"Тепловизоры: все не так просто..."

Сергей Никитин

В последнее время все чаще специалисты по безопасности обращают свое внимание на тепловизионную технику. Мы прочитали несколько статей в отраслевых изданиях и были удивлены: некоторые авторы рассказывает про отличия болометров от фотодиодов, кто-то рисунками доказывает, что антимонид индия больше годится для инфракрасных фотоприемников, чем кремний. Но большинство уверено в том, что тепловизоры надо применять везде – начиная от охоты на оленей, заканчивая обследованием газопроводов на предмет утечки.

Охота на оленей – это, конечно, здорово. Но оленей мало, да и часто ли инженер-проектировщик охотится на них? Гораздо чаще ему приходится разрабатывать системы безопасности. И вот заказчик решил оснастить объект тепловизором – что делать? Идти к «эксперту»? А вы уверены, что он предложит вам решение вашей задачи, а не попробует решить задачу выполнения своего плана продаж? Можно обратиться к поисковым системам - но в огромном объеме информации, которая накопилась за 60 лет с начала использования инфракрасных камер легко заблудиться. Поэтому в данной статье мы решили затронуть вопросы, которые пригодятся в первую очередь инженерам, – ведь правильное применение тепловизоров действительно может решить очень многие задачи, которые мир ставит перед нами.

В небольшой статье сложно объяснить принципы квантовой физики, используемые в тепловидении. Да и есть ли в этом необходимость? Ведь большинство читателей не будет разрабатывать тепловизионные камеры. Мы решили дать понятные и практические советы, которые могут быть востребованы прежде всего при проектировании комплексных систем безопасности. Рассмотрим три основных темы:

   1. Распространение ИК-излучения.
   2. Охлаждаемые тепловизоры - необходимость или «осваивание госбюджета»?
   3. Зачем в тепловидении используются специальные характеристики камер?

Заранее успокоим читателя: законы тепловидения очень похожи на законы телевидения. Только в первом случае мы в большей степени работаем с собственным излучением тел, а во втором – с отраженным излучением Солнца или других источников света. В первом случае мы имеем дело с активной оптической локацией, а во втором – с пассивной. Основной задачей охранного телевидения является оценка ситуации, а на тепловидение возлагают обнаружительные функции. Как видите, есть схожие моменты, и тепловидение чем-то очень похоже на привычное нам охранное телевидение. Но все же есть некоторые отличия.

Начнем по порядку.

Вопрос первый. В какое окно смотреть?

Почему-то практически все современные авторы опускают этот вопрос. Но это так же неправильно, как сразу изучать теорию относительности Эйнштейна, закрывая глаза на физику Ньютона! Ведь не зря же классики тепловидения [1, 4] начинают свои книги именно с рассмотрения этой темы?

Всем известно, что видимый свет, который видят наши глаза и телевизионные камеры занимает только небольшую часть спектра электромагнитных колебаний. ИК-излучение отличается от видимого света большей длиной волны, но общие принципы распространения электромагнитных волн весьма схожи. В то же время, есть ряд особенностей, которые следует учитывать при создании тепловизионной системы. Первый – это наличие «окон» прозрачности атмосферы. Но говорят, что тепловизор тем и замечателен, что может видеть сквозь снег, дым и т.п. – неужели это не так? В целом - так. Но есть детали.

Тепловое излучение ослабляется при прохождении через атмосферу вследствие поглощения молекулами газа, аэрозолями, осадками, а также дымом, туманом, смогом и т.п. Следующие вещества (перечисленные в порядке важности) поглощают ИК-излучение в широких полосах с центрами, соответствующими указанным длинам волн:

   1. вода (2,7; 3,2; 6,3 мкм)
   2. углекислый газ (2,7; 4,3; 15 мкм)
   3. озон (4,8; 9,6; 14,2 мкм)
   4. закись азота (4,7; 7,8 мкм)
   5. окись углерода (4,8 мкм)
   6. метан (3,2; 7,8 мкм).

Не считая ослабления в плотных дисперсных средах, молекулярное поглощение является главной причиной ослабления излучения, причем наиболее сильно излучение поглощается парами воды, углекислым газом и озоном. В нижних слоях атмосферы поглощением закисью азота и окисью углерода обычно можно пренебречь. Таким образом, принимая во внимание вышесказанное, можно определить положение двух окон прозрачности: 3,5 – 5 мкм и 8-14 мкм.

На практике наличие «окон» прозрачности означает то, что практически все тепловизоры должны работать в этих диапазонах. Коротковолновый (3-5 мкм) диапазон более характерен для охлаждаемых тепловизоров, длинноволновый (8-14 мкм) - для неохлаждаемых. Почему? Все довольно просто. Наш мир устроен таким образом, что для качественного детектирования ИК-излучения в различных участках спектра необходимы разные устройства. В коротковолновом диапазоне применяют приемники с фотоэлектрическим эффектом – энергии кванта достаточно, чтобы под воздействием ИК-излучения электроны перешли в зону проводимости. В длинноволновом же гораздо чаще применяют болометры, так как обнаруживать излучение в этом участке спектра проще при помощи терморезистивного эффекта. Разумному человеку свойственно затрачивать минимум усилий для решения проблем, поэтому технику следует выбирать осознанно. Но вы можете сказать, вдруг охлаждаемый тепловизор настолько лучше, что и заплатить за него не грех? Давайте разберемся, что и почему лучше.

Вопрос второй. Охлаждаемые или неохлаждаемые?

Цена на охлаждаемые тепловизоры вполне сравнима с ценой на неохлаждаемые… если к последней приплюсовать, например, новенький внедорожник представительского класса. Большинство может подумать, что именно этот критерий является ценообразующим, но мы вынуждены их разочаровать – критерием является довольно высокая стоимость полупроводниковых матриц и устройств охлаждения до сверхнизких температур. Большинство представленных моделей на рынке являются неохлаждаемыми тепловизорами, но мы считаем своим долгом познакомить читателя и с их «дорогим родственником». Ведь иногда только охлаждаемый тепловизор может решить поставленную задачу.

Чтобы не загружать читателя лишней информацией, мы решили остановиться на основных преимуществах обоих типов тепловизоров, не обойдя стороной и их недостатки. Ведь зачастую знание именно о слабом месте той или иной техники позволит избежать дальнейших трудностей.

Основными преимуществами охлаждаемых тепловизоров являются:

    * Лучшая разрешающая способность – они работают в более коротковолновом диапазоне по сравнению с болометрическими тепловизорами. Согласно критерию Релея, разрешающая способность определяется соотношением R=D/1,22?, где D – диаметр объектива, а ? – длина волны. Угловой дифракционный предел (под этим термином подразумевается минимальный угловой размер монохроматического источника) охлаждаемого тепловизора равен ? ? ?/D, где ? – длина волны, а D – диаметр объектива, имеет порядок 0,08 мрад (около 0,004 градуса).
    * Они более чувствительны к разнице температур – охлаждаемый InSb тепловизор различает перепады в 20 мК при диафрагме равной 5, в то время как неохлаждаемый болометрический – около 50 мК, при соблюдении условия, что диафрагма равна единице. Напомним, что диафрагмой объектива называется отношение фокусного расстояния к диаметру входного зрачка. Как упоминалось выше, это является следствием физических законов появления фотоэлектрического и терморезистивного эффектов.
    * Сочетание первых двух факторов дает третье преимущество – гораздо большую дальность обнаружения. Десять километров – далеко не предел для охлаждаемого тепловизора.

Говоря о достоинствах, следует упомянуть и о недостатках охлаждаемых систем, что поможет заранее обрисовать «подводные камни» и предостеречь читателя от возможных ошибок:

    * Высокая потребляемая мощность, вызванная наличием устройств охлаждения, по сравнению с неохлаждаемыми устройствами.
    * Довольно длительное время охлаждения – между включением тепловизора и получением изображения может пройти несколько минут.
    * Ограниченный срок эксплуатации, вызванный сроком наработки на отказ охлаждающего элемента – обычно это несколько тысяч часов непрерывной работы.
    * Высокая стоимость прибора.

Рассмотрим теперь неохлаждаемые тепловизоры. Основными преимуществами неохлаждаемых тепловизоров являются:

    * Рабочий диапазон лучше приспособлен для наблюдения в условиях дыма, тумана, смога.
    * Сравнительно небольшой размер и вес. Устройства могут использоваться в мобильных приложениях.
    * Работают сразу после включения, так как не требуют охлаждения в течение некоторого времени. Также для них характерна меньшая потребляемая мощность.
    * Очень долгий срок наработки на отказ.
    * Сравнительно небольшая стоимость.

Основным недостатком микроболометрических тепловых детекторов является требование светосильной оптики, потому что для появления терморезистивного эффекта необходимо собрать и передать на микроболометр большое количество энергии. Поэтому для достижения требуемого отношения «сигнал/шум» на выходе приемника требуется оптика с большим размером входного зрачка. Именно физические границы реализуемого были основным сдерживающим фактором для применения инфракрасного телевидения – от обнаружения лесных пожаров до обнаружения стартов баллистических ракет.

Еще один нюанс кроется в излучательной способности тел, нагретых до различной температуры. Закон Вина дает представление о том, где находится максимум излучательной способности того или иного тела. Так, например, можно рассчитать следующие важные для нас максимумы:

   1. Человек – 9,36 микрон (см. рис. 1)
   2. Автомобиль или катер с двигателем внутреннего сгорания – 8,45 микрон
   3. Лесной пожар – около 3 микрон (в зависимости от пожара).

Но также следует помнить, что на этих длинах волн расположены максимумы излучательной способности. И человек, и автомобиль имеют заметную светимость в коротковолновом диапазоне – поэтому для наблюдения за ними на больших (свыше 2 км) расстояниях целесообразно применять охлаждаемые тепловизоры, работающие в области 3-5 микрон, так как болометрические тепловизоры не смогут решить эту задачу из-за указанных выше физических ограничений.

Вопрос третий. Зачем нужны новые параметры оборудования?

Все мы привыкли, что большинство камер на рынке имеет такой параметр: «сигнал/шум». Мы все знаем, что он равен примерно 50 дБ. Воспользовавшись простыми формулами из учебника по радиотехнике, мы даже можем сказать, что это означает: мощность сигнала больше мощности шума примерно в сто тысяч раз. Вроде бы все понятно, напишите вы то же самое для тепловизоров. Однако почему-то порядочные производители указывают не только привычное нам отношение «сигнал/шум», а вводят еще какой-то параметр NEP. Зачем?

В тепловидении часто применяется такой параметр как эквивалентная шумовая мощность (noise equivalent power, NEP) – это мера чувствительности оптического приемника. Она определяется как мощность сигнала, которая создает единичное соотношение сигнал/шум на выходе оптического приемника при заданной рабочей длине волны и эффективной ширине полосы пропускания. Естественно, желательно иметь наименьшее значение эквивалентной шумовой мощности, так как в этом случае соотношение сигнал/шум будет наиболее высоким. Использование NEP вместо отношения «сигнал/шум» для описания приемника является предпочтительным, потому что NEP остается постоянным в различных условиях . Так, например, если мы удалим приемник от источника на 1000 метров, уровень сигнала и уровень шума могут измениться, как в большую, так и в меньшую сторону.

Мы также можем увидеть в спецификациях параметр NETD – Noise Equivalent Temperature Difference – эквивалентная шумовая разница температур. Эта величина равна такой разнице температур сцены и объекта, которая расценивается прибором как шум. Она вводится для простоты понимания чувствительности тепловизора. Например, для охлаждаемого тепловизора с NETD = 20 мК это значит, что тело с температурой 30,002 градуса Цельсия будет неотличимо от фона с температурой 30 градусов Цельсия, в то время как разница в один градус будет ясно заметна. Интересно, что у гремучей змеи примерно такая же чувствительность, как у охлаждаемого тепловизора – 18 мК. Правда, использование змей в тепловидении не очень практично – дистанция, на которую смотрит такой «тепловизор» - не более метра.

Мы еще вернемся к теме проектирования систем тепловидения – приведенные выше материалы являются необходимой, но недостаточной для этого информацией. В следующих статьях мы рассмотрим более конкретные вопросы и дадим читателям исчерпывающие ответы на них.