Принцип действия тепловизора

Главная » Статьи » Принцип действия тепловизора

Принцип действия тепловизора

Тепловизор - это оптико-электронная система, предназначенная для получения видимого изображения объектов, испускающих невидимое тепловое (инфракрасное) излучение. Первые тепловизоры созданы в 30-х гг. 20 в. Принцип действия тепловизора основан на преобразовании инфракрасного излучения в электрический сигнал, который усиливается и воспроизводится на экране индикатора. В 70-х гг. созданы тепловизоры, в которых тепловое изображение переводится в видимое непосредственно на экране, покрытом светочувствительным веществом (люминофоры, жидкие кристаллы, полупроводниковые пленки). Тепловизоры используются для определения местоположения и формы объектов, находящихся в темноте или в оптически непрозрачных средах. Применяются в дефектоскопии, навигации, а также в медицине.

Принцип действия

Вследствие того, что тела нагреты неравномерно (например, температура автомобиля с работающим двигателем будет выше температуры автомобиля с двигателем выключенным), складывается некая картина распределения ИК-излучения.

Действие всех тепловизионных систем основано на фиксировании температурной разницы объект/фон и на преобразовании полученной информации в изображение, видимое глазом. Современные тепловизионные приборы способны обнаруживать температурный контраст, равный 0,05-0,1 К.

В то время как оптические приборы ночного видения, работающих на основе электронно-оптических преобразователей (ЭОП), улавливают излучение с длиной волны

1-2 мкм, что лишь немногим выше чувствительности человеческого глаза, основные рабочие диапазоны тепловизионной аппаратуры охватывают следующие области длин волн: 8-14 мкм – область далекого ИК-излучения и 3-5,5 мкм – среднего ИК. Именно в этих областях приземные слои атмосферы прозрачны для ИК-излучения, а излучательная способность наблюдаемых объектов с температурой от -50 до +500С максимальна.

Таким образом, тепловизионные приборы способны обеспечивать большую дальность видения в любое время суток, через любую прозрачную для ИК-изучения маскировку и даже при несколько пониженной прозрачности атмосферы: при тумане, дожде, снегопаде, пыли и дыме. (Следует оговориться, что пары воды и углекислый газ весьма интенсивно поглощают волны ИК-спектра, и это заметно отражается на чувствительности приборов.)

Фоточувствительным элементом современного тепловизионного прибора является фокально-плоскостная двумерная многоэлементная матрица фотоприемников (FPA), изготовленная на основе полупроводников – примесных кремния и германия.

Поскольку в современных тепловизорах отсутствуют оптико-механические сканирующие устройства, они отличаются компактностью, малой энергоемкостью, высоким отношением сигнал/шум и хорошим качеством изображения.

Основным и главным недостатком тепловизора является большая цена. 90% стоимости прибора составляет его основные элементы: матрица и объектив.

Матрицы весьма сложны в производстве, и, соответственно, это все упирается в большие деньги.

С объективами ситуация сложнее: их нельзя сделать из стекла, потому что этот материал не пропускает ИК-излучение. По этой причине для создания объективов применяются редкие и дорогие материалы.

Для понижения шумов и, следовательно, повышения пороговой чувствительности, в тепловизионных приборах матрицу фоточувствительных элементов охлаждает микрокомпрессорная система, либо используется термостабилизация при помощи термоэлектрической системы.

В последнее время все большее распространение получают приборы с неохлаждаемой микроболометрической матрицей.

Современные тепловизоры нашли широкое применение как на крупных промышленных предприятиях, где необходим тщательный контроль за тепловым состоянием объектов, так и в небольших организациях, занимающихся поиском неисправностей сетей различного назначения. Так, сканирование тепловизором может безошибочно показать место отхода контактов в системах электропроводки.

Особенно широкое применение тепловизоры получили в строительстве при оценке теплоизоляционных свойств конструкций. Так, к примеру, с помощью тепловизора можно определить области наибольших теплопотерь в строящемся доме и сделать вывод о качестве применяемых строительных материалов и утеплителей. Широкое применение тепловизоры получили в военной индустрии для координации боевых действий в темное время суток. Эта дорогостоящая аппаратура может устанавливаться на самолеты-разведчики, для оценки количества живой силы противника и ее расположения на участке боевых действий. Помимо инженерного применения с 2008-2009 гг. тепловизоры начали также активно использовать в медицинских целях - для выделения из толпы лиц инфицированных вирусом гриппа.

Дальность действия тепловизора

Это чуть ли не первый вопрос, который встаёт при обсуждении выбора тепловизора для какой-либо задачи видеонаблюдения. И ответ на этот вопрос может быть очень простым, очень сложным или таким, каким необходимо. Ответ зависит от того, что имеется в виду под "дальностью действия" и что реально необходимо от тепловизора.

В статье ниже приводятся теоретические аспекты вопроса определения дальности действия тепловизора.

Для перехода от теории к практике, в еще одной статье привожу практические рекомендации, а именно - методику для подбора тепловизора по дальности наблюдения и детализации изображения - цикл статей по практическим советам выбора тепловизора по дальности наблюдения с конкретной технической документацией.

Дальность действия тепловизора.jpg Что такое дальность наблюдения? Простой ответ - расстояние, измеренное в метрах на котором можно наблюдать интересующие нас объекты. Сложный ответ - это параметр тепловизора, зависящий от типа детектора, размера детектора, размера пикселя детектора, фокусного расстояния объектива, светосилы объектива, типа и размера наблюдаемого объекта, тепловой контрастности этого объекта, тепловой проницаемости атмосферы, условий наблюдения, критерия наблюдения. Круто. Вам какую пилюлю красную или синию, как в знаменитом фильме Матрица? Выбирайте!

Я выбираю простой ответ. А я не перепутал? Действительно ли простой ответ - прост? :-)

Вообще, для работы, я бы хотел, чтобы я мог задать свои параметры интересующего меня объекта, качества картинки и найти подходящий тепловизор или взяв тепловизор можно было сказать какого качества картинку можно получить на какой дальности. Забегая немного вперед скажу - я разработал такую методику и создал программу, которая за несколько секунд выдает необходимые данные. Но об этом позже. Интернет полон информации о тепловизорах с указанием их дальности обнаружения, распознавания и идентификации объектов. Термины обнаружение, распознавание и идентификация являются устоявшимися в тепловизионной сфере. Эти термины пришли от военных, которые используют их для оценки оптико-электронных приборов. Остин Ричардс (США), несколько лет назад написал довольно хорошую статью на эту тему. Ниже привожу её практически полностью.

Тепловидение – метод, который позволяет обнаруживать людей и объекты в полной темноте и различных погодных условиях. Типичное применение тепловидения – охрана границ, где основная угроза безопасности, как правило, возникает ночью. Наблюдательные вышки, расположенные с интервалом 4 км или более, должны обеспечивать обнаружение опасных объектов на расстоянии до 2 км или более для полного перекрытия границы. Знание того, как далеко можно видеть с помощью тепловизора и на каком расстоянии можно
обнаружить опасный объект, крайне важно. Расстояние, на котором можно видеть опре-
деленную цель с помощью тепловизора, в инфракрасной технике называют "дальность или радиус действия". Для правильного определения дальности действия тепловизора требуется достаточно сложное моделирование. При этом необходимо учесть множество переменных, включая тип используемого тепловизора и размер его объектива, природу и размер объекта для детектирования, атмосферные условия, а также значение самого понятия "видеть цель".

"Способность видеть" объект. Для определения того, что же означает "видеть цель" могут быть использованы, так называемые, критерии Джонсона. Джон Джонсон – научный сотрудник отдела "Ночного видения и электронных сенсоров", разработал эти критерии, относящиеся к эффективной дальности видения инфракрасных камер. Несмотря на то, что они были разработаны для военных (отсюда и использование термина "цель" по отношению к интересующему объекту), критерии Джонсона широко применяются для сравнительной оценки возможностей тепловизоров по дальности действия. В соответствии с этими критериями сравнение необходимо проводить по степени "видения" цели:

Детектирование или обнаружение: Для того чтобы определить – есть объект или нет, его критический размер должен быть перекрыт 1,5 или более пикселями. 1,5 пикселя в стандартной матрице эквивалентно 0,75 цикла – единица разрешения системы, изначально использованная в определении Джонсона.
Распознавание: Распознавание какого либо объекта – способность видеть тип объекта. Это означает возможность различать человека, автомобиль, грузовой автомобиль или любой другой объект. Для распознавания объекта необходимо, чтобы он был покрыт, по крайней мере, 6 пикселями по его критическому размеру.
Идентификация: Этот термин часто используется в военном смысле этого слова, который означает – увидеть (определить) "свой" или "чужой". Для этого критический размер рассматриваемого объекта должен перекрываться, как минимум, 12 пикселями. Эти критерии Джонсона позволяют наблюдателю с вероятностью 50% различить объект заданного уровня. Например, взрослый человек имеет примерно размеры 1,8 х 0,5 м.

По результатам статистического анализа эмпирических данных наблюдателей и данных, полученных из термограмм "критический размер" этого "объекта" 0,75 м. Рассмотрим систему с инфракрасной камерой, имеющую достаточное разрешение для того, чтобы 6 пикселей на изображении соответствовали критическому размеру цели 0,75 м при дальности 1000 м. Кроме того, предположим, что детектор камеры принимает достаточный температурный контраст между целью и фоном, т.е. разность температуры тела человека и холодного ландшафта в ночное время. В этом случае система имеет приемлемую вероятность распознавания при дальности 1000 м. Данные компании FLIR Systems, указывающие расстояние, на котором тепловизор может обнаружить крупную цель в условиях достаточного температурного контраста, могут помочь при ответе на вопрос "Как далеко Вы можете видеть с помощью тепловизора".

В зависимости от размера объектива тепловизионная система может обнаруживать активную деятельность человека на расстоянии нескольких километров. При увеличении размеров детектируемого объекта соответственно максимальная дальность его обнаружения также увеличивается.

Фокусное расстояние.
Критическим параметром, влияющим на дальность действия тепловизоров, является фокусное расстояние объектива. Фокусное расстояние определяет величину мгновенного поля зрения камеры. Это угловое поле зрения отдельного пикселя – наименьший угол разрешения системы, при условии наличия достаточного температурного контраста. Мгновенное поле зрения тогда определяет расстояние, на котором критический размер цели попадет по требуемое число пикселей для обеспечения обнаружения, распознавания и идентификации. Чем больше фокусное расстояние объектива, тем меньше становится мгновенное поле зрения, которое переходит в большее число пикселей, перекрывающих цель при фиксированной дальности. Задачи сверхдальнего наблюдения, например, охрана границ, требуют достаточно маленькую величину мгновенного поля зрения, так как тепловизоры должны обнаруживать объекты размером с человека на расстоянии нескольких километров. При этом также необходимо заметить, что общее поле зрения изменяется обратно пропорционально
с изменением фокусного расстояния – длиннофокусные объективы дают небольшое поле
зрения. Здесь есть некий компромисс: камеры с длиннофокусными объективами используют
для задач обнаружения на больших расстояниях для снижения общего поля зрения. Другими словами, Вы можете идентифицировать цели, но при этом Вам необходимо знать, где их искать на сцене, так как система, по существу, "смотрит" на сцену как бы через отверстие в соломке! Поэтому часто системы с инфракрасными камерами имеют объективы с несколькими фокусными расстояниями для обеспечения быстрого обнаружения цели с последующей ее идентификацией, когда система дает изображение крупным планом.

Рассмотрим человека на расстоянии 1 км. Эффективный угол, который перекрывает критический размер, деленный на дальность – 0,75 м/1000 м или 750 микрорадиан. Для того, чтобы правильно идентифицировать человека при этом угле с помощью тепловизора, нам необходима система, которая обеспечивает возможность перекрытия 0,75 м 12 пикселями на расстоянии 1000 м. Заметим, что здесь идентификация не означает распознавание конкретного человека, а позволяет отличить, например, человека, держащего оружие, от человека, держащего лопату. Объектив с фокусным расстоянием 500 мм с детектором, имеющим 15-ти микронные элементы (пиксели), обеспечивает мгновенное поле зрения 30 микрорадиан.
Количество пикселей на цели равно углу цели, деленному на угол мгновенного поля
зрения. Таким образом, мы будем иметь 750 микрорадиан, деленные на 30 микрорадиан
на 1 пиксель, или примерно 25 пикселей на цели – превышающие 12 пикселей, требуемые для идентификации.

Тепловизоры с охлаждаемым или неохлаждаемым детектором
Дальность наблюдения также зависит от того, какой применяется тепловизор – с охлаждаемым или неохлаждаемым детектором. Охлаждаемая система является более дорогой, но, как правило, она в большинстве случаев имеет большую дальность действия, чем охлаждаемая система. Типичная охлаждаемая камера имеет 15-ти микронный шаг пикселей (расстояние между центрами пикселей). Объектив с фокусным расстоянием 500 мм этой камеры обеспечивает мгновенное поле зрения 30 микрорадиан. При критическом размера 0,75 м, человек "попадает" под 12 пикселей при дальности 2,1 км. Вывод из этого примерного рас-
чета – идентификация человека при дальности наблюдения несколько километров требует объективов с фокусным расстоянием порядка 500 мм. Теперь рассмотрим случай неохлаждаемого детектора, который имеет в принципе меньшую чувствительность, чем охлаж
даемый детектор при сравнимых объективах и элементах (пикселях) детектора большего размера. Типичный неохлаждаемый детектор имеет шаг пикселей 38 микрон. Этот увеличенный размер пикселя "укорачивает" дальность идентификации до 0,8 км при фокусном расстоянии объектива 500 мм. Но более важно то, что объективы неохлаждаемого детектора при фокусном расстоянии 500 мм – просто непрактичны, так как эти объективы имеют очень низкую светосилу для того, чтобы получить температурную чувствительность, сравнимую с чувствительностью неохлаждаемых тепловизоров. Объектив неохлаждаемого детектора с фокусным расстоянием 500 мм и светосилой f/1,6 имеет диаметр 313 мм, т.е.
очень большие размеры и стоимость. Объективы могут быть настолько дороги, что съедают" большую часть снижения цены, которое может быть получено за счет применения тепловизоров с неохлаждаемыми детекторами. 367 мм объектив в сочетании с неохлаждаемым детектором с 38-ми микронным шагом пикселей обеспечивает максимальную дальность идентификации только 600 м. Вывод из этого примера - для задач сверхдальнего тепловизионного наблюдения лучше применять инфракрасные камеры с охлаждаемыми детекторами. Это наиболее целесообразно в средневолновом диапазоне во влажных атмосферных условиях.

Атмосферные условия
Несмотря на то, что тепловизоры могут "видеть" в полной темноте, при слабом тумане, дожде и снеге, их дальность действия зависит от этих атмосферных условий. Даже при ясном небе, области локальной атмосферной абсорбции ограничивают дальность видения конкретной тепловизионной системы. Естественно, чем меньше ослабление инфракрасного сигнала, идущего от цели к камере, тем больше расстояние он может пройти. Дождь и туман могут серьезно ограничить дальность действия тепловизионных систем из-за рассеивания света на каплях воды. Туман – это видимое множество небольших капелек воды, взвешенных в атмосфере над поверхностью земли или вблизи нее, которое во многих случаях снижает видимость по горизонтали до величины менее 1 км. Он возникает, когда температура воздуха и его точка росы воздуха близки, и имеется достаточно количество ядер конденсации. Существуют различные виды тумана, причем некоторые разновидности "густые" имеют большую плотность, чем другие, за счет образования капель воды большего размера при ассоциации. Наблюдение с помощью тепловизора через этот плотный туман затруднено, и соответственно, дальность видения будет снижаться. Тоже самое происходит при сильных ливнях и снегопадах. Кроме того, дождь может снизить температурный контраст, так как он будет охлаждать поверхности цели. Несмотря на снижение дальности видения в тумане, при
дожде и снеге, тепловизоры будут обеспечивать операторов возможностью видеть цель лучше, чем с помощью систем формирования изображений в видимой части спектра – видеокамер.

Дальность видения – функция множества переменных. Таким образом, нет легкого ответа на вопрос "Как далеко я смогу видеть с помощью тепловизора?" Это зависит от большого числа параметров окружающей среды и системы, включая природу цели (например, припаркованный и движущийся автомобиль), характеристик фона (горячая пустыня или холодный снег) и атмосферных условий (чистое небо или дымка). Это также зависит выбора от выбора камеры и ее объектива.

Постоянно работая с тепловизорами и переложением функциональных требований заказчиков на технические параметры аппаратуры я разработал методику и соотвестующую аналитическаую программу с помощью которой можно определить что будет видно в тепловизор и на какой дальности. Есть возможность задания такого параметра как вероятность обнаружения/распознавания и идентификации. Также возможен и обратный вариант, когда задается дальность и вероятность и необходимо подобрать параметры тепловизора, который это обеспечит. Метод можно использовать для планирования требований систем видеоаналитики. С помощью метода можно получить количество пикселей на объект на заданной дальности - оценить как будет работать видеоаналитика. В этом году добавлены возможности внесения параметра - влияние погоды на рассчитываемые параметры дальности. Можно задать погоду и посмотреть что произойдет с контрастностью изображения.

Принцип работы тепловизора

Тепловизионные приборы очень быстро приобрели большую популярность и стали востребованными во многих отраслях промышленности, коммунальной сфере и для частного использования благодаря способности идентифицировать тепловые волны.

Как работает прибор

Каждый предмет как одушевленный, так и неодушевленный, независимо от того перемещается он или находится в статическом положении, излучает электромагнитные волны, которые перекрывают достаточно широкий частотный диапазон, в том числе захватывают инфракрасный спектр. Излучение в таком спектре еще называется тепловым. Его интенсивность зависит от температуры объекта и практически не меняется от степени освещения.
Тепловизор представляет собой прибор, способный не только фиксировать тепловое излучение объектов, но и визуализировать его в доступном для человеческого глаза виде. Для этого он комплектуется специальным объективом. Линзы этого объектива отличаются уникальной способностью беспрепятственно пропускать тепловое излучение, в то время как обычное стекло задерживает ИК-лучи.

С помощью системы линз инфракрасные волны позиционируются на специальную матрицу. Она представляет собой совокупность датчиков, способных реагировать на тепловые волны. Информация в виде токовых посылок считывается процессором с матрицы и преобразуется в видеосигнал, выводимый на устройство отображения, которым может быть экран прибора или внешний монитор. Из-за разности температуры окружающей среды и объекта на дисплее получается контур изображения. В современных устройствах разные волны в зависимости от температуры отображаются разным цветом.
Для удобства пользователя поверх кадра может выводиться шкала, которая отображает соответствие цвета любой точки изображения значению абсолютной температуры наблюдаемого объекта. Предоставляется возможность также обозначать максимальное и минимальное значение температуры на изображении. Точность вычисления современных приборов составляет 0,05 градуса, поэтому картинка получается максимально реалистичной. Тепловизор настраиваются на работу с тепловыми волнами, имеющими длину 3,0–5,5 мкм, поэтому приземный слой атмосферы для него получается почти прозрачным, а природные явления в виде тумана, дождя, снега и дыма минимально влияют на чувствительность.

Типы детекторов

Матрица представляет собой микросхему с набором специальных диодов, отличающихся светочувствительностью, и свойством менять сопротивление в зависимости от интенсивности инфракрасных лучей. Благодаря современным технологиям матрица имеет компактные размеры и отличается низким энергопотреблением. Для получения качественной картинки необходимо минимизировать цифровой шум, поэтому конструктивно предусмотрены программные и аппаратные средства для ее охлаждения. В самых современных приборах ПЗС-матрица заменена на микроболометрическую, которая не требует охлаждения. Изменение сопротивления элементов такой микросхемы фиксируется с большой точностью практически во всем диапазона ИК-излучения.

Область использования

контроль степени теплоизоляции промышленных и коммунальных объектов, дверных и оконных проемов, а также подвалов и крыш домов;
измерение теплопроводности материалов;
нахождение точек утечки теплопотерь в домах и тепловых системах;
определение разгерметизации инженерных систем: вентиляции, кондиционирования, а также теплоснабжения и электроснабжения;
обследование фасадов домов в отопительный период;
диагностику дымовых труб и теплообменников.

Что такое тепловизор и какие они бывают

Тепловизоры — это приборы, которые предназначены для исследования поверхности объектов с целью определения их температуры. Любое тело, имеющее температуру выше -273.15 °C, испускает тепловое (инфракрасное) излучение. Даже снег и лед.

Даже лед излучает тепло

Для человеческого глаза оно не заметно, так как орган зрения способен уловить длину электромагнитной волны в диапазоне от 0.38 до 0.76 мкм. Инфракрасные лучи имеют диапазон от 0.76 до 1000 мкм. Их распространение можно ощутить лишь с помощью тепловых рецепторов на коже с очень близкого расстояния. Тепловизор же способен уловить инфракрасное излучение, находясь вдалеке от источника тепла, и вывести показатель температуры и характеристику температурного поля в визуально понятной форме на дисплей или экран.

По-другому можно сказать, что тепловизор — это камера, снимающая в инфракрасном диапазоне. С его помощью можно мгновенно сделать десятки тысяч измерений температуры. Это касается не именно такого количества отдельных предметов, а точек распознавания, излучающих тепло. Из определения понятно, что тепловизор нужен для поиска мест и объектов, температура которых отличается от окружающей среды или превышает нормативные показатели.

Контроль целостности трубопровода

Это может пригодиться для определения источника теплопотерь в жилых домах, при контроле за целостностью трубопроводов, перемещающих нагретые вещества, определении мест замыкания электропроводки и так далее. Широкое распространение получили тепловизоры у военных. Они позволяют обнаружить замаскированную живую силу и боевую технику противника по излучаемому ими теплу, независимо от времени суток и погодных условий. Огромную роль играют тепловизоры в предупреждении распространения инфекционных заболеваний, выявляя людей с повышенной температурой. Особенно это пригодилось с появлением новой коронавирусной инфекции.

Какие бывают тепловизоры

Тепловизоры могут быть нескольких видов и предназначений. Одни используются для поиска и наблюдения за объектами, в том числе людьми и животными. Такие приборы характеризуются большой дальностью, но показывают только тепловое пятно, без конкретных значений. Другие, наоборот, действуют в ограниченном пространстве, но могут выдавать точные показания. Эти относятся к классу измерительных устройств, задачей которых является предоставление информации о точной температуре объекта.

Морской тепловизор

Учитывая это, а также другие особенности тепловизоров их можно разделить на:

охотничьи;
военные;
морские;
медицинские;
строительные и промышленные;
научные;
мультисенсорные;
тепловизоры автоматизированных систем.

Охотничьи и военные тепловизоры позволяют увидеть живой объект с большого расстояния. Сам тепловизор никакого излучения при этом не испускает, что делает его незаметным, а это важно в боевой обстановке. Устройство позволяет найти технику по тепловому следу от горячих деталей. Военным это помогает уничтожить боевые средства противника, а охотникам выйти из леса, если они заблудились. Морские тепловизоры характеризуются еще большей защищенностью, чем военные и охотничьи модели. В первую очередь, от попадания внутрь соленой воды. Корабельные тепловизоры находят людей или терпящее бедствие судно в самых сложных метеорологических условиях.

Тепловизоры, предназначенные для применения в медицине, отличаются повышенной точностью измерений. Ведь даже отклонение в 1°С может дать ложное представление о болезни. Кроме того, что устройство помогает узнать о наличии в организме инфекции, оно может выявить и заболевание в отдельном органе. Рядом с проблемным местом температура повышается.

Съемка медицинским тепловизором

Строительные и промышленные тепловизоры помогают своевременно выявить возможные дефекты, допущенные при возведении зданий и сооружений, которые могут повлечь не только утечку тепла, но и привести к разрушению конструкции. С их помощью можно выявить опасные неисправности в высоковольтных линиях электропередач или утечку в газопроводах. Тепловизором можно найти даже скрытую трещину в опоре моста. Из-за трения температура, в месте разрушения, будет несколько выше. Кроме этого, тепловизоры могут применяться для:

контроля герметичности системы охлаждения и выхлопной системы автомобильного двигателя;
тестирования качества ультразвуковой сварки;
определения нарушений герметичности различных емкостей;
выявление нарушений соосности в механизмах с вращающимися валами, шестернями и подшипниками и так далее.

Обнаружение проблемного места на ЛЭП

Устройства, предназначенные для использования в научной сфере, тоже отличаются точностью. Кроме этого, им необходима повышенная защищенность и способность принудительного охлаждения. Так как эксперименты часто проходят в самых экстремальных условиях.

Научный тепловизор FLIR SC2500 series

Мультисенсорные тепловизоры нашли свое основное применение в охранных системах. Их универсальность и многозадачность позволяет максимально обезопасить территорию и защищаемые объекты в любое время суток, даже при нулевой видимости.

Тепловизоры автоматизированных систем ведут мониторинг работающего оборудования и контролируют состояние температурного режима, предупреждая о приближении к критическим значениям. Кроме этого, будучи подключенными к автоматизированной системе, они обнаруживают в пассажиропотоке людей с повышенной температурой тела, сообщая об этом оператору.

Принцип работы тепловизора

Работа тепловизоров заключается в преобразовании излучения инфракрасных волн в электрический сигнал и его вывод на устройство индикации. Простыми словами можно так описать этот процесс:

Объект, имеющий температуру выше абсолютного нуля (-273.15 °С), испускает инфракрасное излучение.
Объектив тепловизора фокусирует его на инфракрасном детекторе.
Детектор направляет сигнал электронному блоку, в котором происходит обработка сигнала.
На дисплей выводится тепловизионное изображение.

Спектральный диапазон работы тепловизоров в пределах от 3 до 5.5 мкм и от 8 до 14 мкм позволяют хорошо видеть инфракрасное излучение в приземных слоях атмосферы. Лучше и дальше всего видны объекты с температурой от -50 °С до +500 °С. Кроме этого, такой диапазон волн позволяет не замечать помех от тумана, дождя или снега.

Танк в тепловизоре

Еще одним принципиальным моментов является зависимость чувствительности тепловизора от собственной температуры. Поэтому детектор ИК-излучения необходимо охлаждать. Сначала стали применять охлаждение с помощью жидкого азота. Но более удобным способом стало применение элементов Пельтье. Эти полупроводники, пропуская через себя ток, охлаждаются сами и принимают тепло от детектора.

Устройство тепловизора

Большинство тепловизоров состоит из стандартного набора узлов, деталей и электронной начинки:

объектив;
датчик-приемник инфракрасного излучения;
электронный блок обработки сигнала;
дисплей;
программное обеспечение;
память;
система управления.

Основными частями тепловизора являются объектив и датчик-приемник инфракрасного излучения (матрица). Их стоимость определяет 90% цены всего устройства. Причина в сложности изготовления и дорогих материалах. Объектив делают из германия, так как обычное стекло является непреодолимым препятствием для ИК-лучей. В комплекте с тепловизорами обычно идет чехол для хранения объектива.

Принципиальная схема тепловизора

Полупроводники для датчика изготавливают из дорогостоящего антимонида индия, ртуть-кадмий-теллура и других монокристаллов с похожими свойствами. Приемник преобразует прошедшее через объектив излучение в электрический сигнал и направляет его в электронный блок для дальнейшей обработки. Электронный блок, обработав полученный сигнал, передает его на дисплей.

Для четкого отображения теплограммы, дисплеи должны обладать хорошей яркостью, разрешением и достаточным размером. Чаще всего, они представляют собой жидкокристаллические экраны. Кроме инфракрасного изображения на мониторе могут отображаться:

температурная шкала;
дата и время;
уровень заряда аккумулятора и другое.

Используемое программное обеспечение позволяет обработать цифровую информацию, превратив ее в качественное изображение и скопировать на любые носители. Для хранения полученных данных, в виде снимков, видео- и аудиозаписи, применяется как встроенная память, так и внешние устройства. Для освобождения места, всю информацию можно перенести в компьютер.

Экран строительного тепловизора

С помощью системы управления осуществляются настройка тепловизора. Это необходимо, чтобы оптимизировать изображение и лучше видеть точки с аномальной температурой. Настройки позволяют менять цветовую гамму, отрегулировать коэффициент излучения и видимость фоновой температуры, а также выполнить другие необходимые действия, помогающие проанализировать температурную ситуацию.

Как измерять температуру человека

Измерение температуры тела человека является, наверное, одной из самых важных функций тепловизора. Ведь от этого зависит жизнь и здоровье людей. Поэтому такой прибор должен обладать большой точностью. Их погрешность составляет не более 0.5 °С. А измерение производится с расстояния от 1 до 1.5 м, что является безопасным для медицинского работника, если человек инфицирован.

Измерение температуры человека

Медицинские тепловизоры имеют достаточно большой объем встроенной памяти и могут сохранить до 100 000 тепловизионных изображений с данными конкретных людей. А входящая в комплект тренога позволяет устанавливать их, например, на проходных предприятия.

Как работают тепловизоры в аэропортах и на вокзалах

Если для медицинских приборов важны конкретные показатели температуры, то для тех, которые установлены в аэропортах и железнодорожных вокзалах, особую важность имеет выявление факта ее превышения. А после этого уже врачи будут разбираться с диагнозом и лечением. Учитывая, что люди в таких местах находятся в одежде, и только лицо остается открытым, именно с него, вернее со лба, производятся замеры. Наиболее точно температуре тела соответствует кожа в углу глаз, но многие люди носят очки, что мешает снятию инфракрасного излучения с этого участка кожи. Оптимальным расстоянием для получения лучшего результата является дистанция от 3 до 6 м.

Тепловизор в аэропорту

Для стационарных приборов, устанавливаемым в местах с большим количеством людей, предусмотрено специальное программное обеспечение, которое использует алгоритм распознавания конкретных лиц. При этом игнорируются другие, неживые объекты. Такие устройства работают в автоматическом режиме. Заложенные параметры позволяют настроить звуковую сигнализацию, которая срабатывает при выявлении человека с повышенной температурой. Оператору нет необходимости все время смотреть в монитор.

Применяемые в аэропортах тепловизоры, несмотря на всю важность своей работы, являются самыми примитивными представителями этих устройств. Зачастую они даже не оборудованы цветными дисплеями. Хотя это и необязательно, градусы они все же показывают.

Тепловизор для охоты

Еще одной сферой деятельности человека, где применяются тепловизоры, является охота. С их появлением добыть зверя стало гораздо более легкой задачей. Ведь теперь охотник видит животное не только ночью, но и в сильный снег и туман, с расстояния около 300 м. Такие приборы отличаются от других своими характеристиками. Особое значение имеют:

разрешение матрицы;
диаметр объектива;
частота обновления кадров;
продолжительность непрерывной работы;
защищенность;
наличия дополнительных опций.

Охотничий тепловизор

Значение разрешения матрицы в том, что от него зависит то, на какой дальности будет обнаружена цель. Высокое разрешение позволяет получить качественное изображение и идентифицировать животное. Это нужно и для безопасности, так как тепловое пятно зверя можно перепутать с излучением другого охотника. На большинстве охотничьих устройств установлены неохлаждаемые матрицы, называемых микроболометрами, с разрешением 640×480 или 384×288 пикселей.

От диаметра объектива зависят оптическое увеличение и поле угла зрения. Увеличение и угол взаимосвязаны между собой. Чем шире угол поля зрения, тем меньше оптическое увеличение, и наоборот. Чтобы вести прицельную стрельбу на дальней дистанции нужно выбирать приборы с меньшим углом и большим увеличением.

Частота обновления кадров характеризует скорость смены кадров в видоискателе устройства. Если для стационарных тепловизоров и медицинских устройств этот показатель не представляет важности, то для охоты он имеет критическое значение. Ведь, для попадания в быстро бегущую цель необходимо, чтобы кадры сменялись без зависаний. Это обеспечивает частота от 25 до 50 Гц.

Цель видно и в туман

От продолжительности непрерывной работы тоже зависит очень много. Ведь будет обидно, а иногда и опасно для жизни, если устройство перестанет работать в самый неподходящий момент. Чтобы этого не случилось, охотничьи тепловизоры оборудуются аккумуляторами с повышенной емкостью. Но опытные охотники берут еще и дополнительный запас батарей. Можно приобрести быстросменные блоки с аккумуляторами, чтобы увеличить время работы устройства. Помочь оптимизировать время действия тепловизора может и программное обеспечение, которое позволяет настроить спящий режим, яркость дисплея и отключение некоторых функций, требующих энергозатрат.

Говоря о защищенности, имеется в виду, что охотничий тепловизор эксплуатируется в самых разных условиях. Это может быть и повышенная влажность, и экстремальные температуры, и чрезмерные механические нагрузки. Считается, что качественный тепловизор охотника должен сохранять работоспособность при температуре от -30 °С до +50 °С и не выключаться после падения с 2-х метровой высоты.

К дополнительному оборудованию и опциям, свидетельствующим о принадлежности устройства к охотничьим тепловизорам, относятся:

стадиометрический дальномер и баллистический калькулятор;
микрофон с видеорекордером;
гироскоп, компас и акселерометр;
возможность пристрелки с одного выстрела;
функция показа картинки в картинке;
передача данных по Bluetooth и Wi-Fi;
наличие цифрового зума;
пульт дистанционного управления;
внешний монитор или способность передавать информацию на экран смартфона;
лазерный дальномер.

Казалось бы, что при таком наборе, охотничий тепловизор просто лишен недостатков. Но это не так. Среди его минусов:

высокая стоимость, в том числе комплектующих и дополнительного оборудования;
трудность в определении цели на большой дальности;
энергозависимость от аккумуляторных батарей.

Все сказанное об охотничьих тепловизорах в полной мере относится и к военным моделям.

Что лучше на охоте: тепловизор или прибор ночного видения

Таким вопрос иногда задаются не только далекие от охоты люди, но и бывалые охотники, раньше не пользовавшиеся этими устройствами. Сразу стоит сказать, что вопрос некорректен. Ведь это абсолютно разные устройства.

Прибор ночного видения предназначен для усиления яркости объектов в темноте. Это происходит с помощью электронно-оптического преобразователя. Хотя он и может преобразовывать инфракрасные лучи в видимые, но только определенного спектра, не имеющего отношения к излучаемому теплу. Принцип работы активных прицелов основан на излучении и улавливании, после отражения от цели, именно таких ИК-лучей.

Устройство прибора ночного видения

Устройство для регистрации теплового излучения никакой активности не проявляет. Оно лишь пассивно фиксирует невидимые глазу ИК-лучи, попадающие в объектив. По этой причине говорить о том, что лучше, а что хуже, нельзя.

Опасность тепловизоров

Опасность тепловизионного устройства — это один из мифов. Неспециалисты думают, что раз прибор может на расстоянии зафиксировать электромагнитные волны, значит он использует какое-то излучение. Но выше мы уже разобрались, что никакого излучения не существует. Поэтому можно с уверенность сказать, что тепловизор никакой опасности для жизни и здоровья человека не несет.

Единственное, что может вызывать опасение, так это то, что неисправный прибор покажет нормальную температуру у инфицированного человека, который заразит окружающих. Но, поставив прививку, можно легко избежать этой угрозы легко.

На какое расстояние может «увидеть» тепловизор?

Это один из первых вопросов потенциальных клиентов. Вопрос вполне логичен, но дать однозначный ответ на него вряд ли получится. К примеру, каждый тепловизор «видит» Солнце на расстоянии около 150 млн. км от Земли. Но значит ли это, что тепловизор сможет выявить потенциально опасный объект на аналогичном расстоянии от охраняемой территории. Вряд ли…

Тепловидение представляет собой технологию, которая позволяет распознавать людей и предметы в абсолютной темноте и сложных погодных условиях. Характерным примером может служить охрана государственных границ, где основная масса инциндентов происходят именно ночью.

Допустим, что сторожевые вышки находятся на расстоянии 5 км одна от другой. Тогда для качественного обнаружения нарушителей границы установленное на вышках оборудование видеонаблюдения должно просматривать территорию на расстояние более, чем 2,5 км. Очень важный момент – определение максимального расстояния, на котором работает ваш прибор. Максимальную дистанцию распознавания цели принято называть радиусом действия прибора. Для качественного расчета радиуса требуется сложное моделирование. Основными факторами при таких вычислениях будут: тип, размеры объектива и камеры; характер и габариты обнаруживаемых объектов; минимальное разрешение, необходимое для распознавания цели.

На какое расстояние может «увидеть» тепловизор?

«Разглядеть»

Чтобы конкретизировать понятие «разглядывание» объекта, существуют некие «критерии Джонсона», которые изначально разрабатывались для военных целей, но в итоге стали пригодными для любых объектов. Из приведенного ниже перечня определите ту схему, которая будет применяться операторами вашей охранной системы наблюдения.

Обнаружение

Для определения наличия объекта в поле зрения, самый меньший из его габаритов на операторском экране должен составлять минимум 1,5 пикселя.

Распознавание

Распознать конкретный объект – это значит классифицировать его по определенному типу. Исходя из имеющегося изображения, оператор должен быстро определить, что именно попало в поле зрения: человек, авто или животное. Считается, что для этого критический размер объекта должен составлять минимум 6 пикселов.

Идентификация

Данный термин широко распространен в военной сфере. Им пользуются при определении принадлежности объекта: свой или вражеский. Для идентификации цели, ее размер должен состоять минимум из 12 пикселей. Такой критерий предоставляет 50%-ю вероятность принятия оператором правильного решения, исходя из полученного изображения на экране.

радиуса действия тепловизионных камер

Рассмотрим пример. «Размеры» взрослого человека составляют примерно 1,8×0,5 м. Со слов операторов охранных комплексов, «критические габариты» человека составляют 0,75 м. А теперь давайте представим такую тепловизионную систему, которая бы располагала достаточным разрешением, чтобы изобразить объект размером 0,75 м, удаленный на расстояние 1 м, с помощью только 6 пикселей. А если изображение объекта будет в достаточной мере контрастировать с фоном, такая система с высокой вероятностью распознает объект на расстоянии до 1 м. Компания «FLIR Systems» для оценки радиуса действия тепловизионных камер определяет, на каком расстоянии устройство способно обнаружить человека при достаточной тепловой контрастности.

Камеры FLIR могут выявить человеческую активность на расстоянии до нескольких километров, в зависимости от габаритов объекта. И, конечно же, чем больше объект, тем больше расстояние, на котором он может быть обнаружен.

Что такое тепловизор и как он работает. Применение тепловизора. Как работает тепловизор в быту

Тепловизоры это устройства, с помощью которых можно контролировать распределение температуры измеряемой поверхности. Эта поверхность изображается на экране прибора в виде цветового поля. На этом поле определенный цвет соответствует некоторой температуре. На экране отображается интервал видимой температуры. Стандартное разрешение тепловизоров последних моделей составляет 0,1 градус.

В недорогих устройствах информация сохраняется в памяти прибора и при необходимости считывается через компьютер. Чаще всего такие приборы используют совместно с ноутбуком и специальной программой, принимающей информацию с тепловизора.

Впервые тепловизоры появились еще в 30-х годах прошлого века. Современные системы тепловизоров стали развиваться только в 60-х годах. Приемники теплового излучения были с одним элементом. Изображение в приемниках осуществлялось с помощью точечного смещения оптики. Такие приборы имели низкую производительность и давали возможность для наблюдения за изменениями температуры с малым быстродействием.

С развитием технического прогресса появились ячейки, способные хранить сигнал света. Стало возможным проектирования новых тепловизоров на базе матриц датчиков. С этих матриц сигналы поступают на дешифратор, далее на обработку в главный процессор прибора.

В определенной последовательности сигналы проецируются на матрицу с распределением температур с разными обозначенными цветами. Такой принцип дал возможность получить портативные автономные устройства, способные оперативно обрабатывать данные, позволяющие контролировать изменение температуры в реальном времени.

Перспективной разработкой новых тепловизоров стало использование неохлаждаемых болометров. Этот принцип основан на повышенной точности вычисления изменения сопротивления тонких пластин под воздействием излучения тепла всего спектра. Эта технология популярна во многих странах при производстве новых тепловизоров, к которым предъявляются высокие требования безопасности и мобильности. В нашей стране изготовление автономных тепловизоров с неохлаждаемыми болометрами начато в 2007 году.

Работа и конструктивные особенности

Излучение инфракрасного цвета фокусируется оптической системой тепловизора на приемнике, который подает сигнал в форме изменения сопротивления или напряжения.
Электроника регистрирует полученный сигнал от системы тепловидения. В результате сигнал преобразуется в электронную термограмму. Она изображается на дисплее.

Термограммой называется изображение объекта, которое прошло обработку электронной системой для отображения ее на экране с различными цветовыми оттенками, соответствующими распределению инфракрасных лучей по площади объекта. В результате оператор видит термограмму, соответствующую излучению тепла, приходящего от исследуемого объекта.

Чувствительность детектора к излучению тепла зависит от его собственной температуры, и качества охлаждения. Поэтому детектор располагают в специальное охлаждающее устройство. Наиболее популярный вид охлаждения – это жидкий азот. Однако этот метод неудобный и довольно примитивный.

Другим видом охлаждения стали . Это полупроводники, способные обеспечить перепад температур при прохождении по ним электрического тока, и действующие по принципу теплового насоса. Чувствительность датчика тепловизора создается с помощью чувствительных полупроводников, выполненных из ртуть-кадмий-теллура, антимонида индия и других материалов.

Части и элементы тепловизора

Стоимость тепловизора довольно высока. Основными его элементами являются объектив и матрица (приемник излучения), которые составляют 90% стоимости всего прибора. Такие матрицы сложны в изготовлении. Объектив невозможно выполнить из стекла, так как стекло не пропускает инфракрасные лучи. Поэтом для объективов используют дорогие редкие материалы (германий). В настоящее время ведутся поиски других недорогих материалов.

Другими составными частями прибора являются:

1 — Крышка объектива
2 — Дисплей
3 — Управление
4 — Ручка с ремнем
5 — Тепловизор
6 — Пуск
7 — Объектив
8* — Электронная система
9* — Память для хранения информации
10* — Программное обеспечение

Объективы

В тепловизоре в обязательном порядке имеется хотя бы один объектив, который способен фокусировать излучение инфракрасных волн на приемнике излучения. Далее приемник подает электрический сигнал и образует тепловое (электронное) отображение, которое называется термограммой.

Чаще всего объективы изготавливают из германия. Чтобы оптимизировать пропускание света объективами, применяют просветляющие тонкопленочные покрытия. В комплект тепловизора обычно входит чехол для хранения и переноски устройства, другого дополнительного оборудования для применения прибора в полевых условиях.

Дисплеи

Отображение картины теплового излучения осуществляется на жидкокристаллическом экране (дисплее). Он должен иметь хорошую яркость и достаточный размер для легкого обзора изображения при различных условиях освещения, в полевых условиях. На экране обычно имеется вспомогательная информация. К ней относится цветовая шкала температур, время, дата, заряд батареи, температура объекта и другая полезная информация.

Схема обработки сигнала и приемник излучения применяются для модификации излучения инфракрасного света в необходимую полезную информацию. Фокусировка теплового излучения объекта осуществляется на специальный приемник. Он изготовлен из полупроводников. Тепловое излучение создает электрический сигнал на приемнике. Далее сигнал поступает на электронную схему, расположенную внутри прибора, после обработки сигнала электроникой, на экране возникает тепловое изображение.

Органы управления

С помощью этих элементов производятся различные настройки электронной системы для оптимизации изображения теплового излучения на дисплее. Такие настройки в электронном виде могут изменить цветовую гамму и слияние изображений, интервал теплового уровня. Также регулируется отраженная фоновая температура и коэффициент излучения.

Хранилище данных

Цифровые электронные данные, которые содержат изображения тепла и вспомогательные данные, могут сохраняться на электронных картах памяти различного типа, либо на устройствах передачи и хранения информации.

Большинство тепловизионных инфракрасных систем способны сохранять вспомогательные текстовые и голосовые данные, а также снимок изображения, которые получены при помощи внутренней встроенной камеры, работающей в спектре видимости человеком.

Создание отчета и программное обеспечение

Программное обеспечение, применяемое с многими современными системами тепловидение, является удобным и функциональным для оператора. Тепловые цифровые и видимые изображения копируются на компьютер или ноутбук. Там эту информацию можно проанализировать с применением разных цветовых палитр, осуществить другие регулировки радиометрических данных.

Также есть возможность применить встроенные опции проведения анализа. Обработанные картинки можно включить в образцы отчетов или отпечатать на принтере. Изображения также можно по интернету отправить заказчику, либо сохранить на компьютере в электронном виде.

Классификация

Тепловизоры делятся на несколько видов по различным признакам.

Наблюдательные преобразуют инфракрасные лучи в видимый для глаза свет по специальной цветовой шкале.

Измерительные тепловизоры способны определять температуру исследуемого объекта путем присвоения величине цифрового сигнала пикселей определенную соответствующую температуру. В итоге образуется изображение распределения температур.

Стационарные тепловизоры служат для использования на предприятиях промышленности, где осуществляется контроль над соблюдением технологических процессов в интервале -40 +2000 градусов. Такие устройства оснащаются азотным охлаждением, чтобы создать нормальные условия для работы приемной аппаратуры. Такие системы состоят из тепловизоров 3-го поколения, выполненных на полупроводниковых матрицах фотоприемников.

Переносные устройства тепловидения разработаны на основе неохлаждаемых кремниевых микроболометров. Вследствие чего появилась возможность отказаться от применения громоздкой и дорогой аппаратуры охлаждения. Такие приборы имеют все преимущества стационарных моделей. При этом их можно использовать в труднодоступных местах. Многие переносные тепловизоры можно подключать к компьютеру для обработки информации.

Часто приборы ночного видения путают с тепловизорами. Однако между ними большая разница. Устройство ночного видения может работать при малой освещенности, так как усиливает свет. Часто попавший в объектив свет ослепляет человека. Для тепловизора не нужен свет, так как его принцип действия основан на тепловых инфракрасных лучах.

Сфера применения тепловизоров

Тепловизоры используются в различных сферах нашей жизни. Так, например эти устройства используются в охране объектов и военной разведке. Ночью человека можно через этот прибор заметить в полной темноте на удалении до 300 метров, а военную технику видно до 3 км.

В настоящее время существуют видеокамеры микроволнового рабочего диапазона с выходом изображения на компьютер. Чувствительность такой камеры несколько сотых долей градуса. Следовательно, если вы взялись за ручку двери ночью, то тепловой отпечаток после этого будет видно около 30 минут.

Большую перспективу имеют тепловизоры в определении дефектов в разных установках. Это имеет место в случае повышения или понижения температуры определенного места механизма, или устройства. Иногда определенные дефекты выявляются только тепловизором. На опорных тяжелых конструкциях (мостах) при усталостном старении металла, возникающих деформациях в некоторых местах выделяется больше тепла, чем положено. Поэтому есть возможность диагностики дефектов без разборки объекта.

В результате можно сказать, что тепловизоры применяются в качестве оперативного контролера безопасности объектов.

Широкое применение тепловизоры нашли в медицине в качестве диагностики патологии различных заболеваний. У здорового пациента температура тела распределена симметрично от средней линии всего тела. Если эта симметрия нарушается, то это является критерием диагностики заболеваний тепловизором.

Термография является современным методом диагностики в медицине. Этот метод основан на обнаружении инфракрасного излучения тела человека в зависимости от его температуры. Интенсивность и распределение излучения тепла в норме определяется своеобразными физиологическими процессами, которые происходят в организме в глубоких и поверхностных органах.

Разные состояния патологии характеризуются несимметричностью распределения температуры тела. Это находит свое отражение на термографической картине. Такой факт имеет важное прогностическое и диагностическое значение. Об этом свидетельствуют многие клинические исследования.

Существуют два главных вида термографии:

Телетермография.
Контактная холестерическая термография.

Телетермография действует на модифицировании инфракрасных лучей от тела человека в сигнал электрического тока, изображающегося на дисплее тепловизора.

Контактная холестерическая термография работает по принципу оптических свойств жидких кристаллов, проявляющихся изменением цвета в радужные цвета при нанесении их на излучающие поверхности. Более холодным местам соответствует синий цвет, а горячим – красный.

Применение в промышленности

Контроль процессов обмена тепла в выхлопных системах, двигателях и радиаторах автомобиля.
Проверка и проектирование тормозной системы автомобиля.
Контроль ультразвуковой сварки.
Разработка климатической системы автомобиля.
Контроль качества монтажных плат в электронике.
Контроль режима сварки.
Выявление несоосности валов, подшипников, шестерен.
Анализ напряжений металла.
Контроль изоляции и герметичности емкостей для жидкостей.
Определение свойств теплоизоляции.
Выявление потерь тепла в помещениях.
Диагностика конструкций ограждений.
Предотвращение пожаров.
Выявление утечки газа из газопровода.
Контроль технологических процессов.
Проверка электрооборудования.
Проверка работоспособности тепловых трасс.
Выявление мест подсоса холодного воздуха.
Контроль теплоизоляции трубопроводов.
Проверка оборудования с наполнением маслом.
Проверка статора генератора.
Контроль газо- и дымоходов.

Страница 2 из 2

3. Устройство тепловизоров

Инфракрасное излучение является низкоэнергетическим и для глаза человека невидимо, поэтому для его изучения созданы специальные приборы - тепловизоры (термографы), позволяющие улавливать это излучение, измерять его и превращать его в видимую для глаза картину. Тепловизоры относятся к оптико-электронным приборам пассивного типа. В них невидимое глазом человека излучение переходит в электрический сигнал, который подвергается усилению и автоматической обработке, а затем преобразуется в видимое изображение теплового поля объекта для его визуальной и количественной оценки.

Диапазон инфракрасного излучения делится на несколько фрагментов:

Первые тепловизионные системы были созданы в конце 30-х гг. 20 в. и частично применялись в период 2-й мировой войны для обнаружения военных и промышленных объектов.

Общий принцип устройства всех тепловизоров следующий:

Тепловизор является дорогостоящим прибором. Его основные элементы - матрица и объектив составляют около 90% общей стоимости. Матрицы весьма сложны в производстве, но со временем, по заверениям экспертов, их цена может снизиться. С объективами ситуация сложнее: их нельзя сделать из стекла, потому что этот материал не пропускает ИК-излучение . По этой причине для создания объективов применяются редкие и дорогие материалы (например, германий). В наши дни активно ведутся поиски более дешёвых материалов.
Инфракрасное излучение концентрируется системой специальных линз и попадает на фотоприемник, который избирательно чувствителен к определенной длине волны инфракрасного спектра. Попадаемое на него излучение приводит к изменению электрических свойств фотоприемника, что регистрируется и усиливается электронной схемой. Полученный сигнал подвергается цифровой обработке и это значение передается на блок отображения информации. Блок отображения информации имеет цветовую палитру, в которой каждому значению сигнала присваивается определенный цвет. После этого на экране монитора появляется точка, цвет которой соответствует численному значению инфракрасного излучения, которое попало на фотоприемник. Сканирующая система (зеркала или полупроводниковая матрица) проводит последовательный обход всех точек в пределах поля видимости прибора и в результате мы получаем видимую картину инфракрасного излучения объекта. Чувствительность детектора к тепловому излучению тем выше, чем ниже его собственная температура, поэтому его помещают в специальное устройство – «холодильник». Наиболее примитивный, неудобный и самый распространеннный вид охлаждения с помощью жидкого азота. Это, конечно, позволяет охладить детектор до низких температур,но носить с собой сосуды дюара очень неудобно. Другой вид – посредством элементов Пельтье (полупроводники, дающие перепад температур (тепловой насос) при пропускании через них тока). Есть еще один вид "неохлаждаемых тепловизоров", работающих по другому принципу, но характеристики их пока заметно хуже, зато они намного мобильнее.
Таким образом, на экране тепловизора мы видим значения мощности инфракрасного излучения в каждой точке поля зрения тепловизора, отображенные согласно заданной цветовой палитре (черно-белой или цветной).
Высокая чувствительность тепловизоров реализуется благодаря наличию высокочувствительных полупроводниковых приемников излучения из антимонида индия InSb, ртуть-кадмий-теллура Hg-Cd-Te и др.

Применение тепловидения

Тепловизионный снимок кирпичного
фасада для оценки потерь тепла

Изображение собаки, сделанное тепловизором.

Тепловидение нашло применение во многих сферах человеческой деятельности. Например, тепловизоры применяются в целях военной разведки и охраны объектов. В ручной тепловизионный ночной визир человека можно увидеть в полной темноте на расстоянии 300 м. Объекты обычной военной техники видны на расстоянии 2-3 км. На сегодняшний день созданы видеокамеры данного микроволнового диапазона с выводом изображения на экран компьютера, чувствительностью (разрешаемой способностью разницы температур отдельных участков поверхности) в несколько сотых градуса. Это значит, что если вы при входе всвою парадную взялись за ручку двери, чтобы открыть ее, то ваш тепловой отпечаток будет виден на этой ручке целых полчаса. Даже дома при выключенном свете вы будете светить как маяк даже через занавеску. В метро можно спокойно отличить людей, которые только что вошли. А наличие насморка у человека и занимался ли он чем-нибудь интересным до этого можно наблюдать на расстоянии в несколько сотен метров. О распознавании недавно выключенной машины или о том, кто и когда сидел на данном кресле даже нечего и говорить.
Перспективно использование тепловизоров для нахождения дефектов в различных установках. Естественно, когда в какой-нибудь установке или узле наблюдается повышение или понижение тепловыделения при каком-нибудь процессе в местах, где этого не должно быть, или тепловыделение (теплопоглощение) в подобных узлах сильно различается, то неполадку можно своевременно исправить. Иногда некоторые дефекты можно заметить только с помощью тепловизора. Например, на мостах и тяжелых опорных конструкциях при старении металла или нерасчетных деформациях начинает выделяться больше энергии, чем должно. Появляется возможность диагностировать состояние объекта, не нарушая его целостности, хотя могут возникнуть трудности, связанные с не очень высокой точностью, вызванной промежуточными конструкциями.
Таким образом, тепловизор можно использовать как оперативный и, пожалуй, единственный контроллер состояния безопасности многих объектов и предотвращать катастрофы. Проверка функционирования дымоходов, вентиляции, процессов тепло- и массообмена, атмосферных явлений становиться на порядки удобнее, проще, информативнее.
Широкое применение тепловидение нашло в медицине.
В современной медицине тепловизионное обследование представляет мощный диагностический метод, позволяющий выявлять такие патологии, которые плохо поддаются контролю другими способами. Тепловизионное обследование служит для диагностики на ранних стадиях (до рентгенологических проявлений, а в некоторых случаях задолго до появления жалоб больного) следующих заболеваний: воспаление и опухоли молочных желез, органов гинекологической сферы, кожи, лимфоузлов, ЛОР-заболевания, поражения нервов и сосудов конечностей, варикозное расширение вен; воспалительные заболевания желудочно-кишечного тракта, печени, почек; остеохондроз и опухоли позвоночника. Как абсолютно безвредный прибор тепловизор эффективно применяется в акушерстве и педиатрии.
У здорового человека распределение температур симметрично относительно средней линии тела. Нарушение этой симметрии и служит основным критерием тепловизионной диагностики заболеваний. По участкам тела с аномально высокой или низкой температурой можно распознать симптомы более 150 болезней на самых ранних стадиях их возникновения.
Термография - метод функциональной диагностики, основанный на регистрации инфракрасного излучения человеческого тела, пропорционального его температуре. Распределение и интенсивность теплового излучения в норме определяются особенностью физиологических процессов, происходящих в организме, в частности как в поверхностных, так и в глубоких органах. Различные патологические состояния характеризуются термоасимметрией и наличием температурного градиента между зоной повышенного или пониженного излучения и симметричным участком тела, что отражается на термографической картине. Этот факт имеет немаловажное диагностическое и прогностическое значение, о чем свидетельствуют многочисленные клинические исследования.
Выделяют два основных вида термографии:
1.Контактная холестерическаятермография.
2.Телетермография.
Телетермографияоснована на преобразовании инфракрасного излучения тела человека в электрический сигнал, который визуализируется на экране тепловизора.
Контактнаяхолестерическаятермография опирается на оптические свойства холестерических жидких кристаллов, которые проявляются изменением окраски в радужные цвета при нанесении их на термоизлучающие поверхности. Наиболее холодным участкам соответствует красный цвет, наиболее горячим-синий. Нанесенные на кожу композиции жидких кристаллов, обладая термочувствительностью в пределах 0.001 С, реагируют на тепловой поток путем перестройки молекулярной структуры.
После рассмотрения различных методов тепловидения встает вопрос о способах интерпретации термографического изображения. Существуют визуальный и количественный способы оценки тепловизионной картины.
Визуальная (качественная) оценка термографии позволяет определить расположение, размеры, форму и структуру очагов повышенного излучения, а также ориентировочно оценивать величину инфракрасной радиации. Однако при визуальной оценке невозможно точное измерение температуры. Кроме того, сам подъем кажущейся температуры в термографе оказывается зависимым от скорости развертки и величины поля. Затруднения для клинической оценки результатов термографии заключаются в том, что подъем температуры на небольшом по площади участке оказывается малозаметным. В результате небольшой по размерам патологический очаг может не обнаруживаться.
Радиометрический подход весьма перспективен. Он предполагает использование самой современной техники и может найти применение для проведения массового профилактического обследования, получения количественной информации о патологических процессах в исследуемых участках, а также для оценки эффективности термографии.

Погода в Санкт-Петербурге | Pogoda78.ru