Тепловизоры

Тепловизоры

 

Тепловизор – это  телевизионная камера, работающая в  среднем ИК-диапазоне спектра.

 

Основные законы теплового излучения. Выбор спектрального  диапазона работы тепловизионных камер

 

В соответствии с современными представлениями все тела, нагретые до температуры выше абсолютного нуля, излучают электромагнитные волны.  Излучение нагретых тел называют тепловым. Основной закон теплового испускания, применимый для любых тел,  – закон Кирхгофа:

 

М_{l, Т} = a_{l, Т}×e_{l, Т} ,

 

 

в котором; М_{l, Т} – излучательная способность тела (поток, излучаемый с единицы площади тела, нагретого до температуры Т,  по всем направлениям в единичном интервале длин волн вблизи длины волны l); a_{l, Т} – поглощательная способность тела (доля падающего на тело  монохроматического излучения с длиной волны l, которая поглощается телом, всегда ×a_{l, Т} £ 1, ее же называют коэффициент излучения);  e_{l, Т} – излучательная способность абсолютно черного тела. Интегральная излучательная способность М_Т = является еще одной характеристикой теплового испускания.

Абсолютно черное тело (а.ч.т.) это такое, которое поглощает  падающее на него электромагнитное излучение  любой длины волны полностью. 

В соответствии с законом  Кирхгофа все тела излучают тепловое излучение хуже, чем а.ч.т. Спектральное распределение светимости а.ч.т. e_{l, Т} называют функцией Планка. Это колоколообразная кривая. На рисунке ниже представлены спектры испускания а.ч.т. при различных температурах.

Положение максимума e_{l, Т} зависит от температуры а.ч.т. и определяется законом Вина:

l_макс= 3000/Т,

 

где Т в кельвинах, l в микронах. Например,  комнатной температуре 300 К соответствует максимум спектра а.ч.т. на длине волны 10 мк. Основная часть излучения приходится на интервал 8-14 мк. Смещение максимума теплового испускания при увеличении температуры легко наблюдать при разогреве дверки печи, углей костра либо при увеличении напряжения на лампе накаливания.

 

С увеличением температуры  возрастает как излучательная способность  а.ч.т. на всех  длинах волн, так и  интегральная излучательная способность М_Т .Последняя определяется законом Стефана-Больцмана: М_Т =sТ⁴. Таким образом, а.ч.т. с большей температурой будут выглядеть более яркими.

Нечерные тела всегда будут излучать меньше, чем а.ч.т. с той же температурой.  Яркость двух нечерных тел с одинаковой температурой  может сильно отличаться из-за различия их поглощательной способности. Например, при наблюдении в среднем ИК-диапазоне самой яркой частью автомобиля с остывшим двигателем будет промежуток между колесами и корпусом. Это полость, которая хорошо поглощает излучение.  Полоса фольги, наклеенная на фанерный щит, будет темнее щита, поскольку она хорошо отражает и мало поглощает.  Отличия в яркости реальных тел, обусловленные различием их поглощательных способностей и температур, дают возможность различать их при наблюдении в ИК-диапазоне спектра.

Можно приравнять интегральную  излучательную  способность любого реального тела М_Тист с истинной температурой Т_ист к М_Т =sТ⁴   а.ч.т. с  некоторой температурой Т и  характеризовать излучательную способность реального тела температурой а.ч.т.  Температура а.ч.т., которое имеет такую же интегральную излучательную способность, как и реальное тело называют радиационной температурой тела. Радиационная температура тела ниже истинной, поскольку реальное тело избирательно и не полностью поглощает электромагнитное излучение различных длин волн. Яркость изображения и радиационная температура тела однозначно связаны. 

Выбор спектрального диапазона  работы тепловизионных камер зависит  в первую очередь,  от поглощения излучения  в атмосфере, а затем от температуры наблюдаемых объектов. Окна прозрачности средней ИК-области соответствуют диапазонам (4.5 – 5 ) мк и (8-13) мк. Окно (4.5 – 5) мк соответствует максимуму в спектре испускания тел, нагретых до температур 600-800 К.   В нем работают  некоторые теплопеленгаторы самолетов и систем наведения ракет по свечению газов, выходящих из дюз самолетов. Второе окно соответствует максимуму в спектре испускания слабо нагретых (200-500 К) тепловых источников и диапазону работы  большинства тепловизионных приборов.

Очень важно, что вклад рассеяния  на аэрозолях (туман, дым, водяная пыль)  в ослабление излучения диапазона (8-13) мк существенно ниже, чем поглощение газами, входящими в состав атмосферы. На графике приведено пропускание атмосферы при метеорологической дальности видения 610 м, т.е.  при наличии тумана.

Пропускание в диапазоне 8-14 мк существенно  выше, чем в других, поэтому в  тумане и задымлении тепловизор имеет  преимущество перед визуальным наблюдением.

 

Сканирующие тепловизоры и тепловизоры  смотрящего типа (с матричными приемниками излучения) 

 

Матричные приемники  излучения, чувствительные в ИК области, появились сравнительно недавно. Первым типом тепловизоров были сканирующие.

В них использовался  одиночный приемник, который фиксировал излучение небольшого участка поля обзора. Разрешающая способность  прибора определяется в этом случае размерами чувствительной площадки приемника (около 2 мм). Поэтому для  обеспечения высокой угловой разрешающей способности приходилось использовать объективы с фокусным расстоянием от 0.5 м. Сканирующий элемент поочередно направлял на приемник излучение других участков.

Чтобы обеспечить обзор  по двум координатам устанавливались 2 сканирующих элемента. Чаще всего использовались вращающиеся барабаны с большим числом отражающих граней. Увеличение  числа граней способствовало повышению числа строк изображения и скорости развертки. Защита  движущихся частей от вибраций и ударов при размещении на носителях требовала усложнения конструкции амортизирующими элементами. 

Большой вес и энергопотребление  тепловизоров  не позволяли создавать  переносные приборы.  Стоимость приборов была так велика, что в первую очередь ими оборудовались самолеты.  

Сканирующие стационарные приборы выпускаются до сих пор  и применяются для исследований в медицине и дефектоскопии. Используемые в них одиночные охлаждаемые  жидким азотом приемники позволяют  обнаружить различие  температур на 0.01 К. 

 

Матричные приемники позволили устранить сканирование. Оптическая схема упростилась.

 

Поле зрения прибора определяется размерами матрицы, предельное разрешение – размерами элемента матричного приемника. За время экспозиции электрические сигналы на выходе каждого элемента матрицы накапливаются в специальных ячейках, а затем считываются последовательно во времени. В результате выходной сигнал в определенный момент времени U(t_k,p) соответствует освещенности элемента матрицы с номерами k и p. Накопление сигнала приводит к увеличению чувствительности приемника.  Поэтому элементы матрицы можно выполнить меньшими, чем у одиночных приемников. Отсутствие сканирующей системы существенно уменьшает энергопотребление, габариты и вес прибора, что позволяет создавать переносные приборы, в том числе средства индивидуального наблюдения (тепловизионные трубы). 

 

Основные конструктивные отличия, достоинства и недостатки тепловизионных камер по сравнению  с телевизионными.

 Измерительные и наблюдательные тепловизоры

 

Все конструктивные отличия  определяются спектральным диапазоном.

 

Во – первых: Материалы, пригодные в видимом и ближнем ИК- диапазоне (до 2 мк), в первую очередь стекла,  поглощают в среднем ИК. Поэтому переход в диапазон 8-13 мк требует заменить оптические материалы либо использовать зеркальные системы. Выбор оптических материалов ограничен, они дороже, чем стекла,  технология обработки существенно другая. Зеркальные системы имеют большие аберрации и либо используются в приборах низкого разрешения, либо дополняются линзовыми компенсаторами. Зеркальные и зеркально-линзовые  системы применяют в длиннофокусных светосильных приборах с большими  входными зрачками преимущественно военного назначения.

 

Во – вторых: увеличение длины волны приводит к возрастанию дифракционного размытия изображения. Для достижения такой же угловой разрешающей способности, что и у обычной телекамеры, необходимо увеличить диаметр входного зрачка и фокусное расстояние на порядок, примерно также увеличатся габариты и вес. Тепловизоры с таким же разрешением, как у телекамер с входным зрачком 5-10 мм,  будут иметь  зрачок не менее 3-5 см.

Диаметр дифракционного кружка рассеяния  d_дифр определяется выражением:

,

где D и f – диаметр и фокусное расстояние объектива тепловизора. При l =10 мк и

D : f = 1: 1, d_дифр @ 25 мк. Объективы с таким относительным отверстием при дифракционном качестве изображения существуют. Уменьшение размера элемента матрицы (пикселя) менее 25 мк приведет к увеличению разрешения только при соответствующем увеличении относительного отверстия объектива при его дифракционном качестве. Уменьшение размера пикселя увеличивает воспринимаемое глазом отношение сигнал/шум. Это означает, что если изображение ошумлено, но элементы изображения малы, то глаз сглаживает мелкие неоднородности.

В – третьих: технология изготовления матричных приемников  этого диапазона сложнее, чем у приемников, чувствительных в видимой области. Поэтому они дороги и имеют меньшее число элементов. Дополнительные сложности вносят нелинейная связь между падающим потоком и выходным сигналом и различие характеристик отдельных элементов (геометрический шум). Для решения этих проблем необходима  дополнительная коррекция видеосигнала, качество которой непосредственно связано со стоимостью прибора. Некоторые приемники излучения требуют охлаждения до азотных температур, что дополнительно усложняет и удорожает конструкцию.

В – четвертых: непрозрачность в видимом диапазоне линз тепловизионных приборов осложняет юстировку объективов.

 

Недостатками тепловизионных камер являются: а) высокая стоимость, которая обусловлена, прежде всего, стоимостью оптики и приемника; б) меньшее число элементов матрицы; в) более низкая частота кадров (7 - 60 Гц); г) большие габариты и вес, чем у видеокамер.

Достоинства тепловизионных камер: а) позволяют измерить распределение радиационной температуры по поверхности объекта; б) выявить внешние и некоторые внутренние дефекты, не обнаружимые при визуальном наблюдении; в) получить изображение объектов обычной температуры даже в условиях тумана и задымления; г) не требуют подсветки при наблюдениях в любое время суток;  д) не выходят из строя при засветке, в отличие от приборов ночного видения.

Тепловизоры – приборы двойного назначения, поэтому матрицы с более чем   644 х 512  элементами ( на начало 2011 года) не поступают в свободную продажу.  Лучшие матрицы (январь 2011 года, FLIR) имеют 2048 х 2048 пикселей.

 

Измерительные тепловизоры  регистрируют распределение радиационной температуры по поверхности объекта. Их применяют для обнаружения утечек тепла из теплотрасс и различных сооружений, в дефектоскопии, в медицине для обнаружения ряда заболеваний. Измерения основаны на  однозначной связи между яркостью изображения и радиационной температурой тела.  Для увеличения контраста  изображения различные радиационные температуры отображают изменением цвета и приводят оцифрованную шкалу цветов.

Наблюдательные приборы  используются военными, службами охраны правопорядка, охотниками, автомобилистами  для наблюдений в условиях плохой видимости. Это всепогодные пассивные приборы, работающие в любое время суток.  Тепловизоры позволяют вести прицельную стрельбу через дымовую завесу. Предельная дальность обнаружения человека  переносным тепловизором военного назначения с хорошей матрицей 1024 х 1024 элементов достигает 6 км при метеорологической дальности видимости в атмосфере 10 км.

Обычно в наблюдательных приборах изображение черно-белое. Дело в том, что пространственное распределение теплового излучения  объектов отличается от распределения яркости при наблюдении в отраженном свете видимого диапазона. Если картинку местности представить в псевдоцветах, то ее вид может очень сильно отличаться от привычного, что усложнит распознавание объектов. 

 

 

 

 

Основные типы и сравнительная характеристика матричных приемников излучения тепловизоров

   

                                              

Стоимость фотоэлектрических приемников существенно выше за счет системы охлаждения. Охлаждаемые приемники используются, когда возможности прибора ограничиваются уровнем шумов приемника, а стоимость и габариты имеют второстепенное значение: либо в стационарных измерительных приборах высокой чувствительности (способных зарегистрировать отличия температур до 0.01 К) либо при наблюдениях малоконтрастных целей  на больших дистанциях (свыше 5 км). 

Тепловизоры с охлаждаемыми приемниками появились в 50-е годы. В 70-е годы возникла идея создать  приборы индивидуального пользования. Эту задачу возможно было решить только с неохлаждаемыми матричными  приемниками.

Пироэлектрические и  болометрические приемники –  два типа тепловых приемников, пригодные  по чувствительности и габаритам (разрешению)  для тепловизоров.

Первые успехи в конце 70-х были достигнуты  при разработке  пироэлектрических  приемников, но для их работы нужен механический затвор и стабилизация температуры термоэлектрической батареей. Кроме того, минимальный размер элемента больше, а  количество элементов матрицы меньше, чем у болометрических. По этим причинам  министерство обороны США около 10 лет назад прекратило дотирование разработок, а в 2009 г. основной  производитель  в США намеревался свернуть производство этих приемников.

Параллельно с пироэлектрическими  разрабатывались полупроводниковые  болометры на основе окиси ванадия VO_х. В середине 90-х была разработана технология, в которой окись ванадия была заменена аморфным кремнием. Такая замена была вызвана двумя причинами: 1) болометры изготавливаются на кремниевой подложке, на которой формируется схема считывания, поэтому кремниевый чувствительный элемент более технологичен; 2) технология на основе VO_х контролируется министерством обороны США, что требует от производителей получения экспортных лицензий.  В результате  ведущим разработчиком и производителем приемников на основе VO_х являются США (фирма FLIR), а на основе кремния – фирма ULIS (Франция). В настоящее время технология ванадиевых болометров позволяет производить их на кремниевой подложке, по матрицам для коммерческого применения упрощено лицензирование, их стоимость ниже, чем других типов приемников,  и они занимают 70 % рынка.  Приемники на VO_х имеют более низкое (100 Ком) сопротивление, чем на кремнии (3 Мом), поэтому у них более низкий предельный уровень шумов и проще согласование со схемой обработки сигнала. Но  кремниевые матрицы имеют меньшую геометрическую неоднородность чувствительности и на 30-40 % меньшее  время отклика.