Фундаментальные принципы работы тепловизионных матриц: сравнение 384 та 640

Микроболометрические технологии легли в основу работы современных тепловизоров. Они предоставили возможность получать тепловое излучение и трансформировать его в электрическую форму. Матрицы состоят из пикселей. Каждый из таких элементов характеризуется автономностью работы при измерении инфракрасного потока. Технологическое развитие прошло эволюционный путь. Первоначально применяли в производстве аморфный кремень. Современные материалы создаются на основе оксида ванадия. Инновации обусловили значительный прогресс в точности измерений. Они помогли время службы приборов сделать длительнее. На качество визуализации данных непосредственным образом влияют параметры матрицы. Также они формируют объемы потребления энергии устройств, оказывают влияние на стоимость.

Для чего в тепловизоре необходима матрица

Тепловизоры должны фиксировать инфракрасное излучение. Оно поступает в пространство от всех без исключения объектов, температура которых превышает ноль градусов. Именно эту работу выполняет матрица. Посредством объектива происходит сбор излучения, исходящего от объектов, которые рассматриваются. Информация фокусируется на матрицу. Последняя является совокупностью чувствительных элементов (пикселей). Их задачей является измерение теплового потока. Так определяется поток энергии, поступающей с небольшого участка рассматриваемого поля. Тепловая картина в целом формируется совокупностью осуществленных измерений.

Основные подходы к детекции в матрицах

Первыми были изобретены термические (тепловые) детекторы. Они чаще всего используются при создании гражданских/охотничьих приборов. Пиксели представляют собой совокупность термоэлемента, резистивного сенсора (термистора) или иного материала, который при нагреве меняет электрические характеристики. ИК-лучи поглощаются пикселями. В результате происходит определенный нагрев.

Под матрицей находится электроника, способная через определенное время осуществлять контроль тока/напряжения. Данные поступают от каждого пикселя. Производители могут использовать разный пиксельный шаг. Так называется расстояние между центрами элементов. Пространственное разрешение напрямую зависит от этого показателя. Чем он меньше, тем лучше «видит» прибор. У таких тепловизоров гражданского назначения есть еще один параметр – NETD. Он указывает на минимальную разницу температур, которую способна различать техника. Чувствительность тем выше, чем меньше данный показатель.

Сравнительно невысокая стоимость и компактность отличают такую технику и являются преимуществами. К ним относится отсутствие необходимости в оснащении системой охлаждения. Более продвинутой категории тепловизионной техники простые тепловые детекторы уступают дальностью и чувствительностью. Их тепловой отклик является более медленным.

Второй тип матриц представляет собой куленые (фотонные) детекторы, принадлежит к последнему поколению. Изначально они были разработаны для научной, аэрокосмической, военной отраслей. В устройствах происходит непосредственно регистрация фотонного потока. При поглощении генерируется заряд. Эта особенность обусловила необходимость в системе охлаждения. К преимуществам относятся:

• более высокая чувствительность;
• увеличенные дальность и точность температурного измерения;
• высокий показатель сигнал/шум;
• больший динамический диапазон.

Помимо потребности в системе охлаждения к недостаткам можно отнести более высокую стоимость и сложность устройств.

Принципы работы пикселей 

Материал изготовления способен абсорбировать тепловую энергию в заданном рабочем диапазоне. Термальным откликом ΔT называется возникающее в результате повышение температуры. Характеристика сопротивления помогает его фиксировать. ROIC подключается к каждому пикселю в матрице, измеряет напряжение/ток через интегратор. Далее аналоговый сигнал преобразуется в электрический. На следующем этапе он подвергается цифровой обработке. Происходят шумоподавление, выравнивание, усиление, коррекция и пр. Все это предоставляет возможность вывести на дисплей готовое изображение, понятное пользователю.

Независимо от типа матрицы она является сердцем тепловизора. Итоговая картинка прибора полностью зависит от данного компонента, оптики и DSP-обработки, т.е. коррекции. 

Сравнение матриц (384×288 и 640×512)

Матрица, обладающая разрешением 384×288, интегрирует 110 592 пикселей. Это для многих практических применений остается достаточным показателем. Модель 640×512 демонстрирует уже 327 680 активных сенсорных элементов. В результате обеспечивая существенное улучшение детализации. Стандартный шаг пикселя в обоих вариантах составляет 12-17 микрон. Такой показатель выбран оптимальным для эффективной чувствительности. Обработки сигналов осуществляют процессоры. Они сегодня способны с высокой точностью анализировать температурные показатели. Плавность передачи изображения гарантируется частотой обновления. Достаточным показателем является 50 Гц.

Эксплуатационные характеристики: сравнение

Разрешение матриц в полной мере определяет особенности оборудования. Важные аспекты отличия:

• для матриц с разрешением 384×288 дальность распознавания объектов варьируется в пределах 1200-1800 метров; показатель 640×512 обеспечивает расстояние до 2200 метров;
• пропорционально количеству пикселей возрастает потребление устройством энергии;
• стоимость изготовления матрицы 640×512 может в два-три раза превышать аналоги с разрешением матрицы 384×288;
• мелкие детали лучше видны, проще различимы при большем разрешении;
• точность измерений температур возрастает на 15-20% у продвинутых моделей;
• сроки автономной работы сокращаются на 15-25% у более сильных систем за счет увеличения объема обрабатываемой информации.

Особенности процесса изготовления  

Аморфный кремний традиционно применяется в процессе изготовления матриц разрешением 384×288. Это обеспечивает достаточную чувствительность (25-30 мК). Более современные модели с разрешением 640×512 созданы по технологии, основанной на задействовании оксида ванадия (VOx). Это предоставляет возможность достичь чувствительности <25 мК. Германиевые объективы стали стандартом для качественного восприятия оборудованием ИК-спектра. Наличие многослойного просветления – их преимущественная особенность. Технологии обеспечили уменьшение размера пикселей без снижения чувствительности. Перед разработчиками открыты новые перспективы для миниатюризации.

Влияние на качество изображения оптики

Производители сочетают конфигурации матриц с разными объективами. Таким образом они создают широкий спектр оборудования. Модели предназначены для различных практических задач. Для дистанций до 1400 метров вполне достаточно системы с матрицей 384×288. Она должна быть оснащена объективом 19-25 мм. Конфигурации 384×288 с объективами 35 мм разработаны для обеспечения стабильного функционирования на расстоянии до 1800 метров. 

Устройства с матрицей 640×512, оснащенные объективами 25-35 мм, позволяют получать четкие изображения на дистанциях более 2000 метров. Каждая комбинация имеет свои преимущества и ограничения. Все это необходимо комплексно учитывать при выборе оборудования.

Дополнительные опции

В инфракрасных системах в соответствии с их разрешением варьируются возможности и наличие дополнительных опций. Увеличение количество пикселей благотворно влияет на уровень точности стадиометрического. Качество цифрового увеличения меняется от 2х до 36х. Существует возможность выбора в соответствии с предполагаемыми целями использования. Мощность процессора обработки изображения определяет скорость автоматического обнаружения объектов. Современные модели дают разный уровень шумов. Они обладают различными возможностями фильтрации поступающих данных. Функционирование режима «картинка в картинке» напрямую зависит от матрицы тепловизора.

Параметры выбора

Сезон использования обязательно должен быть учтен пользователем. Важны погодные аспекты, особенности местности, вероятность задымления и другие факторы. Совокупный анализ позволит определить модель с наилучшим сочетанием возможностей и стоимости. Следует проанализировать полный спектр вероятных задач. Так получится понять, какое разрешение является наиболее подходящим. Для применения на охоте можно рассматривать средние дистанции. Подойдет выбор оборудования с матрицей 384×288. Планирование тактических операций или желание распознать цели на больших дистанциях требует разрешение матрицы 640×512. 

В процессе исследовательской работы вполне достаточно тепловизора с матрицей 384×288. Он обеспечит наблюдения за природой. В охранной деятельности необходимо учесть площадь территории, максимальные расстояния, на которые необходимо будет смотреть. При поисково-спасательной деятельности следует выбирать технику с максимальным разрешением. Представители данной профессии почти никогда не знают, в каких условиях им придется работать. Этим обусловлена необходимость максимального функционала. Именно он сделает оборудование полезным во всех ситуациях.

Правила работы

Эксплуатация тепловизоров с разным разрешением отличается особенностями. Приборы с матрицей 384×288 обычно имеют меньшие требования к вычислительным мощностям. Модели 640×512 требуют более мощных аккумуляторных решений для длительной работы. Очистка оптических компонентов должна проводиться с соблюдением строгих правил независимо от типа. Соблюдение условия хранения и транспортировки оказывает влияние на срок службы устройств.

Рассматривая матрицы 384×288 и 640×512, понадобится анализировать комплекс факторов. Для профессионального применения в условиях повышенных требований к детальности рекомендуется 640×512. Для обычных задач достаточной будет матрица 384×288. Бюджетные ограничения также играют важную роль в процессе выбора. Технологический прогресс позволяет улучшать параметры без радикального увеличения цены, что делает тепловизионные технологии более доступными для различных категорий пользователей.

Перспективы развития тепловизионных технологий

Отрасль тепловизионного оборудования продолжает стремительно развиваться. Исследования направлены на повышение чувствительности матриц и снижение энергопотребления. Интеграция искусственного интеллекта – еще одно перспективное направление развития. Он применим для анализа тепловых изображений. Создание новых материалов позволит улучшить характеристики. Снижении стоимости производства – еще одно направление изысканий. Это важный аспект для потребителей.

Динамичное развитие характеризует на сегодняшнем этапе сферу тепловизионных технологий. Большинство производителей направляют свои усилия на повышение разрешающей способности матриц. Они совершенствуют технологии, разрабатывают нестандартные решения, пробуют новые материалы. Сейчас уже возможно уменьшать размер пикселя и сохранять его чувствительность. В будущем мы сможем увидеть значительное улучшение характеристик. Развитие алгоритмов обработки изображения позволяет компенсировать отдельные ограничения аппаратных решений.