Оптико-электронная система оснащена модулем камеры инфракрасного спектра (тепловизионная камера или тепловизор) и модулем камеры видимого спектра (видеокамеры), которые действуют совместно и обеспечивают надежную и эффективную работу всей системы.
Тепловизор — оптико-электронный прибор для наблюдения за распределением температуры исследуемой поверхности. Любой объект, температура которого превышает значение абсолютного нуля (-273℃), излучает электромагнитное тепловое излучение, которое улавливает тепловизионная камера.
В основном на Земле спектральная частота нагретых объектов находится в диапазоне от 3 мкм до 15 мкм. А предметы вокруг нас, нагретые до температур от -50 до +50 градусов по Цельсию, имеют максимум излучения в среднем инфракрасном диапазоне (длина волны 7-14 мкм).
В отличие от прибора ночного видения или обычной видеокамеры, тепловизор обеспечивает четкое изображение независимо от наличия света и погодных условий, так как видит отличия между температурой самого объекта и температурой его фона. Это идеальный вариант выявления посторонних объектов, людей в темноте или при тумане, дожде.
Обычное стекло не пропускает сквозь себя волны инфракрасного спектра, поэтому линзы для тепловизоров производят с применением специальных материалов, пропускающих ИК-лучи, – германия, кремния, флюорита.
Принцип работы тепловизора
В основе работы тепловизора лежит детектор, улавливающий инфракрасное излучение и преобразующий его в информацию. Он состоит из чувствительной матрицы и блока электроники, обрабатывающего сигнал. После прохождения ИК-излучения через систему линз оно попадает на матрицу, покрытую датчиками. Затем процессор преобразует данные в электрический сигнал, обрабатывает его и подает на экран устройства.
Матрица – это устройство, которое является основной деталью тепловизора. Производится, как правило, на основе оксида ванадия или аморфного кремния. Такие матрицы могут иметь отличия в зависимости от размера, чувствительности к температуре или разрешения.
Охлаждаемые и неохлаждаемые тепловизоры
Современные тепловизоры имеют два типа матричных приемников излучения (ФПУ или фотоприемное устройство) – охлаждаемые и неохлаждаемые.
В охлаждаемых тепловизорах матрица помещена в герметичный вакуумный корпус с криогенной установкой. Тепловизионные камеры с охлаждением обладают высокой чувствительностью и могут обнаруживать малейшие колебания температуры. Обычно они работают в средневолновом инфракрасном диапазоне MWIR (3-5 мкм), но могут быть разработаны для получения изображений в длинноволновом инфракрасном диапазоне спектра (LWIR).
Тепловизионные системы с охлаждением являются наиболее чувствительным классом камер из представленных сегодня на рынке. Эти камеры обеспечивают лучшие возможности обнаружения и идеально подходят для применения на средних и дальних расстояниях.
Недостатком тепловизоров с охлаждаемыми матрицами является ограниченный ресурс работы, необходимость обслуживания и высокая стоимость.
Тепловизионные камеры, выполненные на основе неохлаждаемых матриц, отличаются более компактными размерами и значительно меньшей стоимостью.
В неохлаждаемых тепловизионных камерах не используется детектор с криогенной установкой. В основе конструкции детектора лежит микроболометр – небольшой резистор на кремниевом элементе с большой площадью поверхности, низкой теплоемкостью и хорошей теплоизоляцией.
Эти неохлаждаемые датчики на основе болометров обычно предназначены для работы в длинноволновом инфракрасном диапазоне (LWIR) (7-14 мкм).
Недостатком неохлаждаемой матрицы является меньшая чувствительность по сравнению с охлаждаемой моделью.
Разница в чувствительности охлаждаемых и неохлаждаемых тепловизионных камер связана с количеством фотонов, которые может обнаружить детектор.
Детекторам охлаждаемых тепловизионных камер достаточно одного фотона, чтобы создать электрический сигнал и перевести его в изображение, в то время как неохлаждаемым потребуется масса фотонов для создания такого сигнала.
Основные характеристики
Разрешение матрицы
То, насколько качественным будет изображение, в первую очередь зависит от этой характеристики. Большее количество температурных точек показывается на экране у тепловизоров с крупным размером и большим разрешением матрицы.
Термочувствительность (спектральная чувствительность)
Этот термин обозначает показатель разницы температур, которые распознаются между соседними точками. Чем выше класс прибора, там меньше улавливаемая разница.
Частота обновления картинки
Параметр показывает, как часто меняется изображение на экране.
Оптическое и цифровое увеличение
Чтобы получить четкое и детальное изображение объекта, который располагается на большом расстоянии, используют цифровое и оптическое приближение.