Тенденции развития датчиков систем наблюдения в ИК-диапазоне

ИК-системы получили широкое применение в охранном наблюдении, промышленности, военной сфере и научных исследованиях. Для успешного решения своих задач операторам требуется получение изображений высокого разрешения в любое время суток, даже при неблагоприятных условиях. Это достигается использованием усовершенствованных ИК-систем высокого разрешения, работающих в разных диапазонах спектра.

В тепловидении используются в основном четыре спектральных диапазона, которые учитывают наличие атмосферных "окон прозрачности", где происходит минимальное поглощение ИК-излучения атмосферой.

Формирование изображения в различных тепловизионных диапазонах

1. Ближний ИК-диапазон, или Near-infrared (NIR, IR-A DIN). Имеет диапазон длин волн 0,7–1,0 мкм и обычно применяется в устройствах ночного видения, таких как камера ночного видения. Камеры ближнего инфракрасного диапазона используют кремниевые датчики.
2. Коротковолновый ИК-диапазон, или Short-wavelength infrared (SWIR, IR-B DIN). Составляет 1–3 мкм. Камеры коротковолнового инфракрасного диапазона (SWIR) используют детекторы из арсенида индия-галлия (InGaAs), работающие примерно от 0,9 до 1,7 мкм (изображение черно-белое). Атмосферное звездное свечение и ночное сияние являются естественными источниками света SWIR-диапазона и великолепной подсветкой объектов при ночной уличной съемке. Водяной пар, туман прозрачны для SWIR-волн.
3. Средневолновый ИК-диапазон, или Mid-wavelength infrared (MWIR, IR-C DIN), или intermediate infrared (IIR). Участок этой полосы длиной 3–5 мкм предназначен для обнаружения и наблюдения за объектами с высокой тепловой сигнатурой, например шлейфа выхлопа двигателя самолета или ракеты. Средневолновые инфракрасные камеры обычно основаны на антимониде индия (InSb), работающем в диапазоне от 3 до 5 мкм. Этим датчикам требуется глубокое охлаждение.
4. Длинноволновой ИК-диапазон, или Long-wavelength infrared (LWIR, IR-C DIN). Данная полоса инфракрасного излучения составляет 8–14 мкм. Это "тепловизионная" область, в которой датчики могут получать картину внешнего мира на основе только теплового излучения объектов и не требуют внешнего света. Иногда его также называют "дальний инфракрасный". Эта область идеальна для наблюдения объектов со сравнительно низкой температурой, в частности человека.

Специфические особенности ИК-диапазонов

Диапазоны NIR и SWIR иногда называют отраженным инфракрасным диапазоном, тогда как MWIR и LWIR иногда называют тепловым инфракрасным диапазоном. Камеры NIR и SWIR используют либо излучение окружающей среды из-за солнца, либо искусственные источники излучения. Изображение является результатом объединения событий множественного рассеяния и затухания из-за поглощения или рассеяния между объектом и камерой. Камеры NIR и SWIR требуют внешнего облучения. Эти диапазоны в определенном смысле близки к видимому диапазону в том, что фотоны либо отражаются, либо поглощаются объектами, и это свойство обеспечивает изображения с высоким разрешением. В области коротких длин волн размер дифракционного пятна рассеяния оптической системы близок к длине излучения и размеру фоточувствительного элемента. Разрешение оптики и матрицы в SWIR-диапазоне сравнимы, поэтому возможно наблюдение мелких деталей объектов. В длинноволновом ИК-диапазоне спектра пятно рассеяния объектива, как правило, существенно превышает размеры пикселя, что приводит к уменьшению разрешения и размазыванию изображения.

На рис. 1 показано лицо человека в разных диапазонах длин волн. Первичное излучение (дневной свет) многократно рассеяно от поверхностных слоев, количество отражений зависит от длины волны, свойств кожи и волос, а также от дополнительного поглощения (ослабления) вследствие содержания воды. Глубина проникновения в ткани в SWIR и видимом диапазоне различная. При сравнении видимого диапазона и SWIR понятно, что влага внутри кожи поглощает гораздо больше и рассеивает меньше – то есть волосы рассеивают гораздо больше излучения, чем кожа. Кроме того, глаза поглощают большую часть падающего излучения, создавая впечатление "седовласого человека с глубокими глазницами". Наконец, изображение MWIR и LWIR не имеет никакого отношения к освещению объекта. Оно исключительно выявляет тепловое излучение из-за повышенной температуры кожи и волос. При правильной калибровке можно измерить распределение температуры кожи лица.

Рис. 1. Лицо человека в разных диапазонах длин волн

Нормативные тонкости

Эти моменты становятся актуальными в свете возникших разговоров о снятии моратория на действие постановления Правительства РФ № 969 "Об утверждении требований к функциональным свойствам технических средств обеспечения транспортной безопасности и Правил обязательной сертификации технических средств обеспечения транспортной безопасности", где говорится об обязанности использовать сертифицированные системы видеонаблюдения для обеспечения безопасности при перевозке пассажиров и опасных грузов. В данном постановлении четко прописаны требования к средствам видеонаблюдения в видимом диапазоне, но нет даже упоминаний о наблюдении в иных спектральных диапазонах.

Технология совмещения тепловизионного и телевизионного изображений

В последние годы несколько предприятий в США, России и Израиле представили свои разработки, основанные на технологии, получившей название Fusion. Суть ее заключается в попиксельном совмещении тепловизионного и телевизионного изображений в одном кадре. В зависимости от погодных условий оператор имеет возможность наблюдать сцену в разных спектральных диапазонах: видимом 0,35–0,78 мкм, тепловизионном 7–14 мкм или смеси обеих картинок.

Рис. 2. Технология совмещения изображений в видимом и тепловом диапазонах

При наблюдении днем в хорошую погоду в большей степени используется телевизионное изображение видимого спектра, в ночных условиях и при плохих погодных условиях в изображение больше подмешивается тепловизионного спектра. Преимуществами технологии является более естественная для человеческого глаза картинка поля зрения, меньшая утомляемость оператора и лучшие показатели обнаружения и распознавания угрозы безопасности. Мы также разработали и внедрили в производство технологию совмещения тепловизионного и телевизионного изображений для систем безопасности.

Сравнение фотоприемных материалов

На рис. 3 приведены основные материалы, используемые при создании ИК-датчиков, и ценовые диапазоны.

Рис. 3. Основные материалы, применяемые при создании ИК-датчиков (КРТ – теллурид кадмия-ртути, QWIP – инфракрасные датчики на квантовых ямах, InGaAs – арсенид индия-галлия, InSb – антимонид индия)

Твердые растворы HgCdTe (кадмий-ртуть-теллур, КРТ) уже много десятилетий считаются одними из наиболее перспективных фоточувствительных материалов. Однако эти ожидания до сих пор оправдываются лишь отчасти. Если при создании датчиков на диапазон 3–5 мкм на основе КРТ достигнуты весьма высокие показатели, то для диапазона 8–12 мкм и более длинноволнового с приемлемыми характеристиками удается пока производить только линейные и матричные фотоприемники относительно небольшого формата. Причиной этого явились высокая неоднородность характеристик КРТ для длинноволнового диапазона по площади кристалла, а также высокая чувствительность по отношению к различным внешним воздействующим факторам (температуре, радиации и др.). В результате техническая возможность использования длинноволнового КРТ для датчиков ограничена: такие фотоприемники оказываются чрезвычайно дорогими даже для специальных применений. Возможность появления указанной проблемы разработчики ИК-систем осознали более 20 лет назад. Тогда же начались поиски альтернативных фоточувствительных материалов, позволяющих преодолеть отмеченные недостатки КРТ и максимально сохранить его достоинства. Проведенные поиски привели к появлению нового класса фоточувствительных материалов – квантоворазмерных гетероструктур, или структур с квантовыми ямами (КЯ, QWIP). Эффект размерного квантования лежит в основе работы не только датчиков с КЯ, но и более сложных в конструктивном и технологическом отношениях приборов на квантовых точках QDIP и сверхрешетках 2-го рода T2SL.

Однако приборы двух последних типов пока находятся в стадии создания экспериментальных образцов. Технологические проблемы, стоящие сегодня на пути их совершенствования, не дают пока возможности однозначно определить их перспективы. Главной причиной такого положения дел является отсутствие технологической возможности надежно контролировать размеры и однородность распределения квантовых точек в структуре. Приборы на основе T2SL показывают хорошие результаты: они имеют большую квантовую эффективность, большее время жизни и, как следствие, большую рабочую температуру, чем QWIP. Однако T2SL-структуры по сравнению с КРТ имеют пока в несколько раз большую остаточную концентрацию примесей в активной области, что вызывает избыточные туннельные токи. В результате датчики на основе T2SL сегодня приближаются по своим характеристикам к аналогам на основе КРТ, но еще далеки до приборной реализации в промышленных масштабах. Тем не менее продолжаются исследовательские работы по использованию других материалов и технологий с целью улучшения параметров ИК-датчиков. Например, для изменения спектрального диапазона и повышения разрешения разрабатывается новая технология на основе сверхрешеток AlGaAs/GaAs (арсенида алюминия-галлия, арсенида галлия), которые позволяют изменять спектральный диапазон и чувствительность ИК-датчика.

Основные производители и параметры длинноволновых охлаждаемых приемников представлены в табл. 1.

Таблица 1. Основные производители длинноволновых охлаждаемых приемников

Микроболометры – основной, с большим отрывом, тип детекторов для создания неохлаждаемых и относительно недорогих ИК-камер (рис. 4). Стоимость матричных детекторов на основе микроболометров при промышленном производстве на два порядка меньше, чем стоимость матриц на основе HgCdTe, InSb, при этом типичные значения минимальной эквивалентной шуму разности температур (noise equivalent temperature difference, NETD) для болометрических матриц составляют 50–100 мК (для датчиков на основе HgCdTe типичны значения порядка 10 мК). Важнейшим преимуществом болометрических инфракрасных детекторов является возможность работы без охлаждения (при температурах около 300 К), в то время как большинство других детекторов действуют при криогенных температурах. Болометры – это неселективные детекторы, которые могут действовать в спектральных диапазонах 3–5 и 8–12 мкм. 

Рис. 4. Развитие ИК-датчиков различного типа. Источник: Yole Development

Современные датчики для ИК-камер

К целям модернизации ИК-систем относятся расширение функций, увеличение числа используемых спектральных диапазонов, применение современной электронной компонентной базы, повышение разрешения и дальности обнаружения, улучшение стабилизации при установке на движущихся платформах.

В последние годы непрерывно растет количество сообщений о новых ПЗС- и КМОП-датчиках изображения ультравысокого разрешения в видимом и NIR диапазонах, которые находят применение в разных сферах. КМОП- и ПЗС-камеры являются великолепными приборами, которые все время совершенствуются, но для работы данным сенсорам требуется дневной свет. Некоторые из таких датчиков приведены в табл. 2. 

Таблица 2. Основные параметры наилучших по разрешению датчиков изображения видимого диапазона

Неохлаждаемые датчики теплового диапазона, представленные в табл. 3, выпускаются серийно мировыми производителями и широко представлены на мировом рынке. 

Таблица 3. Основные параметры типичных микроболометрических неохлаждаемых ИК-датчиков

Одна из насущных проблем в тепловидении – переход на ИК-датчики высокой четкости (HD). Компании Sofradir (Франция), Sierra Olympic Technologies (США), IR Cameras (США), FLIR Systems (США), BAE Systems (Англия) и др. являются ключевыми в области создания изделий для диапазонов SWIR, MWIR и LWIR. Ведутся подобные разработки и в России. Основные параметры ИК-датчиков высокого разрешения (HD) приведены в табл. 4.

 Таблица 4. Основные параметры ИК-датчиков высокого разрешения

Технологические трудности возникают при создании ИК-датчиков высокого разрешения, работающих в диапазоне LWIR. Еще в 2016 г. фирма LYNRED (бывшие Sofradir и Ulis) объявила об уменьшении размеров элементов ИК-датчиков с 17 до 12 мкм, что позволяет существенно расширить сферу применения ИК-систем. Создание ИК-датчиков с размерами пикселей 10–12 мкм дает возможность уменьшить фокусное расстояние и снизить размеры оптики, сохраняя при этом дальность обнаружения, распознавания и идентификации, уменьшить размеры электронного блока и снизить мощность потребления. Причем благодаря уменьшению размеров на носителе может быть установлено несколько ИК-камер с целью обеспечения широкоохватного наблюдения путем объединения информации от отдельных датчиков.

Если в 2014 г. компании-производители анонсировали ИК-камеры на датчиках формата 1 024x768 пк для диапазона LWIR и формата 1 280x1 024 пк для диапазона MWIR, то в 2017 г. Sierra Olympic Technologies представила уже ИК-камеру Viento HD на ИК-датчике формата 1 920x1 200 пк с размером пикселя 12 мкм для диапазона LWIR, а для диапазона MWIR – камеру на ИК-датчике с форматом 1 920х1 576 и размером пикселей 10 мкм.

Для спектрального диапазона SWIR разработан ИК-датчик Cardinal 1280 HD (InGaAs), имеющий формат 1 280x1 024 пк при размере пикселя 10 мкм. Датчик обладает высокой чувствительностью, что позволяет использовать его в существующих системах для наблюдения при низких уровнях освещенности. В России выпускаются SWIR-камеры с двумя типами матриц: 320х256 и 640х512 пк. Устройства способны вести съемку с частотой до 200 кадр/с.

Таким образом, увеличение количества пикселей ИК-датчика и уменьшение размера пикселей улучшает тактические параметры создаваемых на их основе ИК-систем в части обнаружения, опознавания и идентификации объектов.

В настоящее время интенсивно ведутся работы по внедрению ИК-датчиков высокого разрешения с форматом 2 040x1 156 и размером пикселей 5 мкм. При использовании постобработки они обеспечивают улучшенную точность воспроизведения изображения, более высокое разрешение и диапазон обнаружения, а усовершенствованная обработка с применением корреляции пикселей снижает частоту ложных тревог. Уменьшение размера пикселей ИК-датчиков MWIR и LWIR играет существенную роль в снижении габаритов, массы, фокусного расстояния оптики и мощности потребления.

Как России не отстать от главных тенденций в тепловидении?

К основным тенденциям в области разработок ИК-датчиков и систем относятся:

1. Переход на многодиапазонные ИК-системы с различными датчиками высокого разрешения и совмещение формируемых изображений для лучшего решения задач обнаружения, распознавания и идентификации объектов наблюдения. Особенно это относится к пилотируемым и беспилотным средствам.
2. Применение во всех спектральных диапазонах ИК-датчиков с высоким разрешением, оптики с большим фокусным расстоянием с целью успешного решения задач дальнего обзора местности, обнаружения, опознавания и идентификации объектов наблюдения. Это позволяет обеспечить процесс предупреждения о возможных угрозах.
3. Повышение эффективности работы ИК-систем за счет использования новых технологий изготовления ИК-датчиков и применения новых технологий на сверхрешетках, таких как AlGaAs/GaAs, при уменьшении размера пикселей.
4. Разработка и применение неохлаждаемых HD-микроболометров, позволяющих уменьшить габариты, массу, энергопотребление, повысить надежность и упростить обслуживание ИК-систем.

Для России задачи достижения импортонезависимости и паритета с мировыми производителями ИК-датчиков, особенно в условиях санкционного давления, могут быть решены только программно-целевым методом, с более смелым использованием механизмов государственно-частного партнерства. Следует признать, что мы во многом утратили советский опыт создания комплексных, взаимоувязанных отраслевых стратегий. Необходим переход от текущего управления преимущественно монетаристскими методами к долгосрочному стратегическому планированию, когда ключевым показателем должен стать технологический уровень выпускаемой конкретной продукции. Нужен очень предметный план, предусматривающий строительство и освоение новых производств в "натуральных" показателях. Необходим орган, ответственный перед политическим руководством за планирование отрасли и выполнение этого плана, а также политическая и финансовая поддержка этих процессов.

Опубликовано в журнале "Системы безопасности" № 1/2023

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

Рисунки предоставлены автором
Фото обработано нейросетью