Охлаждаемые и неохлаждаемые тепловизоры: технологии и применение

Все большее распространение получают охлаждаемые тепловизоры, обладающие большей эффективностью при работе на больших расстояниях, чем неохлаждаемые модели. Стоимость охлаждаемых устройств существенно выше, чем неохлаждаемых, однако повышенные затраты будут полностью оправданными благодаря более широким возможностям эксплуатации.

Основные различия охлаждаемых и неохлаждаемых тепловизоров

Охлаждаемые тепловизоры оснащены криокулером, благодаря которому понижается температура инфракрасного термодетектора. Это обеспечивает сенсору более высокую температурную чувствительность, делает его работу более точной, снижает погрешность. Кроме того, расширяется температурный диапазон при обнаружении цели.

У охлаждаемых и неохлаждаемых тепловизоров есть еще несколько отличий:

• рабочий диапазон. Охлаждаемые тепловизоры работают в коротковолновом диапазоне 3–5 мкм, а неохлаждаемые — в длинноволновом (от 8 до 14 мкм);
• дальность обнаружения. У устройств с охлаждением она существенно больше — может достигать 10 км;
• стоимость. Неохлаждаемые тепловизоры обходятся значительно дешевле, им не требуется сложное обслуживание.

Технологии охлаждаемых тепловизоров

Одним из ключевых параметров тепловизионного оборудования является температурная чувствительность. Это разница между температурой фона и объекта, за которым ведется наблюдение. Чтобы свести к минимуму тепловые шумы, необходимо найти способ охлаждения матрицы. Она охлаждается до криогенных температур, что максимально увеличивает температурную чувствительность.

В конструкции охлаждаемого тепловизора присутствуют следующие основные компоненты:

• фоточувствительная матрица, воспринимающая световое излучение;
• интегральная система на кремниевой основе;
• вакуумный криостатированный корпус;
• микрокриогенная система.

Первоначально для охлаждения матриц использовался жидкий азот, что приводило к значительному увеличению их размеров. Современные тепловизионные модули работают с использованием обратного эффекта Стирлинга, в результате обеспечивается эффективное отведение тепла. В роли хладагента выступает гелий, он постепенно улетучивается в течение 10 тысяч часов, после этого криокулер потребуется менять.

Технологии неохлаждаемых тепловизоров

Неохлаждаемые тепловизоры имеют более простое устройство и более низкую стоимость, при этом они имеют значительно меньшую потребляемую мощность. Такие устройства начинают работать сразу после включения, поэтому их удобно использовать там, где требуется высокая скорость измерений.

В качестве основного компонента таких тепловизоров используется болометр – устройство, работа которого основана на принципе изменения сопротивления термочувствительного элемента при поглощении энергии измеряемого излучения. Болометр имеет термочувствительный элемент в виде тонкого слоя металла с высоким сопротивлением.

Неохлаждаемые тепловизоры обладают более компактными габаритами и меньшим весом. С их помощью можно вести тепловизионное наблюдение даже в условиях задымленной атмосферы, тумана или смога. При диапазоне измерения в 8–14 микрон окно прозрачности остается более широким, чем при использовании коротковолновых тепловизоров.

Сравнение: преимущества и недостатки

Сравнение тепловизоров стоит проводить с учетом сферы их применения. Охлаждаемые устройства больше подходят для решения задач, требующих высокой температурной чувствительности и проведения измерений на большом расстоянии. Они обладают большей дальностью обнаружения объекта, их целесообразно использовать, например, во время научных исследований или в высокоточных системах безопасности на военных объектах. Однако это достаточно дорогое оборудование, поэтому его применение для решения простых задач будет нецелесообразным.

Также при сравнении тепловизоров нужно учитывать требуемую продолжительность работы. Охлаждаемые устройства требуют периодической дорогостоящей замены криокулеров, так как во время работы гелий постепенно испаряется. Это сокращает срок эксплуатации и требует дополнительных вложений в обслуживание. Микрокриогенные генераторы можно приобрести отдельно, но они требуют сложной установки в специально подготовленном помещении, чтобы не допустить загрязнения рабочего газа.

Неохлаждаемые тепловизоры станут лучшим решением в тех случаях, когда измерения нужно проводить на расстоянии до 1 км. В этом случае нет необходимости переплачивать за дорогостоящее высокоточное оборудование.

Примеры применения в промышленности и системах безопасности

Охлаждаемые тепловизионные модули нашли широкое применение в системах безопасности, в промышленной автоматизации, в военной технике. Они активно применяются в следующих сферах:

• в наблюдательных и охранных системах, для которых требуется высокая точность обнаружения и большая дальность работы;
• в носимых тепловизорах, а также в устройствах, которые устанавливаются на беспилотные летательные аппараты;
• в системах неразрушающего контроля, направленных на высокоточное обнаружение теплового излучения.

В этих и других ситуациях оправдано применение более сложного и высокоточного оборудования, которое даст возможность вести мониторинг температуры практически без искажений. Несмотря на сложность устройства и необходимость дополнительного обслуживания, применение таких устройств будет по-настоящему эффективным.