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 2Ѡ) 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

Вернуться к списку статей