Тепловизионные камеры и методика их применения существовали еще до появления беспилотных летательных аппаратов. Достаточно сказать, что первый прототип тепловизора, позволяющего по цветной картинке определить распределение температуры по объекту, появился в 20-х годах прошлого века. В США первое поколение тепловизоров стало использоваться военными в начале 1950-х годов. А через десятилетие компании стали производить тепловизионные камеры современного типа, которые стали применять не только в военной, но и в гражданской сфере (промышленный мониторинг, медицина, обследование зданий и т.п.). 

После появления первых беспилотников с возможностью установки на них полезной нагрузки (в первую очередь визуальных камер) у специалистов родилась идея установки на коммерческие (промышленные) беспилотники других типов систем мониторинга, в частности тепловизионных камер. И уже первые тесты и первые реальные случаи применения показали высокую эффективность новой методики. Неудивительно, что расширение информации о применении беспилотников и тепловизионных камер воздушного базирования привело к росту популярности тепловизионной фото- и видеосъемки с БПЛА. 

Первые успешные опыты применения тепловизоров воздушного базирования (на беспилотниках) позволяют с каждым годом расширять сферы применения таких комплексов. Сегодня самыми популярными областями применения остаются следующие: 

  • сельское хозяйство (состояние посевов и почвы и другие задачи)
  • мониторинг опасных объектов на производстве (химические, нефте-газовые предприятия и др.)
  • инспекции объектов энергетической инфраструктуры (линии электропередач, трансформаторы и др.)
  • мониторинг лесов на предмет пожароопасности
  • тушение пожаров на различных объектах
  • проведение поисково-спасательных операций.

И это далеко не все. События последних лет показывают, что иногда тепловизоры оказываются полезными там, где ранее их никогда не применяли. Важно и то, что тепловизоры, установленные на мультикоптерах, позволяют снизить риски для здоровья и жизни людей за счет эффективной работы на расстоянии. Беспилотные комплекты компании DJI (дроны, тепловизоры, специальное ПО для работы) эффективно помогают решать задачи самого разного уровня сложности, снижая не только риск для людей, но и сокращая расходы на проведение операций. 

Если в ваших планах использовать подобные системы для решения задач, стоящих перед вашей организацией, то эта статья, как мы надеемся, поможет вам лучше разобраться с новой технологией и сделать правильный выбор.

Природа теплового излучения и принципы термографии

Термография (от греческого "therme + grapho", то есть дословно "отображающий тепло"). Для термографии используется специальный прибор - тепловизор (thermal camera). С его помощью специалисты наблюдают за распределением температуры по поверхности исследуемого объекта. Отображение выглядит в виде картинки на дисплее (компьютере), где каждый температурный режим обозначается определенным цветом. Термография как раз и изучает такие тепловые изображения.

Как известно, технология работы тепловизионных приборов основана на физических свойствах любого тела, имеющего температуру выше абсолютного нуля, излучать вовне особые волны - тепловое, или инфракрасное, излучение. При этом по мере изменения температуры изменяются и параметры излучения. Излучение возможно благодаря вибрации атомов. То есть, чем сильнее вибрация атомов, тем выше температура соответствующей области объекта. Вибрация порождает тот самый "тепловой след" (излучение), которое становится целью для тепловизионных камер.

Тепловизионные камеры (и термография в целом) позволяют нам увидеть то, что не может видеть человек. Например, он может ощущать излучение тепла, но зафиксировать его визуально и определить важные особенности даже опытный специалист не может. Причина в природе теплового излучения, которое можно увидеть только в недоступном человеческому глазу инфракрасном спектре. Именно на этой особенности и основана технология работы тепловизоров. Камеры такого типа в состоянии улавливать волны в инфракрасном спектре и "переводить" полученную информацию в понятную человеку форму в виде цветного изображения.

Живые и неживые объекты оставляют тепловой след, но здесь имеются свои особенности. Степень излучения может зависеть от природы объекта, его структуры и некоторых других параметров. Иногда тепловизор в таких ситуациях не способен отобразить соответствующую информацию об объекте. Специалисты должны знать все эти особенности, а тепловизор (а также, возможно, дополнительные устройства) поможет разобраться в причинах и возможных последствиях сложившейся ситуации. 

Как функционируют тепловизионные датчики?

Принципы функционирования тепловизоров уже становятся более или менее понятными после того, как мы показали вам саму суть теплового излучения и важности информации, которую оно несет. Таким образом, видно, что основной задачей тепловизионных камер является измерение температуры поверхности объекта, чтобы помочь специалистам увидеть колебания температуры и понять суть проблемы. 

Для этих целей тепловизионные камеру оснащают специальным датчиком и объективом для улавливания инфракрасного излучения и передачи полученной информации на дисплей. Но чтобы понятная человеку информация поступила на дисплей, камере необходимо обработать первичные данные с датчика. Для этого устройство оснащается специальным процессором, обрабатывающим данные. Вся эта "начинка" обычно помещается в особый корпус с высоким уровнем защиты. Затем корпус крепится на стабилизатор (подвес), с помощью которого систему можно установить на беспилотник. В ряде случаев (у компактных промышленных моделей серии DJI Mavic тепловизор со стабилизатором уже встроены в беспилотник или крепятся в качестве штатного оборудования особым образом).

Тепловой снимок опоры ЛЭП на камеру DJI Zenmuse H20T

Больше всего возможностей у тепловизионных камер, которые устанавливаются на тяжелые промышленные квадрокоптеры серий Matrice 200 и 300. В этом случае конструкция дрона и стабилизатора камеры позволяет работать в более широком диапазоне, вращаясь на 360 градусов и наклоняясь под большим углом. Стабилизатор помогает камере работать даже в условиях резких маневров дрона или при значительной вибрации.

Сам тепловизионный датчик может быть неохлаждаемым на основе микроболометров и охлаждаемым. В тепловизорах DJI используются первые. Причина в их хорошей производительности, большей экономичности (по сравнению с другими типами) и компактности. Последняя характеристика тоже важна. Небольшие размеры позволяют не только устанавливать модуль на беспилотник небольших размеров, но даже делать гибридные камеры с тепловизионным модулем. Кроме этого тепловизоры могут быть разных типов в зависимости от решаемых задач (только измерение температуры, только мониторинг и др.).

Какие методы используют для чтения тепловизионных изображений

Чтобы получить понятную и полную деталей информацию с камеры, первичные данные потребуется обработать. Для этого обычно используют совместимые программы (у той же DJI есть подобные продукты). Задача специального ПО так обработать полученные данные, чтобы представить вам информацию в понятном для вас и наиболее удобном виде. Например, некоторые программы позволяют не только отобразить температурные перепады, но и указать точные координаты исследуемого объекта. Такой функционал особенно полезен для поисковиков и специалистов по мониторингу. 

Также программа может предложить вам на выбор целую палитру цветов отображения температурных режимов. Варианты цветовых отображений могут быть самыми разными (в рамках допустимого программой). Помимо основных цветов для большей детализации могут также использовать оттенки, отображающие температурные переходы и/или аномалии. 

Чтобы не быть голословными приведем ряд примеров подобного рода из продукции DJI. У многих новейших тепловизоров этой компании (и дронов со штатным тепловизором) может быть на выбор несколько вариантов цветового отображения температуры. Пользователю предоставляется возможность самостоятельно выбрать, исходя из своих задач и пожеланий, выбрать нужный ему вариант. Как правило, большинство специалистов вполне устраивает такое решение. В качестве примера такого продукта можно отметить одну из новых гибридных камер с тепловизионным модулем DJI Zenmuse H20T. У нее есть 12 вариантов цветовой палитры. Это означает наличие 256 цветов, которые вы можете использовать для отображения в 8-битовом формате JPEG или MPEG-4.

Насколько точны данные

Съемка посредством тепловизионной камеры приносит, как правило, качественные результаты. Высокая точность кадров достигается, помимо всего прочего, высокой чувствительностью датчика камеры. Однако такое преимущество имеет обратную сторону. Датчики тепловизоров, как правило, весьма капризны. Точность и безупречность их работы во многом будет зависеть от условий окружающей среды, времени съемок и коэффициента отражения исследуемых объектов. 

Так, на точность температурных данных поверхности объекта могут существенно повлиять такие факторы, как температура воздуха, уровень влажности, облачность  и осадки. Исказить данные также могут частицы пыли, дым и наличие мусора. Также искажение может быть результатом наличия различных новообразований (ржавчина) или защитных покрытий на поверхности объекта. Если будут два объекта из одного материала, но с разным покрытием, то это может спровоцировать некорректную работу датчика. 

Такие сведения помогут вам тщательно подготовиться к выполнению съемки и затем выполнить детальный анализ температурных показателей. Это позволит избежать слишком поспешных и неточных выводов о состоянии объекта и температуре его поверхности. Например, одной из ошибок начинающих операторов тепловизионных камер является стойкое убеждение, что тепловизору не может помешать определить температуру объекта стекло над ним. Однако следует знать, что тепловизор не будет определять температуру объекта. Он попытается "узнать" ее у поверхности стекла.