Swir камера что это
Невидимый нам свет
Фальшивые деньги, спрятанные картины, испорченные фрукты — что еще видит камера ближнего инфракрасного диапазона?
Камеры ближнего инфракрасного спектра давно используют военные и спасатели. Ищут с ними людей и технику в дыму, темноте и под тонированными стеклами. Постепенно эти камеры, работающие в невидимом для человека и тепловизора диапазоне, находят применение в обычной жизни. Например, помогают определить подлинность картины или вообще найти ее — под слоем краски. N + 1 вместе со специалистами предприятия, входящего в холдинг «Швабе» Госкорпорации «Ростех» разбирается в особенностях технологии и тестирует ее — на полотнах, скрывающих старые картины.
Что такое SWIR?
В повседневной жизни вокруг нас постоянно присутствует электромагнитное излучение. Видимый свет со всеми цветами радуги составляет лишь 0,0035 процента электромагнитного спектра, который начинается гамма-излучением с длиной волны меньше 0,01 нанометра и заканчивается сверхнизкочастотными радиоволнами с длиной волны больше 100 мегаметров. Условно электромагнитный спектр можно разделить на семь диапазонов:
Почти каждый из этих диапазонов используется людьми для решения определенных задач: рентгеновское излучение позволяет «сфотографировать» скелет и органы человека, ультрафиолетовое — сделать отпечаток будущей электрической схемы, микроволновое — разогреть еду, а радиоволновое — передать информацию на большое расстояние. Инфракрасное излучение используется для поиска различных объектов по тепловому излучению, оценки повреждений конструкций, оценки теплопотерь жилых домов.
Инфракрасный спектр принято делить на пять диапазонов: ближний (длина волны — 0,75-1,0 микрометра), коротковолновый (1,0-3 микрометра), средневолновый (3-5 микрометров), длинноволновый (8-15 микрометров) и дальний (15-1000 микрометров).
Военные и поисково-спасательные службы используют для обнаружения людей и техники тепловизоры, приборы, работающие в средне- и длинноволновом диапазоне. Такие приборы работают по принципу обнаружения объектов, температура которых отличается от температуры окружающей среды. Тепловизор, например, может увидеть открытые части тела человека или нагретую двигателем часть кузова автомобиля.
Коротковолновое инфракрасное излучение поглощается некоторыми материалами полностью или частично, а некоторыми пропускается почти полностью. Так, полиэтилен, как и обычное стекло, почти полностью прозрачен для коротковолнового инфракрасного излучения, в то время как вода поглощает его полностью.
Что такое SWIR-камеры?
Это специальные камеры, оснащенные матрицей, выполненной на основе арсенида индия-галлия. Чувствительные элементы такой матрицы в большинстве случаев способны воспринимать инфракрасное излучение с длиной волны от 0,9 до 1,7 микрометра, причем изменение соотношения арсенидов индия и галлия в структуре чувствительных элементов позволяет расширить воспринимаемый матрицей диапазон до 2,5 микрометра.
Матрицы с расширенным диапазоном восприятия в настоящее время рассматриваются в качестве компонентов для инфракрасных лидаров в системах машинного зрения беспилотных автомобилей. Дело в том, что излучение с длиной волны около двух микрометров не используется современными системами измерения расстояний и наведения, а значит, может применяться лидарами для сканирования окружения без шумовой засветки.
Современные SWIR-камеры состоят хотя и из специальной, но все же относительно недорогой стеклянной оптики — объективов, матрицы, несложной системы охлаждения и управляющей электроники, которая обрабатывает изображение. Существуют и версии камер без системы охлаждения. SWIR-камеры представляют собой компактные приборы, которые могут быть установлены практически где угодно, в зависимости от решаемых ими задач.
Такие приборы имеют несколько преимуществ перед тепловизорами и обычными камерами. Как рассказал N + 1 руководитель проектов НПО «Орион», входящего в холдинг «Швабе», Павел Храбров, в отличие от тепловизоров SWIR-камеры, в частности, не требуют сложных специальных систем охлаждения, способны видеть многие инфракрасные системы наведения и дальномеры, обнаруживать в воздухе некоторые невидимые для глаз газы.
Как можно использовать SWIR-камеры?
Камеры ближнего инфракрасного диапазона спектра, в отличие от приборов ночного видения и тепловизоров, стали применяться относительно недавно. Первыми этой технологией заинтересовались военные, поскольку камеры ближнего ИК спектра позволяют решать несколько важных задач. SWIR-камеры в сочетании с тепловизорами позволяют, в частности, существенно улучшить показатели обнаружения, распознавания и идентификации объектов.
Поясним терминологию. Для многих систем технического зрения обнаружить означает просто увидеть какой-либо объект, но не узнать его. Если боец через прибор может определить еще и тип объекта (животное, человек, автомобиль, самолет или корабль), то речь уже идет о распознавании. Понятие идентификации подразумевает уже точное определение характеристик распознанного объекта — пол человека или тип военной техники.
SWIR-камеры могут работать и с инфракрасными лазерами. Благодаря этому были разработаны системы наведения для различных типов вооружения, невидимые для невооруженного глаза. Например, SWIR-матрицей оснащена головка самонаведения одной из версий американской противотанковой ракеты BGM-71 TOW. В целом системы наведения на базе SWIR-матрицы сегодня устанавливаются на несколько типов противотанковых ракет для переносных и вертолетных пусковых установок.
Кроме того, SWIR-камеры полезны и в качестве систем обеспечения безопасности. Дело в том, что обычные тонированные стекла, даже с очень плотной тонировкой, прозрачны для ближнего инфракрасного излучения. Благодаря этому камера позволяет увидеть, что происходит, например, даже в глухо затонированном автомобиле.
Вскоре после введения режима самоизоляции художница Анастасия Никитина обнаружила, что чистые холсты закончились, а купить новые очень сложно. Равно как и другим художникам, которые столкнулись с той же самой проблемой, ей пришлось использовать подручные материалы и даже зарисовывать старые картины. Корреспонденты N + 1 отправились к Анастасии, чтобы продемонстрировать возможности камеры ближнего инфракрасного спектра.
Такие устройства позволяют оценить подлинность живописного полотна или узнать, как художник писал картину. С помощью камер ближнего инфракрасного спектра специалисты «Швабе» и Государственного научно-исследовательского института реставрации проверяли икону «Чудо Георгия о змие» начала XVIII века и картину «Натюрморт с кетой» Михаила Соколова.
Дело в том, что верхний слой краски может быть частично прозрачен для ближнего инфракрасного излучения. Благодаря этому камера способна «увидеть» черновые наброски художника, а иногда и вовсе «найти» под слоем краски другое изображение — например, картину, не пережившую коронавирусный дефицит. О том, как это выглядит и работает, смотрите в нашем ролике.
Помимо военных и представителей специальных служб, в последние несколько лет интерес к SWIR-камерам проявляют и различные частные и государственные компании.
«Такие камеры, благодаря особенностям пропускания инфракрасного излучения кремниевыми пластинами, можно использовать для контроля качества солнечных батарей», — рассказывает Храбров. SWIR-камеры позволяют обнаруживать и места утечки некоторых газов при обследовании трубопроводов, оценивать степень увлажнения почвы на полях, отслеживать обледенение железнодорожных путей и даже выявлять испорченные фрукты и овощи, которые при обычном визуальном осмотре выглядят вполне съедобно.
Кто делает SWIR-камеры?
Производством камер ближнего инфракрасного спектра во всем мире занимаются с середины 1990-х годов несколько компаний. В их числе Sensors Unlimited, Raptor Photonics, Xenics, Princeton Infrared Technologies, FLIR, Edmund Optics. В России крупнейшим разработчиком и производителем таких устройств является холдинг «Швабе», ГК «Ростех».
Специалисты разработали SWIR-камеру в конце 2015 года. Разработчики утверждают, что в определенный момент они обнаружили, что предприятие владеет всеми технологиями, необходимыми для производства готовых SWIR-камер — от производства матриц до изготовления камеры и создания управляющего программного обеспечения. Первое такое устройство было представлено публике в 2016 году.
«От первого дня, как мы начали работать над этой камерой, до получения первого готового устройства у нас ушло около года», — рассказал Храбров. По его словам, речь идет лишь о технологическом цикле; дополнительные испытания и организация серийного производства потребовали дополнительного времени.
Сегодня предприятие выпускает камеры ближнего инфракрасного диапазона в компактном корпусе с двумя типами матриц: 320 × 256 и 640 × 512 пикселей. Эти устройства способны вести съемку с частотой до 200 кадров в секунду. В базовом варианте камера имеет габариты 62 × 56 × 60 миллиметров, однако размеры корпуса могут быть изменены в соответствии с пожеланиями заказчика.
Матрица камеры расположена в специальном блоке, заполненном инертным газом. Такое решение позволяет значительно увеличить срок службы чувствительного элемента. При этом матрица охлаждается с помощью элемента Пельтье.
В специальной версии корпус камеры выполнен в соответствии со стандартом IP67, то есть он может защитить электронику устройства от попадания пыли и даже воды при кратковременном погружении на глубину не более одного метра. Масса устройства составляет 600 граммов (всего 250 граммов в гражданской версии). Российские камеры ближнего инфракрасного спектра могут устанавливаться на беспилотные летательные аппараты, плавательные суда или вездеходы. Эту технику также разработали в «Швабе».
Производство покрывает изготовление матриц, а также финишную сборку электронных схем (сами платы по заказу изготавливает другое российское предприятие) и готовых устройств. Кроме того, предприятие проводит и полный цикл испытаний. В «Швабе» утверждают, что его мощности позволяют справиться с любым заказом, главное, чтобы в нем были четко определены все параметры и сроки. В крайнем случае, производство SWIR-камер можно будет быстро масштабировать для увеличения объемов выпуска.
Василий Сычёв, Елизавета Кочергина
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
SWIR-камера: как увидеть невидимое
Создание инновационных продуктов в гражданской сфере − один из приоритетов в развитии холдинга «Швабе» . Предприятие холдинга, НПО «Орион», разработало первую российскую SWIR-камеру. Устройство способно работать в условиях пониженной освещенности и передавать цифровое изображение на расстояние. О SWIR, преимуществах камеры и сферах ее применения – в нашем материале.
На короткой волне
Работа распространенных сегодня приборов ночного видения основана на принципе наблюдения объектов в свете Луны, ночного неба, звезд и других источников излучения за счет многократного усиления полученного сигнала. Но использование классических приборов ночного видения в системах с передачей видеосигнала на расстояние крайне затруднительно. Для передачи ночной съемки в виде цифрового сигнала могут быть использованы SWIR-камеры, включающие матричные фотоприемные устройства на основе InGaAs (арсенида индия-галлия).
SWIR (short wave infrared или коротковолновый инфракрасный диапазон) – это международное наименование светового излучения в диапазоне электромагнитных волн 0,9 – 2,5 мкм. Сенсоры на основе InGaAs могут работать в диапазоне короткого инфракрасного излучения и обладают высокой чувствительностью в этом диапазоне.
Для излучения SWIR-диапазона не являются преградой пар, туман, дым, тонированные стекла или, например, силикон. Благодаря этим преимуществам SWIR-камеры получили распространение в качестве приборов наблюдения в сложных метеоусловиях и условиях плохой видимости.
Сфера применения новой технологии постоянно расширяется. Безусловно, такие камеры заинтересуют военных и службы безопасности. Большие возможности открываются в использовании SWIR-камер для различного рода мониторинга. Широчайшие перспективы у технологии − в медицине и науке.
Всевидящее око «Ориона»
Несколько лет назад ученые из научно-производственного объединения «Орион» представили SWIR-камеру собственного производства. Работа над прибором длилась два года, он полностью разработан в Москве и на 100% состоит из российских комплектующих. Инфракрасная камера со спектральным диапазоном 0,9-1,7 микрон весит не более 250 грамм. Такой малый вес позволяет применять ее на беспилотниках любого класса, а также усиливать длиннофокусными и короткофокусными объективами. Изображение с камеры может передаваться на монитор компьютера или даже смартфона.
«SWIR-камера ‒ одна из главных разработок нашего предприятия, отмеченная представителями экспертного сообщества на множестве профильных выставок. В серию мы запускаем усовершенствованную модель. Ее новый корпус сделан из сплава, который применяется в авиационной и космической промышленности. Оболочка соответствует одному из самых высоких классов защиты IP67, надежно защищая уникальную матрицу от повреждений, пыли и воды. Камеру можно погружать на глубину до одного метра без риска для ее дальнейшей работоспособности», – отмечает генеральный директор НПО «Орион» Евгений Чепурнов.
Камера состоит из объектива, матрицы и блока обработки. В матрице камеры используются фоточувствительные элементы из арсенида индия-галлия. SWIR-камера может поставляться в составе беспилотного комплекса ORION-DRONE и гражданского гусеничного вездехода СБХ-10, также разработанных НПО «Орион».
SWIR-камера, установленная на дроне
SWIR-камерой от «Ориона» можно пользоваться в любое время суток в сложных погодных условиях. Она помогает обнаруживать замаскированные объекты, так как камуфлирующие покрытия, эффективные в области спектра от 0,4 до 0,9 мкм, теряют свои маскирующие свойства в диапазоне SWIR-волн. Кроме того, камера позволяет эффективно находить источники лазерного излучения на длине волны 1,54 мкм, применяемые, например, в дальномерах, а также любые тепловые вспышки – выстрелы, залпы, сигналы.
С помощью SWIR-камеры значительно облегчается мониторинг линий электропередач, нефте- и газопроводов, железных дорог, сельскохозяйственных полей и лесных угодий. SWIR может применяться в морской и речной навигации для обнаружения и наблюдения объектов на воде. Для ученых более доступными становятся научные наблюдения в любых широтах. SWIR-камеры могут широко использоваться в работе с лазерами: для анализа профиля луча в реальном времени, испытания и регулировки лазеров.
Потенциальной сферой применения камеры в медицине может стать ее использование в аппаратуре для когерентной томографии, бесконтактного мониторинга жизненно важных признаков, создания карт микрокаскулярного кровотока и метаболизма в реальном времени. Метод визуализации флуоресценции с использованием SWIR также способен обнаруживать ранний рак.
Другая интересная область применения SWIR-камер – это анализ и выявление подлинности предметов искусства. Так, в ноябре 2018 года были проведены испытания камеры НПО «Орион» в Государственном научно-исследовательском институте реставрации. SWIR-излучением «просветили» икону начала XVIII века и натюрморт 1937 года. С помощью камеры удалось рассмотреть нижние слои краски, затертые надписи и даже подготовительный рисунок картин. SWIR-технология позволяет увидеть весь жизненный путь шедевров и облегчает дальнейшую работу реставраторам.
События, связанные с этим
Интеллектуальная транспортная система: «умный» город в движении
Видеокамеры различного спектрального диапазона
Камеры коротковолнового инфракрасного диапазона (SWIR)
SWIR-GH-SWU2
Список областей применения камер коротковолнового инфракрасного диапазона довольно широк:
Камеры средневолнового инфракрасного диапазона (MWIR)
Охлаждаемый тепловизионный модуль «ТМ-10»
Камеры длинноволнового инфракрасного диапазона (LWIR)
Сравнение изображений VIS-, SWIR-, и LWIR-диапазонов
Приведенный выше обзор применения видеокамер различного спектрального диапазона показывает, что для систем видеонаблюдения используются все представленные в настоящее время варианты. И это создает проблему выбора: какая камера лучше?
В частности, для задач навигации или организации непрерывного наблюдения важна независимость оборудования от освещенности и погодных условий. Однако возможности камер определенного спектрального диапазона ограничены.
Например, в пасмурную погоду даже днем после продолжительных (3 – 5 дней) дождей при низкой облачности (менее 100 м), видимости менее 1500 м, влажности воздуха более 90% и температуре в несколько градусов VIS и LWIR камеры не обеспечивают обнаружение объектов из-за низкой информативности получаемых изображений сцены. В то же время SWIR-камера позволяет обнаруживать объекты в этих же погодно-климатических условиях.
 | |||
|
Сравнение VIS-, SWIR- и LWIR-изображений. В пасмурную погоду наиболее информативен SWIR- диапазон.
