Тепловидение – передовая технология дистанционного наблюдения и съемки, которая преобразует инфракрасное (тепловое) излучение в визуальные изображения, отображающие распределение температурных различий в наблюдаемой сцене. Эта захватывающая техника стала важным инструментом в охоте и изучении природы, научных исследованиях, в военной и правоохранительной деятельности, многих других областях. В этой статье собрана главная информация о том, что такое термальное изображение, история и принципы работы тепловизоров, преимущества и области применения технологии.

Принцип действия тепловизора

Тепловизионный прицел AN/PAS-13 Heavy Weapon Thermal Sight (HWTS), установленный на пулемет M2 (США).

Термальное изображение — это результат перевода тепловой энергии (инфракрасного излучения) в видимый спектр, который визуализирует различия в температуре различных объектов. Съемка данных термального изображения осуществляется в режиме реального времени на различных платформах, включая сухопутные, морские и воздушные транспортные средства. Большое распространение получили и компактные наблюдательные приборы и прицелы для стрелкового оружия.

Стоимость и чувствительность тепловизоров зависит от диаметра используемого германиевого объектива. Применять этот редкий материал приходится так как традиционное стекло полностью непрозрачно для инфракрасного излучения с длиной волны от 8 до 12 микрон, которая соответствует рабочему диапазону инфракрасных матриц в портативных тепловизорах. Из-за этого для создания объективов тепловизоров необходимо дорогостоящее вещество — чистый германий, основные месторождения которого в России находятся под Красноярском. Стоимость оптического германия на рынке составляет от 2300 долларов за килограмм, что делает германиевые объективы чрезвычайно дорогими. Например, чтобы иметь возможность видеть объект размером с кабана на расстоянии 1 км, необходим объектив с диаметром входной линзы не менее 100 мм. Несмотря на активные поиски альтернативного материала для производства объективов как в России, так и за рубежом, пока что германий остается незаменимым.

Как работает тепловизор

Современные тепловизоры базируются на особых матричных детекторах температуры — болометрах. Эти устройства содержат в себе сетку микроскопических тонкопленочных терморезисторов, образующих матрицу. Сфокусированный свет сканируется фазированной решеткой элементов этого детектора. Детекторные элементы создают подробнейшую температурную картину пространства, называемую термограммой. Массиву детекторов требуется всего около одной тридцатой секунды, чтобы получить информацию о температуре и построить термограмму. Готовая термограмма преобразуется в электрические импульсы, они попадают в блок обработки сигналов, который переводит информацию от элементов ИК-детектора в данные для отображения. Затем блок обработки сигналов отправляет информацию на дисплей, где она отображается в виде различных цветов в зависимости от интенсивности инфракрасного излучения (температуры объекта). Сочетание всех импульсов от всех элементов создает изображение, которое видит наблюдатель.

На рынке тепловизионных приборов наиболее распространены матрицы с разрешениями 320x240 и 640x480. Однако существуют и более передовые матрицы, способные достигать разрешения в мегапикселях. Впрочем, стоит понимать, что это разрешение значительно ниже, чем у современных фото- и видеокамер, которые могут иметь десятки мегапикселей. Хотя на фоне современных стандартов разрешение тепловизионных матриц может показаться невелико, их применение представляет уникальные возможности по обнаружению людей и животных.

Одно из главных преимуществ тепловизоров заключается в их способности видеть ночью, а также сквозь дым, пыль, туман и растительность гораздо эффективнее, чем с помощью обычной дневной оптики. Это делает тепловизионные приборы самым эффективным средством для обнаружения животных в различных атмосферных условиях, которые могут быть недоступны для других систем визуального наблюдения.

Тем не менее, атмосферные условия влияют на дальность выявления цели. Даже в ясную погоду чем дальше от камеры находится распознаваемый объект, тем больше будут потери полезного сигнала за счет того, что атмосфера поглощает тепловое излучение. Сильный дождь или снегопад будут охлаждать поверхность выявляемого объекта, осложняя работу тепловизора. Но даже в самых сложных погодных условиях, днем и особенно ночью тепловизор будет иметь преимущество перед оптическими системами.

Термальное наблюдение является полностью пассивной технологией, которая может использоваться как днем, так и ночью. Камере не требуется дополнительная инфракрасная подсветка, что существенно снижает потенциальные стрессовые воздействия на дикую природу во время сбора данных. Для военного применения этот фактор также имеет ключевую роль, так как бойца с тепловизионным прицелом не будет демаскировать инфракрасный фонарь.

Важно понимать принцип работы термальной камеры: она визуализирует не саму температуру, а разницу температуры объекта относительно фона, что позволяет обнаруживать животных, которые холоднее, теплее или имеют примерно ту же температуру, что и их окружение. Это делает тепловизор бесценным инструментом для исследования животного мира и поиска целей.

Виды термографических камер

SUMO-C320 (Чехия) — чувствительная средневолновая тепловизионная камера с охлаждением, способна обнаружить человека на дистанции до 10 км.

Существуют два типа термографических камер: с охлаждаемыми инфракрасными детекторами и с неохлаждаемыми детекторами. Охлаждаемые камеры обеспечивают более высокую чувствительность и точность, но они дороже, сложнее в эксплуатации и имеют массивный размер. По этой причине используются стационарно в научных и медицинских целях, а также устанавливаются на технику.

Основные преимущества охлаждаемых матриц – высокая контрастная чувствительность и бо́льшая дальность обнаружения. Значительная стоимость – адекватная плата за незаменимость при выполнении определенного рода задач, в частности, когда необходимо идентифицировать цель на значительном расстоянии, например, свыше двух километров. Поэтому, если на первом месте стоит дальность работы тепловизора, без охлаждаемых камер не обойтись.

Неохлаждаемые камеры менее чувствительны, но достаточно компактны для использования одним человеком и более доступны, что делает их удобными для широкого круга применений.

Когда появилась тепловизионная съемка?

Американский армейский карабин M1 с прицелом M3.

Тепловизионные камеры, используемые сегодня, основаны на технологии, которая первоначально была разработана для военных. В 1929 году венгерский физик Кальман Тиханьи изобрел термографическую камеру с инфракрасной чувствительностью для противовоздушной обороны Великобритании, однако его прототип не получил распространения.

Тепловизоры заняли важное место в военно-морском флоте – корабли смогли ориентироваться в темноте в прибрежной зоне, соблюдая требования светомаскировки. Затем наработки моряков заимствовали ВВС. Специалисты приводят в качестве примера факт обнаружения при помощи инфракрасной сигнатуры в ночном небе самолета. Впервые это сделали англичане в 1937 году. Расстояние, на каком тогда работал тепловизор, составляло всего порядка 500 метров, но для технологий того времени даже это было серьезным успехом.

Позже, ранние тепловизионные приборы применялись армией США во время Корейской войны (1950 - 1953 года).

В Советском союзе активная разработка тепловизионной техники для нужд вооруженных сил велась с 1960-х годов. Первым советским тепловизором стал прибор под названием «Пособие 1» (1ПН59), его устанавливали на подвижном разведывательном пункте «Нард». Машина на базе БМП-1 была предназначена для разведки и целеуказания ракетно-артиллерийским системам. Тепловизор был способен распознать цель на дальности до двух километров.

Где используется тепловидение?

Тепловизионные камеры нашли широкое применение в самых разных областях деятельности человека. Эти приборы стоят дорого, но позволяют экономить большие деньги, ведь профилактика проблемы всегда дешевле исправления последствий.

Строительство и инженерное дело

При обслуживании электрооборудования тепловидение позволяет специалисту обнаруживать соединения и детали, подверженные перегреву, поскольку они излучают больше тепла, чем безопасные участки проводки. Такая проверка помогает избежать пожара.

Сантехники используют тепловизоры для обследования мест возможных протечек. Поскольку эти приборы можно использовать на расстоянии, они идеально подходят для поиска потенциальных проблем в трубопроводах, особенно на труднодоступных участках.

Строители, работающие с теплоизоляцией, используют визуализацию для быстрого обнаружения утечек, что важно для поддержания эффективной терморегуляции в здании. С первого взгляда они могут проанализировать конструкцию здания и выявить дефекты. Потери тепла через стены, двери и окна — это распространенные проблемы теплоизоляции, которые легко обнаруживаются тепловизором. Для инженерных нужд часто используются тепловизионные модули, присоединяемые к обычному смартфону. Такие устройства стоят относительно недорого, но их функциональности хватает, чтобы выявить все места утечек тепла.

Транспорт и навигация

Тепловизоры активно используются в морской навигации, облегчая движение кораблей в ночное время. Также, в качестве эксперимента, на грузовых автомобилях стали устанавливать тепловизоры для предупреждения водителей о людях и животных, находящихся в «слепых зонах».

Медицина

В здравоохранении тепловизоры также находят практическое применение, например, для обнаружения лихорадки и температурных аномалий. Это особенно важно в аэропортах, где тепловизионные камеры позволяют быстро и точно просканировать всех входящих и выходящих пассажиров на предмет повышенной температуры, что было крайне важно во время недавних вспышек таких заболеваний, как Covid-19 и лихорадка Эбола. Кроме того, тепловизоры помогают диагностировать различные заболевания, связанные с шеей, спиной и конечностями, а также нарушения кровообращения.

Пожарные и спасательные работы

Тепловидение помогает пожарным видеть сквозь дым, особенно во время спасательных операций, когда они ищут людей в горящем здании. Они также используют тепловизоры для быстрого обнаружения очагов возгорания, чтобы успеть принять меры до их распространения. При поисковых операциях в горах, в лесу и на море тепловизионные камеры также помогают найти пострадавших.

Охота и наблюдение за животными

Тепловидение является отличной технологией для охотников и биологов, экологических исследований. Тепловизионные данные снимаются в реальном времени с различных платформ, включая наземные, морские и воздушные аппараты. Тепловое излучение проникает через дым, туман, пыль, растительность более эффективно, чем видимое излучение, поэтому тепловизоры превосходят обычную оптику, особенно ночью.

В некоторых странах запрещено владеть ночной и тепловизионной оптикой, в других нельзя использовать эти приборы для охоты. Так дело обстоит в Исландии, а во Франции разрешено использование только наблюдательных приборов, но нельзя применять системы установленные, на огнестрельном оружии. В большинстве стран Европы ночная охота запрещена. Тем не менее, есть исключения, особенно когда речь идет о регулировании популяции вредных видов животных, таких, как кабаны, которые способны нанести значительный ущерб. В России охотиться с тепловизором можно.

Правоохранительные и военные операции

Правоохранительные органы включают тепловизоры в список снаряжения сотрудников для наблюдения при охране объектов, обнаружения подозреваемых, особенно в ночное время. Они превосходят приборы ночного видения, так как не требуют дополнительной ИК-подсветки что очень важно для выполнения тактических задач. Ведь противник с прибором ночного видения легко обнаружит инфракрасный фонарь. Высокую эффективность имеют тепловизионные камеры, установленные на беспилотных летательных аппаратах.

Тепловизионные прицелы входят в обязательный список оснащения специальных подразделений Министерства обороны, Росгвардии и других силовых ведомств. Преимущество тепловизора перед прибором ночного видения в отсутствии засветки днем – он работает в любое время суток.

Тепловизионный прицел AN/PAS 13, установленный на пулемет M240B (США).

Заключение

Для обеспечения точности обнаружения и регистрации измерений очень важно использовать высококачественный и подходящий под задачи прибор. Существенное различие между различными типами тепловизоров заключается в разрешении и четкости получаемых изображений.

Тепловидение — это впечатляющий, быстрый и удобный метод идентификации, измерения и визуализации тепловых моделей, особенно в условиях недостатка видимого света. Вооружившись эффективной и высококачественной тепловизионной камерой, можно решить широкий спектр задач — от промышленного применения до здравоохранения, обеспечения безопасности, научных исследований и многого другого.