Когда нет возможности зафиксировать видимый диапазон света, специалистам на помощь приходит инфракрасное излучение — используя системы тепловизионной съёмки, можно визуализировать излучаемую тепловую энергию и получить важную информацию для принятия решений, в том числе в критических ситуациях. Вместе эти спектральные диапазоны открывают большой массив информации, невидимой невооруженному глазу, чем значительно помогают в сферах промышленности и обеспечения безопасности, а также способствуют развитию науки.
Электромагнитное излучение охватывает широкий спектр длин волн — от гамма-лучей до радиоволн. Видимый свет занимает лишь узкую часть, примерно от 0,4 до 0,7 микрометров. В то время как инфракрасный свет простирается за пределы этого диапазона.
Системы тепловизионной съёмки обычно называют «камерами», но фактически это сложные датчики, предназначенные для обнаружения излучаемого тепла, а не видимого света. Инфракрасная визуализация с помощью тепловизионных датчиков использует определённые диапазоны волн: коротковолновый инфракрасный (SWIR), средневолновый инфракрасный (MWIR) и длинноволновый инфракрасный (LWIR) — каждый диапазон имеет свои отличительные характеристики и области применения.
Коротковолновый диапазон (SWIR), охватывающий приблизительно от 0,9 до 2,5 микрометров (мкм), проникает сквозь смог, дым и пыль, а также через некоторые материалы — например, через кремний, что делает его крайне эффективным при ночном наблюдении, обнаружении влаги и контроле полупроводников.
Средневолновый инфракрасный диапазон (MWIR) охватывает от 3 до 5 мкм — этот диапазон имеет большую чувствительность к высоким температурам, что позволяет использовать его для обнаружения утечек газа, промышленного мониторинга, а также в военных целях.
Длинноволновый инфракрасный диапазон (LWIR) содержит от 8 до 14 мкм, его выбирают для обнаружения теплового излучения от объектов и живых существ со стандартными естественными температурами. Главной областью работы с LWIR является мониторинг в полной темноте, что крайне актуально, к примеру, для поисково-спасательных операций.
Ключевое отличие между тепловизорами SWIR, MWIR и LWIR заключается в природе регистрируемого ими физического сигнала и способа его обработки. Именно этот основополагающий фактор определяет дальнейшую логику при выборе устройства для решения конкретных задач. Камеры MWIR и LWIR не создают собственный свет, а фиксируют тепловое излучение, испускаемое любым объектом с температурой выше абсолютного нуля, в то время как тепловизоры SWIR работают подобно видимым камерам, но ловят свет в диапазоне инфракрасного спектра.
С помощью камер SWIR фиксируется не тепловое излучение, а отражённый свет. Лучше всего они подходят для съёмки в условиях, в которых не справляются камеры видимого диапазона — например, при слабом или ночном освещении. Поскольку длина волн в SWIR-диапазоне короче, чем в MWIR и LWIR диапазонах, камеры SWIR дают более высокое разрешение и чёткое изображение для задач, требующих детального контроля. Обычно для работы данных камер требуются специализированные датчики, такие как InGaAs (арсенид индия-галлия). Также камеры SWIR дают возможность просмотреть объект сквозь смог, туман, облака, дым и пыль, что особенно важно в промышленной и сельскохозяйственной сфере.
Длина волны: 0,9-1,7 мкм (иногда до 2,5 мкм)
• Сельскохозяйственный мониторинг состояния растений и влажности почвы: высокая чувствительность спектра SWIR помогает выявлять скрытые гнилостные повреждения в урожае;
• Обнаружение подповерхностных дефектов, трещин и недостатков пайки кремниевых пластин в микроэлектронике и солнечных батареях;
• Минералогическое картирование и анализ горных пород;
• Контроль безопасности через камеры наблюдения в условиях низкой освещённости
Зачастую оптимальным решением становятся мультиспектральные камеры, так как они не ограничиваются одной узконаправленной рабочей характеристикой. Например, гиперспектральная камера CHN FS6B объединяет в себе камеры VISNIR (400–1000 нм, 1920 пространственных каналов, 1200 спектральных каналов, разрешение <2,5 нм) и SWIR (900–2500 нм, 640 пространственных каналов, 250 спектральных каналов, разрешение <10 нм). Она широко применяется в таких областях, как мониторинг качества воды в реках и озерах, разведка лесных ресурсов и оценка экологического состояния сельского хозяйства, обеспечивая точное получение спектральных данных и надёжную поддержку для многосценарного анализа и мониторинга.
Для обнаружения объектов с высокими температурами используются камеры среднего инфракрасного диапазона. Обычно в них встроены охлаждаемые детекторы (InSb или HqCdTe) — благодаря которым камеры обладают высокой тепловой чувствительностью (NETD <20 мК) и подходят для обнаружения горячих объектов на больших расстояниях и в сложных условиях. Необходимость использования систем криогенного охлаждения увеличивает размер, вес, энергопотребление и стоимость камер MWIR. Поэтому их используют там, где другим оборудованием ограничиться невозможно — в военном целеуказании, противоракетной обороне и обнаружении утечек газа. Также важной областью применения MWIR-камер является мониторинг реактивных двигателей, выхлопных газов или промышленного оборудования, где повышенные температуры создают резкие контрасты с более холодным атмосферным фоном.
Длина волны: 3,0-5,0 мкм
• Промышленный мониторинг: выявление утечек тепла, контроль состояния оборудования, поиск скрытых неисправностей оборудования на заводах;
• Обнаружение утечек газа: метана, углеводородов и CO₂;
• Оборона и безопасность: обнаружение целей на дальних дистанциях, охрана границ и периметров стратегически важных объектов (например, аэропортов);
• Контроль горячих процессов: металлургия, промышленные печи, двигатели;
• Поисково-спасательные операции, обнаружение лесных пожаров и возгораний на добывающих предприятиях
Технология MWIR лежит в основе работы передового газоанализатора BLV GasVision-TD1. Его датчик объединяет OGI (оптическую визуализацию газов) и TDLAS (спектроскопию поглощения перестраиваемым диодным лазером) — это позволяет не только «видеть» газ на тепловизионном изображении, но и точно измерять его концентрацию.
Камеры LWIR используются наиболее широко, особенно в коммерческом, гражданском и потребительском секторах. Они наиболее доступные, компактные и не требуют сложного обслуживания. Камеры LWIR фиксируют тепловое излучение от объектов с температурой окружающей среды, что делает их актуальными для пассивного мониторинга. В отличие от систем средневолнового инфракрасного диапазона, камеры LWIR обычно используют неохлаждаемые микроболометры.
Длина волны: 8,0-14,0 мкм
• Энергетика и промышленность: тепловизионная съёмка для обнаружения теплопотерь и проблем с изоляцией, мониторинг состояния электроподстанций и высоковольтных линий, инспекция ветрогенераторов, отслеживание перегрева оборудования;
• Сельское хозяйство: мониторинг состояния систем отопления и вентиляции в теплицах, тепловизионное наблюдение за вредителями на полях;
• Охрана и безопасность: обнаружение людей и транспортных средств на дальних дистанциях и в абсолютной темноте;
• Поисково-спасательные операции, обнаружение лесных пожаров
Диапазон длин волн
0,9-2,5 мкм
Источник сигнала
Отраженный инфракрасный свет
Тепловое излучение объекта
Тепловое излучение объекта
Физический принцип работы
Регистрируют отражаемые волны света при крайне низком освещении
Фиксируют тепловое излучение от объектов с высокой температурой
Фиксируют тепловое излучение от бъектов с температурой окружающей среды
Зависимость от освещения
Низкая зависимость, регистрирует тепло объекта
Полная независимость от внешнего освещения
Детекторы
Несмотря на специализированные характеристики камер, универсальным решением для промышленной диагностики является сочетание инфракрасного оборудования. SWIR-камеры — это важный инструмент для материаловедения, контроля качества в полупроводниковой промышленности и задач, требующих сверхвысокого пространственного разрешения. MWIR-камеры подходят для контроля высокотемпературных процессов и газовых утечек. LWIR-камеры являются универсальным и экономически эффективным инструментом для большинства задач по контролю состояния оборудования.
При подборе камер под вашу конкретную задачу следует начать с разностороннего анализа текущих потребностей и характеристик самого оборудования. Многие производители имеют в своих каталогах мультиспектральные камеры, которые могут стать оптимальным решением для мониторинга на промышленных преприятиях, либо в сельском хозяйстве.
Нет. Несмотря на то, что камеры SWIR действительно фиксируют не тепловое излучение, а отраженный свет, их датчики работают в условиях крайне низкой видимости — обычная камера не может справиться с препятствиями в виде дыма, пыли и облаков, а также при почти полном отсутствии освещения.
К тому же, датчики SWIR решают не только вышеописанные задачи — с их помощью можно отслеживать влагу в почве или растениях, определять подделки различных материалов и изделий из них.
Неохлаждаемые инфракрасные камеры работают при комнатной температуре и быстро запускаются, однако они не так чувствительны к принимаемому сигналу.
Охлаждение детектора снижает его температуру с помощью хладагента и обеспечивает высокую чувствительность датчиков и высокое разрешение изображения.
Проанализируйте, для каких целей вам нужна камера, поскольку каждый спектральный диапазон предлагает свои технические преимущества и ограничения:
Камеры SWIR справляются с фиксацией изображения при низкой видимости: даже сквозь туман, смог, пыль и облака. Датчики MWIR и LWIR устойчивы к пыли и туману.
Камеры SWIR фиксируют не тепло, а отражённый свет. Датчики MWIR подойдут для горячих объектов (двигатели, металлургия), а LWIR — для объектов с обычными температурами (люди, здания, ЛЭП).
Если важна визуализация скрытых дефектов, загрязнений и наблюдение за поверхности предметов подойдет камера с диапазоном SWIR, поскольку она даёт чёткое изображение даже при наличии пыли и дымки.
Если нужно своевременно выявлять тепловые аномалии, нагрев оборудования или утечки газов — подойдут камеры с диапазонами MWIR или LWIR.
LWIR-камеры проще в эксплуатации: они не требуют охлаждения и обычно дешевле.
В ассортименте компании DJI есть оборудование с датчиками в LWIR-спектре: DJI Mavic 3 Thermal/Advanced, DJI Matrice 4 Thermal, DJI Matrice 30 Thermal, DJI Zenmuse H20T, DJI Zenmuse H20N, DJI Zenmuse H30T, H20/H30
Перезвоните мне