Почти каждый тепловизор для дронов — включая все нагрузки UAVThermal — построен вокруг неохлаждаемого микроболометра на оксиде ванадия (VOx). Это сетка микроскопических термометров, а не фотонный детектор, и один этот факт объясняет большую часть поведения тепловизора: почему чувствительность указывают в милликельвинах, почему изображение ненадолго замирает в полёте, почему быстрое движение смазывается и почему такие сенсоры летают при массе 110 г, тогда как охлаждаемым нужны килограммы.
Ключевые выводы
- Микроболометр измеряет нагрев, а не фотоны. Каждый пиксель — подвешенный мостик из VOx, сопротивление которого меняется по мере того, как поглощённое инфракрасное излучение его греет.
- Поскольку криогенное охлаждение не требуется, весь детектор помещается в подвес массой 69–130 г и питается несколькими ваттами — именно это сделало возможными тепловизионные нагрузки для аппаратов до 250 г.
- Физика берёт плату скоростью отклика и стабильностью: смаз при высоких угловых скоростях и температурный дрейф, который приходится периодически обнулять затвором FFC.
- Качество ядра описывают два числа: NETD (чувствительность, в мК) и шаг пикселя (12 мкм во всей текущей линейке UAVThermal).
На этой странице
Сетка термометров, а не фотодиодов
Каждый пиксель — микроскопический мостик из оксида ванадия, подвешенный над схемой считывания на ножках, достаточно тонких, чтобы термически изолировать его от всего вокруг. Приходящее длинноволновое инфракрасное излучение нагревает мостик на крошечную долю градуса; сопротивление VOx заметно меняется с этой температурой; схема считывания измеряет сопротивление каждого мостика в матрице много раз в секунду и превращает картину в изображение.
В нагрузках UAVThermal матрица имеет 256×192 или 640×512 мостиков с шагом 12 µm и воспринимает диапазон 8–14 мкм Ничто в этой цепочке не требует охлаждения до криогенных температур, потому что детектор не пытается считать отдельные фотоны — он измеряет тепло, которое эти фотоны оставляют. Именно поэтому неохлаждаемое ядро может быть мгновенно готовым, герметичным и достаточно лёгким, чтобы висеть под небольшим мультикоптером.
Что физика даёт и что забирает
| Свойство | Что даёт неохлаждаемый VOx | Чего это стоит |
|---|---|---|
| Масса и потребление | Микронагрузки 69–130 г, несколько ватт | Чувствительность ниже, чем у охлаждаемого фотонного детектора |
| Запуск | Мгновенная готовность, без охлаждения | — |
| Скорость отклика | Достаточна для съёмки и большинства задач сопровождения | Тепловая постоянная времени вызывает смаз при высоких угловых скоростях |
| Стабильность | Нет расходуемого криокулера, который изнашивается | Матрица дрейфует со своей температурой; нужна периодическая FFC |
| Герметизация | Полностью герметичен, без подвижного охладителя | Попадание солнца может необратимо повредить пиксели |
| Стоимость | На порядок ниже, чем у охлаждаемых | Дальность ограничена по сравнению с охлаждаемыми средневолновыми системами |
Ограничение по скорости отклика — то, что удивляет операторов. Пиксель микроболометра должен физически нагреться и остыть, поэтому быстро пересекающая кадр цель — или быстрый поворот подвеса — даёт смаз, который не убирается никакой обработкой. Это не смаз от выдержки, это тепловая постоянная времени детектора. Медленные, обдуманные повороты — не стилистическое предпочтение, а требование сенсора.
NETD и шаг пикселя по линейке
| Нагрузка | Тепловое разрешение | Шаг пикселя | NETD | Масса |
|---|---|---|---|---|
| MV-2M | 256×192 | 12 µm | менее 50 мК при 25 °C | 110 g |
| MV-2P | 640×512 | 12 µm | менее 40 мК при 25 °C | 130 g |
| OP-90A | 640×512 | 12 µm | менее 50 мК при 25 °C | гондола 608 г |
| OP-125A | 640×512 | 12 µm | менее 50 мК при f/1,0 и 25 °C | 1055 g |
| LX-9B | 640×512 | 12 µm | менее 50 мК при f/1,0 и 25 °C | 1158 g |
Читайте оговорку, а не число. NETD менее 50 мК, указанная при f/1,0, и та же цифра без указания апертуры — несопоставимые величины. Апертура определяет, сколько энергии доходит до детектора, и менее светосильный объектив всегда измерится хуже. Это самое частое приукрашивание в тепловизионных спецификациях — см. как читать спецификацию тепловизора.
Почему изображение замирает: коррекция плоского поля
Каждый мостик в матрице откликается чуть по-своему, и каждый дрейфует по мере прогрева корпуса сенсора в полёте. Заводская коррекция неоднородности снимает производственный разброс; она не справляется с дрейфом, возникающим уже после взлёта. Коррекция плоского поля закрывает затвор перед матрицей на долю секунды, показывая всем пикселям одинаковую сцену, и заново обнуляет смещения по этому эталону.
Видимый симптом — короткое замирание и тихий щелчок. Это нормально, случается чаще в первые минуты после включения, пока ядро стабилизируется, а пропуск процедуры даёт фиксированный шум структуры — слабые сетки или полосы, которые стоят на месте, пока сцена под ними движется. Полная цепочка разобрана в материалах тракт обработки тепловизионного изображения и цепочка калибровки.
Неохлаждаемые против охлаждаемых — одним правилом
Охлаждаемые фотонные детекторы выигрывают на предельных дальностях и на светосильной оптике, потому что они действительно считают фотоны и могут работать с апертурами, которые неохлаждаемому ядру не освоить. Они же стоят, весят и потребляют примерно на порядок больше и содержат криокулер с конечным ресурсом.
Для нагрузок БПЛА до 2 кг неохлаждаемый VOx — это вся практическая вселенная. Правило простое: если аппарату придётся это нести, а миссия должна быть рутинной, детектор будет неохлаждаемым. полное сравнение неохлаждаемых и охлаждаемых ядер разбирает случаи, когда ответ меняется.
Что это значит при выборе нагрузки
- Указывайте NETD вместе с апертурой и температурой сенсора, иначе цифру нельзя предъявить как требование.
- Определяйте разрешение по наименьшему объекту, который нужно различить на рабочей дистанции, а не по большему числу.
- Закладывайте перерывы на FFC, если задача предполагает непрерывное сопровождение, — спрашивайте, как часто срабатывает затвор и можно ли его отложить.
- Планируйте скорости поворота с учётом постоянной времени детектора; нагрузка, которая смазывает при быстрых панорамах, ведёт себя нормально.
- Пропишите в регламент обращение с засветкой солнцем. Это единственный отказ, который необратимо разрушает матрицу.
Никогда не наводите нагрузку на солнце. У детектора нет расходуемых элементов и изнашивающегося охладителя, поэтому его практический срок службы определяется окружающей электроникой и механикой — и тем, не поставит ли кто-нибудь поле зрения на солнце. Защита от засветки помогает, но не даёт права пробовать.
Читайте также
- Тепловая чувствительность (NETD) простыми словами для покупателей нагрузок БПЛА
- Шаг пикселя тепловизора: почему 12 мкм вытеснил 17 мкм на нагрузках БПЛА
- Неохлаждаемые против охлаждаемых ядер: почему дроны выбрали микроболометры
- Почему тепловизоры живут в диапазоне 8–14 мкм: окно LWIR
- Дроны до 250 г и настоящий тепловизор: на что способны микронагрузки 69–130 г
- Конвейер обработки тепловизионного изображения: NUC, FFC, AGC и повышение детализации
- От NETD к DRI: как на самом деле считается характеристика теплового детектора
- Оптика теплового ИК: германиевые линзы, диафрагма f/1.0 и атермализация
FAQ
Почему тепловизор ненадолго замирает в полёте?
Коррекция плоского поля. Затвор закрывается перед матрицей, чтобы дать каждому пикселю однородный эталон и обнулить дрейф, накопившийся по мере прогрева сенсора. Это нормально, занимает доли секунды и происходит чаще в первые минуты после включения.
Изнашиваются ли микроболометры?
У самого детектора нет расходуемых элементов и криокулера, поэтому срок службы определяется окружающей электроникой и механикой. Единственное, что действительно необратимо губит пиксели, — наведение нагрузки на солнце.
Почему тепловое изображение смазывается при быстром панорамировании?
Каждый пиксель должен физически нагреться и остыть, поэтому у детектора есть тепловая постоянная времени. Быстрые повороты или быстро пересекающие кадр цели дают смаз, который не убирается обработкой. Снижайте скорость поворота, а не ищите программное решение.
Вопросы по технологии? Напишите нашим инженерам — отвечаем в течение 2 рабочих дней.