Understanding how weather affects thermal imaging is important because fog, rain, humidity, snow and cold can all change thermal contrast and practical detection range. For marine-specific navigation, search, observation, and environmental limits, see our guide to marine thermal imaging.
Тепловидение не зависит от видимой освещенности, поэтому может оставаться полезным, когда использование обычной оптики становится затруднительным после захода солнца или в полной темноте.
Однако погода – это другой вопрос.
Туман, дождь, влажность, снег, холодный воздух и изменение температуры поверхности могут повлиять на передачу инфракрасной энергии от места происшествия к детектору. Некоторые условия уменьшают атмосферную передачу. Другие уменьшают тепловой контраст между целью и ее фоном. Вода на линзе может привести к еще большему ухудшению изображения.
В результате тепловидение часто остается полезным в условиях, когда видимая визуализация затруднена, но его не следует считать независящим от погоды.
Если вы сравниваете готовые продукты, а не только их экологическое поведение, начните с нашего руководства по как выбрать тепловизионный прицел.
Почему тепловидение работает без видимого света
Обычная оптика видимого света зависит от света, отражающегося от сцены и попадающего в глаз или камеру.
Тепловидение работает по-другому.
Объекты выше абсолютного нуля излучают электромагнитное излучение, в том числе инфракрасное. Тепловой детектор регистрирует различия в инфракрасной энергии, достигающей фокальной плоскости, и преобразует эти различия в данные изображения.
Многие неохлаждаемые тепловизоры работают в длинноволновой инфракрасной области, обычно связанной с откликом детектора примерно 7–14 мкм, тогда как атмосферное пропускание особенно полезно в частях окна LWIR около 8–12 мкм.
Поскольку этот процесс не требует видимого освещения, сама темнота не препятствует формированию теплового изображения.
Но инфракрасная энергия все равно должна пройти через атмосферу, прежде чем достигнет детектора.
Это различие является ключом к пониманию погодных условий.
Более подробную информацию о детекторе и фокальной плоскости можно найти в нашем руководстве по тепловизионные FPA и микроболометры.
Атмосфера — часть системы визуализации
Тепловизор не принимает всю инфракрасную энергию, излучаемую удаленной целью.
Некоторая энергия поглощается или рассеивается атмосферой, а сама атмосфера также дает инфракрасное излучение.
Чем длиннее путь между целью и детектором, тем большее значение могут иметь атмосферные условия.
Относительная влажность, температура воздуха, аэрозоли, капли тумана, дождь, снег и другие помехи могут повлиять на эффективную передачу.
Радиометрические рекомендации FLIR явно рассматривают расстояние, температуру атмосферы и относительную влажность как переменные, которые могут повлиять на инфракрасный сигнал, достигающий камеры.
Вот почему указанную дальность обнаружения, измеренную в ясных и сухих условиях, не следует автоматически ожидать при сильном тумане или дожде.
Туман: тепловое излучение превосходит видимый свет, но не «видит сквозь» туман
Туман состоит из взвешенных капель воды.
Видимый свет сильно рассеивается этими каплями, поэтому фары и обычные камеры могут плохо работать в тумане.
Тепловое инфракрасное излучение может работать лучше в условиях тумана, поскольку передача в диапазоне LWIR может быть более благоприятной, чем передача в видимом диапазоне.
Это преимущество реально.
Но у него есть пределы.
Моделирование атмосферы FLIR показывает, что тепловидение может превосходить видимое изображение в более легком и умеренном тумане, в то время как густой туман может значительно снизить это преимущество. При достаточно густом тумане доминирующим ограничением становится сама атмосферная передача.
Следовательно, технически точным утверждением является:
тепловидение может сохранять полезную дальность действия в некоторых условиях тумана, когда видимое изображение ухудшается сильнее.
Но не:
тепловидение видит сквозь туман.
Плотность тумана имеет значение
Не существует единого значения «производительности в тумане».
Туман различается:
- размер капли;
- плотность капель;
- аэрозольный тип;
- влажность;
- климат;
- длина атмосферного пути.
Легкий туман и густой туман не являются эквивалентной оптической средой.
Вот почему сравнение продуктов по одной фотографии тумана может ввести в заблуждение, если условия не контролируются.
Влажность может снизить передачу на большие расстояния
Даже без видимого тумана влажный воздух может повлиять на передачу инфракрасного излучения.
Водяной пар обладает сильными характеристиками поглощения инфракрасного излучения, и потери при передаче становятся все более важными на более длинных трассах.
FLIR отмечает, что более высокая влажность может увеличить ослабление сигнала в атмосфере и что ясные и сухие зимние условия могут обеспечить лучшую передачу на большие расстояния, чем влажные условия.
На коротких расстояниях эффект может быть относительно небольшим.
На больших расстояниях, особенно когда контраст цели уже слаб, атмосферное затухание становится более важным.
Это одна из причин, по которой тепловые характеристики на больших расстояниях невозможно предсказать только на основе разрешения детектора.
Дождь снижает контраст несколькими способами
Дождь может повлиять на тепловидение посредством нескольких механизмов.
Во-первых, капли дождя и влага на пути атмосферы могут рассеивать и поглощать инфракрасную энергию, уменьшая контраст между целью и фоном.
Во-вторых, дождь меняет тепловое состояние поверхностей.
Влажная земля, растительность, конструкции и животные могут приближаться к одинаковой температуре поверхности, уменьшая тепловой контраст, даже если сам детектор работает нормально.
В-третьих, капли воды на передней линзе могут ухудшить качество изображения.
FLIR отмечает, что воздействие капель воды на тепловизионную линзу зависит от таких факторов, как покрытие, положение фокуса и фокусное расстояние.
Это означает, что сильный дождь не следует описывать просто как проблему программного обеспечения, которую можно «исправить» с помощью улучшения изображения.
Некоторая часть информации физически сокращается до того, как достигает детектора.
Снег имеет как преимущества контрастности, так и ограничения передачи
Заснеженная среда иногда может создавать сильный тепловой контраст.
Свежий снег часто намного холоднее теплых животных, людей, машин или недавно нагретых предметов.
Это поможет четко выделить теплые цели.
Однако снег не гарантирует высоких результатов.
Падающий снег вносит частицы в атмосферный путь.
Мокрый снег и влага могут изменить температуру поверхности.
Накопившийся снег может скрыть части объекта.
А снег или влага на объективе могут снизить качество изображения.
Поэтому правильный вопрос не таков:
«Работает ли тепловая обработка на снегу?»
а:
«Какая полезная контрастность цели достигает детектора в реальных условиях снега, влажности, расстояния и температуры?»
Холодная погода может повысить контрастность, но также может вызвать нагрузку на устройство
Холодная среда иногда может улучшить контрастность цели и фона, если цель остается значительно теплее, чем ее окружение.
FLIR отмечает, что более холодные условия окружающей среды при некоторых обстоятельствах могут увеличить разницу температур между более теплым объектом и окружающей его средой.
Но получение изображений в холодную погоду также сопряжено с практическими проблемами.
Производительность аккумулятора может упасть при низких температурах.
Дисплеи и электроника могут иметь определенные эксплуатационные ограничения.
Быстрый переход между теплыми и холодными условиями может привести к дрейфу детектора или образованию конденсата.
По этой причине точные характеристики рабочей температуры продукта по-прежнему имеют значение.
Не думайте, что все тепловые устройства ведут себя одинаково в условиях минусовой температуры.
Быстрые изменения температуры могут повлиять на стабильность изображения
Быстрое перемещение теплового устройства между существенно разными температурами окружающей среды может временно изменить температуру детектора и корпуса.
Это может повлиять на калибровку и стабильность изображения, пока система не достигнет более стабильного теплового состояния.
FLIR особо отмечает, что быстрые переходы от теплого к холодному или от холодного к теплому могут вызвать температурный дрейф и изменения в реакции детектора.
Для наблюдательной тепловой оптики точное поведение зависит от оборудования и стратегии калибровки.
Это одна из причин, по которой производительность устройства следует оценивать после того, как устройство стабилизируется, а не сразу после значительного изменения условий окружающей среды.
Тепловой контраст может исчезнуть даже в ясную погоду
Плохая погода – не единственная причина, по которой тепловизионное изображение может быть трудно интерпретировать.
Четкая сцена может иметь низкий тепловой контраст.
Например, после длительного солнечного нагрева температура земли, растительности, камней и сооружений может приближаться к одинаковой кажущейся температуре поверхности.
В процессе изменения окружающей среды цель и фон иногда могут стать термически схожими.
Когда это происходит, контрастность сцены падает, хотя атмосфера ясна.
Иногда неофициально это называют тепловой кроссовер или низкоконтрастные тепловые условия.
Важным моментом является:
Качество теплового изображения зависит от температурного контраста, а также от пропускания атмосферы.
NETD имеет наибольшее значение при слабом контрасте
NETD описывает тепловую чувствительность относительно шума системы.
Когда объект намного теплее или холоднее фона, контраст уже сильный.
Когда целевая и фоновая температуры близки, меньшие температурные различия становится труднее сохранить.
Более низкое значение NETD может помочь системе визуализации различать более слабые температурные различия в сопоставимых условиях измерения.
Однако более низкий NETD не устраняет атмосферное затухание.
Он не может воссоздать инфракрасную информацию, которую туман, дождь или другое препятствие не позволили достичь детектора.
Полное объяснение см. NETD в тепловизионных системах.
Разрешение детектора по-прежнему имеет значение в плохую погоду
Ухудшение атмосферы и температурная чувствительность не устраняют необходимости в пространственной детализации.
Разрешение детектора определяет, сколько собственных пространственных выборок доступно.
Детектор с более высоким разрешением может предоставить больше пространственной информации, когда оптические условия и поле зрения сопоставимы.
Но ухудшенная атмосфера может снизить контраст цели до того, как эта информация достигнет детектора.
Это означает:
большее количество пикселей не может полностью компенсировать плохую передачу атмосферы.
Аналогично:
сильное атмосферное пропускание не компенсирует недостаточную пространственную выборку.
Эти два фактора решают разные проблемы.
Шаг пикселя не защищает устройство от атмосферных воздействий
Шаг пикселя влияет на геометрию детектора и угловую выборку.
Он не определяет атмосферную передачу.
Детектор 12 мкм автоматически не работает лучше в тумане, чем детектор 17 мкм.
Погодные показатели по-прежнему зависят от:
- диапазон длин волн;
- атмосфера;
- оптика;
- чувствительность детектора;
- резолюция;
- фокусного расстояния;
- поле зрения;
- обработку;
- целевой контраст.
Поэтому шаг пикселя не следует использовать в качестве ярлыка для определения погодных условий.
Качество объектива и число F по-прежнему имеют значение
Объектив определяет, сколько полезной инфракрасной энергии достигает детектора.
Светопропускание объектива, фокусное расстояние, качество фокусировки, покрытия и число f — все это влияет на сигнал, доставляемый в фокальную плоскость.
В сложных условиях, когда доступный целевой сигнал уже может быть снижен, плохая оптическая передача становится еще более существенной.
Это не означает, что объектив одной спецификации может справиться с плохой погодой.
Это означает, что оптическая система остается частью общей цепочки производительности.
Вода, конденсат и передняя линза имеют значение
Погода не влияет только на атмосферу между целью и устройством.
Это также может повлиять на оптику напрямую.
Капли воды, конденсат, иней, грязь или снег на поверхности объектива могут снизить качество изображения.
В техническом руководстве FLIR отмечается, что воздействие капель воды частично зависит от фокуса и фокусного расстояния, а также от того, какая часть объектива закрыта.
Это вопрос практического обслуживания, а не технических характеристик детектора.
Содержите переднюю оптику в чистоте в соответствии с инструкциями производителя и избегайте попадания абразивного мусора на поверхность.
Обработка изображений может помочь, но не может восстановить недостающий сигнал
Современные тепловые устройства могут применяться:
- коррекция неравномерностей;
- автоматическая регулировка усиления;
- снижение шума;
- локальное контрастное усиление;
- заточка;
- временная фильтрация;
- суперразрешение или другая продвинутая обработка.
Эти функции могут улучшить представление слабой тепловой информации.
Но программное обеспечение оперирует данными, которые уже достигли детектора.
Если сильный туман или дождь ослабили большую часть полезного сигнала цели, обработка не может с уверенностью восстановить все потерянные физические измерения.
Именно поэтому такие утверждения, как:
«ИИ удаляет туман»
или:
«Улучшение изображения восстанавливает полный диапазон во время дождя»
следует относиться осторожно.
Дополнительную информацию об улучшении вычислений см. Обработка искусственного интеллекта в тепловизионных прицелах.
Качество изображения не влияет на передачу атмосферы
OLED высокого разрешения может облегчить просмотр обработанного изображения.
Он не меняет инфракрасный сигнал, прошедший через атмосферу.
Аналогичным образом, изменение палитры или контрастности дисплея может облегчить просмотр определенных деталей без изменения базовых данных детектора.
Качество дисплея влияет на удобство использования.
Его не следует путать с проникновением погодных условий или чувствительностью детектора.
Погода может изменить диапазон DRI
Обнаружение, распознавание и идентификация зависят от полезной целевой информации.
Погода может уменьшить эту информацию следующим образом:
- ослабление инфракрасного излучения;
- уменьшение контраста цели и фона;
- затемнение частей цели;
- ухудшение пропускания линзы;
- добавление шума или беспорядка в сцену.
В результате практический диапазон DRI в тумане или сильном дожде может быть короче, чем диапазон, измеренный в ясных условиях.
Вот почему характеристики дальности обнаружения следует интерпретировать вместе с условиями, в которых они были рассчитаны или испытаны.
Полную информацию о DRI см. в нашем руководстве по тепловому обнаружению, распознаванию и идентификации.
Какие характеристики наиболее важны в трудную погоду?
Погодные показатели являются системным результатом.
Полезные характеристики и характеристики включают в себя:
| Фактор | Почему это важно в плохих условиях |
|---|---|
| NETD | Помогает сохранить небольшие температурные различия относительно шума |
| Разрешение детектора | Определяет доступные пространственные образцы |
| Пропускная способность объектива | Влияет на то, сколько инфракрасной энергии достигает детектора. |
| F-число | Влияет на оптическую пропускную способность и чувствительность системы |
| Фокусное расстояние / поле зрения | Определяет охват сцены и целевую угловую выборку |
| Фокусировка | Влияет на то, насколько эффективно детали достигают детектора. |
| Обработка изображений | Может улучшить представление слабых или зашумленных данных |
| IP-рейтинг | Описывает защиту от воздействия окружающей среды для конкретного продукта. |
| Рабочая температура | Определяет поддерживаемый диапазон окружающей среды |
| Аккумуляторная система | Влияет на практическое время работы, особенно в холодную погоду. |
Ни один ряд не гарантирует хороших результатов в плохую погоду.
Экологические рейтинги зависят от продукта
Целесообразно проверить степень защиты IP, рабочую температуру, температуру хранения и механическую прочность полевого оборудования.
Но эти характеристики должны быть взяты из конкретной текущей модели.
Не предполагайте, что каждый продукт в ассортименте имеет:
- тот же рейтинг IP;
- тот же предел холодов;
- тот же шоковый рейтинг;
- такое же поведение батареи.
И избегайте расплывчатых терминов, таких как «погодоустойчивость» или «военный класс», если они не поддерживаются определенным стандартом.
Более широкие вопросы владения и обращения см. в нашем руководстве по надёжности тепловизионных прицелов.
Реальный продукт по-прежнему следует оценивать как целостную систему.
Тепловое изделие, используемое во влажных, холодных, туманных или малоконтрастных условиях, следует оценивать по всей системе, а не по одной основной спецификации.
Разрешение детектора определяет пространственную выборку.
NETD влияет на чувствительность.
Объектив контролирует передачу инфракрасного излучения и геометрию просмотра.
Атмосферные условия определяют, насколько целевой сигнал сохраняется на пути следования.
Обработка изображений влияет на представление данных.
А корпус, аккумулятор и конструкция рабочей температуры определяют, останется ли устройство практичным в окружающей среде.
Поэтому текущий тепловизионный продукт Yubeen следует оценивать по его проверенному детектору, оптике, экологическим характеристикам, системе питания и предполагаемому применению, а не по общему заявлению о «всепогодности».
Как оценить тепловые характеристики в плохую погоду
При сравнении устройств используйте следующую последовательность:
- Определите погодные условия.
Легкий туман, густой туман, дождь, снег, влажность и холод — это разные проблемы. - Определите ожидаемое расстояние.
Потери в атмосфере увеличиваются с увеличением длины трассы. - Проверьте размер цели и тепловой контраст.
Большую высококонтрастную мишень легче измерить, чем маленькую низкоконтрастную. - Сравните нативное разрешение детектора.
Не путайте разрешение дисплея и разрешение детектора. - Проверьте NETD при указанных условиях.
Чувствительность может иметь большое значение в сценах с низкой контрастностью. - Проверьте объектив и поле зрения.
Просмотр геометрии по-прежнему контролирует целевую выборку. - Проверьте текущие экологические рейтинги.
Пределы IP и рабочей температуры должны соответствовать конкретной модели. - Посмотрите на экспозицию объектива.
Дождь, снег, конденсат или загрязнение передней оптики могут повлиять на качество изображения. - Обработку изображений рассматривайте отдельно.
Обработка может улучшить представление, но не может устранить атмосферное затухание. - Сравнивайте полевые результаты только в аналогичных условиях.
Два скриншота, сделанные в разную погоду, не являются контролируемым сравнением.
Что тепловидение может и не может сделать в плохую погоду
Полезное краткое резюме:
Тепловизионная система может:
- работать без видимого освещения;
- сохранить полезный контраст в условиях тумана, дождя или снега;
- превосходить видимую визуализацию в определенных условиях плохой видимости;
- выявляют небольшие температурные различия, когда чувствительность детектора достаточна.
Тепловизионная система не может:
- сделать густой туман прозрачным;
- видеть сквозь твердую растительность или другие непрозрачные предметы;
- устранять атмосферное ослабление;
- гарантировать одинаковую дальность действия в любых погодных условиях;
- восстановить физический сигнал, который никогда не достигал детектора.
Это различие более полезно, чем называть тепловидение «всепогодным».
Часто задаваемые вопросы
u003cstrongu003eCan Thermal Imaging Work in Complete Darkness?u003c/strongu003e
Да. Тепловидение не требует видимого освещения, поскольку оно обнаруживает инфракрасное излучение от сцены. Однако полезный контраст изображения все же зависит от различий в тепловом сигнале между объектами и фоном.
u003cstrongu003eCan Thermal Imaging See Through Fog?u003c/strongu003e
Иногда он может превосходить видимые изображения в условиях легкого или умеренного тумана, особенно в диапазоне LWIR. Плотный туман по-прежнему может сильно ослаблять инфракрасное излучение и уменьшать дальность действия, поэтому «видеть сквозь туман» — это слишком абсолютно.
u003cstrongu003eDoes Rain Stop Thermal Imaging From Working?u003c/strongu003e
Не обязательно, но дождь может уменьшить атмосферное пропускание, снизить контрастность объекта и фона и привести к попаданию воды на переднюю линзу. Поэтому сильный дождь может сократить практическую дальность действия и ухудшить качество изображения.
Улучшает ли снег тепловой контраст?
Это возможно, когда теплые цели наблюдаются на холодном заснеженном фоне. Падающий снег, мокрые поверхности, атмосферные потери и загрязнение линз по-прежнему могут снизить производительность.
Холодная погода лучше для тепловидения?
Холодный фон иногда может увеличить тепловой контраст для более теплых целей, но холодная погода также может повлиять на батареи, электронику, конденсацию и эксплуатационные ограничения устройства. Необходимо проверить точную спецификацию продукта.
Делает ли более низкий NETD тепловизионный прицел устойчивым к атмосферным воздействиям?
Нет. Более низкий NETD может помочь различить более слабые температурные различия в сопоставимых условиях, но не может устранить атмосферное затухание или физические препятствия.
