегать использования воды для охлаждения разогретых объектов, поскольку образующийся при этом водяной пар слабо проницаем для инфракрасных волн и «ослепляет» тепловизор.

Большинство преград, с которыми можно встретиться в очаге (дверей, мебели, межэтажных и межкомнатных перекрытий) не пропускают инфракрасные излучения и тепловизор не позволяет смотреть «сквозь» них. Это особенно важно помнить при поиске пострадавших,  проверять все помещения и мебель (шкафы и т.д.)

Список литературы

Вавилов В.П., Александров А.Н. Инфракрасная термографическая диагностика в строительстве и энергетике. – М.:НТФ «Энергопрогресс» 2003. – 76с.

ДроздовВ.А.,СухаревВ.И.Термографиявстроительстве.–

М.:Стройиздат, 1987. – 240 с.

Нестерук Д.А., Вавилов В.П. Тепловой контроль и диагностика. Учебное пособие для подготовки специалистов I, II, III уровня. – Томск:, 2007. – 104 с.

Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение: Пер. с франц. – М.: Мир, 1988. – 416 с.

Крискунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. – М.: Сов. Радио, 1978. – 400 с.

Хадсон Р. Инфракрасные системы. – М.: Мир, 1972. – Т. 302.

Francine Amon и др. Performance Metrics for Fire Fighting Thermal Imaging Cameras – Small and Full-Scale Experiments, Nist Technical Note 1499, Na- tional Institute of Standards and Technology, U.S. Department of Commerce, July 2008