Тепловидение. Инфракрасное излучение

Инфракрасное излучение

Инфракрасное излучение обусловливается колебаниями электрических зарядов, входящих в состав любого вещества, составляющего объекты живой и неживой природы, а именно электронов и ионов. Колебания ионов, составляющих вещество, соответствуют излучению низкой частоты (инфракрасному излучению) вследствие значительной массы колеблющихся зарядов. Излучение, возникающее в результате движения электронов, может иметь также и высокую частоту, что создает излучения в видимой и ультрафиолетовой области спектра.

Электроны входят в состав атомов и удерживаются около своего положения равновесия (в составе молекул или кристаллической решетки) значительными внутренними силами. Приведенные в движение, они испытывают нерегулярное торможение, и их излучение приобретает характер импульсов, т.е. характеризуется спектром различных длин волн, среди которых есть волны низкой частоты, а именно инфракрасное излучение.

Инфракрасное излучение — электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между концом красной области видимого света (с длиной волны (λ), равной 0,74 мкм и микроволновым радиоизлучением с длиной волны 1…2 мм.

В инфракрасном диапазоне есть участки, где ИК-излучение интенсивно поглощается атмосферой за счет наличия в ней углекислого газа, озона, водяного пара.

Одновременно существуют и так называемые «окна прозрачности» (диапазон длин волн оптического излучения, в котором имеет место меньшее, по сравнению с другими диапазонами, поглощение ИК-излучения средой). Многие инфракрасные системы (в их числе некоторые ПНВ и тепловизоры) эффективны именно благодаря существованию таких «окон прозрачности». Приведем некоторые диапазоны (длины волн указаны в микрометрах): 0.95…1.05, 1.2…1.3, 1.5…1.8, 2.1…2.4, 3.3…4.2, 4.5…5, 8…13.

Атмосферные помехи (туман, дымка, а также непрозрачность атмосферы вследствие дыма, смога и т.п.) по-разному воздействуют на инфракрасное излучение в разных частях спектра, но с увеличением длины волны влияние этих помех снижается. Связано это с тем, что длина волны становится сравнимой с размерами капель тумана и частичек пыли, поэтому распространяющееся излучение в меньшей степени рассеивается препятствиями и огибает их благодаря дифракции. К примеру, в области спектра 8…13 мкм туман не создает серьезных помех для распространения излучения

Любое нагретое тело испускает поток инфракрасного излучения, то есть оптического излучения с длиной волны, которая больше длины волны видимого излучения, но меньше длины волны микроволнового излучения.

Пример. Температура тела человека составляет 36.6°С, его спектральное излучение находится в диапазоне 6…21 мкм, нагретый до 300°С пруток метала излучает в диапазоне волн от 2 до 6 мкм. В то же время спираль вольфрамовой нити, нагретой до температуры 2400°С, имеет излучение 0.2…

1. мкм, тем самым затрагивая видимую область спектра, что проявляется как яркое свечение.

Сферы гражданского применения тепловидения

Тепловизионные приборы гражданского применения условно делят на две большие группы – наблюдательные приборы и измерительные приборы. К первым относится оборудование для охранных систем и обеспечения пожарной безопасности, тепловизионные системы транспортной безопасности, охотничьи тепловизионные приборы и прицелы, тепловизоры, применяемые в криминалистике и т.п. Измерительные тепловизоры применяются        в     медицине,       энергетике,       машиностроении         и     научной деятельности.

Некоторые примеры. По статистике, справедливой для большинства регионов с развитой транспортной сетью, на темное время суток приходится более половины ДТП с летальным исходом, при том что большая часть водителей используют автомобиль в дневное время. Неслучайно в последние годы становится распространенной практика оборудования автомобилей тепловизионной камерой, транслирующей на расположенный   в салоне дисплей температурную картину дорожной обстановки, складывающейся перед автомобилем. Таким образом, тепловизор дополняет восприятие водителя, неидеальное по многим причинам (темнота, туман, встречный свет фар) в ночных условиях. Точно так же тепловизионные камеры используются в охранном видеонаблюдении параллельно с ночными цифровыми камерами (гибридная система видеонаблюдения), что дает куда более полное представление о характере и поведении объектов в кадре. Службы МЧС используют тепловизионные камеры при пожарах - в условиях задымления помещения тепловизор помогает в обнаружении людей и источников горения. Исследование электропроводки позволяет обнаружить дефект соединения. Тепловизионное сканирование лесных массивов с воздуха помогает определить очаг пожара.

Наконец, портативные носимые тепловизоры успешно применяются на охоте (обнаружение животных, эффективный поиск подранков без собаки), при проведении количественных учетов поголовья и т.д. В дальнейшем будут рассматриваться тепловизоры из группы наблюдательных приборов преимущественно охотничьего направления.

Принцип работы тепловизора

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.

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. Дополнительно это исключает       такой      эффект      как     параллакс,       т.к.     изображение        объекта наблюдения и изображение прицельной сетки находятся в одной плоскости – плоскости дисплея.

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.

Устройство тепловизионного прибора.

Объектив. Самым распространенным, но не единственным материалом для изготовления объективов тепловизионных приборов является монокристаллический германий. В той или иной степени, пропускной способностью в MWIR и LWIR – диапазонах обладают также сапфир, селенид цинка, кремний и полиэтилен. Для изготовления объективов тепловизионных приборов применяют также халькогенидные стекла.

Оптический германий обладает высокой пропускной способностью и, соответственно, низким коэффициентом поглощения в диапазоне 2…15 мкм. Стоит напомнить, что этот диапазон захватывает два атмосферных «окна прозрачности» (3…5 и 8…12 мкм). В этом же диапазоне работает большинство сенсоров, применяемых в гражданских тепловизионных приборах.

Германий - дорогостоящий материал, поэтому оптические системы стараются делать из минимального количества германиевых компонентов. Иногда для удешевления конструкции объектива применяют зеркала со сферическими или асферическими поверхностями. Для защиты наружных оптических поверхностей от внешних воздействий используют покрытие на основе алмазоподобного углерода (DLC) или аналоги.

Классическое оптическое стекло для изготовления объективов тепловизионных приборов не применяется, поскольку оно не обладает пропускной способностью на длине волны более 4 мкм.

Конструкция объектива и его параметры оказывают существенное влияние на возможности того или иного тепловизионного прибора. Так, фокусное расстояние объектива напрямую влияет на увеличение прибора (чем больше фокус, тем больше, при прочих равных, увеличение), поле зрения (уменьшается при увеличении фокуса) и дальность наблюдения. Относительное отверстие объектива, рассчитываемое как частное светового диаметра объектива к фокусу, характеризует относительное количество энергии, которое может пройти через объектив. Показатель относительного отверстия влияет на чувствительность, а также на температурно - разрешающую способность тепловизионного прибора.

Визуальные эффекты, таких как виньетирование и эффект Нарцисса, также объясняются конструкцией объектива и в той или иной степени свойственны всем тепловизионным приборам.

В процессе работы сенсор и окружающие его конструктивные элементы тепловизионного прибора нагреваются и испускают «паразитное» ИК- излучение. Последняя оптическая компонента объектива отражает часть этого излучения обратно на сенсор, выступая как зеркало. Результат проявляется в виде колец или пятен в центральной части наблюдаемого на дисплее тепловизора изображения. Это т.н. "эффект Нарцисса". В большей степени данный эффект проявляется при перефокусировке объектива (изменении линейного расстояния между сенсором и последней оптической компонентой      объектива,      когда    происходит      максимальная       фокусировка «паразитного» излучения на сенсор) при наблюдении за низкоконтрастными объектами с равномерным распределением излучения (например, стена или небо). Виньетирование — ослабление проходящего под углом по отношению к оптической оси потока лучей в объективе. Визуально выражается в виде затемнения (постепенного падению яркости) изображения от центра к краю, и более всего заметно по углам наблюдаемой сцены.

Сенсор. Фоточувствительным элементом тепловизионного прибора является двумерная многоэлементная матрица фотоприемников (FPA), изготовленных на основе различных полупроводниковых материалов. Технологий производства инфракрасных чувствительных элементов достаточно много, однако в тепловизионных приборах гражданского назначения можно отметить подавляющее превосходство болометров (микроболометров).

Микроболометр представляет собой приемник энергии ИК-излучения, действие которого основано на изменении электропроводности чувствительного элемента при нагревании его вследствие поглощения излучения. Микроболометры подразделяются на два подкласса, в зависимости от того, какой чувствительный к ИК-излучению материал, оксид ванадия (VOx) или аморфный кремний (α-Si), применяется.

Чувствительный материал поглощает инфракрасное излучение, вследствие чего, согласно закону сохранения энергии, чувствительная площадка пикселя (единичного фотоприемника в матрице) микроболометра нагревается. Внутренняя электрическая проводимость материала изменяется, а эти изменения – регистрируются. Конечным итогом является монохромная или цветная визуализация температурной картины на дисплее прибора. Стоит отметить, что цветность, в которой отображается температурная картина на дисплее, целиком и полностью зависит от работы программной части тепловизионного прибора.

На фото: микроболометрическая матрица (сенсор) компании Ulis

Производство микроболометрических матриц – наукоемкий, высокотехнологичный и дорогостоящий процесс. В мире считанное количество компаний и стран могут позволить себе содержать такое производство.

Производители тепловизионных сенсоров (микроболометров) в своих документах, регламентирующих качество сенсоров, допускают наличие на сенсоре как отдельных пикселей, так и их скоплений (кластеров), которые имеют отклонения выходного сигнала при нормальной работе - так называемые «мёртвые», или «битые» пиксели. «Битые» пиксели свойственны сенсорам любого производителя. Их присутствие объясняется различными отклонениями, которые могут происходить при изготовлении микроболометра, а также наличием в материалах, из которых изготавливаются чувствительные элементы, инородных примесей. При работе тепловизионного прибора собственная температура пикселей повышается, и неустойчивые к повышению температуры пиксели («битые») начинают выдавать сигнал, который может в разы отличаться от сигнала правильно работающих пикселей. На дисплее тепловизионного прибора такие пиксели могут выглядеть как белые или черные точки (в случае отдельных пикселей) или пятна различной конфигурации, размера (в случае кластеров) и яркости (очень яркие или очень темные). Наличие таких пикселей никак не влияет на долговечность работы сенсора и не является поводом для ухудшения его параметров по мере наработки в будущем. По сути, это всего лишь «косметический» дефект изображения.

Производители тепловизоров используют различные программные алгоритмы обработки сигнала от дефектных пикселей, позволяющие минимизировать их влияние на качество изображения и заметность. Суть обработки заключается в замещении сигнала от дефектного пикселя сигналом от соседнего (ближайшего) нормально функционирующего пикселя или усредненным сигналом от нескольких соседних пикселей. В результате такой обработки дефектные пиксели, как правило, становятся практически незаметными на изображении.

При определенных условиях наблюдения увидеть наличие исправленных дефектных пикселей (особенно кластеров) все же можно, например, при попадании в поле зрения тепловизионного прибора границы между теплым и холодным объектами, причем таким образом когда эта граница точно попадает между кластером дефектных пикселей и нормально работающими пикселями. При совпадении этих условий кластер дефектных пикселей виден как пятно, переливающееся белым и темным цветами, и более всего напоминает каплю жидкости на изображении. Важно отметить, что наличие такого эффекта не является признаком дефектности тепловизионного прибора.

Блок электронной обработки. Обычно блок электронной обработки состоит из одной или нескольких плат (в зависимости от компоновки прибора), на которых расположены специализированные микросхемы, осуществляющие обработку сигнала, считанного с сенсора, и дальнейшую передачу сигнала на дисплей, где и формируется изображение распределения температур наблюдаемой области. На платах располагаются основные органы управления прибором, а также реализуется схема электропитания, как прибора в целом, так и отдельных цепей схемы.

Микродисплей и окуляр. В связи с тем, что в большинстве охотничьих тепловизоров применяются микродисплеи, для наблюдения изображения используется окуляр, работающий как лупа и позволяющий комфортно рассматривать изображение с увеличением.

Наиболее часто применяются жидкокристаллические (ЖК) дисплеи просветного типа (с обратной стороны дисплей подсвечивается источником света) или OLED-дисплеи (при пропускании электрического тока вещество дисплея начинает излучать свет).

Применение OLED - дисплеев имеет ряд преимуществ: возможность эксплуатировать прибор при более низких температурах, более высокая яркость и контраст изображения, более простая и надежная конструкция (отсутствует источник для обратной подсветки дисплея, как в ЖК-дисплеях). Кроме ЖК и OLED-дисплеев, могут применяться микродисплеи LCOS (Liquid Crystal on Silicone), являющиеся разновидностью жидкокристаллических дисплеев отражательного типа.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ ПРИБОРОВ

УВЕЛИЧЕНИЕ. Характеристика показывает, во сколько раз наблюдаемое в прибор изображение предмета больше по сравнению с наблюдением предмета невооруженным глазом. Единица измерения – крат (обозначение «х», например, «2х» - «два крата»).

Для тепловизионных приборов типичные значения увеличения составляют от 1х до 5х, т.к. основная задача ночных приборов – обнаружение и распознавание объектов в условиях низкой освещенности и плохих погодных условиях. Рост увеличения в тепловизионных приборах приводит к существенному снижению общей светосилы прибора, в результате чего изображение объекта будет менее контрастным по отношению к фону, чем в аналогичном приборе с меньшим увеличением. Падение светосилы с ростом увеличения может быть компенсировано увеличением светового диаметра объектива, но это, в свою очередь, приведет к увеличению габаритных размеров и веса прибора, усложнению оптики, что снижает общее удобство использования носимых приборов и существенно повышает цену тепловизионного прибора. Это особенно важно для прицелов, так как пользователям дополнительно приходится удерживать в руках оружие. При большом увеличении также появляются трудности с поиском и отслеживанием объекта наблюдения, особенно если объект находиться в движении, так как при росте увеличения происходит уменьшение поля зрения.

Увеличение определяется фокусными расстояниями объектива и окуляра, а также коэффициентом масштабирования (К), равным отношению физических размеров (диагоналей) дисплея и сенсора:

где:

fоб – фокусное расстояние объектива

fок – фокусное расстояние окуляра

Lс – размер диагонали сенсора

Lд – размер диагонали дисплея.

 

ЗАВИСИМОСТИ:

Чем больше фокусное расстояние объектива, размер дисплея, тем больше увеличение.

Чем больше фокусное расстояние окуляра, размер сенсора, тем увеличение меньше.

ПОЛЕ ЗРЕНИЯ. Характеризует размер пространства, который одновременно можно рассмотреть через прибор. Обычно поле зрения в параметрах приборов указывается в градусах (угол поля зрения на рисунке ниже обозначен как 2Ѡ) или в метрах для какой-то конкретной дистанции (L) до объекта наблюдения (линейное поле зрения на рисунке обозначено как А).

Поле зрения цифровых ПНВ и тепловизионных приборов определяется фокусом объектива (fоб) и физическим размером сенсора (В). Обычно в качестве размера сенсора при расчете поля зрения берут ширину (размер по горизонтали), в результате получают угловое поле зрения по горизонтали:

Зная размер сенсора по вертикали (высоту) и по диагонали, точно также можно рассчитать угловое поле зрения прибора по вертикали или по диагонали.

Зависимость:

Чем больше размер сенсора или меньше фокус объектива, тем больше угол поля зрения.

Чем больше поле зрения прибора, тем комфортнее вести наблюдение за объектами – нет необходимости постоянно перемещать прибор, чтобы рассмотреть интересующую часть пространства.

Важно понимать, что поле зрения обратно пропорционально увеличению – с ростом кратности прибора его поле зрения уменьшается. Это также одна из причин, по которой инфракрасные системы (тепловизоры в частности) с большим увеличением не производятся. В тоже время нужно понимать, что при увеличении поля зрения произойдет снижение дистанции обнаружения и распознавания.

ЧАСТОТА ОБНОВЛЕНИЯ КАДРА. Одной из основных технических характеристик тепловизионного прибора является частота обновления кадра. С точки зрения пользователя, это количество кадров, отображаемых на дисплее в течение одной секунды. Чем выше показатель частоты обновления кадров, тем менее заметен эффект «запаздывания» изображения, формируемого тепловизионным прибором, по отношению к реальной сцене. Так, при наблюдении динамичных сцен прибором с частотой обновления 9 кадров в секунду изображение может казаться размытым, а движения перемещающихся объектов – запаздывающими, с «рывками». И напротив, чем выше частота обновления кадра, тем более плавным будет отображение динамичных сцен.

РАЗРЕШЕНИЕ. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА РАЗРЕШЕНИЕ.

Разрешающая способность определяется параметрами оптических элементов прибора, сенсора, дисплея, качеством схемотехнических решений, реализованных в приборе, а также применяемыми алгоритмами обработки сигналов. Разрешение тепловизионного прибора (разрешающая способность) – комплексный показатель, составляющими которого являются температурное и пространственное разрешение. Рассмотрим отдельно каждую из этих составляющих.

Температурное разрешение (чувствительность; минимальная обнаруживаемая разность температур) - это граничное соотношения сигнала объекта наблюдения к сигналу фона с учетом шума чувствительного элемента (сенсора) тепловизионной камеры. Высокое температурное разрешение означает, что тепловизионный прибор сможет отобразить объект определенной температуры на фоне с близкой температурой, причем чем меньше разница между температурами объекта и фона, тем температурное разрешение выше.

Пространственное разрешение характеризует способность прибора изображать раздельно две близко расположенные точки или линии. В технических характеристиках прибора этот параметр может быть записан как «разрешение», «предел разрешения», «максимальное разрешение», что, в принципе, одно и то же.

Чаще всего разрешение прибора характеризует пространственным разрешением микроболометра, так как оптические узлы прибора обычно имеют запас по разрешающей способности.

Как правило, разрешающая способность указывается в штрихах (линиях) на миллиметр, но может быть указана и в угловых величинах (секундах или минутах).

Чем больше значение разрешения в штрихах (линиях) на миллиметр и чем меньше в угловых величинах, тем выше разрешающая способность. Чем выше разрешающая способность прибора, тем более четкое изображение видит наблюдатель.

Для измерения разрешающей способности тепловизоров используют специальное оборудование – коллиматор, который создает имитацию изображение специального тест-объекта – штриховой тепловой миры. Рассматривая изображение тест-объекта через прибор, судят о разрешающей способности тепловизора – чем более мелкие штрихи миры можно отчетливо видеть раздельно друг от друга, тем выше разрешающая способность прибора.

Изображение: Различные варианты тепловых мир (вид в тепловизионный прибор)

Разрешающая способность прибора зависит от разрешающей способности объектива и окуляра. Объектив формирует изображение объекта наблюдения в плоскости сенсора, и в случае недостаточной разрешающей способности объектива дальнейшее улучшение разрешающей способности прибора невозможно. Точно так же некачественный окуляр способен «испортить» самое четкое изображение, сформированное компонентами прибора на дисплее.

Разрешающая способность прибора зависит также от параметров дисплея, на котором формируется изображение. Как и в случае с сенсором, определяющее значение оказывает разрешение дисплея (количество пикселей) и их размер. Плотность пикселей в дисплее характеризуется таким показателем как PPI (сокращение от английского "pixels per inch") - это показатель, обозначающий число пикселей, приходящихся на один дюйм площади.

В случае прямого переноса изображения (без масштабирования) с сенсора на дисплей разрешающие способности обоих должны быть одинаковы. В этом случае исключается снижение разрешение прибора (если разрешение дисплея меньше, чем разрешение сенсора) или неоправданное применение дорогостоящего дисплея (если разрешение дисплея выше, чем у сенсора).

Большое влияние на разрешающую способность прибора оказывают параметры сенсора. В первую очередь, это разрешение болометра - общее количество пикселей (обычно указывается как произведение пикселей в сроке и в столбце) и размер пикселя. Эти два критерия дают основную оценку разрешения.

ЗАВИСИМОСТЬ:

Чем больше количество пикселей и чем меньше их размер – тем выше разрешающая способность.

Данное утверждение справедливо при одинаковом физическом размере сенсоров. Сенсор, у которого плотность пикселей на единицу площади больше, имеет и большую разрешающую способность.

В тепловизионных приборах также могут применяться различные алгоритмы обработки полезного сигнала, способные повлиять на общее разрешение прибора. В первую очередь речь идет про «цифровое зумирование», когда сформированное матрицей изображение подвергается цифровой обработке и «переносится» на дисплей с некоторым увеличением. В этом случае происходит снижение общей разрешающей способности прибора. Аналогичный эффект можно наблюдать в цифровых фотоаппаратах при использовании функции «цифрового зума».

Наряду с указанными выше факторами, нужно упомянуть еще о нескольких, способных снизить разрешение прибора. В первую очередь, это различного рода «шумы» искажающие полезный сигнал, а в конечном итоге ухудшающие качество изображения. Можно выделить следующие виды шума:

Шум темнового сигнала. Основная причина возникновения этого шума - термоэлектронная эмиссия электронов (самопроизвольное испускание электронов в результате разогрева материала сенсора). Чем ниже температура, тем ниже и темновой сигнал, т.е. меньше шум, именно для устранения этого шума используется затвор (шатер) и калибровка микроболометра.

Шум  считывания. Когда сигнал, накопленный в пикселе сенсора, выводится из сенсора, преобразуется в напряжение и усиливается, в каждом элементе появляется дополнительный шум, называемый шумом считывания. Для                борьбы        с            шумами     применяются    различные            программные алгоритмы обработки изображения, которые часто называют алгоритмами шумоподавления.

Помимо шума, существенно снизить разрешение могут помехи, возникающие из-за ошибок при компоновке прибора (взаимное расположение печатных плат и соединительных проводов, кабелей внутри прибора) или из-за ошибок при трассировке печатных плат (взаимное расположение проводящих дорожек, наличие и качество экранирующих слоев). Также к возникновению помех способны привести ошибки в электрической схеме прибора, неправильный подбор радиоэлементов для реализации различных фильтров, внутрисхемного питания электрических цепей прибора. Поэтому разработка электрических схем, написание программного обеспечения по обработке сигналов, трассировка плат являются важными и сложными задачами при проектировании тепловизионных приборов.

ДАЛЬНОСТЬ НАБЛЮДЕНИЯ.

Дальность наблюдения того или иного объекта при помощи тепловизионного прибора зависит от комбинации большого количества внутренних факторов (параметры сенсора, оптической и электронной частей прибора) и внешних условий (разнообразные характеристики наблюдаемого объекта, фона, чистота атмосферы и так далее).

Самым применимым подходом к описанию дальности наблюдения является подробно описанное в различных источниках разделение его на дальности обнаружения, распознавания и идентификации по правилам, определенным т.н. критерием Джонсона, согласно которому дальность наблюдения напрямую связана с температурным и пространственным разрешением тепловизионного прибора.

Для дальнейшего развития темы требуется ввести понятие критического размера объекта наблюдения. Критическим принято считать размер, вдоль которого ведется анализ изображения объекта для выявления его характерных геометрических признаков. Часто за критический принимают минимальный видимый размер объекта, вдоль которого ведется анализ. Например, для кабана или косули критическим размером может считаться высота туловища, для человека – рост.

Дальность, на которой критический размер определенного объекта наблюдения укладывается в 2 или более пикселя сенсора тепловизора, принято считать дальностью обнаружения. Факт обнаружения показывает просто наличие этого объекта на определенной дальности, но не дает представления о его характеристиках (не позволяет сказать, что это за объект).

Фактом распознавания объекта признается возможность определить тип объекта. Это означает, что наблюдатель способен различить, что наблюдает в данный момент – человека, животное, автомобиль и так далее. Принято считать, что распознавание возможно при условии, что критический размер объекта укладывается по крайней мере в 6 пикселей сенсора.

С точки зрения охотничьего применения, наибольшую практическую полезность представляет дальность идентификации. Под идентификацией понимается, что наблюдатель способен оценить не только тип объекта, но и понять его характеристические признаки (например, самец кабана длиной 1,2 м. и высотой 0,7 м.). Для выполнения этого условия необходимо, чтобы критический размер объекта перекрывался по крайней мере 12 пикселями сенсора.

Важно понимать, что во всех перечисленных случаях речь идет о 50%-ой вероятности обнаружения, распознавания или идентификации объекта заданного уровня. Чем большим количеством пикселей перекрывается критический размер объекта, тем выше вероятность обнаружения, распознавания или идентификации.

УДАЛЕНИЕ ВЫХОДНОГО ЗРАЧКА - это расстояние от наружной поверхности последней линзы окуляра до плоскости зрачка глаза наблюдателя, при котором наблюдаемое изображение будет наиболее оптимальным (максимальное поле зрения, минимальные искажения). Наиболее важен этот параметр для прицелов, у которых удаление выходного зрачка должно быть не менее 50 мм (оптимально – 80-100 мм). Такое большое удаление выходного зрачка необходимо, чтобы исключить травмирование стрелка окуляром прицела при отдаче. Как правило, у ПНВ и тепловизоров удаление выходного зрачка равно длине наглазника, который необходим, чтобы ночью замаскировать свечение дисплея.