Plancksches Gesetz
 

 Wärmebildgeräte

Wärmebildgeräte erzeugen ein ähnliches Bild wie eine Videokamera. Der entscheidende Unterschied liegt darin, dass nicht die Strahlung im visuellen Bereich detektiert wird sondern IR-Strahlung, meist aus einem der beiden Fenster MIR oder FIR.

In vielen Fällen kommen Wärmebildgeräte dort zum Einsatz, wo man gerne einen optischen Sensor, also ein visuelles Bild der Szenerie hätte, dies aus irgendwelchen Gründen wie zum Beispiel Dunkelheit oder Wetter aber nicht möglich ist.

In solchen Situationen ist ein Wärmebildgerät anderen Sensoren überlegen, obwohl es natürlich auch Situationen gibt, in denen das Wärmebildgerät "blind" ist (z.B. heftiger Regen).

Das Wärmebildgerät ist ein passiver Sensor, das heisst der Beobachtete kann nicht erkennen, dass er von einem Wärmebildgerät aufgefasst wurde.
Dies ist zum Beispiel im Vergleich zum Radar ein nicht zu unterschätzender Vorteil: Bereits im Kapitel Signaturoptimierung wurde erläutert, dass man unter EMCON-Bedingungen immer zuerst Kenntnis von der Position des Gegners hat, wenn die eigene Auffassreichweite größer ist, als die Detektionsreichweite der gegnerischen Sensoren. Beides hängt wie wir gelernt haben neben der Leistungsfähigkeit der Sensoren von der eigenen Signatur ab.

Unterscheidungsmerkmale

Wärmebildgeräte unterscheiden sich je nach Anwendungszweck und Einsatzraum vor allem in folgenden Kriterien:

Auf die Unterschiedlichen Eigenschaften der verschiedenen Spektralbereiche wurde bereits im Abschnitt Spektrum kurz eingegangen.

Ein Wärmebild im MIR enthält einen erheblich größeren Anteil Solarstrahlung. Dieser Effekt wird dadurch verstärkt, dass die Reflexionsgrade handelsüblicher Farben zu kleineren Wellenlängen hin größer werden.
Abgase eines Dieselmotors oder einer Gasturbine sieht man fast ausschließlich im MIR - es sei denn sie enthalten feste Partikel.
Der wesentliche Unterschied und häufigstes Auslegungskriterium ist jedoch die unterschiedliche Eignung der beiden Spektralbereiche für verschiedene Klimazonen: In feuchter und heisser Umgebung ist das MIR-Gerät dem FIR-Gerät überlegen, in unseren Breiten ist es umgekehrt.
Um die Vorteile beider Spektralbereiche zu nutzen, geht man inzwischen so weit, dass man zwei Wärmebildgeräte wahlweise oder sogar parallel betreibt. Es werden sogar schon Detektoren entwickelt, die beide Spektralbereiche abdecken. Dabei handelt es sich um Arrays, die sowohl MIR- als auch FIR-Detektoren enthalten.

Die Anzahl der Detektoren wird zunächst beeinflusst von der Frage, ob das Wärmebildgerät als Messgerät (für Strahlungstemperatur) dienen soll oder nicht. Falls ja, ist man automatisch auf einen einzigen Detektor festgelegt, weil die Kalibrierung sonst zu aufwändig wäre.
Diesen einen Detektor lässt man dann die Szene abtasten. Das geschieht meist mit Hilfe eines rotierenden Prismas oder mit schwingenden Spiegeln, so dass der Detektor selbst, der ja in der Regel gekühlt werden muss, und die Optik, die je nach gewünschtem Sehfeld recht groß werden kann, fest stehen können.
Nachteil des abtastenden Verfahrens: Die Bildpunkte werden nacheinander statt gleichzeitig aufgenommen, deshalb werden dynamische Vorgänge verzerrt. Die Rororblätter eines Hubschraubers beispielsweise erscheinen in einem solchen Wärmebild gekrümmt.

Soll das Wärmebildgerät nur als Bilddarsteller dienen, kann man problemlos Detektorarrays verwenden. Trotzdem lässt man heute auch solche Geräte die Szenerie noch abtasten, um zum einen die Auflösung zu verbessern und zum anderen das Signal zu verstärken:
Arbeitet man beispielsweise mit einem Array von 96 Zeilen x 4 Spalten von Elementen und lässt die Szenerie in 3 Zeilen mit diesem Detektor abtasten, dann entsteht ein Bild mit insgesamt 288 Zeilen.
Die Signale der vier Spalten kann man jeweils aufaddieren, weil ja an jedem der vier Elemente der selbe Bildpunkt vorbeikommt; dadurch wird die Signalqualität verbessert.

Bei großen Arrays wird häufig der sogenannte Microscan verwendet, dessen Wirkungsweise in nachfolgendem Bild veranschaulicht wird:

Prinzip des Microscanverfahrens

(Quelle: [11])

Der neueste Stand der Technik sind Wärmebildgeräte, die überhaupt nicht mehr abtasten sondern ein Detektorarray besitzen, dass so viele Bildpunkte hat, dass damit die gewünschte Auflösung erzielt wird.

Die Kühlung kann als gelöstes Problem betrachtet werden. Je nach Anwendungsbereich verwendet man entweder flüssigen Stickstoff oder Stirlingmotoren. Letztere mit dem Nachteil von Geräusch und Vibration, ersteres mit einer etwas schwierigeren Handhabbarkeit, weil der flüssige Stickstoff mit einer Temperatur von 77K (-196C) bei längerem Betrieb auch nachgefüllt werden muss!
Für kurzfristige Anwendungen zum Beispiel in Suchköpfen wird auch Druckluft als Kühlmittel verwendet, in dem man den Kühleffekt bei schlagartiger Dekompression nutzt.
Inzwischen gibt es auch Wärmebildgeräte mit ungekühlten Detektoren, die durchaus akzeptable Leistungsfähigkeit aufweisen.

Das Sehfeld oder Field of View (FoV) eines Wärmebildgerätes bestimmt die Größe des Bildausschnitts der Szenerie, die das Gerät aufzeichnet, aber - in Verbindung mit der Anzahl Bildpunkte, die erzeugt werden - auch die geometrische Auflösung. Je kleiner das Sehfeld ist ("Teleobjektiv"), desto größer ist in der Regel die erforderliche Optik, desto mehr Einzelheiten eines Objekts können aber in einer bestimmten Entfernung noch erkannt werden, weil mehr Pixel pro Flächeneinheit zur Verfügung stehen.
Man kann sich das Sehfeld aus vielen kleinen Sehfeldern zusammengesetzt vorstellen: Jeder Bildpunkt hat ein kleines Sehfeld; Objekte, die in diesem Raumwinkel auftauchen, tragen zu der an diesem Bildpunkt auftreffenden Strahlung bei. Man nennt dieses Sehfeld des Bildpunktes auch Instantanious Field of View (IFoV).




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