Основные характеристики тепловизионных устройств, используемых в системах безопасности — как сделать правильный выбор

тепловизионные камеры видеонаблюдения

Рынок устройств систем безопасности постоянно пополняется новым оборудованием, имеющим уникальные характеристики. Такими новыми устройствами не так давно стали тепловизионные камеры видеонаблюдения — тепловизоры. До недавнего времени их использовали исключительно государственные охранные структуры на режимных объектах. И дело не только в ограничениях на реализацию аппаратуры данного типа, а в ее весьма высокой стоимости. С недавнего времени цена тепловизора заметно снизилась, что сделало его доступным даже для частного пользователя, но это не привело к резкому росту популярности. Дело в том, что не только рядовые обыватели, но и профессиональные инсталляторы систем безопасности не очень себе представляют, как именно можно использовать тепловизор и какую пользу он может принести на ранних стадиях обнаружения нарушителей в сложных погодных условиях, в лесу или при граничном задымлении / запылении на территории промышленного объекта.

Основные эксплуатационные и технические характеристики тепловизора

Тепловизионные видеокамеры имеют ряд уникальных параметров, которые могут вывести охранное видеонаблюдение на качественно новый уровень. Они могут обнаружить человека в густом тумане, за пеленой дождя, снега или спрятавшегося за листвой деревьев. Какие именно характеристики являются важными при выборе этих устройств?

Чувствительный элемент. Матрица тепловизора, также как и аналогичные элементы видеокамер, работающих в видимом спектре излучения, является основным чувствительным элементом устройства. До недавнего времени тепловизионные системы могли обнаружить ИК излучение только с близкого расстояния. Однако развитие микроэлектроники позволило воспринимать тепловое излучение объекта в инфракрасном диапазоне и по отражению фотонов. Фотонные матрицы, в свою очередь, можно разделить на две большие группы с разным принципом действия (фотоэффекта):

  • Внешний — цифровой электронный преобразователь, вакуумный фотоэлемент и фотоэлектронный умножитель;
  • Внутренний — фоторезистор, — диод, -транзистор.

Матрица воспринимает инфракрасное излучение по всей длине волны. Однако развитие современной электроники и чувствительных сенсоров дает возможность разделить инфракрасное излучение на коротковолновое 0,76-2,5 мкм, средневолновое — 2,5-50 мкм и длинноволновое 50-2000 мкм. Учитывая, что все предметы, в той или иной мере, излучают инфракрасный свет тепловизионная камера имеет специальный программный фильтр, который оценивает низкоуровневое ИК-излучение окружающих предметов и выделяет только те объекты, которые активно изучают своим собственным теплом. Различные алгоритмы позволяют идентифицировать живые объекты и на основании полученной информации визуализировать их.

Мультисенсорная тепловизионная система на основе охлаждающих тепловизионных камер HRC-S и HRC-U. В качестве чувствительного элемента используются полупроводники Indium Antimonide (InSb). Устройство способно определить нарушителя на расстоянии до 20 км

Мультисенсорная тепловизионная система на основе охлаждающих тепловизионных камер HRC-S и HRC-U. В качестве чувствительного элемента используются полупроводники Indium Antimonide (InSb). Устройство способно определить нарушителя на расстоянии до 20 км

Способность к обнаружению объектов. Это характеристика выражается как среднеквадратичная мощность теплового излучения необходимого для получения качественного изображения. На способность обнаружения оказывают прямое влияние, материалы которые были использованы при изготовлении матрицы: фоторезисторы или фотодиоды. Фотодиоды лучше всего воспринимают среднеквадратичную мощность теплового излучения в диапазоне около 0,5 мкм, а фоторезисторы около 10 мкм. Последний показатель наиболее приближён по своим количественным характеристикам к тепловому излучению живых существ, поэтому наиболее качественные и чувствительные тепловые камеры имеют в своём составе фоторезисторы на основе CdS и HgCdTe. Это весьма дорогостоящие минералы, получаемые в результате сложных технологических процессов. Поэтому стоимость тепловых камер на основе фоторезисторов может быть на несколько порядков выше, чем цена тепловых камер на основе фотодиодов.

Способность к визуализации получаемого инфракрасного спектра зависит от матрицы, состоящей из полупроводниковых материалов. На практике особой разницы между матрицами тепловизора из разных полупроводников не наблюдается.

Заметка эксперта
Задать вопрос эксперту
ВАЖНО! Для повышения обнаружительной способности (особенно в дальнем и дальнем ИК диапазоне) и для снижения тепловых шумов матрицы должны охлаждаться. Оптимальная температура фоторезисторов должна составлять 77К.…4,2К (по шкале Кельвина). Для этого тепловизоры оборудуются специальными миниатюрными криогенными установками, работающими по принципу цикла Сплит-Стирлинга.

Разрешающая способность. Данная характеристика по своей важности полностью совпадает с аналогичным параметром обычных камер видеонаблюдения. Она выражается в количестве чувствительных элементов на матрице — пикселей. Чем их больше, тем больше разрешающая способность устройства и тем дороже стоит тепловизионная видеокамера. На данный момент на рынке тепловизионных устройств превалирует продукция с разрешением до 1 мегапикселя. Приобретение устройств с более высокой разрешающей способностью экономически нецелесообразно.

Дуплексная система тепловизор плюс видеокамера, а также результат их совместного функционирования

Дуплексная система тепловизор плюс видеокамера, а также результат их совместного функционирования

к оглавлению ↑

Разновидности гражданских тепловизоров

Все тепловизоры делятся на два основных типа по виду чувствительного элемента, который используется в матрице:

Болометры (микроболометрические элементы) — воспринимают и поглощают тепловое излучение в наиболее широком спектре. Имеют довольно высокий уровень шума, и устройств на их основе довольно посредственные показатели обнаружительные способности 107-108 (см×Гц)×1/2Вт-1.

На основе фоточувствительных полупроводников, воспринимающих инфракрасное излучение. Следует отметить, что разные материалы полупроводниковых элементов лучше всего реагирует на различные спектры инфракрасного излучения. Обнаружительная способность, в зависимости от используемого материала, колеблется в очень широких пределах. Для наиболее эффективных элементов оно на порядок превосходит микроболометрические элементы и составляет 109-1015 (см×Гц)×1/2Вт-1.

Неохлаждаемый тепловизор во всепогодном корпусе с классом прочности IP68, устройство оборудовано внешним PTZ приводом, расположенным под бронированным колпаком

Неохлаждаемый тепловизор во всепогодном корпусе с классом прочности IP68, устройство оборудовано внешним PTZ приводом, расположенным под бронированным колпаком

Представленные данные иллюстрируют количественные показатели одной из основных характеристик тепловизора, на основании которой необходимо делать выбор прибора. Тепловизионные устройства на основе болометрических матриц наиболее целесообразно использовать для обнаружения и распознавания объектов на небольшом расстоянии от 10 м до 1,5 км. В то время, как использование фотоприемников на основе внутреннего фотоэффекта полупроводниковых элементов (фотодиодов и фоторезисторов) можно применять для уверенного обнаружения объектов излучающих тепло на расстоянии до нескольких десятков километров, конкретное расстояние и технические ограничения по дальности зависят от типа объектива и качество оптики.

Заметка эксперта
Задать вопрос эксперту
Историческая справка! Тепловизоры на основе микроболометрических матриц впервые начали разрабатывать в шестидесятые годы в Советском Союзе. Уже в семидесятых годах начался выпуск первых образцов тепловизионные продукции, естественно, военного назначения: инфракрасные прицелы, системы обзора для военной техники, ИК бинокли. Производство индивидуальных тепловизионных средств так и не было начато. На данный момент все приборы ночного видения и тепловизионные видеокамеры, которые производятся в России, комплектуются зарубежными матрицами.
к оглавлению ↑

Тепловизоры на основе микроболометрических матриц

Принцип действия болометрических фотоприемников основан на изменении электрохимических свойств материала, вследствие изменения его температуры от поглощения излучения в инфракрасном диапазоне.

Существует несколько разновидностей таких материалов и фотоприемников, сделанных на их основе:

  1. Сверхпроводящая полупроводниковая металлическая пленка, изменяющая сопротивление от воздействия ИК излучения;
  2. Биметаллические термостолбики или термопары, функционирующие на основе эффекта термо-ЭДС;
  3. Пироэлектрические приемники ИК излучения. Функционирует на основе пиро- и ферроэлектрических кристаллов в пограничном состоянии температуре Кюри (СПРАВКА! Температура Кьюри, это граничная величина, при пересечении которой ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние);
  4. Оптико-акустические устройства. Другие названия — пневматические инфракрасные детекторы или элементы Голея. Используется эффект расширения и сжатия газов от оптического излучателя с модулированной амплитудой.

Несмотря на всё разнообразие перечисленных технологий в их основе лежит изменение электрического сопротивления термочувствительная материала, которая происходит вследствие нагрева из-за поглощения элементом инфракрасного излучения.

Демонстрация возможностей тепловизионных видеосистем при помощи специального программного обеспечения в 3 палитрах

Демонстрация возможностей тепловизионных видеосистем при помощи специального программного обеспечения в 3 палитрах

Заметка эксперта
Задать вопрос эксперту
ВАЖНО! Тепловизоры на основе болометрических матриц являются неохлаждаемыми и не требуют специальных устройств по контролю температуры, что позитивно сказывается на их стоимости.
Болометрический термочувствительный элемент представляет собой сверхтонкую металлическую фольгу толщиной 0,1-1 мкм. Он состоит из золота, никеля или висмута, покрытую чёрной краской с большим коэффициентом светопоглощения в широкополосном диапазоне.
к оглавлению ↑

Тепловизор на основе полупроводников

Существуют различные полупроводниковые материалы, которые генерируют электрические импульсы при прохождении через них электромагнитного излучения различной длины. Для получения внутреннего фотоэффекта тепловизоров подбирают специальные материалы на основе кремния с определённым коэффициентом поглощения. Фоточувствительность матрицы из полупроводниковых материалов на основе кремния составляет 0,85 мкм, расположена в ближней области инфракрасного излучения. Фактически же тепловизоры с полупроводниковой матрицей регистрируют инфракрасное излучение в диапазоне 1-14 мкм. В качестве материала изготовления используется арсенид индия, теллурид кадмия или ртути, антимонид и др.

Одна из отечественных разработок тепловизионной системы охлаждаемый тепловизор кругового обзора (ОТКО)

Одна из отечественных разработок тепловизионной системы охлаждаемый тепловизор кругового обзора (ОТКО)

Фактически, тепловизор отображает картину не слишком привычную для оператора – распределение температуры по объектам окружающей среды. Поэтому для получения более привычной и информативной картинки тепловизионные устройства комплектуются обычными видеокамерами и блоками сопряжения, которые частично соединяют изображение, накладывая температурную карту на контуры привычной картинки.

к оглавлению ↑

ВЫВОДЫ

Применение тепловизоров в системах безопасности пока не получило широкого распространения. С одной стороны количество таких приборов и разнообразие моделей постоянно увеличивается. С другой стороны существуют законодательные ограничения на их ввоз на территорию Российской Федерации. Кроме того, визуализация теплового изображение имеет определенную специфику, которая может затруднить восприятие происходящего у неопытного оператора. Для облегчения восприятия в корпус многих тепловизоров устанавливается цветная видеокамера, которая транслирует подсвеченное изображение. Тем не менее, тепловизионные устройства, на данный момент, наиболее широко используются в качестве вспомогательных средств обнаружения нарушителей в темное время суток без использования подсветки.