УДК 355.457.1:621.397.4

Основы выбора тепловизионного оборудования в системах контроля

Арапов Максет Калдыбаевич – докторант Национального университета обороны Республики Казахстан.

Акшулаков Куандык Жаксыбаевич – кандидат военных наук, профессор, старший научный сотрудник НИИ военного искусства военного научно-исследовательского центра Национального университета обороны Республики Казахстан.

Медетов Бекболат Жаксылыкович – PhD, ассоциированный профессор кафедры Радиотехники, электроники и телекоммуникации Казахского агротехнического исследовательского университета имени С. Сейфуллина.

Аннотация: В данной статье рассматриваются подходы к оценке технических характеристик тепловизионного оборудования с целью выбора тепловизионного оборудования в системах контроля. Для получения критериев, близких к реальности, необходимо учитывать планируемые условия использования систем наблюдения, а именно параметры цели, параметры местности, климатические и погодные условия, возможность укрытия и использования укрытий и многое другое. Для повышения эффективности системы наблюдения необходимо обеспечить высокое разрешение изображения, широкий угол обзора, выбор спектральных диапазонов в неблагоприятных условиях наблюдения, применение дополнительных функций, таких как стабилизация изображения.

Ключевые слова: тепловизор, спектральный диапазон, способность тепловизора обнаруживать и разрешающая способность, инфракрасный диапазон.

Тепловизоры занимают определенную нишу на рынке оборудования, обеспечивающего безопасность объектов. В настоящее время с развитием технологий для измерения температуры все чаще используют тепловизоры, хотя некоторое время назад они были доступны только военным. Сейчас они нашли свое применение в различных сферах производственной деятельности, позволяя решать многие технические задачи.

Метод тепловизорного исследования- это съемка объекта (здания, сооружения, их элементов или элементов систем инженерного обеспечения) в инфракрасном спектре. Тепловизионное исследование теплотехнических характеристик объектов как одного из элементов энергетического аудита является эффективным способом раннего выявления неисправностей и снижения затрат на техническое обследование [1].

Рисунок. 1а. Изображение, полученное с помощью обычной видеокамеры.

Рисунок. 1б. Изображение, полученное с помощью тепловизора.

В тепловизорах с термочувствительным элементом в качестве чувствительного элемента используются болометры.

В тепловизорах с чувствительным элементом на основе внутреннего фотоэффекта в качестве чувствительного элемента используются полупроводниковые матрицы, изготовленные из материалов, чувствительных к инфракрасной области спектра.

Для первого раза мы опишем эти чувствительные элементы в целом. Сравнение чувствительности радиаторов и фотоприемников на основе полупроводниковых светочувствительных матриц на основе внутреннего фотоэффекта представлено на рисунке 2.

Рисунок 2. График сравнения чувствительности радиаторов и фотоприемников (1-теплоприемники, 2-фотоприемники).

По объективным причинам, связанным с особенностями физических процессов микроболометрических чувствительных элементов (широкополосное поглощение излучения и высокий уровень шума), способность этих устройств обнаруживать немного меньше, чем способность обнаруживать полупроводниковые фоточувствительные матрицы, работающие на основе внутреннего фотоэффекта, чувствительного к излучению с определенной длиной волны. Чтобы оценить различия между тепловизорами, созданными в этих и других чувствительных элементах, мы оцениваем их способность обнаруживать.

Способность обнаружения полупроводниковых светочувствительных элементов изменяется в пределах 10⁹-10¹⁵ см Гц^1/2 В^-1.

Определяющая способность болометров варьируется в пределах 10⁷-10⁸ см Гц^1/2 В^-1 .

Помимо того, что это очень важное различие, начиная с сравнения этих величин, сразу становится очевидным, что тепловизор с определенным чувствительным элементом должен использоваться при фиксации объекта, находящегося на разных расстояниях.

Болометры используются в ИК-системах для наблюдения и распознавания объектов на коротких расстояниях (до 2 км). Первоначально тепловизоры, основанные на болометрах, предназначались для ИК-прицелов, биноклей, ИК-обзорных систем для транспортных средств, беспилотных ИК-систем наблюдения.

Тепловизоры, основанные на полупроводниковых чувствительных элементах с высокой способностью обнаружения, обеспечивают "видимость" на десятки километров и используются в серьезных комплексах [2].

Диапазон измерений - один из факторов, определяющих температурные возможности и условно делящих модели на 3 типа:

1. Строительство: реагирует на температуру до +350℃, используется для строительного аудита, определяет качество изоляции, находит места утечки тепла из зданий.
2. Промышленный: температурные границы выше +350℃, используется для диагностики электрических сетей, промышленных систем.
3. Высокая температура: определяет параметры тепла – выше +1000℃, уровень тепла диагностирует высокотехнологичные процессы.

Их использование получило широкое распространение в современной жизни как в промышленных целях, так и в гражданских нуждах [3].

Выбор спектральных диапазонов при неблагоприятных условиях наблюдения. Типичные значения проводимости некоторых типов излучения приведены в таблице 1.

Таблица 1. Типичные значения проводимости некоторых видов излучения.

Таким образом, когда атмосфера пропускает только 1% видимого света, количество ИК-излучения, проводимого в диапазоне 8÷12 мкм, составляет 22%.

В процессе морских испытаний тепловизионного канала, установленного на платформе прицеливания 9LV – 200 – Швеция (фирмы Philips – Швеция, Филипс USFA Голландия, Mullarg LTD – Великобритания (приемник)) при МДВ³20 км получена дальность обнаружения цели (имитатор – черненый сосуд диаметром 40 см, заполненный водой, с нагревателем и датчиком температуры, расположенный на буксируемой платформе на высоте 3 м)–7км. Даже при плохой метеовидимости (МДВ» 2-3 км) при DТ=30 К цель обнаруживалась на дальности L > 4 км.

Исходя из вышеизложенных соображений, наиболее приемлемым диапазоном в телевизионном канале следует считать окно прозрачности 8÷12 мкм.

Использование указанного диапазона вместо диапазона 3÷5 мкм также связано с сопротивлением, которое примерно в 10 раз меньше излучения неоднородности неба, отраженного от его возбужденной поверхности моря [4]. Это особенно важно при захвате и сопровождении низко летающих объектов.

Перспективы повышения эффективности современных систем контроля связаны с обеспечением их работоспособности с учетом требований независимости от всех погодных условий, помех, условий естественного освещения и других факторов.

Один из способов решения этой проблемы - создание многоканальных комплексных систем, работающих в широком спектре. В частности, эффективному применению системы тепловизора препятствует ряд ограничений, связанных с выравниванием температурных контрастов при отсутствии суточных изменений температуры, ухудшением ИК-излучения в атмосфере при наличии тумана, пыли, дымовых завес. Кроме того, ослабление субмиллиметрового излучения в указанной среде значительно меньше.

Объединение этих диапазонов позволяет получать более длинные диапазоны и погоду с возможностью углового разрешения, характерной для ИК-диапазона. Использование единой приемной системы обеспечивает соответствующее снижение размеров и веса интегрированной системы [4].

Обнаруживающая способность тепловизоров

Наиболее часто используемым критерием качества инфракрасных детекторов является способность обнаруживать – свойство (D*).

где: NEP-среднеквадратичная мощность падающего излучения, необходимая для получения отношения «сигнал/шум», равного 1 в частотном диапазоне 1 Гц, А-площадь фотоприемника, В-ширина полосы пропускания 1 Гц.

При длине волны, близкой к 0,5 мкм, фоторезистор в CDs имеет наибольшую эффективность, тогда как при λ = 10 мкм предпочтение отдается фоторезисторам HgCdTe. Это очень дорогие материалы, соединения которых получаются в результате сложных технологических процессов. Поэтому на их основе стоимость светочувствительных элементов на несколько порядков выше, чем у кремния, что в первую очередь влияет на стоимость тепловизоров.

Очень важно отметить, что обнаруживающая способность инфракрасных фотодетекторов различается в нескольких последовательностях в зависимости от типа полупроводникового материала.

Для различных типов чувствительных к кремнию матриц, используемых для визуализации видимого излучения на видеокамерах, такая разница, конечно, не заметна.

Следует также отметить, что для обнаружения излучения в среднем, дальнем и ультра-дальнем инфракрасном диапазонах фоторезисторы охлаждаются до низких температур (77 К и 4,2 К). При таких температурах тепловые эффекты, вызывающие тепловой шум, уменьшаются, а детектор увеличивается и становится более эффективным. Чаще всего для этих целей используются электрические микрокриогенные установки, работающие по циклу Сплит-Стирлинга [5]. Это значительно увеличивает стоимость тепловизоров.

Разрешающая способность тепловизоров

Как и светочувствительные матрицы камер видеонаблюдения, светочувствительные матрицы тепловизоров имеют различные чувствительные элементы (пиксели) и характеризуются разным разрешением. Чем больше разрешение, тем дороже тепловизор. Современные технологии позволяют создавать полупроводниковые тепловизионные матрицы и разрешение мегапикселей. Однако их использование на рынке гражданской безопасности ограничено ценовыми и политическими факторами.

Основные параметры назначения для тепловизора:

• размер изображения цели, выраженный количеством пикселей на минимальный размер цели;
• степень контрастности цели по отношению к фону;
• степень однородности фона.

Выбирая тепловизор, нужно знать, каков его диапазон. Для расчета расстояния, вероятности обнаружения, распознавания и обнаружения цели используется такой параметр, как критерий Джонсона [6]. Он учитывает только геометрические характеристики цели, и в большинстве случаев он не применяется к конкретным случаям и дает более высокие показатели по сравнению с конкретными достижимыми.

Несколько слов о некоторых видах тепловизоров, применявшихся в Республике Казахстан в различных сферах деятельности (охрана, надзор и др.).

Портативный тепловизор предназначен для наблюдения и контроля охраняемой территории, а также для обнаружения, идентификации, распознавания объектов человеческого/ машинного типа в условиях плохой видимости (ночь, туман, снег, дождь, дым и т. д.).

Очень активное место на казахстанском рынке систем безопасности занимает американская компания FLIR Systems, выпускающая тепловизоры. Американская компания предлагает широкий спектр оборудования для тепловизионного контроля, от мультисенсорных систем до тепловизионных OEM-модулей [7].

Среди недорогих устройств можно выделить ультракомпактный тепловизор LS-64. Это устройство в основном предназначено для использования в полевых условиях с разрешением изображения 640x480 пикселей, возможностью обнаружения человека – до 1080 м, автомобиля – до 3000 м, рабочей температурой от -20℃ до +50℃.

Другой тип устройства - ударопрочный тепловизор HS-307 Pro, изготовленный в ударопрочном водонепроницаемом корпусе, с функцией записи изображения на видео, обнаружениеv человека – 1650 м, автомобиля – 4900 м, рабочая температура от -20℃ до +60℃ [8].

Ударопрочный, для использования в целях охраны и наблюдения, бинокулярный тепловизор BHS-XR с большим диапазоном рабочих температур (-40℃ ÷ +60℃) способен формировать четкие изображения (и сохранять их на SD-карту) в условиях нулевой видимости днем и ночью, а также через дым, слепой свет. Работа с ним, учитывая конструктивную особенность (бинокль), мало влияет на глаза, а также позволяет работать под водой (IP-67) [9].

Таким образом, анализируя все вышеизложенное, отметим, что средства контроля, работающие в разных спектральных диапазонах, имеют разную чувствительность к интерференционным факторам, которую необходимо учитывать при выборе тепловизионного оборудования в одних и тех же условиях.

Список литературы

1. Станкус А.Р., Гридин С.В. «Особенности применения тепловизоров МЧС ДНР «Академия гражданской защиты», г. Донецк 2019 г. №1 -.С. 262-265.
2. Вовк О. «Тепловизоры на рынке систем безопасности» // Журнал «Алгоритм безопасности», 2010 г. № 1 -.С. 23-26.
3. Применение и эксплуатация тепловизоров. Интернет-ресурс: https://fireman.club/statyi-polzovateley/primenenie-i-ispolzovanie-teplovizora/
4. Коротаев В.В., Мельников Г.С., Михеев С.В., Самков В.М., Солдатов Ю.И.. - Основы тепловидения. Санкт-Петербург: ИТМО НИУ, 2012 – С.44-45.
5. Засуха С.А., Лихолит Н.И., Макаров А.Л., Меленевский Ю.О., Архипов В.Т., Шатихин В.Е. «Криохладитель Сплит-Стирлинга для фотоприемников» // Журнал «Космическая наука и технологии». ISSN 1561-88892014. Т. 20. - № 2. – С. 67-72.
6. Галов С.Ю., Заика П.В., Железняков В.О. «Скрытность объектов от средств мониторинга» // Новости ТулГУ. Технические науки. № 9. – 2019. – С. 155-166.
7. Сайт фирмы FLIR [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.corebyindigo.com/gallery/military/militarygallery.cfm
8. Схемы и параметры тепловизоров с оптико-механическим сканированием. - Тепловизоры. - Сайт "Электрические сети" [Электронный ресурс]. - Режим доступа http://leg.co.ua/arhiv/raznoearhiv/teplovizory-5.
9. Sa'ar, Amir; Shappir, Joseph. Voltage tunable integrated infrared imager. – USP 20070063219. – March 22, 2007.-P. 5.