Потенциальные покупатели тепловизионных камер спрашивают об этом весьма часто. Такой вопрос вполне оправдан, однако однозначно ответить на него не представляется возможным: скажем, любой тепловизор в состоянии "разглядеть" Солнце, находится от Земли на расстоянии 146 000 000 километров. Означет это, что на таком расстоянии любой тепловизор окажется в состоянии определять события, представляющие угрозу для безопасности охраняемого объекта? Очевидно, нет.
Тепловидения — технология, позволяет обнаруживать людей и объекты в полной темноте и весьма сложных погодных условиях. Типичным ее применением является охрана границ, для которой наибольшая вероятность инцидентов отмечается в ночное время суток. Если сторожевые вышки располагаются друг от друга на расстоянии 4-х и более километров, то для гарантированного обнаружения целей установлена на них техника должна "видеть" на расстоянии более 2-х километров. Поэтому критически важно быть уверенными, на каком расстоянии ваш охранный тепловизор сможет устойчиво определять потенциальные угрозы.
Дистанцию обнаружения цели в тепловидения принято также называть радиусом действия прибора. Правильное определение радиуса требует достаточно сложного моделирующего расчета. Среди факторов, которые необходимо учесть в ходе вычислений, — тип камеры и объектива, характер и размеры объектов, которые, возможно, предстоит выявлять, погодные условия, а также, собственно, и разрешение, которого вам достаточно, чтобы "рассмотреть "цель.
 |
| Тепловизионная камера PTZ-35x140MS компании FLIR Systems, работающий на двух неохлаждаемых микроболометрах и предназначена для ведения наблюдения на средних и дальних дистанциях |
"Рассматривать"
Для того чтобы определить, что для вас значит "разглядеть" объект, можно воспользоваться так называемыми критериями Джонсона, разработанными для использования в военных целях, но вполне применимыми и на гражданских объектах. Из перечисленного ряда выберите ту оперативную схему, которой будут пользоваться на практике операторы вашей системы видеонаблюдения:
1. ВЫЯВЛЕНИЕ
Чтобы определить факт наличия объекта в поле зрения, минимальное из его измерений должно быть представлено на операторском экране полтора или больше пикселями.
2. РАСПОЗНАВАНИЕ
Распознать объект — значит, классифицировать его по типу. То есть оператор должен мгновенно определить по изображению, попал в кадр человек, автомобиль или животное. Считается достаточным, чтобы критический размер объекта составлял 6 и более точек.
3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ
Этот термин нередко используется военными, чтобы определить, относится ли противнику или "нашим". Чтобы идентифицировать цель, ее критический размер должен быть представлен 12-ю и более пикселами.
Эти критерии обеспечивают 50-процентную вероятность того, что оператор примет верное решение, исходя из картинки на экране. Приведем пример: взрослый человек имеет габариты 1,8 х0, 5 м. "Критический размер" его, согласно эмпирическим данным, полученным с помощью опроса операторов охранных систем, составляет 0,75 м. Представьте себе тепловизионного систему, которая имеет достаточную разрешение, чтобы представить удален на 1 км объект протяженностью 0,75 м шестью пикселями. Если при этом изображение объекта в достаточной мере контрастирует с фоном, то такая система имеет высокую вероятность распознавания объектов на расстояниях до 1 км.
| Критерии Джонсона применяются исходя из предположения, что критический размер человеческого тела составляет 0,75 метра. Для выполнения обнаружения, опознавания и идентификации, необходимо представить этот размер соответственно полтора, шестью и 12-ю пикселями. Это означает, что:
Предположим, что габариты человеческого тела составляют 1,8 х0, 5 м. Тогда его фигура должна отображаться на экране: |
| ||||||
В практике компании FLIR Systems принято определять радиус действия тепловизионных камер через расстояние, на котором прибор обнаруживает человека при достаточной термической контрастности. В зависимости от размеров объектива, камеры FLIR способны проявлять активность людей, находящихся на расстоянии до нескольких километров. Естественно, объекты больших размеров могут быть обнаружены на больших дистанциях.
Фокусное расстояние объектива
Радиус действия камеры находится в прямой зависимости от этого параметра. Фокусное расстояние определяет так называемый мгновенный сектор обзора (IFoV) системы — ее угловое разрешение, обеспечивается при достаточном тепловом контрасте. А этот параметр, в свою очередь, определяет расстояние, на котором критический размер объекта будет представлен достаточным количеством пикселей, чтобы можно было обнаружить, распознать или идентифицировать цель.
Чем выше фокусное расстояние, тем меньше угловое разрешение. Охранные системы дальнего радиуса действия — например, находящихся на вооружении пограничных войск — требуют очень малых значений IFoV. Длиннофокусные объективы, как это известно из оптики, имеют и меньший общий угол обзора. Компромисс между радиусом действия и зоной обзора достаточно критический при выборе системы. В предельном случае вы будете четко видеть цель, но не иметь понятия о том, где именно она находится: представьте, что вы рассматриваете морской пейзаж через соломинку для коктейля! В результате приходится укомплектовывать многие тепловизионных систем объективами с переменным фокусным расстоянием.
Вернемся к уже знакомому нам пример — человеку, находится от нас на расстоянии километра. Определим его угловой размер через критический размер и дистанцию: 0,75 м/1000 м = 0,75 мрад. Для его эффективной идентификации необходимо, чтобы система "выдавала" изображения 75-сантиметрового отрезка находится в 1000 м, в 12-ти пикселах. Обратите внимание, что в приведенном контексте идентификация не означает, что мы сможем узнать человека в лицо. Мы всего лишь можем определить, что он держит в руке — АКМ, БСЛ или свежий номер Security News.
Допустим, в нашей с вами тепловизионной системы фокусное расстояние объектива составляет 500 мм, а шаг термочувствительной матрицы — 15 микрон. Есть угловое разрешение составит 30 мкрад на пиксел. Количество пикселей, приходится на цель, подсчитывается распределением ее углового размера на угловое разрешение. 750 мкрад / 30 мкрад / пиксел = 25 пикселей — более чем достаточно для идентификации по критерию Джонсона.
 |
| Неохлаждаемых матрица 320х240 тепловизора Foveus (PTZ-35x140MS), шаг 38 мкм, объектив с фокусным расстоянием 140 мм. Количество пикселей, расположенных по высоте человеческой фигуры. |
Охлаждаемые и неохлаждаемых камеры
Это также влияет на радиус действия — более дорогие охлаждаемые тепловизоры в большинстве комбинаций условий наблюдения "видят" дальше. Типичный шаг матрицы для охлаждаемых камер составляет 15 микрон на пиксель. Несложные вычисления показывают, что с применением объектива с фокусным расстоянием 500 мм мы получим 12 пикселей поперек 75-сантиметровой цели на расстоянии 2,1 км.
Рассчитаем тот же параметр для неохлаждаемой камеры, исходя из наиболее распространенного шага матрицы — 38 мкм. Дистанция идентификации, соответствует приведенному примеру, здесь составит уже 0,8 км. Однако еще более важно то, что объективы неохлаждаемых камер с таким фокусным расстоянием практически бесполезны — относительное отверстие объектива приходится делать достаточно малым, чтобы обеспечить характеристики чувствительности, сопоставимые с охлаждаемыми камерами. Это означает, что 500-миллиметровый длиннофокусный объектив с относительным отверстием F/1.6 будет
иметь диаметр в 313 м. При существующих ценах на тепловизионного оптику такой объектив обойдется вам в почти астрономическую сумму. Применение его "съест" все средства, вы сэкономите за счет использования более дешевых неохлаждаемых матриц. Максимальное фокусное расстояние объективов неохлаждаемых камер, выпускаемых промышленностью, составляет 367 мм — значит, в нашем примере радиус идентификации системы составит всего лишь 600 метров.
Вывод? Для достижения максимальных радиусов действия тепловизионных установок целесообразно применять охлаждаемые камеры — в частности, это подтверждается при работе в средневолновом диапазоне при большой влажности воздуха.
 |
| Тепловизоры Thermovision 3000 способны выявлять потенциальные угрозы на сверхдальних дистанциях |
Погодные условия
Несмотря на то, что тепловизионные камеры способны работать в полной темноте, а также в условиях относительно легкого тумана, дождя и снега, на дальность обнаружения целей влияют и атмосферные условия. Даже в ясную погоду происходит поглощение теплового излучения атмосферой — значит, при удалении объекта от камеры растут и потери полезного сигнала. Дождь и туман делают весьма интенсивным рассеивания лучей — во многих случаях плотный туман способен снизить радиус действия тепловизоров до километра и менее.
Более густые осадки с большими размерами частиц не только рассеивают тепловое излучение, улавливает камерами, но и охлаждают поверхность самого объекта съемки, снижая при этом термическую контрастность. Однако даже при работе в самых жестких условиях тепловизионные системы "пропорционально" сохраняют преимущество перед видеонаблюдением в лучах видимого света.
И все-таки, как далеко "видит" тепловизор?
Действительно, на радиус действия установок влияет очень много параметров — как самих тепловизионных систем, так и их окружения. Кроме того, мы рассмотрели на примерах, на конечный результат влияют: состояние объекта (припаркованный автомобиль или находится в движении), свойства фона (снежная равнина или пустыня), комбинация конкретных моделей камерной головки и объектива и др. Если ответ на этот вопрос для вас представляет важность (например, при принятии решения о покупке тепловизионной охранной системы), самое правильное — это обратиться к инженерам, представляющий компанию-разработчика. Специалисты компании "Пергам" всегда помогут своим клиентам произвести все необходимые расчеты, привязанные к конкретной специфики.
Андрей Коломийцев (Security News) с участием Дмитрия Карнеева ("Пергам-Инжиниринг", Москва).
Компания: FLIR Systems / Security Focus (Секьюрити Фокус)