Тепловизоры. Как работают тепловизорные системы.

Как работают тепловизионные системы
Достаточно интересным и информативным для решения многих поисково-досмотровых и криминалистических задач является инфракрасный ( ИК ) диапазон электромагнитного спектра, что обуславливается тем, что именно здесь сосредоточена основная доля собственного электромагнитного излучения большинства окружающих нас объектов естественного и искусственного происхождения.
ИК диапазон охватывает длины волн от 0.76 до 1000 мкм (что соответствует частотам от 300 до 0.3 ТГц).
Эта достаточно широкая область спектра условно делится на пять промежуточных диапазонов - ближний (0.76 - 1.1 мкм), коротковолновый (1.1 - 2.5 мкм), средневолновый (3.0 - 5.5 мкм), длинноволновый (8 - 14 мкм) и дальний (15 - 1000 мкм).
Иногда два первых диапазона для удобства объединяют в один (0.76 - 2.5 мкм).
ИК диапазоны 3 -5.5 и 7 - 14 мкм являются рабочими зонами тепловизионного метода контроля.
Следует отметить, что особый интерес вызывает более информативный диапазон 8 - 14 мкм, полностью совпадающий с наиболее широким окном прозрачности атмосферы и соответствующий максимальной излучательной способности наблюдаемых объектов в температурном диапазоне от - 50°С до + 500°С.

Тепловизионный метод контроля основан на том, что любые процессы, происходящие в природе и человеческой деятельности, сопровождаются поглощением и выделением тепла, изменяя внутреннюю энергию тела, которая в состоянии термодинамического равновесия пропорциональна температуре вещества. В результате этого поверхности физических тел приобретают специфическое температурное распределение. Аппаратурные средства, осуществляющие преобразование температурного распределения или инфракрасного излучения в видимое изображение, называют тепловизорами или термовизорами.

В основу принципа действия тепловизионных приборов положено двумерное преобразование собственного теплового излучения от объектов и местности или фона, в видимое изображение. Тепловизионная техника обладает рядом достоинств и присущих только ей возможностей: обнаружение удаленных теплоизлучающих объектов (или целей) независимо от уровня естественной освещенности, а также до определенной степени - тепловых или других помех (дыма, дождя, тумана, снега, пыли и т.п.).

Начало развития тепловизионной техники было положено в начале 60-х годов 20-го столетия исследованиями и разработкой приборов по двум основным направлениям: с использованием дискретных приемников излучения совместно с системами сканирования (развертки) изображения и аппаратуры без механического сканирования на базе двумерных ИК-приемников.
Сегодня можно условно выделить четыре поколения развития такой техники.
Нулевое поколение основано на применении единичных охлаждаемых приемников и двумерной (строчной и кадровой) развертки с помощью сканирующей оптико-механической системы; первое поколение - на применении строчных линеек приемников и упрощенной кадровой развертки; второе поколение - на использовании сгруппированных нескольких линеек (с временной задержкой и накоплением) и более низкоскоростной системой развертки.
Ко второму поколению относят вакуумные приборы с электронным сканированием приемной мишени - пироконы.
Новое третье поколение тепловизионной техники основано на применении «одновременно смотрящих», т.е. фокально - плоскостных (FPA - Focal Plate Area), двумерных твердотельных многоэлементных (матричных) приемников излучения (МПИ).
В последние годы развитие тепловизионной техники идет в основном по пути применения неохлаждаемых многоэлементных МПИ, физические характеристики которых весьма высоки и практически не уступают охлаждающим системам.
Современные тепловизионные системы (ТПС) имеют малые весогабаритные характеристики и энергопотребление, обеспечивают бесшумную работу и высокое качество тепловизионного изображения, широкий динамический диапазон при работе в режиме вещательного телевизионного стандарта, цифровую обработку в реальном масштабе времени, связь с ЭВМ и т.п. и делятся на два основных класса:
- наблюдательные (показывающие);
- измерительные или радиометрические (термографы).
Наблюдательные (поисковые) ТПС предназначены для обнаружения, распознавания и визуализации на фоне тепловых помех удаленных теплоизлучающих объектов (или целей). Такие системы могут дополняться различными каналами, содержащими как правило, отмасштабированный телевизионный канал, канал ночного видения на основе ЭОПов, канал лазерной локации для обнаружения длиннофокусной оптики на значительных расстояниях, измерительный канал - лазерный дальномер. Такое дополнение наблюдательных ТПС позволяет им частично выполнять измерительные функции.
Измерительные (радиометрические) ТПС используются преимущественно для квалифицированной тепловой диагностики различных промышленных объектов, техники, зданий, сооружений, механизмов и т.п.
Каждый из этих классов ТПС имеет свою специфику практического применения (рыночную нишу) и свои эксплуатационные возможности.
Поисковые ТПС обеспечивают возможность видения на значительных расстояниях независимо от уровня естественной освещенности, интенсивности световых помех, степени прозрачности атмосферы. Эти приборы способны регистрировать тепловое излучение от объектов через среды, непрозрачные для видимого и ближнего ИК-излучения, но прозрачные для теплового излучения: листва, маскировочные сети, небольшой слой земли, нагромождение предметов и пр., что дает возможность обнаруживать замаскированные или скрытые объекты. Поисковые тепловизионные системы могут использоваться для круглосуточного всепогодного наблюдения, разведки, прицеливания, сопровождения целей, охраны объектов, таможенного контроля, для решения криминалистических задач, вождения транспортных средств, поиска раненых и пострадавших в результате военных действий или стихийных бедствий, для обнаружения мин и т.п.
Возможности поисковых ТПС по обнаружению и распознаванию техники и людей на значительных расстояниях демонстрирует рис. 1, где показаны результаты обнаружения различных объектов тепловизионной системой на основе неохлаждаемой болометрической тепловизионной матрицы формата 320х240 элементов (размер пикселя 50 мкм) с объективом фокусным расстоянием 100 мм. Здесь представлены предельно достижимые результаты обнаружения и распознавания.
На практике те же результаты будут выглядеть несколько более скромно, что объясняется неоптимальными условиями контроля, пониженной прозрачностью атмосферы и рядом других факторов, снижающих характеристики аппаратуры.
Условно ТПС в зависимости от дальности действия делятся на три группы:
- ТПС малой дальности действия: до 0.7 - 1.0 км по ростовой фигуре человека и до 1.5 - 2.0 км по автомашине (или танк);
- ТПС средней дальности действия: соответственно 1.2 - 1.5 и 2 - 4 км, а также до 8 км по самолету;
- ТПС повышенной дальности действия, превышающей значения, соответствующие средней дальности.
К поисковым ТПС первой группы относятся удерживаемые в руках портативные тепловизора весом до 2 кг, малогабаритные прицелы для стрелкового оружия, нашлемные и наголовные приборы.
К поисковым ТПС второй группы относятся носимые или временно устанавливаемые на штативе приборы наблюдения.
Третья группа поисковых ТПС - это стационарно размещаемые приборы, оснащенные длиннофокусной оптикой, а также возимые или устанавливаемые на плавсредствах системы наблюдения.
В основе современных поисковых ТПС лежат неохлаждаемые преобразователи ИК-излучения, представляющие собой фокально-плоскостные двумерные многоэлементные болометрические (МБ) матрицы, работающие в диапазоне 7......14 мкм способные воспринимать температурные контрасты до 50....80 мК.
Основное преимущество МБ-систем - отсутствие охлаждения - делает их экономичными по потребляемой мощности, более легкими и весьма эффективными для создания не дорогих ТПС.

Результаты обнаружения и идентификации различных объектов тепловизионной системой на основе неохлаждаемой болометрической тепловизионной матрицы формата 320х240 элементов ( размер пикселя 50 мкм ) с объективом фокусным расстоянием 100 мм.

В настоящее время российскими производителями неохлаждаемых ТПС предлагается достаточно широкий ряд аппаратурных тепловизионных средств, что позволяет выбрать оптимальную, с точки зрения функциональных и весогабаритных характеристик, а также ценовых рамок, систему для решения конкретной задачи.