¿Cómo elegir un núcleo infrarrojo para un sistema EO/IR?

El núcleo infrarrojo EO/IR no se elige simplemente por “tener más resolución”. La decisión debe cerrarse junto con el alcance de detección, la apertura óptica, el peso de la carga útil, el enlace de vídeo, la plataforma de algoritmos y el presupuesto. Un núcleo LWIR no refrigerado de 640×512 puede ser más adecuado que un MWIR refrigerado de 1280 para un UAV pequeño; pero en identificación de largo alcance, objetivos marítimos o escenas con fondo térmico complejo, un MWIR refrigerado puede ser la única opción técnicamente viable.

Selección de núcleo infrarrojo EO/IR: primero defina la banda espectral

En los sistemas EO/IR, el canal infrarrojo suele agruparse en tres familias principales:

• LWIR: 8–14μm, habitual en núcleos no refrigerados. Es apropiado para seguridad 24/7, vehículos, robots móviles y observación de corto a medio alcance.
• MWIR: 3–5μm, normalmente con detector refrigerado. Ofrece alta sensibilidad y mejor capacidad a larga distancia, por lo que se usa en plataformas aéreas, vigilancia fronteriza, sistemas navales y gimbals de gama alta.
• SWIR: 0.9–1.7μm, o rangos más amplios. Su imagen se parece más a la visible y resulta útil en baja iluminación, observación de puntos láser, penetración parcial de humo y diferenciación de materiales.

Para la nomenclatura de bandas puede consultarse ISO 20473:2007, que define bandas espectrales para óptica y fotónica. En proyectos con requisitos de modelado, adquisición de objetivos o reconocimiento EO/IR, también conviene revisar literatura técnica como estudios de SPIE sobre probabilidades de detección, reconocimiento e identificación y referencias de IEEE sobre simulación infrarroja aerotransportada para reconocimiento.

Si el objetivo del sistema es visión nocturna vehicular, protección perimetral o evitación de obstáculos en robots móviles, normalmente se evalúa primero un LWIR no refrigerado como SPECTRA L06 640×512 LWIR 12μm. Si la misión exige detección de objetivos a nivel de 10km, identificación en bajo contraste o operación en fondos térmicos difíciles, conviene pasar directamente a MWIR refrigerado, por ejemplo SPECTRA M06 640×512 Cooled MWIR 15μm.

Cómo combinar resolución, tamaño de píxel y distancia focal

La resolución del núcleo determina cuántas muestras hay dentro del campo de visión. El tamaño de píxel afecta la distancia focal necesaria, el volumen del sistema óptico y el IFOV, o campo instantáneo por píxel. Estas son combinaciones habituales:

Por ejemplo, un núcleo de 640×512 y 12μm con una lente de 50mm ofrece un campo horizontal aproximado de 8.8°. Si se cambia a 1280×1024 con el mismo tamaño de píxel y la misma lente de 50mm, el campo horizontal se acerca a 17.5°, cubriendo más escena a la misma distancia. Si se mantiene el mismo FOV, el sensor de mayor resolución permite usar una focal más larga, aumentando los píxeles sobre el objetivo y mejorando la identificación y el seguimiento.

En cargas EO/IR que combinan búsqueda de amplio campo con identificación de campo estrecho, un núcleo de 1280 puede reducir la dependencia de conmutaciones mecánicas y de zoom digital agresivo. En ese caso se puede evaluar SPECTRA L12 1280×1024 LWIR o una solución MWIR refrigerada de 1280×1024.

Alcance de detección, reconocimiento e identificación: no basta el valor comercial

La selección de ingeniería debe estimar el rendimiento con tamaño del objetivo, diferencia térmica con el fondo, transmisión atmosférica, número F de la lente, NETD del detector y procesamiento de imagen. La referencia práctica más usada es el criterio de Johnson:

• Detección: la dimensión crítica del objetivo ocupa aproximadamente 1–2 píxeles;
• Reconocimiento: se requieren alrededor de 6–8 píxeles;
• Identificación: normalmente se necesitan más de 12 píxeles, y más aún para objetivos complejos.

Tomemos como ejemplo un vehículo de 2.3m de ancho. Si el IFOV del sistema es 0.24mrad, a 5km ese vehículo ocupa unos 1.9 píxeles de ancho: está cerca del nivel de “detección”, pero no de reconocimiento estable. Para reconocerlo con fiabilidad suelen requerirse 6–8 píxeles sobre la anchura, lo que implica un IFOV de unos 0.06–0.08mrad. Esa exigencia aumenta directamente la distancia focal, la apertura, el coste y la demanda sobre la estabilización del gimbal.

Por eso una especificación de compra no debería limitarse a “alcance de detección ≥10km”. Es mucho más útil definir: tipo y tamaño de objetivo, diferencia térmica, visibilidad, nivel de discriminación, frecuencia de imagen, campo de visión y entorno de prueba. Por ejemplo: “vehículo de 2.3m×2.3m, diferencia térmica con el fondo ≥2K, visibilidad ≥10km, distancia de reconocimiento ≥5km”.

Interfaces, potencia y formato mecánico: factores que definen el coste de integración

En la integración de un sistema EO/IR, el núcleo infrarrojo debe revisarse al menos contra estos requisitos:

• Interfaz de vídeo: MIPI CSI-2, Camera Link, LVDS, USB, GigE, HD-SDI;
• Interfaz de control: UART, RS422, CAN, Ethernet;
• Sincronización: disparo externo, timestamp, PPS y sincronía con cámara visible;
• Procesamiento interno: NUC, corrección de píxeles defectuosos, AGC, DDE, seudocolor y salida de datos de temperatura;
• Alimentación: 5V, 12V o entrada de amplio rango;
• Consumo: en no refrigerados suele estar entre 1.5–4W; en MWIR refrigerado puede superar 8–20W;
• Tiempo de arranque: los no refrigerados suelen estabilizarse en segundos; los refrigerados requieren que el cooler llegue a régimen, a menudo 3–8 minutos;
• Entorno: temperatura de operación, vibración, choque, humedad, niebla salina y compatibilidad electromagnética.

En proyectos aéreos y UAV, el cálculo SWaP, Size, Weight and Power, es crítico. Las cargas pequeñas priorizan volumen y consumo; los pods EO/IR de mayor tamaño suelen priorizar identificación a larga distancia y precisión de estabilización. Para escenarios de este tipo, puede consultarse la aplicación de Airborne/UAV.

Cuándo tiene sentido usar doble banda o una placa AI

Si el sistema EO/IR requiere fusión día/noche, detección de objetivos, seguimiento automático o salida de baja latencia, elegir solo el núcleo infrarrojo no es suficiente. También hay que considerar el canal visible y la plataforma de cómputo. Un módulo de doble banda reduce trabajo de sincronización, calibración y apilado mecánico. Por ejemplo, FUSION LV0625A 640×512+2560×1440 MIPI 35mm integra LWIR y visible para una carga compacta de doble sensor.

Conviene considerar doble banda o AI cuando:

• Se necesita fusión coaxial o casi coaxial entre infrarrojo y visible;
• El sistema requiere detección, clasificación y seguimiento en lazo cerrado;
• No hay espacio para integrar dos cámaras independientes;
• El enlace MIPI debe entrar directamente en un SoC, reduciendo placas de captura y cableado;
• El objetivo de compra es producción en serie, no un prototipo de laboratorio.

No conviene adelantar una arquitectura de fusión compleja si el canal térmico aún no está cerrado, la distancia focal cambia con frecuencia, faltan datos de entrenamiento o la estabilización del gimbal no está validada. En esa fase, resolver primero alcance, FOV y calidad de imagen con un único canal infrarrojo suele reducir más riesgo.

Conclusión: elija por misión, no por tabla de parámetros

Para seguridad de medio y corto alcance, vehículos, robots y UAV generales, la primera opción suele ser un LWIR no refrigerado de 640×512. Las variables clave son NETD, consumo, interfaz y disponibilidad de lentes. Si se necesita mayor campo de visión o más margen de zoom electrónico, entonces tiene sentido pasar a 1280×1024 LWIR.

Para EO/IR de larga distancia, vigilancia fronteriza, objetivos marítimos o pods aerotransportados, se debe evaluar MWIR refrigerado desde el inicio. Los indicadores centrales son sensibilidad del detector, tiempo de enfriamiento, compatibilidad con lentes de larga focal y estabilidad de la plataforma.

Si el proyecto terminará en reconocimiento automático y fusión día/noche, la sincronización de doble banda, la calibración y la capacidad de cómputo deben entrar en el diseño desde las primeras fases, antes de congelar la estructura mecánica.

Preguntas frecuentes

Q1: ¿Conviene elegir 640×512 o 1280×1024?

Depende de los píxeles sobre el objetivo y del campo de visión. 640×512 cubre la mayoría de proyectos de corto y medio alcance con menor coste, consumo y volumen de datos. 1280×1024 es mejor para búsqueda de amplio campo, zoom electrónico e identificación a mayor distancia, pero exige más a la lente, el ancho de banda y el procesador.

Q2: ¿Un LWIR no refrigerado sirve para EO/IR de largo alcance?

Puede servir para detección y vigilancia, pero su capacidad de reconocimiento a larga distancia es limitada. Si el proyecto exige identificar objetivos pequeños a varios kilómetros, especialmente con bajo contraste térmico, un MWIR refrigerado suele ser más robusto.

Q3: ¿Un NETD más bajo siempre significa mejor imagen?

No necesariamente. Un NETD bajo ayuda con diferencias térmicas débiles, pero la imagen real también depende del número F de la lente, transmisión óptica, calibración, algoritmo, entorno y cadena de visualización. En compras técnicas, conviene validar con imágenes reales y distancias de objetivo representativas.

Q4: ¿Debe un sistema EO/IR empezar directamente con doble banda?

Si los requisitos incluyen fusión día/noche, seguimiento automático o confirmación visible, sí conviene definir la doble banda desde el inicio. Si el objetivo inicial es comprobar alcance térmico, campo de visión y calidad de imagen, un único núcleo infrarrojo permite una validación más directa.