Тепловизоры для беспилотных аппаратов

Геометрия канала: три формулы §

Всё, что дальше, опирается на три соотношения. Мгновенное поле зрения одного пикселя: IFOV = p / f. Если шаг пикселя подставить в микрометрах, а фокусное в миллиметрах, ответ сразу получается в миллирадианах: 12 / 25 = 0,48 мрад. Проекция пикселя на местности: GSD = IFOV × дальность, то есть 0,48 мрад на 1000 м дают 0,48 м. Поле зрения: HFOV = 2·arctg(N·p / (2·f)), где N — число пикселей по стороне.

Физический размер матрицы считается как N × p. При шаге 12 мкм матрица 640×512 — это 7,68 × 6,14 мм, а 1280×1024–15,36 × 12,29 мм, ровно вдвое больше по каждой стороне. Проверка на калькуляторе: 640 × 0,012 = 7,68 мм; 7,68 / (2 × 25) = 0,1536; arctg 0,1536 = 8,73°; ×2 = 17,5°. Каталожный зум 25–225 мм заявляет 17,46° на широком конце и 1,96° на длинном — те же цифры.

Две оговорки к таблице. Формула справедлива для объектива без дисторсии; на полях шире примерно 60° реальные ИК-объективы имеют заметную бочку, и фактическое поле оказывается шире расчётного. И производители свободно смешивают горизонтальное поле с диагональным: объектив 4,3 мм на матрице 384×288 / 17 мкм обозначен в паспорте как «88°» — это диагональ, по горизонтали там 74°. Практическое правило: одно число в паспорте — почти всегда диагональ, два числа через знак умножения — горизонталь и вертикаль.

Для шага 17 мкм при том же объективе поля зрения умножаются на 1,42, а IFOV — на то же 1,42 (то есть угловое разрешение ухудшается). Для перехода на 1280×1024 при том же шаге IFOV не меняется вообще, а поле зрения удваивается.

Три порога и формула дальности §

Критерий Джонсона сводит задачу к одному вопросу: сколько пар линий (циклов) укладывается на характерный размер цели. Одна пара линий — это два пикселя. Пороги: обнаружение — 1,0 цикла, то есть 2 пикселя на цель; распознавание — 4,0 цикла, 8 пикселей; опознавание — 6,4 цикла, 12,8 пикселя. Обнаружение означает «в кадре есть объект, отличный от фона», распознавание — «это человек, а не животное и не столб», опознавание — конкретный тип внутри класса.

Оговорка, которую в спецификациях опускают: каждый порог соответствует вероятности 50 % для подготовленного оператора при хорошем тепловом контрасте. Не «увижу», а «увижу в половине случаев». Разброс самих коэффициентов тоже не нулевой: обнаружение 1,0 ± 0,25 цикла, распознавание 4,0 ± 0,8, опознавание 6,4 ± 1,5.

Характерный размер — не длина и не высота, а геометрическое среднее: D = √(Ш × В). Для человека 1,8 × 0,5 м это √0,9 = 0,95 м, а не 1,8 м. Для машины 2,3 × 2,3 м это ровно 2,3 м. Отсюда сама формула: R = D × f / (p × N), где N = 2 для обнаружения, 8 для распознавания, 12,8 для опознавания, а f и p взяты в одинаковых единицах.

Проверка. Человек, шаг 12 мкм, объектив 25 мм, распознавание: R = 0,95 × 25 / (0,012 × 8) = 23,75 / 0,096 = 247 м. Через IFOV то же самое: 0,95 / (8 × 0,00048) = 247 м. Обратная задача решается так же: чтобы распознавать человека на 400 м при шаге 12 мкм, нужно f = R × p × N / D = 400 × 0,012 × 8 / 0,95 = 40,4 мм.

Дальность по геометрии: человек и машина §

Числа ниже — прямая подстановка в R = D × f / (p × N) при шаге пикселя 12 мкм и ничего больше: без атмосферы, без теплового контраста, без смаза. Это верхний предел, к которому реальный результат приближается только в хороших условиях и на коротких трассах. Расхождение между геометрическим потолком и рабочей дальностью на сотнях метров невелико и становится кратным на километрах — колонки обнаружения на длинных фокусных приведены для полноты арифметики, а не как ожидаемый результат.

Обратите внимание на масштаб разрыва между порогами: от обнаружения до опознавания ровно 6,4 раза по дальности при любом объективе. Если техзадание звучит как «понять, человек это или животное», это распознавание — колонка, которая вчетверо короче той, что обычно печатают на первой странице каталога.

Пересчёт под свою цель делается одним множителем, потому что дальность прямо пропорциональна D. Машина к человеку — это 2,3 / 0,95 = 2,42 раза. Если брать человека в более узкой проекции, 1,8 × 0,3 м, характерный размер получается 0,73 м, и все дальности в левой половине таблицы умножаются на 0,77. Для шага 17 мкм при том же объективе множитель 12 / 17 = 0,71.

Крайние точки диапазона объективов каталога дают представление о границах: широкий 4,1 мм по той же формуле — 162 м обнаружения, 41 м распознавания и 25 м опознавания человека. Это оптика обзора и посадки, а не наблюдения за объектом.

Разрешение меняет сектор, а не дальность §

В формуле R = D × f / (p × N) нет числа пикселей. Это не упущение: при одинаковом шаге 12 мкм и одинаковом объективе матрицы 640×512 и 1280×1024 дают одну и ту же дальность. Каждый пиксель покрывает те же 0,48 мрад на 25 мм. Больше пикселей — больше сектор, а не больше деталей на цели.

Выигрыш 1280×1024 читается через поле зрения. Строка «1280×1024 + 50 мм» и строка «640×512 + 25 мм» дают одинаковые 17,5° × 14,0°, но дальность распознавания у первой ровно вдвое больше. Корректная формулировка: при равном поле зрения переход с 640 на 1280 позволяет удвоить фокусное и удвоить дальность. Цена — оптика: при том же относительном отверстии диаметр входного зрачка тоже удваивается, площадь растёт вчетверо, а масса германиевого элемента — сильнее.

Обратная сторона видна в колонке ширины кадра. 50 мм на 640×512 — это 46 м поперёк кадра на дистанции 300 м. Осматривать площадь таким сектором долго. Отсюда типовая связка: широкоугольный модуль для поиска плюс длиннофокусный или зум-блок для разбора найденного. Цифровое увеличение полем зрения не управляет вообще: IFOV не меняется, растёт только размер пикселя на экране, и все расчёты дальности остаются прежними.

Откуда берутся рекламные километры §

Возьмём расчётные 990 м обнаружения человека для 640×512 / 12 мкм / 25 мм и превратим их в маркетинговые. Шаг первый: подставить в качестве характерного размера рост 1,8 м вместо √(1,8 × 0,5) = 0,95 м — множитель 1,9. Шаг второй: взять для обнаружения не 1,0 цикла, а 0,75, то есть 1,5 пикселя вместо 2 — множитель 1,33. Итого: R = 1,8 × 25 / (0,012 × 1,5) = 45 / 0,018 = 2500 м. Получилось ровное «обнаружение человека до 2,5 км», и ни один множитель формально не выдуман.

Третий приём — публиковать только колонку обнаружения, рассчитывая, что читатель прочтёт её как «видно человека»: разница с распознаванием четырёхкратная. Четвёртый — считать в вакууме, без ослабления в атмосфере и без проверки, что перепад температуры цели и фона вообще выше порога чувствительности.

Обратная ситуация тоже встречается. Часть производителей считает по более жёсткой шкале: 1,5 цикла на обнаружение, 6 на распознавание, 12 на опознавание, а характерный размер человека берёт равным 0,75 м. Такой расчёт даёт для тех же 25 мм 520 м обнаружения и 130 м распознавания вместо 990 и 247 — то есть в 1,9 раза меньше при абсолютно честной арифметике. Это не ошибка ни у одной из сторон, это разные соглашения.

Отсюда правило сравнения. Не сопоставляйте паспортные дальности разных производителей как есть. Спрашивайте три числа: какой характерный размер цели заложен, сколько циклов принято на порог, учтена ли атмосфера. Если ответа нет — пересчитайте сами из шага пикселя и фокусного, они в спецификации всегда указаны корректно.

NETD: что описывает это число §

NETD (noise equivalent temperature difference) — разница температур на сцене, дающая на выходе сигнал, равный собственному шуму приёмника. Отношение сигнал/шум ровно единица. NETD 50 мК означает: перепад 0,05 °C между двумя участками сцены тонет в шуме, перепад 0,15 °C виден с трёхкратным запасом. Для уверенного обнаружения оператором нужен запас в 3–5 раз над шумом, то есть рабочий порог всегда в несколько раз выше паспортного значения.

Число из даташита жёстко привязано к условиям измерения: диафрагменное число f/1.0, температура сцены около 30 °C, заданная частота кадров. Убрать хотя бы одно условие — и число перестаёт быть сравнимым. «20 мК при f/1.0» и «30 мК при f/1.0» сравнивать можно; «20 мК при f/1.0» и «40 мК при f/1.2» — нельзя без пересчёта, который приведён в разделе про относительное отверстие.

Важное ограничение: NETD описывает только временной шум — мерцание отдельного пикселя от кадра к кадру. Пространственный шум (остаточная неоднородность матрицы после калибровки) в NETD не входит вообще. На картинке они выглядят по-разному: временной — «кипение», пространственный — застывшая сетка или облачность, которая не усредняется по кадрам. Модуль на 20 мК с нестабильной калибровкой между срабатываниями затвора субъективно проигрывает модулю на 50 мК с аккуратной коррекцией неоднородности.

Второй бесплатный рычаг — усреднение по кадрам: шум падает как корень из числа кадров. Четыре кадра превращают 50 мК в 25 мК, девять — в 17 мК. Но работает это только на стабилизированном подвесе и статичной сцене: если кадр уезжает на доли пикселя, усреднение размазывает цель. То есть выбор «купить 20 мК или усреднять 50 мК» решает не датчик, а качество стабилизации.

Почему 20 мК не удваивают дальность §

Сигнал от разрешённой цели падает с дальностью не по квадрату, а экспоненциально — за счёт пропускания атмосферы. Кажущийся перепад равен ΔT·exp(−σR), где σ — коэффициент ослабления в км⁻¹. Предельная дальность по контрасту наступает там, где кажущийся перепад сравнялся с порогом: R = ln(ΔT / NETD) / σ.

Прирост от снижения NETD с 50 до 20 мК — это отношение логарифмов, и логарифм даёт весь ответ на вопрос, почему улучшение шума в 2,5 раза не даёт в 2,5 раза большей дальности. Чем слабее контраст сцены, тем больше отдача, и наоборот: в яркий день выигрыш около 20 %, в сырую пасмурную погоду — до 40 %, вблизи теплового перехода — до 66 %.

Но это работает только если цель уже разрешена по пикселям. Если задача не «увидеть тёплое пятно», а «понять, что это», дальность задаёт IFOV, и NETD в формулу не входит вообще. Пример: шаг 12 мкм, объектив 50 мм, IFOV 0,24 мрад. На 1 км пиксель накрывает 0,24 м, характерный размер человека 0,95 м укладывается в четыре пикселя; на 3 км — чуть больше одного. Ни 20 мК, ни 5 мК этот пиксель в силуэт не превратят: в таком режиме вложение идёт в фокусное и в шаг пикселя, а прирост там линейный, а не логарифмический.

Тепловой кроссовер: окно слепоты §

Контраст в пассивной тепловой сцене — это накопленный солнечный нагрев минус радиационное остывание, поделённые на тепловую инерцию материала. Сухая трава, тонкий металл, листва имеют малую инерцию и почти следуют за температурой воздуха; вода, бетон, влажный грунт, камень отстают на часы. Дважды в сутки их кривые пересекаются — обычно в течение примерно часа после восхода и часа после захода. В точке пересечения перепад между двумя материалами проходит через ноль, а значит обязательно проходит и через любое значение ниже вашего NETD.

Ширину окна слепоты можно оценить: t = 2·NETD / v, где v — скорость изменения перепада вблизи перехода. При v = 1 К/ч (ясный день, быстрый прогрев) 50 мК дают 6 минут слепоты, 20 мК — 2,4 минуты. При v = 0,3 К/ч (пасмурно, вялая динамика) — 20 минут против 8. Если закладывать не порог, а рабочий запас втрое, все числа умножаются на три. Здесь низкий NETD покупается не дальностью, а минутами доступности.

Кроссовер — свойство пары материалов, а не картинки целиком. Объект может исчезнуть на фоне сухой травы и остаться хорошо видимым на фоне асфальта в том же кадре. Объекты с собственным тепловыделением — работающие механизмы, электроника, трубопроводы, люди и животные — кроссовер не проходят вообще: у них есть внутренний источник, и перепад не обнуляется. Поэтому поисковая задача в сумеречное окно продолжает работать, а обследование пассивной ограждающей конструкции в это же время — нет.

Облачность и ветер сглаживают суточную амплитуду: вместо резкого перехода получается низкий контраст весь день. Дождь добавляет испарительное охлаждение — смоченные поверхности сходятся к температуре по влажному термометру, и различия между материалами схлопываются. Это отдельная от пропускания причина, по которой в сырую погоду видно хуже: контраста просто нет в самой сцене.

Атмосфера: вода в тракте §

Ослабление подчиняется закону Бугера: τ = exp(−σR), где σ складывается из молекулярного поглощения (в основном водяной пар) и рассеяния на аэрозоле и каплях. Определяющая величина для поглощения — не относительная влажность, а абсолютная. Считается по формуле Магнуса: e_s = 6,112·exp(17,62·T/(243,12+T)) гПа при T в °C, затем ρ = 216,7·(RH/100)·e_s/(T+273,15) г/м³. Осаждаемая вода на трассе считается ещё проще: 1 г/м³ на 1 км пути даёт 1 мм воды.

Один и тот же аппарат в июльский день при +30 °C и 80 % гонит через тракт почти в 13 раз больше воды, чем в январский вылет при −10 °C и той же относительной влажности. Окно 8–14 мкм — это окно между полосами поглощения воды, а не вакуум: континуальное поглощение растёт вместе с плотностью пара и длиной трассы. Это и есть основной ответ на вопрос про сырую погоду — не запотевшая оптика и не туман, а водяной пар в трассе.

Рассеяние на дымке оценивается моделью Крузе: σ(λ) = (3,912/V)·(λ/0,55)^(−q), где V — метеорологическая дальность видимости в км, λ в мкм, q = 1,3 при 6 < V < 50 км и q = 0,585·V^(1/3) при V < 6 км. Проверяемый пример: дымка с видимостью 5 км даёт q = 1,00 и σ = 0,78 км⁻¹ в видимом, 0,108 км⁻¹ на 4 мкм и 0,043 км⁻¹ на 10 мкм. На трассе 3 км это пропускание 9,6 %, 72 % и 88 % соответственно. Глаз в такой дымке почти ничего не видит, а длинноволновый канал теряет около десятой доли сигнала.

В тумане и дожде преимущество исчезает. Капли крупнее длины волны, рассеяние переходит в геометрический режим и почти перестаёт зависеть от λ. Тот же расчёт для тумана с видимостью 300 м даёт на 10 мкм σ = 4,19 км⁻¹: пропускание 28 % на 300 м и 1,5 % на 1 км. Модель Крузе для плотного тумана считается оптимистичной. Дождь действует дважды: ослабление в тракте примерно как в видимом плюс смытый контраст самой сцены.

Окна 3–5 и 8–14 мкм §

Между двумя окнами лежит участок 5–8 мкм, практически непрозрачный из-за водяного пара — поэтому окон два, а не одно. Внутри коротковолнового окна сидит полоса поглощения CO₂ на 4,2–4,4 мкм, так что реально работают подполосы примерно 3,4–4,1 и 4,5–5,0 мкм.

По сигналу разрыв большой. Абсолютно чёрное тело при 300 К (типичная фоновая температура) отдаёт в диапазон 8–14 мкм около 37 % полной мощности и около 1,3 % в диапазон 3–5 мкм — примерно в 30 раз меньше. Максимум Планка при 300 К приходится на 9,7 мкм. Именно поэтому длинноволновый канал работает без охлаждения, а коротковолновый при комнатных температурах — практически нет.

По контрасту картина обратная. Относительный контраст на кельвин приближённо равен c₂/(λT²) при c₂ = 14 388 мкм·К: на 4 мкм при 300 К это 4,0 %/К, на 10 мкм — 1,6 %/К. Коротковолновое окно в 2,5 раза контрастнее на кельвин, но стартует с в 30 раз меньшего сигнала. Баланс переворачивается при нагреве цели: при переходе сцены с 300 К на 500 К мощность в полосе 3–5 мкм растёт примерно в 90 раз, а в полосе 8–14 мкм — в 6,7 раза. Отсюда правило: горячие объекты и большие дальности — коротковолновое окно с охлаждаемым приёмником; сцены комнатных температур — длинноволновое.

По проникающей способности: на аэрозоле дымки ослабление падает как λ^(−q), и по расчёту выше 8–14 мкм теряет примерно в 2,5 раза меньше, чем 3–5 мкм, при одной и той же видимости. Зато при высокой абсолютной влажности континуум водяного пара сильнее давит именно длинноволновое окно, и на длинных трассах в жарком влажном воздухе ранжирование может перевернуться. Для климата России и типичных для БПЛА дальностей в единицы километров рабочий выбор — 8–14 мкм; охлаждаемые MWIR-зумы имеют смысл там, где цель горячая, а трасса длинная.

Смаз, наклонная дальность и окно корпуса §

Постоянная времени неохлаждаемого болометра — 8–12 мс. За это время изображение не должно уйти больше чем на пиксель, иначе теряется то самое угловое разрешение, ради которого брали длинный фокус. Предельная угловая скорость линии визирования ω = IFOV / τ. При τ = 10 мс объектив 13 мм терпит 5,3 °/с, а 100 мм — уже только 0,7 °/с. Это арифметика, а не дефект матрицы: длинный фокус без стабилизации теряет расчётную дальность на вибрации и рыскании.

Колонка справа показывает цену типового разворота. При 30 °/с объектив 25 мм даёт около 11 пикселей смаза, 75 мм — 33. Частота кадров здесь ни при чём: смаз накапливается внутри одного кадра, за время тепловой постоянной, и 50 Гц вместо 25 Гц его не убирают.

Считать надо наклонную дальность, а не высоту. 150 м при угле склонения 25° — это 150 / sin 25° = 355 м до точки. На малых углах склонения ошибка становится кратной. При широком поле добавляется и разброс внутри кадра: при поле 60° край кадра примерно на 16 % дальше от аппарата, чем центр, и реальный GSD у края заметно хуже расчётного.

Остаток потерь приходится на тракт. Защитный обтекатель или окно отнимают часть сигнала, причём обычное силикатное стекло не пропускает 8–14 мкм вовсе — нужно германиевое окно с просветлением. Неатермализованная оптика уводит фокус при смене температуры на подъёме, и на длинном фокусе расфокус съедает разрешение быстрее, чем на коротком; подробности — в блоке про атермализацию.

Когда платить за 20 мК §

Имеет смысл, если сцена по своей природе малоконтрастна и цель при этом уже разрешена по пикселям. Это обследование ограждающих конструкций и поиск утечек тепла, влага в кровле, поиск живых объектов в растительности, работа в сумеречные окна и в устойчиво пасмурную сырую погоду. Плюс два условия: оптика светосильная, иначе низкий NETD просто не доедет до картинки, и усреднение по кадрам недоступно, потому что платформа недостаточно стабильна.

Не имеет смысла, если дальность упирается в мгновенное поле зрения, а не в шум: цель занимает единицы пикселей, и прирост даст фокусное, а не чувствительность. Не имеет смысла на сценах с собственным большим перепадом — нагретые механизмы, силовое оборудование, приводы, где перепад 3–10 К и 50 мК с запасом достаточно. Не имеет смысла, пока не решена стабилизация: смазанный кадр обесценивает любой NETD. И не имеет смысла, если подвес стабильный, а сцена статична — усреднение четырёх кадров бесплатно превращает 50 мК в 25 мК.

Отдельно про оптику: при f/2.0 разница между «20 мК» и «50 мК» превращается в 68 против 170 мК, и оба варианта плохи. Прежде чем спорить о матрице, стоит посчитать, какой NETD доедет до картинки через тот объектив, который реально влезает в аппарат по массе и габариту.

Относительное отверстие: пересчёт NETD §

Поток на матрицу от протяжённой сцены пропорционален 1/(1+4F²), где F — диафрагменное число объектива. NETD пропорционален обратной величине, поэтому пересчёт паспортного значения на реальную оптику делается в одну строку: NETD(F) = NETD(F₀) · (1 + 4F²) / (1 + 4F₀²); при F₀ = 1,0 знаменатель равен 5. Грубое правило «NETD растёт как F²» этот штраф немного завышает: на f/2.0 оно даёт четырёхкратный рост вместо фактических 3,4.

Из таблицы следует вывод, неудобный для сравнения по одной цифре: выбор объектива двигает NETD сильнее, чем выбор модуля. Модуль на 20 мК с оптикой f/1.6 даёт 45 мК — то есть примерно то же, что модуль на 50 мК со светосильной f/1.0. А тот же модуль на 20 мК с f/2.0 даёт 68 мК и проигрывает «худшему» модулю с хорошей оптикой. Прежде чем сравнивать два модуля, оба NETD надо привести к одному F.

К этому добавляется пропускание самой оптики: NETD_эфф = NETD · (1+4F²)/5 / τ. Модуль «40 мК при f/1.0» за объективом f/1.2 с пропусканием 0,85 даёт 40 × 1,35 / 0,85 ≈ 64 мК, за объективом f/2.0–40 × 3,4 / 0,85 ≈ 160 мК, то есть заявленная чувствительность теряется полностью.

Отсюда прямое следствие для каталога: объективы f/2.0 в разделе ИК-оптики предназначены для охлаждаемых матриц, а не для экономии на неохлаждаемых. У охлаждаемого приёмника внутри криостата стоит холодная диафрагма, которая сама задаёт рабочее F; объектив должен ей соответствовать. Светосильнее — лишний пучок всё равно срежется; темнее — диафрагма начнёт видеть тёплый корпус, и фоновый сигнал вырастет.

Дифракция: предел, наступающий раньше матрицы §

Второе следствие относительного отверстия — дифракция, и в длинноволновом диапазоне она стоит вплотную к пикселю. Диаметр кружка Эйри равен 2,44 · λ · F: при λ = 10 мкм и f/1.0 это 24,4 мкм, то есть ровно два пикселя по 12 мкм. Матрица с шагом 12 мкм в LWIR работает на пределе дифракции, поэтому реальный выигрыш 12 мкм против 17 мкм всегда меньше отношения 17/12 = 1,42.

Количественно это считается через MTF. Дифракционный предел частоты равен 1/(λ·F): при f/1.0 и λ = 10 мкм это 100 штр/мм, а частота Найквиста матрицы с шагом 12 мкм — 1/(2 × 0,012) = 41,7 штр/мм; для 17 мкм — 29,4 штр/мм. Дифракционная MTF на этой частоте считается как (2/π)·(φ − cos φ · sin φ), где φ = arccos(ν/ν_гр).

Вывод из таблицы простой: матрица с шагом 12 мкм имеет смысл только за объективом f/1.0–f/1.2. При f/1.4 контраст на предельной частоте падает почти вдвое против f/1.0, при f/2.0 мелкий шаг не даёт ничего — детализация срезана раньше матрицы. Для 17 мкм те же значения выглядят мягче, и это одна из причин, по которой шаг 17 мкм ещё используется: он менее требователен к оптике.

У охлаждаемого средневолнового канала λ ≈ 4 мкм, и пятно при том же F в 2,5 раза меньше. Это физическая причина, по которой длиннофокусные зумы делают в средней волне: только там можно позволить себе медленную оптику без потери разрешения.

Масса: чем платят за фокусное §

Диаметр входного зрачка задан жёстко: D = f / F. Объектив 100 мм при f/1.0 — это оптическая деталь диаметром не меньше 100 мм, и компоновкой это не обходится. Здесь же потолок длиннофокусной оптики: каталожный охлаждаемый MWIR-зум на 1100 мм сделан f/5.5, потому что 1100 / 5,5 = 200 мм входного зрачка и 8,9 кг массы; при f/1.0 тот же фокус потребовал бы линзы больше метра. Медленная светосила у длинных MWIR-зумов — не небрежность, а единственный способ уложиться в разумную массу, и охлаждаемая матрица это выдерживает, болометр — нет.

Объём стекла при фиксированном F растёт как куб фокусного, но полная масса объектива растёт медленнее: у коротких объективов основная масса приходится на оправу, а не на стекло. Каталожный ряд показывает наклон примерно вчетверо на удвоение фокусного: 25 → 50 мм даёт 34 → 160 г, 50 → 100 мм даёт 160 → 629 г. Разброс внутри одного фокусного тоже заметен и определяется светосилой и креплением: 13 мм встречается и как 30,5 г, и заметно легче.

На длинном конце основную массу действительно составляет стекло. Плотность германия 5,32 г/см³; заготовка Ø 106 мм со средней толщиной 8 мм — это (π/4) × 10,6² × 0,8 = 70,6 см³ и около 375 г. У объектива 100 мм f/1.0 массой 629 г больше половины веса приходится на одну переднюю линзу. Это же объясняет, почему длиннофокусные объективы часто уходят с f/1.0 на f/1.1–1.2: потеря 20 % по диаметру даёт 1,2³ = 1,7 раза по объёму стекла, а по шуму — только 1,35 раза.

Масса — не единственная плата. Диаметр передней линзы задаёт минимальный диаметр шара подвеса, а значит лобовое сопротивление и момент инерции по осям стабилизации, то есть мощность приводов. Решение «взять фокус подлиннее» почти никогда не остаётся внутри оптики: оно тянет за собой другой подвес, другой энергобюджет и другую точку крепления.

Германий и халькогенидные стёкла §

Германий — базовый материал длинноволновой оптики: показатель преломления около 4,0 на длине волны 10 мкм позволяет собрать объектив из одной-двух линз с пологими поверхностями. Плата за высокий показатель — френелевское отражение: R = ((n−1)/(n+1))² = 0,36 на каждую поверхность. Непросветлённая германиевая линза пропускает 0,64² ≈ 41 %, то есть просветление здесь не улучшение, а условие работоспособности. На передней поверхности покрытие должно быть ещё и твёрдым (алмазоподобное), иначе дождь и пыль на скорости съедают её за сезон.

Дорог германий по нескольким сходящимся причинам. Это побочный продукт переработки цинковых руд и угольной золы с мировым выпуском порядка сотни тонн в год, то есть материал с узкой сырьевой базой. Оптические заготовки требуют зонной очистки и контроля концентрации свободных носителей. Асферические поверхности точат алмазным резцом поштучно — это машинное время на каждую линзу, а не тираж. К этому добавляются два физических ограничения: плотность 5,32 г/см³, самая большая среди рабочих ИК-материалов, и падение прозрачности при нагреве примерно выше +60 °C из-за поглощения свободными носителями.

Халькогенидные стёкла систем Ge–As–Se и Ge–Sb–Se закрывают часть этих проблем. Показатель преломления около 2,5, отражение на поверхности 0,18 вместо 0,36; плотность около 4,4 г/см³; температурный уход показателя преломления в 6–8 раз меньше германиевого. Главное — они формуются прессованием: одна пресс-форма даёт сотни одинаковых асферических линз без поштучной обработки. Минусы тоже конкретны: меньший показатель преломления требует более крутых поверхностей или большего числа линз, материал мягче и обязательно нуждается в защитном покрытии, а край полосы пропускания лежит около 12–13 мкм, то есть часть окна 8–14 мкм теряется.

Поэтому современная схема почти всегда гибридная: германий там, где нужен показатель преломления и стойкость, халькогенид — там, где нужна дешёвая асферика и температурная компенсация. При подборе проверять надо не список материалов, а результат: суммарное пропускание в полосе (у простых двух-трёхлинзовых схем указывают порядка 0,85–0,95, у зумов заметно ниже) и наличие атермализации.

Атермализация: бюджет расфокусировки §

При изменении температуры меняются одновременно показатель преломления материала и геометрия детали. Для тонкой линзы относительный уход фокусного равен α − (dn/dT)/(n−1). Для германия: dn/dT = 396·10⁻⁶ K⁻¹, n = 4,0, α = 5,7·10⁻⁶ K⁻¹, итого 5,7·10⁻⁶ − 132·10⁻⁶ = −126·10⁻⁶ на градус. У обычного оптического стекла dn/dT составляет единицы 10⁻⁶ — германий уходит примерно на два порядка сильнее.

Допуск считается из геометрии пучка: пятно расфокусировки имеет диаметр δ / F, и чтобы оно не превысило пиксель, нужно δ ≤ p · F. При шаге 12 мкм и f/1.0 это 12 мкм. Отсюда таблица: сколько градусов от температуры настройки выдерживает чисто германиевая схема без компенсации. Объектив 50 мм выходит за допуск при перепаде в два градуса, не в двадцать.

Теперь про реальные перепады. Стандартная атмосфера остывает на 6,5 K на километр: подъём на 3 км — это около 20 K. Плюс разница день–ночь, плюс прогрев корпуса подвеса солнцем на стоянке. Перепад 30–50 K за один вылет — норма, а бюджет — единицы градусов. Именно поэтому почти вся фиксированная LWIR-оптика в каталоге маркирована как атермализованная: это не маркетинговое слово, а обязательное свойство.

Способов три. Оптическая атермализация — комбинация материалов с разным dn/dT так, чтобы суммарный уход компенсировался тепловым расширением корпуса (типовая пара — германий плюс халькогенид). Механическая — набор втулок из материалов с разным КТР, физически сдвигающих оправу вслед за фокусом. Активная — мотор фокусировки плюс датчик температуры и таблица поправок. Обойтись без атермализации можно в двух случаях: стенд или стационарная съёмка при стабильной температуре, либо моторизованный фокус, до которого есть доступ в полёте. Типичная ошибка — взять объектив с ручной фокусировкой, потому что он легче и проще, и поставить его в закрытый подвес, где до кольца фокусировки уже не добраться.

Дискретные поля или непрерывный зум §

Дискретное поле зрения — это два, реже три фиксированных положения подвижной группы между механическими упорами. Каждая позиция рассчитывается как отдельный объектив и работает в своём оптимуме, механика сводится к двухпозиционной защёлке, повторяемость обеспечивается упором, а не датчиком положения. Непрерывный зум — кулачковый механизм с согласованным ходом двух групп и компенсацией фокуса на всём диапазоне; MTF на промежуточных положениях неизбежно компромиссная, а требования к точности и износостойкости кулачка на вибрирующем борту заметно выше.

Цена непрерывности видна прямо в каталожных цифрах. Фиксированный 75 мм f/1.0 весит 400 г, зум 15–75 мм f/0.9–1.3–572 г. Фиксированный 100 мм f/1.0–629 г, двухпольный 50/100 мм f/1.1–940 г. Зум 30–150 мм f/0.8–1.0 — уже 3,1 кг.

Вторая статья расхода — светосила на длинном конце. У зума 25–225 мм F уходит с 0,85 до 1,3, и эффективный NETD там, где нужна детальность, хуже ровно вдвое по формуле (1+4F²). У зума 15–75 мм f/0.9–1.3 множитель 1,8, у 12,5–50 мм f/0.8–1.0–1,4. Третья статья — пропускание: каждая граница воздух–стекло даже с хорошим просветлением теряет 1–2 %. У двухлинзовой схемы четыре поверхности, 0,98⁴ = 0,92; у зума из шести линз двенадцать поверхностей, 0,98¹² = 0,78. Эти проценты входят в NETD_эфф напрямую.

Выбор сводится к сценарию. Непрерывный зум нужен, когда оператор ведёт объект и не должен терять его в момент смены поля, и когда полезен промежуточный масштаб для оценки обстановки. Двух полей достаточно, когда поиск и опознавание — две отдельные операции с двумя разными полями, а промежуточные положения фактически не используются.

Согласование с форматом матрицы §

Объектив рассчитан на круг изображения определённого диаметра, а не на «640» или «1280». При шаге 17 мкм те же 640×512 дают диагональ 13,93 мм вместо 9,84 мм — тот же формат по числу пикселей, но круг изображения больше в 1,42 раза. Поэтому объектив «под 640×512» без указания шага — неполная спецификация.

Что произойдёт с объективом под 640×512 / 12 мкм (круг 9,84 мм) на матрице 1280×1024 / 12 мкм (нужно 19,67 мм): освещённой окажется центральная четверть площади кадра, дальше — виньетирование и развал аберраций по углам. Поле зрения при этом не вырастет ни на градус: получится картинка 640×512 внутри файла 1280×1024, то есть вчетверо больший поток данных при нулевом выигрыше. Обратная ошибка безопаснее, но тоже платная: объектив под 1280 на матрице 640 работает в лучшей, центральной зоне поля, но вы возите стекло и оправу вдвое большего круга и получаете вдвое меньшее поле, чем этот объектив способен дать.

Третий случай коварнее обоих: объектив под 640×512 / 17 мкм на матрице 640×512 / 12 мкм. Круг изображения покрывает с запасом, виньетирования нет, всё выглядит исправным — но поле зрения окажется в 1,42 раза уже паспортного, потому что паспорт был написан под матрицу с другим шагом. Каталожное поле зрения всегда привязано к конкретному формату и шагу; переносить его на другую матрицу нельзя, нужно пересчитывать по формуле HFOV = 2·arctg(N·p/(2f)).

И даже при совпадающем круге остаётся разрешающая способность. Матрице с шагом 12 мкм соответствует частота Найквиста 41,7 штр/мм, с шагом 17 мкм — 29,4 штр/мм. Строка «MTF более 0,4 на 30 штр/мм» ничего не говорит о поведении на 42 штр/мм, а именно там живёт разница между 12 и 17 мкм. Из механики проверяются три вещи: тип резьбы (M20×0,5, M25×0,5, M34×0,75, M45×1), рабочий отрезок и толщина окна корпуса матрицы, под которую считан объектив. Германиевое окно приёмника входит в оптическую схему, и объектив, рассчитанный под другое окно, даёт сферическую аберрацию, которую фокусировкой не убрать.

Поиск с воздуха: полоса важнее дальности §

Задача решается не дальностью, а полосой захвата: аппарат идёт на 100–150 м, смотрит вниз, и важно, сколько квадратных километров он проходит за час. Берите короткий объектив — 9,1 или 13 мм. С 9,1 мм на матрице 640×512 при шаге 12 мкм на высоте 120 м полоса составляет 120 × 7,68 / 9,1 = 101 м, а GSD = 1,32 × 120 / 1000 = 0,158 м. Лежащий человек с характерным размером около 0,95 м занимает шесть пикселей — этого хватает на обнаружение с запасом при пороге в два пикселя.

Производительность считается прямо: 101 м полосы на скорости 10 м/с — это 1010 м²/с, то есть 3,6 км²/ч без перекрытия и около 2,7 км²/ч с перекрытием в четверть кадра. Переход на 1280×1024 при том же объективе и шаге не добавляет ни метра дальности, но удваивает полосу до 203 м и производительность до 7,3 км²/ч (около 5,5 км²/ч с перекрытием). Это и есть честная причина брать большую матрицу на поиске.

Ограничение скорости задаёт не частота кадров, а тепловая постоянная болометра, 8–12 мс. Правило: путевая скорость не выше GSD / τ. Для приведённого примера это 0,158 / 0,010 ≈ 16 м/с; при более мелком GSD предел падает пропорционально — при 11 см это уже 11 м/с. Отдельно учитывайте шторку периодической калибровки: на время её работы кадр перекрывается, и на трассе остаётся пропуск. При 25 Гц кадровый интервал 40 мс, и на 20 м/с аппарат проходит за него 0,8 м; измерьте длительность паузы на своём экземпляре и умножьте.

Радиометрия здесь не нужна и мешает: режим термометрии почти у всех ядер снижает частоту кадров с 50 до 25–30 Гц. NETD 50 мК достаточно, потому что ночью контраст между человеком и остывшим фоном обычно составляет единицы кельвинов. NETD ниже 30 мК окупается в другом случае — днём летом, когда прогретый грунт и одетый человек различаются слабо, и в сумеречные окна теплового перехода.

Инспекция энергооборудования §

Здесь радиометрия обязательна, но не ради абсолютной цифры: дефект определяют по превышению температуры узла над однотипным соседним — соседней фазой, симметричным зажимом, аналогичным вводом. При такой постановке систематическая погрешность в значительной мере вычитается. Паспортная точность ядер — большее из ± 2 °C и ± 2 % показания, у части моделей ± 3 °C и ± 3 %; на 300 °C это уже ± 6 °C, поэтому браковать по абсолютному значению нельзя.

Главное ограничение — правило измерительного пятна: объект должен занимать не меньше 3×3 пикселей, а надёжно — 5×5. С объективом 50 мм и шагом 12 мкм IFOV = 0,24 мрад, на дистанции 30 м GSD = 0,72 см, и контактный зажим шириной 5 см укладывается в семь пикселей — измерение достоверно. С 25 мм на той же дистанции GSD 1,44 см и зажим займёт 3,5 пикселя: изображение вы увидите, а температуру занизите. Отсюда рабочий диапазон: 25–50 мм при отходе 20–40 м, 640×512 радиометрического исполнения как минимум.

Вторая ловушка — коэффициент излучения. Окисленные и окрашенные поверхности дают 0,85–0,95, полированный алюминий — 0,05–0,10, и на нём тепловизор показывает не провод, а отражённое небо. Кажущаяся температура считается как T = [ε · T_цели⁴ + (1 − ε) · T_фона⁴]^(1/4), температуры в кельвинах. Цель 100 °C на фоне 20 °C при реальной ε = 0,8 и выставленной 0,9 даст показание 93 °C — почти 7 K ошибки. Ошибка в ε на одну десятую стоит дороже разницы между ядром с NETD 40 и 25 мК.

NETD не выше 40 мК достаточно: перегревы контактных соединений измеряются кельвинами. MWIR не нужен и днём мешает — в диапазоне 3–5 мкм сильна отражённая солнечная составляющая, блики на металле маскируют картину. И отдельно: коронный разряд в инфракрасном диапазоне не виден вообще, ни в LWIR, ни в MWIR; для него нужен отдельный ультрафиолетовый солнечно-слепой канал.

Здания и теплопотери §

Радиометрия обязательна, потому что результат обследования — не картинка, а карта температур с привязкой к нормируемым значениям. Разрешения 640×512 достаточно, чтобы фасад целиком поместился в кадр: с 50 м объектив 13 мм даёт полосу 50 × 7,68 / 13 = 29,5 м и GSD 0,92 × 50 / 1000 = 4,6 см. Матрица 1280×1024 при том же объективе покрывает фасад шириной 59 м с тем же GSD — она нужна, когда отойти на нужную дистанцию не получается или здание длинное.

Правило трёх пикселей действует и здесь: при GSD 4,6 см минимальный достоверно измеряемый элемент — около 14 см. Откос шириной 10 см или шов панели вы увидите как аномалию, но температуру по нему считать нельзя. Если задача — именно швы и примыкания, считайте GSD от их ширины, а не от размера здания.

Условия съёмки решают больше, чем матрица. Нужен устойчивый перепад между внутренней и наружной температурой (на практике не меньше 10 K), отсутствие солнца на фасаде в предшествующие часы и слабый ветер — иначе вы снимаете остывающую после солнца стену и сдутый ветром тепловой след, а не теплоизоляцию. Стекло с коэффициентом излучения около 0,85–0,90 зеркалит холодное небо и читается как аномально холодное — это отражение, а не дефект.

NETD 50 мК здесь не является ограничением: дефекты изоляции проявляются на фасаде разницей в десятые доли и единицы кельвинов, то есть на порядок выше порога. Вложение окупается в разрешении и в стабильности калибровки, а не в чувствительности. MWIR противопоказан: солнечная составляющая сильнее, а коэффициенты излучения строительных материалов надёжнее определены в диапазоне 8–14 мкм.

Утечки: что видно и что нет §

Прямой ответ по газу: обычный тепловизор утечку углеводородов не видит. Газ становится видимым только тогда, когда камера смотрит в узкую полосу его линии поглощения — это отдельный класс приборов оптического газоанализа, а не связка «модуль плюс объектив». Метан поглощает около 3,2–3,4 мкм, углекислый газ — около 4,3 мкм, элегаз SF₆ — около 10,6 мкм. Фильтр на такую линию ставится холодным, внутри дьюара охлаждаемого детектора, иначе собственное излучение фильтра забьёт полезный сигнал.

Охлаждаемые MWIR-ядра работают в полосе 3,7–4,8 мкм. Она перекрывает линию углекислого газа, но не перекрывает линию метана: собрать метановый газоанализатор из ядра общего назначения и внешнего фильтра нельзя. Такой прибор заказывается как готовое изделие под конкретный газ, с подтверждённой полосой пропускания.

Что тепловизор общего назначения действительно делает — находит косвенные признаки. Газ, выходящий под давлением через отверстие, охлаждается при дросселировании, и стенка вокруг места утечки становится холоднее окружающей; на арматуре появляются иней и конденсат. Это надёжный признак крупной утечки и бесполезный — для малой.

Смежная задача решается штатно: утечки теплоносителя на теплотрассах видны как прогретая полоса грунта. Матрица 640×512, объектив 13 мм, высота 150 м — GSD 13,8 см, полоса захвата 89 м. Радиометрия полезна для документирования, но не обязательна: аномалия видна по контрасту. NETD 50 мК достаточно, MWIR не нужен.

Наблюдение за протяжённым участком §

Единственная из шести задач, где дальность действительно упирается в оптику. По геометрии 75 мм при шаге 12 мкм дают распознавание человека на 742 м и опознавание на 464 м, по машине — 1797 и 1123 м; объектив 100 мм добавляет треть к каждому числу. Колонку обнаружения на таких фокусных лучше не использовать как рабочую: на километрах геометрический потолок уже не является ограничивающим фактором, его первым перекрывают ослабление в атмосфере и тепловой контраст.

Платой становится поле зрения: 75 мм на 640×512 — это 5,9° по горизонтали, 100 мм — 4,4°. Обнаружить цель в таком секторе трудно, поэтому участок закрывают либо зум-блоком (широкое поле для поиска, узкое для разбора), либо двухобъективной схемой, где короткий канал 13–19 мм даёт обзор, а длинный 50–75 мм — детализацию. Непрерывный зум 12,5–50 мм на 640×512 при шаге 12 мкм перекрывает от 34,2° до 8,8°.

NETD здесь важен, в отличие от ближних задач: на дистанции больше километра атмосфера съедает контраст, и разница между 50 и 30 мК заметна на экране. Но сначала проверьте относительное отверстие по таблице пересчёта: ядро с 25 мК под объективом f/2.0 работает хуже, чем ядро с 50 мК под f/1.0. И проверьте смаз: 75 мм терпит менее 1 °/с угловой скорости линии визирования.

MWIR имеет смысл только на трассах в единицы километров, и стоит это дорого не деньгами, а массой и логистикой. Охлаждаемое ядро 640×512 с шагом 15 мкм — около 680 г, потребление до 10 Вт от 24 В, выход на криорежим до 8 минут; ядро 1280×1024 — до 14 Вт и до 9 минут. Оптика считается килограммами: MWIR-зум 15–300 мм весит 1,94 кг, 90–1100 мм — 4,2 кг, блок 36,4–1100 мм — 8,9 кг. Зато 15 мкм на 1100 мм дают IFOV 0,0136 мрад: пиксель 6,8 см на 5 км, характерный размер человека укладывается в 14 пикселей. Для стационарного поста это работает, для лёгкого аппарата — нет. И ещё: в сухом воздухе MWIR выигрывает у LWIR по дальности, во влажном и в дымке — проигрывает.

Малый аппарат: бюджет массы §

Считайте не массу камеры, а массу канала: ядро, объектив, плата интерфейса, крепление. Голые ядра начинаются от 4 г (256×192), лёгкие 640×512–6,7 г с шагом 8 мкм и 13,7 г с объективом 9,1 мм при шаге 12 мкм, 1280×1024 — от 14 г. Потребление 0,3–1 Вт, то есть на энергобаланс полёта канал не влияет. Решает подвес: микроподвес с тепловизором 640×512 весит 190–235 г, полноразмерный с зумом и дальномером — 1,1–1,7 кг, с охлаждаемым MWIR — 2,5 кг.

Шаг пикселя здесь работает как рычаг для оптики. Одинаковое угловое разрешение дают 12 мкм с объективом 25 мм и 8 мкм с объективом 16,7 мм: 12/25 = 0,48 и 8/16,7 = 0,479 мрад. При том же относительном отверстии диаметр входного зрачка меньше в 1,5 раза, а масса германиевой оптики масштабируется примерно как куб линейного размера: (16,7/25)³ = 0,30, то есть втрое легче. Обратная сторона — площадь пикселя падает как (8/12)² = 0,44, и при равной оптике NETD растёт; такие ядра идут со светосильными объективами и NETD ближе к 50 мК.

Типичная ошибка — поставить на лёгкий аппарат длинный объектив. 50 мм на 640×512 при шаге 12 мкм — это 8,8° по горизонтали; собственные угловые колебания аппарата в единицы градусов уносят цель из кадра, а предельная скорость линии визирования по смазу составляет 1,4 °/с. Без стабилизации разумный предел — поле не уже 25–30°, то есть объектив не длиннее 13–19 мм. Если нужен узкий угол, платите за подвес, а не за объектив.

Радиометрия на лёгком канале возможна: радиометрические ядра 640×512 существуют в массе около 14 г с объективом. Но это отдельные исполнения с индексом, а не режим, включаемый в меню обычного ядра, и у них бывает урезан набор совместимых объективов — у одного из ядер 1280×1024 наблюдательное исполнение поддерживает объективы до 100 мм, а термометрическое — только до 50 мм. Режим термометрии дополнительно ограничен температурой среды: съёмка допустима при −40…+70 °C, а измерение обычно при −20…+60 °C. Охлаждаемый MWIR на малом аппарате не рассматривается.

Сводная таблица подбора §

Фокусные в таблице приведены для матрицы 640×512 с шагом 12 мкм. При шаге 17 мкм для того же поля зрения фокусное умножается на 1,42; при переходе на 1280×1024 с тем же шагом поле зрения удваивается, а угловое разрешение не меняется.

Колонка NETD — это достаточное значение, а не «чем меньше, тем лучше». Перед сравнением ядер приведите NETD к одному диафрагменному числу: паспортное значение дано при f/1.0 и растёт как (1+4F²)/5 для того объектива, который вы реально поставите.

Ошибки подбора §

Выбирать по разрешению вместо фокусного. 1280×1024 с тем же объективом и тем же шагом не видит дальше, чем 640×512, — он видит шире. Дальность задают фокусное и шаг пикселя, разрешение задаёт сектор и производительность поиска.

Сравнивать NETD, не приводя его к одному диафрагменному числу. Паспорт нормируется при f/1.0; объектив f/1.2 ухудшает NETD в 1,35 раза, f/2.0 — в 3,4. Разница между ядрами на 25 и 40 мК полностью перекрывается выбором оптики. У охлаждаемых MWIR зависимость слабее: холодная диафрагма ограничивает фон.

Не пересчитывать шаг 17 мкм. С тем же объективом он даёт 0,71 от дальности 12 мкм: распознавание человека на 25 мм падает с 247 до 175 м. Чтобы вернуть 247 м, фокусное надо умножить на 1,42 — до 35 мм, с соответствующим ростом габарита и массы.

Сравнивать паспортные дальности разных производителей напрямую, не выяснив характерный размер цели и число циклов на порог. Две распространённые шкалы расходятся почти вдвое на распознавании и в 2,4 раза на опознавании при абсолютно честной арифметике у обеих.

Брать длинный объектив под нестабилизированную установку и не проверять смаз. И зеркальная ошибка — брать сверхширокий угол ради полосы: при поле 60° край кадра примерно на 16 % дальше от аппарата, чем центр, и реальный GSD у края заметно хуже расчётного.

Заказывать радиометрию там, где нужен только контраст. Плата — частота кадров 25–30 Гц вместо 50, суженный список совместимых объективов и ограничение по температуре среды в режиме измерения.

Самая дорогая: закладывать один канал под поиск и под разбор одновременно. Эти задачи требуют разных полей зрения и решаются либо двумя модулями, либо зум-блоком. Перед выбором конкретной позиции полезно один раз подставить свои цифры в R = D × f / (p × N) и сверить с тем, что обещано в описании.

Интерфейс вывода: что подключается куда §

Интерфейс выбирают первым — раньше объектива и корпуса. Ядро отдаёт кадр в одном из нескольких форматов, и вопрос не в том, какой из них лучше, а в том, есть ли соответствующий вход у вычислителя. Ошибка здесь означает переделку несущей платы или лишний конвертер в тракте.

Карта простая. У несущих плат Jetson Orin Nano и Orin NX два разъёма 22-pin MIPI CSI по четыре линии и четыре порта USB — параллельного входа нет, поэтому ядро с BT.656 туда напрямую не встанет. У модулей Rockchip выбор шире: Firefly iCore-3576JQ принимает и MIPI, и параллельный DVP 8/10/12/16 бит с BT.601/656/1120. Allwinner V3s берёт MIPI-CSI2 на одну-две линии и параллельный CMOS с BT.656/BT.1120, а T113-S3 имеет вход CVBS — на нём аналоговое ядро работает без единого преобразователя. На x86 выбора нет: у Radxa X4 разъёма CSI в перечне интерфейсов нет, камеры подключаются только по USB 3.0.

Канал управления идёт отдельно от видео, и про него забывают чаще всего. В каталоге это UART с уровнем 1,8 В (Raytron Turing M640 Pro), TTL-232 (линейка iSE), RS-232 или UART 3,3 В (модули OEM 384×288), реже I²C. Разъём у голого ядра — плата-к-плате с шагом 0,4 мм: DF40C-50DP-0.4V на 50 контактов у iSE COIN, DF40C-30DP-0.4V на 30 и AXE634124 на 34 под MIPI у ITL612 Pro. Это не гребёнка под провода, ответная плата нужна с самого начала.

Полоса, частота кадров и задержка §

Поток считается на калькуляторе: ширина × высота × байт на пиксель × кадры в секунду. Для 640×512 в 14-битном RAW (два байта на пиксель) при 50 Гц это 32,8 МБ/с, то есть 262 Мбит/с — в USB 2.0 помещается, но занимает больше половины шины. Для 1280×1024 при 25 Гц уже 65,5 МБ/с, или 524 Мбит/с, против номинальных 480 Мбит/с. Поэтому крупноформатные ядра выведены на BT.1120 и DVP16, а USB у них третьей версии и через плату расширения.

Частота кадров в каталоге — 25, 30 и 50 Гц, у отдельных ядер 60 Гц. Важнее другое: измерительный режим почти всегда медленнее наблюдательного. Raytron Turing M640 Pro даёт 50 Гц в наблюдении и 30 Гц в термометрии, Turing L640 Pro — 50 и 25 Гц, модуль OEM 640×512/12–50 Гц в наблюдательном исполнении и 25 Гц в измерительном. Если вычислитель и так загружен, 25 Гц берут осознанно и экономят полосу вдвое.

Задержка складывается предсказуемо. По параллельной шине кадр приходит строками, и задержка тракта — порядка кадрового интервала: 40 мс при 25 Гц, 20 мс при 50 Гц. IP-тракт добавляет кодер, сеть и декодер, и счёт идёт на несколько кадровых интервалов; конкретную цифру измеряют на стенде по метке времени, а не берут из паспорта.

Выход на режим стоит заложить в предполётную логику. Паспортные значения по каталогу: 5 с у iSE ITL612 Pro и модулей OEM 640×512/12, 6 с у ISE412/612 и COIN612 G2, 10 с у PLUG617, до 25 с у зум-исполнения 1280×1024. Картинка появляется раньше, но до истечения этих секунд однородность и чувствительность ещё плывут.

Питание и пусковой ток §

Напряжения у ядер низкие, но не всегда одно. Типовые входы — 4–5,5 В, 2,7–5,3 В у линейки iSE, 3,3 В ± 0,1 В у Guide ECON B212 и iSE MINI212 G2. Часть ядер требует несколько шин одновременно: Raytron Turing L1280–4,0–5,5 В плюс 3,3 В и 1,8 В, TC2-C — 5 В аналоговое, 3,3 В и 1,8 В. Платы расширения, наоборот, принимают широкий вход 5–24 В и уже сами раздают шины ядру, и на борту это обычно проще и надёжнее.

Потребление голого ядра невелико: 0,24–0,35 Вт у форматов 256×192, 0,5–0,8 Вт у 640×512 с шагом 12 мкм, 1,4 Вт у 640×512 с шагом 17 мкм в корпусе, 1–2 Вт у 1280×1024. В токе это немного: 0,8 Вт при 5 В — это 160 мА. Для сравнения, вычислитель ест на порядок больше: Jetson Orin Nano работает в режимах 7–15 Вт, Orin NX — 10–25 Вт.

Опасен не средний ток, а всплеск на калибровке. По паспортам: 240 мВт в работе и 600 мВт в момент срабатывания затвора, 680 мВт и 1,3 Вт, 280 мВт и 750 мВт — то есть от двух до трёх раз. Источник, подобранный по типовому потреблению, в этот момент просядет, и ядро уйдёт в перезапуск. Отсюда правило: отдельный стабилизатор с запасом не меньше трёхкратного, своя шина, а не общая с приводами и передатчиком, и проверка осциллографом именно в момент щелчка шторки.

Моторизованная оптика питается отдельно и от другого напряжения: у объектива Quanhom GLE10010D привод фокуса — 9 В (допустимо 6–12 В), приводы непрерывных зумов Rising и Shalom — 12 В постоянного тока, у MWIR-зума RSM15–300 шаговый двигатель на 5 В.

Тепловой режим, масса и балансировка §

Неохлаждаемый болометр без термостабилизации меняет отклик вместе с собственной температурой. Паспортный NETD всегда дан при 25 °C и f/1.0 — так он записан у Rising Optics LGCS121 и LGC6122, у подвесов Viewpro. Чем горячее ядро, тем дальше реальная чувствительность от паспортной и тем чаще нужна коррекция неоднородности.

Саморазогрев считается по формуле ΔT = P / (h · A), где P — рассеиваемая мощность, A — наружная площадь отсека, h — коэффициент теплоотдачи. Для закрытой коробки 60 × 60 × 40 мм площадь A = 0,0168 м²; при естественной конвекции h порядка 7 Вт/(м²·К) один ватт даёт 8,5 К, два ватта — около 17 К. Это оценка порядка величины, но она показывает масштаб: к наружным +40 °C добавьте ещё десяток градусов, а сверху нагрев от солнца и от вычислителя рядом. Предел по паспорту — −40…+70 °C у ядер Guide и Quanhom, −20…+50 °C у собранных подвесов Viewpro. Воздух в герметичном отсеке почти не работает: тепло уходит кондукцией через посадочный фланец, поэтому металлический кронштейн от фланца к наружной стенке и теплопроводящая прокладка решают задачу лучше любых отверстий.

Голое ядро почти ничего не весит: 2,5 г у модуля 256×192, менее 3,5 г у Raytron Turing M640 Pro, 15 г у iSE COIN612 G2, 26 г у ISE412, 46,9 г у ISE1212 без кожуха. Массу набирают корпус и оптика. Чистая иллюстрация вклада объектива — одно и то же ядро Guide FLEX B612: 13,5 г с объективом 9,1 мм, 19,2 г с 13 мм, 27,2 г с 25 мм и 51 г с 45 мм, а длина растёт с 23,4 до 54 мм. Масса выросла в 3,8 раза, а ядро не менялось.

Для подвеса значение имеет не масса, а момент — масса, умноженная на плечо до оси. Смена объектива сдвигает центр тяжести вперёд, и после каждой такой замены подвес нужно перебалансировать заново, иначе моторы держат перекос постоянным током, греются и хуже отрабатывают возмущения. Заложить нужно и габарит: те же 54 мм длины должны куда-то поместиться внутри кожуха. Ударные нагрузки в паспортах ядер доходят до 1500 g, и заявляют их как раз безшторочные исполнения, у которых нет подвижных частей.

Шторка, NUC и безшторочные ядра §

У каждого пикселя болометра свой отклик и свой дрейф, поэтому кадр нужно периодически приводить к общему знаменателю — это и есть коррекция неоднородности. Классический способ: механическая шторка перекрывает объектив равномерным полем и даёт опорный кадр. Плата за это — щелчок, кратковременное замирание изображения, подвижная деталь с ограниченным ресурсом и всплеск тока в два-три раза.

Цену замирания считают через кадровый интервал. При 25 Гц кадр длится 40 мс, и на скорости 20 м/с аппарат проходит за него 0,8 м. Измерьте длительность паузы на своём экземпляре и умножьте: для съёмки с продольным перекрытием и для автосопровождения именно эта дистанция определяет, приемлема шторка или нет. Для справки о порядке величин: у Rising Optics LGC6122 паспортный выход на режим — до 15 с, из них самотестирование до 6 с и одноточечная калибровка до 1,5 с.

Безшторочные ядра строят коррекцию по самой сцене — в спецификациях это обозначается как SFFC или SBNUC. В каталоге так работают iSE ISE412, ISE612 и ISE1212 (шторка у них опциональна), Guide ROCK A612 и ROCK B612, модуль OEM 640×512/12 с безшторочной коррекцией, а из готовых подвесов — Viewpro Q20KTIRM, Q30TIR Lite, QIR1975T и ZIR1352T. Изображение не прерывается, нет щелчка и нет подвижной механической детали, а пиковый ток ниже.

Оборотная сторона: алгоритму нужна смена сцены. На неподвижном кадре — подвес удерживает объект, аппарат висит — дрейф со временем проявляется пятнами неоднородности, и снимает его ручная одноточечная калибровка по команде. Компромиссный вариант тоже существует: у Viewpro Q40TIRM, U30TIRM и Q30TIR Pro шторка бистабильная, она потребляет ток только в момент переключения. Практическое правило: обзор с движения — безшторочное ядро; статичное наблюдение и измерения — шторка или хотя бы возможность её включить.

Радиометрия против наблюдения §

Это два разных изделия, а не два режима одной прошивки. В каталоге радиометрический вариант всегда отдельная позиция или отдельная буква: 617R против 617, 1212R против 1212, суффикс T у Guide MIN317T, MID612T и FLEX B612T, обозначение R у iSE ITL612R Pro. У наблюдательного исполнения в строке «Термометрия» прямо стоит «отсутствует» — температур от него не получить никакими настройками.

Платить приходится трижды. Частота кадров падает: 50 Гц в наблюдении против 25 или 30 Гц в термометрии. Температурная матрица идёт только по цифровому каналу (форматы RAW и Matrix-TEMP, 14 бит) — аналоговый CVBS её не несёт физически, так что выбор радиометрии автоматически исключает чисто аналоговый тракт. И полоса: 640 × 512 × 2 байта × 25 Гц = 16,4 МБ/с, которые вычислитель должен успевать принимать и обрабатывать.

Точность формулируется как большее из ± 2 °C и ± 2 % показания у лучших позиций и ± 3 °C или ± 3 % у большинства. При 300 °C два процента — это уже ± 6 °C. Условия тоже указаны: у iSE ITL612R Pro погрешность нормирована при среде 23 ± 3 °C и на дистанции 5 м для объективов 9,1 и 13 мм, 10 м для 25 и 45 мм; у модулей OEM — при среде −20…+60 °C. Отдельные исполнения дают ± 0,5 °C в узком диапазоне 30–45 °C и ± 0,3 °C с эталоном чёрного тела, но это лабораторный сценарий.

Два фактора убивают точность быстрее прочих. Первый — излучательная способность: ошибка в ε на одну десятую даёт около 5–7 K на цели 70–100 °C, расчёт приведён в блоке про инспекцию энергооборудования. Второй — размер пятна: при шаге 12 мкм и фокусе 25 мм один пиксель на 100 м покрывает 4,8 см, а для достоверного измерения цель должна занимать хотя бы 3 × 3 пикселя, то есть около 14 см. Вывод для полёта: с высоты уместно искать аномалию и сравнивать участки между собой, а абсолютные градусы снимать с коротких дистанций.

Ошибки первой интеграции §

Почти все они обнаруживаются на столе за один вечер и почти ни одна — по паспорту в спешке. Ниже те, что повторяются чаще всего, вместе со способом проверить себя заранее.

Стендовая проверка перед сборкой в корпус занимает немного: собрать полный тракт от ядра до вычислителя на своём кабеле, снять осциллограмму питания в момент срабатывания калибровки, прогреть сборку в закрытом отсеке до установившейся температуры и замерить время выхода на режим от подачи питания до стабильной картинки. Эти четыре измерения закрывают большую часть списка.