За гранью видимого: как тепловизоры стали ночным зрением современного судоходства

Сегодня судно или корабль вряд ли сможет обойтись без тепловизионной системы. В этой статье портал Sudostroenie.info рассказывает об истории морской навигации, о том, как тепловизоры появились на флоте, что представляют собой современные приборы, а также интересуется мнением эксперта о перспективах тепловизионных систем для традиционных и беспилотных судов.

• История морской навигации
• Как появились тепловизоры
• Тепловизоры сегодня: на передовой морского зрения
• Три вопроса производителю

История морской навигации

Представьте: туманная ночь, судно выходит в плавание. На экране радара в рубке — береговая линия и суда вдали. Прожектор режет белую мглу.

На баке — вахтенный. Его глаза из-за тумана не различают горизонт, а чуткий слух ловит лишь приглушенное сердцебиение двигателей и редкий крик чайки.

А что в сотне метров? Там может быть деревянная лодка без огней, с единственным гребцом на веслах. Или бревно, попавшее в морскую волну из устья реки. Или крупная льдина. Или человек за бортом, исчезнувший с обзорной камеры и невидимый для радара. Как «увидеть» то, что не отражает радиоволны и не светится в темноте?

История морской навигации — это длинная и почти детективная сага о том, как человечество училось видеть путь и «читать» море. Здесь есть все: звезды и звездные карты, замерзшие пальцы на лоте, хитрые магниты, сломанные хронометры, громкое появление радара и эхолота — и, наконец, тихая, почти незаметная революция тепловизоров, которые научили флот видеть то, что раньше было, по сути, невидимым.

Настоящие морские волки всегда шли по тонкой грани между неизвестностью и безопасностью. И каждый новый инструмент рождался там, где прежние оказывались слепы.

На первых страницах истории капитан больше полагался на небо и память, чем на приборы. Солнце и Полярная звезда показывали широту; за остальное отвечали личные интуиция, осторожность и смекалка.

К примеру, в старину, чтобы не налететь на мель, использовали лот — свинцовый груз на линях, который опускали в воду. Матрос, стоя у борта, монотонно докладывал глубины. По характеру грунта, прилипшего к салу, помещенному в углубление на грузиле, определяли, что под килем — ил, песок или галька. Прием этот так прижился, что оставался актуальным вплоть до появления эхолотов.

А вот главным "прибором" дальнего обнаружения были вовсе не глаза, а уши. Носы врезались в белую завесу на малом ходу; впереди выставляли шлюпку с гребцами и наблюдателем, который слушал звуки прибоя. Береговые скалы предупреждали о себе ревом моря задолго до того, как их можно было увидеть. На рейде и в проливах в тумане звонили в туманный колокол, а на берегу трубили в рог — прототип будущих туманных сирен.

Визуальные ориентиры — маяки, створы, горы — работали только когда видимость позволяла. Ночью помогали огни, но их дальность была ничтожна, пока огни не научились «бить» на многие мили. Этот скачок в технологиях запустил французский физик Огюстен Френель: созданные им в 1822 году специальные линзы многократно усилили свет маяков.

Ещё один важнейший шаг для навигации — магнитный компас. Китайские моряки пользовались им с незапамятных времен; в Европу компас приходит к концу XII века. С этим волшебным прибором курс корабля перестал жестко зависеть от берега, что послужило началом действительно дальнего мореплавания и запустило эпоху Великих географических открытий.

Португальские штурманы XV века, главные участники этой эпохи, в своих путешествиях тоже наращивали инструментальную грамотность, активно используя астролябию. XVIII век подарил новый прибор: английский изобретатель Джон Хэдли и, независимо от него, но почти одновременно, американец Томас Годфри разработали окта́нт — предтечу секстанта. Сам секстант вскоре закрепился как основной инструмент астрономических наблюдений. Казалось бы, что еще нужно?

В век Просвещения главной задачей навигации стала долгота. Она требовала знания точного времени. Джон Харрисон, английский часовщик, довел морской хронометр до надежности, пригодной для долгого плавания в океане. Его четвертый хронограф в 1761–1762 годах блестяще прошел испытания, а за ним на флот пришли и серийные приборы. Спутником хронометра стал Морской альманах (с 1767 года внедренный усилиями Невила Маскелайна), который давал всем штурманам таблицы для вычислений.

Итак, секстант и хронометр вкупе с таблицами и развитой картографией (проекция Меркатора, 1569; математическая база Эдварда Райта, 1599) превратили искусство морской навигации в точную дисциплину.

Но даже идеально определенные координаты на карте по-прежнему не могли указать капитану и штурману, что же находится прямо у судна перед носом или под килем... Для этого все так же служили лот и слух, а также свет и звук береговых маяков и сирен.

XIX век принес электрическое освещение, стандартизованные навигационные огни на судах (красный — левый борт, зеленый — правый), сигнальные огни буев, еще более детальную картографию.
Параллельно, благодаря открытиям Попова и Маркони, штурманы и капитаны начали пользоваться радиосвязью. Первые радиопеленгаторы и береговые радиомаяки в 1910–1920-х позволили определять направление на маяк в любом тумане и в любую погоду.

Две крупных катастрофы начала прошлого века послужили поводом для дальнейших изысканий в области судоходства. Так, после гибели "Титаника" в 1912 году все поняли, что необходимо искать возможности для более точного и заблаговременного распознавания объектов по курсу. А 7 мая 1915 года британское судно "Лузитания" было затоплено из-за попадания в него немецкой торпеды.

И вот тогда изобретатели, поняв, что в бурный век, начавшийся Мировой войной, когда для любого судна (а не только военного корабля) под водой опасностей не меньше, чем над, задумались о возможностях эхолокации, или локации по звуку.

Впервые предложил эту технологию знаменитый канадский изобретатель, и, кстати говоря, обладатель более 500 патентов в области радиосвязи, Реджинальд Фессенден. Принцип прост. Звуковой импульс идет вниз, и по времени возврата отражения судят о глубине и препятствиях на морском дне. Параллельно, по заданию французских военных, русский ученый Шиловский и его соратник, француз Ланжевен начинают эксперименты с активной гидролокацией.

Сегодня эхолот и гидролокатор стали стандартом: ведь благодаря им все, что происходит под водой, "видно" в реальном времени. Для обнаружения подводных опасностей — рифов, банок, подводных скал — эти приборы незаменимы.

Но в отношении надводных, малогабаритных опасностей — человека в воде, бревна, лодки без огней — звуковые методы, увы, мало полезны. И у нас по-прежнему остается серая зона — прямо на поверхности, на линии курса.

Вторая мировая война принесла прорыв, который перевернул ночную навигацию. Британское изобретение полостного магнетрона (Джон Рэндалл и Гарри Бут, 1940) позволило создавать компактные мощные источники микроволн сантиметрового диапазона. Радар сквозь ночь и дождь видит все: радиоволны отражаются от твердых объектов, и экран рисует силуэты берегов, судов, даже сильных дождевых фронтов.

К 1950–1960-м годам радары S-диапазона (~3 ГГц) и X-диапазона (~9 ГГц) стали стандартом торгового флота. В 1970–1980-х арпа-радар (ARPA) научился автоматически сопровождать цели, оценивать их курсы, скорости, точки наибольшего сближения и выдавать предупреждения о риске столкновений. В XXI веке AIS (автоматическая идентификационная система) добавила «имена» и намерения: судно видит на экране не просто отметку, а целевой объект с MMSI (уникальный номер, который используется для идентификации судов и береговых станций в море с помощью радиооборудования), позывным, типом, курсом и даже планом перехода, если включена передача.

Казалось бы, вот оно — полное зрение. Но физика радаров имеет узкие места. Радиолокационная заметность малых объектов невелика. Деревянные или пластиковые лодки с низким бортом и без отражателя на волнистом фоне почти не видны. Бревно и вовсе выглядит как шум. Человек в воде — одна из самых сложных целей. Низкий профиль, слабое отражение и постоянная экранировка гребнями волн делают его практически невидимым.

Существует еще такая проблема, как ближняя зона: у многих радаров есть минимальная дальность обнаружения; совсем рядом по носу может быть "мертвая воронка". А еще метео- и морские помехи: дождь и морская рябь дают «рябь» на экране. Фильтры и доплеровские режимы улучшают картинку, но тут встает нелегкий выбор между чувствительностью и ложными срабатываниями.

Ну, и, наконец, лед и айсберги: крупные массивы обычно видны, но отдельные льдины, кромка льда, тонкие поля шуги — это, скажем прямо, сложные радарные цели.

И вот, мы, вооруженные, казалось бы, по последнему слову техники, снова упираемся в предел: нужно "видеть" без света и без отражения радиоволн, буквально найти в темноте/непогоде то, что само не светится.

Первыми попытками усилить естественный свет были (и есть) электрооптические приборы ночного видения. Их физика проста: улавливать редкие фотоны звездного и лунного света и многократно их усиливать. ПНВ дают знакомую всем «зеленую» картинку и могут быть полезны в ясную ночь. Правда, есть несколько "но". Во-первых, им нужен хоть какой-то свет; в облачную ночь или в тумане их эффективность резко падает. Во-вторых, они слепнут от ярких источников: прожектор, огни на берегу, отражения — и на контрасте цель можно потерять.

Тепловизоры работают иначе. Они не зависят от света как такового. Любое тело с температурой выше абсолютного нуля излучает тепловое (инфракрасное) излучение. Морские тепловизоры чаще всего чувствительны в дальнем инфракрасном диапазоне (LWIR, 8–14 мкм), где доминирует собственное тепловое излучение объектов (а не отражение света).

Как появились тепловизоры

Как же тепловизоры появились на флоте? Сам прибор начал внедряться с шестидесятых годов XX века. Первые тепловизоры были военными, громоздкими, с охлаждаемыми матрицами. Весили как чемодан, до 35 кг, работали только от розетки и требовали жидкого азота для охлаждения. Представьте: прибор, которому нужен режим примерно -195°C, чтобы просто включиться!

К 70-80-м годам прогресс сделал шаг вперед: вес упал до 10-12 кг, стало уже почти портативно.  Появилась запись на магнитофонные ленты с обработкой данных при помощи ЭВМ. Разрешение пока было скромным: 150×150 пикселей, а частота — всего 10 кадров в секунду (такое себе неторопливое слайд-шоу).  В девяностые произошла тепловизионная революция, а точнее, три маленьких и одна большая. Данные теперь записывали на дискеты. Термохолодильники снизили вес всей конструкции до пары килограммов. Разрешение выросло до 256×256, а частота — до 20 Гц.

Но главный прорыв заключался в том, что произошло разделение тепловизоров на две группы: охлаждаемые (сверхточные, но капризные) и неохлаждаемые (лёгкие и удобные). А произошло это благодаря болометрическим матрицам. Микроболометры — это мини-датчики, которые меняют сопротивление при нагреве. Они не такие мощные, как их охлаждаемые собратья, зато потребляют мало энергии и помещаются буквально в ладони.

Проблема их в том, что, чем обстановка горячее, тем хуже чувствительность. Поэтому в точных приборах (например, для астрономии) их по-прежнему охлаждают до -269°C жидким гелием, а в бытовых — жертвуют точностью ради компактности.

После того, как на рынок вышли неохлаждаемые компактные микроболометры, тепловидение стало доступным, в том числе, для коммерческого флота, береговой охраны, рыболовов и яхтсменов. С тех пор морские тепловизоры стали нормой на современных мостиках — как отдельная камера на поворотной платформе или интегрированный модуль в систему наблюдения.

Тепловизоры сегодня: на передовой морского зрения

Что же именно дает тепловизор на море? В полной темноте тепловизор видит так же, как днем: ему не нужны фотоны, он «читает» тепловой рельеф. Туман и дождь, конечно, тоже ослабляют инфракрасное излучение, но в любом случае LWIR-диапазон проходит лучше, чем видимый свет. Реальная дальность уменьшается, но она и не требуется. А вот двухметровый объект на расстоянии нескольких сот метров отлично можно «подсветить» теплом.

Кроме всего прочего, в восприятии тепловизоров вода — это прямо такой отличный фон, на котором он с большим удовольствием выделяет фигуры. Море обычно имеет относительно равномерную температуру, особенно в ночные часы, когда солнечный подогрев отсутствует. Человеческое тело с температурой около 36–37°C на фоне воды 5–25°C дает высокий контраст. Даже если тело частично в воде, открытая голова и плечи часто видны как яркое пятно.

Дерево, пластик и резина на поверхности быстро принимают температуру воздуха и воды, но их тепловая инерция отличается от воды; надводная часть может выделяться по текстуре и температуре, особенно при изменениях ветра и волн. Двигатели и выхлопы — это тоже тепловые маяки. Лодка без огней, но с работающим мотором, бывает видна тепловизору по горячему выхлопу и нагретым бортам.

Ещё один аспект, связанный с применением тепловизоров — техническая безопасность на борту. Пожар на судне — один из самых страшных сценариев. Тепловизионный осмотр машинных отделений, электрических щитов и т.д. позволяет увидеть проблему до того, как помещения закроет едким дымом. Локальный перегрев кабеля, контакта, подшипника, загрязнение теплообменника — всё это выдаст себя в инфракрасном спектре задолго до аварии.

Также тепловизор пригодится для контроля контейнерных штабелей, особенно с чувствительным грузом, проверки грузовых помещений, наблюдения за буксируемыми объектами (нагрев буксировочного троса, лебедок).

И ещё один плюс. Тепловизор пассивен: он, в отличие от других приборов наблюдения, ничего не излучает, соответственно, его не видят датчики снаружи. Вот почему береговая охрана, таможенные и пограничные службы используют тепловизоры для обнаружения судов, идущих без AIS и огней, для скрытого наблюдения и документирования. В темноте тепловые силуэты людей на палубе, работающий двигатель, даже след теплой воды за кормой могут выдать нарушителей. Для охраны портов и акваторий это незаменимо.

В конечном итоге, разумеется, ключ успешной навигации – в синергии всех устройств и датчиков. Радар и AIS «поднимают» осведомленность на стратегическом уровне; тепловизор «закрывает» тактическую близкую зону, где требуется визуальная уверенность. Эхолот и FLS (forward-looking sonar, сонар с функцией обзора вперед) подстрахуют снизу, карты и GNSS (GPS/ГЛОНАСС/Галилео) — глобально, ECDIS (электронно-картографическая навигационно-информационная система) — интеллектуально. Именно тепловизор привносит в эту систему «человеческое» зрение без света.

Три вопроса производителю

Мы решили узнать подробности из первых рук и расспросили производителя, какие перспективы открывает современный морской тепловизор. С редакцией побеседовал специалист по оптико-электронным системам ООО "ТД "Балтик Боатс Компани" Денис Пискунов.

Sudostroenie.info: Денис, расскажите, пожалуйста, какие виды тепловизионных систем сегодня используются на флоте?

Д.П.: Сегодня на флоте используется несколько типов тепловизионных систем. Начиная от компактных неподвижных камеры, которые обеспечивают базовый обзор акватории. Для более серьёзных задач применяются поворотно-наклонные камеры — с одним или двумя сенсорами: тепловизионным и дневным. А на больших яхтах, коммерческих судах и кораблях спецназначения востребованы стабилизированные многосенсорные комплексы. Они компенсируют качку и вибрацию, обеспечивая стабильное изображение даже в шторм.

Кроме навигационных решений, на флоте также активно применяются измерительные тепловизоры. Их используют для мониторинга состояния, например, электрических шкафов, систем в машинном отделении. Такие приборы помогают выявлять перегревы и потенциальные неисправности ещё до аварии, повышая безопасность и снижая риски.

Sudostroenie.info: Технологии не стоят на месте. Скажите, применяются ли в работе тепловизоров функции искусственного интеллекта и машинного обучения для обнаружения и классификации водных объектов?

Д.П.: Да, эти технологии уже приходят в судовую практику. Искусственный интеллект и машинное обучение позволяют тепловизионным системам не просто фиксировать объект, а "понимать", что именно находится в поле зрения — идентифицировать с высокой долей вероятности. Например, система может отличить плавающий мусор от человека в воде, классифицировать маломерное судно или буй, выделить потенциально опасные объекты.

В реальных проектах уже реализуются функции автоматического обнаружения человека за бортом и интеллектуального предупреждения столкновений. Эти решения тестируются в комплексе с навигационными системами. Такие системы уже применяются на практике.

Sudostroenie.info: А насколько современные тепловизоры подходят для автономных судов?

Д.П.: Тепловизоры — это один из ключевых приборов автономных судов. Они обеспечивают наблюдение за обстановкой ночью, в тумане и в условиях ограниченной видимости. Благодаря интеграции с навигационными комплексами тепловизоры становятся частью "зрения" судна.

В сочетании с радарами и системами компьютерного зрения тепловизоры формируют полное представление об окружающей обстановке. Это критически важно для построения курса, удержания безопасной дистанции и автоматического предотвращения столкновений. Уже сегодня верфи и производители оборудования закладывают такие системы в проекты автономных и полуавтономных судов. Фактически, тепловизор становится тем самым элементом, который позволяет беспилотному судну ориентироваться в море.

Если посмотреть на тысячелетнюю траекторию развития морской навигации, паттерн очевиден. Каждая технологическая революция в море начиналась не с желания добавить еще один дисплей, а с конкретной проблемы — с крика в тумане, с неизвестного рифа под килем, с замерзшего человека в воде, которого не успели заметить. Звезды и карты дали курс, лот — глубину, хронометр — долготу. Радар подарил зрение сквозь ночь для больших объектов. Но только тепловизор позволил увидеть «мягкое» и маленькое, ведь безопасное судоходство — это не только огромный силуэт танкера на экране, но и маленькая лодка, где один человек ждет, что его найдут в ночи.

Море всегда будет проверять людей на внимательность и компетентность. Но теперь у нас есть помощник, который видит то, что не отражает свет и не откликается на радио. Это делает его тем самым недостающим звеном, которое позволяет соединить астрономию, электронику и тепловую физику в одну цель — возвращаться домой без потерь.

И в эту минуту, когда туман стелется по воде, а вахтенный смотрит в белую пустоту, на экране тепловизора что-то "зажигается". Это — мир, который всегда был рядом, просто для него нужны другие глаза. Теперь они у нас есть.

Текст: Ольга Деридович
Фото: ООО "ТД "Балтик Боатс Компани"