Công nghệ ảnh nhiệt

Bối cảnh
   Công nghệ nhìn đêm  là một phần phổ biến trong các ứng dụng quân sự đòi hỏi phải nhận dạng đối tượng trong điều kiện ánh sáng yếu và cực kỳ tối. Công nghệ này được phát triển vào những năm 1960 để cung cấp cho Quân đội Hoa Kỳ khả năng nhìn vào ban đêm mà không cần sử dụng đèn chiếu sáng hoặc đèn rọi. Nó đã được sử dụng rộng rãi trong các cơ quan an ninh cho các hoạt động giám sát, cứu hộ và pháp y.
   Một phát triển trong công nghệ này là ảnh nhiệt. Mặc dù chi phí cao hơn so với các công nghệ nhìn đêm khác, nhưng các sáng kiến khoa học mới khiến chi phí giảm xuống, khiến nó được sản xuất và sử dụng nhiều hơn trong các cơ quan an ninh.

Hình 1: Ảnh nhiệt của xe và người
Công nghệ ảnh nhiệt
  Các vật thể xung quanh chúng ta tỏa nhiệt ở một mức độ nào đó và nhiệt đó được tạo thành từ bức xạ hồng ngoại bước sóng dài mà mắt người không thể nhìn thấy. Ảnh nhiệt sử dụng cảm biến để chuyển đổi bức xạ thành hình ảnh ánh sáng nhìn thấy được. Hình ảnh này không chỉ giúp chúng ta xác định các vật thể trong bóng tối hoàn toàn, hoặc qua khói dày đặc, mà thông tin cảm biến cũng có thể được sử dụng để đo sự khác biệt về nhiệt độ.
   Ảnh nhiệt không được sử dụng trong các trong trường hợp có vật liệu hấp thụ bức xạ bước sóng dài. Ảnh nhiệt không thể nhìn xuyên qua các vật liệu phổ biến như nước hoặc thủy tinh.
   Có 2 dạng đầu dò hồng ngoại là đầu dò photon và đầu dò nhiệt. Đầu dò photon thường cung cấp độ nhạy và thời gian đáp ứng tốt hơn đầu dò nhiệt. Tuy nhiên, các đầu dò photon yêu cầu đầu dò phải được làm mát bằng nitơ lỏng hoặc các dụng cụ khác, do đó chúng có kích thước lớn hơn, đắt tiền và kém tin cậy hơn. Đầudò nhiệt đã trở thành đơn vị được lựa chọn trong các hoạt động của lực lượng an ninh. 
   Có nhiều quy trình phát hiện nhiệt có sẵn, nhưng hai quá trình phổ biến nhất là thước kế điện trở và cảm biến nhiệt điện. Thước kế điện trở giống như bán dẫn oxit kim loại ở trạng thái rắn (CMOS) sử dụng trong các máy ảnh. Chúng không có bộ phận chuyển động, nhưng phải tự kiểm tra lại định kỳ vì chúng liên tục phản ứng với bức xạ được tạo ra bởi một vật thể. Do đó, họ phải sử dụng động cơ quay  "chopper" để điều chỉnh bức xạ. Điều này mang lại một số bất lợi nhỏ đối với bộ vi thước kế vì tiếng ồn và độ tin cậy. 
   Các bộ nhận biết nhiệt được thiết kế để phản ứng lại với phổ hồng ngoại như được đưa ra dưới đây:
TT Vùng bước sóng Đơn vị (µm)
1 Cận hồng ngoại (NIR) 0.7 – 1.1
2 Hồng ngoại sóng ngắn (SWIR) 1.1 – 2.5
3 Hồng ngoại sóng trung (MWIR) 2.5 – 7
4 Hồng ngoại sóng dài (LWIR) 7 – 15

 Ảnh nhiệt thường được chỉ định dùng trong dạng  MWIR hoặc LWIR. Có rất nhiều tham số đối với các đặc điểm kỹ thuật của một máy dò. Phổ biến nhất là:
  • Khả năng đáp ứng của hệ thống - Điều này thường ở dạng đường cong hình chữ S và sẽ xác định phạm vi hiệu suất;
  • Chênh lệch nhiệt độ tương đương nhiễu (NETD) - đo độ nhạy của đầu dò hồng ngoại và phải nhỏ hơn 100mK;
  • Phạm vi động - mô tả khả năng của máy dò hồng ngoại tạo ra hình ảnh qua nhiều loại phát xạ hồng ngoại khác nhau và phải ở mức 60 dB trở lên;
  • Độ nhạy bước sóng - phân biệt giữa các bước sóng khác nhau trong phổ hồng ngoại;
  • Kích thước mảng - Mảng 160 x 120 pixel là mức tối thiểu có thể được sử dụng hiệu quả. 320 x 240 hoặc lớn hơn được ưu tiên cho độ phân giải cao hơn;
  • Độ lệch của máy dò - khoảng cách pixel phải từ 60 micron trở xuống để đạt được độ nhạy và độ phân giải phù hợp.

Hình 2: Hình ảnh đen trắng chụp được của tàu biển trong đêm
Các ứng dụng 
  Các hệ thống  sử dụng công nghệ ảnh nhiệt có thể cho nhiều ứng dụng hơn so với các công nghệ nhìn đêm khác. Công nghệ này cung cấp khả năng phát hiện những khác biệt cực kỳ nhỏ về nhiệt độ mà không cần ánh sáng hoặc đèn chiếu sáng đặc biệt và không bị giới hạn bởi khói, sương mù hoặc các hạt khác. Một số các ứng dụng của ảnh nhiệt như sau:
   • Tìm kiếm và giải cứu
   • Giám sát chu vi
   • Ứng dụng chữa cháy
   • Thiết lập các hồ sơ cấu trúc (tòa nhà, bể chứa, v.v.)
   • Thực thi pháp luật môi trường
   • Góc khuất
   • Pháp y
   • Phát hiện các Panel điện tử, động cơ, vòng bi sự phù hợp của các công nghệ hình ảnh nhiệt cho các kịch bản hoạt động khác nhau có thể bị ảnh hưởng bởi các đặc điểm mục tiêu (ví dụ: đứng yên hoặc di chuyển).
   Ảnh nhiệt đặc biệt chính xác vào ban đêm để xác định các đối tượng như các loài động vật, tội  phạm hoặc các mối nguy hiểm khác đối với con người. Nó có thể được áp dụng để tìm kiếm  trẻ bị lạc hoặc một kẻ chạy trốn trong  những tán lá rậm rạp khi trời tối. Các thiết bị này được là rất hữu ích trong các hoạt động tìm kiếm và cứu hộ, chúng có thể nhận diện các đối tượng nhanh chóng và chính xác hơn trong các khu vực tìm kiếm rộng lớn với ít nhân sự và chi phí thấp hơn.
   Các ứng dụng khác cho hình ảnh nhiệt bao gồm đo chính xác các vết trượt tại hiện trường vụ tai nạn, xác định vị trí máu bị bắn tung tóe, nhận diện khuôn mặt tích cực và xác định các chất ô nhiễm trong nước hoặc không khí trong bóng tối hoàn toàn.
Hình 3: Ảnh nhiệt phục vụ phá án
 
Công nghệ nổi trội gắn liền với ảnh nhiệt
   Một công nghệ mới nổi được gọi là hợp nhất video. Đây là quá trình kết hợp các hình ảnh từ máy ảnh nhiệt, máy ảnh màu có tích hợp khối(CCD) và video từ các ống khuếch đại ánh sáng truyền thống.
   Trong các ứng dụng chỉ có  ảnh nhiệt và video được hợp nhất với nhau, người dùng có khả năng điều chỉnh hình ảnh thành 100%nhiệt hoặc 100 % CCD, hoặc bất kỳ tỷ lệ phần trăm nào ở giữa chúng. Sử dụng sự kết hợp này có thể xác định chi tiết số biển số xe hoặc các từ và logo trong khi vẫn duy trì được quá trình giám ban đêm. Trên hết, công nghệ mới này cho phép người xem xác định được màu sắc của đối tượng thông qua kính.
Các đặc điểm
   Hệ quang học (các thấu kính) trên thiết bị chụp ảnh nhiệt cũng quan trọng như đầu dò nhiệt. Trong hầu hết các thiết bị, hệ quang học sẽ có giá cao hơn so với thiết bị chụp ảnh nhiệt. Vì hồng ngoại không đi qua thủy tinh thông thường, mà chúng được làm từ các vật liệu đặc biệt phải được sử dụng như kẽm selenide và gecmani. Các hệ quang học được sử dụng cho ảnh nhiệt thể hiện có các đặc điểm cơ bản giống như máy ảnh hoặc ống kính video. Lựa chọn vẫn được thực hiện bởi độ dài tiêu cự, số f, trường nhìn và vật liệu.
   Độ phóng đại có thể làm cho ống kính rất đắt tiền khi độ dài tiêu cự tăng. Những người sử dụng ảnh nhiệt cố gắng sử dụng ống kính f / 1 trong đó đường kính khẩu độ bằng với tiêu cự. Các máy ảnh nhiệt cầm tay thường có các điều chỉnh thủ công cho ống kính, trong đó các ứng dụng từ xa yêu cầu ống kính cơ giới, giúp tăng chi phí.
   Màn hình đơn sắc hoặc màu thường có sẵn với các hình ảnh nhiệt. Màn hình đơn sắc có thể được chuyển sang làm nổi bật các khu vực nóng hơn bằng màu trắng hoặc trong bóng tối hơn tùy theo sở thích của người dùng. Điều này được gọi là phân cực hình ảnh. Màn hình màu thường có tám kiểu màu và cũng có thể giúp xác định các vùng nóng nhất của cảnh.
   Yêu cầu người dùng cho hình ảnh nhiệt sẽ khác nhau cho các môi trường và ứng dụng khác nhau. Thời gian khởi động cho các hình ảnh nhiệt có thể mất tới 30 giây. Tuổi thọ pin, mức tiêu thụ năng lượng, nhiệt độ hoạt động và trọng lượng là những yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn thiết bị chụp ảnh nhiệt.

 
                                                                                          Nguồn: internet
                                                                                     Dịch: Lê Trung Kiên