Тупикина Н.Ю., Сыпин Е.В.

Бийский технологический институт, Бийск, Россия

Разработка методики выбора рабочих спектральных диапазонов для трёхканального пирометрического прибора двух спектральных отношений

Угольные шахты – это потенциально опасные техногенные объекты, их специфической особенностью является наличие в рудничной атмосфере метана и угольной пыли, которые в смеси с воздухом могут образовывать взрывчатые системы. Чтобы обеспечить взрывобезопасность необходимо обнаружить очаг взрыва на ранней стадии развития. Для обнаружения очага взрыва на ранней стадии на предприятиях горнодобывающий отрасли ранее было предложено использовать пирометрический датчик спектрального отношения [1-2].

На вход пирометрического датчика при его работе могут поступать следующие возможные сигналы:

- полезный сигнал от источника возгорания;

- сигнал от источника помехи.

Таким образом, является актуальной задача нахождения наилучших способов приёма и обработки сигнала при наличии внешних оптических помех. Качество метода приёма сигналов может оцениваться отношением сигнал/помеха (для приборов обнаружения) или средней квадратичной погрешностью (для измерительных приборов) [3].

Ранее рассматривался способ повышения достоверности принятия решения пирометрическим прибором обнаружения очага возгорания – было предложено использовать при проектировании прибора избыточность, а именно включить в прибор три канала спектрального отношения. Проведенное компьютерное моделирование сигналов на выходе фотоприёмников трехканального датчика двух спектральных отношений показало, что при соответствующем выборе рабочих длин волн, становиться возможным выделение полезного сигнала и сигнала помехи [4].

Таким образом, была поставлена следующая цель работы: разработать методику выбора рабочих спектральных диапазонов для трёхканального пирометрического прибора двух спектральных отношений. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- рассмотреть возможные виды оптических помех;

- проанализировать существующие способы выбора рабочих спектральных диапазонов для двух- и многоканальных пирометрических приборов;

- определить параметры, влияющие на выбор рабочих спектральных диапазонов разрабатываемого прибора с точки зрения увеличения помехозащищенности прибора;

- предложить методику выбора рабочих спектральных диапазонов для трёхканального пирометрического прибора двух спектральных отношений.

Можно выделить три группы источников оптических помех:

- источники искусственного освещения угольной шахты;

- тепловое излучение нагретых объектов угольной шахты;

- тепловое излучение обслуживающего персонала.

Шахтные светильники могут быть выполнены на основе ламп накаливания, люминесцентных ламп или на основе светодиодов.

Вольфрамовые лампы накаливания используются в качестве источников коротковолнового инфракрасного излучения, так как стекло колбы не пропускает излучения с длинами волн более 3,5 … 4 мкм [5]. Температура нити лампы накаливания достигает 3000 К. Средний коэффициент излучения вольфрамовой нити при температуре 2800 К в диапазоне 2–3 мкм составляет 0,23. Максимум мощности излучения вольфрамовых ламп лежит в области 1 мкм. Вольфрам, как и большинство металлов, излучают селективно, соответственно кривые спектральной плотности энергетической светимости излучения вольфрама и абсолютно черного тела при одной и той же температуре не подобны (рисунок 1).

1 – вольфрам, 2 – абсолютно черное тело

Рисунок 1 – Кривые спектрального распределения излучения M_el(l, T) вольфрама и абсолютно черного тела

Спектр излучения люминесцентных ламп состоит из излучения люминофора, на которое накладывается линейчатый спектр ртутного разряда. По спектральному составу различают люминесцентные лампы дневного света, лампы холодного белого света, лампы белого света, лампы тёплого белого света [5]. На рисунке 2 показана спектральная характеристика лампы дневного света. Спектральные характеристики люминесцентных ламп остальных типов несколько отличаются от приведенной на рисунке 2 характеристики. Отличие состоит в расположении максимумов излучения, спектральный диапазон для всех типов ламп лежит в области 400-700 нм.

Светодиодные фонари состоят из одного или нескольких светодиодов. Как правило, в светодиодных фонарях, используются так называемые «белые» светодиоды. На рисунке 3 приведен спектр излучения белого светодиода (InGaAIN) [6]. Как видно из рисунка спектр излучения светодиодов схож по внешнему виду со спектром излучения люминесцентных ламп.

Рисунок 2 – Спектральные характеристики излучения люминисцентной лампы дневного света (цветовая температура Т_ц=6000 К)

Рисунок 3 – Спектральное распределение энергии излучения белого светодиода на основе InGaAIN

Тепловое излучение тел может быть описано законом Планка. Но закон Планка применим только к абсолютно черному телу, любой реальный тепловой излучатель характеризуется коэффициентом излучения (коэффициентом черноты) e. При этом различают спектральный коэффициент излучения e(l) и интегральный (полный) коэффициент излучения e_T.

Для диэлектриков спектральный коэффициент излучения с ростом длины волны увеличивается, а для металлов – уменьшается. Интегральный коэффициент излучения для диэлектриков ростом температуры убывает, для металлов – увеличивается.

Кожа человека является диэлектриком и как для типичных диэлектриков коэффициент излучения в видимой области мал, а в инфракрасном участке спектра достаточно большой (0,98–0,99). Максимум спектральной плотности энергетической светимости человеческого тела при 36,6°С (или 309,6 К) в соответствии с законом Вина приходится на длину волны 9,4 мкм.

Таким образом, влияние внешних оптических помех может оказаться критичным для принятия достоверного решения прибором, поэтому необходимо тщательно выбирать рабочие диапазоны длин волн прибора и учитывать возможное влияние помех при обработке информации. Из рассмотренных выше источников искусственного освещения наиболее влияющими будут лампы накаливания. От возможного воздействия других источников искусственного освещения можно избавиться, выбрав рабочий диапазон прибора более 700-750 нм. Тепловое излучение объектов угольной шахты является более существенным в инфракрасном диапазоне.

Целью выбора оптимального рабочего спектрального диапазона является выбор такого рабочего участка спектра , для которого отношение сигнал/помеха является наибольшим. То есть должно выполняться условие

(1)

где и – спектральные плотности излучения сигнала и помехи соответственно; и – спектральные характеристики пропускания среды распространения и оптической системы; – спектральная характеристика оптического фильтра; – спектральная чувствительность приёмника излучения.

При разработке оптико-электронного датчика обнаружения очага возгорания на ранней стадии в газодисперсной среде рабочие длины волн выбирались с возможностью градуировки датчика аналогично температурным лампам, которые в соответствии с ГОСТ 8.155-75 поверяются на двух длинах волн – 0,65 мкм и 0,5 мкм [2]. Выбор рабочих длин волны для датчика двумерных координат очага взрыва осуществлялся с учетом спектра поглощения метана и кривой зависимости выходного сигнала от длины волны [8], которая в свою очередь определялась спектральной характеристикой чувствительности используемого приёмника излучения и характеристиками источника излучения. Указанные выше способы выбора длин волн не обеспечивают спектральное разделение сигнала и помехи, поэтому они не могут гарантировать высокую достоверность принятия решения прибором при наличии оптических помех.

В литературе рассматривается разработка оптического трёхспектрального пирометра [9], по аналогичному принципу может быть построен многоканальный пирометр. Выбор рабочих диапазонов происходит следующим образом: левая длина волны начала каждого последующего спектрального диапазона, начиная со второго, совпадает с правой длиной волны конца предыдущего, а спектральный диапазон одного из них охватывает спектральные диапазоны всех остальных. К сожалению, предлагаемый авторами алгоритм выбора спектральных диапазонов не применим для устранения влияния оптических помех в рассматриваемом случае, т.к. при выборе спектральных диапазонов не учитываются спектральные характеристики сигналов, действующих на вход прибора.

Аналогичный способ построения многоканального датчика предлагает проводить измерение логарифмов составляющих спектра, по меньшей мере, на трех эквидистантно расположенных длинах волн. По значениям логарифмов спектральных составляющих на крайних (первой и третьей) длинах волн измеряется температура спектрального отношения, корректирующая поправка к которой для получения искомой истинной температуры определяется по величине логарифмов трех составляющих спектра [10]. Данный способ измерения позволяет повысить точность измерения температуры, но также не позволяет гарантированно исключить влияния посторонних засветок.

Для распознавания полезного сигнала и источника помех необходимо знания «эталонных» спектров излучения. В условиях отсутствия данных о характеристиках очага возгорания, его излучение может быть описано законом Планка, при этом должен учитываться ряд факторов [4]. Основные источники оптических помех и их спектральные характеристики были рассмотрены выше.

Преобразование энергии излучения в электрический сигнал осуществляет фотоприёмник. При этом характерный размер фотоприёмника (диаметр или длина стороны) должны быть одинаковыми для всех каналов для того чтобы обеспечить одинаковые световые пучки для каждого канала прибора. Поэтому предположительно в каждом канале будут использоваться одинаковые фотоприёмники.

Основное требование при выборе приёмника излучения – необходимо чтобы максимум спектральной чувствительности совпадал с максимумом рабочей длины волны канала прибора. Указанное требование не является обязательным, поскольку на определенных длинах волн невысокая чувствительность приёмника может соответствовать высокому уровню излучения контролируемого объекта. Таким образом, на выходе приёмника излучения будет наблюдаться максимум сигнала, смещенный по длине волны относительно максимума спектральной чувствительности приемника.

Большое значение имеют собственные шумы фотоприёмника (темновой ток) должны быть как минимум в 2 … 2.5 раза меньше чем полезный сигнал [3]. Этот фактор также должен учитываться при разработке прибора.

Промежуточная среда будет значительно ослаблять излучение от источника возгорания, кроме того на определенных длинах волн излучение будет практически полностью поглощаться газовыми компонентами среды.

При проектировании датчика использовать полосовые фильтры, подавляющие спектральный диапазон, соответствующий спектру излучения сигнала-помехи, и пропускающие полезный сигнал нельзя. Это связано с тем что, рабочим для прибора будет являться спектральный диапазон 0,4-1,1 мкм – это ограничение накладывает проведенный обзор приёмников излучения. В указанном диапазоне полезный сигнал и сигнал помехи неразличимы по спектру. Это требует применение более сложных алгоритмов для выбора длин волн.

При разработке методике должно выполняться следующее требование: рабочие диапазоны отдельных каналов не должны нести одинаковую информацию.

Для сравнения «информативности» отдельных спектральных диапазонов в литературе [7] предлагается использовать коэффициент корреляции, который может быть вычислен по формуле

где и – сигналы, получаемые на выходе приёмника излучения в спектральных диапазонах и соответственно; и – средние квадратические значения сигналов в диапазонах и .

Определению спектральных характеристик и корреляционных связей излучений объектов и фонов в разнообразных спектральных диапазонах был посвящен ряд исследований. В основном эти исследования проводились применительно к объектам военной техники, это позволило выявить ряд диапазонов длин волн для спектральной селекции военных объектов на многих естественных фонах. Аналогичная оценка «информативности» спектральных диапазонов может быть выполнена для разрабатываемого прибора. Поскольку рабочий диапазон прибора будет определяться спектральной характеристикой чувствительности фотоприемника, и будет достаточно узким, необходимо чтобы рабочие диапазоны отдельных каналов прибора не перекрывались.

Обозначим рабочие длины волн каналов рассматриваемого пирометрического прибора как l_k, где k – номер канала (k = 1, 2, 3).

Таким образом, может быть предложен следующий алгоритм выбора рабочих длин волн для трёхканального пирометрического прибора двух спектральных отношений.

1. Определение пороговой длины волны l_b. При этом l₁=l_b. Пороговая длина волны выбирается из условий

где – темновой ток фотоприёмника, – сигнал (ток) на выходе фотоприёмника, который определяется как

,

где l_b – полуширина полосы пропускания канала прибора с центральной длиной волны l_b, остальные обозначения соответствуют обозначениям в выражении (1).

2. Определяем длину волны l_b1, которая соответствует максимальной длине волны, при которой сигнал на выходе фотоприёмника становится нулевым.

3. Нахождение максимума функции для диапазона длин волн , обозначения в выражении (2) соответствуют обозначениям в выражении (1)

. (2)

При этом длина волны, соответствующая максимуму функции (2) будет являться рабочей длиной волны канала 2 – l₂.

4. Нахождение максимума функции для диапазона длин волн , обозначения в выражении (3) соответствуют обозначениям в выражении (1)

. (3)

При этом длина волны, соответствующая максимуму функции (2) будет являться рабочей длиной волны канала 3 – l₃.

5. Проводится коррекция результатов найденных длин волн с учётом окон пропускания атмосферы и спектра излучения метана.

Поскольку во всех каналах прибора используются одинаковые фотоприёмники, максимумы функции (2) и (3) будут приходиться на разные диапазоны длин волн.

При использовании предлагаемой методики алгоритм работы прибора будет заключаться в динамическом отслеживании изменения сигналов, и представлять собой последовательное выполнение следующих операций:

- регистрация сигналов в момент t₁ – , где k – номер канала (k = 1, 2, 3);

- вычисления трёх спектральных отношений сигналов: , и . При этом третье отношение получается из двух первых.

- регистрация сигналов в момент t₂ – , где k – номер канала (k = 1, 2, 3);

- вычисления трёх спектральных отношений для сигналов: , и ;

- контроль изменения отношений в моменты времени t₁ и t₂.

При этом в случае присутствия в принимаемом сигнале источника помехи (или если в случае действия на вход прибора сигнала состоящего только из сигнала-помехи) будет наблюдаться или .

Поставленная цель работы достигнута: разработать методику выбора рабочих спектральных диапазонов для трёхканального пирометрического прибора двух спектральных отношений. Решены задачи необходимые для достижения цели.

1. Рассмотрены возможные виды оптических помех:

- источники искусственного освещения угольной шахты;

- тепловое излучение нагретых объектов угольной шахты;

- тепловое излучение обслуживающего персонала.

2. Проанализировать существующие способы выбора рабочих спектральных диапазонов для двух- и многоканальных пирометрических приборов.

3. Определены факторы, влияющие на выбор рабочих спектральных диапазонов разрабатываемого прибора с точки зрения увеличения помехозащищенности прибора. К ним можно отнести

- характеристику излучения – источника полезного сигнала;

- характеристики излучений – источников помех;

- характеристики используемого приёмника излучения;

- пропускание промежуточной среды.

4. Предложена методика выбора рабочих спектральных диапазонов для трёхканального пирометрического прибора двух спектральных отношений. В отсутствии данных о влиянии пылевого состава промежуточной среды угольной шахты, принимаем, что поглощение частицами пыли происходит одинаково на всех длинах волн. Это допущение возможно, поскольку длины волн каналов будут находиться достаточно близко и влияние поглощения частицами пыли будет приблизительно одинаково.

Результаты работы будут использоваться в дальнейшем при проектировании трёхканального пирометрического прибора двух спектральных отношений.

Литература

1. Использование цветового пирометрического метода для построения датчика пожарной сигнализации / Сыпин Е.В., Леонов Г.В., Кирпичников А.Н., Повернов Е.С. // Электронный журнал «Исследовано в России». – 2003. – 158. – С.1898-1907. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/158.pdf

2. Сыпин Е.В. Оптико-электронный прибор обнаружения начальной стадии развития взрыва в газодисперсных системах / Е.В. Сыпин. // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. – Бийск: 2007. – 144 с.

3. Якушенков Ю.Г. Теория и расчёт оптико-электронных приборов: Учебник для студентов вузов / Ю.Г. Якушенков. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Логос, 1999. – 480 с.: ил.

4. Повышение помехозащищённости от оптических помех при использовании трехканального пирометра спектрального отношения для обнаружения очага возгорания в газодисперсных средах / Тупикина Н.Ю., Сыпин Е.В. // Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях (ИАМП–2010): материалы 7-й Всероссийской научно-технической конференции 6–7 октября 2010 года/Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. - С. 191-194.

5. Гуторов М.М. Основы светотехники и источники света: Учеб. пособие для вузов. – М. : Энергоатомиздат, 1983. –384 с.

6. Yoshizawa, Tory. Handbook of Optical Metrology: Principles and Applications. – CRC Press, 2009 – 730 p.

7. Павлов А.Н. Оптико-электронная система определения трехмерных координат очага взрыва в газодисперсных системах на ранней стадии/ А.Н. Павлов // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. – Бийск: 2010. – 134 с.

8. Шелковой Д.С. Разработка и исследование принципов построения и схемы оптического трёхспектрального пирометра / Д.С. Шелковой // Автореферат диссертации на соискании ученой степени кандидата технических наук. – Новосибирск: 2010. – 23с.

9. Пат. 2365883 Российская Федерация, МПК G01J5/60. Способ пирометрических измерений [Текст] / Д.Я. Свет; заявитель и патентообладатель Свет Д.Я. – 2007145705/28, заявл. 11.12.2007; опубл. 27.08.2009, Бюл. № 24. – 6 с.: ил.

10. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения [Текст]. – М.: Университетская книга; Логос, 2007. – 192с.