Тепловизор, его использование в системах видеонаблюдения

Популярность тепловизионных приборов возрастает с каждым годом. Мощные тактические модели с успехом используются для проведения спортивных соревнований (пейнтбол и т.п.), военных учений. Любительские модели, на порядок попроще, незаменимы для активного отдыха (охота). Однако о том, что тепловизор способен выступать важной частью системы видеонаблюдения и охраны объекта, знают далеко не все. Оборудование нельзя отнести к разряду доступных по цене, а в полезной информации о нем существует масса пробелов. Мы попытаемся заполнить основные из них.

Тепловидение: основы физического процесса

Видимый свет, исходящий от источников искусственного освещения (лампы, прожектора), как и тепловое излучение (открытый огонь) являются составляющими электромагнитного спектра. Этот нехитрый принцип лег в основу работы тепловизионной камеры.

Положение и тип лучей света определяются чувствительными элементами матрицы (или особым детектором), а затем наступает волшебное превращение:

• информация обрабатывается за доли секунды;
• полученные данные преобразуются в электрический сигнал;
• сигнал поступает на процессор для дальнейшей трансформации и вывода на экран.

Разница между тепловизионной и видеотехникой

В отличие от стандартной видеокамеры, фиксирующей изображение за счет отражения световых лучей, тепловизору удается уловить собственное излучение, испускаемое самим объектом.

Другими словами, камера способна одинаково четко транслировать картинку, где воспроизведены одушевленные, неодушевленные предметы и объекты с повышенной температурой. Тепловизионное устройство работает по-другому:

• чем больше длина излучаемой волны света, тем четче окажется изображение;
• предметы с небольшой длиной тепловой волны будут еле видны, а их контуры получатся расплывчатыми, нечеткими.

Тепловизор «умеет» функционировать в инфракрасном (ИК) диапазоне, недоступном для типовых видеокамер. В этом и заключается его главное преимущество, поскольку наблюдение в темное время суток выходит более эффективным, а необходимость в дополнительном освещении объекта и прилегающей к нему площадки отпадает.

На заметку: Учтите, что чуткость улавливания сигналов зависит от расстояния между источником теплового излучения и детектором. Поэтому при проектировании систем видеонаблюдения необходимо правильно рассчитать возможности оборудования, и суметь грамотно распорядиться им.

Охват спектра, или широта рабочего диапазона

Зона инфракрасного излучения на общей шкале занимает участок в пределах 700…1000 нанометров (нм). Диапазон достаточно широк, поэтому его разбивают на несколько отрезков, приведенных в таблице 1:

Таблица 1 – Перечень и границы ИК поддиапазонов

Как показывает практика видеонаблюдения, средний и длинный поддиапазоны используются чаще остальных. С чем это связано?

Большинство предметов, окружающих нас, имеют температуру выше -273°. Обычно их показатели приближены к температурным показателям окружающей среды, т.е. попадают на средний и длинный участки диапазона. Для примера: тело здорового человека с температурой 36,6° фиксируется на частоте в 10 нм, а в общей сложности подпадает в рамки 8…12 нм.

На диапазон работы тепловизионной техники огромное влияние оказывают окна прозрачности. Это особые зоны спектра, где происходит наиболее незначительное поглощение теплового излучения. Поэтому производители оборудования разрабатывают матрицы с высокой чувствительностью в этих участках.

Типы матриц, роль охлаждения

Тепловизионные камеры отличаются не только по техническим характеристикам, но и по другим параметрам:

• форме исполнения;
• конструктивным особенностям.

Наличие охлаждения влияет на сферу применения и стоимость устройства. Вот основные моменты:

1. Неохлаждаемые матрицы имеют компактные габариты, внешне схожи со стандартной камерой уличного наблюдения. Их укомплектовывают защитным кожухом, а ценовая категория вполне доступна. Минус – сниженная чувствительность, по сравнению с охлаждаемым вариантом.
2. Наличие охлаждения для матрицы позволяет расширить ее функционал, однако повышает стоимость техники. Корпус такой камеры герметично запаян, внутри создается вакуум и размещают криогенную установку. Высокая чувствительность позволяет регистрировать даже единичные фотоны. Радиус обнаружения человеческого присутствия достигает 2-5 км. Такие приборы применяют для организации видеонаблюдения за важными стратегическими объектами, имеющими большую площадь (акватория морского порта и др.).

К минусам охлаждаемых тепловизоров относят потребность в регулярном техническом обслуживании и ограниченность срока службы.

Это важно: для большинства современных систем видеонаблюдения и охраны объектов достаточно приобрести камеру с неохлаждаемой матрицей. Она успешно справится с поставленными задачами.

Чувствительность к температурным колебаниям

Показатели чувствительности тепловизора определяют эффективность его работы. Говоря простым языком, это различие между температурой фона и объекта, позволяющее точно обрисовать контуры последнего. Параметр измеряют в милликельвинах, он составляет сотые доли градуса.

Расшифровать заводские обозначения устройства достаточно просто: значение в 30 мК означает, что температурное разрешение составляет 0,03 °С. Таким должно быть различие между подвижным объектом и фоном, чтобы тепловизионный прибор смог зафиксировать картинку и передать на экран.

Полезно знать: показатели чувствительности к температурным изменения будут неодинаковы на различных участках диапазона. Поэтому на этапе проектирования системы учитывают все факторы в совокупности, а не отдельные характеристики камеры.

Калибровка матриц

Простейшие тепловизионные камеры работают по принципу фиксации разницы в температурах. Усовершенствованные модели последних поколений способны определять температурные показатели благодаря специальной калибровке матриц. Другими словами, передовая система видеонаблюдения позволяет:

• вести постоянный контроль за объектом, где необходимо соблюдение заданного температурного режима;
• вовремя сигнализировать о возникающих отклонениях;
• принимать необходимые меры безопасности.

Сфера применения такого оборудования ограничена несколькими отраслями промышленности. Возможностей некалиброванной камеры с избытком хватает, чтобы:

• предотвратить несанкционированное проникновение на охраняемую территорию;
• зафиксировать факты проникновения;
• своевременно среагировать на непрошеное вторжение.

Разрешающая способность матриц

Стандартная видеокамера для наружного или внутреннего наблюдения имеет разрешение в 2-6 мегапикселей. В отличие от нее, распространенным значением для матрицы тепловизора является 320х240 dpi (максимум составляет 1280х1024, что значительно повышает стоимость устройств). Этих значений вполне достаточно для выполнения поставленных задач и организации эффективного наблюдения.

Виды и характеристики объективов

По своему внешнему виду обычные видеокамеры и тепловизоры схожи. Разницу можно заметить только при детальном рассмотрении объектива, она заключается в степени прозрачности линзы.

В обычной камере стекло или пластик позволяют увидеть содержимое тубуса. Для тепловизионных устройств эти материалы не подходят, поскольку они не пропускают тепловое излучение. Линзы для них делают из германия. Встроенная конструкция с надежной фиксацией облегчает проектирование системы. Необходимость в дополнительных настройках или сборке тепловизионной камеры отсутствует.

Основные задачи в сфере видеонаблюдения

Современные тепловизоры, применяемые при создании систем охраны и наблюдения, позволяют решить широкий ряд задач. Вот основные из них:

• Выявление объектов при отсутствии естественного, центрального или местного освещения. Аппаратура работает в полной темноте, позволяя установить скрытое наблюдение и сэкономить на установке фонарей.
• Расширенный охват площади, включая дальние и ближние подступы. Подконтрольное расстояние достигает 2-5 км, что недоступно для обычных камер. Рельеф местности не имеет значения.
• Высокая эффективность в сложных метеорологических условиях. Изображение, полученное от обычной линзы, искажается при сильном снегопаде или тумане. Тепловизору не страшны такие помехи.
• Успешное противостояние саботажу со стороны злоумышленников. Зная принципы работы камер, постороннему человеку несложно вывести их из строя («ослепить», фокусировав на линзе пучок яркого света). Засветить тепловизионные приборы невозможно.

Альтернативой тепловизорам в отдельных ситуациях могут выступать радиолокаторы. Однако они способны только фиксировать сигнал, не формируя визуального представления об объекте.

Это важно: высокая стоимость тепловизионной техники способна отпугнуть самых прогрессивных руководителей, заботящихся о безопасности своей фирмы или предприятия. Однако попробуйте просчитать экономию на:

• установке наружного и внутреннего освещения в темное время суток;
• оплате монтажных работ;
• счетах с огромными суммами за потребляемое электричество.

Итог однозначно кажется в пользу тепловизионных камер.

Ограничения в практическом применении оборудования

Эксперты отмечают некоторые особенности, накладывающие ряд ограничений на использование тепловизионных камер. Вот основные моменты:

• Специфическая идентификация цели (на экране видны только контурные очертания объекта, а не полноценное объемное изображение в деталях).
• «Слепота» при наличии преграды между объектом и камерой.
• «Растворяющиеся» на окружающем фоне цели, если их температурные показатели совпадают (в жаркий солнечный полдень можно запросто «пропустить» объект).

Интересный факт: тепловизионная камера не способна улавливать тепловые сигналы сквозь толщу воды или стекла. Однако на практике такая особенность вряд ли окажется полезной.

Перечисленные особенности накладывают характерный отпечаток на практическое применение тепловизоров. Предоставить 100%-ные результаты они не способны, поскольку многое зависит от условий окружающей среды. Но в сочетании со стандартными видеокамерами эффективность системы видеонаблюдения повышается в 2-5 раз.

Критерий Джонсона: понятие и значение

Тепловизионные устройства производят специфическую фиксацию объекта, но полная его идентификация невозможна. На практике это означает следующее:

• проникшего на охраняемый периметр злоумышленника легко засечь;
• участки открытого тела будут на экране ярче, а прикрытые одеждой –бледнее;
• опознать его для составления фоторобота и дальнейших поисков, заметить отличительные приметы не удастся. Но такие задачи сможет выполнить обычная камера.

Для оценки эффективности работы тепловизионной камеры используют специальный параметр, известный как критерий Джонсона. Основные показатели приведены в таблице 2:

Таблица 2 – Перечень основных задач для тепловизоров и их решение

Если необходимо повысить степень вероятности обнаружения объекта, среднестатистические данные умножают на коэффициент пересчета. Расчеты условны, но они повышают точность прогнозирования работы тепловизионного устройства.

Влияние метеорологической обстановки

Четких критериев пересчета, со скидкой на изменения погодных условий, не разработано. Однако пользователи однозначно отмечают снижение четкости, уменьшение результативности работы тепловизоров во время сильного тумана или обильного снегопада.

В качестве примера приведем следующую ситуацию: для выявления цели с вероятностью в 95% разрешение объектива должно составлять минимум 10 пикселей (против средних 2 из табл 2), а для идентификации – 60 пикселей. Максимальное расстояние от изучаемого объекта до линзы сокращается в 2,5-5 раз. Другими словами, чтобы обнаружить человека в радиусе 300 метров, потребуется 60-миллиметровый объектив.

Полезные рекомендации для удачного внедрения в систему видеонаблюдения

При разработке и реализации проектов по созданию и обустройству систем слежения, охраны и видеонаблюдения возникает ряд вопросов. Большинство из них связано с недостаточно глубокими знаниями характеристик и особенностей уникальной техники. Мы собрали ценные советы, способствующие успешной реализации таких проектов:

1. Точная формулировка задач. Поможет грамотно определить реальные возможности, облегчит подбор параметров устройств. Не забывайте о разнице, существующей между стандартной видеокамерой и тепловизором.
2. Применение корректировок. Они необходимы для точности расчета критерия Джонсона. Сложные погодные условия – явление нередкое для нашего климатического пояса. Необходимо предусмотреть это на этапе проектирования, спланировав размещение дополнительных приборов.
3. Использование непосредственно по прямому назначению. Тепловизионная камера – это уникальное оборудование, а не банальное средство экономии средств за счет отсутствующего освещения. В отличие от типовых камер, оператору нет нужды постоянно наблюдать за экраном. Помните, что первостепенной задачей тепловизионной техники выступает передача сигнала о появлении незнакомых объектов. А дальше дело за срабатывающими датчиками движения.
4. Учет возможных ограничений в работе. Увы, некоторые объекты способны удачно маскироваться, и тепловизору не удастся их распознать. Внесите также поправку на летнее время, когда шкала термометра днем на солнце переваливает за отметку в 35°.
5. Совмещение видео-  и тепловизионных камер. Дает наилучшие результаты. Тепловая фиксация позволяет обнаружить цель на дальних подступах, и сигнализировать об этом. Стандартный объектив на подвижном штативе позволит распознать и точно идентифицировать объект в пределах видимости, а затем принять необходимые меры по обеспечению безопасности.

В дополнение к этому профессионалы рекомендуют:

• поэтапно определить точки установки тепловизоров;
• подобрать оптимальные углы обзора для каждого из них;
• тщательно просчитать дальность действия.

Помните: чем меньше расстояние фокуса, тем больше угол обзора, и наоборот.

Заключение

Сегодня тепловизоры относят к уникальным устройствам, не имеющим аналогов. Благодаря своей способности улавливать тепловое излучение в полной темноте, при отсутствии каких-либо источников освещения, они могут с успехом применяться в системах слежения и видеонаблюдения. В сочетании с обычными видеокамерами эффективность распознавания и идентификации будет на порядок выше. При этом становятся шире условия их эксплуатации.

Тепловизионная техника будет незаменима в сложных погодных условиях, когда стеклянный объектив залеплен снегом, покрыт конденсатом, образовавшимся при тумане, или каплями дождя. Также она показывает прекрасные результаты при охране и контроле больших площадей, протяженностью в несколько километров. Снижение стоимости тепловизионного оборудования, расширение их функционала делает возможным использование приборов для обеспечения безопасности коммерческих объектов и частной собственности.

C новыми моделями тепловизоров PULSAR можно ознакомиться и сделать осознанный выбор здесь.