Тепловизионные системы дальнего наблюдения: обзор решений и тенденции развития

Тепловизионные системы наблюдения давно и прочно зарекомендовали себя в качестве почти безальтернативной технологии для всепогодного наблюдения, разведки, целеуказания, борьбы c пожарами и др. В этой статье рассмотрим параметры и некоторые тенденции развития тепловизоров на конкретных примерах.

Условно тепловизионные приборы в зависимости от их дальности действия можно разделить на три группы:

1) тепловизионые приборы малой дальности действия: до 0,7–1 км по ростовой фигуре человека и до 1,5–2 км по автомашине;

2) тепловизионые приборы средней дальности действия: соответственно, 1,2–1,5 км по ростовой фигуре человека, 2–4 км по автомашине, а также до 8 км по самолету;

3) тепловизионые приборы повышенной дальности действия, превышающей значения, указанные для второй группы.

К тепловизионым приборам первой группы относятся приборы для легкого стрелкового оружия, наголовные и удерживаемые в руках тепловизионые приборы наблюдения.

Тепловизионые приборы второй группы включают в себя тепловизионые прицелы для переносных ракетных комплексов, удерживаемые в руках, и переносные тепловизионые приборы наблюдения.

К тепловизионым приборам третьей группы относятся стационарные и автомобильные, а также корабельные и авиационные приборы наблюдения и прицеливания. Данный обзор посвящен тенденциям развития систем наблюдения во второй и третьей группах.

Рис. 1. Охлаждаемые (а) фотонные матричные фотоприемные устройства (МФПУ) более чувствительны, чем неохлаждаемые (б)

Рис. 2. Типичная компоновка тепловизионной системы дальнего наблюдения

Тепловизионные системы c охлаждаемыми датчиками

Тепловизионные приборы по типу используемых в них детекторов можно разделить на два класса:

1) более эффективные – на фотонных (как правило, охлаждаемых) детекторах;

2) менее чувствительные – на тепловых (неохлаждаемых) детекторах (микроболометрах).

Поэтому неудивительно, что для достижения наилучших параметров для дальнего наблюдения используются тепловизионные системы c охлаждаемыми датчиками и массой дополнительного оборудования. Типичная система такого класса, используемая для охраны границ, мониторинга движения судов и других задач, имеет каналы видимого и ИК-диапазонов, лазерную подсветку и т.д. (рис. 2).

Примером систем такого класса может служить система видеонаблюдения Infiniti Electro Optics Viper PTZ Camera (компания FLIR), которая имеет возможность наблюдения за обширными районами благодаря применению следующих компонентов:

• вариообъектив HD Telephoto 128x с фокусным расстоянием 16–2050 мм и углом зрения 19,3–0,15 град.;
• возможность работы при минимальной освещенности 0,02 лк при относительном отверстии f/1,2 в дневном режиме;
• КМОП-датчик формата 1920x1080 пк (или дневные камеры с разрешением от 2–12 мпк);
• ИК-датчик из теллурида кадмия-ртути с форматом 1280x720 пк, диапазон – MWIR размером пикселя 10 мкм;
• угол зрения ИК-датчика – 0,61 град.;
• лазерный дальномер Lazer Range Finder (LRF) дальностью до 25 км.

При всех несомненных достоинствах подобного рода систем их весомым недостатком является высокая стоимость. Цена матричных фотоприемных устройств (МФПУ) на HgCdTe, InSb на два порядка больше, чем стоимость неохлаждаемых микроболометров, при этом типичные значения NETD (noise equivalent temperature difference – температурная чувствительность, равная минимальной эквивалентной шуму разности температур) для МФПУ на основе HgCdTe составляет порядка 10 мК, а для микроболометров – 50–100 мК.

Существенный недостаток ИК-фотонных детекторов – необходимость криогенного охлаждения. Это необходимо для предотвращения тепловой генерации носителей заряда, являющейся источником шумов, которые ограничивают параметры приемников излучения. Охлаждение МФПУ обеспечивается микрокриогенной системой охлаждения, интегрированной с корпусом МФПУ и работающей по циклу Стирлинга.

Кроме того, важно учитывать в модели затрат и типичный срок службы микрохолодильника – 8 000–10 000 ч. Если вспомнить, что микрохолодильник необходимо обслуживать каждые два года и стоимость обслуживания составляет до 10% от общей стоимости системы, то в действительности четырехлетняя стоимость c учетом эксплуатации охлаждаемой системы в 1,2 раза превышает начальную стоимость системы.

Дальнейший учет стоимости составных частей системы (длиннофокусные объективы, специализированные лазерные осветители, специальные термокамеры, прецизионные механизмы наклона и панорамирования) увеличивает цену тепловизионной системы на охлаждаемых МФПУ еще на порядок (рис. 3). В том числе поэтому в последнее время многие производители стали предлагать системы дальнего видеонаблюдения на неохлаждаемых микроболометрических приемниках. Но есть и еще один важный фактор, способствующий их широкому распространению.

Рис. 3. Схематичное сравнение стоимости МФПУ разных типов

Системы дальнего видеонаблюдения на неохлаждаемых датчиках

Опыт показал, что практические требования ко многим ИК-наблюдательным системам заметно отличаются от парадигмы "большая дальность любой ценой". Часто обнаружение и идентификацию источников возможных угроз (целей) необходимо проводить не на столь экстремально больших дальностях, но в широких угловых полях, за короткое время, при наличии помех.
Этапы работы систем наблюдения:

• предварительное обнаружение источника угрозы и определение направления, на котором он находится;
• обнаружение факта атаки с его стороны;
• идентификация источника угрозы и определение его положения.

Атака во многих случаях может вестись с любого направления, что вынуждает иметь большое поле обзора аппаратуры. дальность до источника угрозы (до цели) и его тип могут изменяться значительно.

При существенно более низкой стоимости системы дальнего видеонаблюдения на неохлаждаемых датчиках хоть и не могут похвастаться рекордными параметрами по обнаружению, по совокупности характеристик оказываются крайне полезным инструментом для огромного числа целей и задач. Прогресс в области разработки неохлаждаемых ИК-датчиков высокого разрешения, а также соответствующих объективов позволил системам этого класса в ряде важнейших применений встать почти вровень c системами на охлаждаемых фотоприемниках.

Новейшие ИК-камеры на неохлаждаемых МФПУ обеспечивают большинство из тех же возможностей за существенно меньшие деньги. Эти камеры очень экономичны и позволяют обнаружить человека на расстоянии от 2 км и выше в зависимости от условий. При этом если цены на тепловизионные системы на охлаждаемых МФПУ начинаются от 150 тыс. долларов, то для систем на микроболометрах они варьируются от 25 тыс. до приблизительно 50 тыс. долларов.

В качестве типичного примера такой тепловизионной системы наблюдения можно назвать систему "КИВЕР-М" (компания "Дедал") – это пассивная комбинированная двухспектральная система раннего обнаружения, которая состоит из видеокамеры с цветным изображением и тепловизионного прибора, установленных на опорно-поворотном устройстве (рис. 4).

Рис. 4. Внешний вид системы наблюдения "КИВЕР-М"

Другой типичный пример – семейство тепловизоров STX (компания SmartTec). Это многоканальная система видеонаблюдения на скоростном поворотном устройстве c тепловизионным каналом и видеоканалом (рис. 5).

Рис. 5. Внешний вид тепловизора STX-IPPT693

Еще одна подобная тепловизионная система – РТР-225М/225Ф (компания "ПЕРГАМ"). В состав поворотной мультисенсорной системы РТР-225М/225Ф входит средневолновой неохлаждаемый тепловизор с матрицей высокого разрешения – до 1024×768 элементов (рис. 6). Размер чувствительного элемента матрицы – 17 мкм. Спектральный диапазон, в котором работает тепловизор, – 8–14 мкм (LWIR). Объектив тепловизора оснащен непрерывным оптическим масштабированием х9 и имеет функцию автофокусировки. Непрерывное масштабирование дает возможность рассмотреть детали, не теряя цели из виду. дальность обнаружения тепловизором человека – до 6,6 км, автомобиля – до 8,4 км.

Рис. 6. Внешний вид комплекса РТР-225М/225Ф

Таблица 1. Параметры системы "КИВЕР-М"

Таблица 2. Параметры тепловизоров семейства STX

Таблица 3. Параметры тепловизионной системы РТР-225М/225Ф

Таблица 4. Характеристики обнаружения оптико-электронного комплекса "Астрон-4В"

Следующий пример стационарной тепловизионной системы дальнего наблюдения – "Астрон-4В" (компания "ОКБ "АСТРОН"). Это полностью отечественный многоканальный оптикоэлектронный комплекс (рис. 7). Его особенностью является наличие тепловизионной камеры c фокусным расстоянием 275 мм, которая позволяет достигать характеристик обнаружения, указанных в табл. 4.

Рис. 7. Внешний вид тепловизионного комплекса "Астрон-4В"

Мобильные комплексы дальнего наблюдения

Опыт последних лет показал, что наряду со стационарными комплексами дальнего наблюдения огромную роль играют мобильные комплексы наблюдения для размещения на автомобилях, летательных аппаратах, судах и др. Важнейшей особенностью таких решений является обязательное наличие систем стабилизации положения камер в пространстве, которая осуществляется с помощью микроэлектромеханических систем измерения углов и угловых скоростей. Когда возникают движения носителя камеры по осям, гироскопический прибор формирует сигналы по противодействию этому движению, воздействуя противоположно на движение камеры. Разработаны и широко используются также объективы с оптической системой стабилизации изображения и оптическим масштабированием. Оснащенная этими опциями ИК-камера формирует качественное изображение объекта при воздействии вибрации от стрельбы, движения транспортного средства, ветра и т.д. Примером может служить тепловизор KS м-230 (компания KARNEEV SYSTEMS), представленный на рис. 8.

Рис. 8. Внешний вид наблюдательной системы KS М-230

Характеристики KS М-230:

• дальность наблюдения – до 20 км;
• тепловизор – матрица 640x512 пк;
• видеокамера – FullHD (1920x1080 пк), х50.

Тепловизор KS М-230 с 9-кратным оптическим увеличением и максимальным фокусным расстоянием 230 мм имеет видеокамеру с 50-кратным зумом и оптической стабилизацией и лазерный дальномер для определения дальности до объекта наблюдения на расстоянии до 20 км.

Дальность распознавания объектов тепловизионными каналами составляет 5 км по ростовой фигуре человека и 8 км по грузовому автомобилю. Фокусное расстояние объектива дневной камеры – 3,4–122,4 мм. Фокусное расстояние тепловизионных камер – 100 мм и 275 мм.

Рис. 9. Размеры комплекса "Астрон-1К120" в сравнении c типичными для семейства

В последнее время наблюдается еще одна крайне важная тенденция в требованиях к такого рода мобильным системам – необходимость миниатюризации. Это вызвано тем, что необычайно расширился круг аппаратов, на которые необходимо ставить системы дальнего теплового наблюдения. В этот круг вошли и БПЛА, в том числе мини-БПЛА. Примером решения такого рода задач можно назвать гиростабилизированный комплекс "Астрон-1К120" (компания "ОКБ "АСТРОН"). Новый комплекс, как и его традиционные собратья, предназначен для круглосуточного наблюдения в условиях помех в тепловизионном спектре излучения. Габаритные размеры нового электронно-оптического блока существенно меньше традиционных и составляют Ø120х165 мм. "Астрон-1 К120" имеет светосильный зеркально-линзовый объектив, интегрированный в поворотную гиростабилизированную платформу. При разработке был применен метод конструирования единой оптической и механической части комплекса, при котором механическая часть гиростабилизированной платформы является корпусом объектива, а зеркально-линзовый тепловизионный объектив рассчитывался специально под платформу и занимает все полезное пространство шара. Благодаря такому решению удалось значительно снизить вес и габариты всего комплекса при максимально большом диаметре входного зрачка объектива. Интегрированное решение дает возможность при минимальном весе и габарите производить обнаружение ростовой фигуры человека (РФЧ) на дистанциях более 2 000 м, а распознавание – на дистанциях более 1 000 м. Комплекс предназначен для установки на легкие беспилотные летательные аппараты, малоразмерные катера и автомобили.

Куда движется рынок?

Создание ИК-систем сегодня осуществляется по следующим основным направлениям:

1. Разработка класса недорогих ИК-систем и устройств в широком спектре формфакторов с учетом специфики применения и с целью формирования качественного изображения при решении задач обнаружения, опознавания и идентификации объектов.
2. Разработка новой оптики, удовлетворяющей требованиям многоэлементных ИК-датчиков и инфракрасным диапазонам спектра.
3. Разработка программных средств для формирования высококачественного изображения, автоматического анализа изображений наблюдаемого пространства, оптимального функционирования ИК-системы в целом и входящих в нее подсистем. С целью улучшения качества формируемого изображения применяют различные программные методы, такие как совмещение инфракрасных изображений с изображениями видимого диапазона, автоматическое распознавание информации, методы повышения контрастности изображений устройствами цифровой обработки видеоинформации и т.д.

Опубликовано в журнале "Системы безопасности" № 3/2023

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

Рисунки предоставлены автором

Фото: ru.freepik.com