В фильме «Хищник» инопланетный охотник за черепами имел необычное зрение: он видел в тепловом диапазоне. Главный герой в итоге стал «невидимым», спрятавшись под слоем грязи. В других фильмах герои прячутся от тепловидящих монстров, используя лед, углекислотные огнетушители или теплоотражающую одежду. «Популярная механика» решила убедиться в эффективности этих методов.
|
|
Солнце зашло за горизонт, идет мокрый снег. Под ногами хлюпает грязная жижа, шквальный ветер стучит оторванными листами старого железного забора, каркают вороны, издали доносится лай собак. Чернеют ветки покосившихся деревьев, то и дело встречаются развалины хижин, а где-то впереди виден скелет многоэтажного дома, в котором уже никогда не будут жить люди. И на фоне этого постапокалиптического пейзажа можно заметить двух человек: один обвешан приборами, напоминающими монокуляры, другой в теплой одежде, дополненной рукавицами и шапочкой из фольги. Нет, эти люди не сбежали из психлечебницы – это редакторы «ПМ» лично проверяют на себе способы тепловизионной маскировки в «условиях, приближенных к боевым».
Увидеть тепло
Как известно из школьного курса физики, все предметы, имеющие температуру выше абсолютного нуля, являются источниками электромагнитного излучения. Очень горячие тела, такие как спираль лампы накаливания, излучают видимый свет и ближний ИК-диапазон, а предметы комнатной температуры имеют диапазон длин волн с максимумом в районе примерно 10 мкм. Волны такой длины глаз человека не видит. Но человеческий мозг обошел это ограничение, придумав специальные приборы – тепловизоры, которые регистрируют это излучение и переводят его в видимую для человека картинку.
Основа прибора – специальная матрица, чувствительная к дальнему инфракрасному диапазону. Существуют тепловизоры с ПЗС-матрицами, схожие по принципу работы с матрицами обычных видеокамер, но для работы они требуют охлаждения до криогенных температур, чтобы их собственное тепловое излучение не «забивало» шумами регистрируемое изображение. Такие матрицы имеют высокое быстродействие, чувствительность и пространственное разрешение, но очень дороги, потребляют много энергии и после включения требуют времени на охлаждение. Их ниша – это профессиональные применения в военной технике, науке и промышленности.
Более массовые и компактные модели используют неохлаждаемые матрицы на основе микроболометров. Каждый пиксель такой матрицы представляет собой терморезистор, который нагревается тепловым излучением. Измерив сопротивление каждого резистора, можно получить общую «тепловую картину».
Черные объективы
Но есть одна проблема: тепловое изображение нужно каким-то образом сфокусировать на микроболометрическую матрицу. Стеклянные объективы для этого не подходят – они полностью непрозрачны для волн дальнего ИК-диапазона. Линзы для фокусировки теплового излучения делают из весьма экзотического материала – металлического германия. Для видимого света он совершенно непрозрачен, а с просветляющим покрытием линзы некоторых тепловизоров и вовсе приобретают черный цвет.
Объектив – один из самых дорогих компонентов тепловизора, ведь германий стоит порядка $2000 за килограмм. В сентябре 2006 года «ПМ» в статье о тепловизорах предсказала, что цены будут оставаться высокими. Однако наш прогноз не оправдался: хотя германий с тех пор отнюдь не подешевел, современные технологии позволили создавать очень маленькие микроболометрические матрицы, для которых достаточно маленького объектива. В современных компактных тепловизорах типа FLIR i5 стоят матрицы размерами всего 2х2 мм, а диаметр объектива составляет примерно 5 мм, так что германия там меньше одного грамма. Поэтому за последние пять лет цена на самые доступные наблюдательные тепловизоры снизилась с $5000 до 2000, а на измерительные приборы цены и вовсе начинаются с €1000 (в России цены чуть выше).
В принципе, объективы тепловизоров можно сделать и из алмаза. Но слишком высокая цена ограничивает применение этого материала тонкой пленкой просветляющего покрытия: коэффициент преломления германия примерно равен 4, так что без просветления линзам из него никак не обойтись. Благодаря огромному коэффициенту преломления объективы тепловизоров легко сделать сверхсветосильными: если для обычной оптики f/1.0 – это огромное достижение конструкторов, то для тепловизоров это норма. Из-за высокой цены материала и значительного отражения от границы германия с воздухом число линз стараются минимизировать, так что зум-объективы в тепловизорах встречаются весьма редко.
Объекты охоты
Человек и практически все объекты охоты – это теплокровные животные. Поскольку их температура заметно отличается от температуры окружающей среды, это может быть зафиксировано тепловизором. Поскольку длина волны теплового излучения намного превышает размер частиц дыма и тумана (порядка 1 мкм), они почти не влияют на тепловое изображение. Полное отсутствие освещения для тепловизора тоже не помеха, поскольку он фиксирует собственное тепловое изображение объектов. Ночью даже легче – местность холоднее, а температура тела остается постоянной.
Чтобы понять, что именно видит Хищник своим тепловизионным зрением, мы вооружились несколькими приборами и отправились смотреть его глазами в ближайший лесопарк. Мы предполагали, что никого мельче бездомных собак нам обнаружить не удастся, но первые же пять минут наблюдений преподнесли настоящий сюрприз: в тепловизор видно маленькое, но яркое белое пятно среди кустарника метрах в двадцати. Подходим ближе – никого. Точнее, глаз никого не видит, но тепловизор убеждает, что там кто-то есть! Только после пяти минут тщательного осмотра нам все-таки удается найти виновника, которого в итоге выдают глаза, блеснувшие в луче фонаря. Это мышь, выглядывающая из норки под кустом. Как рассказали нам опытные охотники, и куда более крупные животные имеют отличную маскировку даже на близком расстоянии, а вот тепловизор позволяет обнаружить их за считанные секунды.
Если мышь видно с 20 м, то оленя, наверное, можно увидеть метров за 500? Это верно, но только для прямой видимости – тепловое излучение не проходит через листву, не говоря уж о стволах деревьев. Поэтому независимо от объектива прибора в глубь леса можно заглянуть где-то на 70 – 100 м, не более. Есть ли тогда вообще смысл в «дальнобойной» оптике? Да, есть. Ведь одно дело заметить, что там есть что-то теплое, и совсем другое – точно понять, что именно. В среднем дистанция распознавания целей примерно в четыре раза меньше дистанции обнаружения (75 – 400 м). А вот целиться лучше через обычные дневные и ночные прицелы: тепловизионные пока не обеспечивают нужных детализации изображения и быстродействия для точного попадания.
В темной комнате
Хищник должен не только видеть жертву, но и ориентироваться в окружающей обстановке. А с этим, по идее, все обстоит далеко не так радужно: тепловизор видит только теплые предметы, а земля, деревья, скалы, неотапливаемые здания – все это будет выглядеть однотонно-серым. С другой стороны, разные материалы за день нагреваются солнцем по-разному, так что и ночью их температура будет различной, да и излучают они по-разному. Так что это должно давать возможность видеть в тепловизор ночью по меньшей мере не хуже, чем своими глазами днем.
Практические испытания, проведенные в лесопарке и на заброшенной стройке, принесли и восхищения, и разочарования. Выяснилось, что в зависимости от погоды, местности и настроек тепловизора он может давать как изображение, почти неотличимое от съемки обычной черно-белой видеокамерой, так и серую малоконтрастную муть. После сухого и ясного солнечного дня, когда земля была покрыта снегом, тепловизор показал прекрасное детальное изображение, позволяющее легко ориентироваться на местности. На следующий день, после потепления и дождя снег растаял, и тепловизионная картинка стала выглядеть как сплошной серый фон. Даже режим InstAlert, при котором контраст программно повышается в несколько раз, не обеспечил существенного улучшения ситуации.
Внутри неотапливаемых зданий ситуация выглядит еще хуже. Если в режиме InstAlert ориентироваться еще как-то можно, то в обычных White Hot и Black Hot это практически исключено. В большинстве других случаев не помогает и InstAlert: на сплошном сером фоне, в котором невозможно отличить друг от друга стены, пол и потолок, видны лишь отдельные объекты, чей коэффициент излучения существенно отличается от показателя для бетона. Так что с ориентированием на местности у Хищника должны были быть серьезные проблемы: в этой ситуации тепловизор не способен полностью заменить прибор ночного видения с ИК-подсветкой (в закрытом помещении без подсветки ПНВ не работает).
С глаз долой
Можно ли спрятаться от тепловизионных глаз Хищника? Мы проверили несколько методов. Классический метод грязевого покрытия работает, но очень недолго – пару минут, пока слой грязи прогревается до равновесной температуры. После этого в тепловизор отлично видны участки тела, обмазанные грязью.
Обычная теплая одежда тоже достаточно быстро прогревалась до уровня, когда ее излучение становилось заметным. На достаточно короткое время помогает обдув верхней одежды углекислотой из огнетушителя (расширяющийся углекислый газ охлаждается и переходит в твердую фазу, образуя мелкодисперсный сухой лед). Но в этом вопросе легко переусердствовать, а переохлажденная одежда отлично выделяется на фоне окружающих предметов как темное пятно.
А вот если поверх теплой одежды намотать фольгу или воспользоваться полимерной металлизированной пленкой (в спортивных магазинах можно купить подобную под названием «Космическое одеяло», Space Blanket), то результат получается более чем удовлетворительным. Покрытые фольгой или пленкой участки тела остаются для тепловизионных камер почти незаметными в течение более чем 15 минут, и выдать их могут разве что «тепловые блики» – отражения теплового излучения окружающих нагретых предметов. Но где-нибудь в лесу, где сильных источников теплового излучения нет, легко проскользнуть незамеченным. Однако быстро проявился и минус этого метода: если фольга не выпускает наружу тепло, то температура внутри повышается: маскируясь от тепловизора, вы рискуете перегреться.
Видео: Этюд в теплых тонах
Рубрика: Технологии |
Добавлено 01.02.12
Тепловое воображение можно увидеть только в условных цветах. В разных ситуациях удобны разные условные цвета. Наиболее естественно отображать горячие объекты белым, а холодные - черным. Этот режим обозначают White Hot. Однако часто бывает удобным обратный вариант - Black Hot. Например, зимний лес в режиме Black Hot выглядит вполне естественно (снег - белый, деревья - черные), а в режиме White Hot - "инопланетно". Существует также множество различных цветных палитр.
Февраль 2012
Автор: Игорь Егоров
|
|
|
|
|
|
|
FLIR i5
Датчик: неохлаждаемый микроболометр на оксиде ванадия, 80х80
Спектральный диапазон: 7,5–13 мкм
Поле зрения: 17х17 градусов
Фокусировка: фиксированная
Дисплей: 2,8 дюйма, цветной
Режимы изображения: Iron, Rainbow, Black/ White
Масса и габариты: 340 г, 223x79x83 мм
+ Это очень компактный промышленный измерительный тепловизор, который можно носить даже во внутреннем кармане куртки, и весьма насыщенный функционально: с указанием параметров материала измеряемого объекта и пределом измерения до 2700С.
- Впечатление портит простейшая оптика с фиксированной фокусировкой и матрица 80х80, заметно снижающие качество картинки, которую можно сохранить только в JPEG. Впрочем, этого качества вполне хватает для большинства применений. В это же семейство входят и две другие модели: более дешевая i3 с матрицей 60х60 и i7 с матрицей 120х120 и множеством дополнительных функций.
|
|
|
|
|
|
Как устроена микроболо-метрическая матрица (МБМ)
Каждый отдельный пиксель представляет собой микроболометрический элемент, например терморезистор на основе оксида ванадия. Термистор выполняется в виде «моста» – площадки, поднятой на высоту нескольких микрометров над кремниевой подложкой, где расположены измерительные схемы и «логика» матрицы. С подложкой мост соединяется двумя тонкими электропроводящими «ногами» – контактами с низкой теплопроводностью (например, из нихрома). Для того чтобы использовать излучение, прошедшее сквозь мост, не поглотившись, на подложку наносят металлическое покрытие, отражающее ИК-излучение, а чтобы уменьшить конвекцию, откачивают воздух. При нагревании микроболометрического элемента сопротивление моста изменяется, что и обнаруживается чувствительными измерительными схемами в реальном времени. Температурное разрешение МБМ (способность различать разницу температур) – около 30–100 мК, шаг элементов – около 25–50 мкм.
Пиксели по сравнению с многомегапиксельными матрицами современных фотовидеокамер характеристики тепловизоров скромны. Для наблюдательных приборов хорошего класса характерны матрицы 160х120, 320х240 или 384х288, и лишь самые дорогие модели оснащают матрицами с разрешением на уровне 640х480 или 768х576, а измерительные тепловизоры – и вовсе 120х160 или даже 60х60.
|
|
|
|
|
|
|
FLIR HS-324 Pro
Датчик: неохлаждаемый микроболометр, 320х240
Спектральный диапазон: 7,5–13,5 мкм
Поле зрения: 24х18 градусов
Фокусировка: фиксированная
Дисплей: ч/б QVGA в видоискателе
Режимы изображения: White Hot, Black Hot
Масса и габариты: 660г, 240х85х60мм
+ Прибор предназначен для сотрудников правоохранительных органов. От охотничьей модели FLIR Scout TS32 Pro его отличает цвет корпуса, отсутствие полезного режима InstAlert и отображение даты и времени. Прибор имеет большое разрешение матрицы, а также позволяет сохранять видеозаписи (8 кадров/ с).
Несколько удручает отсутствие у объектива возможности фокусировки, четко видны только объекты на расстоянии более 5м. Зато, если уж предмет попал в область, резко изображаемую объективом, картинка будет весьма качественной. К тому же 2x насадка на объектив позволяет производить ручную фокусировку с минимальной дистанцией 1,0–1,5 м.
|
|
|
|
|
|
|
FLIR Scout PS24
Датчик: неохлаждаемый микроболометр, 240х180
Спектральный диапазон: 7,5–13,5 мкм
Поле зрения: 24х18градусов
Фокусировка: автоматическая
Дисплей: цветной VGA в видоискателе
Режимы изображения: White Hot, Black Hot, InstAlert Red
Масса и габариты: 340 г, 172х59х62 мм
+ Это самый доступный и компактный наблюдательный тепловизор на рынке. Он создан специально для охотников и туристов, но может быть полезен и многим другим. Разрешение его матрицы составляет 240х180, но картинка выглядит весьма достойно, хотя и менее четко, чем у HS-324. Очень порадовал режим InstAlert: во многих случаях, когда HS-324 уже давал почти равномерно серую картинку, PS24 позволял разглядеть детали, да и пропустить белую точку (животное) проще, чем красную.
А вот что не порадовало, так это отсутствие возможности как-либо «вытащить» изображение из прибора: он не умеет ни сохранять его, не выдавать на видеовыход.
|
|
|
|
|
|
Черное, белое и другие цвета
Тепловое изображение можно увидеть только в условных цветах. В разных ситуациях удобны разные условные цвета. Наиболее естественно отображать горячие объекты белым, а холодные – черным. Этот режим обозначают White Hot. Однако часто бывает удобным обратный вариант – Black Hot. Например, зимний лес в режиме Black Hot выглядит вполне естественно (снег – белый, деревья – черные), а в режиме White Hot – «инопланетно». Существует также множество различных цветных палитр. Например, компания FLIR в своих охотничьих тепловизорах реализовала несколько режимов InstAlert, при которых у изображения искусственно повышается контраст, а горячие объекты выделяются красным. В измерительных тепловизорах обычно реализуют режим White Hot и несколько разных палитр, например «цвета нагрева железа» (Ironbow), «сине-красная» (Red-Blue) и т.д.
|
|
|
|
|
|
|
Fluke TiS Thermal Imaging Scanner
Датчик: неохлаждаемый микроболометр, 120х120
Спектральный диапазон: 7,5–14 мкм
Поле зрения: 17х17 градусов
Фокусировка: ручная
Дисплей: 3,7 дюйма, цветной
Режимы изображения: Ironbow, Blue-Red, Grayscale
Масса и габариты: 1,2кг, 267х127х152 мм
- Крупный, тяжелый и внушающий уважение измерительный прибор позволяет делать качественные снимки, но функциональность его урезана до предела. Здесь отсутствует даже функция указания параметров материала измеряемого объекта, из-за чего погрешность измерений может достигать 50C, а максимальная измеряемая температура составляет всего 1050. Но и цена невысока.
Зато у прибора достаточное по меркам измерительной техники разрешение матрицы и, что очень важно, объектив с возможностью ручной фокусировки от 15 см. Так что изображения с него получаются весьма детальными. Разумеется, эти изображения можно сохранить, причем как в виде обычной картинки BMP, так и в специальном формате температурной карты. Отдельно хочется упомянуть, что в сумке для ношения прибора достаточно места для еще одного компактного тепловизора, ноутбука с зарядным устройством и пары бутербродов на обед.
|
|
|
|
|
|
|
Алюминиевая ушанка
Редакция «Популярной механики» со всей ответственностью хотела бы поведать читателям, что шапочки из фольги действительно работают! Правда, только для одной задачи: алюминиевые (или металлизированные) шапочка и рукавицы эффективно экранируют тепловое излучение тела, так что на экране тепловизора они сливаются с окружающим фоном. Выдать их может разве что блик от окружающих предметов (светлая полоска, которая видна на рукавице – это как раз отблеск от лица).
|
|
Зарегистрируйтесь сейчас и получите 100 баллов себе на счет!
А разместив ссылку на этот материал Вы получите дополнительные баллы за каждый переход по ней.
Подробнее об условиях акции читайте в правилах.
|
|
| ЧИТАЙТЕ ПО ТЕМЕ |
|
|
|
ReadMe
|
|
|
|
МАГАЗИН ПМ
4
