Какой ИК-диапазон выбрать? Области применения различных инфракрасных камер

Инфракрасные оптико-электронные системы предназначены для решения важной задачи – обнаружения различных объектов в условиях плохой видимости. Еще ИК-системы могут применяться для контроля производственных процессов и измерения температуры, как газоанализаторы и др. ИК-диапазон достаточно широкий, существуют самые различные ИК-камеры любой стоимости для множества задач. Какую предпочтительно выбрать?

Для ответа на этот вопрос рассмотрим подробнее основные виды оптико-электронных систем и их особенности.

Классификация ИК-систем по составу

ИК-системы можно разделить на два класса: более эффективные на фотонных (охлаждаемых и неохлаждаемых) детекторах и менее чувствительные на тепловых (неохлаждаемых) детекторах (микроболометрах). Существенным недостатком ИК-фотонных детекторов является необходимость криогенного охлаждения и связанная c этим дороговизна (рис. 1). Для создания матричных фотоприемных устройств (ФПУ) ИК-диапазона используются следующие материалы:

• тройное полупроводниковое соединение кадмий-ртуть-теллур (HgCdTe) для спектральных диапазонов 1–2,5 мкм, 3–5 мкм, 8–14 мкм;
• двойное полупроводниковое соединение антимонид индия (InSb) для спектрального диапазона 3–5 мкм;
• тройное полупроводниковое соединение индий-галлий-арсенид (InGaAs) для спектрального диапазона 0,4–2,3 мкм;
• оксид ванадия (VOx), аморфный кремний ( -Si) для неохлаждаемых ФПУ диапазона 7–14 мкм.

Рис. 1. Наиболее используемые материалы для ФПУ различной стоимости, применимые в различных ИК-диапазонах

Оптико-электронные системы коротковолнового ИК-диапазона

Диапазон длин волн от 1 до 2,5 мкм называется коротковолновым ИК-диапазоном (SWIR, КВ ИК). Большинство камер КВ ИК-диапазона позволяют регистрировать диапазон длин волн от 0,9 до 1,7 мкм. Ко всему прочему, существуют камеры с расширенным коротковолновым ИК-диапазоном, которые работают в области 0,4–1,7 мкм. В большинстве случаев изображение в КВ ИК-диапазоне формируется, как и в видимом диапазоне, за счет отраженного от объектов излучения. В отличие от изображений с тепловизора, для формирования которых используется собственное излучение тел, изображения в КВ ИК-диапазоне сопоставимы с видимым по разрешающей способности, что делает объекты достаточно узнаваемыми. Основными особенностями КВ ИК-диапазона являются:

• меньшее по сравнению с видимым диапазоном рассеяние излучения в атмосфере;
• наличие в спектральном диапазоне чувствительности камеры характерных полос поглощения большого количества материалов, в том числе воды;
• специфические коэффициенты отражения и пропускания различных материалов, которые отличаются от коэффициентов отражения и пропускания в видимом диапазоне спектра, что дает дополнительную информацию о наблюдаемых объектах и обуславливает большое количество применений (наибольшее различие в поведении спектров поглощения/отражения наблюдается в спектральном диапазоне 2,2–2,4 мкм);
• возможность обнаружения большинства типов лазеров, используемых для дальнометрии и целеуказания;
• возможность использования диапазона для высокотемпературной термографии, поскольку собственное излучение в КВ ИК-диапазоне (0,9–1,7 мкм) образуется у объектов с температурой свыше 100 °С;
• высокая способность обнаружения процессов горения;
• очень высокие контрасты днем в солнечную погоду, сильная зависимость изображения от интенсивности солнечного излучения.

Основными областями применения оптико-электронных систем коротковолнового ИК-диапазона являются системы наблюдения, обнаружения лазерного излучения, спектрального анализа, высокотемпературной термографии.

Камеры КВ ИК-диапазона обеспечивают наблюдение в условиях задымления и тумана, когда контраста объектов сцены недостаточно для телевизионного и теплового каналов (рис. 2).

Рис. 2. Изображение бетонной взлетно-посадочной полосы через туман в видимом (а), коротковолновом ИК (б) и средневолновом ИК (в) диапазонах спектра (нижняя граница облаков 80 м, температурный контраст объекта и фона 0,6 °С)

В коротковолновом ИК-диапазоне также возможно обнаружение очагов возгорания: огонь дает высокий контраст изображения, а дым в КВ ИК-диапазоне более "прозрачен", чем в видимом, что позволяет быстро и точно определить очаг возгорания (рис. 3).

Рис. 3. Изображение очага возгорания через дым в видимом (а), коротковолновом ИК (б) и средневолновом ИК (в) диапазонах спектра

Наиболее используемый спектральный диапазон для задач наблюдения – 0,95–1,65 мкм. Такие ФПУ выполнены на основе InGaAs на подложке InP. Для систем наблюдения, предназначенных для решения задач посадки самолетов в сложных метеоусловиях, требуются ФПУ с расширенной длинноволновой границей излучения (до 2,5 мкм). ФПУ, чувствительные в данном спектральном диапазоне, менее распространены из-за высокой стоимости, которая обусловлена необходимостью применения другого состава InGaAs. В современных оптико-электронных системах коротковолнового ИК-диапазона используются матричные ФПУ формата 640х512. При этом уже заметна тенденция перехода в системах наблюдения на матрицы формата 1280х1024 с уменьшенным шагом (10–12 мкм). Увеличение формата матриц позволяет повысить дальность обнаружения и распознавания, а также отказаться от механического зума в пользу цифрового, сокращение шага позволяет уменьшить габариты оптико-электронных систем за счет снижения габаритов оптики. При этом стоит отметить, что уменьшение шага имеет и негативную сторону: пиксели меньшего размера обеспечивают худший пороговый поток. Передовой разработкой в области ФПУ для систем наблюдения является IMX992 компании Sony. Данное ФПУ имеет шаг пикселя 5,32 мкм, формат 2592х2056 и спектральный диапазон 0,4–1,7 мкм. В Российской Федерации разработкой камер КВ ИК-диапазона занимается АО "НПО "Орион" (рис. 8). Системы высокотемпературной термографии для промышленных производств во многом схожи с системами наблюдения, но предъявляют дополнительные требования к стабильности параметров ФПУ, которая нужна для проведения достоверных измерений. Требования по формату и спектральному диапазону в этом случае не являются принципиальными, однако чем больше формат, тем более детально можно рассмотреть измеряемый объект, и чем длиннее длинноволновая граница, тем меньше температура, которая может быть измерена.

Оптико-электронные системы средневолнового ИК-диапазона

Диапазон длин волн от 3 до 5 мкм называется средневолновым (СВ) ИК-диапазоном, основными особенностями СВ ИК-диапазона является следующее:

• изображение формируется как за счет собственного излучения тел, так и за счет отраженного солнечного излучения;
• довольно высокие перепады яркости днем в солнечную погоду из-за наличия солнечного излучения (особенно на облаках);
• процессы горения вследствие излучения нагретых молекул углекислого газа дают заметный вклад за счет люминесценции в диапазоне 4,0–4,2 и 4,4–4,8 мкм (в том числе авиационные двигатели);
• наблюдаемые в тепловизионный прибор тепловые контрасты при температуре объектов менее 40 °С в диапазоне 3–5 мкм ниже, чем в 8–12 мкм;
• в случае высокой влажности без наличия аэрозолей (дымок, туманов) пропускание в диапазоне 3–5 мкм значительно лучше, чем в 8–12 мкм;
• при наличии аэрозолей пропускание в средневолновом ИК-диапазоне лучше, чем в коротковолновом, но хуже, чем в длинноволновом ИК;
• размер дифракционного пятна рассеяния оптической системы близок к длине излучения и размеру фоточувствительного элемента, поэтому разрешение достаточно для формирования достаточно качественного изображения;
• ряд газов имеет области поглощения в диапазоне 3–5 мкм, что позволяет проводить их обнаружение при применении специализированных спектральных фильтров;
• ФПУ СВ ИК-диапазона могут работать как при охлаждении до температуры 80 К, так и при повышенной температуре, такие камеры удается сделать малогабаритными и c низким потреблением.

Системы наблюдения средневолнового ИК-диапазона обычно используются в качестве второго информационного канала в оптико-электронной системе. Как тепловизионный канал системы СВ ИК-диапазона конкурируют с системами длинноволнового (ДВ) ИК-диапазона, при этом СВ ИК-диапазон был освоен раньше вследствие относительной дешевизны и простоты устройства ФПУ по сравнению с аналогичными устройствами ДВ ИК-диапазона, которые активно развиваются в настоящее время. Поэтому выбор рабочего диапазона зависит от решаемых задач и бюджета. Спектральный диапазон систем наблюдения, как правило, ограничен пропусканием охлаждаемых фильтров и составляет примерно 3,6–4,9 мкм. Такой спектральный диапазон обеспечивает оптимальное подавление фоновых помех и атмосферы, а также лежит вблизи максимальной спектральной чувствительности ФПУ.

Основной особенностью тепловизоров СВ ИК-диапазона является невысокое относительное отверстие объектива (до 1:5,5), что позволяет делать малогабаритную, "дешевую" оптику с большим фокусным расстоянием и хорошим разрешением. При этом стоимость охлаждаемого ФПУ второго поколения СВ ИК-диапазона существенно выше, чем у неохлаждаемого микроболометра ДВ ИК-диапазона, но ниже, чем у охлаждаемого ДВ ИК ФПУ. По этим причинам экономическая целесообразность использования тепловизионных систем СВ ИК-диапазона наступает при задачах распознавания объектов на дальностях выше 4 км, а обнаружения – свыше 10 км. При этом системы наблюдения СВ ИК-диапазона позволяют распознать объекты на расстоянии до 10–15 км.

Отдельно стоит отметить, что системы наблюдения средневолнового ИК-диапазона считаются идеальными в ночных условиях летом, поскольку в это время высокие тепловые контрасты, а солнце не создает дополнительной подсветки. Так как СВ ИК-волны проходят сквозь стекло, объективы и другие оптические компоненты (оптические фильтры и окна), предназначаемые для СВ ИК-съемки, могут изготавливаться по тем же технологиям, которые используются для компонентов видимого диапазона, что снижает издержки производства и делает возможным использование фильтров и окон в рамках одной системы.

Водяной пар и туман прозрачны для СВ ИК-волн. Кроме того, цвета, которые являются практически идентичными в видимом диапазоне, легко различаются в диапазоне СВ ИК. Наиболее затруднено применение этих систем в условиях, где надо смотреть против солнца, например в морских, когда на воде "солнечная дорожка". Сравнение изображений в диапазоне 3–5 и 8–10 мкм, получаемое днем в солнечную летнюю погоду (для задач обнаружения самолетов), приведено на рис. 4.

Рис. 4. Сравнение изображений в диапазоне 3–5 (а) и 8–10 мкм (б), получаемое днем в солнечную летнюю погоду (для задач обнаружения самолетов)

Сравнение изображений в диапазоне 3–5 и 8–10 мкм от пламени (пламя дает сильные линии люминесценции в диапазоне 3–5 мкм) на рис. 5.

Рис. 5. Сравнение изображений в диапазоне 3–5 (а) и 8–10 мкм (б) от пламени

Все перечисленные эффекты наблюдаются на рис. 6. В диапазоне 3–5 мкм хорошо виден "выхлоп" самолета за счет люминесценции, при этом холодный корпус самолета практически неразличим на фоне неба. В диапазоне 8–12 мкм виден как "выхлоп", так и холодный корпус самолета на фоне неба.

Рис. 6. Сравнение изображения самолета в диапазоне 3–5 (а) и 8–10 мкм (б)

Из-за высоких входных перепадов яркости наблюдаемой сцены системам средневолнового ИК-диапазона часто необходимы специализированные алгоритмы, к примеру локальное контрастирование. На рис. 7 приведено сравнение изображений в диапазоне 3–5 мкм без локального контрастирования и с локальным контрастированием.

Рис. 7. Сравнение изображений в диапазоне 3–5 мкм без локального контрастирования (а) и с локальным контрастированием (б)

За рубежом малогабаритными оптико-электронными системами средневолнового ИК-диапазона на основе матриц формата 640х512 оснащаются БПЛА (дальность распознавания до 6 км), такие как Jim LR (Sagem, Франция), Sophie XF (Tales, Франция), Nestor (Airbus DS Optronics, ЮАР), Coral-CR (Elbit Systems, США-Израиль), Recon B2 и Recon V (FLIR, США), а также аналогичные системы входят в состав индивидуальных переносных приборов разведки. Как и в коротковолновом ИК-диапазоне, основной тенденцией развития систем наблюдения средневолнового диапазона является увеличение формата матриц до 1280х1024 и уменьшение шага до 10 мкм.

Передовой матрицей в данном направлении является SCD Crane, которая имеет шаг 5 мкм, формат 2560х2048, что позволяет отказаться от оптического зума в пользу электронного.

Еще одной сферой применения камер средневолнового ИК-диапазона является обнаружение и визуализация утечек газов. Системы обнаружения утечек газов средневолнового ИК-диапазона имеют в своем составе узкополосные фильтры, настроенные на спектральные линии поглощения газов. Линии поглощения газов приведены в табл. 1. Системы обнаружения утечек газов требуют высокой чувствительности, поэтому построены на основе охлаждаемых ФПУ (причем активно используются ФПУ формата 320х256 с шагом 30 мкм).

Таблица 1. Линии поглощения газов в спектральном диапазоне 3–5 мкм

Оптико-электронные системы длинноволнового ИК-диапазона

Диапазон длин волн от 8 до 14 мкм называется длинноволновым ИК-диапазоном. При этом оптико-электронные системы ДВ ИК-диапазона на основе охлаждаемых ФПУ, как правило, чувствительны в диапазоне 8–10 мкм. Основными особенностями ДВ ИК-диапазона является следующее:

• изображение в подавляющем большинстве случаев формируется за счет собственного излучения тел;
• невысокие контрасты наблюдаемых объектов даже в солнечную погоду;
• наблюдаемые в тепловизионный прибор тепловые контрасты при температуре объектов менее 40 °С в диапазоне 8–12 мкм выше, чем в 3–5 мкм;
• в случае наличия аэрозолей (дымок, туманов) пропускание в диапазоне в 8–12 мкм самое высокое;
• разрешение не всегда достаточно для формирования хорошего изображения;
• ряд газов имеет области поглощения в диапазоне 8–12 мкм, что позволяет обнаруживать их (например, при утечке) при помощи специализированных спектральных фильтров.

Системы наблюдения ДВ ИК-диапазона строят или на основе охлаждаемого ФПУ, или на основе неохлаждаемой микроболометрической матрицы. Приборы на основе микроболометрических матриц имеют малую чувствительность, для компенсации которой применяют светосильную оптику (1:0,7–1:1,4) и большую инерциальность (частота кадров менее 50 Гц), но при этом стоимость и энергопотребление микроболометрических матриц низкие. Наиболее распространенным форматом в данном диапазоне является 640х512 (охлаждаемые ФПУ) или 640х480 (микроболометрические матрицы). При этом системы на основе микроболометрических матриц активно переходят на формат 1280х960 с шагом 12 мкм, а передовыми являются микроболометрические матрицы формата 1920х1080 с шагом 8 мкм, например модель FHD1920.

Охлаждаемые мегапиксельные ФПУ также разработаны и производятся Super LUKAS, но из-за высокой стоимости активно не применяются, их использование можно оправдать лишь в морских системах наблюдения. Основными материалами для изготовления охлаждаемых матричных ФПУ длинноволнового ИК-диапазона являются твердые растворы КРТ (кадмий-ртуть-теллур). Экономическая целесообразность использования тепловизионных систем ДВ ИК-диапазона на основе охлаждаемых ФПУ появляется только для решения задач распознавания объектов на дальностях выше 4 км или обнаружения малоразмерных целей (БПЛА) с приемлемой дальностью обнаружения. Системы наблюдения длинноволнового ИК-диапазона имеют большие габариты и массу, по сравнению с системами средневолнового ИК-диапазона, приоритетное применение – на основе охлаждаемых ФПУ (рис. 9).

Рис. 8. Камера КВ ИК-диапазона. Формат 320х256 элементов. Предназначена для визуализации ИК-изображения в диапазоне 0,9–1,7 мкм

Рис. 9. Камера ДВ ИК-диапазона. Формат 640х486 элементов. Предназначена для визуализации ИК-изображения в диапазоне 8–12 мкм

Заключение

К современным наблюдательным системам, помимо требований максимальной дальности обнаружения и наблюдения, круглогодичности и всепогодности при минимальных массе и габаритах, предъявляют и новые требования:

• расширение номенклатуры обнаруживаемых объектов;
• повышение вероятности обнаружения и классификации целей в условиях противодействия их обнаружению (маскировка, постановка помех и другие мероприятия);
• распознавание и сопровождение целей в сложной фоноцелевой обстановке.

Любопытным новым направлением развития наблюдательных тепловизионных систем является создание и использование комбинированных систем, в которые интегрирован БПЛА. Например, комплекс дальней разведки "Блокпост" обладает единой системой управления и приема изображения с выводом изображения на единый монитор. Наземные тепловизионные станции комплекса позволяют обнаруживать людей на дистанциях до 800 м и автомобили на дистанции до 2 км. Встроенная видеоаналитика выделяет обнаруженные объекты на экране для помощи оператору. Далее оператор высылает в нужную точку дрон.

Распознавание обнаруженных целей производится беспилотной тепловизионной системой на дистанциях до 6 км. Ближайшее будущее покажет, станет ли такая своеобразная замена зума на дрон тенденцией развития.

Для обеспечения эффективной работы ИК-камер требуется совершенствование их компонентной базы, в первую очередь датчиков изображения. В настоящее время основными тенденциями развития матричных ФПУ для смотрящих систем является переход с формата 640х512 элементов на формат 1280х1024 и уменьшение шага до 10 мкм с некоторой потерей пороговых характеристик. Наиболее перспективные системы коротковолнового и средневолнового ИК-диапазонов реализуются на основе ФПУ формата не менее 1280х1024 с шагом 5 мкм. 

В длинноволновом ИК-диапазоне разработаны охлаждаемые ФПУ формата 1280х1024 с шагом 12 мкм и микроболометрические матрицы формата 1980х1024 с шагом 8 мкм. Развитие робототехники и беспилотного транспорта требует совершенствования систем технического зрения, способных работать круглосуточно, в любое время года и при любых погодных условиях.
Это расширяет области применения оптико-электронных систем коротковолнового, средневолнового и длинноволнового ИК-диапазонов на основе матричных фотоприемных устройств и способствует их устойчивому развитию.

Иллюстрации предоставлены авторами.

Опубликовано в журнале "Системы безопасности" № 2/2024

Все статьи журнала "Системы безопасности"
доступны для скачивания в iMag >>

Изображение от freepik