Этюд втеплых тонах
Солнце зашло за горизонт, идет мокрый снег. Под ногами хлюпает нечистая жижа, шквальный ветер стучит оторванными страницами ветхого металлического забора, каркают вороны, с далека доносится лай псов. Чернеют ветки покосившихся деревьев, то и дело видятся развалины хижин, а где-то в первых рядах виден скелет многоэтажного дома, в котором уже ни при каких обстоятельствах не будут жить люди.
И на фоне этого постапокалиптического пейзажа возможно подметить двух человек: один обвешан устройствами, напоминающими монокуляры, второй в горячей одежде, дополненной шапочкой и рукавицами из фольги. Нет, эти люди не сбежали из психлечебницы — это редакторы «ПМ» лично контролируют на себе методы тепловизионной маскировки в «условиях, приближенных к боевым».
Заметить тепло
Как мы знаем из школьного курса физики, все предметы, имеющие температуру выше полного нуля, являются источниками электромагнитного излучения. Весьма тёплые тела, такие как спираль лампы накаливания, излучают видимый ближний и свет ИК-диапазон, а предметы комнатной температуры имеют диапазон длин волн с максимумом в районе приблизительно 10 мкм. Волны таковой длины глаз человека не видит.
Но человеческий мозг обошел это ограничение, придумав особые устройства — тепловизоры, каковые регистрируют это излучение и переводят его в видимую для человека картину.
База прибора — особая матрица, чувствительная к дальнему инфракрасному диапазону. Существуют тепловизоры с ПЗС-матрицами, схожие по принципу работы с матрицами простых камер, но для работы они требуют охлаждения до криогенных температур, дабы их собственное тепловое излучение не «забивало» шумами регистрируемое изображение.
Такие матрицы имеют высокое быстродействие, пространственное разрешение и чувствительность, но весьма дороги, потребляют большое количество энергии и по окончании включения требуют времени на охлаждение. Их ниша — это опытные применения в военной технике, промышленности и науке.
Более массовые и компактные модели применяют неохлаждаемые матрицы на базе микроболометров. Любой пиксель таковой матрицы является терморезистором , что нагревается тепловым излучением. Измерив сопротивление каждого резистора, возможно взять неспециализированную «тепловую картину».
Тёмные объективы
Но имеется одна неприятность: тепловое изображение необходимо каким-то образом сфокусировать на микроболометрическую матрицу. Стеклянные объективы для этого не подходят — они всецело непрозрачны для волн дальнего ИК-диапазона. Линзы для фокусировки теплового излучения делают из очень экзотического материала — железного германия.
Для видимого света он совсем непрозрачен, а с просветляющим покрытием линзы некоторых тепловизоров и вовсе покупают черный цвет.
Объектив — один из самых дорогих компонентов тепловизора, поскольку германий стоит порядка $2000 за килограмм. В сентябре 2006 года «ПМ» в статье о тепловизорах предсказала, что стоимости будут оставаться высокими. Но отечественный прогноз не оправдался: не смотря на то, что германий с того времени отнюдь не снизился в цене, новейшие технологии разрешили создавать весьма мелкие микроболометрические матрицы, для которых достаточно мелкого объектива.
В современных компактных тепловизорах типа FLIR i5 стоят матрицы размерами всего 2х2 мм, а диаметр объектива образовывает приблизительно 5 мм, так что германия в том месте меньше одного грамма. Исходя из этого за последние пять лет цена на самые дешёвые наблюдательные тепловизоры снизилась с $5000 до 2000, а на измерительные устройства цены и вовсе начинаются с ?1000 (в Российской Федерации цены чуть выше).
В принципе, объективы тепловизоров возможно сделать и из бриллианта. Но через чур большая цена ограничивает использование этого материала узкой пленкой просветляющего покрытия: коэффициент преломления германия приблизительно равен 4, так что без просветления линзам из него никак не обойтись. Благодаря огромному коэффициенту преломления объективы тепловизоров легко сделать сверхсветосильными: в случае если для простой оптики f/1.0 — это огромное достижение конструкторов, то для тепловизоров это норма.
Из-за большой значительного отражения и цены материала от границы германия с воздухом число линз стараются минимизировать, так что зум-объективы в тепловизорах видятся очень редко.
Объекты охоты
Человек и фактически все объекты охоты — это теплокровные животные. Потому, что их температура заметно отличается от температуры воздуха, это возможно зафиксировано тепловизором. Потому, что протяженность волны теплового излучения намного превышает размер тумана порядка и частиц (дыма 1 мкм), они практически не воздействуют на тепловое изображение. Полное отсутствие освещения для тепловизора также не помеха, потому, что он фиксирует собственное тепловое изображение объектов.
Ночью кроме того легче — местность холоднее, а температура тела остается постоянной.
Чтобы выяснить, что именно видит Хищник своим тепловизионным зрением, мы вооружились несколькими устройствами и отправились наблюдать его глазами в ближайший лесопарк. Мы предполагали, что никого мельче бездомных псов нам найти не удастся, но первые же пять мин. наблюдений преподнесли настоящий сюрприз: в тепловизор видно мелкое, но броское белое пятно среди кустарника метрах в двадцати. Подходим ближе — никого.
Правильнее, глаз никого не видит, но тепловизор убеждает, что в том месте кто-то имеется! Лишь по окончании пяти мин. тщательного осмотра нам все-таки удается отыскать виновника, которого в итоге выдают глаза, блеснувшие в луче фонаря. Это мышь, выглядывающая из норки под кустом.
Как поведали нам умелые охотники, и куда более большие животные имеют хорошую маскировку кроме того на близком расстоянии, а вот тепловизор разрешает найти их за считанные секунды.
В случае если мышь видно с 20 м, то оленя, возможно, возможно заметить метров за 500? Это правильно, но лишь для прямой видимости — тепловое излучение не проходит через листву, не говоря уж о стволах деревьев. Исходя из этого независимо от объектива прибора в глубь леса возможно посмотреть где-то на 70 — 100 м, не более. Имеется ли тогда по большому счету суть в «дальнобойной» оптике? Да, имеется.
Так как одно дело подметить, что в том месте имеется что-то теплое, и совсем второе — совершенно верно осознать, что именно. В среднем расстояние распознавания целей приблизительно в четыре раза меньше дистанции обнаружения (75 — 400 м). А вот целиться лучше через простые дневные и ночные прицелы: тепловизионные пока не снабжают нужных быстродействия и детализации изображения для правильного попадания.
В чёрной комнате
Хищник обязан не только видеть жертву, но и ориентироваться в окружающей обстановке. А с этим, по идее, все обстоит далеко не так радужно: тепловизор видит лишь утепленные предметы, а почва, деревья, скалы, неотапливаемые строения — все это будет смотреться однотонно-серым. Иначе, различные материалы за сутки нагреваются солнцем по-различному, так что и ночью их температура будет разной, да и излучают они по-различному.
Так что это должно давать возможность видеть в тепловизор ночью как минимум не хуже, чем собственными глазами днем.
Практические опробования, совершённые в лесопарке и на закинутой стройке, принесли и восхищения, и разочарования. Стало известно, что в зависимости от погоды, настроек и местности тепловизора он может давать как изображение, практически неотличимое от съемки простой черно-белой камерой, так и серую малоконтрастную муть.
По окончании сухого и ясного солнечного дня, в то время, когда почва была покрыта снегом, тепловизор продемонстрировал красивое детальное изображение, разрешающее легко ориентироваться на местности. На следующий сутки, по окончании дождя и потепления снег растаял, и тепловизионная картина начала выглядеть как целый серый фон. Кроме того режим InstAlert, при котором контраст программно увеличивается многократно, не обеспечил значительного улучшения обстановки.
В неотапливаемых строений обстановка выглядит еще хуже. В случае если в режиме InstAlert ориентироваться еще как-то возможно, то в простых White Hot и Black Hot это фактически исключено. В большинстве вторых случаев не оказывает помощь и InstAlert: на целом сером фоне, в котором нереально отличить друг от друга стенки, пол и потолок, видны только отдельные объекты, чей коэффициент излучения значительно отличается от показателя для бетона.
Так что с ориентированием на местности у Хищника должны были быть значительные неприятности: в данной ситуации тепловизор не может всецело заменить прибор ночного видения с ИК-подсветкой (в закрытом помещении без подсветки ПНВ не работает).
С глаз долой
Возможно ли спрятаться от тепловизионных глаз Хищника? Мы удостоверились в надежности пара способов. Хороший способ грязевого покрытия трудится, но весьма недолго — несколько мин., пока слой грязи прогревается до равновесной температуры.
Затем в тепловизор превосходно видны участки тела, обмазанные грязью.
Простая теплая одежда также достаточно скоро прогревалась до отметки, в то время, когда ее излучение становилось заметным. На достаточно маленькое время оказывает помощь обдув верхней одежды углекислотой из огнетушителя (расширяющийся углекислый газ охлаждается и переходит в жёсткую фазу, образуя мелкодисперсный сухой лед). Но в этом вопросе легко переусердствовать, а переохлажденная одежда превосходно выделяется на фоне окружающих предметов как чёрное пятно.
А вот в случае если поверх горячей одежды намотать фольгу либо воспользоваться полимерной металлизированной пленкой (в спортивных магазинах возможно приобрести подобную называющиеся «Космическое одеяло», Space Blanket), то итог получается более чем удовлетворительным. Покрытые фольгой либо пленкой участки тела остаются для тепловизионных камер практически незаметными в течение более чем 15 мин., и выдать их смогут разве что «тепловые блики» — отражения теплового излучения окружающих нагретых предметов.
Но где-нибудь в лесу, где сильных источников теплового излучения нет, легко проскользнуть незамеченным. Но скоро проявился и минус этого способа: в случае если фольга не производит наружу тепло, то температура в увеличивается: маскируясь от тепловизора, вы рискуете перегреться.
FLIR i5
Датчик: неохлаждаемый микроболометр на оксиде ванадия, 80х80
Спектральный диапазон: 7,5−13 мкм
Поле зрения: 17х17 градусов
Фокусировка: фиксированная
Дисплей: 2,8 дюйма, цветной
Режимы изображения: Iron, Rainbow, Black/ White
габариты и Масса: 340 г, 223x79x83 мм
+ Это весьма компактный промышленный измерительный тепловизор, что возможно носить кроме того во внутреннем кармане куртки, и очень насыщенный функционально: с указанием параметров материала измеряемого объекта и пределом измерения до 2700С.
— Чувство портит несложная оптика с фиксированной фокусировкой и матрица 80х80, заметно снижающие уровень качества картины, которую возможно сохранить лишь в JPEG. Но, этого качества в полной мере хватает для большинства применений. В это же семейство входят и две другие модели: более недорогая i3 с матрицей 60х60 и i7 с матрицей 120х120 и множеством дополнительных функций.
Как устроена микроболо-метрическая матрица (МБМ)
Любой отдельный пиксель представляет собой микроболометрический элемент, к примеру терморезистор на базе оксида ванадия. Термистор выполняется в виде «моста» — площадки, поднятой 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 (к примеру, из нихрома).
Чтобы применять излучение, прошедшее через мост, не поглотившись, на подложку наносят железное покрытие, отражающее ИК-излучение, а дабы уменьшить конвекцию, откачивают воздушное пространство. При нагревании микроболометрического 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.
Пиксели если сравнивать с многомегапиксельными матрицами современных фотовидеокамер характеристики тепловизоров скромны. Для наблюдательных устройств хорошего класса свойственны матрицы 160 х 120, 320 х 240 либо 384 х 288, и только самые дорогие модели оснащают матрицами с разрешением на уровне 640 х 480 либо 768 х 576, а измерительные тепловизоры — и вовсе 120 х 160 либо кроме того 60 х 60.
FLIR HS-324 Pro
Датчик: неохлаждаемый микроболометр, 320 х 240
Спектральный диапазон: 7,5−13,5 мкм
Поле зрения: 24 х 18 градусов
Фокусировка: фиксированная
Дисплей: ч/б QVGA в видоискателе
Режимы изображения: White Hot, Black Hot
габариты и Масса: 660 г, 240 х 85 х 60 мм
+ Прибор рекомендован для сотрудников МВД. От охотничьей модели FLIR Scout TS32 Pro его отличает цвет корпуса, отсутствие нужного режима InstAlert и отображение даты и времени. Прибор имеет громадное разрешение матрицы, и разрешает сохранять записи (8 кадров/ с).
Пара удручает отсутствие у объектива возможности фокусировки, четко видны лишь объекты на расстоянии более пяти метров. Но, в случае если уж предмет попал в область, быстро изображаемую объективом, картина будет очень качественной. К тому же 2x насадка на объектив разрешает создавать ручную фокусировку с минимальной расстоянием 1,0−1,5 м.
FLIR Scout PS24
Датчик: неохлаждаемый микроболометр, 240х180
Спектральный диапазон: 7,5−13,5 мкм
Поле зрения: 24х18градусов
Фокусировка: автоматическая
Дисплей: цветной VGA в видоискателе
Режимы изображения: White Hot, Black Hot, InstAlert Red
габариты и Масса: 340 г, 172х59х62 мм
+ Это самый дешёвый и компактный наблюдательный тепловизор на рынке. Он создан специально для охотников и туристов, но возможно нужен и многим вторым. Разрешение его матрицы образовывает 240х180, но картина выглядит очень достойно, не смотря на то, что и менее четко, чем у HS-324.
Весьма порадовал режим InstAlert: во многих случаях, в то время, когда HS-324 уже давал практически равномерно серую картину, PS24 разрешал рассмотреть подробности, да и пропустить белую точку (животное) несложнее, чем красную.
А вот что не порадовало, так это отсутствие возможности как-либо «извлечь» изображение из прибора: он не может ни сохранять его, не выдавать на видеовыход.
Тёмное, белое и другие цвета
Тепловое изображение возможно заметить лишь в условных цветах. В различных обстановках эргономичны различные условные цвета. Самый конечно отображать тёплые объекты белым, а холодные — тёмным. Данный режим обозначают White Hot. Но часто бывает эргономичным обратный вариант — Black Hot. К примеру, зимний лес в режиме Black Hot выглядит в полной мере конечно (снег — белый, деревья — тёмные), а в режиме White Hot — «инопланетно».
Существует кроме этого множество разных цветных палитр. К примеру, компания FLIR в собственных охотничьих тепловизорах реализовала пара режимов InstAlert, при которых у изображения искусственно увеличивается контраст, а тёплые объекты выделяются красным. В измерительных тепловизорах в большинстве случаев реализуют режим White Hot и пара различных палитр, к примеру «цвета нагрева железа» (Ironbow), «светло синий-красная» (Red-Blue) и т. д.
Fluke TiS Thermal Imaging Scanner
Датчик: неохлаждаемый микроболометр, 120 х 120
Спектральный диапазон: 7,5−14 мкм
Поле зрения: 17 х 17 градусов
Фокусировка: ручная
Дисплей: 3,7 дюйма, цветной
Режимы изображения: Ironbow, Blue-Red, Grayscale
габариты и Масса: 1,2 кг, 267 х 12 7 х 152 мм
— Большой, тяжелый и внушающий уважение измерительный прибор разрешает делать качественные снимки, но функциональность его урезана до предела. Тут отсутствует кроме того функция указания параметров материала измеряемого объекта, почему погрешность измерений может быть около 50C, а большая измеряемая температура образовывает всего 1050. Но и цена низка.
Но у прибора достаточное по меркам измерительной техники разрешение матрицы и, что крайне важно, объектив с возможностью ручной фокусировки от 15 см. Так что изображения с него получаются очень детальными. Очевидно, эти изображения возможно сохранить, причем как в виде простой картины BMP, так и в особом формате температурной карты.
Раздельно хочется упомянуть, что в сумке для ношения прибора хватает места для еще одного компактного тепловизора, ноутбука с зарядным устройством и пары бутербродов на обед.
Алюминиевая ушанка
Редакция «Популярной механики» со всей серьезностью желала бы поведать читателям, что шапочки из фольги вправду трудятся! Действительно, лишь для одной задачи: алюминиевые (либо металлизированные) рукавицы и шапочка действенно экранируют тепловое излучение тела, так что на экране тепловизора они сливаются с окружающим фоном. Выдать их может разве что блик от окружающих предметов (яркая полоса, которая видна на рукавице — это именно отблеск от лица).
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№112, февраль 2012).
<
h4>