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, находящееся от Земли на расстоянии 146 миллионов километров. Означет ли это, что на таком расстоянии любой тепловизор окажется в состоянии определять события, представляющие угрозу для безопасности охраняемого объекта? Очевидно, нет.

Тепловидение -- технология, позволяющая 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 одна от другой на расстоянии 4-х и более километров, то для гарантированного обнаружения целей установленная 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 тепловидении принято также называть радиусом действия прибора. Правильное определение радиуса требует весьма сложного моделирующего расчета. Среди факторов, которые необходимо учесть в ходе вычислений, -- тип камеры и объектива, характер и размеры объектов, которые, возможно, предстоит обнаруживать, погодные условия, а также, собственно, и разрешение, которого вам достаточно, чтобы "разглядеть" цель.

Тепловизионная камера PTZ-35x140MS компании FLIR Systems, работающая на двух неохлаждаемых микроболометрах и предназначенная для ведения наблюдения на средних и дальних дистанциях

"Разглядеть"

Для того чтобы определить, что для вас означает "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. ОБНАРУЖЕНИЕ

Чтобы определить факт наличия объекта в поле зрения, минимальное из его измерений должно быть представлено на операторском экране полутора или более пикселами.

2. РАСПОЗНАВАНИЕ

Распознать объект -- значит, классифицировать его по типу. То есть оператор должен мгновенно определить по изображению, попал ли в кадр человек, автомобиль или животное. Считается достаточным, чтобы критический размер объекта составлял 6 и более пикселов.

3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ

Этот термин нередко используется военными, чтобы определить, принадлежит ли объект 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 1,8х0,5 м. "Критический размер" его, согласно эмпирическим данным, полученным с помощью опроса операторов охранных систем, составляет 0,75 м. Представьте себе тепловизионную систему, которая имеет достаточное разрешение, чтобы представить удаленный на 1 км объект протяженностью 0,75 метра шестью пикселами. Если при этом изображение объекта в достаточной степени контрастирует с фоном, то такая система имеет высокую вероятность распознавания объектов на расстояниях до 1 км.

Критерии Джонсона применяются исходя из допущения, что критический размер человеческого тела составляет 0,75 метра. Чтобы осуществлять обнаружение, распознавание и идентификацию, необходимо представить этот размер соответственно полутора, шестью и 12-ю пикселами. Это означает, что: 1,5 пикс/0,75 м = 2 пиксела на метр, 6 пикс/0,75 м = 8 пикселов на метр, 12 пикс/0,75 м = 16 пикселов на метр. Предположим, что габариты человеческого тела составляют 1,8х0,5 м. Тогда его фигура должна отображаться на экране:

При обнаружении = 3,6х1 пикс. Вы можете разглядеть, что "там кто-то есть" При распознавании = 14,4х4 пикс. Изображение дает понять, что речь идет о человеке При идентификации = 28,8х8 пикс. Внимание, тревога! У него в руках винтовка!

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 обнаруживать 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, обеспечиваемое при достаточном тепловом контрасте. А этот параметр, в свою очередь, определяет расстояние, на котором критический размер объекта будет представлен достаточным количеством пикселов, чтобы можно было обнаружить, распознать либо идентифицировать цель.

Чем выше фокусное расстояние, тем меньше угловое разрешение. Охранные системы дальнего радиуса действия -- например, находящиеся на вооружении погранвойск -- требуют весьма малых значений IFoV. Длиннофокусные объективы, как это известно из оптики, имеют и меньший общий угол обзора. Компромисс между радиусом действия и зоной обзора достаточно критичен при выборе системы. В предельном случае вы будете четко видеть цель, но не иметь понятия о том, где именно она находится: представьте, что вы разглядываете морской пейзаж через соломинку для коктейля! В результате приходится укомплектовывать многие из тепловизионных систем объективами с переменным фокусным расстоянием.

Вернемся к уже знакомому нам примеру -- человеку, находящемуся 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" изображение 75-сантиметрового отрезка, находящегося 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 сможем определить, что он держит в руке -- АКМ, БСЛ или свежий номер Security News.

Допустим, у нашей с вами тепловизионной системы фокусное расстояние объектива составляет 500 мм, а шаг термочувствительной матрицы -- 15 микрон. То есть угловое разрешение составит 30 мкрад на пиксел. Количество пикселов, приходящееся на цель, подсчитывается делением ее углового размера на угловое разрешение. 750 мкрад / 30 мкрад/пиксел = 25 пикселов -- более чем достаточно для идентификации по критерию Джонсона.

Неохлаждаемая матрица 320х240 тепловизора Foveus (PTZ-35x140MS), шаг 38 мкм, объектив с фокусным расстоянием 140 мм. Количество пикселов, располагающихся по высоте человеческой фигуры.

Охлаждаемые и неохлаждаемые камеры

Это также влияет на радиус действия -- более дорогостоящие охлаждаемые тепловизоры в большинстве комбинаций условий наблюдения "видят" дальше. Типичный шаг матрицы для охлаждаемых камер составляет 15 микрон на пиксел. Несложные вычисления показывают, что с применением объектива с фокусным расстоянием 500 мм мы получим 12 пикселов 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, соответствующая приведенному примеру, здесь составит уже 0,8 км. Однако еще более важным является то, что объективы неохлаждаемых камер с таким фокусным расстоянием практически бесполезны -- относительное отверстие объектива приходится делать весьма 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 тепловизионную оптику такой объектив обойдется вам в почти астрономическую сумму. Применение его "съест" все средства, что 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 целесообразнее применять охлаждаемые камеры -- в частности, это подтверждается при работе в средневолновом диапазоне при большой влажности воздуха.

Тепловизоры Thermovision 3000 способны обнаруживать 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 -- следовательно, при удалении объекта от камеры возрастают и потери полезного сигнала. Дождь и туман делают весьма интенсивным рассеяние 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, улавливаемое 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?

Андрей Коломыйцев (Security News) при участии Дмитрия Карнеева ("Пергам-Инжиниринг", Москва).