Глазами хищника. Что можно увидеть с помощью тепловизора?

Тепловизор - что это и для чего он нужен?

Тепловизор, упрощенно говоря, видит тепло и способен отличать друг от друга объекты с разной температурой. Следовательно, в толпе здоровых людей с температурой 36,6 относительно легко можно выявить тех, у кого она поднялась, скажем, до 37,5. Именно такой порог установлен для тепловизора, который начали использовать в международном аэропорту «Шереметьево»: пассажиров, испытывающих недомогание, планируется передавать в ласковые руки медиков, а уж те должны поставить диагноз.

Случаев выявления свиного гриппа с помощью "шереметьевского тепловизора" пока не было. Напротив, те больные, о которых сообщалось как раз спокойно проследовали мимо, а почувствовали себя плохо уже после возвращения домой. В этом смысле тепловизор, конечно, не панацея, да и мало одного прибора на весь аэропорт.

Для «Шереметьево» и других российских аэропортов введение дополнительного контроля — своего рода ноу-хау, хотя ничего нового в подобном применении тепловизоров нет.

Многие аэропорты мира взяли эту технологию на вооружение еще несколько лет назад, когда миру угрожала эпидемия атипичной пневмонии. Россияне же. как всегда, долго запрягали...

В ближайшие недели лететь я никуда не собирался, но взглянуть на высокотехно­логичные «градусники» можно было там, откуда их в «Шереметьево» привезли, — в компании «Пергам-Инжиниринг», представляющей в России интересы шведского производителя тепловизоров FLIR.

Оказалось, что в аэропортах и на вокзалах недостаточно лишь функции определения температуры объекта. Необходимо учитывать, что человек может попасть в помещение с улицы, где бывает и холодно, и жарко, и дождливо.

Температура кожи здорового человека при этом меняется в широких пределах, а потому на практике снимаются несколько заведомо здоровых людей, а потом тепловизор сравнивает с этим «эталоном» всех остальных. Особенно всматриваться в экран прибора оператору не надо: во-первых, тепловизор настроен так, что на картинке подсвечиваются все участки, температура которых выше заданной величины, а во-вторых, при обнаружении аномалии подается звуковой сигнал. Так что если в аэропорту возле вас что-то зазвенело, дело может быть и не в забытых в кармане ключах.

Путь к матрице

Прежде чем появиться в аэропортах, прописаться в представительских автомобилях и попасть в руки охотников, тепловизоры поработали на военных и ученых: и те и другие видят много пользы в том, что температуру объектов можно определять на расстоянии. Есть наблюдательные и измерительные тепловизоры. Первые просто делают изображение в инфракрасных лучах видимым: излучение, попадающее на матрицу, преобразуется в аналоговый сигнал, оцифровывается и с помощью той или иной цветовой шкалы выводится на экран. Измерительные тепловизоры. кроме того, присваивают значению цифрового сигнала каждого пиксела соответствующую ему температуру, в результате него мы получаем картину распределения температур. Впрочем, матрицы появились сравнительно недавно.

В первых приборах, предназначенных для удаленного измерения температуры был всего один чувствительный элемент (приемник), который замерял среднюю температуру всего, что попадало в поле зрения оптики. Такие простые приборы — пирометры — выпускаются и сейчас.

Со временем, с помощью систем развертки на единственном сенсоре, научились по очереди фокусировать различные участки поля зрения прибора. На выходе такого прибора — термографа — получалась термограмма, состоящая из некоторого количества точек с измеренной температурой. Затем пришла очередь линеек сенсоров, и температуру стали замерять не поточечно, а по линиям, как в обычном оптическом сканере. Одним из первых таких приборов стал бортовой тепловизор американской фирмы Barnes, разработанный в 1954 году и устанавливавшийся на летательных аппаратах. В них осуществлялась только строчная развертка сцены, а кадры строились за счет перемещения самолета.

Создание матричных сенсоров сделало возможным появление современных тепловизоров. Идея в них заложена та же, что и в цифровом фотоаппарате: полупроводниковые элементы улавливают фотоны. Материал для сенсоров, конечно, другой, ведь фиксируется не видимое, а инфракрасное излучение. Чтобы полупроводниковая матрица в тепловизоре сохраняла достаточную чувствительность, ее температура должна быть намного ниже температуры измеряемого объекта — это своего рода борьба с шумностью изображения. Полупроводниковые матрицы охлаждают различными способами, к примеру, жидким азотом или при помощи холодильника Стирлинга.

Самые лучшие тепловизоры с охлаждаемыми датчиками могут работать на частоте до 20 кГц и измерять температуру с точностью до 0.018°, что позволяет детально рассмотреть даже очень скоротечные процессы — например, взрывы или образование трещин. Необходимость охлаждения делает тепловизоры дорогими, громоздкими и не всегда безопасными, тем самым сильно сужая область их применения, поэтому широкое распространение получили аппараты с совершенно другим типом матриц (и, увы, с меньшей производительностью) — на микроболометрах.

Болометр — прибор, позволяющий измерить энергию излучения за счет поглощения излучения чувствительным элементом — тонкой проводящей ток пластинкой. Поглощая излучение, пластина разогревается, ее электрическое сопротивление растет, и эти изменения фиксируются. В современных матрицах для тепловизоров болометр имеет размер 25 мкм, а главное достоинство такой матрицы в том, что ее не нужно охлаждать. Первый коммерческий тепловизор серии Thermovision 500, в котором приемник излучения работал при комнатной температуре, был выпущен шведской фирмой AGEMA Infrared Systems.

Тепловизоры работают в разных диапазонах длин волн, но два основных соответствуют окнам прозрачности земной атмосферы для инфракрасного излучения: 2,5-5 и 7-14 мкм. Большинство неохлаждаемых тепловизоров показывают хорошие результаты именно во втором диапазоне, где их точность достигает 0,045° при рабочей частоте болометрической матрицы до 100 Гц. На этом участке спектра и атмосфера более прозрачна на значительных расстояниях, и энергии больше излучается, и посторонних засветок меньше.

Разрешение на высокое разрешение

Как и в цифровой фотографии, разрешение получаемой термограммы зависит от количества элементов в матрице. По мнению специалистов компании «Пергам-Инжиниринг», в области тепловидения американцы обогнали всех остальных лет на пять. Так, матрицы 2048x2048 элементов выпускаются только в США, и экспортировать их запрещено. Эти четырвхмегапиксельные матрицы предназначены для военной техники визуального наблюдения. Измерять температуру они не могут, во всяком случае — пока.

Самые большие измерительные матрицы — 1024x1024 — производятся в тех же Соединенных Штатах и используются в научных приборах. Приборы эти запрещено поставлять в Россию и некоторые другие страны, но в Европу они вывозятся, хоть и под очень жестким контролем: заранее определяется, где, кем и для чего будет применяться конечный прибор. США оставляют за собой право проверять выполнение этих требований через представителя посольства. Тепловизор давно вышел за рамки исключительно военного применения, но вывезти из Америки без лицензии можно только маленькие матрицы 320x240 с частотой кадров не больше 9 Гц.

Из матриц, серийно выпускаемых в других странах, самые большие имеют размер 640x512 элементов. В тепловизорах почти всех производителей (кроме американских) используются микроболометрические матрицы французской ком­пании ULIS. Их выпускается несколько сотен тысяч в год, и этого хватает всем вендорам.

Теплое слово о войне

Во многие тепловизоры встроен эталон температуры, с которым прибор может сверяться раз в несколько секунд. Те приборы. которые я сам подержал в руках, издают при этом щелчок, чем-то напоминающий срабатывание затвора: это эталон помещается перед датчиком и калибрует его. Но даже при регулярной калибровке достичь высоких метрологических показателей для любого типа тепловизоров нелегко.

Выходной сигнал ИК-приемника зависит от многих параметров, часть которых абсолютно точно измерить нельзя. Порой каждый нюанс приходится учитывать по-разному в каждом новом эксперименте. Кроме того. каждое тело не только само излучает в зависимости от собственной температуры и коэффициента излучения, но еще и отражает внешние тепловые волны. Излучение может проходить сквозь изучаемый объект и тоже регистрироваться тепловизором. К тому же на небольших расстояниях нужно учитывать излучение от самого человека. который пользуется прибором.

Обилие факторов, влияющих на тепловое излучение обьектов, определяет и множество сфер применения тепловизоров. То излучение, которое в одном опыте является помехой, в другом может стать основным признаком исследуемого объекта. Подводная лодка оставляет тепловую отметину на поверхности воды, которая остается различимой для тепловизора в течение нескольких часов. Если наша задача — измерять температуру океана, то тепловой след искажает реальную картину. а разведывательный спутник, напротив, может целенаправленно охотиться за такими аномалиями.

То, что США придерживают свои передовые разработки в данной области, связано с их стратегической важностью. Кроме слежки за вражескими субмаринами, тепловизоры применяются в системах наведения и противоракетной обороне. Используя специальные знания, с помощью тепловизора можно с воздуха или из космоса обнаружить аэродром, подземные коммуникации, укрытия и даже мины. При использовании тепловизора в качестве прибора ночного видения можно легко выявлять расположение потенциальных врагов, так как исходящее от человека тепло замаскировать очень трудно — понадобятся специальные костюмы, вроде тех, что придумали авторы известного «Хищника». На том же эффекте основано применение тепловизоров в охранных системах.

Долой покровы

Умение тепловизора обнаруживать то, что скрыто от глаз, пригодилось и в чисто мирных целях. Но прежде чем рассказать об этом, вспомним про опыты с инфракрасным излучением, о которых несколько лет назад писал Сергей Леонов в статье "Человек-невидимка наоборот". Он, напомню, пытался "просвечивать" разные материалы, pin-коды на скретчкартах. закрытые защитным покрытием, ну а центральной (но так и не раскрытой) темой стало изучение возможности видеть сквозь одежду — очень стойкий миф, связанный с тепловым излучением. Сергей использовал способность некоторых фотокамер воспринимать часть инфракрасного спектра, примыкающую к видимому диапазону. У меня же в руках были тепловизоры, а главное, я мог задать вопрос специалистам. Вот что рассказал Алексей Белокопытов, региональный менеджер компании «Пергам».

— Тепловизор видит поверхностную температуру слоя, не превышающего толщиной 2-7 мкм. Для наиболее распространенных приборов диапазона 7-14 мкм прозрачность материалов невелика. В этом диапазоне прозрачны сапфир, кремний, германий, полиэтилен. Сквозь одежду можно было бы смотреть разве что в том случае, если бы люди носили вещи из пластика. Есть некоторые серийно выпускаемые фотокамеры, матрицы которых воспринимают в том числе и часть волн ИК-спектра. Для таких камер продаются фильтры, выделяющие тепловое излучение. Вот с этой техникой тонкая одежда, особенно синтетическая. практически прозрачна. Впрочем, такие "наборы для маньяков" к тепловизорам отношения не имеют.

Так можно ли? Можно. Однако взгляните, как выглядит в тепловых лучах человек. Мы пытались смоделировать новый вид фейсконтроля в "Шереметьево", и изображение было настроено так, чтобы Иван Скобов из "Пергама" выглядел как 1 человек, который слегка затемпературил. Яркие темные пятна на лице — участки кожи с температурой выше заданной. Да и без этих пятен облик человека в тепловизоре чересчур неприглядный, чтобы грезить подобными образами.

Тепловой код Да Винчи

Есть тепловизоры, работающие в диапазоне 0.8-2.5 мкм, что совсем близко к видимому свету. В этой области спектра становятся прозрачными, например, кремний и некоторые краски, что дает возможность использовать тепловизоры для реставрации картин и фресок. Для этого нужно, чтобы верхний слой краски был не слишком толст — не больше нескольких микрон, не больше. Так иногда можно узнать о первоначальном замысле художника или о том, что раньше на холсте было совсем другое изображение.

В этом и многих других случаях для получения нужной информации необходимо вывести изучаемый обьект из термодинамического равновесия, ведь будучи нагретыми до одинаковой температуры, все части объекта излучают почти одинаково. Инфракрасный источник излучения распространяет тепловую волну, которая, отражаясь от внешних и внутренних слоев объекта, выявляет различие в материалах. неоднородности или дефекты. Если нагрев объекта нежелателен, по возможности используют суточный цикл, проводя наблю­дения на закате или восходе, когда температура меняется естественным образом.

Вообще, обнаружение дефектов — один из коньков тепловидения. Многие технологические процессы должны протекать при определенных температурах, короткие замыкания сопровождаются тепловыделением. механическая перегрузка узпов всевозможных машин тоже может быть обнаружена благодаря температурным аномалиям. Трещины, износ, коррозия. утечки — все это в тепловых лучах обнаруживается иногда проще, чем в видимом свете.

Тепловизор способен увидеть засор или воздушную пробку в трубе, нарушения в теплоизоляции зданий. На одном из пивных заводов немецкой фирмы Erdinger с помощью тепловизоров проверяют чистоту бочек, в которых варится пиво. Учитывая российскую специфику, некоторые наши нефтеперерабатывающие заводы внедрили технологию, которая с помощью тепловизора определяет степень заполнения покидающих завод цистерн, а в пункте назначения проверяет: не убыло ли по пути. Все делается быстро, оператором или автоматически, без вступления с объектами в непосредственный контакт.

В Томске есть Институт оптики атмосферы, где, в частности, изучают динамику лесных пожаров. На полигоне, засаженном деревьями, их специально поджигают, чтобы исследовать закономерности распространения огня при стихийном бедствии. Польза от тепловизора в таких экспериментах не столько в том. что он замеряет температуру, а в том, что дым для него практически прозрачен. Это же свойство тепловизора оценили и пожарные: через клубы дыма и пара можно увидеть челове­ка и вытащить его из пылающего здания.

Конечно, интерпретации тепловизиоиной картинки нужно учиться, особенно важно это в медицине, где тепловизоры используются уже довольно широко. С их помощью, например, можно изучать психические процессы и лечить травмы, обнаруживать тромбы в кровеносных сосудах или раковые опухоли на ранней стадии (по словам Алексея Белокопытова, в США чуть ли не автоматы сделали для диагностирования рака груди). В пользе этих приборов никто не сомневается, но нашим больницам и поликлиникам они, к сожалению, не по карману: цена самого простого прибора с разрешением матрицы 320x240 составляет около 14 тысяч евро. К тому же в России есть всего два места, где могут обучить врачей работать с тепловизором, одно из них это сервисный центр компании ОАО "Пергам-Инжиниринг".

Свои против чужих

Функциональность современных тепловизоров огромна: большое количество внешних интерфейсов, параллельная запись инфракрасного и видеоизображения, сохранение кадров во внутреннюю память, работа с различными специальными программами. Внешний вид некоторых.тепловизоров напоминает видеокамеру — но это впечатление обманчиво: тепловизоры гораздо сложнее, а запись видеоизображения на таком приборе может быть лишь второстепенной опцией.

Все это касается, увы, только импортной техники. По мнению Белокопытова. в развитии тепловизионных технологий СССР шел наравне с американцами в 60-х годах, но разрыв постепенно увеличивался, пока не достиг нынешней, увы, такой привычной пропасти. В России делаются термографы, требующие охлаждения жидким азотом, не так давно появились штучные приборы на матрицах 128x128. Цены их велики, а конкурировать с зарубежными аналогами можно разве что в задачах, где не нужна динамика. Все разработки довольно старые — конца 80-х, начала 90-х годов.

На российские танки ставят французские тепловизоры Thales, в которых используются французские же детекторы Sofradic весит прибор 3-5 кг. Иван Скобов рассказал о своих впечатлениях от российского военного сканирующего тепловизора: 20 кг — блок с чувствительным линейным сенсором. 20 кг — электронный блок, еще килограмм двадцать — батарея Для танков, конечно, годится. но для носимого варианта совершенно неприемлемо. Не знаю, можно ли вывести отрасль из кризиса путем установки тепловизоров на Lada Рriora и введением пошлин на зарубежные приборы, но к прибытию на Землю Хищника мы пока явно не готовы.

Тепловизор позволяет видеть ночью

Тепловизоры часто путают с приборами ночного видения, хотя разница между ними существенна. Классический прибор ночного видения позволяет ориентироваться при низком уровне освещенности, усиливав свет, попадающий в обьектив. Во многих случаях яркий обьект, оказавшийся в поле зрения, "слепит" прибор. С этим пытаются бороться, иногда — хорошо, иногда — в недорогих массовых приборах — не очень.

Тепловизор в свете не нуждается. Он, конечно, может быть использован в качестве прибора ночного видения, только задача здесь решена иначе. Известная философская конструкция о темноте как об отсутствии света взята в тепловизионной технике на вооружение: смотрим на то, что есть, — в данном случае на тепло.

Терминологическая неразбериха отчасти связана с тем, что оба понятия иногда используются как синонимы. Скажем, читает состоятельный, но не искушенный в технических тонкостях человек обзоры про BMW 750U: в одном сказано про встроенную систему ночного видения, в другом — про тепловизор. Отсюда всего один шаг до отождествления.