thermal camera Archívum - SECURINFO.hu

Forrás: Flir Systems (USA)

Nincs hozzászólás

Hőkamerák a biztonságtechnikában 4. – Az optikák

A hőkamerák biztonságtechnikai alkalmazásait bemutató cikksorozatunk negyedik részében az optikákat ismertetjük. A biztonságtechnikában alkalmazott hőkamerák optikái főként germániumból készülnek.

 

Alkalmazható optikák
Természetesen a hőkamerák sem készülhetnek optikák nélkül. A hősugárzást valamilyen formában el kell juttatni a bolométer háló felületére, ennek módja egy speciális optika beépítése. A hősugárzás nem hatol át az üvegen, így az optikák kialakítása más anyagok felé fordult. A legelterjedtebb alapanyag a germánium, természetesen más anyagok is használhatók, azonban a biztonságtechnikában alkalmazott kamerák esetében a germánium lencsék nagyon jól használhatók.

 

A germánium (Ge) hőáteresztő képessége

Alapanyagok

  • germánium (Ge)
  • cink-szelenid (ZnSe)
  • cink-szulfid (ZnS)
  • cink-szulfid MultiSpectral (ZnS MS)
  • szilícium (Si)
  • kalcium-flourid (CaF2)
  • infravörös sugárzás átvételére alkalmas amorf (nem a szokásos rendben lévő atomok) anyagok (AMTIR – material transmitting infrared radiation, például amorf műanyag)

A különböző fémek alkalmazását minden esetben a tervezett felhasználás határozza meg. Az egyes fémek hőáteresztő képessége az infratartomány különböző hullámhosszúsága szerint változó. Amennyiben a felbontási igények nem magasak (például 320 × 160 pixel), akár amorf műanyag is használható.
Nem elhanyagolható tény a germánium optikák esetében, hogy maga a fém meglepően puha, ez azt jelenti, hogy akár körömmel is mély karcok vághatók a felületen. Az optika ezen fajta tulajdonsága több problémát is okozhat a napi gyakorlatban, ezért a fizikai védelme kiemelten fontos. Valamilyen módon óvni kell az lencsék felületét.
A problémát tovább nehezíti, hogy az egyes optikák nem cserélhetők a hőkamerákon, mivel minden egyes kamerát az adott optikával gyártják, így már a gyártó optimalizálja a kamerával előállítható képeket. Ez azt jelenti, hogy sérült optika esetén a kamerát is cserélni kell, amely ára a jelenleg az olcsóbb, alsó kategóriában is meghaladja a 2 millió forintot.

Bevonatok

  • BBAR (broad band anti-reflective)
  • tartós BBAR
  • gyémánt keménységű bevonat (DLC)

A bevonatok mellett, főként a katonai alkalmazásokban kedvelt a mechanikai védelem, amely egészen egyszerűen távvezérelhető felnyitható optikatakarót jelent.

Gyártók
A hőkamerák esetében is vannak olyan gyártók, amelyek meghatározók a piacon, ezek közül néhány fontosabb

  • Axis Communications (Svédország)
  • E. D. Bullard Társaság (USA)
  • Flir Systems (USA)
  • Ircam (Németország)
  • Opgal Otpronics Industries (Izrael)
  • Tianjin Sec-Ego Electronics ltd (Kína)

 

Horváth Tamás, okleveles biztonságtechnikai mérnök, szakértő, Magyar Villamos Művek
Dr. Kovács Tibor, egyetemi docens, PhD/CSc

 

Előző részek:

Hőkamerák a biztonságtechnikában 1. – A történet

Hőkamerák a biztonságtechnikában 2. – Az érzékelő, a bolométer

Hőkamerák a biztonságtechnikában 3. – Detektorok

 

A következő rész:

Hőkamerák a biztonságtechnikában 5. – Gyakorlati alkalmazások

 

 

English
Possible Application Of Thermal Cameras With Regard To Security Engineering
Even professionals of security technology do not meet thermal cameras frequently during their work experience because their usage, not least their cost restrict them for industrial and military use. The human eye is capable of seeing only a very small part of the electro-magnetic spectrum. We are not able to pick up either the UV or IR ranges. High-tech equipment is required for that purpose. Security professionals discover more and more areas for the use of thermal images. It is worth focusing on thermal cameras and their potentials in more detail and settling for the fact that lenses now may be made of metal…

 

 

Felhasznált irodalom

  • http://www.xenics.com/documents/20090714_LR_Meerkat_security_A4.pdf
  • http://www.marchnetworks.com
  • W. Radford; R. Wyles; J. Varesi; M. Ray; D. Murphy; :Sensitivity Improvements in Uncooled Microbolometer FPAS
  • Peter Kornic: Selecting lenses, Janos Technlogy Inc.: http://www.janostech.com/thermal_image_lenses/index.html
  • ICU (Infrared Imaging Components for Use in Automotive Safety Applications): www.icu-eu.com
  • http://www.lumitron-ir.com/application_security.php
  • http://www.opgal.com/
  • http://www2.l-3com.com/irp/products/security.htm
  • www.flir.com
  • Matyi Gábor: Nanoantenna-mom dióda szenzorok elektrodinamikája 2007 (doktori disszertáció)
IRIS-T levegő-levegő rakéta tartógerendán

Nincs hozzászólás

Hőkamerák a biztonságtechnikában 3. – Detektorok

A hőkamerák biztonságtechnikai alkalmazásait bemutató cikksorozatunk harmadik részében a hűtött és a nem hűtött detektort mutatjuk be. A mikrobolométerek felhasználása nagyban függ az elérni kívánt céloktól.

 

Detektorfajták
A mikrobolométerek felhasználása nagyban függ az elérni kívánt céloktól, így azok különböző fajtái más és más kialakításban építik be a funkciómeghatározott célberendezésekbe. A bolométer fajták katonai környezetben történő alkalmazását elsősorban a hűtött detektorok felhasználása jellemzi. A már megismert módon kialakított mikrobolométert, a lényegesen jobb NETD-érték elérése érdekében hűtéssel látják el.
A hűtés hatására több olyan műszaki jellemző változik, amelyek előnyökkel kecsegtetnek katonai alkalmazások esetén.

Előnyök

  • alkalmas multi spektrumú sugárzásnál
  • nagysebességű mozgások esetében is jól használható
  •  az érzékenysége nagyságrenddel jobb

Hátrányok

  • drágább, mint a nem hűtött
  • a hűtés miatt lényegesen nagyobb
  • rövidebb MBTF, mert a hűtés is szervers része a detektornak
  • magasabb energiafogyasztás

Ismertebb alkalmazások

  • infrafejes rakéták, mind orosz, mind amerikai változatokban akár 15-20 km távolságból is alkalmazhatók levegő-levegő rakéták estében (AIM-9M Sidewinder és FIM-92 Stinger)
  • határőrizeti alkalmazások (gyakran láthatunk ilyen képeket a hazai hírműsorokban is)
  • haditengerészeti alkalmazások

IRIS-T levegő-levegő rakéta tartógerendán

Nem hűtött detektor
A nem hűtött detektorok elterjedését a mikro áramkörök, alkatrészek fejlődése is támogatta. A tömeges gyártásunkhoz jelentős katonai, majd gazdasági érdekek fűződtek, mivel a nagyarányú elterjedésük a hétköznapi életben történő felhasználásukat – például a tűzoltóság mentési munkái, a polgári repülés rossz látási viszonyok között –, is lehetővé tették.

 

Hőkamerateszt repülőn Hőkamerateszt repülőn

 

Hőkamera teszt repülőn

Mindkét képen jól látható, hogy nagyságrendekkel képes emelni a polgári repülés biztonságát az EVS hőkamerás leszállító berendezések használata (Enhanced Vision System – a látást kiterjesztő rendszer a repülőgép vezető számára nyújt felbecsülhetetlen jelentőségű segítséget rossz látási viszonyok közötti leszállás esetén).

Előnyök

  •  kis mérete miatt probléma nélkül gyártható biztonságtechnikában használatos kamerákhoz
  •  valós idejű videojelet biztosít
  •  alacsonyabb energiafogyasztású a hűtött detektorhoz képest
  •  nagyon hosszú MBTF
  •  olcsó, így a civil felhasználásban is elterjedhet

Hátrányok

  •  az érzékenysége rosszabb, mint a hűtött szenzoroké
  •  nem használható a multi spektrumú sugárzásnál és a nagysebességű alkalmazások esetében
  • a hősugárzás nem hatol át az üvegen, így az alkalmazásnál ezt tudomásul kell venni, az optikákat is ennek megfelelően alakítják ki

 

Horváth Tamás, okleveles biztonságtechnikai mérnök, szakértő, Magyar Villamos Művek
Dr. Kovács Tibor, egyetemi docens, PhD/CSc

 

Előző részek:

Hőkamerák a biztonságtechnikában 1. – A történet

Hőkamerák a biztonságtechnikában 2. – Az érzékelő, a bolométer

 

Következő részek:
Hőkamerák a biztonságtechnikában 4. – Az optikák

Hőkamerák a biztonságtechnikában 5. – Gyakorlati alkalmazások

 

English
Possible Application Of Thermal Cameras With Regard To Security Engineering
Even professionals of security technology do not meet thermal cameras frequently during their work experience because their usage, not least their cost restrict them for industrial and military use. The human eye is capable of seeing only a very small part of the electro-magnetic spectrum. We are not able to pick up either the UV or IR ranges. High-tech equipment is required for that purpose. Security professionals discover more and more areas for the use of thermal images. It is worth focusing on thermal cameras and their potentials in more detail and settling for the fact that lenses now may be made of metal…

 

Felhasznált irodalom

  • http://www.xenics.com/documents/20090714_LR_Meerkat_security_A4.pdf
  • http://www.marchnetworks.com
  • W. Radford; R. Wyles; J. Varesi; M. Ray; D. Murphy; :Sensitivity Improvements in Uncooled Microbolometer FPAS
  • Peter Kornic: Selecting lenses, Janos Technlogy Inc.: http://www.janostech.com/thermal_image_lenses/index.html
  • ICU (Infrared Imaging Components for Use in Automotive Safety Applications): www.icu-eu.com
  • http://www.lumitron-ir.com/application_security.php
  • http://www.opgal.com/
  • http://www2.l-3com.com/irp/products/security.htm
  • www.flir.com
  • Matyi Gábor: Nanoantenna-mom dióda szenzorok elektrodinamikája 2007 (doktori disszertáció)
Az érzékelő, a bolométer

Nincs hozzászólás

Hőkamerák a biztonságtechnikában 2. – Az érzékelő, a bolométer

A hőkamerák biztonságtechnikai alkalmazásait bemutató cikksorozatunk második részében az érzékelőről és annak matematikai hátteréről szólunk. A biztonságtechnikai kamerákban egy „mikrobolométer” elnevezésű hőérzékelő elemet használunk.

Az érzékelő
A biztonságtechnikai kamerákban egy „mikrobolométer” elnevezésű hőérzékelő elemet használunk, amely valójában speciálisan a hőkamerák számára kialakított bolométer. Az alapanyag a leggyakrabban a VO-háló (vanádium-oxid) vagy amorf szilikon. Az igényes biztonságtechnikai alkalmazások esetében a vanádium-oxid elektronikai szempontból igen kedvező, mivel a számunkra legtöbbet használt hullámhosszúságú tartományban a vanádium-oxid jól mérhetően változtatja az elektromos ellenállását. Ez az érték 100 kΩ nagyságú, amely jól kihasználható különböző mérőáramkörök készítésekor.

Az alapparaméter – NETD
Hőkamerák esetében sem egyszerű az egyes eszközök összehasonlítása. A videomegfigyelő-rendszerekkel foglalkozók tudják, hogy a látható tartományú kamerák összehasonlító vizsgálatakor szükséges egységes vizsgálati módszer miatt minden paramétert, műszaki jellemzőt pontosan meg kell határozni a mérések előtt. Természetesen ebben az esetben sem tehetünk másként, azonban van egy meghatározó paraméter, amely az eszközbe beépített mikrobolométertől függ alapvetően: NETD (Noise Equivalent Tempereature Difference – zajszinttől vagy más néven hőzajtól megkülönböztethető hőmérséklet-különbség). Ez a műszaki jellemző meghatározza a felhasználni kívánt kamera „érzékenységét”, megmutatja milyen hőmérséklet-különbséget lesz képes a kamera érzékelni. Ezt a paramétert egy adott F Stop szám megadása mellett szokás meghatározni. Például: 50 mK = 0,05 oC – F1.2
Napjainkban a legtöbbet eladott mikrobolométer hálót (elemi képalkotó elemek rendszere) tartalmazó kamerák felbontásai:

  • 640 × 480
  • 320 × 240
  • 160 × 120

A legjobb felbontású háló (1024 × 768) 2008-óta van jelen a piacon, de természetesen még 1 MP feletti felbontású érzékelőket is gyártanak, de azok már kizárólag a katonai alkalmazások számára elérhetők.
A napjainkban olyan elterjedt „minél nagyobb felbontású kamerát használjuk” szakmailag helytelen elképzelés mellett azt azért érdemes megjegyezni, hogy ebben a technológiai környezetben akár a legkisebb felbontású érzékelőt tartalmazó kamera is – adott alkalmazásban és adott képelemző program támogatásával – kiváló eredményt érhet el. Ne feledjük, nem nézik az operátorok a hőkamerás rendszer képét, mivel az nem azért készül. A fő feladat a videoanalitikai szoftverek kiszolgálása, tehát jelzésadás, ha az ellenőrzött képtartományban az előre beállított szabályoknak megfelelő mozgás van.

A bolométeres infravörös-érzékelő fizikai működése
Az 1. ábrán a bolométeres infravörös-érzékelő fizikai kialakításán jól látható, hogy az érzékenység – korábban taglalt – NETD-értéke alacsony szinten tartásához az érzékelő elemet „távol” kell tartani az elektronikától, mert az általa termelt hő, mint hőzaj jelentősen ronthatja a szenzor érzékenységét.

  • bolométer (50 × 50 mikron) légréssel elszigetelve a szubsztráttól
  • szubsztrát: tartalmazza a kiolvasó elektronikát
  • hozzávezetés: a kiolvasó elektronikához szükséges

 

A bolométer fizikai kialakítása (1. ábra)

(Forrás: Matyi Gábor: Nanoantenna-mom dióda szenzorok elektrodinamikája, doktori disszertáció, 2007.)

A hőáramlás differenciálegyenlete
Természetesen a hőáramlás, mint fizikai folyamat is pontosan meghatározható matematikai összefüggések felhasználásával. A nem igazán bonyolult differenciálegyenlet (2. ábra) megoldása írja le azt a hőmérséklet-különbséget, amelyet az érzékelő képes megkülönböztetni az összefüggésben meghatározott hullámhosszúságú tartományban.

 A bolométer fizikai kialakítása (Forrás: Matyi Gábor)
 

A hőáramlás differenciálegyenlete (2. ábra)
 

A hőmérséklet-változás értéke
 
A hőmérséklet-változás értéke (3. ábra)

 
Időállandó (4. ábra)

Időállandó (4. ábra)

ahol

  • C:    a bolométer membrán hőkapacitása
  • G:    a bolométer és környezete közötti hővezetés
  • P0:   a bolométerre beeső infravörös sugárzás teljesítménye
  • η:     arányossági tényező (membránra beeső teljesítménysűrűség mekkora hányada nyelődik el)
  • ω:     a beeső sugárzás körfrekvenciája
  • ΔT:   a membrán hőmérséklet-változása

 

Rezisztív bolométer
Akkor beszélünk rezisztív bolométerről, amikor az érzékelő elem ellenállása jelentősen változik a bolométer hőmérséklete függvényében.

Az ellenállás változása az érzékelőn (5. ábra)
 

Az ellenállás változása az érzékelőn (5. ábra)

A bolométer ellenállásának hőmérséklet-együtthatója (6. ábra) 
 

A bolométer ellenállásának hőmérséklet-együtthatója (6. ábra)

Hőmérséklet-együttható fémekre (7. ábra)
 

Hőmérséklet-együttható fémekre (7. ábra)

A fenti összefüggések alapján a bolométer kapcsain mérhető feszültség ib munkaponti áram hatására:

 

Mérhető kapocsfeszültség a bolométeren (8. ábra)
 
Mérhető kapocsfeszültség a bolométeren (8. ábra)

Kapocsfeszültség egy másik összefüggésben (9. ábra)
 
Kapocsfeszültség egy másik összefüggésben (9. ábra)

 

Az így meghatározható elektromos jellemző már a gyengeáramú szakmában jól ismert módszerekkel felhasználható, ebből a paraméterből, megfelelő felhasználást, átalakítást követően, végső soron videó képe állítható elő, amely ideális lehet a képelemző programok számára.

Más működési jellemzőkkel bíró bolométerek is léteznek. Például a ferroelektromos, piroelektromos, termoelektromos bolométerek. A biztonságtechnikai szakmában számunkra ezek a típusok kevésbé hatékonyan használhatók fel, így ezekről részletesebben nem érdemes szólni.

Horváth Tamás, okleveles biztonságtechnikai mérnök, szakértő, Magyar Villamos Művek
Dr. Kovács Tibor, egyetemi docens, PhD/CSc

 

Az előző rész:

Hőkamerák a biztonságtechnikában 1. – A történet

 

Következő részek:

Hőkamerák a biztonságtechnikában 3. – Detektorok
Hőkamerák a biztonságtechnikában 4. – Az optikák

Hőkamerák a biztonságtechnikában 5. – Gyakorlati alkalmazások

 

English
Possible Application Of Thermal Cameras With Regard To Security Engineering
Even professionals of security technology do not meet thermal cameras frequently during their work experience because their usage, not least their cost restrict them for industrial and military use. The human eye is capable of seeing only a very small part of the electro-magnetic spectrum. We are not able to pick up either the UV or IR ranges. High-tech equipment is required for that purpose. Security professionals discover more and more areas for the use of thermal images. It is worth focusing on thermal cameras and their potentials in more detail and settling for the fact that lenses now may be made of metal…

 

Felhasznált irodalom

  • http://www.xenics.com/documents/20090714_LR_Meerkat_security_A4.pdf
  • http://www.marchnetworks.com
  • W. Radford; R. Wyles; J. Varesi; M. Ray; D. Murphy; :Sensitivity Improvements in Uncooled Microbolometer FPAS
  • Peter Kornic: Selecting lenses, Janos Technlogy Inc.: http://www.janostech.com/thermal_image_lenses/index.html
  • ICU (Infrared Imaging Components for Use in Automotive Safety Applications): www.icu-eu.com
  • http://www.lumitron-ir.com/application_security.php
  • http://www.opgal.com/
  • http://www2.l-3com.com/irp/products/security.htm
  • www.flir.com
  • Matyi Gábor: Nanoantenna-mom dióda szenzorok elektrodinamikája 2007 (doktori disszertáció)
Hőkamerák a biztonságtechnikában

Nincs hozzászólás

Hőkamerák a biztonságtechnikában 1. – A történet

A hőkamerák biztonságtechnikai alkalmazásait bemutató cikksorozatunk első részében a hőkamerák történetét mutatjuk be. A kezdeti fejlesztések igénye – mint sok más esetben –, itt is katonai oldalról merült föl.

 

Elődeink már évezredek óta alkalmazzák, akárcsak mi is napjainkban: hideg időben a tűz körül vagy a kandalló mellett ülve a tenyerünkkel próbáljuk felfogni a tűzből áradó meleget. Tenyerünkkel meg tudjuk találni azt a pontot, ahol a hőáramlás számunkra a legkedvezőbb. Mi is csinálunk valójában? Nem mást, mint tenyerünket szenzorként felhasználva a számunkra legkomfortosabb felületet keressük meg. Ezt a fizikai jelenséget felhasználva napjainkban a tudomány már egészen elképesztő eredményekkel képes szolgálni talán ma még nem a hétköznapi biztonságtechnika világában, de már kiemelkedő biztonsági kockázatú létesítmények biztonsági rendszerei kiépítésben.

Miért kell a hőkmera?
A kezdeti fejlesztések igénye – mint sok más esetben –, itt is katonai oldalról merült föl:

  • látni kell sötétben, bármiféle megvilágítás nélkül, és
  • látni füstös, rossz látási viszonyokkal rendelkező csatatereken.

Maga a „bolométer elv” már sok-sok éve ismert:

  • tárgyak, élőlények elektromágneses sugárzásának mérése azok hősugárzása felhasználásával, a hőmérsékletfüggő elektromos ellenállás segítségével.

E teória kidolgozásban Samuel Pierpont Langley (1878) járt az élen, majd százéves szünet következett, amíg az elektronika olyan szintre fejlődött, hogy a szenzorok által biztosított elektromos jeleket gyorsan fel tudjuk dolgozni.

A fejlesztés mérföldkövei

  • 1960-as évek – az első detektor Texas Instruments, Hughes Aircraft, Honeywell
  • 1980-as évek – az USA kormányzati programja a nem hűtött detektor fejlesztésére
  • 1991 – az Öböl Háború miatt megnőtt a termelés nagysága, így csökkentek az árak
  • 1994 – Honeywell mikrobolométerre vonatkozó találmánya, más gyártók a licensz alapján fejlesztésekbe kezdtek (Boeing, Lockheed Martin később British Aerospace)
  • 1998 – Bullard bevezeti az első detektort a tűzoltóságon

Miről is beszélünk?
Mielőtt részletesen beszélnénk a hőkamerák működésének fizikai alapjairól tudnunk kell, pontosan miről is beszélünk egyáltalán. Itt nem a vadászatokon oly divatos „éjjel látó” berendezés működését szeretném taglalni, amely a látható fénytartományhoz igen közel lévő, már az infra tartományba eső elektromágneses sugárzást használja fel a látás javítására, infrafényvető, -szűrő és -erősítő segítségével. Ugyanis ebben az esetben nem a „céltárgyak” hősugárzását érzékelik, hanem a róluk visszaverődő infra tartományú fényt.
A hőkamera számára fontos tartomány a 1 µm-es hullámhosszúságnál kezdődik és 1 mm hullámhossznál fejeződik be. A biztonságtechnikai alkalmazások esetében a leggyakoribb a 8-12 µm-es Long Wave Infrared (LWIR – hosszú hullámú infravörös sugárzás) tartományban működő kamerák használata. A katonai alkalmazások különlegesek, így a leghosszabb sávban is találunk kamerákat (ábra).

 
Elektromágneses sugárzás tartományai (ábra)

A hősugárzás tartományait különböző sávokba sorolhatjuk az alábbiak szerint:

  • Short Wave Infrared (SWIR), 1μm–3 μm
  • Mid Wave Infrared (MWIR), 3 μm–5 μm
  • Long Wave Infrared (LWIR), 8 μm–12 μm
  • Very Long Wave Infrared (VLWIR), 12 μm–25 μm
  • Far Wave Infrared (FWIR), 25 μm–1 mm

(Megjegyzés: IR-sugárzás frekvenciája: f > 300 GHz »(1 mm) 300 GHz–(2,5µm) 120 THz)«

Horváth Tamás, okleveles biztonságtechnikai mérnök, szakértő, Magyar Villamos Művek
Dr. Kovács Tibor, egyetemi docens, PhD/CSc

 

Következő részek:

Hőkamerák a biztonságtechnikában 2. – Az érzékelő, a bolométer

Hőkamerák a biztonságtechnikában 3. – Detektorok

Hőkamerák a biztonságtechnikában 4. – Az optikák

Hőkamerák a biztonságtechnikában 5. – Gyakorlati alkalmazások

 

English
Possible Application Of Thermal Cameras With Regard To Security Engineering
Even professionals of security technology do not meet thermal cameras frequently during their work experience because their usage, not least their cost restrict them for industrial and military use. The human eye is capable of seeing only a very small part of the electro-magnetic spectrum. We are not able to pick up either the UV or IR ranges. High-tech equipment is required for that purpose. Security professionals discover more and more areas for the use of thermal images. It is worth focusing on thermal cameras and their potentials in more detail and settling for the fact that lenses now may be made of metal…

 

Felhasznált irodalom

  • http://www.xenics.com/documents/20090714_LR_Meerkat_security_A4.pdf
  • http://www.marchnetworks.com
  • W. Radford; R. Wyles; J. Varesi; M. Ray; D. Murphy; :Sensitivity Improvements in Uncooled Microbolometer FPAS
  • Peter Kornic: Selecting lenses, Janos Technlogy Inc.: http://www.janostech.com/thermal_image_lenses/index.html
  • ICU (Infrared Imaging Components for Use in Automotive Safety Applications): www.icu-eu.com
  • http://www.lumitron-ir.com/application_security.php
  • http://www.opgal.com/
  • http://www2.l-3com.com/irp/products/security.htm
  • www.flir.com
  • Matyi Gábor: Nanoantenna-mom dióda szenzorok elektrodinamikája 2007 (doktori disszertáció)
Lap teteje