Дальность обнаружения тепловизора: как считать по критерию Джонсона

Заказчик читает паспорт: «дальность обнаружения человека — до 3,2 км». Ставит камеру на объекте, оператор не видит нарушителя в 800 метрах. Кто виноват — производитель, монтажник или матрица? Обычно никто из троих: цифра в паспорте — это теоретический максимум по критерию Джонсона в идеальных условиях, а на объекте работают атмосфера, ракурс, тепловой контраст и уровень задачи (обнаружить / распознать / идентифицировать).

Разбираем, как считается дальность обнаружения тепловизора, что реально означают термины DRI, и как перевести цифры из паспорта в рабочую дистанцию для вашего объекта. Быстрый расчёт под конкретную матрицу и объектив можно сразу прогнать в оптическом калькуляторе DWTECH.

Что такое дальность обнаружения — и почему она не одна

В тепловидении используется международный стандарт — критерий Джонсона (Johnson's criteria), разработанный в 1958 году военным инженером Джоном Джонсоном. Он делит задачу «увидеть цель» на три уровня, которые обозначают тремя буквами DRI:

• Detection (обнаружение) — на изображении есть «что-то», отличимое от фона. Оператор понимает: там объект. Тип не различает.
• Recognition (распознавание) — можно отнести объект к классу: человек / машина / животное / БПЛА. Тип конкретной модели пока не различить.
• Identification (идентификация) — различаются детали: марка автомобиля, наличие оружия, конкретный тип аппарата.

Каждый уровень требует, чтобы цель занимала определённое число пикселей на матрице тепловизора по её критическому размеру. Классические значения Джонсона (обновлённые в стандарте NATO STANAG 4347 и в модели TTP):

Правило старшинства: дистанция распознавания в 4 раза меньше дистанции обнаружения, идентификации — в 8 раз. То есть если камера обнаруживает человека на 4 км, распознаёт как «человека, не животное» примерно с 1 км, идентифицирует (есть ли рюкзак/оружие) — только с 500 м.

Именно поэтому «дальность обнаружения тепловизора» в паспорте — не одна цифра, а всегда три. И когда заказчик ставит задачу «увидеть», нужно уточнять: увидеть факт присутствия (Detection), понять что это (Recognition) или опознать конкретный объект (Identification).

Критический размер объекта — что подставлять в формулу

Критический размер (critical dimension) — это наименьший линейный размер объекта в плоскости, перпендикулярной оси наблюдения. По классическому подходу для стандартных целей:

• Человек — 0,75 м (по ширине плеч / силуэта).
• Легковой автомобиль — 2,3 м (по ширине).
• Крупная техника (танк, грузовик) — 2,3–3 м.
• Малый БПЛА (Mavic-класс) — 0,3–0,5 м.
• Средний БПЛА самолётного типа — 1,5–3 м (по размаху).

Для нестандартных целей — маломерная лодка, катер, тепловая аномалия на трубопроводе — критический размер берётся по паспорту цели или по реальному объекту, для которого считается дальность.

Формула расчёта — как это выглядит на бумаге

Число пикселей на цель зависит от разрешения матрицы, фокусного расстояния объектива, критического размера цели и дистанции до неё:

N = (h × f) / (d × p)

где:

• N — число пикселей, которые займёт цель по критическому размеру,
• h — критический размер цели (метры),
• f — фокусное расстояние объектива (метры),
• d — дистанция до цели (метры),
• p — шаг пикселя матрицы (метры; типовые значения 12 мкм = 0,000012 м, 17 мкм = 0,000017 м).

Подставляем задачу: человек (h = 0,75 м), объектив 100 мм (f = 0,1 м), матрица 640×512 с шагом 12 мкм (p = 0,000012 м), дистанция 2000 м.

N = (0,75 × 0,1) / (2000 × 0,000012) = 0,075 / 0,024 = 3,1 пикселя.

3,1 пикселя ≥ 1,5 → задача «обнаружение» выполнена с двукратным запасом. 3,1 < 6 → распознать как «человек, не столб» на 2 км уже нельзя, нужен трансфокатор длиннее либо матрица 1280×1024.

Что «съедает» дальность на реальном объекте

Формула Джонсона даёт теоретический максимум. На объекте цифру уменьшают ещё четыре фактора.

Атмосферное поглощение. ИК-излучение в диапазоне 8–14 мкм ослабляется водяным паром, аэрозолями и осадками. Дождь снижает эффективную дальность на 20–40 %, туман — до 50–80 % в зависимости от плотности. Летний прогретый воздух над асфальтом создаёт турбулентность, которая размывает картинку. Подробнее про физику и границы — в материале работает ли тепловизор в тумане и дыму.

Тепловой контраст цели с фоном. Джонсон подразумевает, что цель тепловым контрастом ≥1 K отличается от фона. Ночью летом это выполняется почти всегда, зимой — почти всегда, но в переходные периоды (осеннее утро, весенний вечер) контраст «человек–трава» может уходить в единицы десятых кельвина. Тут решает NETD матрицы — критерий Джонсона считает пиксели, но пиксели должны нести отличимый от шума сигнал. Разбор NETD и как он связан с F-числом объектива — в статье NETD в тепловизоре: как читать и сравнивать модели.

F-число объектива. NETD_system = NETD_matrix × (F/F_ref)². Дешёвая оптика с F/2.0 «убивает» матрицу 40 мК до системных 160 мК — цель тонет в шуме на реальной дистанции задолго до предела по Джонсону. Хорошая тепловизионная оптика делается на F/1.0–F/1.5.

Ракурс. Формула считает критический размер в плоскости, перпендикулярной оси наблюдения. Если человек идёт по трассе прямо на камеру — критический размер уменьшается с 0,75 м (ширина плеч) до 0,3 м (толщина корпуса), и рабочая дальность обнаружения падает в 2,5 раза. Для протяжённых периметров это учитывают заранее: PTZ на угловых мачтах ставят так, чтобы патрульная тропа шла поперёк оси наблюдения, а не вдоль.

Что покажет калькулятор

Оптический калькулятор DWTECH — это интерактивный инструмент, который делает те же расчёты за вас. Вводите:

• Матрицу (640×512, 1280×1024) и её шаг пикселя.
• Фокусное расстояние объектива (или диапазон трансфокатора).
• Тип цели (человек / автомобиль / БПЛА) — критический размер подставится автоматически.

На выходе — три дистанции: обнаружение / распознавание / идентификация. Это позволяет за минуту оценить, подходит ли выбранная связка «матрица + объектив» под задачу вашего объекта — до того, как формировать ТЗ или заказывать оборудование.

DRI на моделях DWTECH — что реально даёт наша оптика

Три рабочие связки для типовых задач охраны периметра:

• Компактная (склад, парковка, малый объект). DWT-IS-C4137D-T6100D «СИГМА» — матрица 640×512 (12 мкм), фиксированный атермальный 100 мм F1.2. Обнаружение человека — до 2,2 км, распознавание — до 550 м. NETD_system на F/1.2 сохраняется на уровне ≈58 мК от паспортных 40 мК — оптика не «убивает» матрицу.
• Универсальная (нефтебаза, аэропорт, средний периметр). DWT-IS-C4152D-LRF6 «СИГМА» — те же 640×512, трансфокатор 25–225 мм F1.0–F1.5 плюс лазерный дальномер 6 км. На широком угле 25 мм — обзорное сканирование, на 225 мм — обнаружение человека до 4,5 км.
• Дальнобойная (граница, крупный периметр, антидрон). DWT-IV-C4152D «ИПСИЛОН» — матрица 1280×1024 (12 мкм), трансфокатор 50–350 мм F1.4. Удвоенное разрешение даёт удвоенный запас по DRI: обнаружение человека — до 6–8 км в зависимости от контраста, распознавание — до 1,5–2 км. Классическая связка для антидрон-задач и охраны государственной границы.

Для нестандартного объектива, климатического исполнения или матрицы — работает механизм разработки под ТЗ заказчика.

Как читать паспорт производителя, чтобы не купить «ноль»

Пять пунктов проверки перед закупкой:

• В паспорте указаны все три дистанции DRI, а не одна. «Дальность до 6 км» без уточнения — обнаружение, распознавание или идентификация — красный флаг.
• Критический размер цели проговорён. Дальность 4 км по автомобилю (2,3 м) и по человеку (0,75 м) — разные вещи в 3 раза.
• Указано F-число объектива. Дальность считана «по матрице» без учёта F/2.0 объектива — фейк, реальная дистанция в 4 раза меньше.
• Указан NETD и условия его измерения (F/1.0, 300 K, 30 Гц — стандарт). NETD «просто 40 мК» без условий — данные несравнимы с другими производителями.
• Указана рабочая частота кадров. 9 Гц — экспортное ограничение, для движущихся целей непригодно.

Итог

«Дальность обнаружения тепловизора» — это не число из прайса, а результат расчёта по критерию Джонсона с учётом матрицы, оптики, критического размера цели и условий эксплуатации. Правильная последовательность для проектировщика:

• Определите задачу — обнаружить, распознать или идентифицировать.
• Подберите критический размер цели.
• Прогоните расчёт в оптическом калькуляторе под матрицу и объектив.
• Заложите запас минимум ×2 на атмосферу и низкий контраст.
• Согласуйте связку «матрица + объектив + платформа» с инженерами производителя.

Для нестандартных задач и подбора конфигурации под конкретный объект — запрос через форму на сайте. Быстрый ориентир по продуктовой линейке — в разделе поворотных тепловизоров и стационарных тепловизоров.