Cámaras termográficas: mitos y realidad.

Cámaras termográficas: mitos y realidad.

– ¿Por qué la cámara termográfica tiene una lente inusual?
– Porque no está hecha de vidrio, pero… bueno, no de vidrio.
– Hecha de ¿germanio?
— Sí, de Alemania, hacen buenas ópticas, créanme.
De una conversación entre un comprador y un vendedor

Recordado en el epígrafe, el diálogo tuvo lugar en la vida real.

Después de escuchar lo que escuché, quiero exclamar: “¡No lo creo!”

Después de todo, ¿cómo puedes confiar en una persona que intenta venderte algo sobre lo que él mismo tiene muchos conocimientos vagos? ¿Podrá esa persona ayudarle a resolver problemas?

Es poco probable, así que averigüemos juntos qué deberían ser las lentes en las cámaras termográficas… y no solo ellas.

Primero, respondamos la pregunta planteada en el epígrafe.

Sí, de hecho, las lentes para cámaras termográficas no están hechas de vidrio. La elección de los materiales está influenciada por una cantidad bastante grande de factores, entre los cuales los principales son la capacidad de transmitir radiación infrarroja y el índice de refracción del material.

El material más barato y común, el vidrio óptico, es transparente sólo en un rango espectral limitado (longitud de onda inferior a 2 micrones). En la mayoría de los sistemas de imágenes térmicas, es necesario utilizar otros materiales: vidrios especiales y varias conexiones. Uno de los materiales de lentes más comunes en imágenes térmicas es el germanio.

Es a partir de germanio de donde se fabrican la mayoría de las lentes que funcionan en los rangos de 3…5 y 8…14 micrones. Sin embargo, hay que tener en cuenta que a altas temperaturas las piezas de germanio pierden su transparencia: el doble cuando la temperatura sube a 100° C y casi por completo a 160-200° C.

Vamos a Eche un vistazo más de cerca a las propiedades físicas del germanio.

El germanio es un material bastante duradero, no inferior en dureza a la plata. Pero esto no significa que la lente de la cámara termográfica sea un producto metálico duradero al que no le pasará nada bajo ninguna circunstancia. Debido a que las lentes de germanio son mucho más caras que las de vidrio o plástico, deben manipularse con cuidado.

A continuación se ofrecen algunos consejos para el mantenimiento de las lentes termográficas.

Al igual que las cámaras de vídeo, están sujetas al polvo y, a veces, a las huellas dactilares. Y aunque el germanio no es inferior a la plata en dureza, es mejor quitarle literalmente las partículas de polvo. Para ello, puede utilizar cilindros de nitrógeno especiales.

Desafortunadamente, a menudo no es posible retirar la cámara termográfica del objeto y llevarla a un centro de servicio, por lo que en condiciones de «campo» se puede utilizar un paño húmedo para quitar el polvo. Recuerde que no debe utilizar demasiada fuerza al limpiar la lente. Además, no debe limpiar la lente durante mucho tiempo, no debe limpiarla con movimientos circulares; un movimiento en forma de S es suficiente. Las huellas dactilares y otras manchas de grasa se pueden eliminar con acetona o alcohol etílico.

No se recomiendan colonias, bebidas alcohólicas fuertes ni quitaesmaltes cosméticos, ya que a menudo desconocemos el espectro de absorción y, en lugar de limpiar, lente, puedes arruinarla fácilmente.

El germanio no es el único material utilizado para fabricar piezas ópticas de cámaras termográficas. Actualmente, también se utilizan sulfuro de zinc (por ejemplo, para las ventanillas de recintos presurizados), fluoruros de metales alcalinos y otros materiales.

El uso generalizado de piezas fabricadas con estos materiales se ve obstaculizado por el coste relativamente elevado, aunque en algunas aplicaciones militares su uso está realmente justificado debido a condiciones operativas específicas.

Algunos «expertos respetados» en sus artículos utilizan el concepto de «lente motorizada».

Como nos interesó, decidimos escribir esta frase en un motor de búsqueda de Internet. Sólo después de la palabra «motorizado» se nos ofrecieron las siguientes opciones: división Wehrmacht y blindaje.

¿Entonces no existen tales lentes?

Por desgracia, eso no sucede. Esta frase es una traducción informática del término ‘lente motorizada’, que en los países de habla inglesa se refiere a una lente con ajuste de enfoque motorizado. ¿Por qué se necesitan tales lentes? Después de todo, la presencia de un motor eléctrico no tiene un efecto positivo en la confiabilidad del equipo; para ser más precisos, no aumenta la tolerancia a fallas; Todo queda claro cuando prestamos atención a los detalles del uso de cámaras termográficas en los sistemas de seguridad.

En el artículo anterior «Cámaras termográficas: no todo es tan sencillo» Llamamos la atención sobre el hecho de que, debido a las leyes de la física, las lentes para cámaras termográficas no refrigeradas (es decir, las que se utilizan con mayor frecuencia en sistemas de seguridad) deben ser rápidas, lo que significa que tendrán una pequeña profundidad de campo.

Recordemos cómo calcular la profundidad de campo de la lente. Los límites de la profundidad de campo dependen de la apertura F, la distancia focal de la lente f, la distancia a la que se enfoca la lente x y el tamaño de píxel del elemento sensible de la cámara d. El límite lejano de la profundidad de campo se calcula mediante la fórmula:(1)

   (1)

Si el denominador de la expresión es menor o igual a cero, entonces el límite lejano de la profundidad de campo corresponde a objetos en el infinito. El límite cercano de la profundidad de campo se calcula utilizando una fórmula similar: (2)

   (2)

Utilizando las fórmulas (1), (2), calculamos la profundidad de campo para una cámara termográfica con un tamaño de píxel de 25 micras, con una lente f=75 mm (F#=1), enfocada a una distancia de 500 m. El límite lejano corresponderá a objetos infinitamente distantes, el cercano se ubicará a una distancia de 345 metros.

Cuando el intruso traspasa los límites en los que la imagen tiene la claridad necesaria, Se requiere un ajuste rápido de la lente de la cámara termográfica. De hecho, ¿por qué no ajustarla manualmente cada vez? Por lo tanto, las cámaras termográficas de alta tecnología para sistemas de seguridad están equipadas con lentes con ajuste de enfoque motorizado.

Fig. 1.Gráfico de la dependencia de la ubicación del límite cercano de la profundidad de campo con la distancia focal

En la Figura 1Se muestra la dependencia del límite cercano de la profundidad de campo (en metros) de la distancia focal para lentes enfocadas al infinito. Como vemos, a medida que aumenta la distancia focal, el límite cercano del espacio fotografiado nítidamente se aleja de la cámara. Y si esto se puede descuidar cuando se utilizan lentes de enfoque corto (hasta 35 mm), cuando se usan lentes de enfoque largo (50 mm o más), es muy recomendable utilizar el ajuste de enfoque; de ​​lo contrario, los objetos cercanos serán poco distinguibles.

Uno de los mitos sobre las ventajas de las cámaras termográficas es el enorme alcance de detección del objetivo. Los fabricantes y distribuidores no dudan en escribir que una cámara termográfica no refrigerada con una lente con una distancia focal de 100 mm detecta un intruso a una distancia de 2 km. Es cierto, luego hacen una nota a pie de página e indican en letra pequeña que se trata de «un valor aproximado obtenido con base en el criterio de Johnson». Como sabes, en publicidad las cosas más interesantes siempre están escritas en letra pequeña.

Echemos un vistazo más de cerca a este matiz. Para empezar, hay que decir que, bajo determinadas condiciones, esta afirmación puede resultar cierta. Si descuidamos las condiciones climáticas y la radiación del fondo, obtendremos una imagen de una persona. Sus dimensiones serán de aproximadamente 4×2 píxeles. Si suponemos que el operador está mirando un monitor de 17 pulgadas, en el que se muestran 4 cámaras, incluida nuestra cámara termográfica, la altura de la persona en la pantalla será de aproximadamente 2 mm. En teoría, la detección es posible. Pero además de la óptica, conviene tener en cuenta una serie de factores que, sin duda, contribuyen a la probabilidad de detección del objetivo.

? Características del objeto detectado (contraste con el fondo, brillo, tamaño, complejidad del contorno, posición en la pantalla, velocidad, etc.).
? Características de la escena (fondo): luminosidad, intensidad del ruido.
? Condiciones climáticas: tasa de precipitación y naturaleza de la precipitación, humedad relativa del aire, contenido de polvo.
? Características del observador: entrenamiento, motivación, fatiga, edad, agudeza visual, etc.
? Requisitos tácticos: área del área de búsqueda, tiempo de búsqueda permitido, iluminación en la sala de fuerza, distracciones diversas, etc.

Como podemos ver, la probabilidad de detección depende no sólo de la distancia focal de la lente. Pero como es difícil y a menudo imposible tener en cuenta todos los factores mencionados (después de todo, el diseñador no sabe qué tan incorruptible es el guardia ni a qué velocidad se moverá el intruso), los diseñadores de sistemas de imágenes térmicas suelen utilizar el criterio de Johnson. . Así, por ejemplo, según el criterio de Johnson, para resolver el problema de la detección de objetivos con una probabilidad del 50%, son suficientes dos elementos ráster, para la discriminación, seis, etc. Además, los “especialistas en publicidad”, en busca del rango de detección, olvidan que estamos hablando de una probabilidad del 50%. Sí, mirar la tabla y sustituir valores es mucho más fácil que realizar cálculos, pero la práctica demuestra que es necesario ajustar estos valores. Por ejemplo, el Ministerio del Interior del Reino Unido recomienda tener al menos un 10% del ráster para la altura de la persona que se detecta, y esto es mucho más plausible, teniendo en cuenta todos los factores anteriores.

Debe recordarse que no importa qué lente use, detectar a una persona en un fondo calentado a una temperatura de 36-37 ° C es una tarea prácticamente imposible. Existe la opinión de que el cuadro de Malevich «El cuadrado negro» originalmente se llamaba «Los negros roban carbón por la noche». Como en el caso de los negros, lo mismo ocurre con las cámaras termográficas: si el contraste del objetivo detectado y el fondo es inferior al límite de sensibilidad del ojo humano, la detección, la discriminación y el reconocimiento son imposibles.

Al diseñar un sistema de imágenes térmicas, también vale la pena recordar que lo más probable es que se utilice en exteriores. Por tanto, no debemos olvidarnos de las condiciones meteorológicas. Y no estamos hablando sólo de proteger la cámara termográfica de la lluvia, la nieve, el polvo y de mantener la temperatura de funcionamiento. También debe recordar que las condiciones atmosféricas y el polvo afectan negativamente el rango de detección del objetivo. En el libro «Manual de sistemas electroópticos e infrarrojos», los autores dan la siguiente dependencia del coeficiente de atenuación de la tasa de precipitación (lluvia).

Fig. 2. Tamaño de objeto recomendado para la detección

Fig. 3.Límites y valor medio de este coeficiente para la luminosidad de cuerpos calentados a una temperatura de 36 oC

Por ejemplo, bajo la lluvia de verano, el rango de detección puede reducirse de tres a cuatro veces. Las densas nieblas, la nieve y el polvo también afectan la propagación de la radiación. Si descuidamos la influencia del clima, los fondos invertidos en la creación de un sistema de observación no nos permitirán resolver las tareas que se le asignan. Por supuesto, las cámaras termográficas modernas están equipadas con medios electrónicos para mejorar el contraste, lo que permite aumentar ligeramente la distancia a la que se puede detectar un intruso, pero conviene recordar: descuidar la influencia de la atmósfera en el funcionamiento del infrarrojo. ¡Este sistema es un error muy grave!

B Conclusión: creemos que las cámaras termográficas han ocupado el lugar que les corresponde en el mercado de sistemas de seguridad. El alcance de las cámaras termográficas no se limita a la vigilancia por televisión de seguridad: con el desarrollo de la tecnología, aparecen soluciones nuevas y más eficaces a viejos problemas. Pero no hay que apresurarse a comprar cámaras termográficas sin tener en cuenta cómo, dónde y para qué se utilizarán. En el próximo artículo, proporcionaremos una metodología para seleccionar una cámara termográfica, ópticas adecuadas y otros dispositivos periféricos: carcasas protectoras, dispositivos analíticos, etc. Después de todo, una cámara termográfica es una herramienta. Y cualquier instrumento requiere una afinación precisa y un uso profesional.

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C. Nikitin, SKN