Тепловізори: секрет популярності

Серед різних видів дистанційного моніторингу, зйомка у тепловому діапазоні займає особливе місце. Перші дані космічної теплової зйомки були отримані ще на початку 1960-х років сенсорами американських супутників TIROS. Хоча ці дані мали низьку просторову роздільну здатність, вони показали принципову можливість використання теплової зйомки в дистанційному зондуванні.

У подальші роки відбувалось вдосконалення апаратури для ведення теплової зйомки, відпрацьовувались методики дешифрування та використання отриманих даних. Однак, теплова зйомка не мала такого широкого застосування як, наприклад, мультиспектральна зйомка в оптичному діапазоні. Причинами цього були, в першу чергу,  дуже низька роздільна здатність знімків та їх висока вартість.

 

Теплова зйомка – не нова, але перспективна

Сьогодні ситуація стрімко змінюється.

По-перше, дані теплової супутникової зйомки стали доступними. Наприклад теплові знімки, зроблені сенсором TIRS супутника Landsat-8 можна скачати тут.

По-друге, в рази зросла просторова роздільна здатність супутникової теплової зйомки – від декількох кілометрів у знімків, зроблених першими тепловими сенсорами,  до 100 м у знімків Landsat-8.

І головне, на новий рівень виводить теплову зйомку здійснення її за допомогою БПЛА, що стало можливим буквально в останні роки.

В цьому пості ми розкажемо, що таке тепловізори, як вони працюють, та взагалі, для чого можуть використовуватись.

 

Тепловізор чи прилад нічного бачення?

Тепловізор – це прилад, що є високочутливим до теплового інфрачервоного випромінювання. Він дозволяє отримувати графічне зображення «теплового поля», у вигляді термограми, де кольором або тоном відображена абсолютна температура об’єктів, яку вимірюють за інтенсивністю їх теплового випромінювання.

Рис. 1 Термопортрет людини. Температура в приміщенні була  близько 19⁰С. Температурна шкала зліва дозволяє оцінити температуру.

Тобто тепловізор ніби фотографує температуру, дозволяючи  побачити приховане, те, що ми не можемо виявити в інший спосіб. І це не лише таємне пересування ворожих військ у темряві, а й дефекти конструкцій, захворювання внутрішніх органів, підземні комунікації, навіть рух китів у товщі океанської води, та багато інших цікавих речей.

Мабуть, більшості людей при слові “тепловізор” спадає на думку прилад нічного бачення. Однак, прилади нічного бачення і тепловізори це не одне й те саме.  Принцип роботи приладів нічного бачення дещо інший. Якщо тепловізор – це пасивний прилад, що сприймає власне інфрачервоне випромінювання об’єктів, то прилади нічного бачення  або просто підсилюють видиме світло, що надходить від об’єкта, або освітлюють об’єкти інфрачервоним променем та сприймають вже відбите світло, тобто є активними. Вони дозволяють спостерігачу побачити об’єкт, але його температуру виміряти не можуть.

Рис 2а – Хтось ховається в темряві… Порівняння “картинки” що отримується тепловою та звичайною фотокамерою за відсутності світла. (джерело)

Рис. 2б – тепловізори виводять на чисту воду – В Болгарії за допомогою тепловізорів ще 8 років тому викривали побутових крадіїв тепла – стрілками показані квартири, де мешканці за опалення не сплачують, а радіатори “світяться” (джерело)

 

Тепловізори – які і для чого?

На практиці використовують тепловізори, що працюють у двох спектральних діапазонах інфрачервоного випромінювання – короткохвильовому (довжина хвиль 3 – 5,5 мкм) і середньохвильовому (7 – 14 мкм), який, до речі, в описах приладів називають довгохвильовим інфрачервоним випромінюванням, бо саме так прийнято в теплотехніці.

Вибір цих діапазонів пояснюють тим, що саме на них припадають «вікна прозорості» атмосфери для інфрачервоного випромінювання. До того ж, максимуми щільності випромінювання від об’єктів, що мають температури в інтервалі від 0 до 1000 ⁰С, знаходяться саме в зазначених інтервалах хвиль.

Більшість тепловізорів працюють у довгохвильовому діапазоні, тому що він дає меншу похибку, особливо при зніманні вдень, та має кращу температурну роздільну здатність. Тепловізори, що знімають у короткохвильовому діапазоні, призначені для роботи з високотемпературними (сотні градусів) об’єктами, крім того вони мають переваги при роботі з обєктами з високою світлопрозорістю та світловідбиттям (наприклад, при термографії вікон) та в деяких інших випадках.

Рис.3. Сучасні тепловізори мають безліч модифікацій (джерело)

Тепловізори це, як кажуть, дороге задоволення. Висока вартість тепловізорів зумовлена особливостями їх конструкції.

До останнього часу лінзи об’єктивів тепловізорів виготовляли із германію. На відміну від звичайного скла, що не пропускає теплове випромінювання, германій – це метал, прозорий для теплових інфрачервоних хвиль.

Однак, вартість германію, м’яко кажучи, немаленька. В період із січня 2015 по квітень 2016 року його ціна на світовому ринку коливалася в межах 1250-1943 $/кг. Окрім германію, для виготовлення лінз використовують інші дорогі матеріали: селенід цинку, сульфід цинку, флюорид кальцію та халькогенідне скло.

За оцінками експертів, вартість тепловізора на 90% обумовлена вартістю двох його складових – об’єктива та матриці.

 

Яка саме матриця?

У більшості сучасних тепловізорів використовують матричні приймачі теплового випромінювання, зібрані із мікроболометрів – резисторів, електричний опір яких змінюється залежно від поглинутого теплового випромінювання. Найбільш поширені неохолоджувані болометричні  матриці, виготовлені на основі оксиду ванадію або аморфного кремнію. Від кількості мікроболометрів у матриці залежить якість зображення і, звісно ж, вартість тепловізора.  Виробництво матриць складне та наукомістке, їх виготовляють лише декілька компаній у світі.

Однак, навіть попри високу вартість тепловізори перестають бути приналежністю таємних агентів або обладнанням, доступним лише для заможних фірм чи крупних наукових установ, а сфери їх використання стрімко розширюються.

Тепловізори використовують військові та цивільні, у промисловості та будівництві, у мистецтвознавстві та мисливстві, в астрономії та медицині. Навіть для того, аби не схибити, поставивши на хворого коня на скачках, також радять користуватися тепловізором. Тепловізори зараз стають настільки популярними, що ними просто починають бавитись – знімати подружок в одязі та без, людей на вулиці, та, звісно ж,  котиків, що і на теплових “фотографіях” чудово виглядають.

Рис. 4. Термопортрет кота (джерело)

 

Дорогий мій тепловізор. Чи можна дешевше?

У відповідь на попит, що зростає, вдосконалюються і прилади – зменшується їх розмір та знижується вартість. Зниження вартості тепловізорів – один з результатів конкуренції на ринку та боротьби за попит. Воно відбувається  за рахунок  зменшення розмірів об’єктивів, виготовлення об’єктивів не з германію, а з більш дешевих матеріалів, та здешевіння виробництва болометричних матриць.

Зниження вартості матриць  в період з 2010 по 2015 роки прогнозувалось на рівні 58%. Так, в 2011-2012 рр. вартість неохолоджуваних інфрачервоних камер знижувалась на 15% за рік.  У період  з 2014 по 2019 рік експерти прогнозують середньорічне зростання світового  ринку   обладнання, що використовує інфрачервоні  детектори у 11,86%.

Рис. 5. Зміна розмірів неохолоджуваних детекторів теплового випромінювання та пов’язана з цим еволюція тепловізорів за 15 років. (джерело)

Заміна коштовних, у прямому сенсі, германієвих лінз відносно дешевими лінзами із халькогенідного скла, що також прозоре для теплового випромінювання, за оцінкою розробників, має знизити вартість приладів на 70%.

Таким чином, компанії-виробники тепловізорів в останні роки зробили ставку на зниження вартості приладів та розширення кола потенційних споживачів. А отже тепловізори нині стають все доступнішими широкому загалу.

В інтернет-магазинах вже зараз можна придбати тепловізори на будь-який смак – для мисливців та рибалок, для туристів та охоронців, для роботи та дому, розміром із сірникову коробку та навіть менше.  Або, тепловізор-приставку до телефона, чи міні-термокамеру,  розроблену  саме для оснащення дронів.

Все більше виробників пропонують термовізійні системи призначені для встановлення їх на безпілотниках.  Вже існують компанії, що спеціалізуються саме на тепловізійних системах для дронів, як наприклад чеська компанія Workswell.

Оснащення безпілотників тепловізійною камерою значно розширює можливості використання теплобачення для різного роду моніторингових спостережень.

Про це в наступному пості.