Визуализация LWIR или MWIR: что лучше?
Введение:
Долгое время ведутся споры о преимуществах длинноволнового инфракрасного излучения (LWIR) и средневолнового инфракрасного излучения (MWIR) в инфракрасной съемке. Невозможно однозначно сказать, какой из них лучше, но в этой статье мы проведем тщательную оценку плюсов и минусов LWIR и MWIR, сравним эмиссию и тепловой контраст в этих двух спектральных диапазонах, влияние климата, тепловые эффекты, объективы LWIR и MWIR, а также стоимость, чтобы помочь вам выбрать подходящую камеру и объективы для тепловизоров, которые лучше всего подходят для вашего применения.
В нашей предыдущей статье Что такое объективы для тепловизоров мы познакомились с различными инфракрасными спектральными диапазонами. Инфракрасный спектр можно разделить на пять категорий в зависимости от длины волны: ближний инфракрасный (NIR), диапазон длин волн 0,75–1,4 микрон; коротковолновый инфракрасный (SWIR), диапазон 1,4–3 микрон; средневолновый инфракрасный (MWIR), диапазон 3–5 микрон; длинноволновый инфракрасный (LWIR), диапазон 8–12 микрон; и дальний инфракрасный, который варьируется от 15 до 1000 микрон.
Спектральные диапазоны MWIR и LWIR являются двумя основными диапазонами для тепловой съемки. MWIR и LWIR относят к тепловому инфракрасному излучению, поскольку излучение MWIR и LWIR способно проникать через атмосферу (атмосферные препятствия вызывают гораздо меньше поглощения и рассеяния в диапазонах MWIR и LWIR по сравнению с видимым светом и SWIR) и создавать изображения без необходимости использования искусственного источника света, что позволяет применять их для пассивной тепловой съемки. Камеры MWIR и LWIR формируют изображения в соответствии с температурной разницей объектов, обеспечивая надежную работу независимо от условий освещенности. Тепловизоры также более устойчивы к дыму, туману и пыли, чем обычные визуальные камеры.
Поток излучения и тепловой контраст:
Поток излучения — это общий тепловой поток, исходящий от объекта и фона. Согласно закону Планка, чем выше температура, тем выше спектральная лучистая эмиссия (на всех длинах волн) и тем короче длина волны пика излучения. Как показано на рисунке 1, при нормальной температуре атмосферы 300K максимумы излучения приходятся на диапазон длин волн 8–12 микрон, соответствующий LWIR. Другими словами, земные объекты (с температурой выше абсолютного нуля) излучают тепло преимущественно в области LWIR.
Рисунок 1. Излучение абсолютно черного тела
Цветная область на графике обозначает видимый спектр, а оранжевая и красная области указывают на спектральные диапазоны MWIR и LWIR соответственно. Как видно, при нормальной температуре 300K максимум излучения находится в зоне LWIR. По мере повышения температуры максимум излучения начинает смещаться к более коротким длинам волн, и примерно при 1000K максимум излучения находится в зоне MWIR.
Помните, что тепловизоры или камеры фокусируют и передают тепловое излучение, создавая монохромное изображение, соответствующее температурным различиям. Чем выше температура, тем больше теплового излучения и тем ярче изображение, тогда как более холодные области отображаются темными оттенками (существуют также цветные тепловизоры, где горячие зоны отображаются теплыми цветами, а холодные — холодными). Очевидно, что больший поток излучения помогает повысить чувствительность тепловизоров в идеальных условиях. Это означает, что LWIR тепловизоры и камеры хорошо работают в большинстве нормальных условий («нормальных» здесь означает температуру окружающей среды около 300K).
При более высоких температурах максимум излучения смещается к коротким длинам волн, поэтому MWIR тепловизоры работают лучше в условиях высоких температур (например, при запуске ракет). Кроме того, поскольку MWIR тепловизоры часто используют охлаждаемые фотосенсоры, которые обладают большей чувствительностью, чем неохлаждаемые тепловизоры, обычно используемые в LWIR камерах, MWIR тепловизионная съемка обладает лучшими возможностями для подавления теплового шума и помех, а также для различения похожих температур, что повышает контрастность цели на изображении. Особенно MWIR превосходит LWIR при работе на больших дистанциях, когда тепловое излучение, достигающее сенсоров, ослабляется из-за большой длины пути, что усложняет различение целей и помех, так как обе могут выглядеть размытыми на экране. Более высокий контраст цели при MWIR облегчает распознавание и идентификацию объектов на дальних расстояниях и делает систему более надежной. Поэтому большинство клиентов, которым нужны изображения с дальним радиусом и высокой четкостью, выбирают MWIR тепловизоры, а не LWIR.
Атмосферные окна и влияние климата:
Тепловое излучение должно пройти через атмосферу, чтобы достичь тепловизора. Поскольку атмосфера не является вакуумом, а состоит из смеси различных газов (таких как азот, CO2 и O2) и частиц (пыли, грязи, влаги), она поглощает, отражает, преломляет и рассеивает электромагнитное излучение.
Коэффициент пропускания излучения через атмосферу зависит от спектрального диапазона. Диапазоны длин волн, в которых коэффициент пропускания электромагнитного излучения через атмосферу высок, называются атмосферными окнами.
Рисунок 2. Атмосферные окна
Различные затемнители в атмосфере также по-разному взаимодействуют с излучением в различных спектральных диапазонах. Поэтому важно учитывать атмосферные условия при выборе тепловизора. В общем, поглощение излучения MWIR в парах значительно меньше, чем для LWIR излучения. Как упоминалось выше, тепловизионные камеры MWIR особенно эффективны в условиях высоких температур из-за особенностей теплового излучения. Поэтому MWIR более предпочтительны в влажном и жарком морском климате. Например, если ваша цель — прибрежное наблюдение, MWIR камера будет более рекомендуемым выбором. В то время как, поскольку самое широкое атмосферное окно расположено в диапазоне 8-12 микрон, LWIR излучение имеет лучшие показатели передачи в большинстве условий, и поэтому LWIR камеры подходят для съемки большинства земных объектов при нормальных температурах. LWIR излучение также менее подвержено воздействию дыма и аэрозолей, что делает его более предпочтительным по сравнению с MWIR тепловизорами в таких ситуациях, как поле боя и тушение пожаров. Таким образом, например, если вы ищете инфракрасный прицел, LWIR тепловизор может быть лучшим вариантом (однако в приложениях, таких как оборона и военное дело, иногда требуется определенная дальность обнаружения, и в этом случае MWIR камеры превосходят LWIR).
Объективы LWIR против объективов MWIR:
Точно так же, как объективы визуальных камер должны быть прозрачны для видимого света, объективы тепловизоров должны быть прозрачны для определенных инфракрасных спектральных диапазонов. Объективы для LWIR тепловизоров изготавливаются из материалов с отличной прозрачностью в диапазоне длин волн 8-12 микрон, а объективы для MWIR тепловизоров — из материалов, прозрачных в диапазоне 3-5 микрон.
На рисунке 3 ниже показаны некоторые распространённые материалы для инфракрасных объективов и их кривые пропускания (обратите внимание, что кривые построены с учётом коэффициентов пропускания после нанесения соответствующего AR-покрытия, поэтому потери из-за поверхностного отражения не включены). Как видно из рисунка, распространённые оптические материалы для LWIR объективов включают германий (Ge), селенид цинка (ZnSe) и др. (существуют и другие отличные материалы для LWIR, не показанные на рисунке, такие как ZnS, халькогенидное стекло, GaAs). В то время как традиционные оптические материалы для MWIR включают фторид бария (BaF2), фторид кальция (CaF2), сапфир (Al2O3), Ge, ZnSe и др. (другие материалы MWIR, отсутствующие на рисунке: кремний, ZnS и др.). Иногда в одной оптической системе используется смесь различных материалов для достижения требуемых проектных характеристик (например, оптически пассивные атермализированные объективы состоят из линз, изготовленных из материалов с дополняющими термооптическими свойствами для компенсации теплового расфокусирования).
Рисунок 3. Сравнительный график, показывающий пропускание некоторых распространённых материалов для ИК-объективов. Обратите внимание, что кривые построены с учётом пропускания материалов после нанесения антибликового покрытия (AR).
Рисунок 4. Слева — комплект непрерывно масштабируемых LWIR тепловизионных объективов от Shalom EO. Справа — комплект непрерывно масштабируемых MWIR тепловизионных объективов от Shalom EO.
Компания Shalom EO более десяти лет занимается передовым производством LWIR и MWIR тепловизионных объективов, включая проектирование конструкции объектива, изготовление на ЧПУ и алмазную полировку, сборку объективов, строгий внутренний контроль качества и защиту по стандарту IP67. Наши возможности превосходны как по размерам доступных объективов, так и по характеристикам длинного фокусного расстояния. Объективы LWIR с непрерывным зумом обеспечивают максимальное увеличение 13x, в то время как MWIR объективы с непрерывным зумом демонстрируют ещё лучшие функции для обнаружения на дальних дистанциях с максимальным увеличением 20x.
Кроме того, Shalom EO предлагает различные виды тепловизионных объективов, включая аттермализированные объективы, сверхширокоугольные и рыбий глаз, объективы с одним полем зрения и с двойным полем зрения. Подробнее можно узнать по ссылке learn more.
Чувствительность детекторов и число f:
В настоящее время на рынке тепловизионных камер существует два основных типа детекторов: охлаждаемые фотонные детекторы (также называемые квантовыми детекторами), которые обычно оснащаются охладителями для поддержания криогенных температур, и неохлаждаемые тепловые детекторы, которые более доступны по цене, но имеют меньшую чувствительность из-за отсутствия охладителей.
Поскольку тепловизоры формируют изображения, визуализируя тепло, собственное нагревание камеры создает тепловой шум и приводит к путанице с тепловыми сигналами цели. Это вызывает увеличение NETD (эквивалентной разницы температур шума) и снижение чувствительности. Поэтому охлаждаемые фотонные детекторы гораздо чувствительнее, чем неохлаждаемые тепловые.
MWIR камеры часто используют охлаждаемые детекторы (например, HgCdTe, квантовые колодцы, стибидные детекторы), в то время как LWIR камеры чаще оснащаются неохлаждаемыми детекторами (например, оксид ванадия, InSb FPA).
Число f или f-число — это показатель светосилы камеры, в случае тепловизоров — способность собирать тепловое излучение. Число f = Фокусное расстояние объектива / Диаметр апертуры объектива. Более чувствительный охлаждаемый детектор позволяет использовать большие значения числа f (то есть меньшие апертуры объектива), тогда как менее чувствительный неохлаждаемый детектор требует меньших значений числа f (то есть больших апертур), чтобы обеспечить достаточное поступление излучения при той же фокусной длине. Поэтому MWIR объективы могут быть значительно компактнее LWIR, что снижает стоимость производства и вес всей камеры, что соответствует тенденции к легкости и компактности на рынке тепловизоров.
Аналогично, MWIR тепловизионный объектив с той же апертурой, что и LWIR объектив, может иметь более длинное фокусное расстояние благодаря возможности использовать большее f-число.
Стоимость:
LWIR тепловизионные камеры с неохлаждаемыми детекторами обычно дешевле, чем MWIR камеры. Поскольку LWIR способны справляться с большинством задач тепловизионного контроля, они считаются более рутинным и экономичным выбором.
С другой стороны, MWIR камеры часто оснащены дорогостоящими охлаждаемыми фотонными детекторами. Однако их преимущества — высокое качество изображения, дальнодействие и лучшая производительность в особых условиях (влажный климат, высокие температуры) — делают их оправданным вложением.
Применения в системах борьбы с БПЛА (C-UAS)
Системы противодействия беспилотным летательным аппаратам (C-UAS/C-UAVs) — это специализированные технологии для обнаружения, отслеживания, прерывания или уничтожения дронов, чтобы предотвратить их несанкционированное проникновение в охраняемые зоны. В таких системах используются различные методы контроля воздушного пространства и обнаружения подозрительных целей: радары, визуальные камеры, а также LWIR, MWIR и SWIR тепловизионные камеры. Пассивные LWIR и MWIR тепловизионные методы являются отличными решениями для систем C-UAS благодаря высокой надежности в различных условиях, дальнодействию и превосходным возможностям противодействия методам скрытного обнаружения. Более подробную оценку и сравнение LWIR и MWIR для систем C-UAS вы можете найти в нашей технической статье Passive Thermal Imaging and C-UAS.
Related Products
Tags: LWIR-изображение против MWIR тепловизионной камеры