Технология тепловидения: «умный глаз», пронизывающий темноту

Температура — это безмолвный язык всех объектов во Вселенной; Технология тепловидения является ключом к расшифровке этого языка.

В дымном пожаре пожарные используют специальное оборудование, закрепленное на касках, чтобы точно определить местонахождение пострадавших; на абсолютной темноте системы видеонаблюдения легко обнаруживают злоумышленников; на заводе, среди рева оборудования, инженеры могут точно определить перегрев, даже не прикасаясь к проводке. Эти, казалось бы, волшебные сцены — реальное применение тепловизионной технологии.

Тепловидение, когда-то высокотехнологичная технология, применявшаяся только в военных целях, теперь проникло во все сферы гражданского применения. От промышленных испытаний до медицинской диагностики, от мониторинга безопасности до бытовой электроники — этот «умный глаз» беспрецедентным образом меняет наше восприятие мира.

1. Принцип работы: декодирование невидимого мира инфракрасного излучения

Физической основой тепловизионной технологии является повсеместное явление теплового излучения. Все объекты при температуре выше абсолютного нуля (-273 °C) излучают инфракрасное излучение, интенсивность и распределение длин волн которого напрямую зависят от температуры поверхности объекта. Тепловизионное оборудование использует инфракрасный детектор и оптический объектив для получения инфракрасного излучения от объекта, который фокусируется на детекторном элементе, способном воспринимать инфракрасный свет. Детекторный элемент преобразует инфракрасное излучение в электрический сигнал, который после сложной алгоритмической обработки в конечном итоге формирует видимое тепловое изображение на экране.

Различные цвета на этом тепловом изображении отображают распределение температуры объекта измерения. Современные тепловизоры могут создавать изображения распределения температуры в реальном времени со скоростью до десятков кадров в секунду, что позволяет наблюдателю точно определять горячие точки или области с аномальной температурой.

В отличие от приборов ночного видения, которым требуются внешние источники света, тепловизионная система полностью использует инфракрасное излучение, испускаемое самим объектом, что делает её «пассивной» технологией обнаружения. Эта особенность позволяет ей эффективно работать в полной темноте, тумане и других условиях, затрудняющих визуальное восприятие, что делает её по-настоящему всепогодным инструментом обнаружения.

2. Основное преимущество: преодоление оптических ограничений, видимых невооруженным глазом.

Технология тепловидения обладает рядом уникальных преимуществ, делающих её незаменимой во многих областях применения. Она не зависит от видимого света для получения изображения, что позволяет чётко отображать цели в сложных условиях, таких как темнота, дымка и дым.

Проникающая способность тепловизионных систем — ещё одно важное преимущество. Благодаря большой длине волны инфракрасного света, тепловизионная технология способна в определённой степени проникать сквозь такие препятствия, как дым, дождь и листва, что позволяет обнаруживать скрытые цели. В сфере безопасности эта особенность делает тепловизионное оборудование эффективным средством обнаружения замаскированных и скрытых целей.

Технология тепловидения также обеспечивает бесконтактное измерение температуры, получая точные данные о её распределении без повреждения объекта. Эта особенность делает её особенно подходящей для измерения температуры движущихся объектов, сред повышенного риска или небольших объектов.

В отличие от инфракрасных термометров, измеряющих только точечную температуру, тепловизоры могут одновременно измерять температуру во всех точках поверхности объекта, визуально отображая изменения во всем температурном поле. Эта возможность измерения температуры на поверхности имеет решающее значение для обнаружения локальных горячих точек и аномального распределения температуры.

3. Технологическая эволюция: от исключительно военного использования к массовому гражданскому использованию

Технология инфракрасного тепловидения изначально зародилась в военных целях, в основном для ночного наблюдения и наведения ракет. В 1970-х годах развитые страны Европы и США начали изучать возможности гражданского применения тепловизионной техники, однако в то время оборудование было громоздким и дорогим. Переломный момент наступил в 1990-х годах, когда американская компания FSI стала пионером в разработке инфракрасного тепловизионного оборудования военного назначения. Эта технология заменила сложные оптические компоненты и оптомеханические сканирующие структуры на матричный детектор в фокальной плоскости, что позволило снизить вес устройства до менее 2 кг и значительно повысить его портативность.

В XXI веке, с развитием технологии неохлаждаемых инфракрасных детекторов, стоимость тепловизионного оборудования значительно снизилась, а области его применения стремительно расширились. В последние годы китайские компании добились значительных прорывов в области тепловизионных технологий: доля производства неохлаждаемых детекторов в Китае превысила 80%, что сделало тепловизионное оборудование более доступным.

Технологические разработки также способствовали постоянному совершенствованию тепловизионного оборудования. Современные тепловизоры обладают всё более высокой тепловой чувствительностью (NETD), что позволяет им различать ещё более мелкие перепады температур. Инфракрасное разрешение также выросло с ранних низкобитных пикселей до современных 1280×1024, что значительно повысило чёткость изображения.

4. Сценарии применения: практическая технология, обеспечивающая комплексное применение в различных областях

Промышленная инспекция и техническое обслуживание оборудования

В промышленном секторе тепловизионная технология стала важнейшим инструментом для предиктивного обслуживания. Мониторинг распределения температуры электрооборудования и механических систем позволяет оперативно выявлять потенциальные неисправности, такие как перегрузки оборудования, ослабление соединений и засорение трубопроводов.

Энергетическая отрасль — одна из наиболее зрелых сфер применения тепловизионной технологии. Тепловизоры могут использоваться для обнаружения перегрева трансформаторов, распределительных шкафов и кабельных соединений, предотвращая потенциальные отказы и риск возгорания. Исследования показали, что регулярные тепловизионные осмотры могут сократить время внеплановых простоев до 50%.

Мониторинг безопасности и пожаротушение

Сектор безопасности — один из самых быстрорастущих рынков применения тепловизионных технологий. Тепловизионные камеры нечувствительны к низкой освещённости и яркому солнечному свету, обеспечивая круглосуточный мониторинг в режиме реального времени и отвечая требованиям безопасности критически важной инфраструктуры.

При тушении пожаров и проведении спасательных операций технология тепловидения способна проникать сквозь дым, помогая пожарным обнаруживать источники возгорания и оказавшихся в ловушке людей в условиях крайне низкой видимости. Недавно разработанный в моей стране интеллектуальный шлем с инфракрасным тепловидением объединяет в себе передачу видеосигнала, измерение температуры на месте пожара и биометрическое распознавание, что значительно повышает безопасность пожарных и эффективность спасательных работ.

Медицинская диагностика и мониторинг здоровья

В медицине тепловизионная технология используется для диагностики заболеваний и мониторинга состояния здоровья. Изменения распределения температуры поверхности тела часто являются ранними признаками некоторых заболеваний. Тепловизионные камеры способны обнаруживать эти едва заметные изменения без контакта с кожей и без использования излучения.

Во время пандемии COVID-19 тепловизионная технология широко использовалась для бесконтактного измерения температуры в общественных местах. В настоящее время 73% больниц и выше второго уровня оснащены тепловизорами, а их точность в таких областях, как ранний скрининг рака молочной железы, возросла до 82%.

Новые приложения

Благодаря технологическому прогрессу и снижению цен, тепловизионная технология быстро проникает в развивающиеся отрасли, такие как бытовая электроника и интеллектуальные автомобили. Комбинация «дрон + тепловизор» хорошо зарекомендовала себя в таких областях, как предотвращение лесных пожаров, отслеживание диких животных и поисково-спасательные работы в полевых условиях.

В сфере умных домов тепловизионная технология может использоваться для энергосберегающего мониторинга и ухода за пожилыми людьми. В системах автономного вождения тепловизионные камеры являются важным дополнением к лидарам и камерам видимого света, улучшая восприятие транспортного средства в ненастную погоду.

5. Передовые достижения: интеллектуальный синтез и миниатюризация

Наиболее значимой тенденцией развития технологий тепловидения является их глубокая интеграция с искусственным интеллектом. Алгоритмы ИИ способны автоматически выявлять аномальные закономерности на тепловизионных изображениях, обеспечивая интеллектуальное раннее предупреждение и поддержку принятия решений. В настоящее время передовые тепловизионные системы обладают точностью распознавания целей более 95%, что повышает эффективность обнаружения на 300%. Еще одной ключевой тенденцией является миниатюризация оборудования. Размер детектора уменьшился до менее 8 мкм, что позволило сократить объем модуля на 50%, что создает возможности для интеграции тепловизионных технологий в потребительскую электронику, такую ​​как мобильные телефоны и носимые устройства. Несколько китайских компаний выпустили портативные тепловизионные аксессуары для потребителей.

Технология многоспектрального слияния изображений стала объектом исследований и разработок. Многорежимные устройства слияния изображений, сочетающие инфракрасный, видимый свет и лидар, могут одновременно предоставлять данные о распределении тепла и визуальные детали, значительно повышая точность распознавания целей в сложных условиях. Ожидается, что к 2027 году доля трёхрежимных устройств слияния изображений на рынке достигнет 15%.

Ускоренные темпы внутреннего замещения являются характерной особенностью тепловизионного сектора Китая. Ожидается, что объем внутреннего производства военных детекторов с охлаждением увеличится с 35% в 2023 году до 60% в 2027 году. Местные компании, такие как Ruichuang Micronano и Guide Infrared, постоянно сокращают долю рынка международных гигантов.

6. Перспективы рынка: бурно развивающаяся отрасль

Мировой рынок тепловизионного оборудования демонстрирует устойчивый рост. Согласно статистическим данным, объём продаж на мировом рынке тепловизионного оборудования в 2024 году достиг 6,944 млрд долларов США, а к 2031 году, как ожидается, вырастет до 10,03 млрд долларов США, а среднегодовой темп роста составит 5,6%.

Китайский рынок показал особенно хорошие результаты. С 2020 по 2024 год объём китайского рынка тепловизионных систем вырос с 48,036 млрд юаней до 81 млрд юаней, а совокупный годовой темп роста составил 14%. Ожидается, что к 2025 году объём рынка превысит 90 млрд юаней, что создаст благоприятный цикл «технологической итерации и снижения затрат, более широкого внедрения и расширения рынка».

С точки зрения применения, гражданский рынок становится основным драйвером роста. Ожидается, что к 2030 году объём гражданского рынка достигнет 98 млрд юаней, при этом продолжится проникновение в сферы безопасности, промышленного контроля, здравоохранения и другие сферы.

В конкурентной среде ведущие компании постоянно укрепляют свои преимущества за счёт технологической интеграции. Например, Guide Infrared планирует инвестировать 5 миллиардов юаней в строительство линии по производству детекторов третьего поколения с целью достижения производственной мощности в 5 миллионов единиц к 2030 году. Малые и средние предприятия концентрируются на нишевых рынках для создания дифференцированных конкурентных преимуществ. Благодаря постоянному технологическому прогрессу тепловизионное оборудование переходит от профессионального к потребительскому. В будущем «интеллектуальные тепловизионные системы», объединяющие распознавание ИИ, периферийные вычисления и многосенсорное слияние данных, станут общепринятыми, играя всё большую роль в предиктивном техническом обслуживании, интеллектуальной безопасности, личном здоровье и других областях.

Самая большая привлекательность тепловизионной технологии заключается в её способности выходить за пределы человеческого зрения. Эта технология не видит истинной «тьмы» в мире, а видит лишь иной вид яркости, создаваемый разницей температур.