Экспериментальные работы показывают, что тепловидение может быть применено в самых различных областях народного хозяйства. Тепловизор станет помощником геологов, вулканологов, строителей, врачей, работников сельского хозяйства.
Доктор технических наук, профессор М. МИРОШНИКОВ.
Человек рукой чувствует разницу температур примерно в один градус. Опытный терапевт обнаружит у пациента повышенную температуру, отличающуюся от нормальной всего на 0,2 - 0,3 градуса. Известны люди с гипертрофированной чувствительностью к теплу. Приборы для измерения температур, разумеется, обладают еще большей чувствительностью.
Специалистам часто бывает нужно узнать температурный перепад не в, каком-то одном месте. Им важно очертить очаг повышенной температуры. Скажем, авиационную пожарную службу интересуют границы пожара, которые нельзя увидеть даже в сильный бинокль, потому, что этому мешает дым. Литейщик хочет определить, равномерно ли нагревается отливка, в, каких местах она раскалена сильнее. Геофизику важно выделить участки земной поверхности, которые нагреты сильнее других. Медикам известно, что некоторые опухоли в теле человека часто вызывают чуть повышенную температуру кожи.
Бывает, что медику или геофизику не так важно измерить перепад температур, как выделить необычно теплые области. Словом, различные специалисты хотели бы получить в свое распоряжение способ, позволяющий быстро и легко находить аномально нагретые участки. Глаз человека может видеть в темноте предметы, нагретые до высокой температуры. Металл, например, когда он нагрет до 420 С, начинает светиться, становится красным. На фотоснимках бывают видны перепады температур в 250 С.
...В 1800 году известный астроном В. Гершель проводил такие опыты. Стеклянной призмой он улавливал лучи солнца, и получал на пластинке весь спектр солнечного света. Когда ученый поместил термометр за пределами видимого спектра, у границы красной области, то с удивлением заметил, что и там термометр показал повышение температуры. Гершель справедливо предположил, что термометр нагрели невидимые глазу лучи солнца. Так было открыто излучение, которое, согласно его месту в спектре электромагнитных волн, назвали инфракрасным.
ИНФРАКРАСНЫЕ ЛУЧИ испускает любое нагретое тело. Причем, чем выше его температура, тем короче длина волны. При 20 С излучение происходит на волне 9,85 микрометра, при 500°С - на волне 3,75 микрометра. Инфракрасные лучи, как правило, называют тепловыми, хотя это не совсем точно, потому, что при нагреве происходит излучечение, и в других диапазонах.
Хотя инфракрасное излучение было открыто более полутора веков назад, лишь недавно удалось создать чувствительную, и надежную аппаратуру для видения слабо нагретых предметов. Она способна различать очень маленькие объекты, температура которых отличается на тысячные доли градуса. Причем тепловизор может находиться очень далеко от этих объектов. Инфракрасные системы обладают более высоким разрешением, чем радиолокационные. Они могут применяться в любое время суток, чего нельзя сказать, например, про аэрофотосъемку. Дальность их действия практически не ухудшается при сильной дымке. Высокая точность наведения, устойчивость к помехам, малые размеры, и вес, незначительная мощность источников питания - все это привлекает внимание к инфракрасным приборам.
Приведу лишь один пример. В темной комнате человек лег на деревянный пол в 15 метрах от тепловизора. Были сделаны две тепловые фотографии человек на спине, и на боку. Затем он ушел. Через 10 минут после этого еще раз сделали снимок того места, на котором лежал человек - был зафиксирован тепловой след, оставленный лежащим. Через 20 минут съемку повторили - получился достаточно отчетливый «портрет» человека, лежащего на полу. Через 35 минут тепловой силуэт немного расплылся, но был виден еще достаточно хорошо.
ТЕПЛОВИЗОРАМИ обычно называют инфракрасные приборы, в которых использован принцип оптико-механического сканирования. Но вообще их конструкции довольно разнообразны.
...Предположим, что тепловизор установлен на самолете. Поток инфракрасных лучей от поверхности земли попадает на зеркальную призму. Она вращается вокруг оси, совпадающей с направлением полета, и "Оглядывает» окрестность справа, и слева от самолета. Таким образом, под надзор призмы попадает широкая полоса местности.
Зеркальная призма через объектив отбрасывает инфракрасное изображение на приемник - в сущности, главный элемент тепловизора. Это экран, покрытый тонким слоем фотосопротивления. Оно может быть изготовлено на основе селенистого свинца, сурьмянистого индия, легированного германия. Под действием инфракрасных лучей приемник меняет свое сопротивление. Чем больше поток инфракрасных лучей, тем сильнее уменьшается сопротивление.
В электрической цепи, в которую входит фотосопротивление, возникают электрические сигналы. Ясно, что они находятся в зависимости от величины инфракрасного потока. Сигналы усиливаются, и подаются на электроннолучевую трубку. Она действует так же, как, и трубка в наших телевизорах электронный луч рисует на телевизионном экране изображение. Так, и в тепловизоре. Электрические сигналы управляют яркостью луча, и он воссоздает на экране тепловую карту местности, над которой пролетает самолет. Более светлые пятна карты - более нагретые элементы ландшафта. И чем светлее они, тем горячее.
Изображение на экране можно снять на кинопленку, сфотографировать - так мы получим тепловые фотоснимки, можно записать на магнитную ленту, можно по радио передать на землю. Работает воздушный тепловизор в различных спектральных интервалах, чаще всего в диапазонах - 1,5 - 5,3 микрометра, и 7,5 - 14 микрометров.
Чтобы аномально нагретые зоны видеть на экране более четко, тепловизор можно сделать цветным. Условились «окрасить» низкотемпературное инфракрасное излучение (7 - 14 микрометров) в синий цвет, среднетемпературное (3 - 7 микрометров) - в зеленый, высокотемпературное (1 - 3 микрометра) - в красный. Эти три области инфракрасного спектра преобразуются в зеленый, синий, и красный цвета оптического диапазона, и смешиваются, подобно тому, как это происходит в цветном телевизоре. Появляется абстрактная цветная картина. Красные пятна на ней - это аномально нагретые участки.
Где можно применить тепловидение?
В БОРЬБЕ С ЛЕСНЫМИ ПОЖАРАМИ у тепловидения, пожалуй, нет соперников. С обычного патрульного самолета очаг лесного пожара можно обнаружить только тогда, когда огонь уже наберет силу. Довольно часто не видно даже дыма. В лесу дым размазывается или выходит из-под полога насаждений незаметно, вдали от того места, где вовсю бушует пламя. Если горит торф, старые пни, муравьиные кучи, пласты угля близ поверхности, - в бинокль с самолета такой пожар практически невозможно заметить. При большом пожаре небо над местом катастрофы заволакивается дымом. Как определить границу такого пожара? Как составить карту, которая поможет быстрее справиться с ним?
Опыты показали, что с помощью инфракрасной аппаратуры, установленной на патрульном самолете, удается быстро обнаруживать даже небольшой огонь. Так, с самолета Ли-2, летевшего на высоте 400 метров, был замечен костер, площадь которого не превышала 0,3 квадратного метра. Такой небольшой огонь можно заметить с высоты более километра и, что тоже очень важно, как ночью, так, и днем. А сейчас разрабатывается аппаратура, которая позволит видеть тепло костра с высоты 4 километра. Тепловое изображение огня можно сфотографировать, и немедленно передать по телевизионному каналу в центр по борьбе с пожаром.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВУЛКАНОВ с помощью инфракрасной аэросъемки проводилось на Камчатке. Были получены тепловые снимки вулканов Эбеко, Мутновский, Горелая, Авача и других. Светлые пятна, и полосы на снимках указали нагретые участки - выходы раскаленных газов и горячих ключей с температурой 60 - 100°С.
Тепловая съемка одновременно сопровождалась фотографированием местности. Затем на обычную фотографию накладывалась инфракрасная. Так удавалось составить термальные карты вулканов. Они показывали распределение тепла в вулканической зоне, раскрывали местонахождение трещин, по которым проходит тепло из магматического источника.
Удалось обнаружить, что температура некоторых вулканов за последнее время несколько поднялась. Может быть, это сигнал для вулканологов ждите извержения?
Подобный надзор за вулканами можно осуществлять периодически. Это будет своего рода патрульная вулканическая служба, способная задолго предупредить о стихийном бедствии. Когда же начнется извержение, его можно будет изучить с помощью инфракрасной съемки. Ученые смогут увидеть, как работает вулкан.
ОБНАРУЖИВАТЬ ВОДУ, СЛЕДИТЬ ЗА ЕЕ ДВИЖЕНИЕМ инфракрасная аппаратура позволяет довольно точно.
Вода нагревается медленнее, чем суша. На инфракрасных фотографиях, сделанных днем, теплая земля будет выглядеть более светлой, чем вода. При ночной съемке картина изменится, потому, что вода медленно отдает тепло, она окажется нагретой сильнее почвы. Инфракрасная съемка рек, заболоченных районов поможет работе гидрологов, инженерных геологов. Например, геологи знают, что тектонические нарушения всегда более влажны, чем окружающая местность.
Поиск горячих источников, гейзеров, фумарол, грязевых котлов удобно проводить днем. Они достаточно нагреты. Инфракрасные съемки помогут получить картину больших, и малых океанских течений, приливов и отливов, покажут, как распространяются в море стоки рек, которые почти всегда теплее морских вод. Эти съемки наверняка привлекут внимание моряков, специалистов по береговому строительству, и морских геологов.
ЛЕДЯНОЙ ПОКРОВ МОРЕЙ И ОКЕАНОВ ТОЖЕ ПОДДАЕТСЯ ИНФРАКРАСНОЙ АЭРОСЪЕМКЕ. Лед экранирует тепловой поток моря чем толще лед, тем меньше он пропускает тепло воды. И поэтому лед на тепловых фотографиях выходит более темным. А светлее всего получается вода. Дневная съемка показывает, где лед покрыт снегом. Рыхлый снег - это посветление. Лед, покрытый толстым снежным покровом, получается несколько темнее. Даже о возрасте льда разрешает судить тепловидение. Старше тот, который плотнее. А плотный - менее теплый.
Трещину в ледяном поле, замурованную снегом, заметить очень трудно. Тепловизор находит ее сразу же. Больше того, с его помощью можно установить, какие трещины образовались раньше, какие позже. Выбрать льдину для дрейфующей станции, найти скрытые полыньи, ледяные заторы - - вот лишь некоторые из ледовых проблем, которые вполне под силу решить тепловидению. Оно наверняка сослужит добрую службу, и при изучении ледников в горах. Ведь главное в жизни этих гигантских ледяных скоплений - тепловой режим. Больше тепла - они сильнее тают, делают более полноводными горные реки. Тепловизоры помогут составлять водные прогнозы на весну.
СТАДА ЖИВОТНЫХ ВЫГЛЯДЯТ на инфракрасных снимках светлыми пятнами, а отдельные животные-точками. Значит, с помощью тепловизора можно следить
Тепловой поток пронизывает ее во всех направлениях. Нет внутреннего дефекта он распределяется равномерно. Но, встретив, какое-то включение или полость, усиливается только в этом месте. Американские ученые рассказывают, как они проверяют, плотно ли заполнен твердым топливом отсек ракеты. Ракету завозят в специальную печь, нагревают до 40°С, а потом осматривают тепловизором. Участок, где топливо неплотно прижато к стенке ракеты, сразу обнаруживается. Пустоту непременно надо устранить, иначе здесь топливо из-за неравномерного горения прожжет корпус ракеты.
Тепловой контроль, по-видимому, применим на многих производствах. «Измерить температуру» моторов, локомотивов, насосов, различных генераторов - значит узнать, «здоровы» ли они! Малейшее нарушение электрической цепи - обрыв или замыкание - даст о себе знать повышением температуры. за передвижениями диких животных в тайге, в горах. Такие съемки удобнее всего делать по ночам, когда почва менее нагрета, и тепло живого существа выделяется резче.
ИНФРАКРАСНАЯ СЪЕМКА ПОМОГАЕТ ОТЫСКИВАТЬ МЕСТА УТЕЧКИ ГОРЯЧЕЙ ВОДЫ из трубопровода, нефти - из нефтепровода, определить, где происходят потери воды в дренажной системе. С помощью тепловидения можно определять зрелость пшеницы, ржи, хлопка, иными словами, сроки уборки урожая. Определять соленость, и влажность почв, количество минеральных удобрений, внесенных в почву. Сейчас даже трудно очертить тот круг дел, с которыми поможет справиться инфракрасная съемка с самолета. Но, и на земле для тепловидения найдется немало работы.
В ПРОМЫШЛЕННОСТИ - здесь прежде всего надо сказать о контроле за качеством изделий. Посмотрите журнал «Дефектоскопия» за последние два года - во многих упоминается тепловидение.
Статоры электрических генераторов, в том числе, и очень больших, собираются из отдельных пластин. Каждая из них покрывается лаком - для изоляции. В тех местах, где обнажится металл, и соседние пластины соприкоснутся, возможен перегрев. И придется искать это место - разбирать гигантский статор. Поэтому при сборке еще на заводе статор нагревают токами Фуко, и механик на ощупь ищет горячие точки. Понятно, что он довольно часто ошибается. Ученые предложили проводить поиск с помощью тепловизора, чувствительность которого достигает 0,1 °C. Любую металлическую деталь можно сначала нагреть, а затем постепенно охлаждать.
В МЕДИЦИНЕ давно уже применяется термоизмерение. Если мы чувствуем недомогание, то первым делом беремся за градусник. Думается, что довольно скоро, и тепловизоры станут обычным явлением в медицинских кабинетах.
...Человек входит в кабинет, ложится на специальный стол. Над ним косо закреплено большое зеркало. Оно отбрасывает инфракрасные лучи, испускаемые кожей пациента на тепловизор. Возникает термографическое изображение человеческого тела.
Температура кожного покрова зависит от жизнедеятельности всего человеческого организма, наша кожа, если так можно сказать, греется изнутри. Каждый орган отбрасывает на нее свою тепловую «тень». Если все в порядке, на экране тепловизора врач увидит знакомую термографическую картину. Но если пациент болен, она в, каких-то деталях изменится.
Примерно так будет выглядеть в будущем инфракрасное обследование людей. Термографический центр уже создан в Ленинградском научно-исследовательском институте скорой помощи имени профессора Ю. Ю. Джанелидзе. Следить за ходом беременности с помощью рентгена нельзя, а с помощью тепловидения абсолютно безвредно. Всякого рода травмы, переломы, вывихи дают о себе знать локальным повышением температуры. И заживая, травмированные места остаются более теплыми, чем окружающие ткани. Процесс заживления становится «виден» врачу, он может руководить им теперь более уверенно. Здесь рентген уступает тепловидению.
Не следует думать, что тепловидение вытеснит, какие-то прежние методы медицинских обследований. Скорее всего оно дополнит их. Врачи смогут узнавать о существе болезней' больше, чем сейчас.
Беседу записал В.ДРУЯНОВ.
