ИК-камеры и тепловидение: это почти одно и то же?

Получение видимого изображения объектов по их собственному тепловому (инфракрасному) излучению обеспечивают тепловизоры, которые сейчас активно внедряются в системы наблюдения для безопасности. Это обусловлено прежде всего существенным (более чем в 10 раз) снижением стоимости подобного оборудования в последние годы.

Мифы и реальность

Естественно, расширение применимости практически спецтехники сопровождается обилием мифов и беспочвенных рекламных обещаний. К тому же многие годы в теленаблюдении применяются камеры с некоторой чувствительностью в ближнем ИК-диапазоне (длина волны до 1000 нм или 1 мкм). Сейчас они снабжаются ИК-осветителями на светодиодах и обычно называются ИК-камерами. Уже встречаются публикации и заявления, что такие камеры используют собственное излучение объектов и работают в полной темноте на любой дальности. Или они, как и тепловизоры, успешно работают при дымке, тумане и даже дожде, вместе с тем эти факторы незначительно ослабевают только для тепловизоров длинноволнового диапазона 8–14 мкм.

До последнего времени тепловизоры в основном применялись как научный и технологический инструмент для выявления локального нагрева деталей оборудования, утечек тепла на строительных объектах, в медицинских, геологических, биологических исследованиях и т.п. На фото 1 и 2 приведены примеры выявления нагретого неисправного электрического автомата и контроль потерь тепла в жилом доме.

Разумеется, подобное мощное средство не осталось без внимания военных. Это прежде всего обнаружение замаскированных людей и нагретой техники. На фото 3 приведены два кадра одного и того же объекта, полученные с помощью видеокамеры и тепловизора.

На каждый случай свой тепловизор

В случае обнаружения важно само изображение, без регистрации распределения реальных температур. Многие тепловизоры, особенно измерительного типа, обеспечивают «цветное» изображение или скорее раскрашенное. В данном случае это изображение в условных цветах, где каждому цвету соответствует конкретная температура.

Для тепловидения используются два спектральных диапазона: 3,5–5,5 и 7,5–12 мкм. Это вызвано наличием в атмосфере «окон прозрачности», где минимально селективное поглощение инфракрасного излучения углекислым газом и парами воды, а в первом (среднем) диапазоне еще и метана, всегда присутствующих в составе атмосферы.

Длинные волны
Тепловизоры, работающие с длинноволновым излучением LWIR (8–14 мкм), наиболее оптимальны для наблюдения объектов, имеющих «нормальную» температуру, близкую к температуре окружающей среды. Их высокая чувствительность и более адекватное отображение реальной температуры обусловлены нахождением в этом диапазоне максимумов излучательной способности объектов, имеющих температуру от 0 до 100 °C (10,6–7,8 мкм).

Средние волны
Тепловизоры среднего диапазона MWIR (3–5 мкм) ориентированы на излучение объектов с температурой от 300 до 960 °C (например, раскаленный слиток металла или разогретая деталь электрощита). Но поскольку спектр излучения широкий, с помощью таких тепловизоров плоховато, но видно и человека с его 36,6 °C. Именно поэтому у данных устройств ниже чувствительность, они работают не на максимумах спектральной плотности. По объектам с нормальной температурой тепловизоры MWIR работают несколько хуже – такие объекты имеют значительно меньшую излучательную способность в спектральном диапазоне 3–5 мкм, и приборам не хватает чувствительности.

Всравнении с телекамерами тепловизоры принципиально имеют несколько худшее разрешение, что обусловлено меньшим разрешением сенсора (в основном 160×120 или 320×240 и в более дорогостоящих моделях – 640х512), а также дифракционными ограничениями из-за почти на порядок большей длины волны. В качестве приемников излучения в тепловизорах используются структуры из антимонида индия (InSb), арсенида галлия и индия (GaAs/InAs), теллурида ртути и кадмия (Hg:Cd:Te). Последние отличаются высокой чувствительностью в диапазоне 8–14 мкм, но требуют глубокого охлаждения до температуры жидкого азота – 70 град. Кельвина (-180…-200 °C). Современные недорогие и неохлаждаемые микроболометрические матрицы успешно заменили пироэлектрические приемники и позволили создать тепловизоры с чувствительностью до 0,1К за весьма разумные деньги

Подлинные возможности тепловидения

Не все рекламируемые достоинства тепловидения, такие как «экстремальная дальность видения даже через препятствия» и с какой-то стати «более высокий, чем у телекамеры контраст», являются реальностью. Но такое достоинство, как уверенное обнаружение более нагретого, чем фон, объекта в полной темноте, является безусловным.

Вместе с тем тепловидение в системах наблюдения для безопасности можно рассматривать только как эффективное средство обнаружения, но весьма специальное и дополнительное для целей контроля общей обстановки, распознавания и тем более идентификации объектов. Примерно такое же, как радиолокация, рентгеноскопия или террагерцовое видение. Это объясняется единственной причиной. Получаемые изображения не идентичны визуальным впечатлениям и требуют интерпретации, обучения и тренировки наблюдателя. Видеоизображение же предполагает максимальную идентичность визуальному опыту. Причем для распознавания и идентификации можно не быть специалистом. Как говорит один из наших коллег, «уже двухлетний карапуз однозначно отличает кошку от собаки, а среди других кошек – свою».

Расширение применимости практически спецтехники сопровождается обилием мифов и беспочвенных рекламных обещаний

Ограничения ИК-камер Есть опасность, что под давлением рекламы впереди большой коммерческий успех тепловизионного наблюдения. Причем в чисто сублимированном виде – без телекамер, которые замечательно дополнил бы тепловизор. Это так же парадоксально, как убежденность некоторых пользователей о большей эффективности наблюдения с ИК-подсветкой. И это несмотря на то, что:

  • в результате сближения отражательных характеристик объектов в ИК-диапазоне разрешение и контраст черно-белого изображения в общем случае снижается;
  • на длинах волн ИК-подсветки 850 и 950 нм относительная спектральная чувствительность составляет соответственно только 7 и 4% от интегральной величины для Exview HAD, и также 16 и 12% от интегральной величины Exview HAD II, Super HAD II и CMOS EXMOR. Спектральные характеристики чувствительности ПЗС-матриц приведены на рисунке;
  • эффективность современных ИК-светодиодов, несмотря на усилия разработчиков, не превышает 10–15%, что сравнимо с галогенными лампами накаливания. Люминесцентные, металлогалогенные и натриевые лампы высокого давления превышают по эффективности эту величину в 2, 3 и 4 раза соответственно. В результате с видимой подсветкой мы имели бы цветное изображение в ночных условиях благодаря высокой чувствительности камеры и эффективности осветителя.


Террагерцовое видение – это получение изображения (или попытки этого!) с использованием излучения с частотами 1011–1013 Гц и соответственно диапазоном длин волн 3–0,03 мм. Очень модное направление для досмотровой техники, поскольку диэлектрики (пластик, кожа, ткани, сухое дерево и т.п.) являются для нее прозрачными. Пока имеются проблемы с чувствительностью – они, конечно, будут решены – и с разрешением, которое принципиально ограничено большой длиной волны

Короче говоря, ИК-камеры, кроме скрытности и отсутствия ослепления, имеют на поверку не так много достоинств. А тепловизор может такое, чего не может камера, но узнать автомобиль по изображению двигателя, трансмиссии и выхлопной трубы обычному наблюдателю будет нелегко.

Оптимальное применение

Функциональные возможности и особенности тепловизоров и ИК-камер определяют их применение. Для каждого случая следует рассматривать отдельно – где и когда использование тех или иных устройств оправдано и необходимо.

Тепловизоры
1. Обнаружение аномально нагретых объектов и деталей оборудования. Например, перегрев электронных элементов на платах, детали энергооборудования, перегрев подшипников, потери тепла в зданиях и сооружениях и т.п.

2. Обнаружение людей и нагретой техники в полной темноте или при малоконтрастном видеоизображении от использования маскировки и камуфляжа.

ИК-камеры
Скрытое видеонаблюдение в ночных условиях и при невозможности применения искусственного освещения. Изображение черно-белое с несколько искаженным контрастом.

Комментарии запрещены.