Cảm biến hồng ngoại nhìn phía trước

Camera Forward-looking infrared (FLIR) hay camera Cảm biến hồng ngoại nhìn về phía trước, thường được sử dụng trên máy bay quân sự và dân sự, là loại camera ảnh nhiệt có khả năng cảm nhận bức xạ hồng ngoại.

Các cảm biến được lắp trong camera hồng ngoại nhìn về phía trước (FLIR), cũng như trong các camera hình ảnh nhiệt khác, sử dụng việc phát hiện bức xạ hồng ngoại, thường được phát ra từ một nguồn nhiệt (bức xạ nhiệt), để tạo ra hình ảnh tổng hợp phục vụ xuất video.

Chúng có thể được sử dụng để giúp phi công và lái xe điều khiển phương tiện vào ban đêm hoặc trong sương mù, hoặc để phát hiện các vật ấm trên nền mát hơn. Bước sóng hồng ngoại mà các camera hình ảnh nhiệt cảm nhận là từ 3 đến 12 μm, khác biệt rõ so với thiết bị nhìn đêm, vốn hoạt động trong phổ ánh sáng khả kiến và cận hồng ngoại (0,4 đến 1,0 μm).

Thiết kế 

Tia hồng ngoại chia thành hai dải cơ bản: dài (long-wave) và trung bình (medium-wave).

 Camera hồng ngoại dài (LWIR – Long-Wave Infrared), đôi khi gọi là “hồng ngoại xa”, hoạt động trong khoảng 8–12 μm và có thể nhìn thấy các nguồn nhiệt, như bộ phận động cơ nóng hoặc nhiệt cơ thể con người, ở khoảng cách vài km. Việc quan sát xa hơn trở nên khó khăn vì tia hồng ngoại bị hấp thụ, tán xạ và khúc xạ bởi không khí và hơi nước.  Một số camera LWIR yêu cầu bộ cảm biến được làm lạnh cực trị (cryogenic) trong vài phút trước khi sử dụng, mặc dù một số camera nhạy vừa phải thì không cần. Nhiều thiết bị hình ảnh nhiệt, bao gồm cả một số camera FLIR (như một số hệ thống tầm nhìn nâng cao LWIR – EVS), cũng không cần làm lạnh.
 Camera hồng ngoại trung bình (MWIR – Medium-Wave Infrared) hoạt động trong khoảng 3–5 μm. Những camera này nhìn gần như tương đương LWIR, vì tần số này ít bị ảnh hưởng bởi hấp thụ hơi nước, nhưng thường yêu cầu mảng cảm biến đắt tiền hơn và làm lạnh cực trị.

Nhiều hệ thống camera sử dụng xử lý hình ảnh kỹ thuật số để nâng cao chất lượng hình ảnh.

 Mảng cảm biến hồng ngoại thường có độ nhạy không đồng đều giữa các điểm ảnh, do hạn chế trong quá trình sản xuất.
 Để khắc phục, phản ứng của từng điểm ảnh được đo tại nhà máy, và một phép biến đổi (thường là tuyến tính) được áp dụng để chuẩn hóa tín hiệu đầu ra.

Một số công ty cung cấp công nghệ tiên tiến, kết hợp hình ảnh phổ ánh sáng khả kiến với hình ảnh phổ hồng ngoại để tạo ra hình ảnh tốt hơn so với chỉ một phổ đơn lẻ.

Tính chất và ứng dụng 
Camera hình ảnh nhiệt, ví dụ như Raytheon AN/AAQ-26, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực:

 Tàu hải quân
 Máy bay cánh cố định
 Trực thăng
 Xe chiến đấu bọc thép
 Điện thoại quân sự (military-grade smartphones)

Trong chiến tranh, camera nhiệt có ba lợi thế nổi bật so với các công nghệ hình ảnh khác:

 Hệ thống gần như không thể bị phát hiện bởi đối phương, vì nó nhận năng lượng phát ra từ mục tiêu thay vì phát năng lượng rồi nhận lại phản xạ, như radar hay sonar.
 Nhìn thấy bức xạ trong phổ hồng ngoại, khó bị ngụy trang.
 Có thể nhìn qua khói, sương mù, bụi mờ và các vật cản khí quyển tốt hơn camera ánh sáng khả kiến.

Nguồn gốc thuật ngữ “Forward-Looking” 

 Thuật ngữ “forward-looking” dùng để phân biệt hệ thống hình ảnh nhiệt cố định hướng về phía trước với các hệ thống hồng ngoại theo dõi ngang, còn gọi là “push broom” imagers, và các hệ thống hình ảnh nhiệt khác như hệ thống gimbal, cầm tay, v.v.
 Hệ thống pushbroom thường dùng trên máy bay và vệ tinh.
 Loại này sử dụng một mảng điểm ảnh 1 chiều (1D), dựa vào chuyển động của máy bay hoặc vệ tinh để quét mặt đất và tạo ra hình ảnh 2D theo thời gian.
 Không thể dùng cho hình ảnh thời gian thực và phải quan sát vuông góc với hướng di chuyển.

Lịch sử 

 Năm 1956, Texas Instruments (TI) bắt đầu nghiên cứu công nghệ hồng ngoại, dẫn tới nhiều hợp đồng quét tuyến (line scanner).
 Năm 1963, camera hồng ngoại nhìn về phía trước (FLIR) đầu tiên được phát minh với việc thêm gương quét thứ hai, và bắt đầu sản xuất năm 1966.
 Năm 1972, TI giới thiệu khái niệm Common Module, giúp giảm chi phí đáng kể và cho phép tái sử dụng các linh kiện chung.

Sử dụng 

Ứng dụng dân sự và quân sự của camera hình ảnh nhiệt FLIR bao gồm:

 Phát hiện và giám sát giao thông bằng video.
 Phát hiện và/hoặc giám sát động vật có vú.
 Phát hiện người nhập cư trái phép ẩn trong xe tải
 Cảnh báo lái xe về vật cản đường đột ngột, như hươu
 Xác định vị trí qua khói và/hoặc sương mù
 Tìm kiếm và cứu hộ người mất tích, đặc biệt ở khu vực rừng rậm hoặc trên mặt nước
 Khóa mục tiêu và theo dõi bằng máy bay quân sự hoặc dân sự
 Giám sát nhiệt độ lưu vực nước và môi trường sinh sống của động vật hoang dã
 Phát hiện mất năng lượng, tiêu thụ năng lượng, hoặc khuyết điểm cách nhiệt
 Lập bản đồ mức độ cách nhiệt (ống dẫn, tường, mối nối…) để giảm tiêu thụ năng lượng HVAC
 Kiểm soát chất lượng các hệ thống điện (hình ảnh có thể cho thấy tải cao bất thường, hoặc mối nối kém, có nguy cơ hỏng)
 Tìm phòng thí nghiệm ma túy hoặc trồng cần sa trong nhà, đặc biệt vào ban đêm
 Hỗ trợ lái máy bay trong điều kiện tầm nhìn thấp (IMC)
 Xác định nguồn cháy trong hoạt động chữa cháy
 Giám sát núi lửa đang hoạt động
 Phát hiện mối nối điện, kết nối, hoặc linh kiện quá nhiệt hoặc hỏng
 Lái xe ban đêm
 Nhận dạng hoặc khóa mục tiêu xe cộ hoặc nhân sự đối phương trên mặt đất

Chi phí 

 Giá thiết bị hình ảnh nhiệt nói chung đã giảm mạnh, nhờ sự ra đời của các cảm biến hồng ngoại di động và cố định rẻ tiền, dựa trên công nghệ cơ điện vi mô (MEMS), phục vụ các ứng dụng thương mại, công nghiệp và quân sự. 
 Các thiết kế camera cũ dùng gương quay để quét hình ảnh lên cảm biến nhỏ; các camera hiện đại không còn dùng cách này, giúp giảm chi phí.
 Công nghệ không làm lạnh (uncooled), có trong nhiều sản phẩm Enhanced Flight Vision System (EFVS / EVS), giảm chi phí chỉ còn một phần nhỏ so với công nghệ làm lạnh cũ, nhưng hiệu năng tương đương.  
 EVS đang trở nên phổ biến trên nhiều loại máy bay cánh cố định và trực thăng, từ Cirrus, Cessna đến các máy bay doanh nhân lớn.

Hoạt động của cảnh sát và pháp lý 

 Năm 2001, Tòa án Tối cao Hoa Kỳ trong vụ Kyllo kiện Hoa Kỳ quyết định rằng việc giám sát tài sản tư nhân (ví dụ để phát hiện đèn trồng cần sa phát nhiệt cao) bằng camera hồng ngoại mà không có lệnh khám xét là vi phạm Tu chính án thứ tư về bảo vệ chống các cuộc khám xét và tịch thu bất hợp pháp.
 Năm 2004, Tòa án tối cao Canada  trong vụ R. v. Tessling xác định rằng việc sử dụng FLIR bay trên không trong giám sát của cảnh sát là hợp pháp mà không cần lệnh khám xét.
 Tòa án cho rằng dữ liệu FLIR thu được không tiết lộ thông tin cá nhân của người trong nhà, do đó không vi phạm quyền theo Điều 8 trong Hiến chương Quyền và Tự do (1982).
 Luật sư Ian Binnie phân biệt pháp luật Canada với phán quyết Kyllo, đồng ý rằng công chức công cộng không cần phải tránh thiết bị của họ khỏi phát hiện các phát xạ trong phạm vi công cộng, như: nhiệt độ quá cao, dấu vết khói, mùi khả nghi, khí không mùi, bụi trong không khí hoặc phóng xạ, bất kỳ điều nào cũng có thể xác định mối nguy cho cộng đồng.
 Tháng 6/2014, Chương trình Giám sát Hàng không Canada (National Aerial Surveillance Program) dùng máy bay DHC-8M-100 gắn cảm biến hồng ngoại đã hỗ trợ tìm kiếm Justin Bourque, một kẻ trốn truy nã đã sát hại 3 cảnh sát Hoàng gia Canada ở Moncton.
 Phi hành đoàn dùng camera cảm biến nhiệt tiên tiến để phát hiện dấu nhiệt của Bourque trong bụi rậm lúc nửa đêm.

 Trong biểu tình Baltimore năm 2015, FBI thực hiện 10 nhiệm vụ giám sát trên không từ 29/4 đến 3/5, bao gồm thu thập video FLIR chuyển động đầy đủ trong phổ hồng ngoại và màu ban ngày.
 Hệ thống FLIR Talon nhiều cảm biến với tia laser hồng ngoại vô hình được dùng để chiếu sáng và thu dữ liệu ban đêm.
 Liên đoàn Tự do Dân sự Mỹ (ACLU) bày tỏ quan ngại rằng công nghệ giám sát mới được triển khai mà không có hướng dẫn tư pháp hay thảo luận công khai.
 Luật sư Nathan Wessler (ACLU) nhận định:“Đây là tình trạng chúng ta thấy lặp đi lặp lại với các tiến bộ giám sát. Khi thông tin rò rỉ, chương trình đã được triển khai vững chắc, gần như không thể thu hồi và rất khó áp đặt giới hạn hoặc giám sát.”

Tham khảo

Link ngoài 

 Electro-Optical Systems
 Thermal Imaging Sensors (Defence Today)
 Comparison Chart