Читай!
Современные энергоинформационные технологии

Современные энергоинформационные технологии

Публикация предназначена широкому кругу читателей – для более глубокого ознакомления с направлениями и возможностями практического использования электромагнитных полей различных диапазонов длин волн, которые человек напрямую не воспринимает, и на которые не реагируют его органы чувств.

Автор/Авторы:
Доктор технических наук, проф. А.В. ПЕТРАКОВ  (НИЯУ “МИФИ”)
Доктор технических наук, проф. Н.Н. БАРАНОВ  (ОИВТ РАН)

(О необходимости и возможности и вид́ения разноспектрозонального невидимого)

Человек в современном мире живёт в окружении электромагнитных полей (ЭМП), существующих в виде электромагнитных волн (ЭМВ), охватывающих диапазон частот от нуля до 1020 Гц и выше.
В соответствии с современными представлениями, самые короткие ЭМВ принадлежат фотонам космических лучей (частота f > 1023 Гц), далее следуют гамма-лучи (1020… 1023 Гц), рентгеновские лучи (1017… 1019 Гц), ультрафиолет и видимые (1014… 1017 Гц), инфракрасные (1012… 1014 Гц), радиоволны (с частотой в диапазоне 103… 1012 Гц). Промышленные электромагнитные волны занимают диапазон от десятков килогерц до нескольких герц. Волны и поля с частотами микро (10–6), нано (10–9) и пико (10–12) герц (в диапазоне 10–6… 10–12 Гц) некоторые исследователи относят к гравитационным волнам, создающим многообразие макрообъектов Вселенной.
По аналогии с таблицей Менделеева, описывающей известные на сегодняшний день химические элементы материального мира включает волновые процессы во всех диапазонах длин волн и частот.
(...)

Практические приложения (области применения)
Электромагнитные излучения из “невидимых” диапазонов в настоящее время используются в таких областях человеческой деятельности, как: медицина и здравоохранение, телекоммуникационная техника, промышленность и инфраструктура, технические средства оборонного комплекса и др.

Диапазоны ультравидения и инфравидения широко используются в охранно-защитных системах различного назначения. Так, ультрафиолетовый диапазон излучения применяется в криминалистике при выявлении подлогов в разных случаях (картин, подписей, документов, денежных купюр, облигаций и т.д.), а также в распознавании факелов двигателей ракет и самолетов. Рентгеновские излучения – наряду с медициной – используются в некоторых промышленных технологиях. Рентгеновская визуализирующая аппаратура способна обнаруживать очень малые (десятые доли миллиметра) и большие (метровых размеров – ружья, автоматы и др.) скрытые предметы, а также людей, перевозимых тайно железнодорожным и автотранспортом. Гамма-диапазон применяется в ядерной физике и технике, для проведения разведки (наземной, водной, воздушной), а также (как и рентгеновские излучения) при досмотре железнодорожных вагонов и загруженных самолетов. Ультразвук используется для диагностики и дефектоскопии, в гидролокации, подводной навигации и др.

Рассмотрим более подробно некоторые системы и комплексы, работающие на излучениях из “невидимых” частотных диапазонов.

Инфракрасные системы (ИКС) используются военными, правоохранительными и охранными службами.
С 1980-х гг. службы береговой охраны и контроля за распространением наркотиков США стали применять ИКС. Вертолёты этих служб оборудуются оптико-электронными системами (ОЭС), работающими в двух спектральных диапазонах (0.4… 1.1 и 8… 12 мкм) и имеющими в своём составе лазерные дальномеры.

На малых вертолётах правоохранительных органов США ИКС смонтированы внутри стабилизированных гироскопических шаровых устройств диаметром около 250 мм.

Правоохранительные органы США имеют двухканальный (ТВ и тепловизионный каналы) прибор Thermocorder массой 1 кг. Тепловизионный канал содержит неохлаждаемую микроболометрическую матрицу формата 120 × 160 и объектив с угловым полем зрения 30 × 40о. Эквивалентная шуму разность температур фотоприёмной матрицы составляет ~100 мК, что достаточно для обнаружения мокрых следов, брошенного в траву или кусты оружия, следов парковки автомобиля через несколько часов и т.д. Для пограничного патрулирования, охраны зданий и сооружений, полицейского наблюдения, пресечения перевозки наркотиков, поисковых и спасательных операций фирма FLIR Systems предлагает ИКС дальнего (17 км) радиуса действия ThermoVision2000.

Для оснащения постов отечественного пограничного контроля применяется ИКС-комплекс (разработки и изготовления ОАО “Циклон” и Красногорского завода), обеспечивающий автоматизированную обработку видеоизображений с 12 постов.

Разработана ИКС высокого разрешения, способная обнаруживать мгновенный прилив крови к области вокруг глаз, возникающий в случаях, когда человек говорит неправду (температура у него повышается на десятые доли – единицу градуса). По сути это детектор лжи, проще полиграфа.
В криминалистике с помощью ИКС проводят экспертизу документов, испорченных краской, копотью, плесенью, определяют подлинность произведений живописи по скрытому под слоем краски изображению.

Очень важное и перспективное применение ИКС – обнаружение очагов пожаров и пожароопасных зон с помощью устройств “смотрящего” типа, построенных на базе пироэлектрических приёмников и резистивных микроболометров (контроль за удалёнными и труднодоступными объектами и зонами, безопасность персонала). С их помощью можно быстро определить наличие и размеры зон опасного нагрева зданий, инженерных сооружений, оборудования и т.п.

ИКС военного назначения включают: системы наблюдения, разведки и охраны наземного базирования; для артиллерии и бронетанковых средств; системы воздушного базирования; системы морского базирования для наблюдения, обнаружения и распознавания целей; системы “смотрящего” типа в ракетной технике.

Радиовидение – это метод, позволяющий с помощью радиоволн (отражённых или излучаемых) визуально наблюдать предметы (обнаруживать и опознавать), невидимые невооружённым глазом, например, находящиеся в светонепроницаемой среде, скрытые непрозрачной для световых лучей стенкой, в условиях плохой видимости (туман, снегопад).

Распространение систем радиовидения возможно при достижении характеристик, конкурентоспособных с системами инфракрасного и видимого диапазонов. К важнейшим характеристикам, требующим особого внимания, относятся чувствительность, угловое разрешение и быстродействие.
Системы радиовидения являются практически оптимальными датчиками для широкого круга информационных задач и их решений:
• предотвращения столкновений объектов;
• охраны периметров площадей;
• многоканального измерения дальности и скорости;
• мониторинга с борта летательного аппарата (ЛА);
• управления движением наземных и водных транспортных средств, посадки ЛА;
• технического зрения и автоматического управления.

Системы радиовидения работают в разрешённом частотном радиодиапазоне и не влияют на работу других радиоэлектронных
устройств.

Пространственное разрешение такой системы обеспечивает надёжную идентификацию подвижных и неподвижных объектов. Излучаемая мощность системы может быть в несколько раз меньше мощности излучения мобильного телефона стандарта GSM. Масса и габариты системы позволяют реализовать её в переносном варианте.

Система радиовидения состоит из двух компактных и высокотехнологичных модулей: внешний модуль размещается в зоне радиопрозрачности и включает в себя антенный и приёмо-передающий блоки; внутренний – состоит из блока цифровой обработки и индикаторной панели.

В радиовидении обычно используют радиоволны миллиметрового и сантиметрового диапазонов (это радиолокация), что позволяет различать на изображении достаточно мелкие детали структуры объекта. Радиоволны, излучённые (при пассивном радиовидении) или рассеянные телами, объектами (при активном радиовидении), несут информацию об их строении и состоянии. Она содержится в распределении интенсивности и фазы радиоволн, в характере их поляризации, времени запаздывания и т.д.

Звуковидение – получение с помощью звука (преимущественно ультразвука, благодаря его свойству распространяться в различных средах с неодинаковой скоростью) видимого изображения объекта, находящегося в оптически непрозрачной среде (не видимого невооружённым глазом). Звуковидение основано на проникающей способности звука и особенно ультразвука.

Ультразвук, так же как и звук, представляет собой упругие волны. Частотная граница между звуковыми и ультразвуковыми волнами условна; она определяется субъективными свойствами человеческого слуха и соответствует усреднённой верхней границе слышимого звука.
Область частот ультразвука можно подразделить на три подобласти: ультразвук низких частот 1.5 · 104… 105 Гц (УЗНЧ),
средних частот 105… 107 Гц (УЗСЧ) и область высоких частот ультразвука 107… 109 Гц (УЗВЧ). Каждая подобласть характеризуется специфическими особенностями генерации, приёма, распространения и применения ультразвука. Длины волн в воздухе для УЗВЧ составляют 3.4 · 10–3… 3.4 · 10–5 см, в воде – 1.5 · 10–2… 1.5 · 10–4 см и в стали – 5 · 10–2… 5 · 10–4 см. Ультразвук в газах и, в частности, в воздухе распространяется с большим затуханием. Жидкости и твёрдые тела (особенно монокристаллы) представляют собой, как правило, хорошие проводники ультразвука, затухание в которых значительно меньше. Так, например, в воде затухание ультразвука при прочих равных условиях приблизительно в 1000 раз меньше, чем в воздухе. Поэтому области использования УЗСЧ и УЗВЧ относятся исключительно к жидкостям и твёрдым телам, а в воздухе и газах применяют только УЗНЧ. Из-за малой длины волны ультразвука на характере его распространения сказывается
молекулярная структура среды, поэтому, измеряя скорость ультразвука и коэффициент поглощения, можно судить о молекулярных свойствах вещества.

Для генерирования ультразвуковых колебаний используют устройства, которые могут быть разделены на две основные группы: механические (источником ультразвука служит механическая энергия потока газа или жидкости) и электромеханические (ультразвуковая энергия создаётся в результате преобразования электрической). Механические излучатели ультразвука (воздушные и жидкостные ультразвуковые свистки, сирены) отличаются сравнительной простотой устройства и применяются главным образом в промышленной ультразвуковой технологии и частично как средства сигнализации.

Основной метод излучения ультразвука – преобразование тем или иным способом электрических колебаний в механические. Предельная интенсивность излучения ультразвука определяется прочностными и нелинейными свойствами материала излучателей, а также особенностями использования излучателей. Диапазон интенсивности при генерации ультразвука в области УЗСЧ чрезвычайно широк: интенсивности от 10–15 до 0.1 Вт/см2 считаются малыми.

В звуковидении обычно используются упругие колебания в диапазоне частот от 10 кГц до 100 МГц и даже выше. Ультразвуковые волны хорошо проходят через металлы, пластмассы, большинство строительных материалов, живые ткани и жидкости. По отражению и преломлению ультразвуковых лучей от границ раздела твёрдое тело-газ (вследствие неодинаковых скоростей распространения ультразвуковых волн в различных средах) можно обнаруживать твёрдые тела и газовые пузыри в жидкостях и живых тканях, а также трещины, раковины и пустоты в твёрдых телах. Этот эффект используется для изучения и контроля структуры и геометрии внутренних неоднородностей оптически непрозрачных тел. Звуковидение выгодно отличается, например, от рентгеноскопии тем, что ультразвук легко фокусируется акустическими линзами и зеркалами в узкие, ограниченные в пространстве пучки (лучи), тогда как рентгеновские лучи, обладающие высокой проникающей способностью, практически невозможно сфокусировать – при рентгеноскопии получаются лишь теневые, силуэтные изображения.

Общая схема звуковидения включает источник ультразвука, объект наблюдения, акустический объектив, с помощью которого формируется ультразвуковое изображение, и преобразователь ультразвукового изображения в оптически видимое.  (...)

Световой пучок лазера, сформированный оптической системой, пронизывает жидкость, в которой находится объект наблюдения. Показатель преломления жидкости, облучаемой ультразвуком, создаёт на экране дифракционные полосы, содержащие изображение объекта.
Чувствительность электронно-акустических преобразователей (ЭАП) – 10–9… 10–10 Вт/см2. Впервые о возможности преобразования ультразвукового изображения в оптически видимое с помощью электронно-лучевых трубок писал в 1936 г. советский ученый С.Я. Соколов.
Развитие методов визуализации ультразвуковых полей и совершенствование аппаратуры звуковидения, в частности разработка высокочувствительных ЭАП, позволили создать “звуковизоры”  и другие средства звуковидения для их применения при решении задач обеспечения безопасности дефектоскопии, в диагностике, в подводной навигации и др.

В XIX веке электрическая информация передавалась (доставлялась) как в цифровом дискретном виде (телеграф), так и в аналоговом (телефон). В 30-х годах XX века В.А. Котельников показал, что любую аналоговую электрическую информацию можно передавать двоичным (дискретным, цифровым) кодом, главное преимущество которого – в максимальной помехоустойчивости.

Передаваемую информацию следует защищать от перехвата (подслушки, подглядки), от несанкционированного доступа, что делалось во все времена двумя группами методов: криптографией – скрытием сути сообщения с помощью шифрования, и стеганографией – скрытием самого факта передачи (наличия) тайного сообщения.

С появлением и развитием цифровых электронных вычислительных машин обе группы методов скрытия видеоаудиоэлектросвязи
(электрорадиосигналов) получили новое дыхание, совершенно небывало прогрессировали и достигли значительных высот.
Криптография и стеганография видеоаудиоэлектросвязи – это специальные знания для электрорадиоинженеров и инженеров по информационным технологиям, являющиеся основой защиты от несанкционированного доступа к конфиденциальной информации при её рождении (возникновении), хранении, передаче, доставке и приёме.

(...)
Применение многорастровых (многоканальных) разноспектрозональных визуализаторов продолжает расширяться.


Продолжение читайте в номере 4 журнала «Энергия: экономика, техника, экология» .