Увидеть тепленьким: горячие картинки

Увидеть тепленьким: горячие картинки

В декабрьском номере за 2005 год мы говорили про устройство устройств ночного видения, основанных на ЭОПах — электронно-оптических преобразователях. Эта разработка и была лидирующей в прошлом веке. В новом тысячелетии им на смену пришли тепловизоры. Отличие новых устройств от предшественников пребывает в том, что они видят не отраженное инфракрасное излучение, а собственное излучение предметов и целей.

Такая особенность породила громадный спектр применения этих устройств, недоступный ЭОПам. К примеру, медицинская диагностика. Дело в том, что температурная карта тела здорового и больного человека различаются, и по этим различиям возможно ставить достаточно правильные заключения.

Либо мониторинг строений — тепловизоры легко выявляют мельчайшие утечки тепла. Либо утечки газа на газопроводах. Либо неприятности с электропроводкой (в проблемных местах температура увеличивается). И еще очень многое второе.

Но самое основное — без них нечего делать на современной войне.

Во второй половине девяностых годов на полигоне под Нижним Тагилом испытывали новые танки Т-90, оснащенные тепловизорами. Первоначально тепловизоры предназначались для замены стандартных устройств ночного видения. Но оказалось, что они кардинально повышают боевые качества танка не только ночью, но и днем — ему не страшны ни туман, ни раскраска и маскировочные сети, ни, самое основное, дым на поле боя.

В ходе умелых стрельб солидную часть времени танкисты для поиска целей и прицеливания применяли как раз тепловизор. С того времени реализовать танк без тепловизионного прицела возможно лишь в одну армию мира — русского.

Холодно либо горячо

Как ни необычно, современный тепловизор имеет достаточно простое устройство: объектив, электронный блок и тепловизионная матрица обработки сигнала (из-за специфики инфракрасного диапазона в тепловизорах необходимо проводить более сложную обработку сигнала, чем в камерах). Тепловизоры делятся на две категории: с охлаждаемой и неохлаждаемой матрицей.

Первые — самые чувствительные, дорогие и массивные, поскольку для охлаждения употребляются криогенные разработки, разрешающие охлаждать матрицы до температур -210 — -170oC. масса и Цена определяют и сферу применения таких устройств. Это большая бронетехника: суда, вертолеты, самолёты и танки.

Неохлаждаемые — на порядок дешевле, компактнее, неприхотливее, но цена за это — пониженная чувствительность. относительная дешевизна и Простота неохлаждаемых тепловизоров сделали их массовыми — ожидается, что к следующему году 95−97 процентов рынка тепловизоров придутся именно на такие модели. Но совсем вытеснить охлаждаемые устройства им не удастся — для них постоянно найдётся более щекотливая работа.

Непрозрачная неприятность

Основная неприятность тепловизоров — объективы. Дело в том, что классическое стекло полностью непрозрачно для инфракрасного излучения с длиной волны 8−12 микрон (как раз в этом диапазоне трудятся неохлаждаемые матрицы). Наблюдать посредством тепловизора через оконное стекло не более результативно, чем через зеркало: вы заметите то, что у вас за спиной.

Исходя из этого для изготовления тепловизионных объективов используется весьма дорогой материал — чистый германий, главное месторождение которого у нас находится под Красноярском. Дабы изготовить одну линзу весом 100 г, требуется 200-граммовая германиевая заготовка. А рыночная цена оптического германия — $1800−2000 за килограмм. Вот и выходит германиевый объектив практически золотым.

К примеру, дабы рассмотреть на расстоянии 1 км человека, требуется объектив с входной линзой не меньше 100 мм, что стоит около $7000. Более «дальнобойные» объективы стоят $20 000 и выше. на данный момент цена объектива образовывает приблизительно 45% стоимости всего прибора, еще 45% — матрица. Нетрудно подсчитать пределы падения цен на устройства в будущем — не более 50%. В отличие от матриц германий дешеветь не планирует.

Не смотря на то, что и у нас в стране, и за границей ему деятельно ищут замену. Как нас заверили компетентные эксперты, для «нетребовательных применений замена уже имеется».

Области применения

С падением стоимостей скоро расширяется область применения тепловизоров. В Центральном научно-исследовательском университете «Циклон», делающем оборонные разработки в области тепловидения, нам показывали ночные записи противодиверсионных учений. Прекрасно замаскированные в лесной чаще диверсанты смотрелись в тепловизоре броскими и четкими контурами. Но обнаружение замаскированного соперника — далеко не единственная военный профессия тепловизоров.

К примеру, на стоянке сходу виден только что приехавший автомобиль. На дороге четко светятся гусеничные следы от сравнительно не так давно проехавших танков. Либо другие нарушения земли — к примеру, от установки мин.

Гоняются за тепловизорами и охотники — приближающийся зверь виден издали, что дает достаточно времени для изготовки к стрельбе. Но значительно больше применений у тепловизоров в научной сфере. К примеру, они в далеком прошлом стоят на контроле пусковых космических установок — никто лучше них не осилит с поиском различных утечек. Незаменимы тепловизоры и в энергетике — громадная нагрузка светится, как лампочка.

Ну а теплоаудит в коммунальном хозяйстве по большому счету неосуществим без таких устройств. Не говоря уже о поиске вампиров — как раз посредством тепловизоров их искали в фильме «Блэйд-2».

Редакция благодарит экспертов центрального НИИ «компании» и Циклон «Пергам Инжиниринг» за квалифицированные консультации.

Как устроена микроболометрическая матрица (МБМ)

Любой отдельный пиксель представляет собой микроболометрический элемент, к примеру терморезистор на базе оксида ванадия. Термистор выполняется в виде «моста», поднятого на высоту нескольких микрометров над кремниевой подложкой, где расположены измерительные схемы и «логика» матрицы. С подложкой мост соединяется двумя узкими электропроводящими «ногами» — контактами с низкой теплопроводностью.

Дабы применять излучение, не поглощенное мостом, на подложку наносят железное покрытие, отражающее ИК-излучение, а дабы уменьшить конвекцию, откачивают воздушное пространство. При нагревании элемента сопротивление моста изменяется, что и обнаруживается чувствительными измерительными схемами в настоящем времени. Температурное разрешение МБМ (свойство различать отличие температур) — около 30−100 мК, ход элементов — около 25−50 мкм.

Тепловая картина

Фотоэффект. ИК-фотоны, попадая на поверхность узкозонного полупроводника (HgCdTe, InSb), переводят носители заряда из связанного состояния в свободное. Их количество пропорционально интенсивности теплового излучения объекта.

Матрица фотоэлектрических детекторов, установленная в тепловизоре, в обязательном порядке обязана охлаждаться до -200°C, в противном случае личные тепловые колебания решетки полупроводника вызывают столь интенсивное высвобождение носителей заряда, что на его фоне генерация носителей ИК-излучения делается легко незаметной. Размер фотоэлектрических матриц не создаёт впечатления на людей, привыкших к мегапиксельным камерам: самые громадные из них — 640х480 пикселей.

Тепловое преобразование основано на вторичных эффектах, к примеру, зависимости электрического сопротивления от температуры. В этом случае охлаждения не нужно, матрица размером 640х480 пикселей является набором миниатюрных болометров (устройств для измерения энергии излучения посредством термочувствительного элемента, поглощающего это излучение), и трудится она в широком диапазоне температур (от -30ОС до +30ОС).

Любая из двух упомянутых разработок имеет недостатки и свои достоинства. Самое основное преимущество охлаждаемых фотоэлектрических матриц — высочайшая чувствительность (в особенности в коротковолновом диапазоне). Работа в кратко- и средневолновом ИК-диапазоне (3−5 мкм) дает большее разрешение если сравнивать с микроболометрическими матрицами. Размер пикселей в этом случае меньше, исходя из этого возможно применять более короткофокусные объективы.

Минусы камер с охлаждаемыми матрицами — короткий срок и большое энергопотребление работы криогенной совокупности (пара тысяч часов), дороговизна, и то, что охлаждение матрицы до рабочей температуры занимает в большинстве случаев пара мин.. Камеры с микроболометрическими матрицами по большей части трудятся в длинноволновом ИК-диапазоне 8−12 мкм — в этом диапазоне находится максимум излучения при комнатной температуре (к тому же в коротковолновом диапазоне их чувствительность мелка).

За счет большей длины волны такое излучение лучше попадает через туман, дым либо водяные пары. Эти тепловизоры недороги, компактны, начинают трудиться сразу после включения, имеют продолжительный низкое потребление и срок службы энергии. Они уступают по чувствительности охлаждаемым камерам, исходя из этого для них требуются светосильные объективы.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№47, сентябрь 2006).

Катя — художник / Рисует картинки красками на установке Junior Artist ELC


Темы которые будут Вам интересны:

Читайте также: