Тепловизионные системы наблюдения и охраны - VISTAGRUP.RU

Тепловизионные системы наблюдения и охраны

ТОП-8 неоспоримых преимуществ тепловизионных систем видеонаблюдения

Многие идеи из фантастических фильмов конца 20-го – начала 21-го века воплощены в жизнь. Я говорю о специфических возможностях некого оборудования видеть тепловое поле человека и других объектов. Сегодня тепловизионная камера уже не удивит и ребенка. Давайте подробно поговорим о преимуществах и недостатках тепловизионного оборудования для видеонаблюдения.

Что такое тепловизор в видеокамерах?

Начнем с азов физики: любой объект, обладающей температурой более абсолютного нуля (а именно более минус 273 градуса по шкале Цельсия), излучает тепло. Еще его называют инфракрасным или тепловым излучением.

К сожалению или к счастью, но человеческий зрительный орган не способен различать данный вид выделения тепла. Однако эта тема не давала покоя ученым со времен средних веков, а первое определение “теплового излучения” было дано шведским химиком Карлом Шееле в 1777 году.

В основе современных тепловизионных камер находится бесконтактный измерительный прибор, который считывает показатели тепла и определяет разницу температур объекта и окружающей среды. В этом и состоит главный принцип работы тепловизора в видеокамере.

Визуально тепловая карта отличается в зависимости от высоты температуры и температурных разниц. Соответственно, более высокая температура объекта дает более интенсивное излучение, а высокая разница температур разных объектов дает более яркое и контрастное изображение.

Сферы применения

Еще 10 лет назад тепловизионные камеры использовались преимущественно в научных целях. Сегодня уже они задействованы в различных областях человеческой жизнедеятельности, а именно:

  • строительство (для обследования электро, газотехнического оборудования);
  • медицина (в диагностических, противопожарных целях);
  • производство (для контроля и автоматизации производственных процессов, в целях поиска и устранения утечек тепла/холода и энергоресурсовов, а также борьба с пожарами на производстве);
  • охота (для определения места нахождения животных);
  • охрана (защита периметра, распознавание автомобильных номеров );
  • противопожарная безопасность в целом;
  • в магазинах (для построения тепловых карт для оптимизации раскладки товара, определения движущихся потоков покупателей внутри торгового зала);
  • во всех сферах жизни, в целях борьбы с эпидемиологическими катастрофами. Здесь главное преимущество тепловизионных камер заключается в бесконтактности термометрии;
  • в быту (для поиска и устранения мест утечек тепла и энергоресурсов).

ТОП-8 преимуществ

Важно понимать, что весь набор преимуществ может дать именно тепловизионная IP-камера . Все о сетевых (IP) камерах читайте в статье: «Сетевые камеры видеонаблюдения: 7 преимуществ и 4 недостатка» .

Преимущества тепловизионных систем видеонаблюдения:

1. Отличная работа в любых условиях.

На работу камер видеонаблюдения всегда влияют погодные условия. Но тепловизионные камеры исключение: им не помеха снег, дождь, туман, дым, грязь. Даже бурная растительность не может задержать тепловое излучение.

2. Отличное качество изображения в условиях полной темноты.

Существенный плюс тепловизора – отсутствие необходимости в освещении объекта наблюдения. В полной темноте тепловизионная камера работает точно так же, как и в ясный, солнечный день. Обычные же камеры требуют специальной подсветки или рекомендуется устанавливать специальные камеры ночного видения, например беспроводную камеру ночного видения .

3. Высокая точность измерения.

Точность камер – 0,1 градус по Цельсию и выше.

4. Бесконтактность измерения.

Еще год назад человечество и не думало, что повсеместная термометрия и бесконтактность будут главными трендами 2020 года. И именно технологии бесконтактности будут лидировать в будущем в бизнесе и в быту.

5. Возможности наблюдения на огромных расстояниях и площадях.

Производители камер тепловизионного действия заявляют следующие средние технические характеристики:

Признак наблюдения Человек/в метрах Авто/ в метрах
Обнаружение до 1500 до 5000
Распознавание до 400 до 1500
Точная идентификация до 190 до 600

6. Минимизация ложных тревог.

Несовершенство алгоритмов датчиков движения обуславливает большое количество ложных тревог. Датчик движения в обычных камерах можно сбит с толку летящим полиэтиленовым пакетом, движением веток деревьев, природными явлениями. Тепловизионные камеры полностью лишены такого недостатка: для детекции им нужна температура объекта и ее разница с окружающей средой.

7. Нет встречной засветки.

Ахиллесова пята обычных камер – засветка. Это могут быть лучи солнца, любой источник света (например, фары автомобиля), в том числе умышленно направленный на камеру. Камеры, работающие на основе тепловизора, не чувствительны к засветке.

8. Законная скрытость камеры.

Кто не хочет использовать камеру скрытно? Однако действующее законодательство РФ полностью исключает тайное (шпионское) использование оборудования, которое содержит видеокамеру и микрофон. Кроме того, камеры без тепловизора обычно снабжаются дополнительными источниками свет, что прямо указывает на местонахождение камеры.

Тепловизионное оборудования для наблюдения не требует источников света, поэтому в темноте такие камеры невозможно обнаружить.

Недостатки

Можно обозначить те или иные недостатки тепловизионных систем видеонаблюдения, в зависимости от модели камеры:

  1. Высокая стоимость. Если вы сделаете запрос «тепловизионная камера купить» , то результаты не обрадуют.
  2. Усложненный монтаж и сборка системы, то есть потребитель вынужден воспользоваться услугами профессионалов и, соответственно, дополнительно потратиться.
  3. Технические возможности обмануть систему.

Как стать невидимым для тепловизионной камеры?

Хочу прояснить ответы на следующие вопросы:

  • как стать невидимкой для тепловизора? Для этого температура окружающей среды должна полностью совпадать с температурой тела объекта (человека);
  • мешают ли стены для работы тепловизора? Да, мешают. Но если источник тепла будет нагревать стену или ее часть, тепловизор уловит разницу температур;
  • как влияет одежда на обнаружение человека? Тепловизор видит одежду, нагретую теплом человеческого тела;
  • можно ли ослепить тепловизионную камеру? Нет, но теоретически ослепить тепловизор может только такой мощнейший источник света, как термоядерная бомба.

Заключение

Тепловизионное видеооборудование – это перспективный источник развития IT-рынка. А в результате мировой эпидемиологической ситуации процесс внедрения тепловизионных камер в бизнес значительно ускорился. Совсем скоро каждый офисный центр и торговый комплекс будут оснащены автоматическими тепловизорами, средствами бесконтактного доступа (открывания дверей, управления лифтами). Будущее уже наступило.

Защита территориально распределенных объектов: новое качество с тепловизионной техникой

Важно отметить, что тепловизоры и видеоаналитика – это разные вещи. Тепловизор формирует изображение (тепловую картину мира в используемом спектральном диапазоне), а видеоаналитика обрабатывает полученное изображение по определенным алгоритмам. Это комбинация, каждая часть которой выполняет свою функцию. Экспертное сообщество в целом единодушно: такое сочетание в ряде случаев может успешно заменить элементы систем защиты (периметральную сигнализацию), но стоит обращать внимание на особенности работы видеоаналитики, например недостаточную надежность. Тепловизионные камеры и системы с видеоаналитикой фактически безальтернативны при невозможности или неэффективности использования традиционных периметральных систем (на протяженных периметрах, акваториях и т.д.).

Совмещение изображений тепловизора и обычной видеокамеры дает большую информативность и является хорошим вариантом как в стационарных, так и в поворотных системах. Но актуальность этого диктуется конкретной задачей или проектом. Наиболее перспективным выглядит не совмещение, а комплексирование (наложение) изображений тепловизора и видеокамеры, позволяющее соединить преимущества двух устройств в одном изображении. Такие технологии есть и успешно применяются, но их развитие сдерживает экономический фактор.

Выбор тепловизора: алгоритм и особенности

Выбор тепловизора для охранного наблюдения – непростая задача. В большинстве случаев она двух- или многостадийная, что подтверждают эксперты. Процесс можно алгоритмизировать следующим образом:

  1. выбор по дальности действия для задачи (параметры детектора и объектива);
  2. определение функционального набора (стационарный или поворотный, IP, аналитика и т.д.);
  3. определение эксплуатационных характеристик (электропитание, класс IP-защиты, диапазон температур и т.д.);
  4. выбор изготовителя или поставщика.

В каждом блоке выбора много особенностей:

  • больший размер детектора совсем не означает большую дальность действия;
  • разрешение детекторов и фокусные расстояния объективов у двух сравниваемых тепловизоров могут быть одинаковыми, а дальность действия – разной;
  • тепловизоры с кадровой частотой 9 Гц имеют массу нюансов в эксплуатации в конкретной задаче и иногда ощутимо проигрывают тепловизорам с кадровой частотой 25 Гц;
  • критерий Джонсона часто используется, но он не единственный и многих важных моментов не учитывает;
  • диапазон рабочих температур от -32 °С не всегда подходит для России;
  • выбирать приходится между зарубежными и отечественными производителями (риски как экономические, так и политические: например, экспортные ограничения для тепловизоров с кадровой частотой 25 Гц в Россию со стороны некоторых стран).

В технических блоках выбора разумнее консультироваться с независимыми экспертами, это обеспечит адекватность параметров подбора.

Цветность изображения

В вопросе выбора цветности изображения на тепловизорах для охранного наблюдения эксперты отмечают преимущества черно-белого (или бело-черного, инвертированного) перед разными вариантами цветных изображений. Это обусловлено рядом факторов, как человеческих (меньше устает оператор, изображение более адекватное), так и технических (лучше работают системы аналитики).

Стационарный тепловизор или мультиспектральная система?

При выборе между стационарными тепловизорами и мультиспектральными системами все определяется задачей и условиями. Эксперты отмечают, что стационарные тепловизоры эффективны в сочетании с системами видеоаналитики. Мультиспектральные системы обладают неоспоримыми преимуществами: возможность наблюдать произвольный участок зачастую необходимо и важно на обширной территории. Несомненно одно: будущее за комплексированием видео с каналов разных спектральных диапазонов (видеокамер и тепловизоров), так как это предоставляет технически наиболее полную информацию для целей охранного наблюдения.

Стоимость

Все эксперты говорят, что процесс удешевления стоимости тепловизоров идет полным ходом. Действительно, когда тепловизионные камеры уже есть в качестве готового продукта как аксессуары для смартфона и выпускаются несколькими компаниями, можно говорить о начале массового потребления тепловизионных технологий. Наблюдается аналогия с путем развития видеокамер – только с разницей в десять лет. Это означает, что для широкого применения в системах безопасности стоимость тепловизоров должна существенно снизиться в течение ближайших пяти лет.

Читайте также  Чердачный этаж определение

Задачи систем безопасности, которые решаются тепловизорами, что пять лет назад, что сейчас остаются очень актуальными. Рынок постепенно насыщается тепловизионными технологиями, динамика осведомленности рынка о них сравнима со снежным комом. Тепловизоры начинают все чаще и чаще применять для периметрального наблюдения, даже автопарковки переходят на их использование.

Относительно IP-технологий в тепловизорах все довольно просто: они повторяют путь видеокамер и каких-либо особых самостоятельных трендов не имеют. IP-технологии – это платформа, на которой строятся и интегрируются системы безопасности, некий базис, на котором реализуются алгоритмы передачи данных и взаимодействие устройств между собой. IP-технологии способны внести добавочную стоимость в конечное решение с тепловизором, если уменьшат стоимость владения системой или привнесут дополнительный функционал в работу системы. Не так часто встречаются проекты, где критически важным условием является наличие именно IP-тепловизора.

Тепловизор – это высокоэффективный инструмент наблюдения, но не волшебный прибор. Главное его преимущество – круглосуточное наблюдение вне зависимости от освещенности. Заменить тепловизором систему физической защиты нельзя, систему периметральной сигнализации – можно, но нужно грамотно и аккуратно предусмотреть все нюансы, связанные с ненадежностью работы систем видеоаналитики, а также деградацию тепловизионного изображения, обусловливаемую ухудшением погодных условий: дождем, снегом и летней тепловой засветкой. Довольно часто тепловизоры с аналитикой применяют в тех случаях, когда классическая установка периметральной сигнализации и тепловизоров в паре невозможна или экономически не эффективна. Обычно такие инсталляции – это либо перекрытие водных пространств или протяженных участков территории, либо классический периметр, где часто случаются ложные срабатывания периметральных сигнализаций из-за различных причин.

Выбор тепловизора для задач охранного наблюдения можно разделить на два этапа. Первый – это выбор технических параметров, которые позволят решить задачу. Второй – выбор производителя. Среди технических параметров важную роль играют разрешение детектора и фокусное расстояние объектива. От них зависит дальность работы тепловизора и надежность систем видеоаналитики. Далее принимаются во внимание дополнительные функции: поворотное устройство, IP-технологии, аналитика. Завершают (а в некоторых случаях открывают) параметры выбора – характеристики защиты от окружающей среды: диапазон рабочих температур, класс IP-защиты и взрывозащиты.

В долгосрочной перспективе лучше начинать с выбора производителя и поставщика: именно от их компетенции и добросовестности в конечном счете будут зависеть работоспособность и долговечность системы на тепловизорах.

Я периодически провожу мастер-классы по тепловизорам, где часто обсуждают вопрос выбора цветности изображения на тепловизорах для систем видеонаблюдения. Лучше всего использовать черно-белое изображение (или бело-черное, если инвертирована палитра). Основные аргументы в пользу черно-белого изображения: оно выглядит реалистично, от него не устает оператор, системы видеоаналитики хорошо работают по контрастным признакам.

Мультиспектральные системы обычно состоят из тепловизора, видеокамеры и поворотного устройства. Для мощных систем иногда добавляют дальномер. Если еще несколько лет назад зум был только на видеокамере, то сейчас самые современные образцы мультиспектральных систем имеют зум и на тепловизоре. Будущее за комбинированными каналами, когда можно будет выбирать любой спектральный диапазон для отображения или различные комбинации комплексирования изображения из разных спектров. Но даже по современным меркам это дальняя перспектива.

Стационарные тепловизоры наиболее эффективны вместе с системами видеоаналитики, так как тепловизионное изображение менее шумное и более резкое, чем на видеокамерах. Реально мощными получаются комбинации, когда со стационарными тепловизорами на периметре устанавливают мультиспектральные системы для детализации и сопровождения объектов, обнаруженных стационарными тепловизорами.

Тепловизоры уже доступны в качестве аксессуаров для смартфонов. Средняя стоимость таких гаджетов – 300–500 долл. Это уже массовый рынок. Они являются драйверами снижения себестоимости производства тепловизионных детекторов. Еще через несколько лет и стоимость неохлаждаемых тепловизоров для систем безопасности должна значительно снизиться.

Тепловые камеры в системах видеонаблюдения – преимущества и недостатки использования

До недавнего времени тепловые камеры видеонаблюдения использовались исключительно спецслужбами в силу своей высокой стоимости и технического несовершенства. Однако, развитие технологий, позволило создать тепловизионные системы наблюдения и охраны по доступной стоимости и простые в обслуживании.

Тепловые камеры целесообразно использовать в следующих ситуациях:

  • В качестве одного из элементов системы охраны частных или коммерческих объектов, на периметре контролируемой зоны и на открытых участках большой протяженности;
  • Для контроля местности покрытой густой растительностью;
  • Для контроля водных объектов;
  • Для контроля уровня жидкости в различных емкостях (чаще всего нефтяные цистерны);
  • В качестве детектора для сверхраннего определения возникновения очагов возгорания.
  1. Преимущества и недостатки использования
  2. Принцип действия
  3. Технические и эксплуатационные характеристики
  4. Обзор популярных моделей

Преимущества и недостатки использования

Использование отдельных тепловизионных модулей в стандартном видеонаблюдении или комплексных специализированных систем тепловидения дает системе безопасности объекта существенные преимущества:

  1. Отсутствие дополнительного освещения. На контролируемом участке нет необходимости устанавливать дополнительные осветительные приборы видимого и инфракрасного спектра;
  2. Снижение количества ложных срабатываний. Тепловизионные камеры выдают изображение с большим тепловым контрастом, который значительно превосходит аналогичный параметр обычных видеокамер особенно в темное время суток. Такие изображения полностью пригодны для использования в современных программах видеоанализа, а оператору будет гораздо легче отличить тень от дерева или качающуюся ветку от силуэта нарушителя, который пытается проникнуть на охраняемую территорию.
  3. Аналитическая обработка теплового изображения. Использование программ аналитической обработки изображения значительно повышает эффективность тепловидения.
  4. Уменьшение нагрузки на диспетчера. Часть функции по опознанию нарушителей берёт на себя программно-аппаратный комплекс. При использовании тепловизионных камер нет необходимости в применении большого количества обычных видеокамер.
  5. Минимизация времени и затрат на монтаж кабельных сетей, а также уменьшение количества периферийного оборудования (свитчи), существенно упрощает систему и положительно сказывается на ее отказоустойчивости;
  6. Отсутствие эффекта встречной засветки. Для тепловизионных камер невозможно создать помехи ярким светом, направленным в объектив устройства. Прямой и отраженный солнечный свет, свет фар или сильного фонарика, которые могут сделать изображение, получаемое от обычных камер, мало различимым, на тепловизионные модули абсолютно не влияет;
  7. Устройство дает изображение с четким тепловым контуром, что значительно увеличивает дальность узнавания человеческой фигуры.

Использование тепловизионных камер в системах видеонаблюдения гарантировано поможет обнаружить нарушителя при критичных погодных явлениях, улавливая тепловое излучение тела через пыль, дым, зеленые насаждения, туман.

Экономические преимущества. Тепловые видеокамеры стоят несколько дороже, чем топовые модели обычных камер, но их использование является экономически обоснованным. На контроль протяженного участка требуется значительно меньше тепловых камер, чем обычных — черно-белых или цветных. Это приводит к снижению затрат на монтаж:

  • Исключаются затраты на устройство охранного освещения;
  • Снижается нагрузка на каналы связи и информационные сети за счет уменьшения количества камер;
  • Снижается стоимость эксплуатации, профилактики и ремонта за счет предельного упрощения структуры системы тепловидения.

Принцип действия

Формирование изображения тепловой камерой осуществляется за счет отражения инфракрасных лучей от объекта в отличие от восприятия непосредственно теплового излучения тела, которое осуществляют тепловизоры.

Матрица тепловой камеры создана по технологии схожей с ПЗС аналоговой черно-белой камеры. Поэтому внешне, получаемое изображение довольно схоже. Однако, восприятие устройства находится в диапазоне излучения 3-14 мкм.

Ее чувствительность определяется количеством инфракрасного излучения, которое приходится на единицу площади. Для монохромного изображения, которое она продуцирует характерно использование одного типа чувствительного элемента, в отличие от цветных матриц, которые должны использовать три типа элементов (желтый, красный, синий). Это дает возможность получения качественного теплового контура тела на расстоянии в несколько километров.

У тепловых камер есть существенные ограничения в функциональности. Матрица, настроенная на тепловое излучение не в состоянии дать изображение, которое может идентифицировать человека. Такие камеры используются исключительно для первичного обнаружения объекта.

Технические и эксплуатационные характеристики

Тепловизионные камеры получают изображение с разрешением 320×240 и 640×480. Этого вполне достаточно для обнаружения объекта величиной с человека на значительном (до нескольких километров) расстоянии.

Тепловая видеокамера в обязательном порядке оборудована «атермическим объективом» — устройство которое сохраняет определенную фокусировку при изменении температуры окружающей среды. Обычно, фокусное расстояние объектива является фиксированным, он не имеет моторизированных механизмов фокусировки, что делает его надежность в эксплуатации и доступным по стоимости.

Современные тепловые камеры легко интегрируется в другую систему видеонаблюдения так, как имеют внешний интерфейс, позволяющий подключаться к стандартным сетям питания и передачи видеоизображения. Передача информации осуществляется по протоколу TCP/IP. Настройка параметров камеры может производиться как удалённо через интернет, так и при непосредственном подключение камеры к ПК.

Класс защиты корпуса практически у всех моделей тепловых видеокамер не менее IP66.

Обзор популярных моделей

Flir Photon 320 – дает изображение с разрешением 324×256. Тип теплочувствительного сенсора – неохлаждаемый на основе оксида ванадия (VOX). Имеет высокую теплочувствительность, способен обнаружить температурные различия 85 мК. Спектральный диапазон 8-14 мкм.

Читайте также  Монтаж электромеханического замка на дверь

Комплектуется объективами с фиксированным фокусным расстоянием 14,25мм, 19 мм, 35 мм, 50 мм или 100 мм. Оборудован разъемом стандарта RS-232, а также 30 и 15 контактным интерфейсом. Устройство заключено в корпус класса защиты IP45. Может работать при температурах -40°С…+80°С. Вес камеры 97 гр.

Квазар 640 , производитель НИЦ «Промышленная оптика», разрешение 640×480. Теплочувствительный сенсор тип NETD, воспринимает изменения температуры до 60мК. Цифровой 16Х зум. Интерфейс для внешнего подключения RS 232, RS485, RJ45. Видеовыход стандарта CVBS. Комплектуется сменными объективами 8,15, 40, 75, 100 мм. Размеры и вес без объектива 41×32×32мм, 50гр. Диапазон рабочих температур -40°С…+60°С. Спектральный диапазон 8-14 мкм.

Pulsar 386 , производитель Компания General Optics, разрешение 640×480. Спектральный диапазон 8-14 мкм. Воспринимает изменения температуры до 65мК. Интерфейс для внешнего подключения RS 232, RS485. Видеовыход, аналоговый стандарта BNC, цифровой USB 2.0. Комплектуется сменными объективами 9, 13, 19, 25, 35, 50, 75 мм. Размеры и вес без объектива 42×41×23 мм, 30гр. Диапазон рабочих температур -40°С…+60°С.

Тепловизионные прицелы и приборы: как это работает

Тепловизор – это устройство, которое способно получить изображение в инфракрасном диапазоне, причем в так называемом дальнем инфракрасном диапазоне с длиной волн от 7,5 до 14 мкм. Это принципиальная разница тепловизоров от других инфракрасных приборов, таких как приборы ночного видения. Дело в том, что инфракрасный диапазон волн электромагнитного спектра имеет более высокую длину, чем диапазон, видимый человеческому глазу.

Особенностью инфракрасного диапазона является то, что в воздухе инфракрасные волны распространяются неравномерно: волны с одной длиной поглощаются, другие же могут не поглощаться вовсе. Те участки инфракрасного диапазона, где волны не поглощаются атмосферой, называются окнами прозрачности атмосферы. В этих диапазонах и работают инфракрасные приборы, в основном их подразделяют на два типа:

— дальний инфракрасный диапазон от 8 до 14 мкм;

— ближний инфракрасный диапазон 3–5 мкм, он расположен ближе к видимому спектру.

В ближнем инфракрасном диапазоне распространяется в основном отраженное излучение, причем солнце, звезды и другие источники электромагнитного излучения светятся не только в видимом диапазоне, но и в инфракрасном, иногда даже более ярко. Поэтому приборы ночного видения позволяют фиксировать изображение ночью так же хорошо, как днем. Однако приборы, работающие в ближнем инфракрасном диапазоне, не являются тепловизионными. Как уже говорилось выше, они фиксируют лишь отраженные инфракрасные волны, поэтому могут подвергаться засветке при интенсивном отраженном излучении или не показывать ничего при полной темноте, когда нет ни одного источника излучения данного диапазона.

С тепловизорами дело обстоит иначе. Тепло – это форма энергии, которая может накапливаться, передаваться и излучаться. Таким образом, любое нагретое тело обладает электромагнитным излучением, называемым тепловым. Диапазон этих волн наиболее близок именно к дальнему инфракрасному диапазону, причем распределение энергии излучения тела по спектру зависит от температуры. При повышении температуры спектральная область излучения смещается в фиолетовую сторону, а при 100 °С тело начинает раскаляться, и появляется излучение, которое становится видимым даже человеческому глазу.

В связи с этим тепловизионные приборы преобразуют тепловое излучение от объектов и местности в видимое изображение и способны давать результат даже в полной темноте. Регистрируемое тепловое излучение является двухмерным, поэтому на дисплее тепловизора изображение визуализируется как черно-белое или «псевдоцветное», где тот или иной цвет будет соответствовать той или иной фиксируемой температуре объекта.

Устройство и принцип действия тепловизора

Техническое устройство и принцип действия тепловизора очень похожи на устройство обычного фотоаппарата. Инфракрасное излучение от нагретых предметов проходит через фокусирующую оптику и фиксируется инфракрасным сенсором (матрицей), далее полученное изображение поступает в цифровой электронный блок, где оно обрабатывается и выводится на экран дисплея.

Электромагнитные волны инфракрасного диапазона распространяются в соответствии с законами оптики, поэтому фокусирующая система тепловизора собирает эти волны и фокусирует их на инфракрасный сенсор, так же как и обычная оптическая линза. Фокусирующая оптика имеет важную характеристику – угол обзора. Чем больше этот угол, тем большая часть наблюдаемой сцены попадает на экран дисплея, но вместе с тем снижается детализация изображения.

Инфракрасный сенсор или чип по своему устройству напоминает матрицу фотоаппарата, поскольку характеризуется разрешающей способностью, которая указывается в количестве пикселей. Чем выше разрешение, тем более детализированное изображение получается. Разрешающая способность подобных датчиков ниже, чем у оптических, примерно 160х120 или 320х240 пкс. У наиболее современных моделей разрешение может составлять до 1024х768 пкс.

Очень важной характеристикой инфракрасного сенсора является динамический диапазон. Это диапазон температур, в пределах которого все объекты с такими температурами будут отображаться на дисплее.

Цифровой электронный блок обрабатывает полученное от инфракрасного сенсора изображение, убирает помехи и шумы, например вызванные собственным излучением воздуха, накладывает на изображение полезную информацию и различные данные, а также может выполнять ряд дополнительных функций (фото-, и видеозахват, выделение особо нагретых областей и т.д.)

Дисплей тепловизора тоже имеет ряд важных характеристик: диагональ, яркость и разрешение. Разрешение дисплея может не совпадать с разрешением инфракрасного сенсора, тогда итоговое изображение будет искажено. Например, если разрешение дисплея будет ниже инфракрасного сенсора – может пострадать детализация, если разрешение дисплея будет выше инфракрасного сенсора – станет заметным некорректное расстояние до объектов.

Необходимо заметить, что в работе тепловизионного оборудования есть своя специфика, например оно не дает изображения через стекло, воду или блестящие объекты, так как эти поверхности действуют как зеркала в системе.

Категории тепловизоров

Тепловизоры делятся на две категории: стационарные и переносные. Стационарные – это, как правило, тепловизоры третьего поколения, на основе матриц полупроводниковых приемников, для нормального функционирования которых часто используется азотное охлаждение.

Переносные – это наиболее современные тепловизоры, на базе неохлаждаемых микроболометров. Они более эффективны и во многом превосходят по функциональности стационарных собратьев.

Болометр – это тепловой приемник оптического излучения, который был изобретен в 1878 г. американским астрономом, физиком, пионером авиации Сэмюэлем Припонтом Лэнгли (1834–1936 гг.) Принцип действия прибора основан на изменении электрического сопротивления термочувствительного элемента вследствие нагревания его под воздействием поглощаемого потока электромагнитной энергии.

Проще говоря, главным компонентом болометра является очень тонкая, затемненная для лучшего эффекта поглощения пластинка, проводящая электрический ток. Эта пластинка из-за своей малой толщины довольно быстро нагревается под воздействием электромагнитного излучения, и ее сопротивление повышается. На основе болометра базируется большинство современных тепловизоров.

Неохлаждаемые инфракрасные детекторы делятся на классы: микроболометры, ферроэлектрики и другие типы. В свою очередь, микроболометры делятся на два подкласса – это микроболометры на оксиде ванадия (VOx), используемые в основном в США, и микроболометры на аморфном кремнии (a-Si). Ферроэлектрики также подразделяются на два подкласса – использующие толстопленочную технологию (Thick Film BST) и тонкопленочную технологию (Thin Film PLZT). К другим типам неохлаждаемых инфракрасных детекторов можно отнести Poly-SiGe и приемники на солях свинца.

Микроболометры на оксиде ванадия более чувствительные и работают при более низких температурах, их используют, как правило, для измерительных приборов. Пожарным и спасательным подразделениям высокая точность получаемой температуры не так важна, как высокая частота снимаемой информации, и для этой роли идеально подходят микроболометры с аморфным кремнием. Ферроэлектрики же значительно проигрывают микроболометрам.

Тепловизор является довольно дорогостоящим оборудованием, около 90% стоимости прибора приходятся на объектив и инфракрасный сенсор. Производство неохлаждаемых инфракрасных чувствительных элементов – очень наукоемкий и высокотехнологичный процесс. А в объективах используются редкие и дорогие материалы, такие как германий (Ge). В отличие от стекла германий обладает прозрачностью в инфракрасной области спектра, поэтому металлический германий сверхвысокой чистоты имеет стратегическое значение в производстве оптических элементов инфракрасной оптики. Именно поэтому в мире существует немного производителей, которые могут себе позволить содержать такое производство.

Хроники тепловидения (Часть 1)

Как обычно, корни всех важных вещей так или иначе уходят в Древнюю Грецию – тепловидение в данной ситуации совсем не исключение. Тит Лукреций Кар первый высказал предположение, что существуют некие «тепловые» лучи, невидимые человеческому глазу, но дальше умозрительных заключений дело не дошло. Вспомнили о тепловом излучении в эпоху развития паровой техники и одними из первых стали шведский химик Карл Шееле и немецкий физик Иоганн Ламберт. Первый в своем труде «Химический трактат о воздухе и огне» удостоил теплу целую главу – случилось сие событие в 1777 году и стала предшественником книги «Пирометрия», написанной Ламбертом два года спустя. Ученые выяснили прямолинейность распространения тепловых лучей и определили, наверное, самое главное – их интенсивность убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Но наиболее поразительный опыт с теплом проделал Марк Огюст Пикте в 1790 году, когда установил друг против друга два вогнутых зеркала, а в фокусе одного поместил нагретый шар. Измерив температуры зеркал, Пикте выяснил удивительную для той эпохи вещь — теплее оказалось зеркало, в фокусе которого находился горячий шар. Ученый пошел дальше и поменял нагретое тело на снежный комок – ситуация развернулась ровно наоборот. Так было открыто явление отражение теплового излучения и навсегда ушло в прошлое понятие о «лучах холода».

Читайте также  Система выравнивания потенциалов ПУЭ

Следующей значимой личностью в истории тепловидения стал первооткрыватель Урана и его спутников английский астроном Уильям Гершель. Ученый обнаружил в 1800 году существование невидимых лучей, «обладающих наибольшей нагревательной силой», расположенные за пределами видимого человеком спектра. Удалось ему это с помощью стеклянной призмы, разлагающей свет на составляющие, и термометра, который фиксировал максимальную температуру чуть правее видимого красного света. Будучи последователем корпускулярного учения Ньютона, Гершель твердо верил в идентичность световой и лучистой теплоты, однако, после опытов с преломлением невидимых инфракрасных лучей, вера его изрядно пошатнулась. Но в любой истории не обходится без авторитетных умников от науки, которые портят картину своими ложными домыслами. В этой роли выступил физик Джон Лесли из Эдинбурга, заявивший о существовании нагретого воздуха, который, собственно, и является теми самыми «мифическими тепловыми лучами». Он не поленился повторить эксперимент Гершеля, изобрел для этого специальный дифференциальный ртутный термометр, который зафиксировал максимальную температуру как раз в зоне видимого красного спектра. Гершеля объявили чуть ли не шарлатаном, указав на недостаточную подготовку экспериментов и ложность выводов.

Однако время рассудило иначе – к 1830-му году многочисленные опыты ведущих мировых ученых доказали существование «лучей имени Гершеля», которые Беккерель назвал инфракрасными. Изучение различных тел на способность пропускать (или не пропускать) подобное излучение привело ученых к понимаю того, что жидкость, наполняющая глазное яблоко, поглощает инфракрасный спектр. В общем, именно такая ошибка природы и создала необходимость изобретения тепловизора. Но в XIX веке ученые лишь познавали природу теплоносного и невидимого излучения, вдаваясь во все нюансы. Оказалось, что разные источники тепла – горячий чайник, раскаленная сталь, спиртовая лампа – имеют разный качественный состав «инфракрасного пирога». Экспериментально доказал это итальянец Мачедонио Меллони при помощи одного из первых теплорегистрирующих приборов – висмут-сурьмянистого термостолбика (thermomultiplicateur). Разобраться с этим феноменом позволила интерференция инфракрасного излучения — в 1847 году с её помощью впервые эталонировали спектр с длиной волны до 1,94 мкм.

А в 1881 году на помощь экспериментальной физике пришел болометр – один из первых приборов фиксации лучистой энергии. Изобрел сие чудо шведский математик и физик Адольф-Фердинанд Сванберг, установив на пути инфракрасного излучения чрезвычайно тонкую зачернённую пластину, способную под влияние тепла изменять свою электропроводимость. Такой приемник излучения позволил дойти до максимально возможной на то время длины волны до 5,3 мкм, а к 1923 году в излучении маленького электрического осциллятора детектируются уже 420 мкм. Начало XX века ознаменовывается появлением массы идей, касающихся практического воплощения теоретических поисков предшествующих десятилетий. Так, появляется фоторезистор из сернистого таллия, обработанный кислородом (оксисульфид таллия), способный изменять свою электропроводность под действием инфракрасных лучей. Немецкие инженеры создали на их основе таллофидные приемники, ставшие надежным средством связи на поле боя. До 1942 года вермахту удавалось держать в секрете свою систему, способную работать на дальность до 8 км, пока не прокололись при Эль-Аламейне. Эвапорографы являются первыми истинными тепловизионными системами, позволяющими получать более или менее удовлетворительные теплограммы.

Устройство следующее: в камере располагается тонкая мембрана с пересыщенными парам спирта, камфары или нафталина, причем температура внутри такая, что скорость испарения веществ равна скорости конденсации. Такое тепловое равновесие нарушается оптической системой, фокусирующей тепловую картинку на мембрану, что ведет за собой ускорение испарения на самых горячих участках – в итоге формируется тепловое изображение. Бесконечные десятки секунд в эвапорографе уходили на формирование картинки, контрастность которого оставляла желать лучшего, шумы порой затмевали собой всё, а о качественной передаче движущихся объектов и говорить было нечего. Несмотря на неплохую разрешающая способность в 10 градусов Цельсия, совокупность минусов не оставляла эвапорографу места в массовом производстве. Однако, в СССР появился мелкосерийный аппарат ЭВ-84, в Германии — EVA, вели экспериментальные поиски и в Кембридже. С 30-х годов внимание инженеров привлекли полупроводники и их особые взаимоотношения с инфракрасным спектром. Здесь бразды правления перешли к военным, под руководством которых появились первые охлаждаемые фоторезисторы на основе сульфида свинца. Идея о том, что чем ниже температура приемника, тем выше его чувствительность, подтвердилась и кристаллы в тепловизорах стали замораживать твердой углекислотой и жидким воздухом. И уже совсем хайтеком для тех предвоенных лет стала, разработанная в Пражском университете, технология напыления чувствительного слоя в условиях вакуума. С 1934 года электронно-оптический преобразователь нулевого поколения, более известный как «стакан Холста», стал родоначальником массы полезной техники – от приборов для ночного вождения танков до индивидуальных снайперских прицелов.

Важное место ночное зрение получило в военно-морском флоте – корабли обрели способность в полной темноте ориентироваться в прибрежной зоне, сохраняя режим светомаскировки. 1942 году наработки флота в деле ночной навигации и коммуникации были заимствованы военно-воздушными силами. Вообще, первыми обнаружить самолет в ночном небе по его инфракрасной сигнатуре удалось в 1937 году англичанам. Дистанция, конечно, была скромной – около 500 метров, но для того времени это был несомненный успех. Ближе всех к тепловизору в классическом понимании подошли в 1942 году, когда был получен сверхпроводящий болометр на основе тантала и сурьмы с охлаждением жидким гелием. Немецкие теплопеленгаторы «Донау-60» на его основе позволяли распознавать крупные морские суда на расстоянии до 30 км. Сороковые годы стали своеобразным перекрестком для тепловизионной техники – один путь вел к системам, аналогичным телевизионным, с механическим сканированием, а второй к инфракрасным видиконам без сканирования.

История отечественной военной тепловизионной техники ведет свой отсчет с конца 1960-х годов, когда в Новосибирском приборостроительном заводе началась работа в рамках научно-исследовательских проектов «Вечер» и «Вечер-2». Теоретическую часть курировал головной НИИ прикладной физики в Москве. Серийного тепловизора тогда не получилось, но наработки использовались при научно-исследовательской работе «Лена», итогом которой стал первый тепловизор для разведки 1ПН59, оснащенный фотоприемным устройством «Лена ФН». 50 светочувствительных элементов (каждый размером 100х100 мкм) располагались в один ряд с шагом 130 мкм и обеспечивали работу прибора в средневолновом (MWIR – Middle Wave Infrared) спектральном диапазоне 3-5 мкм с дальность распознавания целей до 2000 м. Газовая смесь на базе азота под высоким давлением поступала на микротеплообменник фотоприемника, охлаждала его до -194,5ОС и возвращалась в компрессор. Такова особенность приборов первого поколения – высокая чувствительность требовала низкие температуры. А низкие температуры требовали в свою очередь большие габариты и внушительное энергопотребление в 600 Вт.

Устанавливали 1ПН59 на отечественной разведывательной машине ПРП-4 «Нард», использующей базу БМП-1.

К 1982 году отечественные инженеры решили сместить рабочий спектральный диапазон тепловизионных приборов до 8-14 мкм (длинноволновый LWIR – Long Wave Infrared) в связи с лучшей «пропускной способностью» атмосферы теплового излучения в этом сегменте. Изделие под индексом 1ПН71 стало итогом подобной конструкторской работы по направлению «Пособие-2», имеющее в качестве «всевидящего ока» фотоприемник из теллурида кадмия-ртути (CdHgTe или КРТ).

Назвали этот чувствительный элемент «Невесомость-64» и имел он… правильно, 64 кристалла КРТ размеров 50х50 с шагом в 100 мкм. Морозить «Невесомость» приходилось еще сильнее – до -196,50С, но массогабаритные показатели изделия заметно снизились. Всё это позволило достичь дальнозоркости 1ПН71 в 3000 метров и заметно улучшить картинку перед пользователем. Тепловизор устанавливался на артиллерийском подвижном разведывательном пункте ПРП-4М «Дейтерий», который помимо прибора 1ПН71, имеет на вооружении импульсный прибор ночного видения, радиолокатор и лазерный дальномер. Редкий вид в российской армии – БРМ-3 «Рысь» также оснащается тепловизионным прибором разведки Новосибирского приборостроительного завода. Менять в войсках эту технику призван тепловизор 1ПН126 «Аргус-АТ», разработанный в 2005 году ЦКБ «Точприбор» и оснащенный микроскопическими чувствительными элементами размерность 30х30 мкм из проверенного CdHgTe. Настоящей изюминкой сто двадцать шестого тепловизора стала вращающаяся восьмигранная германиевая призма, прозрачная для инфракрасного излучения. Именно этот сканер за один оборот формирует два кадра на фотоприемном устройства в режиме регистрации тепловой сигнатуры наблюдаемого объекта. Для сравнения – в 1ПН71 эту роль выполняло плоское зеркало – в Советском Союзе отсутствовали недорогие технологии производства германиевых стекол. Под новый отечественный тепловизор была подготовлена разведывательная платформа переднего края ПРП-4А или, как его часто называют, «всевидящее око бога войны». Ощетинившийся многочисленный объективами оптических средств разведки, машина вполне походит на древнегреческого многоглазого великана, в честь которого и была названа.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: