Инфрачервеното лъчение се причинява от колебания в електрическите заряди, които изграждат всяко вещество, което изгражда обекти от жива и нежива природа, а именно електрони и йони. Вибрациите на йоните, изграждащи веществото, съответстват на нискочестотно лъчение (инфрачервено лъчение) поради значителната маса на осцилиращите заряди. Радиацията в резултат на движението на електрони може също да има висока честота, която създава радиация във видимата и ултравиолетовата област на спектъра.
Електроните са част от атомите и се задържат близо до тяхното равновесно положение (като част от молекули или кристална решетка) от значителни вътрешни сили. Приведени в движение, те изпитват неравномерно спиране, а излъчването им придобива характер на импулси, т.е. Характеризира се със спектър от различни дължини на вълните, сред които има нискочестотни вълни, а именно инфрачервено лъчение.
Инфрачервеното лъчение е електромагнитно лъчение, заемащо спектралната област между края на червената област на видимата светлина (с дължина на вълната (λ), равна на 0,74 μm, и микровълново радиоизлъчване с дължина на вълната 1 ... 2 mm.
В инфрачервения диапазон има области, където инфрачервеното лъчение се абсорбира интензивно от атмосферата поради наличието в нея на въглероден двуокис, озон, водна пара.
В същото време има така наречените "прозорци на прозрачност" (диапазон от дължини на вълните на оптичното излъчване, в който има по-малко поглъщане на инфрачервено лъчение от средата в сравнение с други диапазони). Много инфрачервени системи (включително някои устройства за нощно виждане и термовизионни камери) са ефективни именно поради съществуването на такива „прозрачни прозорци“. Ето някои диапазони (дължините на вълните са дадени в микрометри): 0,95…1,05, 1,2…1,3, 1,5…1,8, 2,1…2,4, 3,3…4,2, 4,5…5, 8…13.
.jpg)
Атмосферните смущения (мъгла, мъгла, както и непрозрачността на атмосферата поради дим, смог и др.) влияят различно на инфрачервеното лъчение в различните части на спектъра, но с увеличаване на дължината на вълната влиянието на тези смущения намалява. Това се дължи на факта, че дължината на вълната става сравнима с размера на капките мъгла и праховите частици, така че разпространяващото се лъчение се разпръсква в по-малка степен от препятствията и ги заобикаля поради дифракция. Например в спектралната област от 8…13 µm мъглата не създава сериозни смущения в разпространението на радиацията.
Всяко нагрято тяло излъчва поток от инфрачервено лъчение, т.е. оптично лъчение с дължина на вълната, по-голяма от дължината на вълната на видимото лъчение, но по-малка от дължината на вълната на микровълновото лъчение.
Пример.Температурата на човешкото тяло е 36,6°С, спектралното му излъчване е в диапазона 6…21 µm, метален прът, нагрят до 300°С, излъчва във вълновия диапазон от 2 до 6 µm. В същото време спирала от волфрамова нишка, нагрята до температура 2400°C, има емисия от 0,2...
- микрона, като по този начин засяга видимата област на спектъра, което се проявява като ярко сияние.
Сфери на гражданското приложение на термовизията
Термовизионните уреди за гражданска употреба условно се разделят на две големи групи - уреди за наблюдение и уреди за измерване. Първият е оборудване за системи за сигурности пожарна безопасност, термовизионни системи транспортна сигурност, ловни термовизионни уреди и мерници, термовизионни камери използвани в криминалистиката и др. Измервателните термовизионни камери се използват в медицината, енергетиката, машиностроенето и научните дейности.
Няколко примера. Според статистиката, справедливо за повечето региони с развити транспортна мрежа, повече от половината фатални произшествия стават през нощта, въпреки факта, че повечето шофьори използват колата през деня. Неслучайно през последните години стана масова практика автомобилите да се оборудват с термовизионна камера, която предава на дисплей, разположен в купето, температурна картина на пътната обстановка пред автомобила. Така термокамерата допълва възприятието на водача, което е несъвършено по много причини (тъмнина, мъгла, насрещни фарове) през нощта. По същия начин термовизионните камери се използват в видеонаблюдението успоредно с нощните камери. цифрови фотоапарати(хибридна система за видеонаблюдение), която дава много по-пълна представа за характера и поведението на обектите в кадър. Министерството на извънредните ситуации използва термовизионни камери при пожари - при задимяване на помещението термовизионната камера помага за откриване на хора и източници на горене. Проучването на електрическото окабеляване ви позволява да откриете дефект на връзката. Термичното сканиране на горски площи от въздуха помага да се определи източникът на пожара.
И накрая, преносимите термовизионни камери се използват успешно при лов (откриване на животни, ефективно търсене на ранени животни без куче), при извършване на количествено преброяване на добитъка и др. В бъдеще ще се разглеждат термовизионни камери от групата на уредите за наблюдение предимно за лов.
Принципът на работа на термокамерата
В инженерната практика има понятия обект и фон. Обектът обикновено са обекти, които трябва да бъдат открити и разгледани (човек, превозни средства, животни и т.н.), фонът е всичко останало, което не е заето от обекта на наблюдение, пространството в зрителното поле на устройството (гора, трева, сгради и др.)
Работата на всички термовизионни системи се основава на фиксиране на температурната разлика на двойката "обект / фон" и на преобразуване на получената информация във видимо за окото изображение. Поради факта, че всички тела наоколо се нагряват неравномерно, се формира определена картина на разпределението на инфрачервеното лъчение. И колкото по-голяма е разликата в интензитета на инфрачервеното излъчване на телата на обекта и фона, толкова по-отличимо, тоест контрастно, ще бъде изображението, получено от термовизионната камера. Съвременните термовизионни устройства са в състояние да открият температурен контраст от 0,015 ... 0,07 градуса.
Докато по-голямата част от устройствата за нощно виждане, базирани на тръби за усилване на изображението (ICT) или CMOS / CCD матрици, улавят инфрачервено лъчение с дължина на вълната в диапазона от 0,78 ... 1 μm, което е само малко по-високо от чувствителността на човешкото око , основният Работният обхват на термовизионното оборудване е 3…5,5 µm (инфрачервена инфрачервена светлина със средна вълна или MWIR) и 8…14 µm (IR дълга вълна или LWIR). Именно тук повърхностните слоеве на атмосферата са прозрачни за инфрачервеното лъчение, а излъчвателната способност на наблюдаваните обекти с температури от -50 до +50ºС е максимална.
Термокамерата е електронно устройство за наблюдение, което изгражда изображение на температурната разлика в наблюдаваната област на пространството. В основата на всяка термовизионна камера е болометрична матрица (сензор), чийто всеки елемент (пиксел) измерва температурата с висока точност.
Предимството на термовизионните камери е, че не изискват външни източнициосветеност - сензорът на термокамерата е чувствителен към собственото излъчване на обектите. В резултат на това термовизионните камери работят еднакво добре денем и нощем, включително и в абсолютна тъмнина. Както беше отбелязано по-горе, лошите метеорологични условия (мъгла, дъжд) не създават непреодолими смущения на термовизионния уред, като в същото време правят обикновените нощни устройства напълно безполезни.
Най-просто принципът на работа на всички термовизионни камери се описва от следния алгоритъм:
- Лещата на термовизионната камера формира върху сензора температурна карта (или карта на разликата в мощността на излъчване) на цялата зона, наблюдавана в зрителното поле
- Микропроцесорът и другите електронни компоненти на дизайна четат данните от матрицата, обработват ги и формират изображение на дисплея на устройството, което е визуална интерпретация на тези данни, която се гледа директно или през окуляра от наблюдателя.
За разлика от устройствата за нощно виждане, базирани на тръби за усилване на изображението (да ги наречем аналогови), термичните камери, подобно на цифровите устройства за нощно виждане, ви позволяват да реализирате голям брой потребителски настройки и функции. Например, регулиране на яркостта, контраста на изображението, промяна на цвета на изображението, въвеждане на различна информация в зрителното поле (текущо време, индикация за изтощена батерия, икони на активирани режими и т.н.), допълнително цифрово увеличение, „ функция „картина в картина” (позволява в отделен малък „прозорец” да се покаже в зрителното поле допълнително изображение на целия обект или част от него, включително увеличена), временно изключване на дисплея (за пестене на енергия и маскирайте наблюдателя, като елиминирате блясъка на работния дисплей).
За фиксиране на изображението на наблюдаваните обекти видеорекордерите могат да бъдат интегрирани в термовизионни камери. Можете да реализирате такива функции като безжично (радиоканал, WI-FI) предаване на информация (снимка, видео) към външни приемници или дистанционно управление на устройството (например от мобилни устройства), интеграция с лазерни далекомери (с въвеждане на информация от далекомери в зрителното поле на устройството) , GPS-сензори (възможност за фиксиране на координатите на обекта на наблюдение) и др.
Тепловизионните мерници също имат редица отличителни черти по отношение на "аналоговите" нощни мерници за лов. Марката за прицелване в тях обикновено е "цифрова", т.е. изображението на марката по време на обработката на видеосигнала се наслагва върху изображението, наблюдавано на дисплея и се движи по електронен път, което позволява да се изключат от мерника механичните входни блокове за корекция, които са част от аналоговите нощни или дневни оптични мерници и изискват висока прецизностпроизводство на части и монтаж на тези възли. Освен това това елиминира такъв ефект като паралакс, т.к. изображението на обекта на наблюдение и изображението на мерната мрежа са в една равнина - равнината на дисплея.
В цифровите и термовизионни прицели е възможно да се съхраняват в паметта голям брой мерници с различни конфигурации и цветове, удобно и бързо прицелване с помощта на „прицелване с един изстрел“ или „нулиране в режим на замразяване“, функцията за автоматично въвеждане на корекции при промяна на дистанцията на стрелба, съхраняване на нулиращи координати за няколко оръжия, индикация за наклона (запушването) на мерника и много други.
Термовизионен уред.
Лещи.Най-често срещаният, но не единственият материал за производство на лещи за термични изображения е монокристалният германий. До известна степен сапфир, цинков селенид, силиций и полиетилен също имат честотна лента в MWIR и LWIR лентите. Халкогенидните стъкла се използват и за производството на лещи за термовизионни устройства.
Оптичният германий има висок пропускателен капацитет и съответно нисък коефициент на поглъщане в диапазона 2…15 µm. Струва си да припомним, че този диапазон обхваща два атмосферни „прозорци на прозрачност“ (3…5 и 8…12 µm). Повечето от сензорите, използвани в цивилните термовизионни устройства, работят в същия диапазон.
Германият е скъп материал, така че оптичните системи се опитват да бъдат направени от минимално количество германиеви компоненти. Понякога се използват огледала със сферични или асферични повърхности, за да се намали цената на дизайна на лещите. За защита на външните оптични повърхности от външни влияния се използва покритие на базата на диамантеноподобен въглерод (DLC) или аналози.
Класическото оптично стъкло не се използва за производството на лещи за термовизионни устройства, тъй като няма честотна лента при дължина на вълната повече от 4 микрона.
Конструкцията на обектива и неговите параметри оказват значително влияние върху възможностите на конкретно термовизионно устройство. Така, фокусно разстояние на обективапряко влияе върху увеличението на устройството (колкото по-голям е фокусът, толкова по-голямо е, при равни други условия, увеличението), зрителното поле (намалява с увеличаване на фокуса) и обхвата на наблюдение. Относителна бленда на обектива, изчислено като отношение на диаметъра на лещата към фокуса, характеризира относителното количество енергия, което може да премине през лещата. Индексът на относителната апертура влияе върху чувствителността, както и върху температурната разделителна способност на термовизионното устройство.
Визуалните ефекти като винетиране и ефектът на Нарцис също се дължат на дизайна на лещите и са общи за всички термовизионни устройства до известна степен.
Сензор.Фоточувствителният елемент на термовизионно устройство е двуизмерна многоелементна матрица от фотодетектори (FPA), изработена на базата на различни полупроводникови материали. Има доста технологии за производство на инфрачервени чувствителни елементи, но в цивилните термовизионни устройства може да се отбележи огромното превъзходство на болометри (микроболометри).
Микроболометърът е инфрачервен приемник на енергия, чието действие се основава на промяна в електрическата проводимост на чувствителния елемент, когато се нагрява поради абсорбцията на радиация. Микроболометрите се разделят на два подкласа в зависимост от това дали се използва IR-чувствителен материал, ванадиев оксид (VOx) или аморфен силиций (α-Si).
Чувствителният материал абсорбира инфрачервеното лъчение, в резултат на което, съгласно закона за запазване на енергията, чувствителната зона на пиксела (единичен фотодетектор в матрицата) на микроболометъра се нагрява. Вътрешната електрическа проводимост на материала се променя и тези промени се записват. Крайният резултат е монохромна или цветна визуализация на температурната картина на дисплея на уреда. Трябва да се отбележи, че цветът, в който се показва температурната схема на дисплея, зависи изцяло от работата на софтуерната част на термовизионния уред.
На снимката: Ulis микроболометрична матрица (сензор)
Производството на микроболометрични матрици е наукоемък, високотехнологичен и скъп процес. Има само няколко компании и страни в света, които могат да си позволят да поддържат такова производство.
Производителите на термовизионни сензори (микроболометри) в своите документи, регулиращи качеството на сензорите, допускат наличието на сензора както на отделни пиксели, така и на техните клъстери (клъстери), които имат отклонения в изходния сигнал по време на нормална работа - т.нар. мъртви" или "счупени" пиксели. „Счупените“ пиксели са често срещани за сензори от всеки производител. Тяхното присъствие се обяснява с различни отклонения, които могат да възникнат по време на производството на микроболометър, както и наличието на чужди примеси в материалите, от които са направени чувствителните елементи. По време на работа на термовизионно устройство, вътрешната температура на пикселите се повишава и пикселите, които са нестабилни на повишаване на температурата („счупени“), започват да произвеждат сигнал, който може да се различава няколко пъти от сигнала на правилно работещи пиксели. На дисплея на термовизионно устройство такива пиксели могат да изглеждат като бели или черни точки (в случай на отделни пиксели) или петна с различни конфигурации, размери (в случай на клъстери) и яркост (много ярки или много тъмни). Наличието на такива пиксели по никакъв начин не влияе на издръжливостта на сензора и не е причина за влошаване на параметрите му, тъй като се използва в бъдеще. Всъщност това е само "козметичен" дефект в изображението.
Производителите на термовизионни камери използват различни софтуерни алгоритми за обработка на сигнала от дефектни пиксели, за да сведат до минимум тяхното въздействие върху качеството и видимостта на изображението. Същността на обработката е да се замени сигналът от дефектен пиксел със сигнал от съседен (най-близък) нормално функциониращ пиксел или осреднен сигнал от няколко съседни пиксела. В резултат на такава обработка, дефектните пиксели, като правило, стават почти невидими в изображението.
При определени условиянаблюдение, все още е възможно да се види наличието на коригирани дефектни пиксели (особено клъстери), например, когато границата между топли и студени обекти навлезе в зрителното поле на термовизионно устройство и по този начин, когато тази граница точно попада между клъстер от дефектни пиксели и нормално работещи пиксели. Когато тези условия съвпадат, клъстерът от дефектни пиксели се вижда като петно, което блести в бели и тъмни цветове и най-вече прилича на капка течност в изображението. Важно е да се отбележи, че наличието на такъв ефект не е признак за дефектен термовизионен уред.
Блок за електронна обработка.Обикновено електронният процесор се състои от една или повече платки (в зависимост от разположението на инструмента), върху които са разположени специализирани микросхеми, които обработват сигнала, прочетен от сензора, и след това предават сигнала на дисплея, където се показва изображение на разпределението на температурата. от наблюдаваната площ се образува. Основните органи за управление на устройството са разположени на платките, а също така е изпълнена веригата за захранване, както за устройството като цяло, така и за отделни вериги на веригата.
Микродисплей и окуляр.Поради факта, че повечето ловни термовизионни камери използват микродисплеи, за наблюдение на изображението се използва окуляр, който работи като лупа и ви позволява удобно да гледате изображението с увеличение.
Най-често използваните дисплеи с течни кристали (LCD) са трансмисивни (задната страна на дисплея се осветява от източник на светлина) или OLED дисплеи (когато премине електрически ток, веществото на дисплея започва да излъчва светлина).
Използването на OLED дисплеи има редица предимства: възможност за работа на устройството при по-ниски температури, по-висока яркост и контраст на изображението, по-опростен и надежден дизайн (няма източник за подсветка на дисплея, както при LCD дисплеите). В допълнение към LCD и OLED дисплеите могат да се използват LCOS (Liquid Crystal on Silicone) микродисплеи, които са вид отразяващи течнокристални дисплеи.
ОСНОВНИ ПАРАМЕТРИ НА ТЕРМОИЗОБРАЖИТЕЛНИТЕ ПРИБОРИ
НАРАСТВА.Характеристиката показва колко пъти изображението на обекта, наблюдавано в устройството, е по-голямо в сравнение с наблюдението на обекта с просто око. Мерна единица - кратно (обозначение"x", например "2x" - "два пъти").
За термовизионни устройства типичните увеличения са между 1x и 5x, като Основната задача на нощните устройства е да откриват и разпознават обекти при слаба светлина и лоши метеорологични условия. Увеличаването на увеличението в термовизионните устройства води до значително намаляване на общата бленда на устройството, в резултат на което изображението на обекта ще бъде по-малко контрастно по отношение на фона, отколкото в подобно устройство с по-ниско увеличение. Намаляването на съотношението на диафрагмата с увеличаване на увеличението може да бъде компенсирано чрез увеличаване на светлинния диаметър на обектива, но това от своя страна ще доведе до увеличаване на общите размери и тегло на устройството, усложнявайки оптиката, което намалява общата използваемост на преносими устройства и значително оскъпява един термовизионен апарат. Това е особено важно за мерниците, тъй като потребителите допълнително трябва да държат оръжието в ръцете си. При голямо увеличение също е трудно да се намери и проследи обектът на наблюдение, особено ако обектът е в движение, тъй като с увеличаване на увеличението зрителното поле намалява.
Увеличението се определя от фокусните разстояния на обектива и окуляра, както и коефициента на увеличение (K), равен на съотношението на физическите размери (диагонали) на дисплея и сензора:
където:
fотносно- фокусно разстояние на обектива
fДобре- фокусно разстояние на окуляра
Лс- размер на диагонала на сензора
Лд- размер на диагонала на дисплея.
ЗАВИСИМОСТИ:
Колкото по-голямо е фокусното разстояние на обектива, толкова по-голям е размерът на дисплея повече увеличение.
Колкото по-голямо е фокусното разстояние на окуляра, толкова по-голям е размерът на сензора увеличението е по-малко.
ЛИНИЯ НА ЗРЕНИЕ.Той характеризира размера на пространството, което може да се разглежда едновременно през устройството. Обикновено зрителното поле в параметрите на устройствата се посочва в градуси (ъгълът на зрителното поле на фигурата по-долу е означен като 2Ѡ) или в метри за определено разстояние (L) до обекта на наблюдение (линейната зрителното поле на фигурата е обозначено като A).
Зрителното поле на цифровите устройства за нощно виждане и термовизионните устройства се определя от фокуса на лещата (фоб) и физическия размер на сензора (B). Обикновено ширината (хоризонтален размер) се приема като размер на сензора при изчисляване на зрителното поле, в резултат на което се получава хоризонталното ъглово зрително поле:
Познавайки размера на сензора вертикално (височина) и диагонално, също е възможно да се изчисли ъгловото зрително поле на устройството вертикално или диагонално.
Пристрастяване:
Колкото по-голям е размерът на сензора или колкото по-малък е фокусът на обектива, толковаповече зрително поле.
Колкото по-голямо е зрителното поле на устройството, толкова по-удобно е да наблюдавате обекти - няма нужда постоянно да местите устройството, за да видите зоната на интерес.
Важно е да се разбере, че зрителното поле е обратно пропорционално на увеличението - с увеличаването на увеличението на устройството, зрителното му поле намалява. Това е и една от причините инфрачервените системи (в частност термовизионните камери) да не се произвеждат с голямо увеличение. В същото време трябва да разберете, че с увеличаване на зрителното поле разстоянието за откриване и разпознаване ще намалее.
ЧЕСТОТА НА ОБНОВЯВАНЕ НА КАДРА.Една от основните технически характеристики на термовизионното устройство е честотата на опресняване на кадрите. От гледна точка на потребителя, това е броят кадри, показани на дисплея за една секунда. Колкото по-висока е скоростта на опресняване на кадъра, толкова по-малко забележим е ефектът на "закъснение" на изображението, генерирано от термовизионното устройство спрямо реалната сцена. Така че, когато наблюдавате динамични сцени с устройство с честота на опресняване от 9 кадъра в секунда, изображението може да изглежда размазано и движенията на движещи се обекти могат да бъдат забавени, с „трепки“. Обратно, колкото по-висока е честотата на опресняване на кадрите, толкова по-плавно ще бъде показването на динамичните сцени.
РАЗРЕШЕНИЕ. ФАКТОРИ, ВЛИЯЩИ НА РЕЗОЛЮЦИЯТА.
Разделителната способност се определя от параметрите на оптичните елементи на устройството, сензора, дисплея, качеството на схемните решения, реализирани в устройството, както и от приложените алгоритми за обработка на сигнала. Разделителната способност на термовизионния уред (резолюцията) е комплексен показател, чиито компоненти са температурна и пространствена разделителна способност. Нека разгледаме всеки от тези компоненти поотделно.
Температурна разделителна способност(чувствителност; минимална детектируема температурна разлика) е граничното отношение на сигнала на обекта на наблюдение към фоновия сигнал, като се вземе предвид шумът на чувствителния елемент (сензор) на термовизионната камера. Високата температурна разделителна способност означава, че термовизионно устройство ще може да покаже обект с определена температура на фон с подобна температура и колкото по-малка е разликата между температурите на обекта и фона, толкова по-висока е температурната разделителна способност.
Пространствена разделителна способностхарактеризира способността на устройството да показва отделно две близко разположени точки или линии. AT технически спецификацииустройство, този параметър може да се запише като „разделителна способност“, „граница на разделителна способност“, „максимална разделителна способност“, което по принцип е едно и също.
Най-често разделителната способност на устройството характеризира пространствената разделителна способност на микроболометъра, тъй като оптичните компоненти на устройството обикновено имат разделителна способност.
По правило разделителната способност се посочва в щрихи (линии) на милиметър, но може да се посочва и в ъглови единици (секунди или минути).
Колкото по-висока е стойността на разделителната способност в щрихи (линии) на милиметър и колкото по-ниска е в ъглово отношение, толкова по-висока е разделителната способност. Колкото по-висока е разделителната способност на устройството, толкова по-ясно се вижда изображението от наблюдателя.
За измерване на разделителната способност на термовизионните камери се използва специално оборудване - колиматор, който създава имитация на изображение на специален тестов обект - прекъснат топлинен свят. Гледайки изображението на тестовия обект през устройството, се преценява разделителната способност на термовизионната камера - колкото по-малките щрихи на световете могат ясно да се видят отделно един от друг, толкова по-висока е разделителната способност на устройството.
Образ:Различни опции за топлинния свят (преглед в термовизионно устройство)
Разделителната способност на инструмента зависи от разделителната способност на обектива и окуляра. Обективът формира изображение на наблюдавания обект в равнината на сензора и при недостатъчна разделителна способност на обектива по-нататъшното подобряване на разделителната способност на устройството е невъзможно. По същия начин окулярът с ниско качество може да "развали" най-ясното изображение, образувано от компонентите на инструмента на дисплея.
Разделителната способност на устройството зависи и от параметрите на дисплея, на който се формира изображението. Както и при сензора, разделителната способност на дисплея (брой пиксели) и техният размер са от решаващо значение. Плътността на пикселите в дисплея се характеризира с такъв показател като PPI (съкратено от английски „пиксели на инч“) - това е индикатор, който показва броя на пикселите на инч площ.
В случай на директно прехвърляне на изображение (без мащабиране) от сензора към дисплея, разделителните способности и на двата трябва да са еднакви. В този случай се изключва намаляването на разделителната способност на устройството (ако резолюцията на дисплея е по-малка от резолюцията на сензора) или неоправданото използване на скъп дисплей (ако разделителната способност на дисплея е по-висока от тази на сензора).
Параметрите на сензора оказват голямо влияние върху разделителната способност на устройството. На първо място, това е разделителната способност на болометъра - общият брой пиксели (обикновено се посочва като произведение на пикселите в реда и в колоната) и размера на пиксела. Тези два критерия осигуряват основния резултат за резолюция.
ПРИСТРАСТЯВАНЕ:
Колкото по-голям е броят на пикселите и колкото по-малък е техният размер, толкова по-висок ерезолюция.
Това твърдение е вярно за същия физически размерсензори. Сензор, който има плътност на пикселите на единица площпо-голям, има по-висока резолюция.
Устройствата за термично изображение могат също да използват различни алгоритми за обработка на сигнали, които могат да повлияят на общата разделителна способност на устройството. На първо място, говорим за "цифрово увеличение", когато изображението, образувано от матрицата, се обработва цифрово и се "прехвърля" на дисплея с известно увеличение. В този случай общата разделителна способност на устройството се намалява. Подобен ефект може да се наблюдава при цифрови фотоапаратикогато използвате функцията за цифрово увеличение.
Наред с факторите, споменати по-горе, има няколко други фактора, които могат да намалят разделителната способност на устройството. На първо място, това са различни видове „шум“, които изкривяват полезния сигнал и в крайна сметка влошават качеството на изображението. Могат да се разграничат следните видове шум:
Шум от тъмен сигнал. Основната причина за този шум е термоемисия на електрони (спонтанна емисия на електрони в резултат на нагряване на материала на сензора). Колкото по-ниска е температурата, толкова по-слаб е тъмният сигнал, т.е. по-малко шум, за да се елиминира този шум, се използва затвор (палатка) и калибриране на микроболометър.
Прочетете Шум. Когато сигналът, натрупан в сензорния пиксел, се извежда от сензора, преобразува се в напрежение и се усилва, във всеки елемент се появява допълнителен шум, наречен шум при четене. За борба с шума се използват различни софтуерни алгоритми за обработка на изображения, които често се наричат алгоритми за намаляване на шума.
В допълнение към шума, разделителната способност може да бъде значително намалена от смущения, дължащи се на грешки в оформлението на устройството (относителното положение печатни платкии свързващи проводници, кабели вътре в устройството) или поради грешки в маршрутизирането на печатни платки (относителното положение на проводимите пътеки, наличието и качеството на екраниращите слоеве). Също така, грешки в електрическата верига на устройството, неправилен избор на радиоелементи за внедряване на различни филтри, вътрешно захранване на електрическите вериги на устройството също могат да причинят смущения. Следователно, развитието на електрически вериги, писане софтуерпри обработката на сигнали, маршрутизирането на платката е важна и сложна задача при проектирането на термовизионни устройства.
ОБХВАТ НА НАБЛЮДЕНИЕ.
Обхватът на наблюдение на обект с помощта на термовизионно устройство зависи от комбинацията от голям брой вътрешни фактори(параметри на сензора, оптични и електронни части на устройството) и външни условия (различни характеристики на наблюдавания обект, фон, чистота на атмосферата и т.н.).
Най-приложимият подход за описание на обхвата на наблюдение е разделянето му на обхвати на откриване, разпознаване и идентификация, описани подробно в различни източници, по правилата, определени от т.нар. критерия на Джонсън, според който обхватът на наблюдение е пряко свързан с температурата и пространствената разделителна способност на термично изображение.
За по-нататъшно развитие на темата е необходимо да се въведе концепцията за критичния размер на обекта на наблюдение. Критичният размер се счита за размерът, по който изображението на обекта се анализира, за да се идентифицират неговите характерни геометрични характеристики. Често за критичен се приема минималният видим размер на обекта, по който се извършва анализът. Например, за дива свиня или сърна височината на тялото може да се счита за критичен размер, за човек - височина.
Диапазонът, при който критичният размер на определен обект на наблюдение се вписва в 2 или повече пиксела на термовизионния сензор, се счита за обхват на откриване. Фактът на откриване просто показва присъствието на този обект на определено разстояние, но не дава представа за неговите характеристики (не ви позволява да кажете какъв вид обект е).
Факт разпознаванеобект, се признава способността за определяне на вида на обекта. Това означава, че наблюдателят може да различи това, в което наблюдава този момент- човек, животно, кола и т.н. Общоприето е, че разпознаването е възможно при условие, че критичният размер на обекта отговаря на най-малко 6 пиксела на сензора.
От гледна точка на ловното приложение най-голямата практическа полза е обхват на идентификация. Под идентификация се разбира, че наблюдателят може да оцени не само вида на обекта, но и да разбере неговите характерни черти (например мъжко диво прасе с дължина 1,2 м и височина 0,7 м). За да се изпълни това условие, е необходимо критичният размер на обекта да бъде покрит от поне 12 пиксела на сензора.
Важно е да се разбере, че във всички тези случаи говорим за 50% вероятност за откриване, разпознаване или идентифициране на обект от дадено ниво. Колкото повече пиксели припокриват критичния размер на даден обект, толкова по-голяма е вероятността за откриване, разпознаване или идентифициране.
ИЗХОД ПРЕМАХВАНЕ НА ЗЕНИЦА- това е разстоянието от външната повърхност на последната леща на окуляра до равнината на зеницата на окото на наблюдателя, при което наблюдаваното изображение ще бъде най-оптимално (максимално зрително поле, минимално изкривяване). Този параметър е най-важен за забележителности, при които отстраняването на изходната зеница трябва да бъде най-малко 50 mm (оптимално - 80-100 mm). Такова голямо отстраняване на изходната зеница е необходимо, за да се предотврати нараняване на стрелеца от окуляра на мерника по време на откат. По правило за устройства за нощно виждане и термовизионни камери разстоянието на изходната зеница е равно на дължината на окуляра, което е необходимо за маскиране на блясъка на дисплея през нощта.
КАЛИБРИРАНЕ НА СЕНЗОР ЗА ТЕРМОВИЖЕНИЕ
Калибрирането на термовизионно устройство се разделя на фабрично и потребителско калибриране. Производствен процестермовизионни устройства на неохладени сензори осигурява фабрично калибриране на устройството (двойка "леща - сензор") с помощта на специално оборудване.
Можете да се запознаете с новите модели термовизионни камери PULSAR и да направите информиран избор.
Разработката, изчисляването и производството на инфрачервени (IR) лещи за термовизионни системи, работещи в диапазоните 3…5 и 8…12 µm, както и за оптични сензори, работещи в IR диапазона, са важна дейност на компанията. Компанията проектира и произвежда инфрачервени (IR) лещи (включително атермални лещи), както серийно в стандартен дизайн, така и съгласно техническо заданиеклиент, както и извършва изчисляване и производство на други оптични модули за IR технология, включително:
- термовизионни лещи за неохлаждани термовизионни камери на базата на микроболометрични матрици в диапазона 8…12 µm. Това е най-често срещаният тип система, което се дължи на ефективния спектрален обхват за предаване на топлинно изображение, оптималната практичност на матричните приемници, които не изискват охлаждане и студена диафрагма, както и сравнително ниската цена на такова устройство ;
- термовизионни лещи за термовизионни камери с охлаждане, работещи в диапазона от 3…5 µm. На базата на такива системи се създават термовизионни камери с повишена комбинация от изисквания за характеристики и дизайн. Това е най-сложният тип инфрачервени системи, но в същото време има най-добрите възможности за откриване и идентифициране на обекти на наблюдение;
- IR лещи за едно- и многоелементни сензори, работещи в средния и близкия IR обхват, главно 3...5 µm. Обикновено това са прости системи, които включват проста инфрачервена оптика и сензор, чиято основна задача е генерирането на сигнал, а не предаването на изображение.
Инфрачервените лещи се използват в термовизионни системи от различни класове:
- отбрана (преносими и стационарни термовизионни камери, термовизионни мерници, оптични локационни станции, целеуказващи устройства и мерници на наземно оборудване);
- технологични (уреди за термоконтрол за технологични и строителни цели, пирометри);
- за охрана (термовизионни камери за периметърен контрол, граници, противопожарни системи).
В зависимост от поставените задачи разработваме инфрачервени (IR) лещи от всички посочени класове, сред които се открояват атермалните IR лещи. IR оптиката за термовизионни камери със среден и голям обхват има своя специфика, изразяваща се в особеностите на термооптичните характеристики на използваните оптични материали, като монокристали на германий, силиций, поликристален цинков селенид и сулфид, монокристали на метални флуориди. . В повечето случаи IR лещите съдържат лещи от германий, който има висок и нелинеен температурен коефициент на пречупване. С оглед на това, IR оптиката е склонна към разфокусиране при температурни промени и едно решение на проблема е термично компенсиран дизайн, който премества лещата или групата лещи спрямо приемника в зависимост от температурата. Малко компании предлагат атермални лещи поради необходимостта от разработване на сложни дизайни, често използвани при тежки условия на механично и ударно натоварване. Съгласно вашето задание ще изчислим и разработим атермален IR обектив по поръчка. Оптиката на термовизионната камера е проектирана и произведена в различни версии с използване на изключително твърди защитни покрития, OEM-версия, с олекотен дизайн.
Термовизионна леща F50
Термичният обектив F50 е сменяемият обектив с най-дълъг обхват, предназначен за инсталиране на термовизионните монокъли Pulsar Helion XP28 и Pulsar Helion XP38. Фокусното разстояние от 50 mm осигурява техническа възможностза удобни наблюдения на големи разстояния. При използването на този обектив ще можете да разпознаете цел с височина 1,7 метра (елен или човек) на разстояние 1800 метра, което в условия на изключително лоша видимост е безспорно предимство пред други оптични устройства.
Оптичното увеличение на термовизионната камера Pulsar Helion XP с обектив F50 е 2,5x, но с плавно цифрово увеличение в диапазона 2x-8x можете да постигнете максимално увеличение на устройството на ниво 20x. Зрителното поле на разстояние 100 метра е 21 метра. Използването на сменяеми обективи на едно термовизионно устройство значително разширява функционалността на устройството. Така че, ако трябва бързо да намерите топлинен обект на голяма площ на кратко разстояние, по-добре е да използвате сменяем обектив с къс фокус, а когато търсите цели на значително разстояние, обективът F50 ще разкрие всички прелести .
внимание!След физическата смяна на обектива, за правилната работа на термовизионната камера е необходимо да изберете подходящата стойност “50” в менюто на устройството. Сега вашият термовизионен монокъл ще работи правилно, изображението на отдалечени обекти ще бъде с високо качество.
Изборът на термокамера често се свежда до избиране на разделителната способност на сензора и фокусното разстояние на обектива за постигане на конкретен обхват на откриване на целта. Например в Технически изискванияпосочете: термовизионна камера с резолюция 640х480 пиксела и обектив 100 мм.
Нека разгледаме реалната ситуация при избора на термовизионна камера, когато всички предложени сензори имат необходимата разделителна способност от 640x480 пиксела, базирана на технология на аморфен силиций (aSi), стъпка на пиксела от 17 μm и термична чувствителност (NETD) от 50 mK - тези параметри са характерни за съвременните дълговълнови микроболометри. Също така, всички предложени лещи имат фокусно разстояние от 100 мм, но се различават по относителната бленда F. Параметрите на лещите са както следва:
Като се вземат предвид посочените параметри на апертурата и пропускането на светлина в инфрачервения диапазон (от 8 до 12 микрона), можете да изчислите колко процента от светлината ще премине през обектива:
Осветеност на матрицата с обектив F1.6 и пропускливост на светлина 88% = (1 / 1.6) 2 x 0.88 = 34%
Осветеност на матрицата с обектив F1.4 и 88% пропускливост на светлина = (1 / 1.4) 2 x 0.88 = 49%
Осветеност на матрицата с обектив F1.2 и пропускливост на светлина 88% = (1/1.2) 2 x 0.88 = 61%
Съответно може да се покаже, че топлинната чувствителност на системата термовизионна камера + обектив ще се промени от паспортни 50 mK на
| IR предаване на светлина | NETD системи | |
| Обектив 1 | 34% | 147mK |
| Обектив 2 | 49% | 102mK |
| Обектив 3 | 61% | 82mK |
По този начин паспортната чувствителност на 50mK термовизионна камера силно зависи от пропускливостта на светлината на обектива и в нашия пример тя е в най-добрия случай 82mK (обектив 3) и в най-лошия случай 147mK (обектив 1). Тоест в резултат на това термокамерата няма да може да "види температурната разлика" от 0,05 градуса, а само 0,08 ~ 0,15 градуса, което също изглежда много добре.
Как това ще повлияе на резултата от наблюдението? Ако температурните контрасти са големи и наблюдаваният обект се различава значително от фона по температура, тогава всички камери ще показват обекта еднакво добре. Но ако ситуацията се усложни, резултатите ще започнат да се различават. Под сложността на ситуацията на наблюдение може да се разбере: нисък термичен контраст между целта и фона, атмосферни валежи.
Появата на сглобената инсталация за тестване. Всички обективи с фокусно разстояние 100 mm, но с различна F (отляво надясно обективи): F1.2, F1.4, F1.6. Можете да видите как се различават отразяващите/защитните покрития на стъклата по цвета на отражението.
Отне известно време за тестване, за да улови различни метеорологични условия и да заснеме правилно.
Изглед на зоната за наблюдение във видимия спектър. Дъжд. Снимките са направени в сухо и топло време. Обективи 100 мм, съответно F1.6 - F1.4 - F1.2.
Може да се види, че като цяло всички лещи осигуряват достатъчно качество на изображението за наблюдение. В същото време обективът F1.4 не дава голяма острота на преден план. Най-детайлната снимка е с обектив F1.2 - това се вижда в детайлите на жиците на заден план и в детайлите на покрива на сградата на преден план. В тази ситуация разликата между лещите не е критична.
Когато вали, картината се променя. Обективи 100 mm, F1.6 - F1.4 - F1.2:
При дъжд има два отрицателни ефекта за наблюдение в инфрачервения спектър. Първо, дъждът създава "препятствие" по пътя на инфрачервената светлина, и второ, водата сравнява температурата околен свят, като по този начин намалява топлинния контраст.
Може да забележите следното:
- при по-малка относителна бленда F1.6 контрастът на изображението е значително намален;
- обектите с нисък термичен контраст са слабо различими - стълбовете на заден план са почти невидими;
- визуално изображението при F1.2 е по-разбираемо за оператора от F1.6 или F1.4.
- изображението е много по-лошо, отколкото при ясно време.
Друг ъгъл в сухо слънчево време. Обективи 100 mm, съответно F1.6 - F1.4 - F1.2:
Има малка разлика в изображението, но като цяло това не се отразява на възприемането и анализа на топлинния образ.
За да завършим представянето на разликата между лещите, нямаше достатъчно вземане на проби при различно време.
Въпреки това е възможно да се направи следните заключения:
- чувствителността (NETD) на термовизионната камера винаги е по-ниска от тази на микроболометъра;
- достатъчни температурни контрасти осигуряват висококачествено изображение дори когато относителната бленда на обектива се променя от F1.2 на F1.6;
- Качеството на термичното изображение е значително намалено при лоши метеорологични условия, но обектив с по-голяма бленда все още осигурява по-добро качество на изображението от по-малка бленда.