КМОП камера TRC411: Лазерное измерение расстояния и тестирование технологии огне- и дымопроницаемой разветки

1. Введение

Сотрудникам пожарно-спасательных служб часто приходится проводить пожаротушение и спасательные работы в замкнутых помещениях. Высокая концентрация горячего дыма ухудшает видимость, а яркое пламя в помещении вызывает временную слепоту, что затрудняет проведение поисково-спасательных работ по эвакуации людей и опасных грузов.

В настоящее время снаряжение пожарных спасателей состоит из мощного светового фонаря и портативного инфракрасного тепловизора, который играет важную вспомогательную роль в поисково-спасательных работах в замкнутых помещениях в условиях низкотемпературного дыма, но не может быть использован вблизи открытого пламени и высокотемпературного дыма. Технология обнаружения огня и дыма, основанная на стробировании изображения лазерным дальномером, представляет собой передовую технологию фотоэлектронного детектирования, в основе которой лежит импульсный источник света и стробируемый фотоприемник. Управляя временной синхронизацией импульсного источника света и стробируемого фотоприемника, а также временем открытия затвора и временем экспозиции, фотоприемник включается только в те моменты, когда до него доходят эхо-импульсы объекта, чтобы устранить большую часть шумов, вызванных обратным рассеянием пламени и окружающим светом, и реализовать обнаружение объекта с высоким временным и пространственным разрешением. Фотоприемник преодолевает недостатки пассивной визуализации, подверженной сильным шумам окружающей среды, и может реализовать визуализацию сквозь огонь и дым в ночных условиях, густом тумане и др.

Используя 860 нм лазерный источник света и sCMOS-камеры TRC411, независимо разработанной компанией CISS, на основе лазерной технологии определения расстояния, были проведены испытания на визуализацию сквозь огонь при горении штабеля дров и н-гептана, а также испытания на визуализацию сквозь дым в замкнутом помещении. Технология позволит пожарным спасателям работать в условиях открытого огня и высоких температур.

2. Методика эксперимента

В качестве основного оборудования используется sCMOS-камеру TRC411 и настроенный полупроводниковый лазерный источник света 18 в 1 с длиной волны 860 нм, диаметр луча на различных расстояниях до объекта регулируется с помощью коллиматора, размещаемого перед источником света. Отраженный свет от объекта собирается оптической линзой и фильтруется фильтром с центральной длиной волны 863 нм, пропусканием 90% и полосой пропускания 10 нм, затем свет поступает на sCMOS-камеру. Результат улучшается путем настройки таких параметров, как расстояние между камерой и целью, глубина пламени, уровень экспозиции, относительная задержка, длительность лазерного импульса, частота повторения, усиление и так далее.

Рисунок 1 – Блок-схема экспериментальной установки для получения изображений с регулируемым расстоянием

3. Экспериментальные результаты

- Эксперимент по визуализации сквозь пламя

В эксперименте по визуализации сквозь пламя были проведены испытания с огнем от горения штабеля дров и н-гептана. В первом эксперименте два штабеля дров размером 0,5 м × 0,5 м× 0,5 м были уложены вертикально для образования более высокого пламени. Во втором эксперименте 15 л н-гептана были залиты в железный бак диаметром 1,5 м для воспламенения. Настройки параметров прибора следующие:

Таблица 1. Параметры, использованные в испытании с воспламенением штабеля дров.

Таблица 2: Параметры, использованные в испытании с воспламенением гептана

Рисунок 2 – Визуализация сквозь пламя от штабеля дров

Рисунок 3 – Визуализация сквозь пламя от н-гептана

Результаты эксперимента на визуализацию сквозь пламя:

Визуализация через пламя от штабеля дров: по результатам испытания можно сделать вывод, что усилитель изображения с источником света 860 нм имеет лучший эффект проникновения. Сравнивая эффект проникновения на рисунке 3(b), можно увидеть, что чем больше концентрация энергии излучения, тем лучше эффект проникновения, и расстояние до объекта почти не влияет на результаты визуализации.

Визуализации при горении н-гептана: во время испытания эффект проникновения хуже, чем в предыдущем эксперименте, поскольку н-гептан при горении выделяет больше дыма. При увеличении пиковой мощности импульсного лазера эффект результаты визуализации не улучшаются, что указывает на то, что эффект обусловлен большим количеством дыма, а не низкой пиковой мощностью.

- Эксперимент по визуализации сквозь дым

Испытание на дымопроницаемость проводилось в закрытом помещении. Объект горения был помещен в темноте, и дым рассеивался до состояния однородности, как показано на рисунке 5(a). Видимость (расстояние от слабо видимой цели до ее полного исчезновения) человеческого глаза составляла около 0.9 м Объект наблюдения был помещен непосредственно перед источником света и sCMOS-камерой. Параметры были выбраны следующим образом:

Таблица 3: Параметры, использованные в испытании с дымом

Рисунок 4 – Визуализация сквозь дым

Результаты эксперимента на визуализацию сквозь дым

При тестировании в соответствии с параметрами, указанными в таблице 3, возможна визуализация сквозь дым на самое большое расстояние. Однако из-за очевидного эффекта Тиндаля и высокой яркости лазера, полученная визуализация является черно-белой и имеет низкий контраст. Для улучшения локального контраста необходимо переместить более яркие объекты за пределы поля зрения объектива. Результаты улучшенного контраста показаны на рис. 5(b).

Дым, образующийся при горении объектов, использованных в эксперименте, и дым, образующийся при фактическом пожаре, не совпадают. Дым реального пожара образуется из-за неполного сгорания и содержит большое количество частиц углерода. Размеры частиц не однородны, из-за чего большая часть лазерного излучения рассеивается или поглощается, тем самым ограничивая максимальное расстояние визуализации. В дальнейших экспериментах необходимо увеличить энергию лазерного импульса и частоту переключения затвора, чтобы заметно усилить эффект проникновения сквозь дым при стробировании изображений на расстоянии.

4. Техническое решение

Научная sCMOS-камера TRC411 с усилением, разработанная и произведенная CISS, использует Hi-QE 2-го поколения с высокой квантовой эффективностью и низким уровнем шума, а также усилитель изображения GaAs 3-го поколения, с шириной оптического затвора до 500 пикосекунд. Частота кадров в полном разрешении до 98 кадров в секунду; встроенный многоканальный синхронный секвенсор с пикосекундной точностью, визуализация времени с помощью программного обеспечения SmartCapture, идеально подходит для наблюдения быстрых плазменных явлений с временным разрешением.

Компания INSCIENCE является официальным дистрибьютором продукции CIS Systems на территории РФ