Видеокамеры различного спектрального диапазона

В последние десятилетия системы видеонаблюдения внедряются и присутствуют во всех сферах нашей жизни: охранных системах, медицине, авиации, неразрушающем контроле, системах технического зрения, робототехнике и т.д. Наибольшую популярность и распространение получили телевизионные камеры видимого спектрального диапазона электромагнитного излучения (0,4 – 0,7 мкм) — VIS.

 Однако в сложных условиях наблюдения (морось, дождь, туман, пыль, дымка, задымление и др.) информативность снятого VIS-камерой изображения может оказаться недостаточной. В этом случае для расширения возможностей систем видеонаблюдения применяют камеры других спектральных диапазонов:

• коротковолнового инфракрасного (0,9 — 1,7 мкм);
• средневолнового инфракрасного (3 — 5 мкм);
• длинноволнового инфракрасного (8 — 14 мкм).

 

 

Камеры коротковолнового инфракрасного диапазона (SWIR)

 

SWIR-камеры оснащаются матрицей на основе InGaAs (арсенид индия-галлия) и имеют чувствительность в диапазоне 0,9 — 1,7 мкм, который за счет изменения соотношения арсенидов галлия и индия можно расширить до 2,5 мкм. Такое излучение невидимо глазу, но взаимодействует с предметами, подобно видимому.

 

 

 

Работа в этом спектральном диапазоне позволяет увидеть намного больше, чем через VIS-камеру: например, дым или туман уже не будут помехой. Также SWIR-камерам либо не требуется специального охлаждения, либо достаточно термоэлектрического охлаждения на основе элемента Пельтье.

Список областей применения камер коротковолнового инфракрасного диапазона довольно широк:

1. Контроль качества овощей и фруктов.
2. Контроль качества солнечных панелей.
3. Контроль наполнения непрозрачных емкостей.
4. Контроль обледенения.
5. Термоскопия от 200 °С.
6. Навигация.
7. Спасательные работы.
8. Ночное виденье в ясную погоду.
9. Проверка подлинности произведений искусства.
10. Обнаружение лазерной и инфракрасной подсветки.
11. Астрономические исследования.

 

К достоинствам SWIR-камер относятся:

• высокая чувствительность;
• хорошее разрешение;
• отсутствие необходимости охлаждения матрицы;
• возможность установки как специальной SWIR-оптики, так и обычной;
• компактность;
• малый вес;
• низкое энергопотребление.

 

Камеры средневолнового инфракрасного диапазона (MWIR)

 

MWIR-камеры предназначены для наблюдения в темное время суток на средних и дальних дистанциях. В этих устройствах обязательно наличие охлаждения и уже нельзя использовать оптику из тех же материалов, что применяются для камер VIS и SWIR-диапазонов. Как правило, для этих целей используют германий (Ge), селенид цинка (ZnSe), сульфид цинка (ZnS) и другие.

 

 

Область применения MWIR-камер:

1. Охрана акваторий портов и территорий аэропортов.
2. Баллистика.
3. Химическая идентификация.
4. Распознавание техники по ее тепловой сигнатуре.
5. Инфракрасная спектроскопия.
6. 3D-печать.

 

 

Камеры длинноволнового инфракрасного диапазона (LWIR)

 

LWIR-камеры способны регистрировать тепловое излучение от объектов с температурой, близкой к 0 °С, а наиболее чувствительные модели распознают объекты с температурой  до -40 °С. Также, как и для камер MWIR-диапазона, им требуется специальная оптика. Однако независимость от условий освещенности, видимости и погоды дает существенное преимущество перед прочими устройствами.

 

 

Применение LWIR-камер:

1. Стационарные и мобильные наблюдательные системы.
2. Экспериментальная механика.
3. Неразрушающий контроль.
4. Минеральная идентификация.
5. Определение температуры тела человека.

 

 

Сравнение изображений VIS-, SWIR-, и LWIR-диапазонов

 

Приведенный выше обзор применения видеокамер различного спектрального диапазона показывает, что для систем видеонаблюдения используются все представленные в настоящее время варианты. И это создает проблему выбора: какая камера лучше?

В частности, для задач навигации или организации непрерывного наблюдения важна независимость оборудования от освещенности и погодных условий. Однако возможности камер определенного спектрального диапазона ограничены.

Например, в пасмурную погоду даже днем после продолжительных (3 – 5 дней) дождей при низкой облачности (менее 100 м), видимости менее 1500 м, влажности воздуха более 90% и температуре в несколько градусов VIS и LWIR камеры не обеспечивают обнаружение объектов из-за низкой информативности получаемых изображений сцены. В то же время SWIR-камера позволяет обнаруживать объекты в этих же погодно-климатических условиях.

 

LWIR (8-14 мкм)  SWIR (0,9-1,7 мкм) VIS (0,4-0,7 мкм)

 

Сравнение VIS-, SWIR- и LWIR-изображений. В пасмурную погоду наиболее информативен SWIR-диапазон.

В условиях же плотного тумана или ночью в теплую погоду, LWIR-камера позволяет сформировать более информативное изображение, чем VIS или SWIR.

 

LWIR (8-12 мкм) SWIR (0,9-1,7 мкм)  VIS (0,4-0,7 мкм)

 

Сравнение VIS-, SWIR- и LWIR-изображений. В условиях тумана или ночью наиболее информативен LWIR-диапазон.

Таким образом, для получения информативного изображения в любых погодных условиях может потребоваться использование камер разного спектрального диапазона, что приведет к увеличению габаритов, веса и стоимости системы видеонаблюдения.

В этом плане представляют интерес появляющиеся в последние годы на рынке камеры расширенного спектрального диапазона: например, VIS+SWIR (0,5-1,7 мкм). Применение таких камер позволяет существенно уменьшить массогабаритные характеристики и энергопотребление системы видеонаблюдения. На рисунке ниже приведен пример съемки камерой VIS+SWIR типа «Xenics XSW 640» в сравнении со съемкой отдельными камерами VIS и SWIR.

 

VIS+SWIR (0,5-1,7 мкм) VIS (0,5-1,7 мкм) SWIR (0,9-1,7 мкм)

Сравнение изображений VIS +SWIR с VIS и SWIR

  

Существуют и другие способы повышения чувствительности видеокамер: например, применение биннинга с восстановлением пространственного разрешения. Эта технология стала возможна благодаря использованию покадровой фиксации изображений. На рисунке ниже показан пример восстановления исходного изображения с использованием этой технологии.

 

исходное изображение  биннинг 4х4 восстановленное изображение

 

Пример повышения чувствительности и восстановления пространственного разрешения изображения сцены при биннинге 4х4

 

 

Цифровые интерфейсы для обмена данными

 

Современные системы видеонаблюдения предполагают не только использование самого совершенного оборудования, но организацию цифровой передачи данных. В настоящее время для этой цели используют различные цифровые интерфейсы:

• USB0;
• USB3 Vision;
• FireWire;
• GigE Vision;
• Camera Link.

 

Различия между этими интерфейсами заключаются в длине используемого кабеля, пропускной способности канала, возможности многокамерной съемки и получения данных в реальном времени, а также простоте подключения.

Наиболее предпочтительным в этом плане является интерфейс GigE Vision, поскольку обеспечивает простоту подключения к одному компьютеру нескольких камер и наибольшую (до 100 м) длину кабеля, которую можно увеличить еще больше за счет использования оптоволокна. При этом пропускная способность канала составляет 100 Мбайт/с и нет необходимости использования плат видеозахвата и специальных кабелей для высокоскоростных камер.

Интерфейс USB 3.0/ USB3 Vision также обеспечивает высокую (до 350 Мбайт/с) скорость передачи данных без использования платы видеозахвата, он широко распространен, слабо нагружает процессор, поддерживает энергосберегающий и Plug-and-Play режимы. Однако длина кабеля ограничена 8 метрами и сложно организовать видеосъемку с большим числом камер.

Интерфейс FireWire долго был одним из самых популярных цифровых интерфейсов, но сейчас он уступил свои позиции — не в последнюю очередь из-за низкой (до 64 Мбайт/с) пропускной способности и короткого кабеля.

Интерфейс CameraLink позволяет достичь высочайшей (до 850 Мбайт/с) скорости передачи данных, но имеет ограниченную (до 10 м) длину кабеля, требует наличия специальной платы видеозахвата и поддержки этого стандарта всеми компонентами системы. Тем не менее, это общепризнанный специализированный стандарт, обеспечивающий быстрый обмен данными и передачу данных и питания по одному кабелю.

 

 

Что предлагает рынок

 

В последние годы рынок камер инфракрасного спектрального диапазона постоянно растет, и эксперты прогнозируют его дальнейший рост. Это связано с растущим спросом на инфракрасные детекторы как в гражданском, так и в военном секторах. Особенно заметен рост спроса на датчики LWIR-диапазона, которые с каждым годом становятся все более доступными.

 

Перечисление всех представленных на рынке моделей не представляется возможным, но технические характеристики наиболее популярных моделей приведены в таблице ниже.

 

Наименование	Размер матрицы, пикс.	Диапазон	Охлаждение	Размер пикселя, мкм	Частота кадров	Питание
Камеры
GH-SCS00	640x512 (14 бит)	SWIR (0,9-1,7 мкм)	Неохлажд.	15	50 Гц	DC 5 В
					25 Гц
GH-SWCL-15	640x512 (14 бит)	SWIR (0,9-1,7 мкм)	Неохлажд.	15	100 Гц	DC 12 В
NIT-275	640x512 (8 бит)	MWIR (3-5 мкм)	Охлажд.	15	25 Гц	DC 12-29 В
Core41h-3845	384x288 (8 бит)	LWIR (8-14 мкм)	Неохлажд.	17	PAL 25 Гц,	DC 5-12 В
					NTSC 30 Гц
Core41h-6405-sdi	640x512 (14 бит /8 бит)	LWIR (8-14 мкм)	Неохлажд.	17	PAL 25 Гц,	DC 5-12 В
					NTSC 30 Гц
Модули
GHOPTO InGaAs FPA	640x512	SWIR (0,9-1,7 мкм)	Неохлажд.	15	60 Гц, 120 Гц, 240 Гц

 

Компания «Лазерные компоненты» также занимается поставкой камер SWIR-, MWIR- и LWIR-диапазонов. Наш ассортимент включает в том числе и устройства с расширенным спектральным диапазоном. Например, камеры SWIR GH-SW1280-990 и SWIR GH-SWU2 производства Guohui OPTOelectronic имеют в качестве опции возможность расширения спектрального диапазона с 0,9-1,7 мкм до 0,4-1,7 мкм.

Линейка MWIR-камер представлена в нашей компании охлаждаемыми тепловизионными модулями ТМ-2, ТМ-3, ТМ-5, ТМ-6 и ТМ-10.

Отличительной особенностью модуля ТМ-2 является способность обнаруживать тепловые цели на расстоянии более 20 км при небольших габаритах и массе. Модуль ТМ-3 имеет два фиксированных фокусных расстояния (54 мм и 280 мм), что позволяет использовать его в условиях сильной вибрации. А модуль ТМ-10 настолько компактен, что может использоваться в малогабаритных гиростабилизированных оптико-электронных системах на беспилотных летательных аппаратах.

Также ООО «Лазерные компоненты» поставляет камеры LWIR-диапазона, имеющие свойства, удовлетворяющие большинству запросов пользователей:

• неохлаждаемая тепловизионная камера ТН-225 оснащена системой автоматической фокусировки и плавным зумом, что обеспечивает получение четкого изображения на дальних и средних дистанциях;
• охлаждаемая тепловизионная камера LW 288 x 4 имеет оптико-механическую систему сканирования, позволяющую получать итоговое изображение с разрешением 754х576;
• наблюдательная тепловизионная камера DLD – J подойдет для охранных систем любого типа за счет оптимального соотношения цена/качество.

 

 

Заключение

 

Таким образом, в настоящее время спектральный диапазон представленных на рынке инфракрасных камер закрывает практически все запросы потребителей, однако такое разнообразие порождает и трудности в выборе конкретной модели.

Определяясь с приобретением той или иной камеры инфракрасного спектрального диапазона, необходимо исходить из стоящих перед вами задач, а также условий, в которых будет эксплуатироваться оборудование. Тем не менее, существующие технологические решения позволяют решить задачу почти любого уровня сложности, а современные цифровые интерфейсы — передать полученные данные по назначению с высокой скоростью и без потерь.

Сотрудники ООО «Лазерные компоненты» будут рады помочь при выборе подходящей камеры. Для получения консультации свяжитесь с нами удобным для вас способом.