Тепловизоры: реалии и ожидания

По прогнозам, рынок тепловизоров с 3,6 млрд долларов в 2021 г. будет демонстрировать рост и увеличится до 4,7 долларов к 2026 г., при среднегодовом темпе роста 5,5% в течение прогнозируемого периода. Глобальному росту рынка тепловизионного оборудования способствуют увеличение расходов государства на оборонный сектор, широкое внедрение тепловизоров в промышленной отрасли и рост инвестиций в НИОКР. Мы пригласили экспертов из компаний "АРМО-Системы", ОКБ "АСТРОН", НПК "Фотоника" и "Фирма "Видеоскан" обсудить наиболее перспективные области применения тепловизоров, распознавание и идентификацию человеческого лица и образов, а также прогнозы по снижению стоимости на тепловизионное оборудование.

Назовите основные области применения тепловизоров. Какие из них наиболее перспективны?

Олег Рубаненко, АРМО-Системы

Количество областей применения тепловизоров растет по мере того, как эти устройства постепенно переходят из узкоспециального сегмента в массовый. К наиболее перспективным сферам, на мой взгляд, относятся охранная, технологическая и условно "медицинская" (связанная с дистанционным бесконтактным измерением температуры тела человека). Тепловизоры в целях охраны периметра используются со сравнительно давних пор, поскольку лишь этому оборудованию под силу обнаруживать вторжения и нештатные ситуации "на дальних подступах" к объекту и при любой видимости.
Здесь новые перспективы открываются за счет внедрения биспектральной техники и бортовой видеоаналитики, благодаря которой современные приборы могут детектировать людей и транспортные средства, появление в запретной зоне и праздношатание, движение в недопустимом направлении, возникновение дыма, возгорания и др. В технологической сфере, где тепловизоры служат в первую очередь для мониторинга перегрева оборудования, контроля производственных линий, выявления скрытых повреждений и т.д., приветствуются модели с расширенными радиометрическими функциями. Они могут не только обнаруживать температурные аномалии в широких пределах с высокой точностью, но и реагировать определенным, заранее заданным образом на каждое из потенциальных чрезвычайных происшествий (ЧП).

Дмитрий Шатунов, ОКБ "АСТРОН"

Сферы применения тепловизоров давно и прочно определились. Это охранное наблюдение, промышленность (контроль процессов, обнаружение течей, измерение температуры техпроцессов и оптимизация энергопотребления), военная сфера, медицина и санэпиднадзор, робототехника и научные исследования.
Наиболее стабильным и бесспорным применением являются области безопасности и охраны, военная сфера. ИК-датчики используются для обнаружения объекта и контроля доступа, целеуказания и пр. Это позволяет автоматически круглосуточно обнаруживать нарушения безопасности и принимать соответствующие меры.
Наиболее переоцененной сферой применения, как мне кажется, стала медицинская. ИК-датчики, конечно, по-прежнему применяются для измерения температуры тела или контроля тепловых изменений в организме. Они используются в инфракрасных термометрах, медицинских тепловизионных камерах и системах контроля теплового излучения при диагностике различных заболеваний. Но это не стало столь повсеместным, как это казалось год-два назад.

Павел Демидов, НПК "Фотоника"

Безусловно, самое массовое – это охранное видеонаблюдение. Всепогодность – это основное преимущество, перспективность определяется снижением цен в связи с увеличением объемов производства и удешевлением технологии. На второе место поставил бы военное применение. На последнее третье место, увы, – промышленный мониторинг.

Николай Чура, Фирма "Видеоскан"

Уникальная возможность регистрировать изображение объектов, где яркость их фрагментов пропорциональна их собственной температуре, открывает широкие перспективы применения тепловизоров. Это принципиально отличает их от телевизионных систем, работающих исключительно с отраженным освещением. Судя по наименованию, тепловизионные системы должны работать в области теплового излучения.
В настоящее время тепловой диапазон подразделяют на несколько поддиапазонов.

1. Ближний ИК-поддиапазон NIR (Near Infrared) от 650 до 1400 нм. Применяется:

• в автопилотах транспортных средств;
• для контроля объектов на конвейере;
• в инспекции нагретых материалов в литейном и прокатном производстве;
• для инспекции непрозрачных жидкостей;
• в контроле печати маркировки, срока годности и штрихкодов;
• в лазерной триангуляции в качестве приемников;
• для контроля здоровья растений по цвету листвы.

2. Коротковолновый ИК-поддиапазон SWIR (Short Wave Infrared) от 1,4 до 3 мкм. Области применения:

• контроль на гниль для овощей и фруктов;
• контроль обледенения;
• для обеспечения навигации в порту и при спасательных работах из-за способности видеть сквозь туман и дым, тонировку и жидкости;
• контроль нагретых объектов (термоскопия от 200 ˚С);
• ночное виденье без подсветки за счет излучения звезд (при ясном небе);
• проверка подлинности живописных картин через красочный слой;
• проверка солнечных панелей.

Перечисленные выше поддиапазоны и методы, строго говоря, нельзя в полной мере отнести к тепловидению, поскольку в них за редким исключением не используется собственное тепловое излучение объекта.

3. Средневолновый ИК-поддиапазон MWIR (Mid Wave Infrared) от 3 до 8 мкм.
Камеры средневолнового диапазона идеально подходят для наблюдения на большом расстоянии, обеспечивая детальное изображение днем и ночью даже в сложных условиях, таких как пыль, туман, дождь или дым.
Наиболее подходящими применениями для этих систем являются:

• ночные прицелы как военного, так и гражданского назначения (не путать с прицелами на приборы ночного видения – ПНВ);
• обнаружение утечек тепла в строительных конструкциях;
• обнаружение неисправных нагретых элементов в технологическом оборудовании;
• химическая идентификация;
• обнаружение, идентификация и распознавание техники по тепловому излучению самого объекта или следу от него;
• анализ горения как при пожарах, так и при исследованиях (в том числе инфракрасная спектроскопия);
• 3D-печать и др.

4. Длинноволновый поддиапазон LWIR (Long Wave Infrared) от 8 до 15 мкм.
Высококачественные тепловизоры этого поддиапазона часто требуют хорошего охлаждения (до 70 К), чем существенно увеличивают сложность и стоимость устройства.
Эти системы применяются для:

• дистанционного обнаружения утечек газообразного продукта (за счет снижения температуры при дросселировании);
• трассирования трубопроводов (за счет градиента температур среды и трубопровода);
• дистанционного измерения температур тела человека в медицинских целях, причем от сложных широкоугольных систем массового контроля до простых индивидуальных термометров (естественно, без охлаждения);
• дистанционного обнаружения опасных зон при профилактике и тушении пожаров;
• дистанционного обнаружения, распознавания и идентификации техники или ее следов. Это особенно эффективно ввиду максимума излучения окружающих предметов при нормальной температуре до 0 ˚С и даже ниже.

Весьма широким сегментом применения тепловизоров являются научные исследования, конкретизация которых весьма проблематична.
Несколько особняком расположены недавно появившиеся тепловизоры для смартфонов. Это результат массового производства и некоторого снижения цен на подобную технику.

Имеет ли человеческое лицо индивидуальное тепловое изображение и можно ли его идентифицировать с помощью тепловизора?

Олег Рубаненко, АРМО-Системы

В экспериментах с идентификацией человеческого лица при помощи тепловизора, на мой взгляд, особого смысла нет. Изначально тепловизионные камеры рассчитаны на решение других задач, в числе которых обнаружение вторжений на охраняемые объекты на дистанциях до нескольких километров, определение критических изменений температуры технологических узлов в реальном времени, обеспечение безопасности людей и техники на предприятиях с круглосуточным производственным процессом, таких как ГОК.
В то же время потенциально подходят для целей идентификации лиц биспектральные камеры, совмещающие в едином корпусе два сенсора, один из которых тепловизионный, а другой – видимого диапазона с высоким разрешением и чувствительностью. На биспектральных камерах могут работать сложные приложения видеоаналитики, в том числе для распознавания лиц.

Дмитрий Шатунов, ОКБ "АСТРОН"

Каждое лицо, конечно, имеет свое индивидуальное тепловое изображение. Но вот способы визуализации этого находятся сегодня на таком уровне, что в большинстве тепловых диапазонов лицо предстает как бы размытым. В длинноволновом ИК-диапазоне спектра LWIR (8–12 мкм) пятно рассеяния объектива существенно превышает размеры пикселя, что приводит к уменьшению разрешения и размазыванию изображения. В области более коротких длин волн SWIR (от 0,9 до 1,7 мкм) размер дифракционного пятна рассеяния оптической системы близок к длине излучения и размеру фоточувствительного элемента. Удается построить изображения несколько более высокого разрешения и качества. Разрешение оптики и матрицы в SWIR-диапазоне сравнимы, поэтому возможно наблюдение уникальных особенностей и мелких деталей объектов, что несколько повышает вероятность их распознавания и идентификации, но не делает ее 100%-ной. Возможны разные подходы к улучшению качества изображения, но их подробное обсуждение уведет нас слишком далеко от практики.

Павел Демидов, НПК "Фотоника"

Возможно, лицо и имеет индивидуальное тепловое изображение, об этом надо спросить тех, кто проводил подобные исследования в медицине для диагностики различных заболеваний.
Практически реализовать это затруднительно, так как невозможно обеспечить повторяемость условий съемки и существует множество внешних факторов, влияющих на результат.

Николай Чура, Фирма "Видеоскан"

На мой взгляд, идентификацию человека по тепловизионному изображению лица трудно назвать эффективной. На это есть несколько принципиальных причин. Во-первых, телевизионное цветное изображение существенно более информативно как по разрешению, так и по яркостному и цветовому контрасту (длина волны от 380 (фиолетовый) до 780 нм (красный), разница более чем в два раза.
Причем цветовое восприятие составляющих различается кардинально, даже если не брать в расчет полутона. Например, рабочие ИК-диапазоны MWIR и LWIR, которые, кроме того, обусловлены окнами прозрачности атмосферы, существенно уже, чем видимые (в 1,6 и 1,8 раза). Кроме того, в реальности они еще более узкие из-за особенностей материалов фотоприемников. Более того, львиная доля современных тепловизоров работает, как правило, в диапазоне 3–5 мкм, где излучательная способность предметов, находящихся при нормальной температуре (15–25 ˚С) крайне низка. Приборы с диапазонами чувствительности NIR 650–1400 нм и SWIR 1,4–3 мкм, строго говоря, вообще нельзя отнести к тепловизорам наблюдения, поскольку максимумы излучения в этих диапазонах соответствуют температурам около 2 800 и 1 200 ˚С для абсолютно черного тела (АЧТ). И эти приборы применяются для совершенно других задач.

Распознавание каких образов целесообразно делать с помощью тепловизоров?

Олег Рубаненко, АРМО-Системы

Задача тепловизора – обнаруживать любые теплоизлучающие объекты при любой освещенности или ее отсутствии, формируя достоверную картину происходящего. Специфика конструкции и функционала этих устройств делает их незаменимыми в ситуациях затрудненной видимости, в темноте и при наличии разного рода помех (тумана, дыма и др.): только тепловизор может, например, безлунной ночью на дальнем расстоянии различить человека и животное, засечь транспортное средство и т.д. Только с помощью тепловизора можно "заглянуть" внутрь, к примеру, резервуара, чтобы определить уровень налива топлива, или предотвратить остановку конвейерной ленты из-за чрезмерного нагрева подшипников по причине отсутствия смазки. С помощью тепловизора можно вовремя заметить формирование очага пламени, предотвратив пожар. Еще опыт пандемии научил нас, что тепловизоры отлично справляются с фиксацией множества лиц в кадре для измерения температуры человека по лицу и своевременного выявления вирусоносителей. У некоторых современных тепловизионных камер есть уникальные для этого типа устройств возможности, например подсчет людей или аудиоаналитика с классификацией звуков.

Дмитрий Шатунов, ОКБ "АСТРОН"

Мне думается, что тепловизоры не имеют конкурентов при обнаружении объектов c разной тепловой сигнатурой практически в любых условиях. А вот распознавание тех или иных деталей объектов – это всегда конкретная задача, требующая привлечения специалиста. Например, при равной температурной чувствительности (менее 0,1 °С) тепловизоры спектрального диапазона 3–5 мкм более тщательно в деталях прорисуют, например, мелкие элементы фасадов зданий: переплеты окон, температурные швы, так как дифракционное разрешение оптического тракта в этом спектре выше в два раза, чем в диапазоне 7–12 мкм. В диапазоне 3–5 мкм также наблюдается повышенный тепловой контраст ИК-изображения, и он более пригоден для регистрации высокотемпературных объектов, таких как топки, пламя и пр. Приборами спектрального диапазона длин волн 7–12 мкм предпочтительнее проводить, например, термографию верхних этажей зданий, обнаруживать человека или животное. Важнейшими промышленными приложениями являются прогнозное обслуживание и мониторинг состояния с неразрушающим контролем.
К ним относятся механическое, а также высоковольтное и низковольтное электрооборудование. Другие важные области – это проведение инспекций объектов или обнаружение промышленных газов и пр. Распознавание конкретного человека в тепловом диапазоне – это сегодня интереснейшая задача, но больше научная, "на будущее". Например, есть разработки микроболометров c поляризационной чувствительностью. Они позволяют сформировать тепловое изображение объекта, содержащее гораздо больше важных для человеческого глаза деталей внутри теплового контура объекта.

Павел Демидов, НПК "Фотоника"

"Образы" больше подходят для видеоизображения. Одно из преимуществ тепловизоров – видеть в сложных метеоусловиях, а также отображать тепловую сигнатуру и производить вычисления температуры (разница температур, среднее/максимальное/минимальное значение, градиент изменения и т.п.). Но и другие качества тепловизоров весьма перспективны: визуализация утечек газов (по причине внесения газами затуханий в ИК-диапазоне на определенных длинах волн), обнаружение разливов нефтепродуктов (при использовании перспективных тепловизоров с поляризацией, способных различать отраженное и излучаемое тепло).

Достигла ли тепловизионная техника предела в миниатюризации?

Олег Рубаненко, АРМО-Системы

С одной стороны, тепловизоры становятся все компактнее и уже сравнялись по габаритам с обычными камерами видеонаблюдения. Внутри и вне помещений устанавливаются малогабаритные тепловизионные и биспектральные камеры в корпусах типа "буллит" и эстетичные модели иных формфакторов. С другой стороны, для систем охраны и безопасности миниатюрность тепловизора – не столь определяющая характеристика, как, например, разрешение тепловизионной матрицы, угол обзора объектива и др. В большинстве наших проектов внимание уделяется прежде всего параметрам неохлаждаемого сенсора и спецоптики, организации теплообмена для уличных
устройств, возможностям измерения температуры и функционалу бортовой видеоаналитики.

Дмитрий Шатунов, ОКБ "АСТРОН"

Нет, думаю, что многое еще впереди. Миниатюризация датчиков идет очень быстро, и, может быть, датчики, основанные на ныне действующих принципах, близки к пределу. А вот миниатюризация оптической системы, скажем, за счет применения металинз, еще покажет нам удивительные результаты. Когда у инженеров появится возможность заменить систему изогнутых линз, которая не менялась со времен Галилея, на одну плоскую наноразмерную структуру, это позволит радикально уменьшить размер объективов и увеличить качество получаемой картинки.

Павел Демидов, НПК "Фотоника"

В краткосрочной перспективе – да. Причина сдерживающего фактора в том, что производители не готовы предложить широкую линейку объективов с высоким разрешением (читай: качеством) для тепловизоров с матрицами, имеющими размер пикселя 12 и 8 мкм. При этом некорректно сравнивать модуль с разрешением 160х120, установленный в смартфоне, и модуль 1280х1024, так как сложность оптической схемы объективов для них различается кратно.

Николай Чура, Фирма "Видеоскан"

В миниатюризации этой техники есть физический предел: относительно большая длина волны принимаемого излучения при одновременной необходимости обеспечить хотя бы несколько сотен пикселей для изображения. С другой стороны, весьма незначительная излучательная способность объектов наблюдения, требующая больших апертур, крайне дорогих объективов из дефицитного германия.

Можно ли в ближайшие годы ожидать снижения цен на тепловизоры за счет массового выпуска?

Олег Рубаненко, АРМО-Системы

Цены на нынешние тепловизоры уже снижаются по сравнению со стоимостью их предшественников еще пару лет назад, и эта тенденция может сохраниться. Но массовость здесь – понятие растяжимое: каким бы ни было большим количество поставляемых тепловизоров, оно все равно не превысит количество классических камер видеонаблюдения. У тепловизионных камер попрежнему своя ниша, и им не вытеснить с рынка камеры видимого диапазона. Совсем бюджетные тепловизоры стоит искать в бытовом сегменте. Профессиональное оборудование, используемое для обеспечения безопасности, должно быть надежным и функциональным, готовым к работе в режиме 24/7/365 и бесшовно интегрируемым в систему видеонаблюдения. здесь важнее совокупная стоимость владения системой видеонаблюдения, преимущества от внедрения технологий, доступность сервиса.

Дмитрий Шатунов, ОКБ "АСТРОН"

В ближайшие годы, думаю, резкого снижения не будет. Постепенно процесс снижения цены идет за счет роста объемов производства и фактора масштаба производства.
А вот в среднесрочной и долгосрочной перспективе – безусловно да, снижение может быть резким... Оно будет происходить как за счет снижения стоимости датчика, так и за счет снижения цены оптики. Недавно разработанные менее дорогие альтернативные материалы для ИК-диапазонов представляют собой аморфные халькогенидные стекла. Эти стекла также имеют улучшенные возможности коррекции хроматических аберраций линз. И это еще не предел…
Недавно, например, прошло сообщение, что команда из университета Флиндерса разработала новый полимерный материал, изготовленный из серы и циклопентадиена, дешевый и очень эффективный для ИК-применений. Так что в этой области прогресс будет…

Павел Демидов, НПК "Фотоника"

Безусловно, это ожидаемо именно для массового применения в охранном видеонаблюдении и недорогих диагностических моделях (в том числе встраиваемых), при использовании болометров с технологией WLP. Для модулей, использующих болометры в керамических корпусах, а тем более в металлических с элементами Пельтье, – вряд ли.
Отмечу в завершение, что все мои комментарии справедливы для тепловизоров в диапазоне LWIR без охлаждения с микроболометрами VOx и a-Si.

Николай Чура, Фирма "Видеоскан"

По всей видимости, это маловероятно. Особенно это касается тепловизоров наблюдения, являющихся сложными и наукоемкими устройствами.
Простые изделия, например дистанционные измерители температуры, простейшие бытовые охотничьи прицелы или бытовые тепловизоры для смартфонов, здесь не являются примером.
Это действительно массовая продукция. Кроме того, все эти изделия являются исключительно зарубежными образцами. даже те, которые имеют отечественные наименования.

Опубликовано в журнале "Системы безопасности" № 3/2023

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

Фото: ru.freepik.com