fbpx
Назад
19 мая, 2021

Сферы применения и ключевые особенности охлаждаемых тепловизионных модулей

В современных охранных системах используются различные методы обнаружения объектов и тепловизионные камеры занимают среди них важное место. Для обеспечения обзора на средних и дальних дистанциях используются тепловизоры с охлаждаемыми матрицами.

 

Модуль фотоприёмного устройства MW 640×512

 

Стоимость инфракрасных камер является коммерческой тайной, но их высокая цена — общеизвестный факт. Это может стать для вас серьезным препятствием при принятии решения купить охлаждаемый тепловизионный модуль. Поэтому важно понимать, что на стоимость оборудования влияют в том числе и особенности его конструкции, обеспечивающие решение задач, недоступных другим типам устройств.

 

 

Как устроен охлаждаемый тепловизионный модуль

 

Основными элементами конструкции охлаждаемого тепловизионного модуля являются:

  1. Фоточувствительная матрица.
  2. Кремниевая интегральная схема.
  3. Вакуумный криостатированный корпус.
  4. Микрокриогенная система.

 

Для изготовления фоточувствительных матриц чаще всего используют антимонид индия (InSb) и КРТ (кадмий-ртуть-теллур): их доля на рынке составляет 47 и 40% соответственно. Фотоприемные модули (ФПМ) на основе этих элементов работают в диапазонах 3-5 и 8-14 мкм и предназначены для детектирования теплового излучения объектов. Фоточувствительная матрица интегрирована с кремниевой БИС, которая считывает, усиливает и мультиплексирует получаемый сигнал.

Устройство матричного фотоприемника на основе InSb. 1 – просветляющее покрытие; 2 –кремниевая подложка; 3 –криоклей; 4 – анодный окисел и просветляющее покрытие; 5 – базовая область n-InSb; 6 – пассивирующий слой SiO и анодный окисел; 7 – подслой Cr и Au; 8 – подслой Ni; In – индиевый микростолбик. Источник: http://mzsapphir.ru

 

 

Все компоненты ФПМ размещены в вакуумном криостатированном корпусе (например, сосуде Дьюара): он обеспечивает герметичность конструкции для организации эффективного охлаждения матрицы.

Высокая стоимость прибора объясняется необходимостью криогенного охлаждения. Раньше для этого использовались системы на жидком азоте и говорить о компактности и автономности не приходилось. Современные микрокриогенные системы (МКС) работают на обратном эффекте Стирлинга и обеспечивают охлаждение матрицы до 70-80 К.

МКС Стирлинга отличаются высокой компактностью, низким энергопотреблением, но чрезвычайно сложны в производстве, поскольку являются прецизионным оборудованием. Кроме того, процесс их сопряжения с ФПМ — трудоемкая и ответственная операция, требующая высокой квалификации и специального помещения.

В качестве хладагента в МКС Стирлинга используется гелий, который постепенно улетучивается через уплотнительные узлы, поэтому срок службы криомодуля составляет около 10 тысяч часов — затем требуется замена криокулера.

 

 

Для чего необходимо охлаждение фоточувствительной матрицы?

 

Необходимость использования в конструкции микрокриогенной системы — одна из причин, которая делает охлаждаемые тепловизионные модули дорогими и сложными в эксплуатации. Но эти недостатки компенсируются улучшением двух очень важных характеристик: контрастной чувствительности и дальности обнаружения.

За контрастную чувствительность отвечает параметр NETD (Noise Equivalent Temperature Difference). Он показывает, при какой разнице температур тепловизор в состоянии отличить детектируемый объект от фона. В неохлаждаемых моделях этот параметр достигает 50 мК, в охлаждаемых — менее 20 мК.

Казалось бы, разница незначительная. Но на деле даже такое небольшое различие играет существенную роль. Например, если приложить руку к стене, чтобы получить тепловую сигнатуру отпечатка, а спустя две минуты снять изображение, то станет заметно, что охлаждаемый тепловизор дает более контрастное изображение.

 

Контрастная чувствительность охлаждаемого (слева) и неохлаждаемого (справа) тепловизоров. Источник: worldvision.com.ua

 

При использовании в охранных системах тепловизионные камеры выполняют три задачи:

  • обнаружение;
  • распознавание;
  • идентификация.

 

При обнаружении устанавливается наличие или отсутствие объекта; при распознавании — определяется тип объекта (человек, автомобиль, дом и т.д.); при идентификации можно определить, вооружен человек или нет.

Чтобы прибор успешно справлялся с возложенными на него функциями, его параметры должны отвечать критерию Джонсона — числу разрешаемых периодов эквивалентной миры N, укладывающихся на критическом размере наблюдаемого объекта. За критический принимается размер, вдоль которого ведется анализ изображения на предмет выявления его характерных признаков. Ширина эквивалентной миры равна критическому размеру объекта, длина — его размеру в направлении, перпендикулярном критическому. За период миры принимаются серый и белый штрихи равной ширины.

Процесс обнаружения носит вероятностный характер, и экспериментально было установлено, что для обнаружения объекта с вероятностью 50% необходимо перекрытие его критического размера по меньшей мере 1,5 пикселями, для распознавания достаточно 6, для идентификации — 12 пикселей.

Тепловизор с охлаждаемой матрицей способен идентифицировать человека на дальности свыше 2 км, тогда как дальность действия неохлаждаемого тепловизора с таким же разрешением не превышает 1 км.

Если чувствительную матрицу не охлаждать до криогенного состояния, то возникающие под воздействием ее собственной температуры тепловые шумы исказят результирующий сигнал и сведут на нет все преимущества устройства.

 

 

Сферы применения охлаждаемых тепловизионных модулей

 

Имея представление об особенностях устройства и основных преимуществах охлаждаемых тепловизионных модулей, вы уже можете определиться, подходят ли они для ваших целей. 

Основными сферами применения являются:

  • носимые тепловизоры;
  • прицелы;
  • бортовые наблюдательные системы;
  • охранные системы;
  • системы предупреждения о запуске ракет;
  • термография;
  • инфракрасная Фурье-спектроскопия;
  • системы неразрушающего контроля;
  • и другие.

 

Тепловизоры с охлаждаемой матрицей незаменимы при наблюдении на большом удалении от охраняемого объекта или летательного аппарата, в сложных атмосферных условиях и при отсутствии освещения. За счет высокой дальности действия их можно использовать в связке с РЛС, а при необходимости — вместо нее.

Сенсорные головки охлаждаемых тепловизоров способны вращаться со скоростью 1 об/с, обеспечивая круговой обзор. Это позволяет сократить количество необходимых для контроля периметра единиц техники и, как следствие, расходы на содержание большой охранной системы.

При совместной работе с неограниченным количеством поворотных камер берутся под контроль места большого скопления людей (вокзалы, аэропорты и др.), и в период эпидемий по повышенной температуре можно быстро выявлять больных.

 

 

На какие характеристики детектора нужно обратить внимание

 

В настоящее время на рынке представлен большой выбор моделей охлаждаемых тепловизионных модулей. При выборе следует руководствоваться следующими параметрами:

  • Разрешение матрицы. От количества элементов матрицы (пикселей) напрямую зависит качество получаемого изображения. Стандартные размеры: 160x120, 320x240, 384x288, 640x480, 1024x Соотношение сторон здесь составляет 4:3, но встречаются приборы с иным соотношением: например, 288x4 или 640x512. Чем больше разрешение матрицы — тем дороже будет стоить прибор, поэтому если нет необходимости в детализированном изображении, на этом параметре можно сэкономить.
  • Шаг пикселя. Этот параметр определяет расстояние между центрами двух соседних пикселей. Типичные значения: 25, 17, 15 мкм. Чем меньше это значение — тем более качественным получится изображение.
  • Чувствительность (NETD). У всех охлаждаемых тепловизионных модулей параметр NETD находится ниже 20 мК, что обеспечивает высокую контрастность изображения. Но если такие показатели для вас избыточны — то лучше приобрести более доступный тепловизор с неохлаждаемой матрицей.
  • Материал сенсора и спектральная чувствительность. Матрицы на основе InSb работают в диапазоне 3-5 мкм, на основе КРТ — в диапазоне 3-5 и 8-12 мкм (для охлаждаемых тепловизоров). В последние годы КРТ становится основным материалом для создания инфракрасной фотоэлектроники, поскольку его чувствительность близка к фундаментальному пределу и обеспечивает видимость в важнейших окнах прозрачности атмосферы.

 

 

Какие предложения существуют на рынке

 

Разработкой инфракрасной фотонной техники занимаются во всех ведущих странах мира: Германии, США, Китае, Израиле, Франции, Великобритании, России. Основным форматом является размер матрицы 640x512 при шаге пикселя 15 мкм. Существуют также матрицы 1280x1024, но их стоимость пока слишком высока.

В таблице представлены основные параметры охлаждаемых тепловизионных модулей от ведущих производителей:

 

Марка Производитель Страна Технология Формат Шаг пикселя, мкм Спектральный диапазон, мкм
Scorpio MW Lynred Франция HgCdTe 640x512 15
3-5
Jupiter MW HgCdTe 1280x1024 15
3-5
Scorpio LW HgCdTe/CdZnTe 640x512 15 8-12
Pellcan MW SCD Израиль InSb 640x512 15 3-5
Blackbird InSb 1920x1536 10 3-5
Hawk MW Finmeccanica Великобритания HgCdTe 640x512 16 3-5
Hawk HD HgCdTe 1280x1024 8 3-5
Hawk LW HgCdTe/CdZnTe 640x512 16 8-12
Neutrino FLIR США InSb 640x512 15 3-5
C615M GST Китай HgCdTe 640x512 15 3-5
C615S Сверхрешетки 640x512 15 8-12
«АСТРОН-640КРТ15А810» ОКБ «АСТРОН» Россия HgCdTe/Si 640x512 15 8-12

 

 

В нашем каталоге присутствуют модели со схожими характеристиками: модули фотоприемного устройства MW1280x1024 и MW 640x512 для спектрального диапазона 3-5 мкм. Они представляют собой высокочувствительные детекторы на базе КРТ-матриц, установленных в сосуд Дьюара и охлаждаемых микрокриогенной системой Стирлинга. 

Модуль с матрицей 640x512 обладает массой менее 650 г, и потребляет мощность менее 15 Вт, что делает доступной его установку на БПЛА, в носимые тепловизоры и прицелы. Модуль с матрицей 1280x1024 весит почти 1 кг, а при оснащении сплит-системой его масса составит 2,6 кг. Но за счет большого разрешения и высокой контрастной чувствительности (<18 мК) он позволяет получить высококачественное изображение.

 

 

Заключение

  

Охлаждаемый тепловизионный модуль — дорогой, но необходимый инструмент для наблюдения, обеспечения безопасности и проведения научных исследований. Его ключевой особенностью является высокая чувствительность, позволяющая регистрировать незначительные температурные градиенты или обнаруживать объекты на больших расстояниях.

Развитие технологий приводит к увеличению размера фоточувствительных матриц, поэтому стоимость меньших форматов неуклонно снижается, что делает их более доступными для широкого потребителя.

Мы с радостью поможем вам определиться с выбором охлаждаемого тепловизионного модуля. Для получения консультации свяжитесь с нами удобным для вас способом.