Können Wärmebilder auch bei Nebel und Regen erfasst werden?

Messtechnische Auswirkungen von Nebel und Regen auf die Leistung von IR-Kameras

Wärmebildkameras funktionieren in völliger Dunkelheit und erzeugen klare, scharfe Bilder, ohne dass Licht benötigt wird. Dies macht Infrarotkameras zu hervorragenden Instrumenten für zahlreiche Nachtsichtanwendungen.

„Wie weit können Sie mit einer Wärmebildkamera sehen?“ ist eine häufig gestellte Frage, die für die meisten Nachtsichtanwendungen von Belang ist. Die mit einer Wärmebildkamera erkennbare Entfernung, auch als Reichweite bezeichnet, hängt stark von einer Reihe von kameraabhängigen Variablen ab:

• Welches Objektiv verwenden Sie?
• Ist die Kamera mit einem gekühlten oder ungekühlten Detektor ausgestattet?
• Wie empfindlich ist sie?
• Wie groß ist das Objekt, das Sie erkennen möchten?
• Wie hoch ist die Temperatur des Ziels und des Hintergrunds?

Die „Wie weit ...“-Frage wird am häufigsten unter idealen klimatischen Bedingungen beantwortet, was bedeutet, dass Ihre nächsten Fragen lauten sollten: „Wie verhält es sich mit der Reichweite bei Nebel, Regen oder anderen erschwerenden Witterungsbedingungen?“

Obwohl Wärmebildkameras auch bei völliger Dunkelheit, leichtem Nebel, leichtem Regen und Schnee sehen können, wird Ihre Sichtweite durch diese atmosphärischen Bedingungen beeinträchtigt.

Die Übertragung von Infrarotstrahlung

Selbst bei wolkenlosem Himmel ist die Sichtweite einer bestimmten Infrarotkamera durch die inhärente atmosphärische Absorption begrenzt. Eine Wärmebildkamera erzeugt Bilder auf der Grundlage der Unterschiede in der Wärmestrahlung, die ein Objekt abgibt. Je weiter der Weg, den dieses Infrarotsignal vom Ziel zur Kamera zurücklegen muss, desto mehr von diesem Signal kann unterwegs verloren gehen.

Das bedeutet, dass der Abschwächungsfaktor berücksichtigt werden muss, mit anderen Worten das Verhältnis von einfallender Strahlung zu durch ein Abschirmmaterial durchgelassener Strahlung. Feuchte Luft fungiert als „Schild“ für Infrarotstrahlung. Die Luftfeuchtigkeit ist in den Sommermonaten in der Regel höher als in den Wintermonaten, was zu einer stärkeren Abschwächung führt. Im Allgemeinen können Sie mit einer Wärmebildkamera bei klarem Himmel und guten Wetterbedingungen im Winter weiter sehen als im Sommer.

Aber feuchte Luft ist nur ein Beispiel dafür, wie Infrarotstrahlung verloren gehen kann. Es gibt andere klimatische Bedingungen, die sich weitaus negativer auf die Reichweite einer Wärmebildkamera auswirken.

So können Nebel und Regen die Reichweite eines Wärmebildsystems aufgrund der Lichtstreuung an Wassertropfen stark einschränken. Je höher die Tropfenkonzentration, desto stärker wird das Infrarotsignal abgeschwächt. Eine wichtige Frage, die sich Nutzer von Infrarotkameras stellen, ist, inwieweit Regen oder Nebel die Reichweite einer Wärmebildkamera einschränken und wie diese mit der Reichweite einer normalen Kamera verglichen werden kann.

Nebelklassen

Nebel ist eine sichtbare Ansammlung winziger Wassertröpfchen, die in der Atmosphäre an oder nahe der Erdoberfläche schweben. Wenn die Luft fast vollständig mit Wasserdampf gesättigt ist, bedeutet dies, dass die relative Luftfeuchtigkeit fast 100 % beträgt. Dies ermöglicht die Bildung von Nebel bei Vorhandensein einer ausreichenden Anzahl von Kondensationskernen, oft in Form von Rauch- oder Staubpartikeln.

Es gibt verschiedene Arten von Nebel. Advektionsnebel entsteht durch die Vermischung zweier Luftmassen mit unterschiedlichen Temperaturen und/oder Luftfeuchtigkeiten. Eine andere Form ist der Strahlungsnebel. Dieser entsteht durch einen Prozess der Strahlungskühlung der Luft bei Temperaturen nahe dem Taupunkt.

Einige Nebelbänke sind dichter als andere, weil die Wassertröpfchen durch Anlagerung größer geworden sind. Bei Nebel können Tröpfchen mehr Wasser aufnehmen und erheblich an Größe gewinnen. Die Frage, ob die Streuung im IR-Wellenbereich im Vergleich zum sichtbaren Bereich geringer ist, hängt von der Größenverteilung der Tröpfchen ab.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Nebel zu klassifizieren. Eine häufig verwendete Klassifizierung ist die der Internationalen Zivilluftfahrt-Organisation (International Civil Aviation Organization, ICAO). Nach diesem System kann Nebel in vier Kategorien eingeteilt werden:

Kategorie I: Sichtweite von 1.220 Metern
Kategorie II: Sichtweite von 610 Metern
Kategorie IIIa: Sichtweite von 305 Metern
Kategorie IIIc: Sichtweite von 92 Metern

Der Grund für die Verschlechterung der Sicht bei Nebel ist die Absorption und Streuung von natürlichem oder künstlichem Licht durch Nebelpartikel. Das Ausmaß der Absorption und Streuung hängt von der mikrophysikalischen Struktur der Nebelpartikel ab, die auch als Aerosole bezeichnet werden.

Ausbreitungsmodell mit mittlerer Auflösung (MODTRAN)

MODTRAN ist ein atmosphärischer Strahlenübertragungscode, der von der United States Air Force erstellt und unterstützt wird. Dieses Modell ist in der Lage, die Atmosphäre unter einer Vielzahl von atmosphärischen Bedingungen zu modellieren. Es kann atmosphärische Eigenschaften vorhersagen, darunter Pfadstrahlung, Pfadübertragung, Himmelsstrahlung und die Sonnen- und Mondstrahlung, die die Erdoberfläche erreicht, und das für eine Vielzahl von Wellenlängen und spektralen Auflösungen.

MODTRAN ermöglicht die Berechnung von Übertragung und Strahlkraft in einem breiten Spektralbereich. Es bietet sechs Klimamodelle für verschiedene geografische Breitengrade und Jahreszeiten. Das Modell definiert auch sechs verschiedene Aerosoltypen, die in den einzelnen Klimazonen auftreten können. Jedes dieser Klimamodelle kann mit verschiedenen Aerosolen kombiniert werden.

Wie weit Sie mit einer Wärmebildkamera durch Nebel oder Regen hindurchsehen können, hängt auch vom Klima ab, in dem Sie die Kamera verwenden, und von der Art des Aerosols, das in diesem spezifischen Klima vorkommt.

Die Eingangsdaten für das MODTRAN-Modell

Die Eingabedaten für das MODTRAN-Modell sind die oben genannten spezifischen Klimata und Aerosole, aber auch die Sichtbarkeit gemäß den ICAO-Kategorien, die Geometrie und Länge des atmosphärischen Pfads sowie die Temperatur und der Emissionsgrad von Ziel und Hintergrund.

Im Allgemeinen zeigt ein Vergleich der verschiedenen Aerosole, dass die maritimen Aerosole unabhängig vom Klimamodell immer die niedrigste Erkennungsreichweite aufweisen, da maritime Aerosole im Durchschnitt größere Partikelradien besitzen als ländliche und städtische Aerosole. Die ländlichen und städtischen Aerosole erzeugen deutlich größere IR-Erfassungsbereiche.

Das bedeutet, dass Ihre Sicht bei nebligen Verhältnissen auf See stärker beeinträchtigt ist als an Land, unabhängig von der Art des Klimas.

Wärmebildkamera und Ziel

Genauso wie die Art und Dicke der Atmosphäre Einfluss darauf haben, wie weit man durch Nebel hindurchsehen kann, sind auch die Art der Infrarotkamera und der Wellenbereich, in dem die Kamera arbeitet, von Bedeutung.

Für Wärmebildkameras sind zwei Wellenbereiche von Bedeutung: 3,0–5,0 μm (MWIR) und 8–12 μm (LWIR). Der 5–8-μm-Bereich wird durch die spektrale Absorption der Atmosphäre durch Wasserdampf in einem so enormen Ausmaß blockiert, dass er nur selten für die Bildgebung verwendet wird.

Das elektromagnetische Spektrum

Wärmebildkameras, die mit ungekühlten Sensoren ausgestattet sind, sind für den Einsatz im langwelligen Infrarotbereich (LWIR) zwischen 7 und 14 Mikrometern Wellenlänge ausgelegt, wo terrestrische Ziele den größten Teil ihrer Infrarotenergie abgeben und die Erkennung ohne Kühlung einfach ist.

Wärmebildkameras, die mit gekühlten Detektoren ausgestattet sind (bei denen die Sensoren auf kryogene Temperaturen gekühlt werden), sind am empfindlichsten für kleine Temperaturunterschiede in der Umgebungstemperatur und in der Regel für die Bildgebung im mittleren Infrarotbereich (MWIR) oder im langwelligen Infrarotbereich (LWIR) ausgelegt.

Die spektrale Übertragung ist in den MWIR- und LWIR-Bereichen unterschiedlich. Daher gibt es einen Leistungsunterschied zwischen den Ergebnissen mit einer Wärmebildkamera, die mit einem ungekühlten LWIR-Detektor ausgestattet ist, im Vergleich zu den mit einer Wärmebildkamera, bei der Sie dank eines MWIR-Detektors durch Nebel hindurchsehen können.

Ergebnisse des atmosphärischen Übertragungsmodells – Nebel

Die spektrale Übertragung in der Atmosphäre für verschiedene Bereiche ermöglicht einen einfachen qualitativen Vergleich der Sichtbarkeit in verschiedenen atmosphärischen Fenstern.

Abbildung 1 zeigt die spektrale Übertragung für Nebel der Kategorie I in mittleren Breitengraden im Sommer und für ländliche Aerosole. Im sichtbaren Spektralbereich (0,4–0,75 Mikrometer) ist die Übertragung deutlich geringer als in den beiden thermischen IR-Fenstern (zwischen 3–5 und 8–12 Mikrometer). Unter diesen Bedingungen kann eine Wärmebildkamera deutlich weiter sehen als das bloße Auge, unabhängig davon, ob sie einen Langwellen- oder Mittelwellendetektor verwendet.

Abbildung 1 ©Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Wenn wir die Sichtbarkeit im Modell auf CAT-II-Bedingungen mit Strahlungsnebel reduzieren, sagt das Modell voraus, dass nur der LWIR-Bereich (8–12 Mikrometer) dem sichtbaren Bereich überlegen ist und dass eine Mittelwellen-Infrarotkamera nicht viel weiter sehen wird als das bloße Auge. (Abbildung 2)

Abbildung 2 ©Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Schließlich gibt es bei Bedingungen der Kategorie III (Abbildung 3) mit einer Sichtweite von weniger als 300 m keine wesentlichen Unterschiede zwischen der Sichtweite mit einer Wärmebildkamera und der Sichtweite mit dem bloßen Auge.

Abbildung 3 ©Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Die Übertragung allein bestimmt nicht vollständig, wie weit und was Sie sehen können, aber der Vergleich zwischen visueller und IR-Übertragung zeigt, ob die Atmosphäre einen bestimmten Wellenbereich begünstigt oder benachteiligt.

Erkennungsbereich

Die atmosphärischen Bedingungen allein reichen nicht aus, um vorherzusagen, wie weit man durch Nebel oder Regen sehen kann. Die Größe des Ziels und der Temperaturunterschied zum Hintergrund müssen beide ebenfalls berücksichtigt werden. Außerdem verringern die begrenzte räumliche Auflösung der Optik und des Detektors sowie das Rauschen des Detektors und der Signalverarbeitung die Kontraststrahlung des Ziels gegenüber dem Hintergrund. Der Einfluss der Übertragungsfunktionen der Infrarotsensoren auf die Kontraststrahlung wird mit dem TACOM Wärmebild-Modell (TACOM Thermal Image Model, TTIM) simuliert. Dieses Modell simuliert verschiedene Arten von Infrarotsensoren mit Fokalebenen-Arrays.

Die folgende Tabelle vergleicht den Erfassungsbereich (in Kilometern) durch Nebel mit dem bloßen Auge (optisch), einer MWIR-Kamera und einer LWIR-Kamera bei einem Temperaturunterschied von 10 °C zwischen Ziel und Hintergrund und einer Erfassungsschwelle von 0,15 K.

Für Kategorie I wird der IR-Erfassungsbereich in einer Bereichsspanne angegeben, die die Variation innerhalb verschiedener Klimata und Aerosole gemäß MODTRAN darstellt. Mit einer LWIR-Kamera herrschen im Winter die besten Bedingungen, wenn die absolute Luftfeuchtigkeit niedrig und die Aerosolverteilung ländlich ist. Im mittleren Welleninfrarotbereich ist die Erfassungsreichweite am besten bei hohen Temperaturen, wie sie im Sommer oder in tropischen Klimazonen häufig auftreten.

Alle Erfassungsbereiche für Infrarot sind bei Nebel der Kategorie I deutlich besser als die visuelle Wahrnehmung. Bei Nebel der Kategorie II ist das Ergebnis mit einer Wärmebildkamera, die mit einem LWIR-Detektor ausgestattet ist, viermal besser als die visuelle Wahrnehmung.

Bei Nebel der Kategorien IIIa und IIIc gibt es praktisch keinen Unterschied zwischen der Sichtweite mit einer Wärmebildkamera und der Sichtweite mit dem bloßen Auge, da die atmosphärischen Bedingungen der begrenzende Faktor sind. Strahlung durchdringt diese Art dichten Nebels nicht in allen (sichtbaren, MWIR- und LWIR-)Spektralbereichen.

Schlussfolgerung und Ergebnisse

Diesen Modellen zufolge bietet der thermische Infrarotbereich im Vergleich zum visuellen Bereich bei Nebel der Kategorien I und II eine bessere Reichweite. Daher sind Wärmebildkameras gut geeignet, um Nutzern zu helfen, durch diese Art von Nebel hindurchzusehen. Die Modelle deuten auch darauf hin, dass Wärmebildkameras potenziell als Landehilfen für Flugzeuge oder als Teil von Fahrerassistenzsystemen für die Transport- und Automobilindustrie nützlich sein könnten.
Darüber hinaus erreichen LWIR-Bildgeber in allen untersuchten Fällen eine höhere Nebelpenetration als MWIR-Bildgeber. Bei Nebel der Kategorie II bietet das langwellige Infrarotspektrum im Vergleich zum mittelwelligen Infrarotspektrum eine etwa viermal bessere Reichweite. Allerdings müssen die thermische Empfindlichkeit des Sensors und die Zielsignaturen berücksichtigt werden, um das beste System für eine bestimmte Anwendung zu finden.

MWIR-Strahlung wird durch Luftschadstoffe und gasförmige Schadstoffe beeinträchtigt (mögliche erhöhte atmosphärische Absorption und/oder erhöhte Strahlungswerte auf dem Weg, die beide den Kontrast des Zielbildes verringern), während LWIR wesentlich weniger beeinträchtigt wird.
Regen kann den Zielkontrast erheblich verringern (aufgrund der erhöhten atmosphärischen Streuung und allgemeinen Verdunkelung), wobei sich LWIR und MWIR bei Regen ähnlich verhalten. Die Leistungsminderung von IR-Systemen aufgrund von Regen ist sehr reichweitenabhängig und führt zu einem dramatischen Abfall im Bereich von 100 bis 500 Metern.

Genauso wie es schwierig ist, eine einfache Antwort auf die Frage „Wie weit kann ich mit einer Wärmebildkamera sehen?“ zu geben, ist es auch unmöglich zu sagen, wie viel kürzer die Reichweite bei Nebel oder Regen sein wird. Dies hängt nicht nur von den atmosphärischen Bedingungen und der Art des Nebels ab, sondern auch von der verwendeten Infrarotkamera und den Eigenschaften des Ziels (Größe, Temperaturunterschied zwischen Ziel und Hintergrund usw.).

Danke an dieser Stelle an Dr. Austin Richards und Herrn T. Hoelter für ihre wertvolle Beiträge und Ratschläge.
Literaturhinweis: K. Beier, H. Gemperlein, Simulation of infrared detection range at fog conditions for Enhanced Vision Systems in civil aviation in Aerospace Science and Technology 8 (2004) 63–71