• Категорія: Новини

Аналіз розвитку та застосування тепловізорів

Аналіз розвитку та застосування тепловізорів

В даний час в різних галузях багато уваги приділяється розвитку тепловізійної техніки. Військова промисловість вирішують з її допомогою ряди специфічних завдань і постійно збільшують її застосування. Але актуальною і систематизованої інформації для збалансованого вирішення завдань, особливо з урахуванням поточного моменту часу, не так вже й багато.

Так само існують різні підходи до вирішення завдань, як суто технічний, так і планово-фінансовий, коли експерт намагається вирішити технічне завдання користувача (замовника) для виконання свого плану продажів з паралельним збільшенням фінансової складової необґрунтовано.

Теплобачення працює з власним тепловим випромінюванням тіл. Далі розглянемо трохи теорії теплобачення для більш правильного орієнтування в способах вирішення завдань.

Видиме світло займає лише невелику частину спектру електромагнітних коливань. ІЧ-випромінювання відрізняється від видимого світла більшою довжиною хвилі (меншою частотою), але фізика поширення електромагнітних хвиль ідентична.

Image

Теплове випромінювання ослабляється при проходженні через атмосферу внаслідок поглинання молекулами газів, аерозолями, опадами, димом, туманом, смогом та іншими перешкодами. Основні речовини, які поглинають ІЧ-випромінювання в широких смугах з центрами, що відповідають зазначеним довжинам хвиль наведені нижче:

  1. вода (2,7; 3,2; 6,3 мкм);
  2. вуглекислий газ (2,7; 4,3; 15 мкм);
  3. озон (4,8; 9,6; 14,2 мкм);
  4. закис азоту (4,7; 7,8 мкм);
  5. окис вуглецю (4,8 мкм);
  6. метан (3,2; 7,8 мкм).

Без урахування ослаблення в щільних середовищах, молекулярне поглинання є основною причиною ослаблення випромінювання, причому найбільш сильно випромінювання поглинається парами води, вуглекислим газом і озоном. У нижніх шарах атмосфери поглинанням закисом азоту і окисом вуглецю можна знехтувати, що визначає два основних вікна прозорості атмосфери:

Середньохвильового - 3-5 мкм;
Довгохвильового - 7-14 мкм.

Наявність цих вікон прозорості означає те, що більшість тепловізорів повинні працювати в цих діапазонах.

Тепловізори діляться на два основні класи:
  1. На основі приймача з фотоелектричним ефектом, який потрібно охолоджувати до кріогенних температур (наприклад зрідженим гелієм або азотом) для забезпечення його роботи, тому його називають охолоджувальним;
  2. На основі приймача з терморезистивним ефектом (болометричний приймач), які працюють при нормальних умовах, тому його називають неохолоджуваним.
Середньохвильовий (3-5 мкм) діапазон характерний для охолоджуваних тепловізорів, оскільки в цьому діапазоні енергії кванта достатньо, щоб під впливом інфрачервоного випромінювання електрони перейшли в зону провідності, тому застосовують приймачі з фотоелектричним ефектом.

В даний час розвиваються три основних технології короткохвильових приймачів:

  1. телурид кадмію-ртуті (MCT - mercury-cadmium-telluride) відомий також під абревіатурою HgCdTe - є найпоширенішим напівпровідниковим матеріалом для інфрачервоних фотоприймачів;
  2. квантові ями - Quantum-Well Infrared Photodetector (QWIP) - в даний час на початковій стадії розвитку;
  3. надрешітки (SLS) з напруженими шарами тип-II на основі арсенідів і антимонидів - при подальшому розвитку та доступності технології можуть стати реальною масовою альтернативою технології MCT і забезпечити кращу температурну чутливість 12-15 мк (тисячних часток градуси) проти 17-19 мк у МСТ).

Варто зазначити, що у військових сферах застосування зустрічаються рішення зміщення спектральної чутливості охолоджуваних тепловізорів в довгохвильову область (7-14 мкм) з метою знизити вплив поганих атмосферних умов (смог, дим, туман, дощ, сніг і т.п.), але розплачуватися за це доводиться втратою температурної чутливості (наприклад, у популярного сучасного тепловізора на основі МСТ параметр NETD - Noise Equivalent Temperature Difference - еквівалентна шумова різниця температур в короткохвильовому діапазоні становитиме 17-19 мк (тисячних часток градуса), а в довгохвильовому вже 23-29 мк) та просторової роздільної здатності, що підвищує вимоги до оптики.

Приклади охолоджуваних тепловізорів без оптики:
Image
Image
Image

Довгохвильовий (7-14 мкм) діапазон більш характерний для неохолоджувальних тепловізорів, оскільки виявляти випромінювання в цій ділянці спектра обгрунтованіше за допомогою терморезистивного ефекту.

На даний час активно розвиваються дві основні технології довгохвильових приймачів:

  1. окис ванадію (VOx - vanadium oxide);
  2. аморфний кремній (a-Si - amorphous silicon).
Слід звернути увагу на деякі відмінності цих матеріалів з метою оцінки потенціалу розвитку кожного з них. Електричний опір комірки (пікселів) змінюється при опроміненні їх ІК випромінюванням, використання цієї зміни для побудови відеозображення і є терморезистивний ефект, а приймачі, які його використовують називаються болометрами. Опорний опір комірок побудованої на основі a-Si вимірюється в мегаомах (мільйонами Ом), а VOx - сотнею кілоом (сотнею тисяч Ом).
Приклади неохолоджуваних тепловізорів:
Image
Image

Розглянемо застосування і особливості охолоджуваних і неохолоджуваних тепловізорів з урахуванням нинішнього стану ринку і розвитку технологій.

Розглянемо охолоджувані тепловізори.

Основними перевагами охолоджуваних тепловізорів є:

  • просторова роздільна здатність - вони працюють в середньохвильовому діапазоні. Кутова дифракційна межа (мінімальний кутовий розмір монохроматичного джерела відповідно до критерію Релея) охолоджуваного тепловізора, має порядок 0,08 мрад (близько 0,004 градуса). Використання більш компактної оптики, з великою кількістю оптичних елементів забезпечує охолоджувальним приймачам великі можливості збільшення, що, в свою чергу, дозволяє істотно збільшити робочу дальність спостереження при відповідному звуженні поля зору (10 км, при прийнятних габаритах, для сучасного охолоджуваного тепловізора не межа). Варто звернути увагу на те, що в сучасних неохолоджуваних тепловізорах розмір комірки теж зменшується, на сьогоднішній день стандартним є розмір комірки 17 мкм і з'являється все більше пропозицій з розмірами 15, 12, 10 і навіть 6 мкм), що теж знижує вимоги до габаритів оптики, у той час як для охолоджувальних вже тривалий час стандартним є розмір комірки 15 мкм, а роботи щодо переходу на 10 та 6 мкм тривають.
  • чутливість до різниці температур - наприклад, охолоджуваний InSb тепловізор розрізняє перепади в 20-25 мк при застосуванні оптики з відносним отвором 5,0. Однак, варто зазначити, що температурна чутливість неохолоджуваних приймачів постійно поліпшується за рахунок поліпшення обробки (збільшенням розрядності АЦП, наприклад) змін опорів комірки (як за рахунок збільшення частоти опиту комірок, так і за рахунок фіксації змін з меншою амплітудою) в наслідок чого запас поліпшень ще значний, тоді як у охолоджувальних тепловізорів запас щодо опрацювання змін провідності комірок вже не такий значний і спричинить за собою зміни в самій технології (об'ємні решітки і т.п.);
  • спектральна фільтрація - це якраз той випадок, коли перевага, для деяких областей застосування тепловізорів (медицина, дослідження, визначення лісових пожеж або ранніх загорянь, пошук витоків газів і т.п.), середньохвильового (першого) вікна прозорості атмосфери є недоліком для інших областей в яких вимагається зменшення впливу зовнішніх факторів, таких як туман, дим, сніг, дощ і ін. (військова справа, індустрія безпеки, транспорт і т.п.).
  • Висока швидкість зміни кадрів зображення - інертність зміни рівня провідності комірок охолоджуваних приймачів значно нижче, ніж інертність зміни опору комірок неохолоджуваних приймачів. В даний час ведуться роботи над поліпшенням швидкості обробки змін опорів комірок неохолоджуваних приймачів, крім підняття частоти кадрів вихідного відеоряду (вже сьогодні доступні неохолоджувані тепловізори з частотою 50-60 кадрів в секунду), для забезпечення можливості фіксувати зміни станів комірок не на міліоми, а на сотні мікроом, з подальшим поліпшенням до десятків і одиниць мікроом.

На зображенні LWIR — неохолоджувального тепловізора, MWIR – охолоджувального тепловізора, можна спостерігати на дистанціях близько 10 км, що за сприятливих погодних умов неохолоджувальний тепловізор на великих відстанях забезпечує достатньо детальне зображення так як і охолоджувальний тепловізор.

Image

Основними недоліками охолоджуваних тепловізорів вважаються:

  • Відносно висока споживана потужність, оскільки до складу охолоджуваного тепловізора входить компресор-холодильник, причому, що працює в умовах криогенного охолодження і в цьому напрямку можливості подальшого розвитку вже практично вичерпані, оскільки застосувати щось крім прецизійної механіки досить важко, як наслідок ускладнено застосування охолоджувальних тепловізорів в портативних або носимих пристроях з живленням від батарей;
  • Тривалий час охолодження - між вмиканням тепловізора та отриманням зображення проходить від декількох хвилин до півтора десятка. В даний час застосовуються, в основному, два типи кріогенних охолоджувачів, які працюють по циклах Джоуля-Томпсона або Стірлінга, перший характеризується більш швидким охолодженням (2-5 хвилин) і меншим часом напрацювання на відмову (5000-8000 годин безперервної роботи), другий, повільнішим охолодженням (5-15 хвилин) і великим часом напрацювання на відмову (6000 - 12000 годин), слід пам'ятати, що гарантійний час напрацювання на відмову зменшується виробниками в залежності від кількості пусків;
  • Обмежений термін і підвищена вартість експлуатації, викликані терміном напрацювання на відмову охолоджуючого елемента (описані вище) і необхідністю його обслуговувати (вартість обслуговування досить висока, оскільки вимагає роботи кваліфікованого фахівця, застосування дорогого устаткування для роботи з рідким азотом або гелієм, самих кріогенних рідин і обладнання для його транспортування та зберігання) в процесі експлуатації і (або) зберігання (зазвичай від 600 до 2000 годин роботи або раз на рік-два) в силу того, що відбувається поступовий витік робочого тіла (кріогенних рідин) охолоджувача через ущільнювальні з'єднання;
  • Висока вартість приладу (вартість тільки охолоджуваного приймача, без урахування оптики, перевершує вартість неохолоджуваного приймача в 7-15 разів і ця різниця не перекривається різницею у вартості оптики), причому основними ціноутворюючими складовими є досить висока вартість напівпровідникових матриць середньохвильових приймачів (з розвитком технології вона поступово зменшується) і пристроїв охолодження до наднизьких температур.

Розглянемо тепер неохолоджувані тепловізори.

Основними перевагами неохолоджуваних тепловізорів є:

  1. Робочий діапазон (довгохвильовий 7-14 мкм) краще пристосований для спостереження в умовах впливу природних атмосферних перешкод - диму, туману, смогу, більш детально питання було розглянуто вище під час аналізу спектральної фільтрації і просторової роздільної здатності. Піки випромінювальної здатності тіл, нагрітих до різної температури, згідно закону Вина наступні:
  2. людина (теплокровні ссавці) - 9,36 мкм;
  3. транспортний засіб з двигуном внутрішнього згоряння (автомобіль, танк, катер і т.п.) - 8,45 мкм;
  4. пожежа - близько 3 мікрон (в залежності від пожежі).

На зображенні LWIR — неохолоджувального тепловізора, MWIR – охолоджувального тепловізора, ми можемо спостерігати вплив завад, які виникають від вихлопу двигуна та ускладнених природних атмосферних умов що погіршують можливість розпізнавання об'єктів для охолоджувального тепловізора. Такий ефект виникає внаслідок підвищеної спектральної чутливості у середньохвильовому діапазоні, детально розглянутого вище. Неохолоджувальний тепловізор менш чутливий до таких завад оскільки поглинання таких газів як закис вуглецю та азоту впливає в значно меншій ступені на прозорість у довгохвильовому діапазоні.

Image
  • Порівняно невеликий розмір і вага приймача (нівелюється вимогою оптики великих розмірів і ваги, але ситуація змінюється);
  • Працюють практично відразу після включення, зазвичай від 5 до 40 секунд виходять на робочий режим;
  • Невелика споживана потужність, що дозволяє забезпечити автономне живлення;
  • Довгий термін напрацювання на відмову (більшість виробників визначають термін служби від 5-ти років, відсутність вимог до регулярного обслуговування, як наслідок — порівняно невисока вартість експлуатації;
  • Порівняно не висока вартість, але є вимога застосування більш дорогої оптики. З розвитком технології, вимоги до застосовуваної оптики знижуються, що викликає і пропорційне зниження її ціни. Наприклад, для двох приймачів з однаковою роздільною здатністю і температурною чутливістю, але різними розмірами комірок 17 і 12 мкм об'єктив з кутовим полем зору 7 градусів і відносним отвором F 1,0 відрізнятиметься за габаритами на 30 відсотків, відповідно і за вагою та вартістю, при цьому забезпечить робочу дальність по розпізнаванню від 4 км, визначенню - до 10-ти км.
Основними недоліками неохолоджуваних тепловізорів є:
  • Вимога світлосильної оптики. У зв'язку з нижчою просторовою роздільною здатністю і особливостями технології - для правильної роботи терморезистивного ефекту необхідно зібрати і передати на мікроболометр приймача більшу кількість енергії, ніж для фотоелектричного ефекту в охолоджуваних тепловізорах. З метою забезпечення необхідного рівня співвідношення "сигнал / шум" на виході приймача, застосовується оптика з великим відносним отвором.
До яких висновків нас приводить проведений аналіз стану ринку теплобачення на 2021 рік?

Можна довго обговорювати відмінності болометрів від фотодіодів, визначати, що антимонід індію більше годиться для інфрачервоних фотоприймачів, ніж кремній, але тим часом технології розвиваються, а в неохолоджувані тепловізори вводиться розширений динамічний контраст, збільшується частота кадрів, поліпшується температурна чутливість, просторова роздільна здатність і ряд інших характеристик, зменшуються вимоги до оптики, для стаціонарних застосувань вводиться температурна стабілізація чутливої ​​поверхні приймача за допомогою елемента Пельтьє - TEC, збільшується кількість опорних таблиць для різних температур, що застосовуються під час калібрування та погодження приймача з оптикою і ін.

Результати наочно видно на наступному зображенні:

Image

Вищевикладені заходи щодо розвитку технології неохолоджуваних тепловізорів значно розширюють сферу їх застосування для вирішення нестандартних завдань.

Підведемо підсумки.

Охолоджувальний і неохолоджувальний тепловізор це досить різні по конструкції і складу елементів прилади, які призначені для виконання різних типів задач, та кожен з них має свої переваги та недоліки, тому і сфери їх застосування та економічна доцільність застосування у різних сферах — різні. Охолоджувальні тепловізори забезпечують більшу дистанцію виявлення та розпізнавання об'єктів, але, водночас, більш чутливі до впливу різноманітних завад та складних природних умов. Мають дуже високу вартість та вартість володіння (експлуатації). При цьому неохолоджувальні тепловізори забезпечують дальність бачення до 10-ти км, більш стійкі до  впливу різноманітних завад та складних природних умов і мають значно нижчу вартість.

Таким чином можна зробити висновок, що для наглядових і пошукових функцій в більшості галузей на "догоризонтних" (горизонтна видимість визначається кривизною поверхні Землі становить 7200 метрів) дальностях цілком достатньо неохолоджуваного тепловізора, наприклад, для застосування в прицілах і приладах спостереження лінійних бойових машин (танків , БТР, БМП і т. п.), стрілецького озброєння, оснащенні піхотинців, ПТРК, підрозділів сил спеціальних операцій, ближньої розвідки, а для далекої розвідки, авіації, далекого спостереження з панівної висоти (наприклад цілевказівка, коригування дій підлеглого підрозділу в військових цілях і т. п.), військово-морському і річковому флоті не обійтися без охолоджуваного тепловізора.

* При підготовці матеріалу використовувалися дані і зображення з загальнодоступних матеріалів і джерел, висновки є особистою думкою автора.

тепловізори , аналітика