Recherche sur un imageur infrarouge utilisé dans la technologie d'exploration sous-marine

Les sous-marins, en tant que navires capables de plonger dans des activités sous-marines et de combattre, sont les principaux navires d'assaut de la marine moderne. Alors que les sous-marins jouent un rôle de plus en plus important dans la guerre navale, la technologie d’exploration sous-marine s’est également développée rapidement.

Plusieurs raisons augmentent la probabilité qu'un sous-marin soit détecté. Principalement sonore, le bruit des propulseurs et des installations associées est facilement capté par le sonar. Il y a aussi le magnétisme, l’électricité, la chaleur, la radiofréquence, etc. Ce sont les principaux facteurs qui affectent la furtivité des sous-marins au combat.

À l’heure actuelle, il existe de nombreux types de principales méthodes de détection sous-marine, qui peuvent être grossièrement divisées en deux catégories : les équipements de détection acoustique sous-marine et les équipements de détection non acoustiques. L'équipement de détection acoustique sous-marine comprend principalement un sonar, un testeur de bruit sous-marin, un localisateur de rayons sonores, un testeur de trajectoire balistique, un testeur de positionnement sous-marin, un compteur de vitesse du son, un ondemètre, etc. L'équipement de détection non acoustique comprend principalement des détecteurs magnétiques et des détecteurs infrarouges , à faible visibilité. téléviseurs, radars submersibles et gradiomètres de température.

1. Le principe de la technologie infrarouge pour la plongée

La température de la surface de l’océan est généralement détectée par le canal du détecteur infrarouge d’un radiomètre avancé à haute résolution. En raison de l’absorption du rayonnement infrarouge par les molécules d’eau, le rayonnement infrarouge émis par les sous-marins opérant sous l’eau ne peut pas être facilement détecté par le système d’imagerie thermique infrarouge au-dessus de l’eau. Cependant, toutes les activités sous-marines du sous-marin, y compris les frottements entre la surface et l'eau de mer lors de la propulsion du sous-marin, le fonctionnement de divers équipements, ou encore les activités du personnel, engendrent une consommation d'énergie. Selon la loi de conversion et de conservation de l'énergie, toute l'énergie consommée est finalement convertie sous forme d'énergie thermique, qui est inévitablement dissipée dans le milieu environnant, c'est-à-dire l'eau de mer, augmentant ainsi la température de l'eau de mer autour du sous-marin. L’eau de mer plus chaude atteint la surface par convection et y reste pendant une courte période. De cette façon, à l'endroit où le sous-marin vient de passer, la température de l'eau à la surface de la mer est légèrement différente de la température de l'eau de mer environnante, il y a donc également une différence dans son rayonnement infrarouge. Le système d'imagerie thermique infrarouge peut convertir cette différence de rayonnement infrarouge de la surface de la mer en un signal électrique et former une image en lumière visible, qui montre la trajectoire du sous-marin.

Bien entendu, afin de détecter cette très petite différence de température de l’eau à la surface de la mer, le système d’imagerie thermique infrarouge doit avoir une sensibilité extrêmement élevée qui permet de détecter à distance cette petite différence de température de l’eau à la surface de la mer. De plus, le système d'imagerie thermique infrarouge peut balayer rapidement une grande surface de la mer par imagerie, ce qui est plus adapté aux besoins de détection anti-sous-marine. Les sous-marins nucléaires revêtant une importance stratégique particulière sont susceptibles de former des trajectoires infrarouges évidentes à la surface de la mer en raison de la nécessité d'évacuer régulièrement l'eau chaude à haute température accumulée.

Lorsqu'un sous-marin nucléaire navigue, il libère toujours de grandes quantités de sillages chauds pour refroidir la centrale nucléaire et génère ainsi un signal de différence de température dans l'eau. Les experts étrangers estiment qu'un sous-marin nucléaire propulsé par un réacteur de 190 kW rejette dans l'océan jusqu'à (4,5 x 4,19) x 107 J d'énergie thermique par seconde. L'idée de détecter les sous-marins grâce à la température anormale de l'eau avait déjà été proposée dans les années 1980, et certains satellites avaient été équipés de détecteurs infrarouges à micro-ondes comme équipement auxiliaire pour la détection des sous-marins.

La distribution verticale de la densité des fluides dans l'environnement marin réel est pour l'essentiel non linéaire, mais certaines peuvent également être approximées par une analyse de distribution linéaire. À cet égard, certains laboratoires nationaux ont mené des expériences pertinentes sur les sillages thermiques sous-marins. En supposant que la densité de l'eau de mer est approximativement linéaire, la loi de flottabilité des sillages thermiques sous-marins dans les fluides stratifiés en densité a été estimée. Le modèle approximatif de la loi de flottabilité du sillage a été établi et l'exactitude du modèle a été vérifiée par des expériences de simulation. Les caractéristiques de flottabilité et de répartition du sillage thermique ont été spécifiquement analysées, ce qui a fourni une base scientifique pour la détection infrarouge des sous-marins à la surface de la trajectoire thermique. Une analyse théorique complète et une analyse des résultats expérimentaux peuvent obtenir la loi de flottabilité et les groupes d'exposants du sillage thermique des sous-marins ordinaires dans l'environnement marin avec une densité uniforme.

(1) Sans l'influence d'autres facteurs, le sillage thermique rejeté par le sous-marin peut faire surface sans restriction dans un environnement marin homogène.

(2) L'atténuation de l'intensité du signal de différence de température de sillage thermique est relativement rapide dans la phase initiale. À mesure que l’altitude augmente sur une longue distance, le signal thermique s’affaiblit extrêmement lentement. Ainsi, même s’il s’élève de plusieurs dizaines de mètres, le sillage thermique peut encore avoir un signal de différence de température de l’ordre de 0,1 ℃.

(3) Au cours du processus de flottabilité progressive, la largeur du sillage thermique continue de s'étendre, mais la vitesse d'expansion ralentit progressivement. Après avoir atteint une certaine hauteur et une certaine période de temps, cela ne change fondamentalement pas. Le sillage thermique des sous-marins ordinaires La largeur du signal de trace thermique à la surface de l'eau peut atteindre une dizaine de mètres à plusieurs dizaines de mètres.

(4) La trajectoire thermique formée par le sillage thermique à la surface de l'eau n'est pas un signal uniforme. Chaque partie a le point de signal le plus fort. La trajectoire thermique du signal de surface peut être décrite en reliant les points les plus forts, ce qui peut être une méthode de détection des sous-marins.

2. Analyse

La plongée infrarouge nécessite une sensibilité à la température inférieure à 0,2K. Comme analysé ci-dessus, l’énergie thermique émise par un sous-marin nucléaire peut augmenter la température de l’eau derrière lui d’environ 0,2 ℃. Selon la loi de flottabilité des sillages sous-marins, dans un environnement marin homogène, les sillages thermiques émis par les sous-marins peuvent faire surface sans limite tandis que la signature thermique diminue extrêmement lentement. Par conséquent, il est raisonnable de sélectionner cette différence de température comme indice minimum de sensibilité à la température pour les applications submersibles.

Le système d’imagerie thermique infrarouge basé sur le détecteur à plan focal est utilisé pour détecter les sous-marins. Étant donné que la sensibilité thermique du système est grandement améliorée, la trajectoire thermique du sous-marin peut être efficacement trouvée pour répondre aux besoins des applications d'exploration sous-marine. Parmi les systèmes d'imagerie thermique militaires nationaux de l'OTAN étudiés, les observateurs militaires américains et les britanniques IR-18 et LT1085 ont une résolution spatiale relativement élevée, mais leur sensibilité à la température est d'environ 0,17K, proche de 0,2K. Par conséquent, lorsque la différence de température à la surface de la mer est d’environ 0,2 K, ils ne conviennent pas aux applications de plongée en raison du faible rapport signal/bruit.

LASH-ASW est un système de lumière visible à haute résolution spatiale, principalement utilisé pour les missions d’exploration sous-marine dans les eaux côtières ou peu profondes. Les sous-marins sont détectés en capturant le sillage traceur en forme de cône du sous-marin à la surface de l'océan lorsque le sous-marin navigue à la profondeur du périscope ou n'est pas immergé. En résumé, dans les applications modernes de détection de sous-marins, des équipements acoustiques peuvent être utilisés pour détecter le bruit des sous-marins, et des radars peuvent être utilisés pour détecter les sous-marins en surface. Des imageurs infrarouges peuvent désormais être utilisés pour détecter la trajectoire thermique des sous-marins.

3. Technologies clés

3.1 Amélioration de NE△T

Bien que la différence de température à la surface de la mer soit causée par la navigation du sous-marin, cette différence de température est très faible (généralement inférieure à 0,2 K), et l'imageur infrarouge n'a qu'une différence de température minimale suffisamment petite pour extraire efficacement les signaux utiles du interférence de fond à la surface de la mer. Cette exigence peut être satisfaite en réduisant la résolution spatiale du système ou en augmentant l'ouverture effective du système optique. Par conséquent, le système peut utiliser deux canaux optiques, un canal de lumière visible à haute résolution spatiale et un canal infrarouge thermique. Et l’analyse ultérieure du signal peut être effectuée grâce à la fusion de données multibandes.

3.2 Calcul de la température absolue

Si la température absolue de la surface de l’eau de mer doit être calculée, un système d’étalonnage de haute précision est essentiel. L'utilisation du corps noir pour calibrer un système infrarouge est devenue une méthode efficace couramment utilisée dans le monde, mais le principe est que la source d'étalonnage présente les caractéristiques de rayonnement d'un corps proche du noir pour répondre aux exigences d'étalonnage de haute précision.

3.3 Post-traitement des images numériques

Dans les systèmes d’imagerie thermique modernes, l’introduction de composants de traitement numérique joue un rôle essentiel. Le traitement numérique peut améliorer la qualité de l'image et sa correspondance avec la vision et peut également utiliser différentes formes de signaux de traitement adaptatif, ce qui élargit considérablement la possibilité d'appliquer des systèmes d'imagerie thermique à diverses tâches. Lors du traitement numérique, il peut assurer l'établissement d'isothermes, d'histogrammes et de profils de température, diviser la zone d'intérêt et déterminer la température extrême et médiane du champ thermique.

4. Résumé

En tant que nouveau moyen de détection des sous-marins, la technologie infrarouge présente des avantages incomparables par rapport aux autres systèmes dans certains domaines d'application et stimule le développement de technologies associées. Dans les applications pratiques, la combinaison de la technologie infrarouge et d’autres technologies de plongée présentera de plus grands avantages et un espace d’application plus large en plongée.

Après la fin de la guerre froide, les États-Unis ont ajusté leurs stratégies mondiales. Parmi elles, la proposition militaire américaine pour les opérations futures selon laquelle le système mondial de surveillance et de communication ainsi que la synthèse et le traitement des données associées pourraient être concentrés dans une certaine zone de guerre pour former un avantage informationnel, ce qui permettrait les deux capacités de combat de camouflage et percer les lignes de défense et identifier et frapper des cibles fixes et mobiles importantes dans toutes les conditions météorologiques, de jour comme de nuit, sont étroitement liés à la technologie infrarouge. Poussée par les exigences militaires et le développement des technologies associées, la technologie infrarouge est passée d'une position tactique dans le passé à une position stratégique aujourd'hui.

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Les références

[1] Zhang Youwen, édité. "Ingénierie optique infrarouge", Institut des sciences et technologies de Shanghai, Académie chinoise des sciences. Presse scientifique et technologique de Shanghai

[2] Wang Xiangnan. "Radiomètre infrarouge à double canal pour la mesure de la température par télédétection", Institut de technologie océanique, Administration océanique d'État. "Technologie océanique", 1999 n° 1, 217-219.

[3] Lu Xinping, Shen Zhenkang. "Analyse du système d'imagerie thermique infrarouge appliqué à la détection anti-sous-marine", Laboratoire ATR, Université Nationale de Technologie de Défense. "Ingénierie infrarouge et laser", 2002.6, Vol.31, No.3.

[4] Wang Jiang, An Guoyan, Gu Jiannong. "Recherche théorique et expérimentale sur la détection infrarouge du sillage de chaleur latente", Université d'ingénierie navale. "Laser et infrarouge", 2002.6, Vol.32, n° 3, 159-162.

[5]Technologie infrarouge XVIII, actes SPIE Vol.1762.

[6]Futurs capteurs et programmes de télédétection européens et japonais, actes SPIE Vol. 1490.

[7]Estimation de la température de la surface de la mer à l'aide d'un scanner visible et infrarouge (VIRS) Hiroshi Mu Takami, Agence nationale de développement spatial du Japon (NASDA), Centre de recherche sur l'observation de la Terre (EORC).