Что такое тепловизор? Технология, которая лишает смысла темноту и камуфляж

Темнота, туман или камуфляж сами по себе больше не служат надёжным щитом. Тепловизоры превращают тепло, которое излучает любой объект, в визуальную информацию и стирают разницу между днём и ночью; благодаря этой технологии современные армии, силовые структуры и спасательные службы делают невидимое видимым.

Что такое тепловизор?

Тепловизор (тепловизионная камера) — это оптико-электронная система, которая регистрирует недоступное человеческому глазу инфракрасное излучение и преобразует его в видимое изображение. Все объекты испускают электромагнитное излучение пропорционально своей температуре. Далеко за пределами диапазона 400–700 нанометров, который видит человеческий глаз, лежит дальнее инфракрасное излучение в полосе 8000–14 000 нанометров (8–14 микрометров) — именно оно служит «сырьём» для тепловизора.

Тепловизоры делятся на две основные категории: охлаждаемые (cooled) и неохлаждаемые (uncooled). Охлаждаемые детекторы с помощью жидкого азота или криокулера, работающего по циклу Стирлинга, снижают температуру детектора примерно до -200 °C; это позволяет получать значительно более чувствительное (NETD ниже 20 мК) и дальнобойное изображение. Неохлаждаемые детекторы основаны на матрицах микроболометров из оксида ванадия (VOx) или аморфного кремния (a-Si); они компактнее, легче и дешевле, но уступают охлаждаемым аналогам по чувствительности и дальности.

Тепловизор часто путают с прибором ночного видения (ПНВ, NVG). ПНВ формирует изображение, усиливая имеющийся свет (звёздный, лунный), и нуждается в источнике света, тогда как тепловизору источник света не нужен: достаточно теплового излучения.

Как он работает?

Принцип работы тепловизора можно описать в пять этапов:

Сбор излучения оптикой: объектив тепловизора изготавливают не из стекла, как у камер видимого диапазона, а из прозрачных для ИК-излучения материалов — германия (Ge) или фторида бария (BaF₂). Такие линзы фокусируют ИК-излучение сцены на плоскости детектора.

Детектор: сфокусированное излучение попадает на ряды пикселей матрицы детектора. Каждый пиксель преобразует поступающую тепловую энергию в электрический сигнал. В неохлаждаемых микроболометрах это преобразование основано на измерении электрического сопротивления, которое меняется под действием тепла.

Обработка сигнала: «сырые» электрические сигналы с детектора проходят коррекцию (калибровку), фильтрацию шумов и регулировку контраста. В современных системах на этом этапе подключаются алгоритмы на основе искусственного интеллекта, способные распознавать объекты и классифицировать цели.

Формирование изображения: обработанные сигналы попиксельно преобразуются в значения цвета или оттенки серого. Наиболее распространённые палитры: чёрно-белая (hot-white или hot-black), «железная» (iron palette) и радужная (rainbow). Каждая палитра даёт информацию, подходящую для своего сценария применения.

Отображение: полученное тепловое изображение выводится на экраны, нашлемные системы отображения или напрямую на носители записи. В системах слияния (fusion) тепловое изображение накладывается на изображение видимого диапазона, что даёт более полную картину.

Для чего он нужен?

Сфера применения тепловизоров выходит далеко за рамки военной области.

Военное применение и безопасность: ночные операции, охрана границ, наблюдение с беспилотных летательных аппаратов, системы вооружения бронетехники и подвесные обзорные контейнеры боевых самолётов (FLIR pod) — основные военные сферы применения тепловизоров. Тепловизор сводит на нет преимущество скрытности, которое дают камуфляж, густая растительность или темнота: человека или машину можно обнаружить, пока их температура отличается от температуры окружающей среды.

Поиск и спасание: тепловизоры дают спасателям решающее преимущество при поиске людей под завалами, заблудившихся во время лесных пожаров или терпящих бедствие на море. Установленные на беспилотники тепловизоры позволяют быстро обследовать большие территории.

Обнаружение пожаров и пожарная охрана: в задымлённом помещении, где ничего не видно невооружённым глазом, пожарные с помощью тепловизора находят очаги возгорания и возможных пострадавших. При лесных пожарах тепловизоры картографируют тлеющие очаги и помогают направлять работы по тушению.

Промышленный контроль: с помощью тепловизора выявляют неисправности электрощитов и трансформаторов, дефекты теплоизоляции зданий, проблемы подшипников машин и утечки в трубопроводах. Неисправности, незаметные при обычном визуальном осмотре, обнаруживаются на ранней стадии по тепловой сигнатуре.

Медицина: тепловизоры, применявшиеся для массового измерения температуры во время пандемии COVID-19, и в обычных условиях имеют клиническую ценность при исследовании сосудистых заболеваний, воспалений и в дерматологии.

Примеры в Турции

Турция под руководством ASELSAN создала значительный отечественный производственный потенциал в области тепловизионных технологий.

Системы ASELSAN SARP и HES: дистанционно управляемые боевые модули ASELSAN (SARP и HES) благодаря встроенным тепловизионной и дневной камерам обеспечивают круглосуточное всепогодное наблюдение и управление огнём. Они применяются на широком спектре платформ — от катеров береговой охраны и бронемашин до систем охраны баз и боевых машин Вооружённых сил Турции.

Обзорный контейнер ASELSAN CATS: интегрированный в турецкие боевые самолёты обзорный контейнер CATS (многоцелевая тепловизионная система наблюдения) оснащён охлаждаемым инфракрасным детектором. Эта система, аналогичная FLIR pod, совмещает функции опознавания целей, лазерного дальномера и целеуказателя.

ASELSAN SETAS: устанавливаемая на наземную технику система помощи водителю и тепловизионного обзора (SETAS) обеспечивает водителю обзор ночью и в неблагоприятную погоду. Она используется на различных бронированных платформах, прежде всего на танке ALTAY и машинах семейства ACV-15.

Жандармерия и полиция: Главное командование жандармерии Турции использует для охраны границ наблюдательные вышки с тепловизорами. Парки беспилотников, оснащённых тепловыми сенсорами, также применяются для выявления контрабанды и нарушений границы.

Отечественное производство микроболометров: инфраструктура BİLGEM, созданная в партнёрстве ASELSAN и TÜBİTAK, реализует программу разработки отечественных микроболометрических детекторов для снижения зависимости от импорта. Эта программа — один из стратегических приоритетов Национального технологического рывка (Milli Teknoloji Hamlesi), цель которого — преодолеть внешнюю зависимость по критически важным компонентам.

Примеры в мире

На рынке тепловизоров в оборонном и гражданском сегментах лидируют разные игроки:

Американская FLIR Systems (ныне в составе Teledyne) остаётся крупнейшим игроком мирового рынка. Вместе с тем конкурентоспособностью выделяются компании Израиля, Франции и Швеции, а Китай в последние годы быстро наращивает долю рынка за счёт экспорта недорогих тепловизоров.

Тепловидение объединяется с искусственным интеллектом

Главная трансформация, которую тепловизоры переживут в ближайшее десятилетие, — автоматизация перехода от «сырого» изображения к осмысленным данным. Сегодня военные операторы обнаруживают цели, наблюдая тепловое изображение, и этот процесс подвержен ошибкам из-за человеческого внимания и усталости. Алгоритмы распознавания объектов на основе машинного обучения ускоряют этот процесс и повышают его надёжность.

Тепловизоры с поддержкой ИИ, интегрированные в БПЛА, способны в реальном времени отличать силуэт человека, транспортное средство, нагретый двигатель или ствол оружия от других источников тепла. Интеллектуальные системы наблюдения, разработанные ASELSAN для платформы БПЛА ANKA, — один из конкретных примеров такой интеграции.

Быстро развивается и технология теплового слияния (thermal fusion). Попиксельное совмещение теплового изображения с изображением камеры видимого диапазона позволяет извлекать информацию из обоих каналов, что обеспечивает более надёжное опознавание целей как по тепловому контрасту, так и по цвету и текстуре. Такой комбинированный подход особенно важен при поисково-спасательных и невоенных операциях, где требуется идентификация.

Критически важной тенденцией остаётся и уменьшение размеров. Тепловизоры, которые в 2010-х годах были величиной с систему наблюдения бронемашины, сегодня помещаются в карман. Такая миниатюризация облегчает их интеграцию в носимые системы военнослужащих (с индикацией на шлеме), дроны и головки «умных» боеприпасов.

Преимущества

• Не требует источника света; работает в полной темноте, в дыму и тумане.
• Камуфляж, краска и растительность не скрывают тепловую сигнатуру; достаточно собственного теплового излучения объекта.
• Позволяет быстро и надёжно обследовать большие площади, замечая детали, которые может упустить человеческий глаз.
• Неохлаждаемые (uncooled) модели лёгкие и компактные, легко интегрируются в переносные системы.
• Работает и днём, и ночью; в двухрежимных системах (тепловой + видимый диапазон) обеспечивает круглосуточный обзор.
• Ценен и во многих гражданских сферах — медицине, промышленности, поисково-спасательных работах.
• Интеграция ИИ делает возможными автоматическое распознавание целей и формирование тревожных сигналов.
• Благодаря миниатюризации компонентов может устанавливаться на широкий спектр платформ — от БПЛА до носимых систем.

Недостатки

• Охлаждаемые системы дороги, а их система охлаждения требует обслуживания.
• Поскольку стеклянные линзы использовать нельзя, экзотические оптические материалы вроде германия повышают стоимость.
• Разрешение, как правило, ниже, чем у камер видимого диапазона; для идентификации могут понадобиться дополнительные системы.
• Жаркий климат или высокая температура окружающей среды снижают тепловой контраст и могут затруднять обнаружение.
• Стекло, вода и некоторые поверхности отражают ИК-излучение, что может создавать артефакты на изображении.
• Противотепловизионный камуфляж (например, охлаждающие поверхности или поглощающие тепло накидки) может снижать вероятность обнаружения.

Трансформация тепловизоров вместе с беспилотными системами

Распространение беспилотных систем во всех средах поля боя многократно увеличивает спрос на тепловизоры. Основным сенсором наземных беспилотных машин (UGV), морских беспилотных аппаратов (USV/UUV) и БПЛА является тепловизор. Наземные беспилотные машины ASELSAN KAPLAN и PARS оснащены модулем теплового наблюдения для ночных операций. Барражирующий боеприпас KARGI компании STM на конечном участке использует электронно-оптическую/ИК головку самонаведения и фактически работает как система с тепловым наведением. По мере роста масштабов такой интеграции отечественное производство компонентов тепловизоров становится критически важным для самостоятельности оборонной промышленности. Один оборонный проект может потреблять сотни тепловизионных компонентов, что напрямую определяет возможности отечественной цепочки поставок.

Объём рынка тепловизоров и мировые конкуренты

По оценкам, в 2024 году объём мирового рынка тепловидения достиг около 9 млрд долларов, и ожидается, что до 2030 года он будет расти на 7–8% в год. Главные движущие силы этого роста — расходы на военную модернизацию, инвестиции в охрану границ и распространение промышленного обслуживания по состоянию.

Американские компании Teledyne FLIR, L3Harris и Raytheon давно доминируют на этом рынке. Однако в последние годы китайские компании серьёзно сократили отставание. Китайские бренды HIKMICRO и InfiRay вышли в сегмент неохлаждаемых тепловизоров со значительно более низкими ценами и завоёвывают заметную долю как потребительского, так и промышленного рынка.

В этой конкурентной среде ASELSAN позиционирует себя как с точки зрения удовлетворения внутреннего спроса, так и с точки зрения экспортных целей. В рамках оборонной экспортной стратегии Турции тепловизионная продукция ASELSAN становится предметом активной экспортной кампании на рынках Пакистана, стран Персидского залива, тюркских республик Центральной Азии и Африки. Успех этих усилий имеет как экономическое, так и геополитическое значение.

Роль тепловизоров в охране границ

Турция с сухопутной границей протяжённостью более 2600 км находится в центре интенсивных миграционных потоков, контрабанды и угроз безопасности. В этих условиях тепловизоры составляют основу охраны границ. Главное командование жандармерии Турции ведёт непрерывное наблюдение, в том числе ночью, с помощью наблюдательных вышек с тепловизорами и мобильных платформ, развёрнутых прежде всего на границах с Ираном и Сирией.

Платформа ASELSAN AHTAPOT (интеллектуальная система обнаружения и сопровождения целей) объединяет тепловизоры, радары и оптические системы с командным центром. Благодаря алгоритмам автоматического обнаружения и сопровождения движения система снижает нагрузку на внимание операторов и позволяет им быстрее отличать реальные угрозы от безобидных перемещений.

Важное значение имеет и интеграция тепловизоров в парки турецких БПЛА. Беспилотники Bayraktar Mini и TB2, эксплуатируемые жандармерией и полицией, благодаря тепловым сенсорам эффективно ведут ночную разведку как против контрабандистских сетей, так и против боевиков РПК.

Управление тепловой сигнатурой: новое измерение маскировки

Распространение тепловизоров вынудило противоборствующие стороны принимать меры по сокрытию или снижению тепловой сигнатуры. Это направление, известное как камуфляж «Low Observable Thermal» или «Anti-FLIR», стремится приблизить тепловую сигнатуру военной техники, объектов и личного состава к температуре окружающей среды.

Материалы теплового камуфляжа, разработанные для бронетехники, снижают излучательную способность металлических поверхностей, благодаря чему машина меньше выделяется на фоне окружения. Серия Barracuda шведской компании Saab и аналогичные материалы, состоящие на вооружении многих союзников по НАТО, — конкретные примеры такого подхода.

На уровне личного состава современные костюмы теплового камуфляжа снижают тепловой контраст, распределяя тепло тела по нескольким слоям. Эти материалы пока не дают идеального решения: полностью замаскировать тепло, вырабатываемое человеческим телом, по законам физики крайне сложно. Однако они способны значительно сократить дальность обнаружения.

Эта гонка наглядно показывает динамизм тепловизионных технологий в оборонной промышленности: за каждым совершенным сенсором следует камуфляж или контрмера, и этот цикл — одна из главных движущих сил технического прогресса.

Часто задаваемые вопросы

Чем тепловизор отличается от обычной камеры?

Обычная камера улавливает видимый свет, отражённый от объектов; без источника света изображение получить невозможно. Тепловизор же регистрирует инфракрасное тепловое излучение, которое испускают сами объекты, и не нуждается в источнике света. Поэтому тепловизор работает в полной темноте, в дыму и тумане, где обычная камера бессильна.

Могут ли военнослужащие укрыться от тепловизора?

Замаскировать тепло тела крайне сложно, но не невозможно. Противотепловизионные маскировочные костюмы снижают тепловой контраст, рассеивая или поглощая тепло. Частичную маскировку могут обеспечить вода или густая растительность. Однако такие методы требуют длительной неподвижности и осознанного управления теплом и потому создают оперативные ограничения.

Зависит ли Турция от импорта в области тепловизоров?

Хотя ASELSAN создала значительный отечественный производственный потенциал, по критически важному компоненту — матрице детектора (особенно охлаждаемых детекторов) — сохраняется определённая внешняя зависимость. Отечественный проект микроболометров, реализуемый TÜBİTAK и ASELSAN, призван её преодолеть; в неохлаждаемых детекторах уже достигнут конкретный прогресс. Охлаждаемые детекторы остаются более долгосрочной целью.

Источники

• ASELSAN, Каталог продукции оборонных систем, 2024
• Teledyne FLIR, Technology Overview Documentation
• Jane’s Electro-Optic Systems, издание 2024 г.
• NATO STANAG 4347 — Standardization of Thermal Imaging Performance Parameters
• TÜBİTAK BİLGEM, заявления по программе разработки отечественных детекторов
• SIPRI Military Expenditure and Arms Transfers Database 2024
• Управление оборонной промышленности Турции (SSB), ежегодные отчёты о деятельности 2022–2024

▶ 3 platformu karşılaştırın →