Budowa kamer termowizyjnych

Kamery termowizyjne rejestrują ciepło (promieniowanie podczerwone) emitowane przez obiekty znajdujące się w polu widzenia układu optycznego. Mierzona jest wiec temperatura z tą tylko różnicą w porównaniu do termometru, że pomiar dokonywany jest na odległość.

Najważniejszym elementem współczesnej kamery IR jest matryca światłoczuła (ang. FPA - Focal Plane Array), składająca się z odpowiednio rozmieszczonych w pionie i poziomie elementów światłoczułych (fotodetektorów). Matryca ta przetwarza padający na nią przez układ optyczny obraz na sygnał elektryczny, zamieniany później na sygnał telewizyjny. Sygnał te daje obraz podobny do tego, jaki można otrzymać z kamery czarno białej.

Detektory w matrycach powinny być chłodzone (choć przy obecnym poziomie techniki już nie muszą), ponieważ ilość pochłanianego przez nie promieniowania cieplnego (decydującego o „jakości” obrazu) rośnie tym bardziej, im większa jest różnica temperatur między nimi a obiektem. Ponadto szumy fotodetektorów maleją m.in. wraz z obniżaniem się ich temperatury pracy.

Dlatego niechłodzone fotodetektory wykorzystuje się w urządzeniach EO/IR krótkiego zasięgu (do 3000 m), natomiast chłodzenie stosuje się w urządzeniach średniego i dalekiego zasięgu (powyżej 3000 m). Kamery IR dzieli się również pod względem wykorzystywanego pasma. Mogą on działać zarówno w tzw. paśmie średniofalowym podczerwieni MWIR (2,5 ÷ 5,6 μm) jak i długofalowym podczerwieni LWIR (8 ÷ 14 μm).

Rodzaje kamer proponowanych przez PCO

Prace nad stworzeniem własnej konstrukcji kamer termowizyjnych w PCO S.A rozpoczęły się w 2011 r. W ich efekcie powstało 8 kamer IR różniących się sposobem chłodzenia detektorów (niechłodzone i chłodzone), pasmem w jakim działają detektory (MWIR oraz LWIR) jak i rozdzielczością (384 x 288 i 640 x 512 pikseli).

Na potrzeby tych kamer opracowano w PCO specjalne pakiety elektroniczne oraz skomplikowane algorytmy przetwarzania i filtracji obrazu termowizyjnego zapewniające według PCO: „odpowiednie sterowanie detektora termowizyjnego, odbiór cyfrowego sygnału niosącego w sobie treść termowizyjną, układy przetwarzania obrazu zapewniające korekcję niejednorodności detektora, filtrację obrazu, automatyczną regulację jasności i kontrastu oraz  generację sygnału wizyjnego w standardzie telewizyjnym”. Zaprojektowano dodatkowo obiektywy o dwóch polach widzenia, z możliwością ręcznej lub automatycznej regulacji ostrości obrazu, wyposażone w soczewki asferyczne wykonane z germanu. Dzięki temu jest możliwość otrzymania obrazu termowizyjnego bez zakłóceń i zniekształceń, w którym można podnieść kontrast i wyrazistość obrazu w celu uwydatnienia interesujących szczegółów

Wszystko to umieszczono w specjalnie skonstruowanej obudowie, zapewniającej wysoką stabilność osi optycznej przy zmianie pól widzenia i temperatury oraz spełniającej wymagania mechaniczne i klimatyczne wymagane dla wyrobów wojskowych.

W ten sposób powstały:

• Rodzina kamer średniofalowych (długość fali 3÷5 µm) KMW z detektorami chłodzonymi i o różnych rozdzielczościach: KMW-1, KMW-2 i KMW-3;
• Kamera długofalowa (8÷12 µm) o rozdzielczości 640 x 512 pikseli typu KLW-1;
• Kamera średniofalowa o rozdzielczości 640 x 512 pikseli zastosowana w stabilizowanej głowicy optoelektronicznej GOC-1;
• Kamera długofalowa o rozdzielczości 640 x 512 pikseli zastosowana w stabilizowanej głowicy optoelektronicznej GOD-1
• Dwie kamery IR bazujące na detektorze niechłodzonym o rozdzielczości 640 x 480 pikseli

Przykładowe parametry polskich kamer IR

Kamera średniofalowa KMW-1 (długość fali 3,4÷4,8 µm) powstała dla potrzeb przeciwlotniczegosystemu rakietowo artyleryjskiegobardzo bliskiego zasięgu Pilica i wchodzi w skład głowicy obserwacyjno-śledzącej GOŚ-1. Wykorzystuje detektor chłodzony III generacji MCT o rozdzielczości 384 x 288 pikseli i posiada dwa pola widzenia: 3°x 2,15° i 6,35°x 4,57° odpowiednio dla wąskiego i szerokiego pola widzenia z możliwością dodatkowego cyfrowego powiększenie obrazu x2 i x4. Pomimo detektora chłodzonego kamera ma niewielki pobór mocy (do 8 W). Badania pokazały, że jest ona zdolna wykryć samolot pasażerski z odległości 180 km. Kamera waży 6 kg i m rozmiary 145 mm x 143 mm x 290 mm.

Kamera średniofalowa KMW-2 (długość fali 3,4÷4,8 µm) powstała dla potrzeb systemu przeciwlotniczego Poprad mając zastąpić wykorzystywaną w nim wcześniej konkurencyjną kamerę IR. Dlatego zapewniono kompatybilność mechaniczną, elektryczną, optyczną i funkcjonalną w stosunku do poprzednika poprawiając jednocześnie rozdzielczość, zwiększając zasięg widzenia i zmniejszając pobór mocy. Dodatkową zaletą kamery KMW-2 jest to, że mamy tu do czynienia z produktem opracowanym i produkowanym w Polsce.

KMW-2 wykorzystuje taki sam detektor jak kamera KMW-1, ale większy jest pobór mocy (10 W). Zmniejszono jednak wagę (do 5,6 kg) i zmieniono rozmiary 150 mm x 38 mm x 280 mm.

Kamera średniofalowa KMW-3 (długość fali 3,7÷4,8 µm) wykorzystuje detektor chłodzony III generacji MCT o rozdzielczości 640 x 512 pikseli. Opracowany w PCO obiektyw o płynnej zmianie powiększania umożliwia uzyskanie kąta pola widzenia w zakresie od 2° do 32°. Pobór mocy zwiększył się do 16 W. Kamera waży 6 kg i ma rozmiary 150 mm x 138 mm x 304 mm.

Kamera długofalowa KLW-1 (długość fali 7,7÷9,3 µm) powstała z przeznaczeniem dla systemów kierowania ogniem Drawa-T w modernizowanych czołgach i w bojowych wozach piechoty, jako zamiennik dla wykorzystywanych tam starych kamer opartych o detektory linijkowe z mechanicznymi układami skanującym. KLW-1wykorzystuje detektor chłodzony III generacji MCT o rozdzielczości 640x512 pikseli. Opracowany w PCO obiektyw posiada dwa pola widzenia: 3°x 2,25° i 10°x 8°, odpowiednio dla pola wąskiego i szerokiego. Pobór mocy zwiększył się do 18 W. Kamera waży 9 kg i m rozmiary 179 mm x 149 mm x 362 mm.

Moduł kamery bolometryczne MKB-1 (długość fali 7,7÷9,3 µm) powstał w oparciu o detektory niechłodzone o rozdzielczości 640 x 480 pikseli. Po zamontowaniu w niewielkiej obudowie (40x45x25mm) i połączeniu z opracowanym w PCO atermalnym obiektywem szerokokątnym o stałej ogniskowej (kąt pola widzenia 50°) moduł ten jest proponowany jako kamera obserwacji nocnej dla kierowców pojazdów bojowych. MKB-1 pobiera jedynie 1,6 W mocy.

Moduł bolometryczny MKB-1 jest proponowane również z obiektywem o dwóch polach widzenia (14,3° x 10,7° oraz 4.5° x 3.5°) dzięki czemu może być zastosowany jako celownik termowizyjny z przeznaczeniem do zastosowania w zintegrowanych modułach optoelektronicznych: ZMO-1 lub ZMO-2 (wcześniej były one opracowane przez PCO na bazie podzespołów zagranicznych). Takli zestaw waży 1800 g, ma wymiary 97 mm x 110 mm x 220 mm i ma pobór mocy 5,2 W.

Po co kamery termowizyjne?

Systemy optoelektroniczne wyposażone w kamery termowizyjne pozwalają na prowadzenie obserwacji zarówno w dzień jak i w nocy. W porównaniu do systemów noktowizyjnych i wzmacniaczy optycznych kamery termowizyjne mają tą zaletę, że nie wymagają światła szczątkowego. Ponadto są one odporne na zmiany przejrzystości powietrza, które skutecznie blokują działanie systemów optycznych w paśmie widzialnym ale są mało nieodczuwalne w pasmach wykorzystywanych w termowizji.

Kamer termowizyjnych nie można też oślepić, ponieważ nie „widzą” światła białego (pracują w paśmie o długościach fal powyżej 3000 nm/3μm). Termowizja jest również bardzo dobrym rozwiązaniem dla systemów automatycznej detekcji, ponieważ detektory IR nie reagują na ruch obiektów już istniejących w obrazie, ale na pojawienie się czegoś, co nagle się wyróżni temperaturowo od otocznia (pojawienie się intruza).