Τεχνολογίες επιτήρησης IR: Βλέποντας στο σκοτάδι

Οι τεχνολογίες επιτήρησης στην περιοχή του υπερύθρου (θερμική απεικόνιση και νυχτερινή όραση), μας παρέχουν τη δυνατότητα επιτήρησης και ανίχνευσης σε συνθήκες όπου δεν υπάρχει ορατότητα (π.χ. λόγω καπνού, ομίχλης, σκοταδιού) και αποτελούν πολύτιμο εργαλείο σε ομάδες έγκαιρης επέμβασης και διάσωσης.

Η θερμική απεικόνιση χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από τους αρχαίους Αιγυπτίους για να παρακολουθήσουν τις αλλαγές θερμοκρασίας του δέρματος, με τη μετακίνηση των δακτύλων στο σώμα.

Μετά το τέλος του Ψυχρού Πολέμου, οι τεχνολογίες επιτήρησης στην περιοχή του υπερύθρου (θερμική απεικόνιση και νυχτερινή όραση) άρχισαν να χρησιμοποιούνται σε ένα ευρύ φάσμα εμπορικών εφαρμογών.

Οι συσκευές που χρησιμοποιούν τεχνολογία στην υπέρυθρη περιοχή (IR) σχήμα 1 είναι τώρα σημαντικά εργαλεία σε διάφορα πεδία, όπως: στην ιατρική έρευνα, στην αρχαιολογία, στην εγκληματολογία κ.ά. Επιπλέον, αποτελούν πολύτιμη βοήθεια σε υπηρεσίες όπως η Πυροσβεστική, η Αστυνομία, το Λιμενικό και οι Ένοπλες Δυνάμεις. Στην επιτήρηση χώρων γίνεται χρήση καμερών νυχτερινής όρασης, αλλά και καμερών θερμικής απεικόνισης.

σχήμα 1

Στη συνέχεια θα αναφερθούμε στις βασικές αρχές, που υπάρχουν πίσω από αυτές τις δύο τεχνολογίες.

Νυχτερινή όραση (Night Vision)
Το βασικό στοιχείο στις κάμερες και συσκευές νυχτερινής όρασης είναι ο ενισχυτής εικόνας (image intensifier), που ενισχύει το φως που εισέρχεται σε αυτόν και το οποίο βρίσκεται στην περιοχή του ορατού και του εγγύς υπερύθρου (near infrared). Ο όρος intensifier χρησιμοποιείται για να δείξει ότι η έξοδος του φωτός είναι λαμπρότερη από το εισερχόμενο φως. Η αρχή λειτουργίας του ενισχυτή εικόνας, απεικονίζεται στο σχήμα 2.

σχήμα 2

Στο σχήμα αυτό διακρίνουμε ότι η είσοδός του αποτελείται από μια φωτοκάθοδο, στην οποία προσκρούουν τα εισερχόμενα φωτόνια (φως). Εξαιτίας του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, η πρόσπτωση των φωτονίων στη φωτοκάθοδο παράγει ηλεκτρόνια, τα οποία και επιταχύνονται εξαιτίας της υψηλής διαφοράς δυναμικού που αναπτύσσεται στο θάλαμο κενού. Περνώντας από διάφορες βαθμίδες ενίσχυσης, τα ηλεκτρόνια τελικά προσκρούουν σε μια οθόνη φωσφόρου, όπου και απελευθερώνουν φωτόνια (φως). Συνήθως η οθόνη φωσφόρου είναι πράσινη, καθώς το ανθρώπινο μάτι είναι περισσότερο ευαίσθητο στο πράσινο, από ότι στα υπόλοιπα χρώματα.
Τα πρώτα συστήματα νυχτερινής όρασης χρησιμοποιήθηκαν στο 2ο Παγκόσμιο Πόλεμο από τους Αμερικανούς ελεύθερους σκοπευτές. Δεν έκαναν ενίσχυση φωτός, αλλά βοηθούσαν ώστε ο σκοπευτής να μπορεί να δει στην περιοχή του εγγύς υπερύθρου (near infrared). Επίσης, χρησιμοποιούσαν διάφορα φίλτρα φασματικών δεσμών για να φωτίζουν τους στόχους, χωρίς αυτοί να τους αντιλαμβάνονται. Εντούτοις, οι ενεργές δέσμες πρόδιδαν τη θέση τους. Οι συσκευές αυτής της γενιάς (Generation 0) χρησιμοποιούσαν αρκετή ισχύ (τόσο για το σωλήνα κενού, όσο και για τον IR προβολέα), ενώ παράλληλα δημιουργούσαν μεγάλη παραμόρφωση στην εικόνα, εξαιτίας του κωνικού σχήματος των ηλεκτροδίων. Οι ηλεκτρονικοί σωλήνες κενού είχαν μικρό χρόνο ζωής, εξαιτίας της υψηλής ηλεκτρικής τάσης που αναπτυσσόταν.
Οι συσκευές νυχτερινής όρασης 1ης γενιάς (Generation 1) (σχήμα 3) ήταν εντυπωσιακά βελτιωμένες σε σχέση με τις συσκευές της προηγούμενης γενιάς (Generation 0). Παρείχαν περισσότερη αποδοτική ισχύ, έκαναν καλύτερη ενίσχυση φωτός και παρήγαγαν υψηλότερης ποιότητας εικόνα. Αρχικά, χρησιμοποιήθηκαν στον πόλεμο του Βιετνάμ, ενώ ήταν ανίκανες να λειτουργήσουν χωρίς το φως του φεγγαριού. Χρησιμοποιούσαν έναν ογκώδη και βαρύ ηλεκτρονικό σωλήνα κενού τριών βαθμίδων και μια διαφορετική φωτοκάθοδο, που προσέφερε περίπου τρεις φορές μεγαλύτερη ευαισθησία από αυτή της προηγούμενης γενιάς. Εντούτοις, είχαν ακόμα μικρό χρόνο ζωής και δεν ήταν ικανοποιητική η ενίσχυση του φωτός.

σχήμα 3

Οι συσκευές της επόμενης γενιάς (Generation 2) (σχήμα 4) εισάγουν μια βασική καινοτομία, το MCP (MicroChannelPlate).To MCP αποτελείται από χιλιάδες λεπτές παράλληλες ίνες γυαλιού. Τα ηλεκτρόνια που προσκρούουν στη μία πλευρά του MCP τείνουν να μετακινηθούν διαμέσου των ινών. Το MCP βρίσκεται τοποθετημένο πίσω από τη φωτοκάθοδο και ενισχύει τον αριθμό των ηλεκτρονίων που εισέρχονται από αυτή. Για κάθε ηλεκτρόνιο που περνά μέσα από το MCP, δημιουργούνται περίπου 104 ηλεκτρόνια. Αυτό επιτρέπει να υπάρχει λιγότερο φορτίο στο σωλήνα, καθώς η επιτάχυνση δεν είναι η κύρια πηγή της ενίσχυσης του φωτός. Με τον τρόπο αυτό, αυξάνεται ο χρόνος ζωής της μπαταρίας και του ηλεκτρονικού σωλήνα κενού και μειώνεται σημαντικά η παραμόρφωση.
Οι συσκευές 3ης γενιάς (Generation 3) έχουν την ίδια τεχνολογία με αυτές της 2ης γενιάς, αλλά χρησιμοποιούν ένα καινούριο υλικό φωτοκαθόδου, το GaAs (αρσενικούχο γάλλιο) και ένα πιο βελτιωμένο MCP. Το GaAs παρέχει πολύ καλύτερη απόκριση στο φως του εγγύς υπερύθρου. Αυτό είναι πολύ σημαντικό, καθώς η πλειοψηφία του φωτός τη νύχτα, βρίσκεται σε αυτήν την περιοχή του IR φάσματος. Παρόλα αυτά, μειώνεται η ευαισθησία στο μπλε φως.
Οι ηλεκτρονικοί σωλήνες κενού 3ης γενιάς, παρέχουν σημαντικά καλύτερη ανάλυση και ευαισθησία, εισάγουν λιγότερο θόρυβο και εμφανίζουν καλύτερη ολική ενίσχυση φωτός από τους αντίστοιχους της 2ης γενιάς. Επιπλέον, μπορούν να λειτουργήσουν ως εντελώς παθητικές συσκευές, επιτρέποντας στους χειριστές να βλέπουν σε μεγαλύτερες αποστάσεις, χωρίς να προδίδεται η θέση τους, όπως γινόταν στις συσκευές των πρώτων γενεών, όπου απαιτούνταν IR προβολείς.
Σήμερα, χρησιμοποιούνται ακόμα πιο εξελιγμένα μοντέλα (Ultra Generation 3 & Generation 4), με μεγαλύτερο εύρος φάσματος και υψηλότερη ανάλυση. Ο εξοπλισμός για τις εμπορικές εφαρμογές εξακολουθεί να βασίζεται σε συσκευές 2ης και 3ης γενιάς.

σχήμα 4

Θερμική Απεικόνιση (Thermal Imaging)

Μια κάμερα θερμικής απεικόνισης, μερικές φορές ονομάζεται FLIR (Forward Looking InfraRed). Είναι μια συσκευή όμοια με την κοινή κάμερα, που λειτουργεί στην ορατή περιοχή. Λειτουργεί όμως στη φασματική περιοχή 0.9 έως 14μm, αντί της φασματικής περιοχής 0.45 έως 0.7μm, που λειτουργούν οι κοινές κάμερες. Επιπλέον, αντί του CCD ή CMOS αισθητήρα που χρησιμοποιούν οι κοινές κάμερες, χρησιμοποιούν FPA (Focal Plane Array) αισθητήρες. Η αρχή λειτουργίας τους στηρίζεται στο γεγονός ότι όλα τα αντικείμενα εκπέμπουν μια συγκεκριμένη  ποσότητα ακτινοβολίας, εξαιτίας της θερμοκρασίας τους. Γενικά, όσο πιο υψηλή είναι η θερμοκρασία ενός σώματος, τόσο περισσότερη ακτινοβολία εκπέμπεται. Έτσι, όταν ένα θερμό σώμα βρεθεί σε ένα ψυχρό περιβάλλον, μπορούμε να ανιχνεύσουμε τη διαφορά θερμοκρασίας, χωρίς να μας επηρεάζει το επίπεδο φωτός του περιβάλλοντος (αν είναι ημέρα ή νύχτα). Οι αισθητήρες FPA που χρησιμοποιούν οι κάμερες θερμικής απεικόνισης, είναι ευαίσθητοι είτε στην περιοχή 3μm έως 7μm είτε στην περιοχή 7μm έως 14μm (σχήμα 5).

σχήμα 5

Επειδή όμως προκαλείται απορρόφηση εξαιτίας των μορίων της ατμόσφαιρας (CO2, H2O, O2, O3), τη φασματική περιοχή που χρησιμοποιείται στην επιτήρηση, τη χωρίζουμε σε δύο υποπεριοχές: MWIR (Middle IR) από 3μm έως 5μm και LWIR (Long IR) από 8μm έως 12μm. Μία ενδεικτική λίστα αισθητήρων που χρησιμοποιούνται σήμερα, φαίνεται στον πίνακα 1.

Οι εικόνες από τις κάμερες είναι μονοχρωματικές, επειδή έχουν σχεδιαστεί με έναν τύπο αισθητήρα, που αποκρίνεται σε συγκεκριμένη φασματική περιοχή. Οι έγχρωμες κάμερες απαιτούν πιο πολύπλοκη κατασκευή για να διαφοροποιούν το μήκος κύματος. Πολλές φορές, οι κάμερες έχουν την ικανότητα της αντιστροφής του χρώματος (false color). Αυτό συμβαίνει, γιατί οι άνθρωποι μπορούν να εντοπίζουν εύκολα τις αλλαγές του χρώματος. Σε εφαρμογές όπου απαιτείται να απεικονίζονται οι διαφορές θερμότητας ( π.χ. πυροσβέστες, τεχνικοί ΔΕΗ), τα φωτεινότερα τμήματα συνήθως χρωματίζονται λευκά, οι ενδιάμεσες θερμοκρασίες κόκκινες και κίτρινες και οι πιο ψυχρές μπλε.
Οι αισθητήρες που χρησιμοποιούν οι κάμερες θερμικής απεικόνισης παρουσιάζουν σημαντικά μικρότερη ανάλυση από τους αισθητήρες CCD των οπτικών καμερών, όπως φαίνεται και στον πίνακα 1. Οι κάμερες θερμικής απεικόνισης χρησιμοποιούν δύο τύπους αισθητήρων, τους cooled και uncooled.Οι cooled υπέρυθροι αισθητήρες περιέχονται σε ένα αεροστεγώς κλεισμένο κιβώτιο, το οποίο ψύχεται κρυογονικά. Αυτή η τεχνική αυξάνει σημαντικά την ευαισθησία τους, καθώς οι θερμοκρασίες τους είναι σημαντικά χαμηλότερες από των αντικειμένων, από τα οποία ανιχνεύουν την ακτινοβολία. Οι  τυπικές θερμοκρασίες ψύξης βρίσκονται στην περιοχή από 4Κ έως 110Κ, με την περιοχή των 80Κ να είναι η πιο συνηθισμένη. Αν δεν ψυχθούν αυτοί οι ανιχνευτές, θα «τυφλώνονταν» από τη δική τους ακτινοβολία. Μειονέκτημα αυτών των αισθητήρων είναι το υψηλό κόστος, γιατί η ψύξη και η εκκένωση του αέρα καταναλώνουν ισχύ και χρόνο. Η κάμερα μπορεί να χρειάζεται αρκετά λεπτά για να ψυχθεί πριν αρχίσει να δουλεύει. Αν και οι κάμερες που χρησιμοποιούν cooled αισθητήρες είναι ογκώδεις και με μεγαλύτερο κόστος, παράγουν υψηλότερης ποιότητας εικόνα, συγκρινόμενες με τις uncooled κάμερες.
Οι uncooled υπέρυθροι αισθητήρες λειτουργούν σε θερμοκρασία περιβάλλοντος ή ρυθμίζονται έτσι, ώστε να λειτουργούν κοντά στη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Είναι κατασκευασμένοι είτε από πυροηλεκτρικά υλικά ή βασίζονται στην τεχνολογία microbolometer (τo βολόμετρο είναι συσκευή ειδικά κατασκευασμένη να μετράει την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία). Οι σύγχρονες κάμερες χρησιμοποιούν αισθητήρες, οι οποίοι λειτουργούν με την αλλαγή της αντίστασης, τάσης ή ρεύματος, όταν θερμαίνονται από την ακτινοβολία. Αυτές οι αλλαγές μετρώνται και συγκρίνονται με τις τιμές της θερμοκρασίας λειτουργίας του αισθητήρα. Οι αισθητήρες αυτοί, μπορούν να ρυθμιστούν σε μία θερμοκρασία λειτουργίας, ώστε να μειώσουν το θόρυβο στην εικόνα, αλλά δεν ψύχονται σε χαμηλές θερμοκρασίες με χρήση κρυογονικών τεχνικών. Αυτό, κάνει τις κάμερες μικρότερες σε όγκο και με μικρότερο κόστος. Εντούτοις, η ανάλυση και η ποιότητα της εικόνας είναι μικρότερη από τις κάμερες που χρησιμοποιούν cooled αισθητήρες, κάτι που οφείλεται στις διαδικασίες κατασκευής λόγω περιορισμών στη διαθέσιμη τεχνολογία.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ-ΠΗΓΕΣ

1. J.M. Loyd " Thermal Imaging Systems", Plenum Press, N.York, 1982
2. www.proxitronic.de