Д. Карнеев.
Тепловизор. Выбор профессионала (МиБ № 6/2007)
«Мир и безопасность» № 6 за 2007 г.
Вы не можете спрятать ваше тепло!
Если нарушитель есть, то он теплый!
Мы, профессионалы области безопасности, имеем за пазухой множество технических средств: от камер до ID беджей. Мы используем различные системы для контроля доступа на предприятие, которое защищаем, не оставаясь в стороне от технического прогресса и новых разработок в нашей области. Так вот, я пишу эту статью, чтобы сказать вам, что у нас появилась новая игра: охранные тепловизоры! Часть первая. В городе новый игрок
В отличие от человеческого глаза, тепловизоры не используют видимый свет для формирования изображения, тепловизоры используют тепло. Это дает им особое преимущество над низкоуровневыми и дневными камерами, когда освещение непрактично, дорого или требуется большая дальность действия. В течение многих лет тепловизоры были очень дорогими и для нас пытались закрыть надобность в них путем создания менее дорогих и менее способных приборов – приборов ночного видения и камер с инфракрасными прожекторами. Почему? С высококачественными тепловизорами, доступными на рынке и ценой $5000…$10000, мы будем продавать себя, если четко не разберемся в этой технологии, и тех, кто будет платить нам, обеспечивая свою безопасность, окажется мало.
Почему мне не все равно?
Простой ответ на этот вопрос – это… дальность действия. В этом бизнесе дальность – это эквивалент времени: времени для реакции, времени для принятия решения, времени для ответных действий. Охранные тепловизоры постоянно детектируют малейшие изменения в нагреве всего, что вокруг нас. Эту тепловую энергию детектировать намного легче на больших расстояниях, чем видимый свет, что дает тепловизорам прямое преимущество. На рисунке 1
тепловизор четко показывает, что кт
о-то хочет взломать дверь автомобиля. Небольшой катер показан на рис.2 Соответствующие снимки с камеры с ИК-подстветкой и прибора ночного видения показывают их способности с расстояния 150м.
Но на этом преимущества тепловизоров не заканчиваются. Тепловизоры не только видят дальше, но они еще и не уязвимы для большинства средств противодействия, открытых тому, кто противостоит средствам, основанным на видимом или отраженном свете: камуфляжу. Почему? Ответ прост: вы не можете спрятать ваше тепло.
Камера с ИК-прожектором была ближе 150м от человека одетого в темную одежду в безлунную ночь. Результат неутешительный. Тоже самое происходит и с прибором ночного видения – результат нулевой. Но тепловизор легко обнаруживает нарушителя.
Конечно, вы можете сказать, что с помощью камеры с ИК-прожектором вы лучше идентифицируете нарушителя, чем с помощью тепловизора. Это так, но задумайтесь если нарушитель настолько близко, что вы способны его идентифицировать, то вам, возможно, придется искать новую работу, а нарушитель, возможно, уже ест в вашей столовой. Используйте тепловизор и идентифицируйте нарушителя, когда он в наручниках!
Охранные тепловизоры очень полезны в случаях, когда они заставляют камеры на других технологиях бороться лишь за второе место. Большие предприятия обычно имеют зоны без заборов и неосвещенные участки в виду экономических и других причин. Тепловизоры видят достаточно далеко, чтобы сделать это «не вопросом» и, к тому же, они делают свою работу за меньшие деньги, чем создание инфраструктуры для низкоуровневых камер и камер с ИК-прожекторами.
Как это работает?
Это может показаться невероятным, но это не нанотехнологии и не космическая индустрия. Тепловизоры работают на простых природных закономерностях.
Мы видим отраженный свет. Камеры с ИК-прожекторами, приборы ночного видения и человеческий глаз – все работают на одном принципе: световое излучение обо что-то ударяется и отражается обратно. Детектор затем получает отраженную волну и превращает ее в изображение. Возможность любого из детекторов, будь то глаз или камера, создавать изображение – напрямую зависит от количества доступного света.
Рис.3.Ночью нет солнечного света, который отражается ото всех объектов, таким образом, мы ограничены светом звезд, луны и искусственным освещением. Если света недостаточно, то сложно видеть. Камеры с ИК-прожекторами компенсируют это тем, что излучают энергию, которая отражается ото всего, что есть в поле зрения камеры и возвращается обратно, создавая такую картину изображения. К сожалению, как результат мы имеем серьезные ограничения по дальности, так как резонно запитанные ИК-прожекторы слабы и дальность их действия, основанная на отражении световой энергии, обуславливается мощностью отраженной энергии.
Почему? Подумайте – энергия испущенная из этих малюсеньких излучателей должна дойти до цели и вернуться обратно перед тем, как у камеры будет шанс сдетектировать ее. К сожалению, бедным испущенным фотонам, просто нет шансов лететь дальше 150м. К тому моменту, когда они долетают до цели, они уже достаточно натерпелись и просто исчезают в эфире. (Кстати, если установить ИК-прожекторы достаточной мощности, чтобы работать как тепловизоры, то, возможно, вы из вашего предприятия сделаете микроволновку).
Как и ваши глаза, камеры с ИК-прожекторами работают детектируя отраженное излучение. Также как и у глаз, у камер с ИК-прожекторами будет лучшая картинка, если объект наблюдения контрастирует с фоном. Если объект не контрастирует – вы его не видите. Вы знаете другое слово для этого? Камуфляж. Абсолютно верно, камуфляж по своей сути уменьшает видимый контраст между объектом и окружающим его фоном.
Тепловизоры не страдают ни одним из этих недостатков. Во-первых, им нечего делать с отраженным светом: они видят тепло всего, что находится у нас на нашей планете (Действительно!). Все, что вы видите в своей повседневной жизни создает тепловую энергию – днем и ночью, в хорошую погоду или плохую. Просто задумайтесь: вы сейчас сидите и читаете эту статью, а тем временем создаете прекрасный тепловой образ себя же.
Тепловые образы людей, машин, зданий и других объектов ночью обладают даже большим контрастом, чем днем. Днем тепловизоры просто работают и выполняют свою службу видя мельчайшие разницы температур на объектах, а ночью они работают просто превосходно. Так вот, теперь вы знаете, что не все кошки ночью будут серы!
Итак, что мы сегодня узнали? Мы узнали, что приборы ночного видения и камеры с ИК-прожекторами имеют серьезные ограничения по дальности действия и это относится ко всей такой продукции, так как она основана на восприятии отраженного светового излучения. Мы также поняли, что эти камеры работают как раз хуже всего, собственно, когда они нам и нужны – ночью! С другой стороны, тепловизоры не зависят от освещения, работают на прием теплового излучения и работают лучше всего тогда, когда они нам больше всего нужны.
И, наконец, самое главное, мы узнали главное слово, которое описывает объект без тепловизоров, охраняющих его периметр – «цель».
Часть вторая. Игрок игроку рознь.
В настоящий момент тепловизоры приобрели большую популярность в кругу профессионалов видеонаблюдения, так как в виду планомерного уменьшения их стоимости, позволяют решать сложные задачи с очень высокой эффективностью и высоким соотношением стоимость/эффективность.
Однако тепловизор – тепловизору рознь, и здесь есть ряд важных особенностей, которые необходимо учитывать при выборе аппаратуры, наряду со стандартными подходами, используемыми при выборе аппаратуры видеонаблюдения. Попробуем разобраться, что к чему, последовательно анализируя, что сейчас предлагает рынок, беря за основу фундаментальные положения теории тепловидения и здравый смысл покупателя и интегратора.
Существующие тепловизоры и системы с тепловизорами можно разбить на следующие классы:
• Стационарные тепловизоры
• Поворотные тепловизоры
• Многоканальные поворотные системы
Перед тем как рассмотреть обозначенные классы приборов, обозначим некоторые теоретические положения, которые помогут оценить качество тепловизионного канала как такового, после чего на этой основе, оценим готовые продукты.
Тепловизор, как и другие оптико-электронные устройства состоят из 3-х основных блоков: объектив, матрица, блок электроники. Объективы тепловизоров изготавливаются из германия, так как этот материал пропускает длинноволновый ИК диапазон волн, поддается механической обработке и обладает достаточной прочностью для работы в охранных системах.
Каковы основные параметры тепловизора на которые следует обратить внимание? Атермальный ли объектив и его светосила. Если объектив атермальный, то при изменении температуры окружающей среды изображение останется в фокусе. Светосила. Здесь сложнее. Более светосильный объектив позволит иметь контрастную картинку при не очень высокочувствительной матрице, но менее светосильный обеспечит большую глубину резкости. Матрица. Здесь нужно смотреть на разрешение, чувствительность, материал детектора, наличие (лучше чтобы его не было) термоэлектрического холодильника, рабочий температурный диапазон. На настоящий момент, стандарт де-факто для разрешающей способности матриц тепловизоров – 320х240 пикселей. Однако, есть камеры с разрешением 160х120 или 640х480 и даже более, матрицы 640х480 мало распространены в виду пока очень высокой стоимости, а матрицы 160х120 уже практически не используются (хотя продаются) так как обеспечивают изображение заведомо худшего качества, чем матрицы с разрешением 320х240 при сравнимой стоимости. Если тепловизор 160х120 значительно дешевле прибора 230х240 для обеспечения необходимой дальности, то тогда это тоже подходящий вариант. Отметим, что указанные вводные по разрешениям матриц относятся к неохлаждаемым матрицам (микроболометры, ферроэлектрики). Охлаждаемые матрицы и «линейки» — это отдельный класс.
Стационарные тепловизоры.
Критерии выбора: Чувствительность, разрешающая способность матрицы, выбор объективов, класс исполнения, интерфейсы подключения и управления, температурные диапазоны работы и хранения.
Опишем тепловизор, который бы идеально подходил под наши, российские условия. Чувствительность – чем чувствительней, тем лучше. Лучшие образцы на рынке выдают чувствительность порядка 0.035ºС. Разрешающая способность – не менее 320х240 пикселей. Отсутствие термоэлектрического холодильника. Атермальный объектив. Температурный диапазон работы для средней полосы – -30…+50ºС, для северной и восточной части страны – -50…+50ºС. Следует обращать особое внимание на температуру хранения, так как тепловизионные детекторы чувствительны к воздействию на них отрицательных температур и они деградируют при хранении в условиях ниже паспортных. Наиболее широким диапазоном температур обладают приборы на матрицах на оксиде ванадия – VOx (-50…+80ºС). Прибор должен поставляться в кожухе, так как стандартные кожухи для тепловизоров не подходят в виду того, что стекло для тепловизора – это как зеркало для видеокамеры. Для тепловизоров используются специальные входные окна, пропускающие длинноволновый ИК-диапазон. Если тепловизор обладает возможностями управления, то должны поддерживаться стандартные интерфейсы и протоколы, такие как RS422/485 и как минимум Pelco-D, как один из наиболее распространенных протоколов. Наиболее ответственные производители поставляют решения под ключ, где монтажники лишь подключают разъемы на тепловизоре, без необходимости проведения НИРов по изысканию специальных кожухов и преобразователей интерфейсов.
Поворотные тепловизоры.
Критерии выбора: Тепловизионный канал – те же, что и для стационарных тепловизоров. Поворотное устройство: если выбирается комплексная система тепловизор-поворотное устройство, а не просто стационарный тепловизор, который пользователь установил на знакомое ему поворотное устройство, то скорее всего возникли такие требования, которые сложно решить используя стандартные поворотные устройства. Это могут быть углы вращения, скорость вращения, точность позиционирования, минимальный инкремент вращения. На всю систему, как правило, накладываются требования по управлению и передаче видео. Предпочтение лучше отдавать системам в которых реализованы стандартные протоколы управления PTZ-устройствами, а поворотное устройство имеет токосъемные кольца, что позволяет создавать системы без пучка проводов, идущих от нижней части поворотного устройства к тепловизору. Все большей популярностью пользуются интегрированные системы тепловизор/видеокамера/поворотное устройство. Здесь, к перечисленным требованиям нужно добавить возможность трансфокации у видеокамеры, так как это повышает тактико-тактические возможности системы. Например, тепловизор на большом расстоянии может сдетектировать что-либо, а трансфокатор видеокамеры наехать на этот объект для детализации изображения. Собственно, видеокамера без трансфокатора на поворотном устройстве, вызывает большие сомнения в ее эффективности на всей зоне работы системы.
Многоканальные поворотные системы.
Многоканальные поворотные системы – это системы с двумя и более оптическими каналами на одном поворотном устройстве. Как правило, это тепловизор и видеокамера с трансфокатором, к которым могут добавляться: лазерный дальномер, низкоуровневый канал, активно-импульсный канал. В большинстве случаев, такие системы комплектуются охлаждаемыми тепловизорами, устанавливаемыми на специализированные поворотные платформы, которые в себе сочетают высокую скорость поворота с низкой, высокую точность позиционирования с большой нагрузочной способностью, а наиболее продвинутые системы включают в себя сервер управления и оцифровки/видеосжатия. Это чрезвычайно интересный класс устройств и более подробно мы их рассмотрим в следующей публикации.
В завершение, хочу сказать, что тепловизоры уже вошли в круг технических средств, которые активно начали применять для организации видеонаблюдения и периметральной защиты объектов. И это только начало. Снежный ком только начал катиться с горы и скоро он будет здесь!
Карнеев Дмитрий Владимирович
Начальник отдела систем безопасности
ОАО «Пергам-Инжиниринг»