Investigación sobre imágenes infrarrojas utilizadas en tecnología de exploración submarina

Los submarinos, como barcos que pueden sumergirse en actividades submarinas y luchar, son los principales buques de asalto de la marina moderna. A medida que los submarinos desempeñan un papel cada vez más importante en la guerra naval, la tecnología de exploración submarina también se ha desarrollado rápidamente.

Varias razones aumentan la probabilidad de que se detecte un submarino. Principalmente ruido, el ruido de los propulsores y las instalaciones asociadas es fácilmente capturado por el sonar. También están el magnetismo, la electricidad, el calor, la radiofrecuencia, etc. Estos son los principales factores que inciden en el sigilo de los submarinos en combate.

En la actualidad, existen muchos tipos de métodos principales de detección de submarinos, que se pueden dividir aproximadamente en dos categorías: equipos de detección acústica subacuática y equipos de detección no acústicos. El equipo de detección acústica subacuática incluye principalmente sonar, probador de ruido subacuático, localizador de rayos de sonido, probador de trayectoria balística, probador de posicionamiento submarino, medidor de velocidad del sonido, medidor de ondas, etc. El equipo de detección no acústica incluye principalmente detectores magnéticos y detectores de infrarrojos , de baja visibilidad. Televisores, radares sumergibles y gradiómetros de temperatura.

1. El principio de la tecnología infrarroja para el buceo.

La temperatura de la superficie del océano generalmente se detecta mediante el canal detector de infrarrojos de un radiómetro avanzado de alta resolución. Debido a la absorción de la radiación infrarroja por las moléculas de agua, el sistema de imágenes térmicas infrarrojas sobre el agua no puede detectar fácilmente la radiación infrarroja emitida por los submarinos que operan bajo el agua. Sin embargo, todas las actividades submarinas del submarino, incluida la fricción entre la superficie y el agua de mar en la propulsión del submarino, el funcionamiento de diversos equipos e incluso las actividades del personal, provocan un consumo de energía. De acuerdo con la ley de conversión y conservación de energía, toda la energía consumida finalmente se convierte en energía térmica, que inevitablemente se disipa en el entorno circundante, es decir, el agua de mar, aumentando así la temperatura del agua de mar alrededor del submarino. El agua de mar más cálida llega a la superficie por convección y permanece allí durante un corto período de tiempo. De esta forma, en el lugar por donde acaba de pasar el submarino, la temperatura del agua en la superficie del mar es ligeramente diferente a la temperatura del agua del mar circundante, por lo que también hay una diferencia en su radiación infrarroja. El sistema de imágenes térmicas infrarrojas puede convertir esta diferencia de radiación infrarroja de la superficie del mar en una señal eléctrica y formar una imagen de luz visible que muestra la trayectoria del submarino.

Por supuesto, para detectar esta pequeña diferencia en la temperatura del agua en la superficie del mar, el sistema de imágenes térmicas infrarrojas debe tener una sensibilidad extremadamente alta que permita la detección de esta pequeña diferencia en la temperatura del agua en la superficie del mar a distancia. Además, el sistema de imágenes térmicas infrarrojas puede escanear rápidamente una gran superficie del mar en forma de imágenes, lo que es más adecuado para las necesidades de detección antisubmarina. Es probable que los submarinos nucleares con especial importancia estratégica formen trayectorias infrarrojas obvias en la superficie del mar debido a la necesidad de descargar periódicamente el agua caliente a alta temperatura acumulada.

Cuando un submarino nuclear navega, siempre libera grandes cantidades de estelas cálidas para enfriar la central nuclear y genera así una señal de diferencia de temperatura en el agua. Los expertos extranjeros estiman que un submarino nuclear propulsado por un reactor de 190 kW libera hasta (4,5 x 4,19) x 107 J de energía térmica por segundo en el océano. La idea de detectar submarinos mediante la temperatura anormal del agua ya se propuso en la década de 1980, y algunos satélites estaban equipados con detectores de microondas infrarrojos como equipo auxiliar para la detección de submarinos.

La distribución vertical de la densidad de los fluidos en el entorno marino real es en su mayor parte no lineal, pero algunos también pueden aproximarse mediante análisis de distribución lineal. En este sentido, algunos laboratorios nacionales han realizado experimentos relevantes sobre estelas térmicas submarinas. Bajo el supuesto de que la densidad del agua de mar es aproximadamente lineal, se ha estimado la ley de flotabilidad de las estelas térmicas submarinas en fluidos estratificados de densidad. Se estableció el modelo aproximado de la ley de flotabilidad de la estela y se verificó la exactitud del modelo mediante experimentos de simulación. Se analizaron específicamente las características de flotabilidad y distribución de la estela térmica, lo que proporcionó una base científica para la detección infrarroja de submarinos en la superficie de la trayectoria térmica. Un análisis teórico exhaustivo y un análisis de resultados experimentales pueden obtener la ley de flotabilidad y los grupos exponentes de la estela térmica de submarinos ordinarios en el entorno marino con densidad uniforme.

(1) Sin la influencia de otros factores, la estela térmica generada por el submarino puede emerger libremente en un entorno marino homogéneo.

(2) La atenuación de la intensidad de la señal de diferencia de temperatura de la estela térmica es relativamente rápida en la etapa inicial. A medida que la altitud aumenta a gran distancia, la señal térmica se debilita extremadamente lentamente. Así, incluso si se eleva varias decenas de metros, la estela térmica todavía puede tener una señal de diferencia de temperatura del orden de 0,1 ℃.

(3) En el proceso de flotabilidad gradual, el ancho de la estela térmica sigue expandiéndose, pero la velocidad de expansión disminuye gradualmente. Después de alcanzar cierta altura y un cierto período de tiempo, básicamente no cambia. La estela térmica de los submarinos ordinarios La anchura de la señal térmica en la superficie del agua puede alcanzar entre diez metros y varias decenas de metros.

(4) La trayectoria térmica formada por la estela térmica en la superficie del agua no es una señal uniforme. Cada parte tiene el punto de señal más fuerte. La trayectoria térmica de la señal de superficie se puede describir conectando los puntos más fuertes, lo que puede ser un método para detectar submarinos.

2. Análisis

El buceo por infrarrojos requiere una sensibilidad a la temperatura inferior a 0,2 K. Como se analizó anteriormente, la energía térmica emitida por un submarino nuclear puede elevar la temperatura del agua detrás de él en aproximadamente 0,2 ℃. Según la ley de flotabilidad de las estelas submarinas, en un entorno marino homogéneo, las estelas térmicas emitidas por los submarinos pueden emerger a la superficie sin límite, mientras que la huella de calor disminuye extremadamente lentamente. Por lo tanto, es razonable seleccionar esta diferencia de temperatura como el índice mínimo de sensibilidad a la temperatura para aplicaciones sumergibles.

Para detectar submarinos se utiliza un sistema de imágenes térmicas por infrarrojos basado en un detector de plano focal. Dado que la sensibilidad térmica del sistema mejora considerablemente, se puede encontrar que la trayectoria térmica del submarino satisface eficazmente las necesidades de las aplicaciones de exploración submarina. Entre los sistemas de imágenes térmicas militares nacionales de la OTAN investigados, los observadores militares estadounidenses y los británicos IR-18 y LT1085 tienen una resolución espacial relativamente alta, pero su sensibilidad a la temperatura es de aproximadamente 0,17 K, cerca de 0,2 K. Por lo tanto, cuando la diferencia de temperatura de la superficie del mar es de aproximadamente 0,2 K, no son adecuados para aplicaciones de buceo debido a la baja relación señal-ruido.

LASH-ASW es un sistema de luz visible con alta resolución espacial, que se utiliza principalmente para misiones de exploración submarina en aguas costeras o aguas poco profundas. Los submarinos se detectan capturando la estela trazadora en forma de cono del submarino en la superficie del océano cuando el submarino navega a la profundidad del periscopio o no está sumergido. En resumen, en las aplicaciones modernas de detección de submarinos, se pueden utilizar equipos acústicos para detectar el ruido de los submarinos y radares para detectar submarinos en la superficie. Ahora se pueden utilizar cámaras infrarrojas para detectar la trayectoria térmica de los submarinos.

3. Tecnologías clave

3.1 Mejora de NE△T

Aunque la diferencia de temperatura en la superficie del mar será causada por la navegación del submarino, esta diferencia de temperatura es muy pequeña (generalmente menos de 0,2 K), y el generador de imágenes infrarrojas solo tiene una diferencia de temperatura mínima distinguible lo suficientemente pequeña como para extraer de manera efectiva señales útiles del interferencia de fondo en la superficie del mar. Este requisito se puede cumplir reduciendo la resolución espacial del sistema o aumentando la apertura efectiva del sistema óptico. Por tanto, el sistema puede utilizar dos canales ópticos, un canal de luz visible de alta resolución espacial y un canal de infrarrojos térmico. Y el análisis de señal posterior se puede realizar mediante fusión de datos multibanda.

3.2 Cálculo de la temperatura absoluta

Si es necesario calcular la temperatura absoluta de la superficie del agua de mar, es esencial un sistema de calibración de alta precisión. El uso del cuerpo negro para calibrar un sistema infrarrojo se ha convertido en un método eficaz comúnmente utilizado en el mundo, pero la premisa es que la fuente de calibración tiene las características de radiación de un cuerpo negro cercano para cumplir con los requisitos de calibración de alta precisión.

3.3 Postprocesamiento de imágenes digitales

En los sistemas termográficos modernos, la introducción de componentes de procesamiento digital juega un papel esencial. El procesamiento digital puede mejorar la calidad de la imagen y su correspondencia con la visión y también puede utilizar diferentes formas de señal de procesamiento adaptativo, lo que amplía enormemente la posibilidad de aplicar sistemas de imágenes térmicas en diversas tareas. Durante el procesamiento digital, puede garantizar el establecimiento de isotermas, histogramas y perfiles de temperatura, dividir el área de interés y determinar la temperatura extrema y media del campo térmico.

4. Resumen

Como nuevo medio de detección de submarinos, la tecnología infrarroja tiene ventajas incomparables sobre otros sistemas en determinados campos de aplicación e impulsa el desarrollo de tecnologías relacionadas. En aplicaciones prácticas, la combinación de tecnología infrarroja y otras tecnologías de buceo tendrá mayores ventajas y un espacio de aplicación más amplio en el buceo.

Tras el fin de la Guerra Fría, Estados Unidos ajustó sus estrategias globales. Entre ellos, la propuesta militar estadounidense para operaciones futuras de que el sistema de vigilancia global y el sistema de comunicación y la síntesis y procesamiento de datos relacionados podrían concentrarse en una determinada zona de guerra para formar una ventaja de información, que permitiría las dos capacidades de combate de camuflaje. y romper líneas de defensa e identificar y atacar objetivos fijos y móviles importantes en cualquier condición climática, de día y de noche, están estrechamente relacionados con la tecnología infrarroja. Impulsada por las demandas militares y el desarrollo de tecnologías relacionadas, la tecnología infrarroja ha pasado de una posición táctica en el pasado a una posición estratégica en la actualidad.

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Referencias

[1] Zhang Youwen, editado. "Ingeniería óptica infrarroja", Instituto de Ciencia y Tecnología de Shanghai, Academia de Ciencias de China. Prensa de ciencia y tecnología de Shanghai

[2] Wang Xiangnan. "Radiómetro infrarrojo de doble canal para medición de temperatura por teledetección", Instituto de Tecnología Oceánica, Administración Oceánica Estatal. "Tecnología Oceánica", 1999 No. 1, 217-219.

[3] Lu Xinping, Shen Zhenkang. “Análisis del Sistema de Imágenes Térmicas Infrarrojas Aplicado a la Detección Antisubmarina”, Laboratorio ATR, Universidad Nacional Tecnológica de Defensa. "Ingeniería de infrarrojos y láser", 2002.6, Vol.31, No.3.

[4] Wang Jiang, An Guoyan, Gu Jiannong. "Investigación Teórica y Experimental sobre Detección Infrarroja de Estela de Calor Latente", Universidad de Ingeniería Naval. "Láser e Infrarrojos", 2002.6, Vol.32, No. 3, 159-162.

[5]Tecnología de infrarrojos XVIII, actas SPIE Vol.1762.

[6] Futuros programas y sensores de teledetección europeos y japoneses, actas de SPIE, vol. 1490.

[7] Estimación de la temperatura de la superficie del mar utilizando un escáner visible e infrarrojo (VIRS) Hiroshi Mu Takami, Agencia Nacional de Desarrollo Espacial de Japón (NASDA), Centro de Investigación de Observación de la Tierra (EORC).