Дальность действия тепловизора

Дальность действия тепловизора: что важно знать при выборе

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.

Что такое дальность наблюдения?

Простой ответ: дальность наблюдения — 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 синюю, как в знаменитом фильме Матрица?  Выбирайте!

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.

"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.

Термины и критерии измерения дальности действия тепловизора

Чтобы более точно определить дальность действия тепловизора, используются термины обнаружение, распознавание и идентификация, пришедшие из военной практики:

• 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.

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.

Влияние фокусного расстояния на дальность действия

Критическим параметром, влияющим на дальность действия тепловизоров, является фокусное расстояние объектива. Фокусное расстояние объектива — важный параметр, влияющий на дальность действия тепловизора, 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 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.

Охлаждаемые и неохлаждаемые детекторы

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 расчета – 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 охлаждаемый 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 и их влияние на дальность наблюдения

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. 

Тепловизор будет работать в тумане, но его дальность наблюдения значительно снизится, особенно в условиях густого тумана. В таких случаях эффективность тепловизора может уменьшиться, так как мелкие капли воды, взвешенные в атмосфере, рассеивают инфракрасное излучение, создавая "сумеречный" эффект. Однако, в отличие от обычных видеокамер, тепловизоры способны "видеть" через туман, поскольку инфракрасное излучение не зависит от видимого света.

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.

Как выбрать тепловизор по дальности действия?

Постоянно работая с тепловизорами и переложением функциональных требований заказчиков на технические параметры аппаратуры я разработал методику и соответствующую аналитическую 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.