Импортозамещение при эксплуатации олимпийского спортивного объекта

В прошлых выпусках журнала "Системы безопасности" вы познакомились с Центром санного спорта "Санки" в селе Эстосадок г. Сочи. Мы рассмотрели систему интеллектуального видеонаблюдения и внедрение видеоаналитики на спортивном объекте, а также применение тепловизионных IP-датчиков движения для обеспечения безопасности и отсутствия мертвых зон на периметре. В этой статье мы расскажем о сложностях, с которыми столкнулись при эксплуатации данного оборудования, и как их удалось преодолеть.

Тепловизором называют прибор, который способен видеть тепловое излучение объектов и получать изображение в инфракрасном диапазоне. Под теплом мы понимаем такую форму энергии, которая может накапливаться, передаваться и излучаться. Любой нагретый объект обладает лучеиспусканием – тепловым (электромагнитным) излучением. Мощность теплового излучения объекта, удовлетворяющего критериям абсолютно черного тела, описывается законом Стефана – Больцмана. Отношение излучательной и поглощательной способностей тел описывается законом излучения Кирхгофа.

Таблица 1. Разделение теплового излучения

Классификация теплового излучения

Тепловое излучение приходится на инфракрасный участок спектра от 0,74 мкм до 1000 мкм. Разделение на более мелкие диапазоны показано в табл. 1.

Логично, что наибольший интерес для контроля и обеспечения безопасности представляют температуры тел около 0 °С. Прямая зависимость распределения энергии излучения от температуры тела в дальнем инфракрасном диапазоне 8–15 мкм и лежит в основе тепловидения.

Нужно отметить, что органы зрения человека не приспособлены для восприятия инфракрасного излучения. Но, к примеру, некоторые виды змей, рыб и насекомых обладают преимуществами инфракрасного видения, что позволяет им вести охоту в ночное время.

Устройство и принцип действия

Тепловизор по своему устройству и принципу действия схож с фотоаппаратом и камерой видеонаблюдения. Инфракрасное излучение от нагретых предметов проходит через фокусирующую оптику и фиксируется инфракрасным сенсором (матрицей), далее полученное изображение поступает в цифровой электронный блок, где происходит обработка, преобразование и усиление.

Электромагнитные волны инфракрасного диапазона распространяются в соответствии с законами оптики, поэтому фокусирующая система тепловизора собирает эти волны и фокусирует их на инфракрасный сенсор так же, как и обычная оптическая линза. Разрешающая способность современных датчиков –640х480 пкс и выше. Цифровой электронный блок обрабатывает полученное от инфракрасного сенсора изображение, убирает помехи и шумы, например вызванные собственным излучением воздуха, накладывает на изображение полезную информацию и различные данные, а также может выполнять ряд дополнительных функций (фото- и видеозахват, выделение особо нагретых областей и т.д.).

Регистрируемое тепловое излучение является двухмерным, поэтому на дисплее отображающего устройства изображение визуализируется как черно-белое или "псевдоцветное", где тот или иной цвет будет соответствовать той или иной фиксируемой температуре объекта.

Рис. 1. Тепловизор в сборе: 1 – тепловизионный модуль на основе аморфного кремния с объективом; 2 – плата АЦП; 3 – силовая плата; 4 – алюминиевый корпус и стекло с германиевым покрытием

Нужно отметить, что современные тепловизоры различают температуру предмета с погрешностью менее 0,5 °С. Для определения людей с повышенной температурой тела такой точности недостаточно, тепловизор может не среагировать на незначительное превышение нормальной температуры. Для решения проблемы в связке с тепловизором устанавливается абсолютно черное тело (Blackbody), выполняющее роль калибратора. Оно располагается напротив тепловизора таким образом, чтобы всегда быть в поле его зрения. Калибратор излучает постоянную эталонную температуру, с которой сравниваются остальные измерения. Калибровка по Blackbody осуществляется в реальном времени, что позволяет существенно уменьшить погрешность – примерно до 0,1 °С за одно измерение. 

В работе тепловизионного оборудования есть своя специфика, например оно не дает изображение через стекло, воду или блестящие объекты, так как эти поверхности действуют подобно зеркалам в системе. Поэтому в объективах и защитных стеклах используется напыление из германия (Ge). В отличие от стекла германий обладает прозрачностью в инфракрасной области спектра, поэтому металлический германий сверхвысокой чистоты имеет стратегическое значение в производстве оптических элементов инфракрасной оптики.

Категории тепловизоров

Тепловизоры делятся на две категории:

1. стационарные (как правило, на основе матриц полупроводниковых приемников, для нормального функционирования которых часто используется азотное охлаждение);
2. переносные (современные тепловизоры на базе неохлаждаемых микроболометров, они более эффективны и во многом превосходят по функциональности стационарных собратьев).

Болометр – это тепловой приемник оптического излучения, который был изобретен в 1878 г. американским астрономом, физиком, пионером авиации Сэмюэлем Припонтом Лэнгли (1834–1936 гг.) Принцип действия прибора основан на изменении электрического сопротивления термочувствительного элемента вследствие нагревания его под воздействием поглощаемого потока электромагнитной энергии.

Главным компонентом болометра является очень тонкая, затемненная для лучшего эффекта поглощения пластинка, проводящая электрический ток. Эта пластинка из-за своей малой толщины достаточно быстро нагревается под воздействием электромагнитного излучения, и ее сопротивление повышается.

Неохлаждаемые инфракрасные детекторы делятся на классы:

• микроболометры;
• ферроэлектрики;
• другие типы.

В свою очередь, микроболометры делятся на два подкласса:

1. на оксиде ванадия (VOx), используются в основном в США;
2. на аморфном кремнии (a-Si).

Микроболометры на оксиде ванадия более чувствительные и работают при более низких температурах, их используют, как правило, для измерительных приборов. Пожарным и спасательным подразделениям высокая точность получаемой температуры не так важна, как высокая частота снимаемой информации, и для этой роли идеально подходят микроболометры с аморфным кремнием. Ферроэлектрики же значительно проигрывают микроболометрам.

Таблица 2. Основные технические характеристики тепловизинного модуля

Специфика эксплуатируемого оборудования

На наружном периметре объекта ЦСС "Санки" установлены тепловизоры на основе аморфного кремния. Они смонтированы с учетом рельефа таким образом, чтобы не допустить наличия мертвых зон.

Тепловизоры служат ведущим устройством для обнаружения преодоления тревожной зоны, указаны габариты предполагаемого нарушителя в перспективе и векторы направления движения. При преодолении тревожной зоны на монитор оператора поступает видеоинформация с тепловизора и прилегающих камер видеонаблюдения как в реальном времени, так ив момент появления тревоги.

Стоит отметить, что указанное оборудование было изготовлено европейским производителем в 2012 г. и смонтировано к XXII зимним Олимпийским играм в Сочи. На данный момент 95% тепловизоров находятся в рабочем состоянии. О вышедших из строя оставшихся 5% тепловизоров стоит поговорить отдельно. Тепловизор в сборе представлен на рис. 1.

В зависимости от местоположения тепловизора, рельефа, требуемого угла обзора подобраны объективы с фокусным расстоянием от 10 до 40 мм с алмазоподобным покрытием.

Аналоговый видеосигнал PAL с модуля подается коаксиальным кабелем на плату аналого-цифрового преобразования, где кодируется в цифровую форму в видеопоток с максимальным разрешением 720х576 пкс и по протоколу ONVIF отправляется на сервер видеоанализа. На плате также имеются релейные входы/входы для интеграции со сторонними устройствами.

На силовой плате смонтированы контактные клеммы вводного электропитания, предохранители и терморегулятор для включения обогрева и поддержания температуры в корпусе в холодное время года.

Алюминиевый корпус со степенью защиты IP67 снабжен гермовводами и герметичным быстроразъемным соединением для подключения коннектора RJ-45. Однако именно через данный разъем было выявлено отсутствие заявленной герметичности и проникновение влаги в корпус тепловизора, и в первые годы эксплуатации несколько дорогостоящих тепловизионных модулей в сборе с объективами вышли из строя. Со временем также наблюдается деградация матрицы модуля и шумовое искажение видеоизображения.

Рис. 3. Исходные видеоизображения тепловизионных модулей отечественного (слева) и зарубежного (справа) производства

Рис. 4. Изображения с применением видеоанализа (слева новый российский тепловизионный модуль, справа импортный)

Подбор российских тепловизионных модулей

После присоединения Крыма к России 18 марта 2014 г. рядом европейских стран и США были введены санкции в отношении поставки в Россию товаров двойного назначения. К данным товарам относятся и тепловизоры, так как могут быть использованы в военных целях. В России и у нас на объекте в частности встал вопрос о замещении приобретаемых тепловизоров на оборудование российского производства или производства дружественных стран.

В связи с программой импортозамещения и отсутствием официального представительства европейского производителя тепловизоров в нашей стране мы были вынуждены искать новые тепловизионные модули. При этом отечественный модуль должен был удовлетворять ряду требований:

• габаритные размеры для монтажа внутрь корпуса тепловизора;
• аналоговый видеовыход PAL для работы с платой АЦП от предыдущего (европейского) тепловизора;
• температурный режим работы;
• возможность использования родного объектива через переходное кольцо.

Такое оборудование было найдено и протестировано применительно для нашей системы видеонаблюдения. На рис. 3 и 4 представлены сравнительные видеоизображения модулей зарубежного и отечественного производства.

Как видим, отечественное оборудование ничем не уступает именитым зарубежным аналогам, а скорее превосходит их. Осуществляя закупку отечественного оборудования, удалось не только добиться лучшего качества, функционала и работоспособности системы в целом, произвести оперативную замену вышедшего из строя оборудования, но и поддержать отечественного производителя.

Качество выше, затраты в 2 раза ниже

Тепловизоры – это довольно дорогостоящее оборудование. Около 90% стоимости прибора приходятся на объектив и инфракрасный сенсор. Тепловизоры нашли свое применение в таких сферах жизнедеятельности человека, как медицина, военная промышленность, безопасность, производство, жилищно-коммунальное хозяйство, и продолжают проникать в другие.

Производство неохлаждаемых инфракрасных чувствительных элементов – очень наукоемкий и высокотехнологичный процесс. Переход на отечественное оборудование позволил не только добиться более качественного видеоизображения, но и снизить затраты на закупку в два раза. В мире мало производителей, которые могут себе позволить содержать такое высокотехнологичное производство, и очень здорово, что такое есть в нашей стране.

Опубликовано в журнале "Системы безопасности" №6/2021