Этюд в теплых тонах

Как известно из школьного курса физики, все предметы, имеющие температуру выше абсолютного нуля, являются источниками электромагнитного излучения. Очень горячие тела, такие как спираль лампы накаливания, излучают видимый свет и ближний ИК-диапазон, а предметы комнатной температуры имеют диапазон длин волн с максимумом в районе примерно 10 мкм. Волны такой длины глаз человека не видит. Но человеческий мозг обошел это ограничение, придумав специальные приборы — тепловизоры, которые регистрируют это излучение и переводят его в видимую для человека картинку.

Основа прибора — специальная матрица, чувствительная к дальнему инфракрасному диапазону. Существуют тепловизоры с ПЗС-матрицами, схожие по принципу работы с матрицами обычных видеокамер, но для работы они требуют охлаждения до криогенных температур, чтобы их собственное тепловое излучение не «забивало» шумами регистрируемое изображение. Такие матрицы имеют высокое быстродействие, чувствительность и пространственное разрешение, но очень дороги, потребляют много энергии и после включения требуют времени на охлаждение. Их ниша — это профессиональные применения в военной технике, науке и промышленности.

Более массовые и компактные модели используют неохлаждаемые матрицы на основе микроболометров. Каждый пиксель такой матрицы представляет собой терморезистор, который нагревается тепловым излучением. Измерив сопротивление каждого резистора, можно получить общую «тепловую картину».

Но есть одна проблема: тепловое изображение нужно каким-то образом сфокусировать на микроболометрическую матрицу. Стеклянные объективы для этого не подходят — они полностью непрозрачны для волн дальнего ИК-диапазона. Линзы для фокусировки теплового излучения делают из весьма экзотического материала — металлического германия. Для видимого света он совершенно непрозрачен, а с просветляющим покрытием линзы некоторых тепловизоров и вовсе приобретают черный цвет.

Объектив — один из самых дорогих компонентов тепловизора, ведь германий стоит порядка $2000 за килограмм. В сентябре 2006 года «ПМ» в статье о тепловизорах предсказала, что цены будут оставаться высокими. Однако наш прогноз не оправдался: хотя германий с тех пор отнюдь не подешевел, современные технологии позволили создавать очень маленькие микроболометрические матрицы, для которых достаточно маленького объектива. В современных компактных тепловизорах типа FLIR i5 стоят матрицы размерами всего 2х2 мм, а диаметр объектива составляет примерно 5 мм, так что германия там меньше одного грамма. Поэтому за последние пять лет цена на самые доступные наблюдательные тепловизоры снизилась с $5000 до 2000, а на измерительные приборы цены и вовсе начинаются с ?1000 (в России цены чуть выше).

В принципе, объективы тепловизоров можно сделать и из алмаза. Но слишком высокая цена ограничивает применение этого материала тонкой пленкой просветляющего покрытия: коэффициент преломления германия примерно равен 4, так что без просветления линзам из него никак не обойтись. Благодаря огромному коэффициенту преломления объективы тепловизоров легко сделать сверхсветосильными: если для обычной оптики f/1.0 — это огромное достижение конструкторов, то для тепловизоров это норма. Из-за высокой цены материала и значительного отражения от границы германия с воздухом число линз стараются минимизировать, так что зум-объективы в тепловизорах встречаются весьма редко.

Объекты охоты

Человек и практически все объекты охоты — это теплокровные животные. Поскольку их температура заметно отличается от температуры окружающей среды, это может быть зафиксировано тепловизором. Поскольку длина волны теплового излучения намного превышает размер частиц дыма и тумана (порядка 1 мкм), они почти не влияют на тепловое изображение. Полное отсутствие освещения для тепловизора тоже не помеха, поскольку он фиксирует собственное тепловое изображение объектов. Ночью даже легче — местность холоднее, а температура тела остается постоянной.

Чтобы понять, что именно видит Хищник своим тепловизионным зрением, мы вооружились несколькими приборами и отправились смотреть его глазами в ближайший лесопарк. Мы предполагали, что никого мельче бездомных собак нам обнаружить не удастся, но первые же пять минут наблюдений преподнесли настоящий сюрприз: в тепловизор видно маленькое, но яркое белое пятно среди кустарника метрах в двадцати. Подходим ближе — никого. Точнее, глаз никого не видит, но тепловизор убеждает, что там кто-то есть! Только после пяти минут тщательного осмотра нам все-таки удается найти виновника, которого в итоге выдают глаза, блеснувшие в луче фонаря. Это мышь, выглядывающая из норки под кустом. Как рассказали нам опытные охотники, и куда более крупные животные имеют отличную маскировку даже на близком расстоянии, а вот тепловизор позволяет обнаружить их за считанные секунды.

Если мышь видно с 20 м, то оленя, наверное, можно увидеть метров за 500? Это верно, но только для прямой видимости — тепловое излучение не проходит через листву, не говоря уж о стволах деревьев. Поэтому независимо от объектива прибора в глубь леса можно заглянуть где-то на 70 — 100 м, не более. Есть ли тогда вообще смысл в «дальнобойной» оптике? Да, есть. Ведь одно дело заметить, что там есть что-то теплое, и совсем другое — точно понять, что именно. В среднем дистанция распознавания целей примерно в четыре раза меньше дистанции обнаружения (75 — 400 м). А вот целиться лучше через обычные дневные и ночные прицелы: тепловизионные пока не обеспечивают нужных детализации изображения и быстродействия для точного попадания.

Хищник должен не только видеть жертву, но и ориентироваться в окружающей обстановке. А с этим, по идее, все обстоит далеко не так радужно: тепловизор видит только теплые предметы, а земля, деревья, скалы, неотапливаемые здания — все это будет выглядеть однотонно-серым. С другой стороны, разные материалы за день нагреваются солнцем по-разному, так что и ночью их температура будет различной, да и излучают они по-разному. Так что это должно давать возможность видеть в тепловизор ночью по меньшей мере не хуже, чем своими глазами днем.

Практические испытания, проведенные в лесопарке и на заброшенной стройке, принесли и восхищения, и разочарования. Выяснилось, что в зависимости от погоды, местности и настроек тепловизора он может давать как изображение, почти неотличимое от съемки обычной черно-белой видеокамерой, так и серую малоконтрастную муть. После сухого и ясного солнечного дня, когда земля была покрыта снегом, тепловизор показал прекрасное детальное изображение, позволяющее легко ориентироваться на местности. На следующий день, после потепления и дождя снег растаял, и тепловизионная картинка стала выглядеть как сплошной серый фон. Даже режим InstAlert, при котором контраст программно повышается в несколько раз, не обеспечил существенного улучшения ситуации.

Внутри неотапливаемых зданий ситуация выглядит еще хуже. Если в режиме InstAlert ориентироваться еще как-то можно, то в обычных White Hot и Black Hot это практически исключено. В большинстве других случаев не помогает и InstAlert: на сплошном сером фоне, в котором невозможно отличить друг от друга стены, пол и потолок, видны лишь отдельные объекты, чей коэффициент излучения существенно отличается от показателя для бетона. Так что с ориентированием на местности у Хищника должны были быть серьезные проблемы: в этой ситуации тепловизор не способен полностью заменить прибор ночного видения с ИК-подсветкой (в закрытом помещении без подсветки ПНВ не работает).

Можно ли спрятаться от тепловизионных глаз Хищника? Мы проверили несколько методов. Классический метод грязевого покрытия работает, но очень недолго — пару минут, пока слой грязи прогревается до равновесной температуры. После этого в тепловизор отлично видны участки тела, обмазанные грязью.

Обычная теплая одежда тоже достаточно быстро прогревалась до уровня, когда ее излучение становилось заметным. На достаточно короткое время помогает обдув верхней одежды углекислотой из огнетушителя (расширяющийся углекислый газ охлаждается и переходит в твердую фазу, образуя мелкодисперсный сухой лед). Но в этом вопросе легко переусердствовать, а переохлажденная одежда отлично выделяется на фоне окружающих предметов как темное пятно.

А вот если поверх теплой одежды намотать фольгу или воспользоваться полимерной металлизированной пленкой (в спортивных магазинах можно купить подобную под названием «Космическое одеяло», Space Blanket), то результат получается более чем удовлетворительным. Покрытые фольгой или пленкой участки тела остаются для тепловизионных камер почти незаметными в течение более чем 15 минут, и выдать их могут разве что «тепловые блики» — отражения теплового излучения окружающих нагретых предметов. Но где-нибудь в лесу, где сильных источников теплового излучения нет, легко проскользнуть незамеченным. Однако быстро проявился и минус этого метода: если фольга не выпускает наружу тепло, то температура внутри повышается: маскируясь от тепловизора, вы рискуете перегреться.