Тепловізори. Як працюють тепловізорного системи.

Як працюють тепловізійні системи
Досить цікавим і інформативним для вирішення багатьох пошуково-доглядових і криміналістичних завдань є інфрачервоний (ІК) діапазон електромагнітного спектра, що обумовлюється тим, що саме тут зосереджена основна частка власного електромагнітного випромінювання більшості оточуючих нас об'єктів природного та штучного походження.
ІК діапазон охоплює довжини хвиль від 0.76 до 1000 мкм (що відповідає частотам від 300 до 0.3 ТГц).
Ця досить широка область спектра умовно ділиться на п'ять проміжних діапазонів - ближній (0.76 - 1.1 мкм), короткохвильовий (1.1 - 2.5 мкм), середньохвильовий (3.0 - 5.5 мкм), довгохвильовий (8 - 14 мкм) і дальній (15 - 1000 мкм ).
Іноді два перших діапазону для зручності об'єднують в один (0.76 - 2.5 мкм).
ІК діапазони 3 -5.5 і 7 - 14 мкм є робочими зонами тепловізійного методу контролю.
Слід зазначити, що особливий інтерес викликає більш інформативний діапазон 8 - 14 мкм, повністю співпадає з найбільш широким вікном прозорості атмосфери і відповідний максимальної випромінювальної здатності спостережуваних об'єктів в температурному діапазоні від - 50 ° С до + 500 ° С.

Тепловізійний метод контролю заснований на тому, що будь-які процеси, що відбуваються в природі і людської діяльності, супроводжуються поглинанням і виділенням тепла, змінюючи внутрішню енергію тіла, яка в стані термодинамічної рівноваги пропорційна температурі речовини. В результаті цього поверхні фізичних тіл набувають специфічне температурний розподіл. Апаратурні засоби, що здійснюють перетворення температурного розподілу або інфрачервоного випромінювання в видиме зображення, називають тепловізорами або термовізора.

В основу принципу дії тепловізійних приладів належить двовимірне перетворення власного теплового випромінювання від об'єктів і місцевості або фону, в видиме зображення. Тепловізіонная техніка має ряд переваг і властивих тільки їй можливостей: виявлення віддалених теплоизлучающих об'єктів (або цілей) незалежно від рівня природного освітлення, а також до певної міри - теплових або інших перешкод (диму, дощу, туману, снігу, пилу і т.п. ).

Початок розвитку тепловізійної техніки було покладено на початку 60-х років 20-го століття дослідженнями і розробкою приладів за двома основними напрямками: з використанням дискретних приймачів випромінювання спільно з системами сканування (розгортки) зображення і апаратури без механічного сканування на базі двовимірних ІК-приймачів.
Сьогодні можна умовно виділити чотири покоління розвитку такої техніки.
Нульове покоління засновано на застосуванні одиничних охолоджуваних приймачів і двовимірної (рядкової і кадрової) розгортки за допомогою скануючої оптико-механічної системи; перше покоління - на застосуванні малих лінійок приймачів і спрощеної кадрової розгортки; друге покоління - на використанні згрупованих декількох лінійок (з тимчасовою затримкою і накопиченням) і більш низкоскоростной системою розгортки.
До другого покоління відносять вакуумні прилади з електронним скануванням приймальні мішені - пірокони.
Нове третє покоління тепловізійної техніки засновано на застосуванні «одночасно смотрящих», тобто фокально - площинних (FPA - Focal Plate Area), двовимірних твердотільних багатоелементних (матричних) приймачів випромінювання (МПІ).
В останні роки розвиток тепловізійної техніки йде в основному по шляху застосування охолоджуваних багатоелементних МПІ, фізичні характеристики яких дуже високі і практично не поступаються охолоджуючим системам.
Сучасні тепловізійні системи (ТПС) мають малі вагогабаритні характеристики і енергоспоживання, забезпечують безшумну роботу і високу якість тепловізійного зображення, широкий динамічний діапазон при роботі в режимі мовного телевізійного стандарту, цифрову обробку в реальному масштабі часу, зв'язок з ЕОМ і т.п. і діляться на два основні класи:
- спостережні (що показують);
- вимірювальні або радіометричні (термографи).
Спостережні (пошукові) ТПС призначені для виявлення, розпізнавання і візуалізації на тлі теплових перешкод віддалених теплоизлучающих об'єктів (або цілей). Такі системи можуть доповнюватися різними каналами, що містять як правило, отмасштабовані телевізійний канал, канал нічного бачення на основі ЕОПов, канал лазерної локації для виявлення оптики на значних відстанях, вимірювальний канал - лазерний далекомір. Таке доповнення наглядових ТПС дозволяє їм частково виконувати вимірювальні функції.
Вимірювальні (радіометричні) ТПС використовуються переважно для кваліфікованої теплової діагностики різних промислових об'єктів, техніки, будівель, споруд, механізмів і т.п.
Кожен з цих класів ТПС має свою специфіку практичного застосування (ринкову нішу) і свої експлуатаційні можливості.
Пошукові ТПС забезпечують можливість бачення на значних відстанях незалежно від рівня природного освітлення, інтенсивності світлових перешкод, ступеня прозорості атмосфери. Ці прилади здатні реєструвати теплове випромінювання від об'єктів через середовища, непрозорі для видимого та ближнього інфрачервоного випромінювання, але прозорі для теплового випромінювання: листя, маскувальні мережі, невеликий шар землі, нагромадження предметів та ін., Що дає можливість виявляти замасковані або приховані об'єкти. Пошукові тепловізійні системи можуть використовуватися для цілодобового всепогодного спостереження, розвідки, прицілювання, супроводу цілей, охорони об'єктів, митного контролю, для вирішення криміналістичних завдань, керування транспортними засобами, пошуку поранених і постраждалих в результаті військових дій або стихійних лих, для виявлення мін і т. п.
Можливості пошукових ТПС з виявлення та розпізнавання техніки і людей на значних відстанях демонструє рис. 1, де показані результати виявлення різних об'єктів тепловізійної системою на основі неохолоджуваної Болометрична тепловізійної матриці формату 320х240 елементів (розмір пікселя 50 мкм) з об'єктивом фокусною відстанню 100 мм. Тут представлені гранично досяжні результати виявлення і розпізнавання.
На практиці ті ж результати будуть виглядати трохи більш скромно, що пояснюється неоптимальними умовами контролю, зниженою прозорістю атмосфери і рядом інших факторів, що знижують характеристики апаратури.
Умовно ТПС в залежності від дальності дії діляться на три групи:
- ТПС малої дальності дії: до 0.7 - 1.0 км по ростової фігурі людини і до 1.5 - 2.0 км по автомашині (або танк);
- ТПС середньої дальності дії: відповідно 1.2 - 1.5 і 2 - 4 км, а також до 8 км по літаку;
- ТПС підвищеної дальності дії, що перевищує значення, відповідні середньої дальності.
До пошукових ТПС першої групи відносяться утримувані в руках портативні тепловізора вагою до 2 кг, малогабаритні приціли для стрілецької зброї, нашоломні і наголовниє прилади.
До пошукових ТПС другої групи відносяться носяться або тимчасово встановлюються на штативі прилади спостереження.
Третя група пошукових ТПС - це стаціонарно розміщуються прилади, оснащені длиннофокусной оптикою, а також возяться або встановлюються на плавзасобах системи спостереження.
В основі сучасних пошукових ТПС лежать неохолоджувані перетворювачі ІК-випромінювання, що представляють собою фокально-площинні двомірні багатоелементні болометричні (МБ) матриці, що працюють в діапазоні 7 ...... 14 мкм здатні сприймати температурні контрасти до 50 .... 80 мк.
Основна перевага МБ-систем - відсутність охолодження - робить їх економічними по споживаної потужності, більш легкими і досить ефективними для створення не дорогих ТПС.

Результати виявлення та ідентифікації різних об'єктів тепловізійної системою на основі неохолоджуваної Болометрична тепловізійної матриці формату 320х240 елементів (розмір пікселя 50 мкм) з об'єктивом фокусною відстанню 100 мм.

В даний час російськими виробниками неохолоджуваних ТПС пропонується досить широкий ряд апаратурних тепловізійних засобів, що дозволяє вибрати оптимальну, з точки зору функціональних і вагогабаритних характеристик, а також цінових рамок, систему для вирішення конкретного завдання.