Тепловизор характеристики: Основные характеристики тепловизоров

Основные характеристики тепловизоров

11 июня 2021

Разрешение сенсора (микроболометра) – является важным параметром для определения качества сенсора. Фактически, это количество чувствительных элементов (пикселей), из которых состоит сенсор.
Сенсоры с большим количеством пикселей способны формировать более детальное изображение объекта.
Стандартными размерами для тепловизионных сенсоров являются:

Разрешение сенсора    Соотношение сторон  
160х120 4:3
320х240 4:3
384х288 4:3
640х480 4:3
1024х768 4:3

Шаг пикселя – расстояние между центрами двух соседних пикселей микроболометра.
Для тепловизионных сенсоров измеряется в Микронах.

Коэффициент заполнения (Fill factor) – отношение чувствительной к сигналу поверхности пикселей к общей площади пикселей. Сенсор с более высоким Fill factor способны улавливать большее количество энергии.

Увеличение
Характеристика показывает, во сколько раз наблюдаемое в прибор изображение предмета больше по сравнению с наблюдением предмета невооруженным глазом. Единица измерения – крат (обозначение «х», например, «2х» — «два крата»).

Для тепловизионных приборов типичные значения увеличения составляют от 1х до 5х, т.к. основная задача ночных приборов – обнаружение и распознавание объектов в условиях низкой освещенности и плохих погодных условиях. Рост увеличения в тепловизионных приборах приводит к существенному снижению общей светосилы прибора, в результате чего изображение объекта будет менее контрастным по отношению к фону, чем в аналогичном приборе с меньшим увеличением.

Падение светосилы с ростом увеличения может быть компенсировано увеличением светового диаметра объектива, но это, в свою очередь, приведет к увеличению габаритных размеров и веса прибора, усложнению оптики, что снижает общее удобство использования носимых приборов и существенно повышает цену тепловизионного прибора.
Это особенно важно для прицелов, так как пользователям дополнительно приходится удерживать в руках оружие. При большом увеличении также появляются трудности с поиском и отслеживанием объекта наблюдения, особенно если объект находиться в движении, так как при росте увеличения происходит уменьшение поля зрения.

Увеличение определяется фокусными расстояниями объектива и окуляра, а также коэффициентом масштабирования (К), равным отношению физических размеров (диагоналей) дисплея и сенсора:


где:
fоб – фокусное расстояние объектива
fок – фокусное расстояние окуляра
Lс – размер диагонали сенсора
Lд – размер диагонали дисплея.


ЗАВИСИМОСТИ:
Чем больше фокусное расстояние объектива, размер дисплея, тем больше увеличение.
Чем больше фокусное расстояние окуляра, размер сенсора, тем увеличение меньше.


Поле зрения.

Характеризует размер пространства, который одновременно можно рассмотреть через прибор.
Обычно поле зрения в параметрах приборов указывается в градусах (угол поля зрения на рисунке ниже обозначен как ) или в метрах для какой-то конкретной дистанции (L) до объекта наблюдения (линейное поле зрения на рисунке обозначено как А).

Поле зрения цифровых ПНВ и тепловизионных приборов определяется фокусом объектива (

fоб) и физическим размером сенсора (В).
Обычно в качестве размера сенсора при расчете поля зрения берут ширину (размер по горизонтали), в результате получают угловое поле зрения по горизонтали:

Зная размер сенсора по вертикали (высоту) и по диагонали, точно также можно рассчитать угловое поле зрения прибора по вертикали или по диагонали.


Зависимость:
Чем больше размер сенсора или меньше фокус объектива, тем больше угол поля зрения.


Чем больше поле зрения прибора, тем комфортнее вести наблюдение за объектами – нет необходимости постоянно перемещать прибор, чтобы рассмотреть интересующую часть пространства.

Важно понимать, что поле зрения обратно пропорционально увеличению – с ростом кратности прибора его поле зрения уменьшается. Это также одна из причин, по которой инфракрасные системы (тепловизоры в частности) с большим увеличением не производятся. В тоже время нужно понимать, что при увеличении поля зрения произойдет снижение дистанции обнаружения и распознавания.


Частота обновления кадра.

Одной из основных технических характеристик тепловизионного прибора является частота обновления кадра.
С точки зрения пользователя, это количество кадров, отображаемых на дисплее в течение одной секунды.
Чем выше показатель частоты обновления кадров, тем менее заметен эффект «запаздывания» изображения, формируемого тепловизионным прибором, по отношению к реальной сцене.
Так, при наблюдении динамичных сцен прибором с частотой обновления 9 кадров в секунду изображение может казаться размытым, а движения перемещающихся объектов – запаздывающими, с «рывками».


И напротив, чем выше частота обновления кадра, тем более плавным будет отображение динамичных сцен.


РАЗРЕШЕНИЕ. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА РАЗРЕШЕНИЕ.

Разрешающая способность определяется параметрами оптических элементов прибора, сенсора, дисплея, качеством схемотехнических решений, реализованных в приборе, а также применяемыми алгоритмами обработки сигналов.
Разрешение тепловизионного прибора (разрешающая способность) – комплексный показатель, составляющими которого являются температурное и пространственное разрешение.
Рассмотрим отдельно каждую из этих составляющих.

  • Температурное разрешение (NETD — noise equivalent temperature difference) (чувствительность; минимальная обнаруживаемая разность температур) — это граничное соотношения сигнала объекта наблюдения к сигналу фона с учетом шума чувствительного элемента (сенсора) тепловизионной камеры. Высокое температурное разрешение означает, что тепловизионный прибор сможет отобразить объект определенной температуры на фоне с близкой температурой, причем чем меньше разница между температурами объекта и фона, тем температурное разрешение выше.
  • Пространственное разрешение характеризует способность прибора изображать раздельно две близко расположенные точки или линии.
    В технических характеристиках прибора этот параметр может быть записан как «разрешение», «предел разрешения», «максимальное разрешение», что, в принципе, одно и то же.
    Чаще всего разрешение прибора характеризует пространственным разрешением микроболометра, так как оптические узлы прибора обычно имеют запас по разрешающей способности.

    Как правило, разрешающая способность указывается в штрихах (линиях) на миллиметр, но может быть указана и в угловых величинах (секундах или минутах).

    Чем больше значение разрешения в штрихах (линиях) на миллиметр и чем меньше в угловых величинах, тем выше разрешающая способность.
    Чем выше разрешающая способность прибора, тем более четкое изображение видит наблюдатель.

Для измерения разрешающей способности тепловизоров используют специальное оборудование – коллиматор, который создает имитацию изображение специального тест-объекта – штриховой тепловой миры.
Рассматривая изображение тест-объекта через прибор, судят о разрешающей способности тепловизора – чем более мелкие штрихи миры можно отчетливо видеть раздельно друг от друга, тем выше разрешающая способность прибора.

Изображение: Различные варианты тепловых мир (вид в тепловизионный прибор)


  Разрешающая способность прибора зависит от разрешающей способности объектива и окуляра.
Объектив формирует изображение объекта наблюдения в плоскости сенсора, и в случае недостаточной разрешающей способности объектива дальнейшее улучшение разрешающей способности прибора невозможно. Точно так же некачественный окуляр способен «испортить» самое четкое изображение, сформированное компонентами прибора на дисплее.

Разрешающая способность прибора зависит также от параметров дисплея, на котором формируется изображение. Как и в случае с сенсором, определяющее значение оказывает разрешение дисплея (количество пикселей) и их размер.
Плотность пикселей в дисплее характеризуется таким показателем как PPI (сокращение от английского «pixels per inch») — это показатель, обозначающий число пикселей, приходящихся на один дюйм площади.

В случае прямого переноса изображения (без масштабирования) с сенсора на дисплей разрешающие способности обоих должны быть одинаковы.
В этом случае исключается снижение разрешение прибора (если разрешение дисплея меньше, чем разрешение сенсора) или неоправданное применение дорогостоящего дисплея (если разрешение дисплея выше, чем у сенсора).

Большое влияние на разрешающую способность прибора оказывают параметры сенсора.
В первую очередь, это разрешение болометра — общее количество пикселей (обычно указывается как произведение пикселей в сроке и в столбце) и размер пикселя.
Эти два критерия дают основную оценку разрешения.


ЗАВИСИМОСТЬ:
Чем больше количество пикселей и чем меньше их размер – тем выше разрешающая способность.


Данное утверждение справедливо при одинаковом физическом размере сенсоров.
Сенсор, у которого плотность пикселей на единицу площади больше, имеет и большую разрешающую способность.

В тепловизионных приборах также могут применяться различные алгоритмы обработки полезного сигнала, способные повлиять на общее разрешение прибора.
В первую очередь речь идет про «цифровое зумирование», когда сформированное матрицей изображение подвергается цифровой обработке и «переносится» на дисплей с некоторым увеличением.
В этом случае происходит снижение общей разрешающей способности прибора.
Аналогичный эффект можно наблюдать в цифровых фотоаппаратах при использовании функции «цифрового зума».
Наряду с указанными выше факторами, нужно упомянуть еще о нескольких, способных снизить разрешение прибора.
В первую очередь, это различного рода «шумы» искажающие полезный сигнал, а в конечном итоге ухудшающие качество изображения.
Можно выделить следующие виды шума:

  • Шум темнового сигнала. Основная причина возникновения этого шума — термоэлектронная эмиссия электронов (самопроизвольное испускание электронов в результате разогрева материала сенсора). Чем ниже температура, тем ниже и темновой сигнал, т.е. меньше шум, именно для устранения этого шума используется затвор (шатер) и калибровка микроболометра.
  • Шум считывания. Когда сигнал, накопленный в пикселе сенсора, выводится из сенсора, преобразуется в напряжение и усиливается, в каждом элементе появляется дополнительный шум, называемый шумом считывания.

Для борьбы с шумами применяются различные программные алгоритмы обработки изображения, которые часто называют алгоритмами шумоподавления.

Помимо шума, существенно снизить разрешение могут помехи, возникающие из-за ошибок при компоновке прибора (взаимное расположение печатных плат и соединительных проводов, кабелей внутри прибора) или из-за ошибок при трассировке печатных плат (взаимное расположение проводящих дорожек, наличие и качество экранирующих слоев).

Также к возникновению помех способны привести ошибки в электрической схеме прибора, неправильный подбор радиоэлементов для реализации различных фильтров, внутрисхемного питания электрических цепей прибора. Поэтому разработка электрических схем, написание программного обеспечения по обработке сигналов, трассировка плат являются важными и сложными задачами при проектировании тепловизионных приборов.

Дальность наблюдения.

Дальность наблюдения того или иного объекта при помощи тепловизионного прибора зависит от комбинации большого количества внутренних факторов (параметры сенсора, оптической и электронной частей прибора) и внешних условий (разнообразные характеристики наблюдаемого объекта, фона, чистота атмосферы и так далее).

Самым применимым подходом к описанию дальности наблюдения является подробно описанное в различных источниках разделение его на дальности обнаружения, распознавания и идентификации по правилам, определенным т.н. критерием Джонсона, согласно которому дальность наблюдения напрямую связана с температурным и пространственным разрешением тепловизионного прибора.

Для дальнейшего развития темы требуется ввести понятие критического размера объекта наблюдения. Критическим принято считать размер, вдоль которого ведется анализ изображения объекта для выявления его характерных геометрических признаков.
Часто за критический принимают минимальный видимый размер объекта, вдоль которого ведется анализ. Например, для кабана или косули критическим размером может считаться высота туловища, для человека – рост.

Дальность, на которой критический размер определенного объекта наблюдения укладывается в 2 или более пикселя сенсора тепловизора, принято считать дальностью обнаружения.
Факт обнаружения показывает просто наличие этого объекта на определенной дальности, но не дает представления о его характеристиках (не позволяет сказать, что это за объект).

Фактом распознавания объекта признается возможность определить тип объекта.
Это означает, что наблюдатель способен различить, что наблюдает в данный момент – человека, животное, автомобиль и так далее.
Принято считать, что распознавание возможно при условии, что критический размер объекта укладывается по крайней мере в 6 пикселей сенсора.

С точки зрения охотничьего применения, наибольшую практическую полезность представляет дальность идентификации.
Под идентификацией понимается, что наблюдатель способен оценить не только тип объекта, но и понять его характеристические признаки (например, самец кабана длиной 1,2 м. и высотой 0,7 м.).
Для выполнения этого условия необходимо, чтобы критический размер объекта перекрывался по крайней мере 12 пикселями сенсора.

Важно понимать, что во всех перечисленных случаях речь идет о 50%-ой вероятности обнаружения, распознавания или идентификации объекта заданного уровня.
Чем большим количеством пикселей перекрывается критический размер объекта, тем выше вероятность обнаружения, распознавания или идентификации.

Удаление выходного зрачка — это расстояние от наружной поверхности последней линзы окуляра до плоскости зрачка глаза наблюдателя, при котором наблюдаемое изображение будет наиболее оптимальным (максимальное поле зрения, минимальные искажения).
Наиболее важен этот параметр для прицелов, у которых удаление выходного зрачка должно быть не менее 50 мм (оптимально – 80-100 мм).
Такое большое удаление выходного зрачка необходимо, чтобы исключить травмирование стрелка окуляром прицела при отдаче.
Как правило, у ПНВ и тепловизоров удаление выходного зрачка равно длине наглазника, который необходим, чтобы ночью замаскировать свечение дисплея.

Калибровка сенсора тепловизионных приборов

Калибровка тепловизионного прибора подразделяется на заводскую и пользовательскую. Производственный процесс тепловизионных приборов на неохлаждаемых сенсорах предусматривает заводскую калибровку прибора (пары «объектив – сенсор») с применением специального оборудования.

При этом первоначальная заводская калибровка не исключает необходимости пользовательской калибровки прибора в течение сессии наблюдения.
В процессе работы прибора пользовательская калибровка может осуществляться при помощи перекрывания сенсора внутренней шторкой (шаттером) либо перекрыванием пары «объектив – сенсор» крышкой объектива. Стоит отметить, что калибровка закрытием крышки дает наилучший результат, т.к. позволяет дополнительно исправить недостатки изображения, вызываемые паразитным излучением от деталей прибора и линз объектива. Некоторые приборы калибруются программным способом, без применения шторки или крышки.
Необходимость пользовательской калибровки объясняется тем, что в процессе работы сенсор нагревается неравномерно по площади и во времени, что вносит различные шумы в сигнал, из-за чего прибор некорректно отображает наблюдаемую область пространства.
В процессе калибровки происходит учет и нивелирование разницы сигнала с различных участков сенсора, в результате чего прибор формирует корректное изображение.

______________________________________

По материалам компании PULSAR


Поделиться в соц. сетях:

Топ 10 характеристик тепловизора

18.10.2019

Топ 10 характеристики тепловизора

При выборе тепловизора, мы часто видим различные таблицы с большим количеством данных и цифр, но не всегда можем правильно «прочитать» эти значения и понять на, что они влияют и как следствие возникают трудности с выбором тепловизионной системы. Ниже мы приведем расшифровки и описание того, что значат те или иные параметры:

 

1

Разрешение тепловизора

Обычно называют размеры получаемого изображения в пикселях

Чем больше пикселей, тем более мелкие детали можно разглядеть на изображении. Пр. 640х480

2

Шаг пикселя

Это расстояние между центрами соседних пикселей. Измеряется в µm (мкм)

Чем меньше шаг пикселей, тем более качественное изображение можно отобразить. Пр. 15µm

3

Чувствительность

Это наименьшая разница температур, выявляемая в пределах одного пикселя. Как правило измеряется в Кельвинах

Соответсвенно чем ниже этот показатель,  тем лучше изображение. Пр. ≤[email protected], чувствительность не более 50 мК при 300К

4

Частота кадров

Количество сменяемых кадров за единицу времени. Измеряется в кадрах в секунду (Гц)

Чем больше кадров в секунду, тем более плавным будет изображение. Пр. 25Гц — 25 кадров в секунду

5

Спектральный диапазон

Диапазон длин волн, в котором работает тепловизор.  (3 мкм-5 мкм, 8 мкм-14 мкм)

Длинноволновые тепловизоры имеют рабочий спектральный диапазон от 8 мкм до 14 мкм. Матрицы таких тепловизоров не требуют охлаждения.

6

Угол обзора

Угловое пространство (по горизонтали и по вертикали) «видимое» тепловизором. Измеряется в градусах.

Чем шире угол обзора, тем меньше дальность действия тепловизора

7

Дальность обнаружения

Определяет факт наличия объекта в поле зрения, при этом его размеры на экране  не менее полутора пикселей

То есть вдалеке, что-то есть.

8

Дальность распознавания

Дальность, которая позволяет классифицировать объект по типу. Для этого считается достаточным, чтобы размер объекта составлял не менее 6 пикселей

 То есть оператор должен мгновенно определить кто попал в кадр: человек, автомобиль или животное

9

Дальность идентификации

Понятие, которое часто используется военными, чтобы отнести объект к «своим» или «чужим». Для идентификации цели, ее критический размер должен быть не менее 12 пикселей.

То есть оператор понимает, представляет «угрозу» данный объект или нет.

10

Технология калибровки

С затвором или без затвора

Без затвора подходит для наблюдательных приборов, т.к. нет зависания на время срабатывания затвора. С затвором — рекомендован для измерительных приборов.

 

 

Возврат к списку

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ ПРИБОРОВ

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ ПРИБОРОВ

Разрешающая способность термодатчика (микроболометра) является важным параметром для оценки качества датчика. Это количество чувствительных элементов (пикселей), составляющих сенсор. Сенсоры с большим количеством пикселей могут давать более детальное изображение объекта.

Стандартные размеры тепловизионных датчиков:

Разрешение датчика Соотношение сторон
160х120 4:3
320х240 4:3
384х288 4:3
640х480 4:3
 1024х768 4:3

Шаг пикселя
Шаг пикселя — это расстояние между центрами двух пикселей микроболометра. В тепловизионных датчиках он измеряется в микронах (мкм).

Коэффициент заполнения
Коэффициент заполнения — это отношение чувствительной поверхности всех пикселей к общей площади пикселей. Датчики с более высоким коэффициентом заполнения могут поглощать большее количество энергии.

Увеличение
Значение увеличения показывает, во сколько раз наблюдаемое изображение (с помощью оптического прибора) больше по сравнению с объектом, наблюдаемым невооруженным глазом. Единицей измерения является увеличение (символ «x», например, 2x — «увеличение в 2 раза»).

Для тепловизионных приборов типичные значения находятся в диапазоне 1x — 5x, так как основной задачей приборов ночного видения является обнаружение и распознавание объектов в условиях недостаточной освещенности или неблагоприятных погодных условий. Увеличение увеличения тепловизора приводит к значительному уменьшению светосилы (или относительного отверстия) объектива, что приводит к значительному падению контраста по отношению к фону. Уменьшение светосилы объектива с увеличением увеличения можно компенсировать увеличением светосилы, но это, в свою очередь, приведет к общему увеличению габаритов, веса аппарата и усложнению конструкции оптики. Все эти факторы снижают комфорт использования приборов и значительно удорожают тепловизоры.

Комфорт чрезвычайно важен для тепловизионных прицелов, поскольку стрелку приходится держать его с оружием в руках. Большое увеличение также приводит к затруднениям при поиске и сопровождении цели, особенно если цель движется, так как увеличение увеличения приводит к уменьшению поля зрения.

Увеличение определяется фокусным расстоянием объектива и окуляра и масштабным коэффициентом (К), равным отношению физических размеров (диагоналей) дисплея и сенсора:

Где:
f линза объектива – фокусное расстояние линзы объектива
f окуляр – фокусное расстояние окуляра
L дисплей – размер диагонали дисплея
L сенсор – диагональ размер сенсора


Увеличение Зависимости:

Чем выше фокусное расстояние объектива, размер дисплея, тем выше увеличение.
Чем выше фокусное расстояние окуляра, размер сенсора, тем меньше увеличение.


Поле зрения

Поле зрения определяет размер пространства, которое можно просматривать через оптическое устройство на определенном расстоянии. Поле зрения обычно дается в градусах (угловое поле зрения показано ниже на изображении как 2Ѡ) или в метрах для определенного расстояния (М) (обычно 100М) до наблюдаемого объекта (линейное поле зрения показано как А на изображении). изображение).

Поле зрения цифрового прибора ночного видения определяется фокусным расстоянием объектива (f объектива) и физическим размером датчика (B). Для расчетов обычно используют ширину (горизонтальный размер) как физический размер сенсора и в результате получают горизонтальное поле зрения:


Если известен размер сенсора по вертикали или размер сенсора по диагонали, можно аналогичным образом рассчитать поле зрения по вертикали или диагонали.

Чем шире поле зрения, тем комфортнее наблюдение, так как нет необходимости постоянно перемещать прибор для просмотра нужной части или пространства.

Важно понимать, что поле зрения обратно пропорционально увеличению – это означает, что при увеличении увеличения поле зрения сужается. Это одна из причин, по которой инфракрасные системы (в частности, тепловизоры) с большим увеличением не производятся. При этом важно понимать, что увеличение поля зрения приводит к уменьшению дальности обнаружения и распознавания.


Поле зрения Зависимость:

Чем больше размер сенсора или меньше фокусное расстояние объектива, тем шире угловое поле зрения.


Частота кадров

Частота кадров — одна из основных характеристик тепловизора. С точки зрения пользователя, это количество кадров, отображаемых на экране за одну секунду. Обычно это измеряется в герцах (Гц), где 1 Гц равен 1 кадру в секунду. Чем выше значение частоты кадров, тем менее заметен эффект отставания изображения, создаваемого тепловизором, по отношению к реальной сцене. Наблюдение динамических сцен с помощью тепловизора, имеющего 9Частота кадров в секунду показывает размытое изображение, а движения объектов могут казаться запаздывающими и «рывками». Наоборот, чем выше частота кадров, тем плавнее будет рендеринг динамических сцен.

Разрешение и факторы, влияющие на разрешение

Разрешение определяется параметрами оптических элементов прибора, датчика, дисплея, качеством электронных схем, а также алгоритмами применяемого программного обеспечения. Разрешение тепловизионного прибора (разрешающая способность) представляет собой комплексную величину, состоящую из теплового разрешения и пространственного разрешения. Рассмотрим каждый из них по отдельности:

  • Тепловое разрешение (NETD – Разность температур, эквивалентная шуму)
    Говоря простым языком, это чувствительность устройства или минимальная обнаруживаемая разница температур, а также отношение сигнала объекта к фоновому сигналу, учитывающее шумовой сигнал от термодатчика тепловизора. Хорошее тепловое разрешение означает, что тепловизор может показать объект с определенной температурой на фоне с очень близкой температурой, и чем меньше разница между температурами объекта и фона, которые можно отобразить, тем выше тепловое разрешение.
  • Пространственное разрешение
    Пространственное разрешение характеризует способность устройств отображать две близко расположенные точки или линии по отдельности. В технических характеристиках устройства этот параметр может быть указан как «разрешение», «предел разрешения», «максимальное разрешение», что одно и то же.
    Часто разрешение устройства определяется пространственным разрешением термодатчика (микроболометра), поскольку пространственное разрешение оптики намного превышает разрешение термодатчика.
    Как правило, пространственное разрешение определяется в линиях на миллиметр, но может быть указано и в угловых единицах (секундах или минутах). Чем выше значение разрешения в линиях на миллиметр, тем выше разрешение. Чем выше разрешение прибора, тем четче изображение, которое видит наблюдатель.

Для измерения разрешающей способности используется специальная аппаратура – ​​коллиматор, которая создает имитацию изображения тест-таблицы – термомишени. Глядя на тестовую таблицу через оптический прибор, можно судить о разрешающей способности тепловизора – чем мельче отдельные линии, которые видны, тем выше разрешающая способность прибора.

Изображение: различные типы тепловизионных тестовых таблиц (тепловизионный вид)

Разрешение также зависит от разрешения объектива и окуляра. Объектив создает изображение наблюдаемого объекта на матрице фокальной плоскости и в случае, когда разрешающая способность объектива низкая, дальнейшее повышение разрешающей способности прибора невозможно. Точно так же некачественный окуляр может «испортить» на дисплее самое четкое изображение, выдаваемое прибором и его компонентами.

Пространственное разрешение устройства также зависит от параметров дисплея. Как и в случае с сенсором, аналогично отображается разрешение дисплея — количество пикселей (по горизонтали х по вертикали) и их размер. Плотность пикселей характеризуется таким значением, как PPI (пиксель на дюйм) — это значение показывает количество пикселей на площади одного дюйма.

 

Параметры термодатчика сильно влияют на разрешение устройства. Прежде всего, разрешение теплового датчика (микроболометра) представляет собой общее количество пикселей (обычно отображается как количество пикселей по горизонтали x количество пикселей по вертикали) и шаг пикселя. Эти два критерия обеспечивают основное основание для оценки разрешения.

Тепловизоры могут использовать разные алгоритмы обработки сигнала, что может повлиять на общее разрешение устройства. В первую очередь речь идет о «цифровом зуммировании», когда изображение, созданное матрицей фокальной плоскости, обрабатывается и передается на дисплей с увеличением. При этом имеет место небольшое снижение общего разрешения. Аналогичный эффект можно наблюдать в цифровых фотокамерах при использовании цифрового зума.

Помимо описанных выше факторов, следует упомянуть некоторые дополнительные факторы, которые могут снизить разрешение. В первую очередь это различного рода «шумы», искажающие полезный сигнал и в конечном итоге ухудшающие качество изображения. Различают следующие виды шума:

Шум темнового тока – основной причиной возникновения этого типа шума является термоэлектронная эмиссия электронов (спонтанная эмиссия электронов, приводящая к нагреву материала термодатчика). Чем ниже температура, тем ниже сигнал темнового тока, т.е. меньше шум, и именно для этого используется затвор и калибровка микроболометра.

Шум чтения — Когда сигнал, хранящийся в одном пикселе, вынимается из сенсора, превращается в напряжение и усиливается, в каждом элементе появляется дополнительный шум, и этот шум называется шумом чтения.

Для борьбы с шумом применяются различные программные алгоритмы, часто называемые алгоритмами шумоподавления.

Помимо шума разрешение может сильно снижаться из-за электронных помех, возникающих из-за ошибок в конструкции блока (размещение плат и проводов внутри блока) или из-за ошибок в трассировке платы (расположение проводящих дорожек и качество экранирующих слоев). Электронные помехи также могут быть вызваны ошибками в электронных схемах установки, такими как неправильный выбор элементов для изготовления фильтров внутри силовых цепей. Таким образом, проектирование электронных схем, разработка программного обеспечения для обработки сигналов и трассировки платы являются важными задачами при проектировании тепловизионных устройств.


Зависимость от разрешения:

Чем больше количество пикселей и меньше их размер у термодатчика, тем лучше разрешение.


Утверждение верно, если сравнивать термодатчики одного физического размера. Тепловые датчики с большей плотностью пикселей имеют лучшее разрешение.

Дальность наблюдения

Указанная дальность наблюдения тепловизионного прибора зависит от сочетания большого количества внутренних факторов (параметры датчика, оптика и электроника) и внешних условий (различные характеристики наблюдаемого объекта, фон, прозрачность атмосферы и др.).

Диапазон наблюдения обычно делится на диапазон обнаружения, диапазон распознавания и диапазон идентификации. Каждый из этих диапазонов определяется критериями Джонсона, согласно которым диапазон наблюдения напрямую связан с температурой и пространственным разрешением.

Чтобы полностью объяснить эту тему, необходимо ввести понятие критического размера наблюдаемого объекта. Критический размер – это размер, который служит основой для анализа изображения объекта с целью выявления его характерных геометрических признаков. Например, критическим размером кабана, косули или человека является высота его тела.

Диапазон обнаружения
Расстояние, на котором критический размер наблюдаемого объекта может уместиться в двух или более пикселях тепловизионного датчика, называется диапазоном обнаружения. Обнаружение означает только то, что объект виден на определенном расстоянии, но не дает никакой информации о его характеристиках (т.е. нельзя определить тип объекта).

Диапазон распознавания
Распознавание объекта означает, что тип объекта может быть определен. Это означает, что наблюдатель может различить то, за чем он наблюдает, т. е. человека, животное, автомобиль и т. д. Считается, что распознавание возможно, когда критический размер объекта может уместиться не менее чем в 6 пикселей сенсора.

Диапазон идентификации
С точки зрения охотника, наиболее полезным диапазоном является диапазон идентификации. Идентификация означает, что наблюдатель может оценить не только тип объекта, но и его характерные признаки (например, самец кабана длиной 1,2 м и высотой 0,7 м). Для выполнения этого условия критический размер объекта должен умещаться не менее чем в 12 пикселях датчик.

Важно понимать, что во всех перечисленных случаях существует 50% вероятность обнаружения, распознавания или идентификации указанного объекта. Чем больше пикселей охвачено критическим размером объекта, тем выше вероятность обнаружения, распознавания или идентификации.

Удаление выходного зрачка

Удаление выходного зрачка – это расстояние от внешней поверхности линзы последнего окуляра до поверхности глаза наблюдателя, при котором наблюдаемое изображение является наиболее оптимальным (максимальное поле зрения с минимальными искажениями). Этот параметр очень важен для оптических прицелов, где удаление выходного зрачка должно быть не менее 50 мм (оптимально 80-100 мм). Столь высокое значение удаления выходного зрачка необходимо для того, чтобы стрелок не получил травм от отдачи при выстреле. Как правило, в приборах ночного видения и тепловизионных приборах удаление выходного зрачка равно длине наглазника, что необходимо для маскировки света, излучаемого дисплеем.

Калибровка термодатчика

Калибровка тепловизора может быть разделена на заводскую калибровку и пользовательскую калибровку. Процесс изготовления тепловизионных приборов с использованием неохлаждаемых микроболометров (термосенсоров) требует заводской калибровки прибора (объектива в паре с сенсором), что требует использования специального оборудования.

Заводская калибровка не устраняет необходимость пользовательской калибровки во время наблюдения. Во время работы устройства пользовательская калибровка может быть выполнена с помощью внутренней шторки, закрывающей датчик, или крышки объектива, закрывающей объектив и датчик. Стоит отметить, что калибровка с помощью крышки объектива дает наилучший результат, так как дополнительно корректирует дефекты изображения, вызванные паразитным излучением деталей и линз прибора. Некоторые устройства калибруются с помощью программного обеспечения без использования затвора или крышки объектива.

Требуется пользовательская калибровка, так как термодатчик нагревается неравномерно во время использования, что приводит к появлению шума, в результате чего устройство неправильно воспроизводит наблюдаемую сцену. В процессе калибровки оцениваются различные части датчика и выполняются расчеты для выравнивания сигнала, в результате чего устройство выдает правильное изображение.

 

Тепловидение

Многие мультиспектральные (MSS) системы воспринимают излучение в тепловом инфракрасном, а также в видимом и отраженном инфракрасном диапазонах спектра. Однако дистанционное измерение энергии, излучаемой с поверхности Земли в тепловом инфракрасном диапазоне (от 3 мкм до 15 мкм), отличается от измерения отраженной энергии. Тепловые датчики используют фотодетекторы, чувствительные к прямому контакту фотонов с их поверхностью, для обнаружения испускаемого теплового излучения. Детекторы охлаждаются до температур, близких к абсолютному нулю, чтобы ограничить собственное тепловое излучение. Тепловые датчики в основном измеряют температуру поверхности и тепловые свойства целей.

Тепловизоры обычно представляют собой сканеры поперек пути (подобные описанным в предыдущем разделе), которые обнаруживают испускаемое излучение только в тепловой части спектра. Термодатчики используют один или несколько внутренних эталонов температуры для сравнения с обнаруженным излучением, поэтому их можно соотнести с абсолютной температурой излучения. Данные обычно записываются на пленку и/или магнитную ленту, а температурное разрешение датчиков тока может достигать 0,1 °C. Для анализа изображение относительных радиационных температур ( a термограмма ) изображена в оттенках серого, более высокие температуры показаны светлыми тонами, а более низкие температуры показаны темными тонами. Изображения, отображающие относительную разницу температур в их относительном пространственном расположении, достаточны для большинства применений. Абсолютные измерения температуры могут быть рассчитаны, но требуют точной калибровки и измерения температурных эталонов, а также подробного знания тепловых свойств цели, геометрических искажений и радиометрических эффектов.

Из-за относительно большой длины волны теплового излучения (по сравнению с видимым излучением) атмосферное рассеяние минимально. Однако поглощение атмосферными газами обычно ограничивает тепловое восприятие двумя конкретными областями — от 3 до 5 мкм и от 8 до 14 мкм. Поскольку энергия уменьшается с увеличением длины волны, тепловизионные датчики обычно имеют большие IFOV, чтобы гарантировать, что достаточно энергии достигает детектора для выполнения надежных измерений. Поэтому пространственное разрешение тепловых датчиков обычно довольно грубое по сравнению с пространственным разрешением, возможным в видимом и отраженном инфракрасном диапазоне. Тепловые изображения можно получать днем ​​или ночью (поскольку излучение излучается, а не отражается) и используются для различных приложений, таких как военная разведка, управление стихийными бедствиями (картирование лесных пожаров) и мониторинг тепловых потерь.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *