Возможности тепловизионного оборудования при организации охраны объектов

22 Сентябрь 2014

13 августа 2014

Алексей Михайлов
Начальник сектора отдела 4
ФКУ НИЦ «Охрана» МВД России,
подполковник полиции

В последнее время термин «тепловизор» всё чаще звучит со страниц массовой печати и телевидения. Причем комментаторы и ведущие новостных выпусков наделяют эти приборы «волшебными» свойствами по обнаружению нарушителя в любых погодных условиях и даже по возможности тепловизора видеть сквозь стены зданий и помещений. Попытаемся разобраться, что в этих комментариях соответствует действительности, а что является вымыслом.

Сам термин «тепловизор» означает «тепло наблюдаю» (лат. «Visor» - наблюдатель), указывает на физическую сущность процесса. Тепловизор - это прибор, предназначенный для наблюдения за нагретыми объектами.

Развитие приборов тепловидения, т.е. наблюдения предметов не за счет отражения падающих на них электромагнитных волн (например, видимого света), а за счет регистрации прибором собственного излучения нагретых объектов (как известно, только нагретые тела излучают электромагнитную энергию) началось достаточно давно.

Солнечный свет, тепло, радиоволны или рентгеновские лучи при всех своих различиях глубоко едины по природе - все они представляют собой электромагнитное излучение. Различие между ними связано с их разным положением в электромагнитном спектре, характеризуемом длиной волны или частотой. Участки электромагнитного спектра показаны на рисунке 1.

Рис. 1. Участки электромагнитного спектра. Инфракрасную область спектра принято разделять на четыре части: ближнюю (λ = 0,75 - 3 мкм), среднюю (λ = 3 - 6 мкм), дальнюю (λ = 6 - 15 мкм) и очень далекую (λ = 15 - 1000 мкм).

Таким образом, физические принципы работы тепловизора принципиально не отличаются от работы других оптических приборов наблюдения, например, телевизионных камер (далее ТВ-камеры). С большой долей достоверности можно считать тепловизор аналогом ТВ-камеры, работающей в ИК-диапазоне излучения.

Проведем условную классификацию тепловизоров.

Рис. 2. Классификация тепловизоров

Все тепловизоры можно разделить на следующие типы:

- стационарные;

- переносные

- с охлаждением приемника ИК-излучения (например, на базе КРТ);

- без охлаждения приемника ИК-излучения (например, на базе микроболометра).

По типу структуры приемника:

- в виде матрицы (например, 328 х 256 пиксела);

- в виде линейки (например, 288 х 4 пиксела ).

По типу сканирования окружающего пространства

- с механическим сканированием (при этом обычно применяется приемник в виде линейки);

- без механического сканирования (при этом обычно применяется приемник в виде одной или несколько матриц).

Возможность тепловизором регистрировать ИК-излучение (в том числе и в длинноволновой области) определяет как достоинства тепло- визора, так и его недостатки. К сожалению, в технике выигрывая в одном параметре, всегда проигрывают в других показателях.

Итак, о достоинствах тепловизора:

1. Тепловизору для наблюдения не требуется осуществлять подсветку объекта наблюдения, а, значит, обеспечивается скрытность наблюдения.

Этот факт и стал определяющим при использовании тепловизора. Первые тепловизоры появились как приборы наблюдения и прицеливания на военной технике и только в последнее время они стали применяться для бытовых или охранных целей.

Действительно, если светить в лоб противника прожектором видимого света (* или ИК-прожектором ближнего диапазона излучения), то с большой долей вероятности в ответ может прилететь боевой снаряд, а вот наблюдателя с тепловизором практически невозможно обнаружить на поле боя.

* Примечание. ИК - ближнего диапазона излучения (0,7-0,8 мкм) великолепно видит электронно-оптический преобразователь (ЭОП), любая телевизионная камера и даже простейший оптический прицел от снайперской винтовки Драгунова (за счет свечения люминофора прицельной сетки).

2. Тепловизор великолепно видит человека по его собственному излучению.

Как и любое нагретое тело, человек излучает в пространство электромагнитную энергию. Вот только излучает он максимум энергии в диапазоне длин волн 8 - 12 мкм (см. рис. 3), поскольку открытые участки кожи человека имеют температуру кожи порядка 32ºС. К тому же мощность этого излучения достаточно малая. На расстоянии 300 м (без учета поглощения в атмосфере) облученность от тела человека составляет около 10 - 7 Вт / см2.

Рис. 3. Распределение спектра излучения, вычисленного по закону Планка (расчет на ПК) для температуры 32ºС

Из рисунка видно, что человек практически ничего не излучает в диапазоне видимого и ближнего ИК-излучения (0,7-0,8 мкм), поэтому ТВ-камера не может регистрировать человека по его собственному излучению и всегда требует внешней подсветки цели. Для тепловизора диапазон излучения 8-12 мкм является рабочим диапазоном, и человек великолепно наблюдается в тепловизор только за счет собственного излучения.

3. Качество тепловизионной картинки практически не зависит от того, днем или ночью мы наблюдаем цель.

Более того, ночью способности тепловизора по обнаружению цели даже возрастают, поскольку ночью повышается тепловой контраст (разница температур) между почвой и целью.

4. Тепловизор практически невозможно «ослепить» прожектором видимого света.

Данная особенность объясняется наличием германиевого объектива, который является оптическим фильтром, отрезающим видимый диапазон излучения.

5. Тепловизор имеет великолепную чувствительность.

Эквивалентная шуму разность температур (NEdT) у тепловизоров находится обычно в диапазоне от 20 до 80 мК.

6. Тепловизор позволяет производить наблюдение при плохих погодных условиях.

Дождь и снег незначительно влияют на дальность тепловизионного наблюдения. Гораздо большее влияние на дальность наблюдения оказывает туман. Согласно классификации Международной организации гражданской авиации (ICAO) туман разделяется на четыре категории: категория 1 - дальность видимости до 1220 м, категория 2 - дальность видимости до 610 м, категория 3 - дальность видимости до 305 м, категория 4 - дальность видимости до 92 м.

Для тумана категории 1 потери, как в средневолновом, так и в длинноволновом диапазоне, значительно меньше, чем в видимом диапазоне наблюдения (примерно в 6-8 раз). Поэтому производители тепловизоров так любят демонстрировать наблюдение удаленных объектов в слабом тумане или в легкой дымке.

Для тумана категории 2 выигрыш в потере полезного сигнала будет меньше (примерно в 3-4 раза) и то только для длинноволнового диапазона наблюдения (8-14 мкм).

Для тумана категории 3 (с дальностью видимости 305 м) потери полезного сигнала примерно одинаковы, как в видимом, так и в ИК-диапазонах.

Теперь поговорим об обратной стороне медали.

Недостатки тепловизоров:

1. Огромная стоимость.

Стоимость тепловизора лежит в диапазоне от 6 до 700 тыс. долларов. Такой огромный разброс цен объясняется разницей в возможностях тепловизоров по обнаружению целей и их конструктивными особенностями. Огромное влияние на стоимость тепловизора оказывает фокусное расстояние объектива (диаметр линзы). Линзы у объективов тепловизоров чаще всего делают из германия. Для наглядного представления стоимость грамма германия примерно равняется стоимости грамма золота. От 80 до 90% стоимости тепловизора составляют объектив и матрица приемника.

2. Ограниченный ресурс работы.

В первую очередь это относится к охлаждаемым тепловизорам, ресурс которых редко превышает 7 тыс. часов из-за необходимости менять изношенный криогенный холодильник.

Данные тепловизоры имеют матрицы глубокого охлаждения и используют материалы типа KPT, InSb или арсенид галлия (QWIP). Эти матрицы отличаются хорошей чувствительностью, но требуют глубокого охлаждения, При этом у них есть ограничения по количеству термоциклов (нагрев матрицы в выключенном состоянии и охлаждение при работе), т.е. желательно, чтобы такой тепловизор работал непрерывно.

Бич охлаждаемых тепловизоров - потеря герметичности холодильника и вакуума в матрице.

Неохлаждаемые тепловизоры имеют гораздо больший ресурс работы, поскольку не имеют холодильника, но они тоже имеют тенденцию к деградации матрицы со временем, что объясняется сложными химическими соединениями чувствительного слоя матрицы и потерей вакуума в ней. Для болометра на основе оксида ванадия время непрерывной работы составляет около 40 000 часов (4,5 года).

3. Меньшая разрешающая способность по сравнению даже с дешевыми ТВ-камерами.

Типовой размер матрицы тепловизора - 328 х 256 пикселей, что примерно вдвое меньше, чем у ТВ-камеры.

Общие рекомендации по применению тепловизионного оборудования.

1) На отечественном рынке представлена достаточно большая номенклатура тепловизоров как отечественного, так и импортного производства, поэтому есть возможность выбрать оптимальный тепловизор по критерию цена / качество.

2) Возможности тепловизионного наблюдения в сложных погодных условиях значительно превосходят возможности телевизионного наблюдения, однако тепловизор не является абсолютным средством обнаружения целей.

3) Использование длинноволнового диапазона работы тепловизора (8-12 мкм) при наблюдении цели типа «человек» предпочтительно, по сравнению со средневолновым диапазоном работы (3-5 мкм).

4) Наиболее приемлемым типом тепловизора для использования во вневедомственной охране (по критерию цена / качество) является неохлаждаемый тепловизор на основе микроболометра.

5) Тепловизор не является средством, заменяющим телевизионные системы наблюдения, точно также как телевизионная система не может заменить тепловизор. Эти охранные средства должны дополнять друг друга.

6) Наилучшие свойства тепловизоров проявляются в плохих погодных условиях.

7) Наиболее оправданным является использование тепловизоров для охраны особо важных объектов, имеющих большое открытое пространство, например таких: взлетно-посадочные полосы аэропортов, открытая территория вокруг АЭС, морские акватории в портах и т.д.

При этом условиями, определяющими целесообразность использования тепловизоров, являются следующие факторы:

- надежность охраны объекта является первостепенным фактором, стоимость оборудования - вторичный параметр;

- использование тепловизора экономический выгодно по сравнению с применением традиционных средств охраны (обычно это проявляется при сложном профиле местности или изломанном периметре охраняемого объекта);

- использование иных средств охраны затруднительно или невозможно, (например, необходимо охранять подходы по водной поверхности или через болотистую местность);

- необходимо вести скрытое наблюдение;

- необходимо обнаружить нарушителя как можно дальше от физического рубежа охраны с целью обеспечения увеличения времени прибытия группы быстрого реагирования.

Выбор класса тепловизора в зависимости от значимости объекта охраны, цели тепловизионного наблюдения и финансовых затрат потребителя:

Наиболее дешевым классом тепловизоров являются тепловизоры на основе неохлаждаемой матрицы, к тому же они обладают достаточным сроком эксплуатации. Они не требуют большого энергопотребления и позволяют изготавливать малогабаритные тепловизоры. Следует только учесть, что параметры чувствительности у них наихудшие.

Тепловизоры, устанавливаемые на боевую технику (в основном в качестве тепловизионных прицелов), в абсолютном большинстве выполняются на основе матриц глубокого охлаждения (KPT, InSb, арсенид галлия (QWIP)) или на основе термоэлектрического охлаждения (PbS). Боевая техника за свой цикл жизни на поле боя не успевает исчерпать рабочий ресурс охлаждаемого тепловизора, а чувствительность у них в несколько раз выше.

Для объектов охраны особой важности необходимо использовать системы многоспектрального наблюдения, поскольку каждый спектр наблюдения имеет свои достоинства и недостатки. Оптический диапазон наблюдения практически всегда включается в комплексную систему наблюдения. Пока наилучшую разрешающую возможность имеет человеческий глаз (конечно в условиях хорошей освещенности). Человеческий мозг - самый универсальный и адаптивный механизм охраны. Правда, человек быстро утомляется и в помощь ему выделяется телевизионная камера, которая имеет в своем арсенале детектор движения. Оптический диапазон наблюдения позволяет использовать дешевые мегапиксельные ТВ - матрицы.

При отсутствии освещенности, при нежелании обнаруживать себя в процессе наблюдения, в тумане, дожде, дыму, при оптической дымке используется ИК - диапазон наблюдения (желательно не менее чем в двух спектральных диапазонах 3-5 мкм и 8-12 мкм).

На практике в многоспектральных системах обычно используют компоненты в следующих вариациях:

Вариант 1:

- оптический прибор наблюдения (стационарный многократный бинокль, телескоп), наблюдение осуществляется человеческим глазом. Ночью освещение осуществляется прожектором;

- низкоуровневая ТВ-камера, часто с ИК-подсветкой;

- тепловизор на диапазон 3-5 мкм или 8-12 мкм.

Вариант 2:

- электронно-оптический прибор (ЭОП), с активно-импульсной лазерной подсветкой;

- тепловизор на диапазон 3-5 мкм или 8-12 мкм.

Вариант 3:

- включает в себя вариант 1 или вариант 2 и радиолокационную станцию обнаружения.

Таким образом, выбор средств обнаружения, в том числе и тепловизионных, складывается из множества факторов, которые надо учитывать.

При выборе конкретной марки тепловизора настоятельно рекомендую получить от раз- личных производителей и поставщиков объективные характеристики изделия и только после этого принимать решение о его закупке (см. Таблица 1).

Характеристики тепловизора

(основные характеристики, которые необходимо получить от поставщика тепловизора, поскольку они часто приводятся не в совокупности или опускаются по невыгодным позициям).

Ограниченный объем публикации не позволяет не только досконально поговорить об особенностях тепловизоров и тепловизионного наблюдения, но даже обозначить все проблемы этой темы.

Поэтому приведу в конце статьи фотографии тепловизионных картинок объектов. Как известно, лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать.

Рис. 4. Тепловизионная картинка здания (микроболометр 384 х 288 пикселей)

Рис. 5. Тепловизионная картинка улицы и вывески (микроболометр 384 х 288 пикселей)

Рис. 6 Тепловизионная картинка улицы (микроболометр 384 х 288 пикселей)

Рис. 7 Тепловизионная фотография человека, наверху шкала температур (микроболометр 160 х 120 пикселей)

Рис. 8 Термоизображение лица человека (максимальная регистрируемая температура 35 ºС, температура лба человека 32.7 ºС). Охлаждаемый приемник на основе КРТ (320 x 256 пикселей). Можно отметить высокую температурную чувствительность матрицы

Рис. 9. Оптическое изображение двора

Рис. 10. Тепловизионное изображение двора (микроболометр 320 х240 пикселей). За машинами хорошо видны фигуры стреляющих людей

Заключение

К сожалению, тепловизор не позволяет видеть через стены зданий, но вполне хорошо работает при дожде и снегопаде. С помощью тепловизора значительно облегчается наблюдение в тумане категорий 1 - 2. В основе работы тепловизора лежат традиционные законы физики.

Хочется надеяться, что данная статья хотя бы в некоторой мере будет полезна для читателей и поможет избежать наиболее распространенных ошибок и заблуждений, связанных с работой тепловизионной техники.

Опубликовано в ж. "Информохрана", №4, 2014, стр. 32-35

Источник: Daily (.sec ru)