Принцип работы тепловизора
2 июня 2021
В инженерной практике существует понятия объекта и фона.
Объектом обычно выступают предметы, которые необходимо обнаружить и рассмотреть (человек, автотранспорт, животное и т.п.), фоном является все остальное, не занятое объектом наблюдения, пространство в поле зрения прибора (лес, трава, здания и т.п.)
Действие всех тепловизионных систем основано на фиксировании температурной разницы пары «объект/фон» и на преобразовании полученной информации в изображение, видимое глазом.
Вследствие того, что все тела вокруг нагреты неравномерно, складывается некая картина распределения ИК-излучения.
И чем больше разница интенсивности инфракрасного излучения тел объекта и фона, тем более различимым, то есть контрастным, будет изображение, получаемое тепловизионной камерой.
Современные тепловизионные приборы способны обнаруживать температурный контраст 0.015…0.07 градусов.
В то время как подавляющая часть приборов ночного видения, работающих на основе электронно-оптических преобразователей (ЭОП) или матриц КМОП/ПЗС, улавливают инфракрасное излучение с длиной волны в диапазоне 0,78…1 мкм, что лишь немногим выше чувствительности человеческого глаза, основным рабочим диапазоном тепловизионной аппаратуры являются 3…5,5 мкм (средневолновой ИК-диапазон, или MWIR) и 8…14 мкм (длинноволновой ИК-диапазон, или LWIR).
Именно здесь приземные слои атмосферы прозрачны для ИК-излучения, а излучательная способность наблюдаемых объектов с температурой от -50 до +50ºС максимальна.
|
|
| Спектральный диапазон и окна прозрачности атмосферы |
Тепловизор — электронный наблюдательный прибор, строящий изображение разности температур в наблюдаемой области пространства.
Основой любого тепловизора является болометрическая матрица (сенсор), каждый элемент (пиксель) которой с высокой точностью замеряет температуру.
Достоинство тепловизоров в том, что им не требуются внешние источники освещения – сенсор тепловизора чувствителен к собственному излучению объектов.
Вследствие этого тепловизоры одинаково хорошо работают днем и ночью, в том числе в абсолютной темноте.
Как отмечалось выше, плохие погодные условия (туман, дождь) не создают непреодолимых помех тепловизионному прибору, в то же время делая обычные ночные приборы совершенно бесполезными.
Упрощенно, принцип работы всех тепловизоров описывается следующим алгоритмом:
• Объектив тепловизора формирует на сенсоре температурную карту (или карту разности мощности излучения) всей наблюдаемой в поле зрения области
• Микропроцессор и другие электронные компоненты конструкции считывают данные с матрицы, обрабатывает их и формируют на дисплее прибора изображение, являющееся визуальной интерпретацией этих данных, которое напрямую или через окуляр рассматривает наблюдатель.
В отличие от приборов ночного видения на базе электронно-оптических преобразователей (назовем их аналоговыми), тепловизоры, как и цифровые приборы ночного видения, позволяют реализовать большое количество пользовательских настроек и функций.
Например, регулировка яркости, контраста изображения, изменение цвета изображения, ввод в поле зрения различной информации (текущее время, индикация разряда батарей, пиктограммы активированных режимов и т.п.), дополнительное цифровое увеличение, функция «картинка в картинке» (позволяет в отдельном небольшом «окне» выводить в поле зрения дополнительное изображение объекта целиком или какой-то его части, в том числе увеличенное), временное отключение дисплея (для энергосбережения и маскировки наблюдателя за счет исключения свечения работающего дисплея).
Для фиксации изображения наблюдаемых объектов в тепловизоры могут быть интегрированы видеорекордеры. Можно реализовать такие функции как беспроводная (радиоканал, WI-FI) передача информации (фото, видео) на внешние приемники или удаленное управление прибором (например, с мобильных устройств), интеграция с лазерными дальномерами (с вводом информации от дальномеров в поле зрения прибора), GPS-датчиками (возможность фиксации координат объекта наблюдения) и т.
д.
Тепловизионные прицелы по отношению к «аналоговым» ночным прицелам для охоты также имеют ряд отличительных черт.
Прицельная метка в них обычно «цифровая», т.е. изображение метки во время обработки видеосигнала накладывается поверх изображения, наблюдаемого на дисплее, и перемещается электронным образом, что позволяет исключить из состава прицела механические узлы ввода поправок, входящие в состав ночных аналоговых или дневных оптических прицелов и требующие высокой точности изготовления деталей и сборки этих узлов.
В цифровых и тепловизионных прицелах может быть реализовано хранение в памяти большого количества прицельных сеток, имеющих различную конфигурацию и цвет, удобная и быстрая пристрелка с помощью функций «пристрелка одним выстрелом» или «пристрелка в режиме Freeze», функция автоматического ввода поправок при изменении дистанции стрельбы, запоминание координат пристрелки для нескольких оружий, индикация наклона (завала) прицела и многое другое.
__________________________________
по материалам компании PULSAR
Поделиться в соц. сетях:
Принцип работы тепловизора
BBRC.RU
/
Статьи
/
Принцип работы тепловизора Принцип работы тепловизора
Тепловизионные приборы очень быстро приобрели большую популярность и стали востребованными во многих отраслях промышленности, коммунальной сфере и для частного использования благодаря способности идентифицировать тепловые волны.
Как работает прибор
Каждый предмет как одушевленный, так и неодушевленный, независимо от того перемещается он или находится в статическом положении, излучает электромагнитные волны, которые перекрывают достаточно широкий частотный диапазон, в том числе захватывают инфракрасный спектр. Излучение в таком спектре еще называется тепловым. Его интенсивность зависит от температуры объекта и практически не меняется от степени освещения.
Тепловизор представляет собой прибор, способный не только фиксировать тепловое излучение объектов, но и визуализировать его в доступном для человеческого глаза виде. Для этого он комплектуется специальным объективом. Линзы этого объектива отличаются уникальной способностью беспрепятственно пропускать тепловое излучение, в то время как обычное стекло задерживает ИК-лучи.
С помощью системы линз инфракрасные волны позиционируются на специальную матрицу. Она представляет собой совокупность датчиков, способных реагировать на тепловые волны. Информация в виде токовых посылок считывается процессором с матрицы и преобразуется в видеосигнал, выводимый на устройство отображения, которым может быть экран прибора или внешний монитор. Из-за разности температуры окружающей среды и объекта на дисплее получается контур изображения. В современных устройствах разные волны в зависимости от температуры отображаются разным цветом.
Для удобства пользователя поверх кадра может выводиться шкала, которая отображает соответствие цвета любой точки изображения значению абсолютной температуры наблюдаемого объекта.
Предоставляется возможность также обозначать максимальное и минимальное значение температуры на изображении. Точность вычисления современных приборов составляет 0,05 градуса, поэтому картинка получается максимально реалистичной. Тепловизор настраиваются на работу с тепловыми волнами, имеющими длину 3,0–5,5 мкм, поэтому приземный слой атмосферы для него получается почти прозрачным, а природные явления в виде тумана, дождя, снега и дыма минимально влияют на чувствительность.
Типы детекторов
Матрица представляет собой микросхему с набором специальных диодов, отличающихся светочувствительностью, и свойством менять сопротивление в зависимости от интенсивности инфракрасных лучей. Благодаря современным технологиям матрица имеет компактные размеры и отличается низким энергопотреблением. Для получения качественной картинки необходимо минимизировать цифровой шум, поэтому конструктивно предусмотрены программные и аппаратные средства для ее охлаждения. В самых современных приборах ПЗС-матрица заменена на микроболометрическую, которая не требует охлаждения.
Область использования
Способность тепловизора измерять разницу температуры и визуализировать таким образом тепловое излучение востребована во многих областях деятельности человека. Использование прибора для энергоаудита предусматривает:
- контроль степени теплоизоляции промышленных и коммунальных объектов, дверных и оконных проемов, а также подвалов и крыш домов;
- измерение теплопроводности материалов;
- нахождение точек утечки теплопотерь в домах и тепловых системах;
- определение разгерметизации инженерных систем: вентиляции, кондиционирования, а также теплоснабжения и электроснабжения;
- обследование фасадов домов в отопительный период;
- диагностику дымовых труб и теплообменников.
Свойство тепловизоров идентифицировать предметы по инфракрасному излучению делает их намного эффективнее приборов ночного видения, поэтому они востребованы в разных сферах, в том числе военной и судоходной, с целью контроля и обеспечения безопасности.
Незаменимый прибор для ведения ночной охоты в любую погоду, а также в путешествиях для ориентации в ночное время и поиска заблудившихся в лесу людей. Является практичным помощником и для автовладельцев, так как позволяет увидеть объекты намного дальше зоны, освещенной фарами.
Популярные бренды
Производитель Flir представляет широкий ассортимент тепловизоров специальными модельными линейками для диагностического оборудования, строительства, охранных систем, коммерческой безопасности, научных, а также исследовательских работ, судоходства, газовой промышленности, охраны правопорядка, пожаротушения и охоты. Тепловизоры Flir характеризуются хорошим разрешением и детализацией, позволяют выполнять широкий спектр задач.
Под брендом Fluke представлены тепловизоры трех серий: производительной, профессиональной и экспертной. Приборы обеспечивают хорошее качество и предлагаются по приемлемой стоимости.
Хорошая детализация и четкость изображения. Все модели тепловизоров Fluke комплектуются съемной картой SD и отличаются простым пользовательским интерфейсом.
Известный производитель Testo предлагает пользователям тепловизоры практически для всех сфер использования. Тепловизоры Testo удобные и простые в эксплуатации.
Pulsar — крупный изготовитель оптической техники. Тепловизоры для охоты Pulsar являются оптимальными для обеспечения охранной деятельности, а также оперативно-розыскных мероприятий. Отличные приборы для ночной охоты, а также в условиях плохой видимости.
Отечественный производитель тепловизионных прицелов Fortuna поставляет приборы, отлично подходящие для ночной охоты, отличающиеся высоким разрешением и при этом самой низкой ценой. Ассортимент включает самые разные модели для решения любых задач.
Тепловизоры Guide — практичные приборы по доступной цене с хорошими функциональными возможностями.
Отличаются удобством в использовании.
Производителем Dali изготавливаются приборы для энергетики, строительства и металлургии. Тепловизоры оборудованы матрицами высокого разрешения и представляют собой оптимальное соотношение цены и качества.
ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ АППАРАТОВ
В технике существуют понятия объекта и фона. Объекты — это обычные вещи, которые необходимо обнаружить и исследовать (люди, транспортные средства, животные и т. д.), фон — все остальное, не охватываемое объектом в поле зрения (лес, трава, здания и т. д.)
Работа все тепловизионные системы основаны на восприятии разницы температур между двумя вещами, т. е. объектом на фоне, и на преобразовании этой разницы в видимое изображение. Поскольку все тела нагреваются неодинаково, возникает картина распределения ИК. Чем выше разница между интенсивностью ИК-излучения объекта и интенсивностью ИК-излучения фона, тем более четким и контрастным будет тепловое изображение.
Современные тепловизионные приборы способны регистрировать перепады температур в пределах 0,015-0,07°С.
Большинство приборов ночного видения, основанных либо на ЭОП, либо на КМОП/ПЗС-сенсорах, обнаруживают ИК-излучение в диапазоне длин волн 0,78–1 мкм, что лишь на долю выше спектральной чувствительности человеческого глаза. Тепловизоры работают в диапазоне длин волн 3–555 мкм (MWIR или средневолновой инфракрасный диапазон) и 8–14 мкм (LWIR или длинноволновый инфракрасный диапазон). В этом диапазоне длин волн приземные приземные слои атмосферы прозрачны для ИК-излучения, а излучательная способность наблюдаемых объектов с температурами от -50 до +50°С наиболее высока.
Тепловизор — электронный прибор наблюдения, создающий изображение перепада температур в наблюдаемом участке пространства. Основным компонентом каждого тепловизора является микроболометрическая матрица (тепловой датчик), и каждый элемент изображения этой матрицы (пиксель) может измерять температуру с высокой точностью.
Преимущество тепловизоров заключается в том, что они не нуждаются во внешних источниках освещения, это пассивные системы, которые хорошо работают как днем, так и в кромешной тьме ночью. Как упоминалось ранее, плохие погодные условия, такие как туман или дождь, не создают препятствий для тепловизора, в этих условиях обычные приборы ночного видения были бы совершенно бесполезны.
Работу всех тепловизионных устройств можно описать следующим образом:
- Объектив тепловизора формирует температурную карту всего, что находится в поле зрения, на поверхности тепловизионного датчика (также называемую температурной разницей карта)
- Микропроцессор и другие электронные элементы считывают данные с термодатчика, обрабатывают их и формируют на дисплее форму, представляющую собой визуальную интерпретацию данных. Затем это изображение просматривается наблюдателем через окуляр или непосредственно на экране.
Тепловизоры имеют больше общего с цифровыми приборами ночного видения, чем с приборами ночного видения с усилением изображения (обычно называемыми аналоговыми системами), и допускают большее количество пользовательских настроек и регулировок.
Например, настройки яркости и контрастности, настройки цвета изображения, внесение вспомогательной информации в поле зрения (текущее время, уровень заряда батареи, значки активных режимов и т.д.), цифровой зум, картинка в картинке (дисплеи увеличенное изображение наблюдаемого объекта или его части в дополнительном небольшом окне) и функции отключения дисплея (используются для энергосбережения и предотвращения засветки).
Тепловизионные и цифровые оптические прицелы также могут иметь множество функций, которые могут помочь стрелку, например, несколько выбираемых сеток различной формы и цвета, удобные и быстрые функции пристрелки, такие как «пристрелка одним выстрелом» и «заморозка», автоматическая пристрелка в зависимости от расстояния функции коррекции, несколько профилей пристрелки для разных винтовок, индикация бокового наклона, угла возвышения и многое другое.
По сравнению с аналоговыми оптическими прицелами ночного видения сетка в цифровых и тепловизионных приборах обычно «цифровая», т.
е. изображение сетки накладывается на изображение сцены посредством видеообработки. При расположении изображения наблюдаемого объекта и сетки в одной плоскости (плоскости отображения) устраняются такие эффекты, как параллакс. Прицельная сетка перемещается электронным способом, что позволяет удалить элементы механической коррекции, обычно используемые в аналоговых прицелах. Следовательно, эти механические корректирующие элементы, требующие дорогостоящего прецизионного процесса изготовления и сборки, могут быть полностью удалены из цифровых и тепловых устройств.
Тепловизоры также могут иметь встроенные видеорегистраторы для фото- и видеосъемки наблюдаемых объектов и многие другие вспомогательные функции, такие как беспроводная передача данных (фото, видео) (радиоканал, Wi-Fi) на внешние устройства, дистанционное управление устройства (например, с помощью мобильного устройства), интеграция с лазерным дальномером (с выводом данных с дальномера на экран устройства) и интеграция с GPS-датчиками (геопозиционирование) и т.
д.
Как работают тепловизоры ?
Тепловизор — это бесконтактное устройство, которое улавливает инфракрасную энергию (тепло) и преобразует ее в визуальное изображение. Давайте погрузимся в науку о тепловизионных камерах и невидимом мире тепла, который они позволяют нам видеть.
Как работают тепловизионные камеры?
Обнаружение инфракрасных волн, невидимого светаПервое, что нужно знать о тепловизионных камерах, это то, что они не работают как обычные камеры. Обычные камеры дневного света и человеческий глаз работают по одному и тому же основному принципу: энергия видимого света попадает на что-то, отражается от него, детектор принимает отраженный свет и затем превращает его в изображение.
Тепловизоры делают снимки от тепла, а не от видимого света.
Тепло (также называемое инфракрасной или тепловой энергией) и свет являются частями электромагнитного спектра, но камера, которая может обнаруживать видимый свет, не увидит тепловую энергию, и наоборот. Тепловизионные камеры улавливают инфракрасную энергию и используют данные для создания изображений через цифровые или аналоговые видеовыходы.
Крейг Билс объясняет электромагнитный спектр в Invisible Labs.
Внутри камерыТепловизионная камера состоит из объектива, термодатчика, обрабатывающей электроники и механического корпуса. Объектив фокусирует инфракрасную энергию на датчик. Датчик может иметь различные конфигурации пикселей от 80 × 60 до 1280 × 1024 пикселей и более. Это разрешение камеры.
Эти разрешения являются низкими по сравнению с формирователями изображения в видимом свете, потому что тепловые детекторы должны воспринимать энергию, длина волны которой намного больше, чем у видимого света, поэтому каждый элемент датчика должен быть значительно больше.
В результате тепловизионная камера обычно имеет гораздо более низкое разрешение (меньше пикселей), чем видимые датчики того же механического размера.
- Важные характеристики, которые следует учитывать при выборе тепловизионной камеры, включают разрешение, диапазон, поле зрения, фокус, тепловую чувствительность и спектральный диапазон. Нажмите, чтобы узнать больше.
Что могут обнаруживать тепловизионные камеры?
Тепло, воспринимаемое инфракрасной камерой, может быть очень точно измерено, что позволяет использовать его в самых разных областях. Тепловизионная камера FLIR может обнаруживать мельчайшие различия в тепле — всего 0,01 °C — и отображать их в виде оттенков серого или с помощью различных цветовых палитр.
То же изображение с разницей температур в палитрах Ironbow и White Hot.
Все, с чем мы сталкиваемся в повседневной жизни, выделяет тепловую энергию, даже лед. Чем горячее что-то, тем больше тепловой энергии оно излучает.
Эта излучаемая тепловая энергия называется «тепловой сигнатурой». Когда два объекта рядом друг с другом имеют даже слегка различающиеся тепловые сигнатуры, они довольно четко видны для теплового датчика независимо от условий освещения. Это позволяет тепловизионным камерам видеть в полной темноте или в задымленных помещениях.
- Тепловизионные камеры могут видеть многие вещи, которые наши глаза или обычные камеры не могут видеть, но могут быть заблокированы некоторыми неожиданными материалами. Нажмите, чтобы узнать больше.
Для чего используются тепловизионные камеры?
Тепловидение и технологию ночного видения часто путают, но каждая из них имеет свои уникальные особенности и сильные стороны.
Возможности использования тепловизионных камер практически безграничны. Первоначально разработанные для наблюдения и военных операций, тепловизионные камеры в настоящее время широко используются для проверки зданий (влажность, изоляция, кровля и т.