Wyzwania pirometrii bezkontaktowej w aplikacjach militarnych

W jakich aplikacjach znajdują zastosowanie detektory podczerwieni VIGO Photonics?

Detektory podczerwieni produkowane przez VIGO Photonics znajdują szerokie zastosowanie – zarówno w ośrodkach badawczych i zakładach przemysłowych, jak i w inteligentnym rolnictwie czy medycynie. Jednym z dwóch kluczowych obszarów ich wykorzystania jest analiza gazów, pozwalająca na wykrywanie nawet śladowych stężeń określonych związków chemicznych. Drugim bardzo istotnym zastosowaniem jest pirometria, czyli bezkontaktowy pomiar temperatury. Metoda ta wykorzystywana jest m.in. do kontroli procesów przemysłowych oraz w systemach bezpieczeństwa – na przykład instalowanych na liniach kolejowych w celu monitorowania stanu podwozi i kół pociągów. Pirometria odgrywa również ważną rolę w sektorze obronnym. W tym przypadku detektory podczerwieni służą do wczesnego wykrywania ognisk pożaru w pojazdach wojskowych, umożliwiając uruchomienie systemów alarmowych, a także do zastosowań w inteligentnej amunicji, gdzie pozwalają na precyzyjne naprowadzanie na cele cieplne. W zastosowaniach pirometrycznych najczęściej wykorzystywany jest zakres średniofalowej podczerwieni MWIR (3–8 µm), który najlepiej odpowiada charakterystyce promieniowania emitowanego przez obiekty cieplne.

Jakie są alternatywne do pirometrii technologie namierzania celów w aplikacjach militarnych i jakie są ich wady i zalety?

Istnieje kilka metod namierzania celów. Jedną z najczęściej stosowanych jest technologia radarowa, oparta na wykorzystaniu fal radiowych, w tym mikrofal. W uproszczeniu polega ona na wykrywaniu obiektów, które odbijają wysłane promieniowanie radarowe, a następnie rejestracji sygnału powracającego do nadajnika. Istotnym wyzwaniem dla radarów są jednak technologie stealth, czyli rozwiązania konstrukcyjne stosowane w statkach powietrznych i pojazdach bojowych, które minimalizują skuteczność odbicia sygnału radarowego. W takich przypadkach fala jest pochłaniana lub rozpraszana pod różnymi kątami, co znacząco utrudnia wykrycie obiektu. Inną metodą namierzania jest pozycjonowanie rakiet za pomocą wiązki laserowej. Operator systemu oświetla widoczny cel laserem pracującym w zakresie krótkofalowej podczerwieni SWIR, o długości fali od około 980 nanometrów do 1,7 mikrometra. Odbita od celu wiązka wraca do nadajnika, umożliwiając rakiecie naprowadzenie się na oświetlony punkt. Poważnym ograniczeniem tej technologii jest fakt, że namierzany obiekt może stosunkowo łatwo wykryć, iż jest oświetlany laserem. Dodatkowo zarówno operator, jak i cel muszą pozostawać w polu widzenia, co na współczesnym, symetrycznym polu walki znacząco zwiększa ryzyko po stronie atakującego. Warto dodać, że w VIGO Photonics opracowujemy elementy systemów ostrzegania przed namierzaniem laserowym, wykorzystywanych m.in. przez Wojsko Polskie. Po wykryciu oświetlenia laserowego obiekt może podjąć skuteczną obronę, stosując na przykład flary lub granaty dymne.

W tym momencie warto wspomnieć o największej zalecie pirometrii: jest to de facto pomiar całkowicie pasywny, nie emituje żadnego sygnału, a więc pozostaje niewykrywalna dla namierzanego. Jedyną możliwością ograniczenia albo uniemożliwienia efektywnego działania pirometrii jest zaprojektowanie statków powietrznych lub pojazdów bojowych tak, aby emisja ciepła była jak najmniejsza. Z drugiej jednak strony, VIGO jest w stanie opracowywać high-endowe, bardzo czułe detektory i wykrywać nawet minimalne zmiany temperatury, co w praktyce oznacza, że nie potrzebujemy widzieć np. samego silnika samolotu i wystarczy jedynie, kiedy obiekt poruszający się w przestrzeni jest cieplejszy o 1 lub 2 stopnie. Wówczas broniącemu się pozostaje jedynie próba zmylenia systemu naprowadzania za pomocą flar. 

Co jest największym wyzwaniem projektowym w systemach opartych na pirometrii?

Pirometria co do zasady nie jest bardzo skomplikowaną techniką, o ile znamy podstawowe parametry obiektu – jego rozmiar, materiał, z którego jest wykonany, oraz przybliżoną odległość. Niestety takie warunki można zapewnić jedynie w laboratorium. W praktyce sprawia to, że coś, co w teorii wydaje się proste, w rzeczywistych warunkach staje się bardzo trudne do zrealizowania.Największym ograniczeniem w precyzyjnym pomiarze temperatury i lokalizacji celu w przestrzeni jest optyka.

Jeżeli wiemy, gdzie mniej więcej spodziewać się obiektu, możemy dobrać układ optyczny tak, aby uzyskać jak najlepszy stosunek sygnału do szumu i maksymalną czułość detekcji. W warunkach laboratoryjnych jest to stosunkowo łatwe, lecz na realnym polu walki sytuacja wygląda zupełnie inaczej i wymusza liczne kompromisy. Po pierwsze nie wiemy, gdzie jest cel, a więc w pierwszym etapie poszukiwań kąt widzenia urządzenia musi być bardzo szeroki, co obniża zdolność rozróżniania sygnatur termicznych.. Gdy cel zostanie już wykryty, to wraz ze zmianą odległości, geometria optyki powoduje to, że ślad cieplny albo rozmywa się na detektorze, albo skupia się gdzieś za nim. W konsekwencji okazuje się, że największym wyzwaniem nie jest stworzenie detektora, ale opracowanie odpowiedniego układu optycznego, żeby on był dostosowany do różnych scenariuszy operacyjnych.

Dodatkowym wyzwaniem, szczególnie istotnym w przypadku namierzania statków powietrznych, jest słońce, które promieniuje w szerokim spektrum. Istnieje znaczne ryzyko, że nasza rakieta zidentyfikuje słońce jako obiekt ciepły stanowiący cel ataku. Jest to dosyć skomplikowane wyzwanie, które powoduje, że nie możemy polegać tylko na jednym układzie odczytowym, ale na kilku czujnikach pracujących w różnych długościach fali. W praktyce stosuje się kilka czujników pracujących w różnych zakresach długości fali. Pozwala to na cyfrową analizę sygnałów i rozstrzygnięcie, czy mamy do czynienia z obiektem rzeczywiście stanowiącym cel, czy jedynie z odbłyskiem słońca od metalowej powierzchni, samym słońcem lub flarą mającą zmylić system.

W jaki sposób uzyskany obraz jest przetwarzany za pomocą oprogramowania i czy tkwią w tym etapie kolejne wyzwania?

VIGO Photonics jest dostawcą komponentu zarówno pojedynczych detektorów, jak i matryc, a naszym podstawowym zadaniem jest zinterpretowanie sygnału, którego źródłem jest padające promieniowanie. Sposób dalszego przetwarzania obrazu i jego interpretacji pozostaje już w gestii naszych klientów i stanowi ich kluczowe know-how, decydujące o skuteczności całego rozwiązania. Doskonale zdajemy sobie sprawę, że zaawansowane przetwarzanie sygnału i jego właściwa interpretacja nie są zagadnieniami prostymi. Dlatego jako producent detektorów koncentrujemy się na dostarczaniu rozwiązań najlepszych w swojej klasie. Jednocześnie pozostajemy w stałym, ścisłym kontakcie z naszymi klientami i wspieramy ich na każdym etapie projektu. Dzięki temu nasi partnerzy, bazując na własnym know-how, mogą tworzyć produkty, które realnie przewyższają rozwiązania konkurencji.

Zapisz się na Hardware Forum, naszą konferencję dedykowaną projektantom elektroniki - zobacz stronę wydarzenia i zapisz się już dziś! https://hardwareforum.sf-conference.com/