Цифровые фотоаппараты и видеокамеры, тепловизоры, дактилоскопические сенсоры

11.4. Тепловизоры

До сих пор мы рассматривали интеллектуальные электрические сенсоры, предназначенные для восприятия и обработки изображений в видимой области спектра, т.е. в спектральной области, которую воспринимают и глаза человека. Теперь мы рассмотрим интеллектуальные сенсоры, которые делают то, на что не способен человеческий глаз. Эти сенсоры умеют видеть во тьме, воспринимать тепловое излучение предметов! В обиходе их называют тепловизорами. Речь идет о формировании, восприятии и обработке изображений в средней инфракрасной области спектра.

11.4.1. Физические основы работы

Как мы уже отмечали, фотодиоды из кремния воспринимают ИК свет с длиной волны до 1,1 мкм. Для того, чтобы воспринимать ИК свет с большей длиной волны, на поверхности КМДП матриц эпитаксиально выращивают пленки "узкозонных" полупроводников (с меньшей шириной запрещенной зоны). Чаще всего для этого используют сейчас эпитаксиальные пленки КРТ (кадмий – ртуть – теллур) [ [ 94 ] , [ 106 ] , [ 107 ] , [ 336 ] ]. Они позволяют сформировать матрицы фотодиодов, способных воспринимать ИК свет в так называемых "окнах прозрачности" атмосферы – между 2,1 мкм и 2,4 мкм, между 3 мкм и 5,5 мкм и между 8 мкм и 14 мкм, в том числе и чисто тепловое излучение объектов с температурой от –50 С до +500 С.

Известно, что любое тело излучает ИК свет, спектральное распределение которого зависит от абсолютной температуры тела . Интегральная интенсивность теплового излучения пропорциональна четвертой степени этой температуры (закон теплового излучения Стефана-Больцмана):

( 11.1)

Чем выше температура тела, тем при меньшей длине волны лежит максимум спектрального распределения. В соответствии с законом смещения Вина эта длина волны обратно пропорциональна абсолютной температуре тела:

( 11.2)

Поскольку тела вокруг нас имеют разную температуру, то в инфракрасном свете создается своеобразная "картина" теплового излучения окружающих тел. Чувствительные к этому свету матрицы способны уловить разность температур в десятые и даже в тысячные доли градуса.

Инфракрасный свет значительно меньше, чем видимый, рассеивается, например, в тумане, в задымленном, запыленном воздухе, во время дождя, снегопада. Поэтому при таких условиях тепловизор позволяет "видеть" значительно дальше.

11.4.2. Примеры цифровых тепловизоров

На рис. 11.10 показан внешний вид (с двух сторон) "профессиональной" ИК видеокамеры FLIR ThermaCAM P640. Ее размеры 120x145x220 мм, масса 1,7 кг (вместе с объективом и батареей аккумуляторов питания).

Рис. 11.10. Профессиональная ИК видеокамера FLIR ThermaCAM P640: слева – вид со стороны объектива в закрытом виде; справа – вид с противоположной стороны с раскрытым ЖК дисплеем

Высококачественные сменные объективы таких камер – телеобъектив и широкоугольный объектив, объектив ближнего фокуса – изготовлены из материалов, прозрачных в ИК области спектра, например, из плавленого кварца, сапфира, германия. Последний в видимом свете выглядит как металл, но, как это ни покажется парадоксальным, в ИК области спектра он является довольно прозрачным. Минимальное расстояние съемки этой камерой с объективом ближнего фокуса составляет 30 см, разрешающая способность – 2 угловых минуты.

Чувствительная к ИК свету матрица имеет 640x480 пикселей, работает в диапазоне длин волн от 7,5 мкм до 13 мкм и обеспечивает температурную чувствительность 0,08 С при 30 С. Встроенный микропроцессор с пакетом микропрограмм не только организует считывание и обработку информации от матрицы с частотой 30 кадров/с, ее занесение и хранение в картах памяти объёмом до 2 Гб или передачу в канал связи. Он обеспечивает также наглядное воспроизведение полученного ИК изображения на встроенном цветном дисплее с размером диагонали 142 мм (1024x800 пикселей). На этот же дисплей выводится меню для управления режимами работы прибора. Пользователь может указать на поле наблюдения до 10 точек. И микропроцессор по интенсивности теплового излучения из каждой такой точки автоматически рассчитает температуру соответствующего объекта с точностью 1 С. Диапазон определяемых температур может быть от –40 С до +500 С и даже до +2000 С. При этом учитываются: расстояние до объекта, температура и влажность воздуха, температура оптики и промежуточного, прозрачного для ИК излучения, защитного окна, если оно есть между объектом и объективом. Может быть учтен реальный коэффициент теплового излучения, если пользователь задает его или указывает материал, из которого сделан объект. Микропроцессор автоматически находит в поле зрения точки с максимальной и с минимальной температурами, и все эти значения температуры выводит на дисплей. По указанию пользователя могут быть рассчитаны и выведены на дисплей средние значения температуры в выделенном круге или квадрате, изотермические кривые, профиль температуры в заданном направлении. Процессор может автоматически сигнализировать о том, что температура в каких-то точках пересекает заданную верхнюю или нижнюю границу. Значения температуры могут выводиться в удобных для пользователя единицах (градусах Цельсия, Кельвина, Фаренгейта и т.п.). Автоматически фиксируются дата и время съемки.

Само собой разумеется, что инфракрасное изображение на дисплее тепловизора формируется как видимое. При преобразовании ИК изображения в видимое возможно использование разных "палитр". В черно-белой палитре каждая точка изображения выглядит тем светлей, чем выше температура соответствующей точки объекта. В палитре цветов накаливания наиболее холодные места выделяются черным или темно-фиолетовым цветом, места с более высокой температурой – вишневым, красным, оранжевым, желтым цветом по мере повышения температуры, наиболее "горячие" места (с наиболее высокой температурой) – белым цветом. Можно применять и другие специальные палитры, указанные пользователем.

Встроенный микрофон позволяет вводить в память вместе с тепловой видеоинформацией голосовой комментарий к ней продолжительностью до 30 с или письменный комментарий, – выбираемый из списка. Встроенный AlGaIn лазерный светодиод, излучающий красный свет с длиной волны 635 нм с очень малым угловым расхождением, можно использовать как дистанционную указку. Прибор автоматически ориентирует изображение так, чтобы образованное этой указкой на объекте красное пятнышко находилось в левом нижнем углу кадра.

На рис. 11.11 показан внешний вид некоторых портативных тепловизоров, работающих в диапазоне длин волн от 8 мкм до 14 мкм. Они измеряют температуры теплового излучения от –20 С до +600 С с точностью 2% от соответствующей абсолютной температуры и обеспечивают температурную чувствительность лучше 0,1 К. Они имеют встроенный жидкокристаллический цветной дисплей размером 12,7 см по диагонали, на который, кроме изображения, выводятся значения температуры в заданных точках, термограммы (по указанию пользователя), температурная шкала, меню пользователя. Имеется и встроенная лазерная "указка", и память на 1000 ИК фотоснимков и термограмм.

Рис. 11.11. Внешний вид некоторых портативных цифровых тепловизоров

На рис. 11.12 показана еще одна компактная тепловизионная камера массой лишь 550 г, размером 243x81x103 мм.

Рис. 11.12. Тепловизионная цифровая видеокамера InfraCAM фирмы FLIR

11.4.3. Применения цифровых тепловизоров

Область применения тепловизоров довольно широка. В жилищно-коммунальном хозяйстве они служат в качестве эффективного средства выявления тепловых пороков жилищ и внедрения энергосберегающих технологий [ [ 178 ] ]. С помощью тепловизора легко выявляются, например, недоработки в теплоизоляции при приёмке в эксплуатацию новых домов и самые главные недостатки уже эксплуатируемых домов при разработке планов улучшения их теплоизоляции и герметичности.

Для иллюстрации на рис. 11.13, а приведен ИК снимок зоны стыка между горизонтальной панелью потолка (слева вверху) и вертикальной панелью стены с оконным проемом (внизу). Вдоль линии стыка между панелями видна темная полоса. Самая холодная точка в ней, помеченная крестиком, имеет температуру 14,9 С, показанную в верхнем левом углу кадра. Эта недоделка строителей должна быть ликвидирована путем надлежащей дополнительной герметизации и теплоизоляции зоны стыка.

На рис. 11.13, б приведен ИК снимок окна с плохой тепловой изоляцией в уже эксплуатируемом доме. Светлые полосы над верхним краем окна и под правой частью нижнего края окна указывают на недопустимые утечки тепла.

Рис. 11.13. Примеры ИК снимков элементов зданий, наглядно демонстрирующих недостатки в теплоизоляции жилищ: а) на стыке панелей потолка и стены с окном; б) в конструкции окна; в) в конструкции двери

На рис. 11.13, в видно места утечки тепла через неплотно прилегающую дверь, особенно в её верхней части.

С помощью тепловизора можно быстро оценить состояние теплоизоляции теплотрасс – как открытых, так и подземных, выявить места утечки горячей воды или пара. Даже очень осторожные оценки показывают, что эффективная проверка теплоизоляции и уплотнений теплотрасс и домов с помощью интеллектуальных тепловизионных сенсоров могут привести к снижению коммунальных энергозатрат минимум на 10%.

Тепловизоры могут помочь в своевременном выявлении источников электроопасности как в быту, так и в промышленности. Для иллюстрации на рис. 11.14, а показано ИК изображение электросчетчика, на котором четко выделяются недопустимо перегруженный нижний левый контакт и шина с током, температура которых достигает уже 70 С.

На рис. 11.14, б на ИК изображении верхней части левого высоковольтного трансформатора яркое белое пятно указывает на угрожающий дефект высоковольтного изолятора. Такие дефекты могут уже вскоре привести к обесточиванию линии или даже к возникновению пожара.

Рис. 11.14. Примеры ИК снимков электрооборудования, которые обнаруживают источники электроопасности: а) ИК снимок электросчетчика; б) ИК снимок верхней части высоковольтных трансформаторов

Тепловизоры уже становятся действенным средством охраны государственных, бизнесовых, промышленных, культурных объектов, транспортных, энергетических и санитарных инфраструктур. Уникальными особенностями этой техники являются возможность ее применения при любых погодных условиях (туман, дождь, снегопад, задымленность), а также полная скрытность, – ведь эти камеры, если они ведут только пассивное наблюдение, никак себя не обнаруживают.

На рис. 11.15, а показано ИК изображение группы людей, полученное в условиях полной темноты и густого тумана благодаря тепловому излучению их тел.

Рис. 11.15. Примеры ИК снимков людей: а) в полной темноте в условиях тумана; б) снимок днем обычной видеокамерой; в) ИК снимок того же сюжета (расстояние примерно 150 м)

На рис. 11.15, б показано изображение участка, на котором за деревом и кустами спрятался посторонний человек-наблюдатель. Изображение получено от обычной видеокамеры. Благодаря умелой маскировке увидеть этого человека в видимом свете практически невозможно. На рис. 11.15, в показано изображение того же участка в ИК свете. Тепловое излучение тела человека позволяет здесь четко увидеть присутствие постороннего, который ведет скрытое наблюдение за охраняемой зоной. Расстояние, на котором тепловизоры позволяют выявить присутствие посторонних, составляет от 200 м до 600 м.

Для охраны больших территорий – аэропортов, запретных зон, заповедников, морских портов, сухопутных и морских границ, нефтегазовых месторождений, терминалов, АЭС и т.п. – разработаны мощные тепловизионные сенсоры типа показанного на рис. 11.16. Расстояние, на котором они позволяют контролировать ситуацию, достигает 25 км.

Рис. 11.16. Интеллектуальный комбинированный сенсор видеоохраны ThermoVision

В состав такого сенсора входит как высококлассная видеокамера, которая работает в видимом свете с возможностью оптического увеличения до 25 раз, так и видеокамера, чувствительная к ИК излучению разных длин волны в "окнах прозрачности" атмосферы. В сенсор встроен точный лазерный измеритель расстояний и углов с двусторонней радиосвязью с автономными контрольными устройствами. Сенсор установлен на прецизионной поворотной платформе, которая по командам микропроцессора точно ориентирует его на заданные азимут и угол наклона к горизонту. Такой сенсор способен держать под непрерывным визуальным контролем в любую погоду, днем и ночью территорию диаметром до 50 км. Через надежные каналы связи он обменивается информацией со всей системой охраны. Сенсор легко обнаруживает появление в зоне контроля источников теплового излучения, открытого огня, отслеживает движение транспортных средств, людей и теплокровных животных.