SWIR-камеры, или камеры ближнего инфракрасного диапазона, в последние годы все шире применяются в совершенно разных сферах. Эти устройства ищут людей и технику в темноте, контролируют качество изделий, помогают определять подлинность картины, оценивают влажность почв или характеристики посевов, а с недавнего времени – анализируют горные породы и сортируют мусор. Разбираемся, что такое SWIR-технология и где ее можно использовать.
Если совсем коротко, то SWIR – это коротковолновый инфракрасный диапазон электромагнитного спектра. Собственно, так аббревиатура SWIR и расшифровывается на английском – Short-Wave InfraRed.
Помимо инфракрасного, электромагнитный спектр включает рентгеновские и гамма-лучи, ультрафиолет, видимый свет, микроволновой и радиоволновой диапазоны. Каждый из них люди научились использовать в своей повседневной деятельности. Например, с помощью рентгеновского излучения делают снимки внутренних органов, всем известные микроволновки разогревают еду, а радиоволны передают информацию на большие расстояния. Инфракрасные же волны при их полном поглощении каким-либо телом приводят к образованию тепловой энергии, и этот эффект положен в основу работы прибора.
SWIR-камерой называется камера, матрица которой способна воспринимать инфракрасное излучение с длиной волны от 0,9 до 1,7 микрометра. Таким образом, она может распознавать людей, замаскированные объекты, источники лазерного излучения и тепловые вспышки.
Источник изображения: Фото: Антон Тушин
В нашей стране крупнейшим разработчиком таких приборов является Научно-производственное объединение «Орион» холдинга «Швабе» Госкорпорации Ростех.
Устройство выполнено в полностью герметичном корпусе с высоким уровнем защиты, что предохраняет камеру от повреждений, попадания пыли и воды. Разработка уже прошла испытание экстремальной температурой: российские военные, участвовавшие в 2021 году в экспедиции на Новую Землю, по достоинству оценили преимущества прибора, в том числе при обнаружении и идентификации объектов в сложных метеорологических условиях.
Камера состоит из объектива, матрицы и блока обработки. Матричные фотоприемные устройства выполнены на основе соединения арсенида галлия-индия – InGaAs. Матрица расположена в специальном блоке, заполненном инертным газом, что позволяет увеличить срок службы чувствительного элемента.
Инфракрасная камера весит около 460 граммов. Такой малый вес позволяет применять ее на беспилотниках любого класса, а также усиливать длиннофокусными и короткофокусными объективами. В модельном ряду SWIR-камеры три варианта исполнения.
Как отметил исполнительный директор Госкорпорации Ростех Олег Евтушенко, SWIR-камера – один из успешных продуктов диверсификации ОПК, пример технологий двойного назначения: «Камера создавалась, в первую очередь, для МЧС, для использования в составе беспилотных летательных комплексов, осуществления поисково-спасательных и разведывательных операций. Однако уникальные характеристики устройства позволяют применять его в самых различных областях. Это и медицина, и система контроля городского транспорта, и сфера обеспечения безопасности, и сельское хозяйство, экспертиза художественных произведений, проверка денежных знаков, определение качества продуктов питания, и еще много других областей, где нужны такие «всевидящие» глаза».
Основное назначение такого устройства – поиск человека или предмета, причем работает камера в тех случаях, когда другие решения оказываются бесполезны. Например, во время спасательной операции, при поиске людей в густом дыму, на поверхности воды или при необходимости максимально точно определить очаг возгорания лесного пожара. В подобных ситуациях SWIR-камеры просто незаменимы. В этом плане они входят, прежде всего, в сферу интересов МЧС.
Другой сферой применения могут стать специальные системы технического зрения, используемые, например, при сортировке твердых коммунальных отходов. SWIR-камеры устанавливают на оптические сепараторы для автоматической сортировки ТКО. Прибор помогает выяснить, из какого материала изготовлен тот или иной предмет. Затем с помощью искусственного интеллекта производится механическая сортировка ТКО. Такая автоматизация процесса до 99% повышает качество сортировки и увеличивает ее скорость.
Фото: «Швабе»
Также SWIR-камера поможет провести анализ образца горных пород. Система за 5-7 минут сканирует образцы и создает цифровой двойник керна. Программное обеспечение определяет породу, структуру, минеральный состав и размер зерен исследуемого материала. Это позволяет дать оценку степени трещиноватости и других характеристик всего керна. Данная система многократно ускоряет процесс анализа – человеку на выполнение подобной работы требуется 2-3 часа.
Свою роль SWIR-камера может сыграть и при решении вопросов безопасности: для такой аппаратуры не станет преградой даже стекло с очень плотной тонировкой – оно просто прозрачно для ближнего инфракрасного излучения.
В чем-то SWIR-камера схожа с обычным тепловизором, поскольку тоже позволяет зафиксировать инфракрасное изображение, но отличается тем, что видит не тепловое излучение человека, а отраженные фотоны. Кроме того, в отличие от тепловизоров, SWIR-камеры способны видеть многие инфракрасные системы наведения и дальномеры, обнаруживать в воздухе некоторые скрытые от глаз газы.
Использование коротковолнового инфракрасного диапазона позволяет увидеть нижние слои краски, затертые надписи и даже подготовительные рисунки. В частности, в 2018 году посредством SWIR-камеры проводились исследования иконы начала XVIII века «Чудо Георгия о змие» и «Натюрморта с кетой» 1937 года, которые подтвердили оригинальность обоих предметов искусства.
Фото: «Швабе» Исследования показали, что за счет низкого рассеяния в коротковолновой инфракрасной области можно значительно повысить глубину и чувствительность люминесцентной визуализации, а также получать люминесцентные изображения с превосходным контрастом и рекордно высоким соотношением сигнал/шум. Это полезно при неинвазивной флуоресцентной диагностике и видеофлуоресцентной навигации во время хирургического удаления новообразований. Особо важную роль качество изображений играет при резекции опухолей мозга, головы и шеи, так как здесь важно четко обозначать границы новообразований.
Сфера применения SWIR-технологии постоянно расширяется. Отечественные эксперты в самых разных областях уже успели изучить возможности камеры, и закономерным результатом стала награда, которой разработка была удостоена в 2022 году в рамках Дня инноваций Минобороны России.