Выбор тепловизора часто сводится к выбору разрешения сенсора и фокусному расстоянию объектива, чтобы получить ту или иную дальность обнаружения цели. Как пример, в технических требованиях указывают: тепловизор с разрешением 640×480 пикс и объектив 100мм.
Рассмотрим реальную ситуацию выбора тепловизионной камеры, когда все предлагаемые сенсоры имеют требуемое разрешение 640×480 пикс на основе технологии аморфного кремния (aSi), шаг пикселя 17мкм и тепловую чувствительность (NETD) равную 50мК — данные параметры являются типовыми для современных длинноволновых микроболометров.
Параметры тестируемых объективов
Также все предложенные объективы имеют фокусное расстояние 100мм, но отличаются по относительному отверстию F:
Расчёт освещённости на матрице
С учётом указанных параметров светосилы и светопропускания в ИК диапазоне (от 8 до 12мкм), можно посчитать сколько процентов света пройдёт через объектив:
- Объектив F1.6: (1/1.6)² × 0.88 = 34%
- Объектив F1.4: (1/1.4)² × 0.88 = 49%
- Объектив F1.2: (1/1.2)² × 0.88 = 61%
Влияние на тепловую чувствительность
Соответственно можно показать, что тепловая чувствительность системы тепловизор + объектив изменится с паспортных 50мК:
Таким образом паспортная чувствительность тепловизора 50мК сильно зависит от светопропускания объектива, и в нашем примере, в лучшем случае составляет 82мК (Объектив 3) и в худшем случае — 147мК (Объектив 1).
Тепловизор не сможет «увидеть температурную разницу» в 0.05 градуса, а лишь 0.08 ~ 0.15 градуса, что тоже кажется очень неплохо.
Как это повлияет на результат наблюдения? Если температурные контрасты велики и наблюдаемый объект по температуре значительно отличается от фона, то все камеры одинаково хорошо покажут объект. Но если ситуация усложняется, то результаты начнут отличаться. Под усложнением ситуации наблюдения можно понимать: низкий тепловой контраст цели и фона, атмосферные осадки.
Тестовая установка
Внешний вид собранной установки для тестирования
Внешний вид собранной установки для тестирования. Все объективы с фокусным расстоянием 100мм, но с отличающимся F (слева направо объективы): F1.2, F1.4, F1.6. Можно заметить, как по цвету отражения различаются просветляющие/защитные покрытия объективов.
Для проведения тестирования потребовалось некоторое время, чтобы застать различные погодные условия и провести соответствующие съёмки.
Вид области наблюдения
Вид области наблюдения в видимом спектре. Дождь.
Вид области наблюдения в видимом спектре. Дождь.
Сухая тёплая погода
Изображения в сухую тёплую погоду. Объективы 100мм, F1.6 – F1.4 – F1.2
Изображения получены в сухую тёплую погоду. Объективы 100мм, F1.6 – F1.4 – F1.2 соответственно.
Можно заметить, что в целом все объективы обеспечивают достаточное качество изображения, чтобы вести наблюдение. При этом объектив F1.4 не обеспечивает большой резкости на ближнем плане. Наиболее детализированная картинка с объективом F1.2 — это можно заметить по детализации проводов на заднем плане и по деталям на крыше здания на ближнем плане.
В данной конкретной ситуации разница между объективами не является критической.
В дождь ситуация меняется
В дождь. Объективы 100мм, F1.6 – F1.4 – F1.2 слева направо
Объективы 100мм, F1.6 – F1.4 – F1.2 слева направо.
В дождь возникает два негативных эффекта для наблюдения в ИК спектре:
- Дождь создаёт «препятствие» на пути прохождения ИК света
- Вода сравнивает температуру окружающей среды, уменьшая тепловой контраст
Можно заметить следующее:
- При меньшем относительном отверстии F1.6 значительно снижается контраст изображения
- Объекты с низким тепловым контрастом вовсе не видны — столбов на заднем фоне почти не видно
- Визуально изображение при F1.2 более понятно для оператора, чем F1.6 или F1.4
- Изображение значительно хуже, чем в ясную погоду
Другой ракурс в сухую солнечную погоду
Другой ракурс в сухую солнечную погоду. Объективы 100мм, F1.6 – F1.4 – F1.2
Объективы 100мм, F1.6 – F1.4 – F1.2 слева направо.
Есть незначительная разница в изображении, но в целом это не влияет на восприятие и анализ тепловизионного изображения.
Выводы
Для полноты представления разницы между объективами не хватило выборки в различную погоду. Тем не менее можно сделать общие частные выводы:
- Чувствительность (NETD) тепловизионной камеры всегда ниже, чем чувствительность микроболометра
- Достаточные температурные контрасты обеспечивают качественную картинку даже при изменении относительного отверстия объектива от F1.2 до F1.6
- Качество тепловизионного изображения значительно падает в плохих погодных условиях, при этом объектив с большим относительным отверстием всё же обеспечивает лучшую картинку по сравнению с меньшим относительным отверстием
Рекомендация: При выборе тепловизионного объектива для систем безопасности отдавайте предпочтение объективам с меньшим F-числом (F1.2 лучше F1.6), особенно если система будет эксплуатироваться в сложных погодных условиях.