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.
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.
Инфракрасное излучение средне-, длинноволнового и дальнего диапазонов является собственным излучением нагреваемых или самонагревающихся объектов. Коротковолновое же излучение представляет собой преимущественно отраженное объектами излучение. По этой причине приборы, способные видеть в SWIR-диапазоне (Short-Wave InfraRed), способны дать более привычное изображение с природными уровнями контраста и теней и глубиной восприятия. По изображению, полученному с помощью SWIR-камеры, легко опознать запечатленный объект. На тепловизионном изображении это может быть невозможно.
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.
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.
SWIR-камерой оснащен коммерческий спутник дистанционного зондирования Земли WorldView-3, запущенный в 2014 году. Этот аппарат предназначен для детальной съемки земной поверхности в панхроматическом и мультиспектральном режимах. Благодаря камере ближнего инфракрасного спектра спутник способен видеть поверхность сквозь туман, смог, пыль и дым. Помимо WorldView-3 SWIR-камеры оснащены и несколько других космических аппаратов того же назначения. Кроме того, SWIR-камеры применяются в составе разведывательного оборудования беспилотных летательных аппаратов. Например, такими камерами оснащены американские стратегические беспилотники RQ-4 Global Hawk.
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.
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.
Камеры ближнего инфракрасного спектра используются в системе внешнего наблюдения перспективного российского основного боевого танка Т-14, созданного на единой тяжелой платформе гусеничной бронетехники «Армата». Во время боя танк может поставить вокруг себя дымовую завесу, сделавшись невидимым для пехоты и части систем разведки противника. При этом, благодаря SWIR-камерам, экипаж Т-14 сможет видеть противника сквозь дым и вести по нему прицельный огонь. Камеры ближнего инфракрасного спектра также позволяют активной системе защиты танка обнаруживать инфракрасные лазеры, используемые для наведения некоторых противотанковых ракет.
К настоящему времени удалось уже наладить производство компонентов камер для склада. Это позволяет ускорить исполнение поступающих заказов. При этом готовые камеры на склад не поставляются. Дело в том, что заказчики нередко просят доработать устройство.
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