ТЕПЛОВОЙ ИМИТАТОР
THERMAL SIMULATOR

Изобретение относится к области снижения заметности вооружения и военной техники, ввода в заблуждение средств поражения высокоточным оружием, а также обеспечения скрытности вооружения и военной техники от тепловизионных, оптикоэлектронных средств воздушно-космической разведки и может быть использовано при разработке средств имитации объектов вооружения и военной техники в местах и пунктах постоянной дислокации или запасных районах рассредоточения, а также увода и срыва прицеливания инфракрасных головок самонаведения высокоточного оружия от реальных целей.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявляемому изобретению является устройство имитации теплового контраста, содержащее имитатор, выполненный в виде полотнища из брезентового материала на котором закреплены источники теплового излучения, выполненные в виде пластин размером, не превышающим линейного разрешения на местности тепловизионной аппаратуры разведки, блок управления терморегулятором, имеющий N+M выходов, соединенных, соответственно, с N+M входами терморегулятора, имеющего N+M выходов, соединенных со входами источников теплового излучения n-ой строки и m-го столбца (патент RU 2278344, С1, РФ, кл. F41H 3/00, опубл. 20.06.2006).
Основным недостатком данного устройства является низкая достоверность соответствия теплового контраста имитируемого объекта с тепловым контрастом имитатора, что обусловлено влиянием внешних условий наблюдения на формируемый тепловой контраст, а также невозможностью воспроизведения на имитаторе всего требуемого перепада температур, которые могут быть на поверхности реальных объектов. Кроме того, при обработке изображений объекта и фона, осуществляемой в прототипе, постоянная составляющая фона является помеховым (мешающим) излучением (Ллойд Дж. Системы тепловидения. М: «Мир». С. 300), компенсация которого позволит более точно воспроизвести тепловой контраст имитатора, соответствующий тепловому контрасту имитируемого объекта. Это обусловлено тем, что регулирование температуры объекта осуществляется в соответствии с заранее известным его тепловым портретом независимо от теплового состояния объекта в данный момент времени (двигатели выключены или в рабочем состоянии, ходовая часть объекта нагрета после пробега или он остыл до отрицательных температур и др.), от фона и условий, в которых он наблюдается.
При этом перепад температур на имитируемом объекте может достигать значительных значений, который невозможно спрогнозировать для всех условий функционирования имитируемого объекта. Так, в (Смирнов В.П. Маскировка подвижных наземных объектов в современных условиях / В.П. Смирнов, Н.М. Калашников, С.И. Смолин. - М.: ИП Радиософт, 2015. 80 с.) показано, что при температуре окружающего воздуха -8°С, температура поверхности танка в области расположения двигательной установки после пробега может составляет величину около 100°С. При этом, этот же объект в статическом положении будет иметь на своей поверхности отрицательную температуру. Такой перепад температур невозможно реализовать с использованием прототипа в связи с его конструктивным исполнением, так как тканные нагреватели воспроизводят только положительные значения температуры, достигающие величин порядка 40°С, а также имеют неравномерное распределение температуры по поверхности электронагревательной ткани, что приводит к снижению достоверности имитации из-за недостаточного нагрева или локального перегрева участка поверхности имитатора (Мнев Б.А., Модестов М.Б., Шульженко А.А. Расчет тканого электронагревателя с равномерным распределением температуры на его поверхности. Проблемы машиностроения и надежности машин №6 2011).
Технический результат изобретения заключается в формировании теплового контраста имитатора, соответствующего тепловому контрасту объекта за счет расширения диапазона воспроизводимых на имитаторе температур, реально существующих на имитируемом объекте за счет выполнения источников теплового излучения в виде трехкаскадных термоэлектрических модулей (ТЭМ), а также в компенсации постоянной составляющей фона при формировании требуемого теплового контраста.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном тепловом имитаторе, содержащем последовательно соединенные блок управления, имеющий N выходов и N источников теплового излучения, при этом n-й выход блока управления соединен с входом соответствующего источника теплового излучения, дополнительно введены последовательно соединенные первый блок регистрации теплового изображения, ориентированный на имитируемый объект, блок компенсации фона имитируемого объекта, приемо-передающее устройство и схема сравнения, выход которой соединен с входом устройства управления, а также последовательно соединенные второй блок регистрации теплового изображения, ориентированный на имитатор, блок компенсации фона имитатора, выход которого соединен со вторым входом схемы сравнения.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном тепловом имитаторе источники теплового излучения выполнены в виде трехкаскадных термоэлектрических модулей.
Сущность изобретения заключается в том, что в тепловой имитатор дополнительно введены последовательно соединенные первый блок регистрации теплового изображения, ориентированный на имитируемый объект, блок компенсации фона имитируемого объекта, приемо-передающее устройство и схема сравнения, выход которой соединен с входом блока управления, а также последовательно соединенные второй блок регистрации теплового изображения, ориентированный на имитатор, блок компенсации фона имитатора, выход которого соединен со вторым входом схемы сравнения, а источники теплового излучения выполнены в виде трехкаскадных термоэлектрических модулей.
Известно, что на формирование теплового контраста оказывают существенное влияние параметры фона, при котором наблюдается имитируемый объект и имитатор (состояние атмосферы, подстилающей поверхности и др.) (Иванов В.П., Курт В.И., Овсянников В.А., Филиппов В.Л. Моделирование и оценка современных тепловизионных приборов. - Казань: Из-во ФНПЦ НПО ГИПО. 2006. С. 285). Изменения тепловых состояний объекта, температурные перепады, обусловленные изменением температуры окружающей среды (ночь, день) и динамично меняющиеся условия наблюдения являются одним из основных демаскирующих признаков, и резко снижают степень схожести имитируемого объекта с реальным образцом ВВТ, а, следовательно, и вероятность определения ложной цели как объекта поражения. Это связано с тем, что фон наблюдения может иметь тепловую неоднородность и, в зависимости от времени суток, интенсивности перепада температур и изменения метеоусловий, тепловой контраст объекта и его имитатора может быть, как положительным, так и отрицательным При этом для более точной передачи и воспроизведения теплового контраста требуется компенсировать постоянную составляющую фона, присутствующую в принятой реализации теплового изображения (Ллойд Дж. Системы тепловидения. М.: «Мир». С. 300).
В прототипе тепловой контраст имитатора формируется путем регулирования температуры источников теплового излучения в соответствии с заданным тепловым изображением объекта имитации. При изменении внешних условий устройства имитации, а также в случае интенсивного нагрева или охлаждения до отрицательных температур отдельных участков имитируемого объекта его тепловой контраст, в соответствии с прототипом, формируется по заранее заданному тепловому изображению имитируемого объекта, который невозможно спрогнозировать для различных режимов работы объекта (объект в статическом положении, нагрев узлов и агрегатов его ходовой части при осуществления пробега, нагрев поверхности над силовой установкой во время ее работы, отрицательный контраст участка поверхности объекта, лежащего в тени местных предметов или наблюдающегося на фоне, имеющем отрицательную температуру и.т.п.), поэтому сформированный тепловой контраст не будет соответствовать реальному тепловому контрасту объекта имитации.
Кроме того, при обработке теплового изображения имитатора осуществляемой в прототипе постоянная составляющая фона является помеховым (мешающим) излучением, особенно при невысокой контрастности. Поэтому введение в предлагаемое изобретение устройства компенсации постоянной составляющей фона позволяет с большей точностью воспроизвести тепловой контраст имитатора, соответствующий тепловому контрасту имитируемого объекта.
Согласно изобретению, регистрируют сформированные при реальных условиях наблюдения тепловые изображения имитируемого объекта, и имитатора на характерном для их местоположения окружающем фоне. В полученных изображениях компенсируют постоянную составляющую фона -средние значения яркости. Компенсация постоянной составляющей фона может быть реализована, например, с помощью методики описанной в (Ллойд Дж. Системы тепловидения. М.: «Мир». С. 300-307). По результатам сравнения тепловых контрастов, отдельно разрешаемых тепловизионной аппаратурой элементах поверхности имитируемого объекта и имитатора, регулируют температуру трехкаскадных ТЭМ, которые обеспечивают больший, по сравнению с единичным нагревателем, перепад температур между его противолежащими сторонами, достигающий величин порядка 110-120°С (см. URL:http://www.kryothermtec.com/3-stage thermoelectric coolers (дата обращения 01.06.2017 г.)). Следовательно, за счет расширения интервала воспроизводимых на имитаторе температур, учетом внешних условий наблюдения, влияющих на формирование теплового контраста, а также повышением точности его передачи за счет компенсации постоянной составляющей фона в зарегистрированных изображениях обеспечивается формирования теплового контраста имитатора, характерного тепловому контрасту имитируемого объекта. Этим достигается указанный в изобретении технический результат.
Структурная схема теплового имитатора приведена на чертеже, где обозначены: 1 - первый блок регистрации теплового изображения, 2 -имитируемый объект, 3 - блок компенсации фона имитируемого объекта, 4 - приемо-передающее устройство, 5 - схема сравнения, 6 - второй блок регистрации теплового изображения, 7 - имитатор, 8 - блок компенсации фона имитатора, 9 - блок управления, 10 - трехкаскадные термоэлектрические модули.
Блоки регистрации тепловых изображений 1, 6 предназначены для регистрации тепловых изображений имитируемого объекта 2 и имитатора 7 соответственно, на характерном их местоположению фоне. Они могут быть реализованы, например, на основе тепловизионного прибора, регистрирующего изображения в соответствующей области ИК спектра (3…5, 7…14 мкм) (см. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. М.: Логос. 2004. С. 348-355).
Блоки компенсации фона имитируемого объекта и имитатора 1, 8 предназначены для компенсации постоянной составляющей теплового фона. Они могут быть реализованы, например, на основе устройства автоматической компенсации фона, описанного в (патент BY 2568, С1, Белоруссия, кл. H04N 5/33, опубл. 30.12.1998), реализующим, например, методику, (А.Н. Четвертаков Обнаружение объектов минимального контраста на цифровых изображениях. Гаудеамус.№2 (22) 2013 С. 92-95).
Назначение приемо-передающего устройства 4 ясно из названия, оно служит для приема и передачи по радиоканалу теплового изображения имитируемого объекта 2, от блока компенсации теплового изображения имитируемого объекта 3, в схему сравнения 5, и может быть реализовано, например, на базе приемников и передатчиков, описанных в (Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория. Справочник. Изд. 2-е, перераб. и доп./ Под ред. Я. Д. Ширмана. М.: Радиотехника, 2007, С. 148-152).
Схема сравнения 5 предназначена для определения соответствия в распределении тепловых контрастов по поверхности имитируемого объекта 2 и имитатора 7 после их соответствующей обработки в блоке компенсации фона имитируемого объекта 3 и блоке компенсации фона имитатора 8. Она может быть реализована, например, на базе ЭВМ с процессором по типу IBM PC Intel Core 5,6 поколения со специальным программным обеспечением, например, (Kaehler A., Bradsky G. Learning OpenCV: Computer Vision in С++ with the OpenCV Library // O'Reilly Media. 2016. 1024 p.).
Источники теплового излучения 10 выполнены в виде трехкаскадных термоэлектрических модулей, которые могут воспроизводить значения как отрицательных, так и положительных температур на своей поверхности (Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре М.: Высш. шк. 1984. С. 140-142), что значительно расширяет воспроизводимый на имитаторе диапазон температур, необходимых для выравнивания значений тепловых контрастов отдельно разрешаемых элементов поверхности имитатора и соответствующих им поверхностей имитируемого объекта в случае интенсивного нагрева или охлаждения до отрицательных значений некоторых элементов его поверхности по сравнению с аналогом.
При этом обеспечивается возможность использования ТЭМ в режимах реверсирования (перехода от нагрева к охлаждению) и термостатирования на заданном уровне. За счет разницы в площадях между верхней, средней и нижней, расположенными друг над другом пластинами, исключается возможность «перетекания» тепла с горячей на холодную сторону, в связи с чем съем тепла наиболее эффективен, благодаря чему на его противолежащих сторонах обеспечивается перепад температур порядка 110-120°С (см. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. М.: Логос. 2004. С. 198-200).
Тепловой имитатор функционирует аналогично прототипу с определенными отличиями, которые заключаются в том, что первый блок регистрации теплового изображения 1, работающей в соответствующем ИК-диапазоне длин волн, регистрирует тепловое изображение имитируемого объекта 2 с характерным его местоположению фоном, которое передается в блок компенсации фона имитируемого объекта 3, где вычитается постоянная составляющая яркости фона имитируемого объекта 2. В результате чего тепловое изображение имитируемого объекта 2 представляет собой набор значений энергетических яркостей, распределенных по его поверхности, характерных внешним условиям регистрации и не содержит постоянной составляющей яркости фона, негативно влияющей на точность передачи теплового контраста имитируемого объекта. Данное изображение через приемо-передающее устройство 4 поступает в схему сравнения 5, на второй вход которой поступает изображение имитатора 7, характерное условиям его регистрации и полученное аналогичным образом с помощью блока компенсации фона имитатора 8 и второго блока регистрации теплового изображения 6, имеющего такое же разрешение на местности, как и первый блок регистрации теплового изображения 1. В схеме сравнения 5 проводится сравнение тепловых контрастов отдельно разрешаемых элементов поверхности имитируемого объекта 2 и имитатора 7, и если тепловой контраст отдельно разрешаемых элементов поверхности имитируемого объекта 2 выше теплового контраста аналогичных отдельно разрешаемых элементов поверхности имитатора 7, то для его выравнивания в блоке управления 9 вырабатываются управляющие сигналы 91…9.n, где , для нагрева 10.1…10.n, где , источников теплового излучения, размещенных на данном участке поверхности имитатора, в противном случае - выравнивание теплового контраста имитатора и имитируемого объекта добиваются охлаждением соответствующих ТЭМов до величины, определяющей их равенство.