Принцип роботи тепловізорів, Двигун прогресу

Це все звичайно добре, але як же бути фахівцю, який має створювати тепловізор, йти до експерта? А може той замість того, щоб дати вам правильну відповідь, спробує таким шляхом підняти обсяг своїх продажів? Можна звичайно скористатися послугами пошуковика, але величезна кількість статей на цю тему, яка зібралася за всі 60 років, відколи була випущена інфрачервона камера, можна зламати ногу. Саме тому ми і вирішили написати цю статтю, адже по-справжньому правильне застосування тепловізорів, здатне вирішити дуже багато труднощів, якими світ постійно нас постачає.

У цій статті важко розповісти про основні принципи фізики квантів, яка є основою тепловізора, та й потреби в цьому немає. Адже сумнівно, що хтось із читачів займеться розробкою власної моделі тепловізорного сенсора. Ми просто даємо зрозумілі та практичні рекомендації, які допоможуть, наприклад, у розробці систем безпеки. І нижче ми розморимо три головні теми:

Поширення ІЧ-випромінювання
Тепловізори з охолодженням
Навіщо в теплобаченні застосовують спеціальні характеристики камер?

Спочатку слід зауважити, що закони, за якими працює теплобачення, дуже схожі з телевізійними законами. За винятком того, що перші працюють з власним випромінюванням, а другі використовують відбите випромінювання сонця або інших джерел. При використанні тепловізорів ми стикаємося з активною оптичною локацією, а в другому випадку з пасивною. Головна мета телебачення для охорони - аналіз того, що відбувається, а теплобачення більше орієнтоване на виявлення.

В яке вікно дивитись?

Дивно, але практично всі, хто розглядаєпитання тепловізування, чи забувають про цю тему. Але це приблизно те, що почати розглядати Ейнштейнівську теорію відносності, без знань у галузі Ньютонівської фізики. На додачу до всього скажемо, що основоположники історії тепловізорів, починали саме з цього питання.

Як вам, напевно, відомо, видиме світло, яке ми з вами сприймаємо, і завдяки якому працюють телевізійні камери, це лише невелика ділянка всього спектру. ІЧ-промені мають більшу довжину хвилі, ніж видиме світло, але щодо питання поширення, вони дуже близькі. При створенні системи з використанням тепловізора, слід враховувати низку особливостей, наприклад, присутність вікон і дальність видимості в атмосфері. Як прийнято думати, вся принадність тепловізора полягає в тому, що він здатний бачити через різні перешкоди, сніг, дим, дощ, чи так це насправді? В основному так, але є деякі особливості.

Проходячи через атмосферу, інфрачервоне випромінювання втрачає свою інтенсивність, внаслідок поглинання молекулами газів, туманом, снігом і навіть димом.

Найбільше поглинання відбувається при проходженні через пари води, озон і вуглекислий газ. Поглинання в закису азоту та окису вуглецю при проходженні випромінювання в нижніх шарах не відіграє особливої ролі і їх можна знехтувати. Виходячи з перерахованих вище факторів, можна виділити два вікна прозорості: 3,5-5 мкм і 8-14 мкм.

Насправді присутність «вікон» говорить про те, що будь-який тепловізор повинен працювати саме в їх діапазоні. Короткі хвилі (3-5 мкм) підійдуть для тепловізорів з охолодженням, довгі (8-14 мкм) іншим. У чому причина цього немає нічого незрозумілого. Наш світ так влаштований, що для добротного функціонування тепловізора, для певногодіапазону, потрібен спеціальний пристрій. Наприклад, короткохвильовий діапазон вимагає застосування фотоелектричних приймачів, адже енергії кванта цілком вистачить, щоб негативно заряджені частинки переключилися в сектор, що проводиться. А ось при роботі на довгих хвилях краще використовувати болометри, тому що побачити випромінювання на такій частоті набагато простіше за технологією терморезисторів. Людина логічно мисляча розуміє, що для досягнення будь-якого результату, потрібно знайти спосіб, який вимагатиме максимально короткого шляху, і мінімальних зусиль, саме тому тепловізор потрібно правильно підібрати. Якщо ви подумаєте, що тепловизор, що охолоджується, на порядок краще, і може бути він коштує тієї, вищої ціни, ми пояснимо, чому ні.

Тепловізори, що охолоджуються і не охолоджуються.

Вартість тепловизорів, що охолоджуються, майже така ж, як і на аналоги, що не охолоджуються, правда, якщо додати до останніх вартість нового джипа, але не це головне. Основна причина високої вартості таких пристроїв, це ціна напівпровідників приймальної матриці, наднизька температура. Але часто виконати поставлене завдання може тільки охолоджуваний тепловізор.

Щоб не засмічувати вам голову різними зайвими подробицями, ми стисло розглянемо основні переваги обох типів тепловізорів, також зупинимося і на недоліках. Знаючи наперед слабкі місця якоїсь техніки, можна взяти їх до уваги і уникнути в майбутньому багатьох складнощів.

Основні переваги тепловізорів типу, що охолоджується

Пристрої з матрицею, що охолоджується, працюють у більш високочастотному діапазоні, і тому володіють високою роздільною здатністю, в порівнянні з неохолоджуваними моделями.
Тепловизор, що охолоджується, має велику чутливість, він з легкістю може відрізнитиколивання в 20 мК і діафрагмі 5, а аналог, що не охолоджується, всього 50 мК.
Два вищенаведені пункти створюють третю перевагу, а саме високу дальність огляду. Навіть на відстані в 10 км, пристрій не відчуває будь-яких складнощів.

Недоліки охолоджуваних моделей

Завдяки наявності системи охолодження, такі тепловізори потребують більшої споживаної потужності, що є відвертим недоліком.
Тривалий час запуску, при включенні та вимкненні пристрою, відбувається охолодження і, відповідно, нагрівання матриці, це займає певний час, який може становити 2-3 хвилини.
Термін служби таких апаратів також невисокий, має певний ресурс, викликаний зносом системи охолодження. Більшість моделей можуть відпрацювати лише кілька тисяч годин.

Основні переваги тепловізорів неохолоджуваного типу

Прилад краще працює в умовах задимленості, туману, снігу та інших опадів. Пов'язано це з більшою довжиною хвилі. Також ІЧ-випромінювання практично не поглинається парою, ні газом.
Невеликі габарити та вага пристрою.
Неохолоджувані тепловізори включаються миттєво, як і вимикаються, такий параметр часом дуже важливий, наприклад, в оборонній сфері
Довгий час роботи. Завдяки відсутності системи охолодження, такі пристрої можуть працювати необмежено довго.

Недоліки тепловізорів неохолоджуваного типу

Для використання тепловізора необхідна спеціальна оптика, що підсилює. Саме в неї й упирається подальший розвиток таких апаратів.

Як відомо, будь-який тепловізор характеризується параметром співвідношення «сигнал/шум». Для того щоб зображення було якісним, необхідно, щоб даний параметр бувблизький до 50 дБ. Використовуючи елементарні формули зі шкільного підручника з радіотехніки можна зрозуміти, що сила сигналу більше сили шуму приблизно 100000 раз. Саме цей параметр підходить і для оцінки тепловізорів. Але виробники таких пристроїв заявляють ще й NEP, що за величина і про що говорить?

Це еквівалентна потужність шуму або чутливість оптичної частини приймача. Зрозуміло, що бажано мати якомога менший рівень шуму. Застосування NEP замість «сигнал/шум» є більш правильним підходом, оскільки NEP не змінюється в залежності від умов експлуатації. Наприклад, якщо віддалити сенсор від джерела на 500 і 1000 метрів, рівень шуму зміниться.