На подступах к объекту. Серкеты охранного тепловидения - 1

Охранное тепловидение

Да, современные камеры относительно быстро прогрессируют. Да, системы становятся все «умнее». Однако совершенствование технологий в отсутствие принципиально новых решений имеет определенные пределы. И в существующем наборе новейших технических разработок угадывается хорошо знакомая тенденция к насыщению.

Революцией не пахнет, а эволюция видеонаблюдения, если отбросить навеянные рекламой иллюзии, идет весьма вяло. Наши лабораторные тесты по проверке камер на уязвимость имели целью спровоцировать адекватные ответы со стороны производителей оборудования CCTV. Ведущие вендоры аппаратуры для видеонаблюдения еще не успели отреагировать. А мы — в поисках средств усиления традиционного охранного ТВ — обратились в компанию «Пергам-Инжиниринг», специализирующуюся на тепловизионных системах.

Тепловидение — значительно более мощное (и, по бытующему мнению, более дорогостоящее) средство защиты жизни и здоровья, бизнеса и общественного порядка. Дороговизна тепловизионных камер, по утверждению специалистов, компенсируется намного большей эффективностью, чем у «обычного» набора средств CCTV. Но как именно, за счет чего?

Недостаток знаний о предмете, в том числе о тактиках его применения в охранных системах, пока еще сдерживает рост этого сегмента рынка. Статистика запросов на слово «тепловизор» в веб-поисковике Яндекс на момент сбора материалов для этой статьи (начало марта 2008 г.) составила 6199. Контекст запросов — контроль производственных процессов, медицина, наука, коммунальное хозяйство... Ни одного напрямую связанного с охранной техникой — интуиция подсказывает, что всплеск интереса еще впереди.

Самые общие сведения о тепловидении

Инфракрасный диапазон на диаграмме в школьном учебнике физики изображен ниже «радуги» видимого света. Видимый свет занимает диапазон длин волн 0,38....0,740 микрометра, инфракрасные лучи простираются до миллиметровых волн. Спектр ИК-излучения также принято разделять на поддиапазоны — коротких (0,74....2,5 мкм), средних (2,5....5 мкм) и длинных (5....50 мкм и более) волн. Коротковолновое ИК-излучение нашло себе применение в свето- и фотодиодах, используемых, к примеру, в пультах и приемниках дистанционного управления электронными устройствами, а также для записи/воспроизведения лазерных дисков. Находясь достаточно близко к длинам волн видимого света, коротковолновое излучение (также известное как «ближний» диапазон) регистрируется ПЗС и КМОП-матрицами — это, к примеру, используется в охранных камерах и приборах ночного видения, снабженных инфракрасной подсветкой.

Собственно, англичанином Гершелем в 1800 году были открыты именно лучи «ближнего» диапазона — благодаря их способности к преломлению в обычной стеклянной призме. Однако к тепловидению упомянутая часть ИК-спектра отношения не имеет. Тепловое излучение, регистрируемое в диапазоне температур нашей среды обитания, имеет относительно бльшие длины волн — кстати, стеклянные призмы и объективы здесь утрачивают свои свойства. Тепловизионная техника работает на совсем иной «оптике» — но об этом несколько позже. Средне- и длинноволновые системы разных производителей имеют различную физическую реализацию и существенно разнятся между собой по способам и сферам применения. Объединяет их, пожалуй, одно — во всех системах тепловидения используются высокие технологии, и потому передний край отрасли весьма нередко остается засекреченным: заказчиками научно-исследовательских разработок чаще всего становятся армейские и иные силовые структуры.

В сердце современных тепловизионных систем находятся матрицы из миниатюрных термочувствительных элементов. Каждая из ячеек матрицы сопоставляется с точкой-пикселом на экране. А отображением поступающих с чувствительных элементов данных на экране «ведает» блок электроники, принципиально близкий к блоку формирования изображения, применяемому в обычных телевизионных камерах.

Главное назначение тепловидения, в отличие от систем записи изображения в видимом свете, — расширение возможностей нашего восприятия информации. Человек от природы снабжен «температурными датчиками» — однако рецепторы на коже в лучшем случае подсказывают нам направление на источник тепла. Собрать информацию об излучении в не воспринимаемом глазом диапазоне волн — задача техническая. А вот визуальная интерпретация этих данных во многом зависит от ряда условностей. Скажем, цветовое кодирование температуры в ряде систем заимствовать у спектра видимого света — от «холодного» фиолетового до «горячего» красного. В новых системах распространена следующая гамма условных цветов: по мере падения температуры от участка к участку их окраска плавно изменяется в последовательности «белый-желтый-оранжевый-красный-лиловый-синий». При формировании черно-белого изображения, как правило, степень яркости его участков пропорциональна измеренной температуре объекта; применяется, однако, и отображение в негативе.

Насколько непривычно могут выглядеть предметы, показываемые «по тепловидению», судите сами.

Расширение границ восприятия требует от нас и определенных усилий. Чтобы эффективно работать с тепловизионными изображениями, необходимо четко знать правила «чтения» картинки на экране и обладать определенным опытом. Кроме опыта, предполагается и некоторый объем начальных знаний — включая физические основы теплопередачи и распространения ИК-лучей, устройство и свойства оборудования, методики его использования в данной конкретной отрасли, тонкости диагностики ситуации и принятия решений. В охранном наблюдении сегодня чаще всего применяются тепловизионные мониторы с монохромным отображением, однако наметившаяся тенденция к объединению систем физической охраны с системами контроля производственных процессов обуславливает и спрос на системы с цветными дисплеями, и к более детальной подготовке операторов.

Где уже нашли свое применение тепловизионные системы? Наука — астрономия, химия, археология, исследования паранормальных явлений. Медицина, где они стали одним из мощнейших средств диагностики. Техника — всевозможные операции контроля работы машин, механизмов и систем, раннее обнаружение и расследование нештатных ситуаций, дефектоскопия. Армейская разведка, сопровождение операций экстренных служб, борьба с терроризмом, предупреждение вредных выбросов в окружающую среду. И, что вполне естественно, системы охраны и безопасности — в первую очередь государственных границ, критически важных объектов инфраструктуры, до бывающих и перерабатывающих предприятий. Успех внедрения тепловизионных технологий в охрану и обеспечение безопасности обусловлен прежде всего тем, что в диапазоне температур, характерном для нашей среды обитания, пик теплового излучения приходится на длинноволновой диапазон инфракрасных волн (8....12 мкм). Длинные волны, находясь достаточно «далеко» от спектра видимого света, значительно отличаются от него и по своим физическим свойствам. Главное отличие — в том, что относительно бОльшая длина волны позволяет инфракрасным фотонам легко проникать сквозь атмосферные осадки, дым и тому подобные мелкоструктурные преграды, являющиеся препятствием для световых лучей.

Вопросы освещения при привязке обычных систем видеонаблюдения к охраняемому объекту являются критически важными. Тепловизионный охранный мониторинг не нуждается ни в какой подсветке, поскольку тепловой энергии, излучаемой и отражаемой могущими представлять угрозу для безопасности объектами, вполне достаточно для получения изображений. Однако о замене тепловизионным наблюдением обычного видео на подавляющем большинстве объектов речи не идет. Оба вида мониторинга прекрасно уживаются — ведь они в оперативной практике призваны дополнять друг друга.

История вопроса

Прежде всего напомним: тепловидение включает в себя как средства дистанционного измерения температуры, так и средства формирования изображений по данным этих измерений.

Первые тепловизионные системы оказались практически ровесниками телевидения, появившись в 30-е годы прошлого века. Известны факты применения тепловизоров в ходе боевых и разведывательных операций во время Второй мировой войны. Однако до уровня полноценного тепловидения эти системы не дотягивали — точно так же, как доисторическое ТВ, они обеспечивали лишь передачу статических изображений. Характерный пример — ранние применения аэрофотосъемки в ИК-лучах. По сути, первые установки являлись вариацией на тему обычных пленочных фотокамер. Разница состояла в материалах пленки и объектива: пленка была чувствительной к ИК-лучам, а объектив был способен их не только пропускать, но и преломлять с целью фокусировки. Материалы для линз были найдены — например, металлический германий и селенидцинка. Поскольку речь шла о военном применении, с затратами практически не считались: до применения систем в коммерческих целях было еще ох как далеко. Аэрофотосъемка не позволяла использовать полученную информацию немедленно — требовалась как минимум проявка пленки — потому оперативно-тактические свойства первых систем были весьма скромны по теперешним меркам.

Но самое слабое место оказалось в другом. Обеспечить стабильность температуры конструктивных элементов камеры и самой пленки было крайне сложно. Поэтому системы с применением фотопленки были относительно скоро вытеснены сканирующими (линейными). Цепочка электронно-оптических чувствительных элементов, перемещаясь вдоль исследуемого объекта, создавала его изображение в ИК-лучах примерно тем же способом, который используется в современных компьютерных сканерах. Настоящей революцией в тепловидении стало появление систем фронтального обзора — forward looking infra-red, сокращенно FLIR. Изготовленные под завесой секретности по заказу ВМФ США, первые системы этого типа сыграли немалую роль в укреплении оборонной мощи Америки: корабли заказчика получили возможность обнаруживать цели в плотном тумане, при полном отсутствии освещения и в густых атмосферных осадках.

Однако ранние образцы систем использовали все тот же принцип сканирования, осуществлявшегося построчно на манер телевизионной развертки. Технически успешным рывком вперед в области систем фронтального обзора стало появление матричных тепловизоров, проверенных «в деле» во время американо-вьетнамской войны. В основе функционирования и линейных, и сканирующих устройств лежат фотоэлектрические детекторы, реагирующие на излучение интересующих нас диапазонов ИК — среднего и длинного. Процесс естественной эволюции технических решений донес до нас два основных их типа — основанные на фотоэффекте охлаждаемые и неохлаждаемые полупроводниковые микроболометры.

Охлаждаемые и неохлаждаемые детекторы

Физическая сущность фотоэффекта состоит в том, что кванты излучения, попадая на поверхность полупроводника, высвобождают связанные электрические заряды. Их количество пропорционально интенсивности достигающего поверхности сенсора теплового излучения. Необходимость охлаждения датчиков связана с тем, что кристаллическая решетка полупроводникового слоя под действием тепла совершает колебания, также высвобождающие частицы-носители электрического заряда. Интенсивность колебаний молекул в среднем диапазоне температур такова, что отделить заряженные частицы, «выбитые» фотонами, от высвобожденных тепловым «дрожанием» кристаллической решетки не представляется возможным.

Важно отметить, что из всего многообразия полупроводниковых материалов в подобных системах могут использоваться лишь те, фотоэффект в которых наблюдается лишь в узком диапазоне длин волн — в противном случае не исключено вмешательство фотонов видимого света и «ближнего» ИК-излучения. Такие материалы называются узкозонными полупроводниками, а наибольшее применение в тепловидении нашли теллурид ртути и кадмия HgCdTe и антимонид индия InSb. Последний оказался более технологически пригодным для изготовления матриц, однако диапазон его чувствительности не позволяет эффективно улавливать инфракрасные лучи длинноволнового диапазона. Требования к химической чистоте и редкость самих компонентов лишь добавляют сложностей производителям и обуславливают высокую стоимость решений на базе фотоэффекта.

Охлаждение детекторов, в большинстве конструктивных решений запаянных в вакуумные емкости, производится жидким гелием до температуры порядка 80 градусов по Кельвину с применением охладителей, работающих по принципу тепловой машины Стирлинга. Легко представить весь объем эксплуатационных сложностей, сопряженных с применением такой техники — размеры единиц оборудования, необходимость организации теплоотвода и т.д. Одним из наиболее очевидных тактических недостатков систем с криогенным охлаждением — с точки зрения применения в системах безопасности — является период их бездействия во время установления рабочей температуры при запуске, обычно составляющий порядка нескольких минут. Однако качество изображения — точнее, качество распознавания деталей — в охлаждаемых системах находится на недосягаемой высоте.

Функционируя при температуре окружающей среды либо при незначительной температурной коррекции, осуществляемой аппаратным путем, неохлаждаемые микроболометрические матрицы на сегодняшней стадии развития технологии уступают своим охлаждаемым собратьям по показателям чувствительности. Принцип измерения, используемый в них, основан на регистрации изменений электрических свойств материала в зависимости от количества попадающей на поверхность датчика тепловой энергии. Изменения напряжения, сопротивления либо силы тока фиксируются относительно существующего волнового фона — поэтому термостабилизированные приборы имеют в целом более низкий уровень паразитных шумов.

Чувствительность и уровень шума неохлаждаемых сенсоров ограничена характеристиками удельной теплопроводности и теплоемкости полупроводникового материала. Теплоемкость — предмет технического компромисса. Чтобы обеспечить приемлемую скорость реакции сенсора, она должна быть достаточно низкой. Однако при снижении удельной теплоемкости элемент становится более чувствительным к колебаниям температуры — на «картинке» это выливается в заметно возросшем уровне шума. Но помимо технических компромиссов, существуют еще и рыночные: при существующемуровне цен на охлаждаемые системы продажи их можно считать разовыми. Неохлаждаемые системы нашливесьма обширные области применения, и их производство стало приносить стабильные доходы. Особенно с того момента, как появились портативные тепловизионные приборы — сегодня минимизация довела их до размеров чуть больше бытовых видеокамер.

Непрозрачные, но всевидящие

Известно, что обычное стекло является для средних и длинных ИК-волн непреодолимой преградой — потому под словом «оптика» в тепловидении понимаются изделия из материалов, обладающих свойствами отражения и преломления инфракрасных лучей. Неохлаждаемые детекторы, показатели чувствительности которых пока оставляют желать лучшего, при применении прецизионных объективов могут существенно повысить свои технические характеристики.

Несмотря на то, что в отрасли известны факты применения отражающей оптики, менее критичной к свойствам материала, намного более распространены преломляющие объективы. Стоимость оптики в большинстве устройств превышает стоимость матриц — в основном за счет редкости материалов, из которых изготавливаются объективы. Скажем, в России единственное месторождение германия находится в Красноярском крае, и запасы этого металла далеко не бесконечны. Вот некоторые из материалов (помимо уже упомянутого германия Ge), нашедших применение в ИК-оптике: кремний Si, селенидцинка ZnSe, сернистый цинк ZnS, фтористый кальций CaF2, антимонид индия InSb.

Линзы для объективов обрабатываются алмазным инструментом и затем полируются для достижения требуемых параметров и шероховатости поверхности. В настоящее время большинство применяемых в тепловизорах линз имеет асферическую геометрию, что накладывает весьма жесткие требования на процесс обработки и контроля поверхности. Как и в «нормальной» оптике, в объективах для тепловизионной техники используются тонкопленочные покрытия — металлизация и насыщение поверхностного слоя углеродом для предотвращения бликов, а также нанесение специальных покрытий, обеспечивающих широко- и узкополосную фильтрацию пропускаемых через линзы волн. Технические решения узкополосной фильтрации на настоящий момент известны только для коротко- и средневолнового диапазона ИК-излучения.

Помимо материала линз и наличия тонкопленочных покрытий, определяющими параметрами объективов для тепловизионных камер являются знакомые нам по «видимой» оптике фокусное расстояние, f-число и углы обзора. В современных тепловизорах наиболее распространены объективы f/1, у которых диаметр отверстия диафрагмы равен фокусному расстоянию. Фокусировка в портативных системах применяется ручная, в стационарных — с электроприводом от прецизионных сервомоторов.

В ИК-оптике существуют и объективы с переменным фокусным расстоянием, работающие в диапазоне средних длин волн — с уже знакомыми нам охлаждаемыми детекторами. О материалах, пригодных для изготовления трансфокаторов под длинноволновые системы, информации в открытых источниках не обнаружено.

Кто заказчик?

Как и большинство технических новинок, появившихся в эпоху гонки вооружений, тепловидение делало первые шаги под тщательным присмотром и щедрым финансированием со стороны армейских структур. В Америке первые микроболометры были разработаны компанией Honeywell в середине 80-х по секретному контракту с Министерством обороны США. В 1992 году ограничения на передачу информации третьим лицам были сняты, и разработчик лицензировал эту технологию целому ряду заинтересованных компаний. Интенсивные НИОКР в расчете на удешевление производства увенчались рядом успехов — тепловизионная техника стала входить в практику все обширнее.

С появлением тепловизионной техники «в свободной продаже» появились и первые факты злоупотреблений. Ряд судебных исков на попытки ведения дистанционного тепловизионного наблюдения за объектами частной собственности привел власти США в 2001 году к необходимости законодательно ограничить применение этого вида техники. Отныне мониторинг частной жизни граждан должен санкционироваться соответствующими органами — однако законодательство не мешает проводить досмотры в ИК-лучах, скажем, при прохождении предполетного контроля в аэропортах. Более того, по сравнению с существующим оборудованием рентгеновского досмотра тепловизоры на порядок безопаснее для организма — как досматриваемых, так и сотрудников служб безопасности.

Технические характеристики систем