ТЕСТ: Инфракрасные прожекторы

Тестирование проведено и представлено компанией DSSL

 

Сегодня мы представляем результаты испытаний мощных инфракрасных прожекторов с дальностью действия порядка 100 м и более. Не секрет, что из-за использования производителями разных методик корректное сравнение различных ИК-осветителей исключительно по паспортным данным довольно затруднительно. Надеемся, что результаты нашего тестирования помогут пользователям объективно оценить возможности различных моделей и сделать правильный выбор. За четыре года, прошедших с последнего теста таких прожекторов, на рынке появились новые модели и даже новые производители, поэтому актуальность новых испытаний весьма велика.

 

Для тестирования были отобраны образцы инфракрасных прожекторов наиболее известных российских производителей с относительно близкими техническими характеристиками. К сожалению, по независящим от нас причинам не удалось получить для испытаний заказанный прожектор ПИК-10 от НПФ "Тирекс" (СПб). Иностранные прожекторы не получили большого распространения в России, а потому в данном тестировании не участвовали.

Определения, используемые при тестировании

Приемлемое изображение - изображение, соответствующее уровню активного видеосигнала около 30 IRE. Данный уровень был выбран как минимальное значение диапазона уровней, при которых производители нормируют чувствительность телекамер и определяют изображение как уверенно распознаваемое или приемлемое.

На фото 1 приведено изображение миры и лица человека, которое обеспечивается таким сигналом со стандартной телекамеры, используемой в испытаниях (SK-2005С), на черно-белом СRТ-мониторе 9", при инфракрасном освещении длиной волны 880 нм1. На фото 2 представлены осциллограммы реального сигнала в 30 IRE от телекамеры и усредненного сигнала для измерения уровня.

По первой осциллограмме можно оценить примерное отношение сигнал/шум. Номинальная дальность освещения (действия) прожектора для типовых телекамер стандартного разрешения - дальность, на которой обеспечивается приемлемое изображение.

Изображение обнаружения - изображение, соответствующее уровню активного видеосигнала 10 IRE. Данный уровень выбран как обеспечивающий однозначное обнаружение объекта. На фото 3 приведено изображение миры и лица человека, обеспечиваемое таким сигналом со стандартной телекамеры, используемой в испытаниях (SK-2005С), на черно-белом СRТ-мониторе 9", при инфракрасном освещении длиной волны 880 нм.1 На фото 4 аналогично представлены осциллограммы сигнала в 10 IRE. Предельная дальность освещения (действия) прожектора для типовых телекамер стандартного разрешения - расстояние, на котором обеспечивается изображение, пригодное для обнаружения. Дальность подсветки определялась для широко распространенных телекамер корейского производства с матрицами стандартного разрешения: SK-2005C 1/3" Super HAD SONY (ICX 405) (аналоги - KPC-S400B, VQ29B) и SK-2005XC 1/3" Ex view HAD SONY (ICX 255) (аналоги - KPC-EX400B, VQ29BSX). Их технические параметры:

  • встроенный объектив f = 8 мм;
  • F2.0;
  • гамма-коррекция 0,45;
  • автоматический    электронный    затвор 1/50-1/100 000;
  • АРУ 6-24 дБ. Необходимо указать, что у камер-аналогов несколько большая АРУ, достигающая 28-35 дБ.

Первоначально предполагалось использование третьей телекамеры более высокого класса. На стенд была установлена телекамера QN-B320 QWONN с параметрами CCD 1/3"; 570 ТВЛ; 0,002 лк (F1.4, AGC LOW) и объективом TF8M (f = 8 мм, F1.2) SPAC. Первые же замеры показали трудности оценки достаточно определенного значения дальности при одновременном значительном ее увеличении. Это обусловлено высокой шумовой составляющей сигнала у телекамеры благодаря большой глубине АРУ, имеющей всего два фиксированных значения. Таким путем реализуется заявленная высокая чувствительность при одновременном естественном ухудшении отношения сигнал/шум.

При предварительных измерениях дальность подсветки получалась существенно большей даже для самого маломощного прожектора. Для более мощных образцов дальность, по предварительным оценкам, могла бы превысить 300-400 метров. Кроме того, изображение с таким отношением сигнал/шум, очевидно, позволит обнаружить всего лишь очень крупный объект с максимальным контрастом. Только в этом случае изображение будет подобно получаемому с помощью прорезной миры. Ввиду ограничения по времени и большого объема измерений было принято решение в испытаниях использовать только две телекамеры с широко распространенными ПЗС-матрицами и относительно неглубокой АРУ.

Условия испытаний и состав оборудования

Измерения дальности проводились в ночных условиях на лесной дороге с твердым покрытием, вдали от населенных пунктов. Основной объем измерений был проведен с 1:00 до 5:00, в безлунную ночь с переменной облачностью. Влияние внешних источников света было сведено к минимуму, и при выключенном прожекторе изображения со всех телекамер отсутствовали.

Испытательный стенд определения дальности состоял из трех объектов:

1. Освещаемый объект - трехполосная мира размером 500х700 мм (фото 5), закрепленная на столе.

Две белые полосы выполнены из киноэкранного белого пластика. Темная центральная полоса - отсутствие отражающего материала. На расстоянии около 1,5 м с помощью специальной подставки с кронштейнами и емкостным фильтром питания размещены тестовые видеокамеры наблюдения Q N - B320; SK-2005/SO и SK-2005X/SO (фото 6). Телекамеры наводились на миру для получения трехполосного изображения в полный экран. Это позволило получить нормальный осциллографический сигнал без устройства выделения строки. Стол размещался на дороге и в процессе испытаний не передвигался. Передача сигналов и питания телекамер до автомобиля осуществлялась по 30-метровым кабельным линиям RG59 и ПВС 2х1,5 (фото 7).

Подобная конструкция имитирует идеальные условия и дает максимально возможные результаты, поскольку объект имеет максимально возможный контраст и максимально возможные угловые размеры. Кроме того, объект целиком находится в максимуме пятна освещения.

2. В автомобиле размещался коммутатор сигналов и измерительная станция на основе ноутбука IBM 1,7 ГГц с USB-TV-тюнером VOLAR HX и USB-осциллографом BORDO B-421 (имелся также резервный осциллограф С1-94) (фото 8). Питание всего оборудования осуществлялось от бортовой сети и через преобразователь напряжения 12/~220 В. Автомобиль в процессе испытаний не перемещался.

3. Испытываемый прожектор закреплялся струбцинами на двухкоординатном поворотном столе, размещенном на тележке (фото 9). На том же поворотном столе были установлены две видеокамеры для наведения прожектора на объект (миру). Наведение производилось по изображению на LCD-мониторе, закрепленном на тележке. Питание всех устройств производилось от сменного автомобильного аккумулятора. Напряжение питания периодически контролировалось мультиметром P-10 METEX и не выходило за пределы диапазона 12,7-12,0 В под нагрузкой.

Первоначально предполагалось использовать видеокамеру с относительно широкоугольным объективом для предварительного наведения, а для точного наведения - CS-камеру с длиннофокусным вариофокальным объективом (до 120 мм). В процессе измерений было установлено, что малогабаритная камера с объективом 16 мм позволяет достаточно точно наводить прожектор с дальности до 150-200 м. Дополнительным критерием точности наведения были передаваемые от автомобиля с помощью радиостанции данные об уровнях видеосигналов с телекамер.

На дороге, начиная с 30 м, с интервалом в 5 м были установлены транспаранты на столбиках с цифрами дальности от мишени. Процесс измерения заключался в последовательном перемещении тележки с прожектором по дороге, с периодическим наведением прожектора на мишень. С помощью комплекта радиостанций осуществлялась постоянная связь с автомобилем. Исходя из данных об уровне видеосигнала от камер определялись дальности, при которых достигались нужные значения видеосигнала в 30 и 10 IRE от телекамер SK-2005С (CCD ICX 405 SONY) и SK-2005XС (CCD ICX 255 SONY). Измерение диаграммы направленности производилось в закрытом помещении при нормальных лабораторных условиях. Испытываемый прожектор закреплялся струбцинами на 2-координатном поворотном столе. Изменение угла, после предварительного наведения на максимум диаграммы, производилось только в горизонтальной плоскости. Для оценки диаграммы в двух ортогональных плоскостях прожектор последовательно перезакреплялся на столе. ИК-фотоприемник (фотодиод ФД-24К с ИК-фильтром и блендой) устанавливался на расстоянии от 1 до 15 м в зависимости от мощности и угла раскрытия диаграммы направленности. Ток фотоприемника измерялся мультиметром P-10 METEX, но изменением дальности подбирался не более 100 мкА.

Значения чувствительности телекамер в таблице приняты условно, без измерений, исходя из технических характеристик телекамер. Синим цветом выделены расчетные значения, красным цветом значения для сравнения.                               

Диаграмма направленности (у различных производителей - "угол подсветки", "угол освещения", "угол действия" и т.п.) определялась по распределению плотности мощности в световом пятне по уровням 0,7; 0,5; 0,3 и 0,1 от максимума. Угол раскрытия диаграммы направленности   нормируется   по   уровню   0,5 практически всеми производителями. Распределение снималось в двух ортогональных плоскостях для оценки симметричности диаграммы. Остаточная засветка от общего (люминесцентного) освещения минимизировалась наличием бленды и ИК-фильтра на измерительном фотоприемнике.

Измерение зависимости тока потребления и потока излучения при изменении температуры производилось в закрытом помещении при нормальных лабораторных условиях. Испытания проводились только в области верхней рабочей температуры, как представляющей наибольший интерес. Нагрев прожекторов до верхней температуры диапазона (+40 °С) производился в закрытой термокамере циркуляцией воздушного потока с регулируемой температурой. Излучение выводилось за пределы камеры на фотоприемник (фотодиод ФД-24К) через иллюминатор. Ток фотоприемника, пропорциональный потоку излучения, измерялся мультиметром P-10 METEX. Выдержка каждого прожектора при максимальной температуре составляла не менее 30 мин. Температура воздуха, окружающего прожектор, контролировалась термопарой с мультиметром М390С. Термопара предварительно была тарирована с помощью тающего льда и кипящей воды. Погрешность, имеющая аддитивный характер, составляла -3 °С, и она была учтена при измерениях. Первоначально это испытание предполагалось проводить при максимально допустимом по паспорту напряжении питания, но такие условия сочли излишне жесткими, и напряжение было установлено в номинальное значение 12 В.

Изменения тока потребления измерялись мультиметром DT 890C UNI-T. Изменение потока излучения определялось прямым измерением на основании уверенности, что плотность мощности излучения всегда пропорциональна его полной величине.

Результаты тестирования

Полные характеристики протестированных прожекторов широко представлены в каталогах и прайс-листах производителей и их дилеров, поэтому в нашем тесте не приводятся. Прожектор IR294XXL компании "Микролайт" был предоставлен для тестирования без предварительной договоренности. Ввиду его значительных размеров и массы (два модуля размером 236х270х134 мм на едином кронштейне суммарной массой 4,5 кг) мы оказались не готовы полностью разместить его на нашем оборудовании. Был протестирован один модуль из естественного предположения, что результирующая дальность при использовании полного прожектора вырастет в л/2 (примерно 1,4 раза), а диаграмма направленности практически не изменится.

Поскольку в тестировании применялись телекамеры с относительным отверстием, не соответствующем указанному производителем, заявленная дальность для сравнения была пересчитана для F2.0. В дополнение к этому была аналогично пересчитана и заявленная дальность прожекторов компании "ИК Технологии" для значения сигнала 10 IRE. Компания "КОМКОМ" нормирует дальность действия для различных типов матриц. Две из них применяются в используемых телекамерах, причем имеют максимальные чувствительности. Полагая, что компания ориентируется на камеры собственного производства, в которых применяются объективы с F2.0 или F1.6 (для объектива с AI), для сравнения мы выбрали лучший вариант - F1.6 (c соответствующим пересчетом) и минимальное значение сигнала.

Примечательно, что полученные значения дальности для различных CCD дают среднее расчетное значение различия чувствительности около 1,6 раза. Это, в принципе, близко к практическим результатам.

Результаты измерения дальности действия представленных прожекторов приведены в таблице.

Непонятны причины получения результатов по прожектору ИКП 150-20 (Степунин). Прямые измерения плотности мощности дают отличие от ИКП 100-20 в 26%, которое должно было бы привести к увеличению дальности на 12%. Однако повторные измерения дальности практически подтвердили результаты первых замеров и не выявили существенного различия дальности между ИКП 100-20 и ИКП 150-20. Производители всех прожекторов, предоставленных для теста, нормируют угол по уровню 0,5 плотности мощности в световом пятне. Все диаграммы симметричны относительно оси. Ввиду того что измеренные углы по уровню 0,5 не всегда соответствовали заявленным, дополнительно были произведены более подробные измерения по уровням 0,7; 0,3 и 0,1. На фото 10 показан внешний вид протестированных прожекторов.

Компанией "Микролайт" весьма неожиданно была предложена для тестирования ее самая последняя разработка - прожектор с переменным углом подсветки IR-1 HELIOS (фото 11).

Прожектор выполнен на основе "сверхяркого" светодиода, перемещаемого винтовым механизмом относительно коллимационной линзы Френеля. Осветитель работает на длине волны 850 нм. Реализовано универсальное питание в диапазоне от 12 до 24 В. Поскольку минимальный угол излучения оказался сравним с точностью наведения в полевых условиях, его функционирование было оценено только качественно. Результаты измерений в лабораторных условиях максимальной плотности мощности при определенных дальностях всех прожекторов позволили по аналогии оценить расчетным путем предполагаемую дальность его действия для уже заявленных в этом тесте условий. Эти данные, как и измеренные значения углов, приведены в таблице. Некоторые модели (IR294-S; P6-85-10; GR20 и IR-1 HELIOS) имеют явно кольцевую структуру пятна излучения. Однако мощность в центре пятна не превышает 0,7 от максимума. Длины волн излучения всех осветителей достаточно близки и составляют от 850 до 880 нм. Остаточное свечение светодиодов в видимом диапазоне имеет ярко-красный цвет, и на глаз оно примерно одинаково для всех прожекторов. Для нашего теста длина волны, строго говоря, не имела значения, поскольку мы проверяли заявленные дальности на конкретных телекамерах. Вместе с тем при выборе прожектора целесообразно учитывать, что относительные чувствительности матриц различных телекамер различаются на 25-30% в диапазоне 850-880 нм. И если это отличие легко определяется по спектральным характеристикам черно-белых матриц SONY, то от других производителей эта информация малодоступна. Еще сложнее без специальных испытаний оценить реальную чувствительность в ИК-ди-апазоне популярных сейчас камер "день/ночь" (D&N). Здесь каждый производитель использует свой ИК-фильтр и не сообщает спектральную характеристику чувствительности телекамеры. В данном случае общая фраза "ИК-чувствитель-ность/IR-sensitive" мало о чем говорит.

Выводы

Проведенный тест инфракрасных прожекторов неожиданно для испытателей показал достаточно хорошее совпадение заявленных и измеренных дальностей практически для всех производителей.

Чисто субъективные впечатления подтверждают эти результаты. На всех полученных дальностях изображение достаточно отчетливо просматривалось на мониторе около прожектора. И это несмотря на LCD-индикатор, который принципиально не обеспечивает требуемой контрастности. Правда, при этом необходимо учитывать максимально возможную контрастность объекта (прорезная мира). Приемлемы результаты и по выполнению угла освещения. Измеренные значения весьма близки заявленным.

Все модели, за исключением только Р6 850-10 ("ИК Технологии"), имеют вполне разумное падение потока излучения при максимальной рабочей температуре, не превышающее 10-15%, что означает хороший тепловой контакт светодиодов с радиатором, оптимальность его площади и конструкции осветителя. Прожектор IR-1 HELIOS ("Микролайт") представляет собой достаточно интересное техническое решение, однако изменение диаграммы направленности вручную в таких широких пределах практически малоприменимо. Для больших углов эта система обладает относительно малой мощностью, довольно сложна и соответственно дорога. Для малых углов подобная коллимационная система малоэффективна, поскольку линза "вырезает" только незначительную часть излучаемой мощности (несколько процентов). Кроме того, углы подсветки в единицы градусов требуют соответствующих полей зрения телекамер, точных и жестких механизмов наведения и кронштейнов. Подобные камеры должны иметь zoom-объектив, поскольку непосредственное наведение узким углом зрения весьма затруднительно. Следовательно, для эффективной работы с камерой подобный прожектор должен иметь синхронное дистанционное управление углом.

Впрочем, для случаев, когда требуемое поле зрения телекамеры трудно предугадать или оно должно изменяться в процессе эксплуатации, а одновременно требуется ИК-подсветка, IR-1 HELIOS может быть даже незаменим. В этом случае выбора просто нет, поскольку на российском рынке, да и не только российском, просто нет других предложений.

Очевидно, что большинство производителей при нормировании прожекторов ориентируются на предельную (в нашей терминологии) дальность при уровне видеосигнала от камеры 10 IRE. "ИК Технологии" в своих условиях определяют уровень сигнала как 15 IRE, достаточно близкий к примененному в тестировании. Единственным осветителем, удовлетворившим требованиям по номинальной дальности (уровень 30 IRE), оказался прожектор ИКП 100-20 (Степунин), причем дальности производителя нормируются и выполняются для телекамер типовой чувствительности.

В то же время с высокочувствительной телекамерой класса QN-B320 почти все испытываемые прожекторы, по всей видимости, способны обеспечить дальность до 300-400 м. Это лишний раз подтверждает простое правило: в случае "дальней ИК-подсветки" есть смысл потратиться на чувствительную телекамеру и светосильный объектив. Эти дополнительные затраты будут с лихвой компенсированы меньшей ценой прожекторов, блоков питания и проводов к ним.  

Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #6, 2009