Termal Görüntüleme Sis ve Yağmur İçini Görebilir mi?

Termal görüntüleme kameraları zifiri karanlıkta görür ve herhangi bir ışığa ihtiyaç duymadan net ve canlı görüntüler üretir. Bu, kızılötesi kameralar sayısız gece görüşü uygulaması için mükemmel araçlar haline gelir.

"Termal görüntüleme kamerasıyla ne kadar uzağı görebilirsiniz?" çoğu gece görüşü uygulaması için cevaplanması son derece önemli olan, sıkça sorulan bir sorudur. Menzil olarak da adlandırılan bir termal görüntüleme kamerasıyla görebileceğiniz mesafe, bir dizi kamera değişkenine büyük ölçüde bağlıdır:

• Hangi lensi kullanıyorsun?
• Kamerada soğutmalı veya soğutmasız dedektör var mı?
• Duyarlılığı nedir?
• Algılamak istediğiniz nesnenin boyutu nedir?
• Hedefin ve arka planın sıcaklığı nedir?

“Ne Kadar Uzak?” sorusuna genellikle ideal iklim koşullarında cevap verilir, yani bir sonraki sorunuzun şu olması gerekir: “Sis, yağmur veya diğer koşullarda menzile ne olur?”

Termal görüntüleme kameraları zifiri karanlıkta, hafif sis, hafif yağmur ve kar yoluyla görebilse de görebildikleri mesafe bu atmosferik koşullardan etkilenir.

Kızılötesi Radyasyonun Geçirgenliği

Açık gökyüzünde bile, doğal atmosferik absorpsiyon, belirli bir kızılötesi kameranın ne kadar uzağı görebileceğini sınırlar. Termal görüntüleme kamerası, bir nesnenin yaydığı termal radyasyon farklılıklarına dayalı olarak görüntüler üretir. Bu kızılötesi sinyalin hedeften kameraya ne kadar uzağa gitmesi gerekiyorsa, bu sinyalin daha fazlası yol boyunca kaybolabilir.

Bu, zayıflatma faktörünün, yani gelen radyasyonun bir koruyucu malzeme aracılığıyla iletilen radyasyon oranının dikkate alınması gerektiği anlamına gelir. Nemli hava, kızılötesi radyasyon için bir "kalkan" görevi görür. Yaz aylarındaki atmosferler, artan nem seviyeleri nedeniyle genellikle kış aylarına kıyasla daha yüksek bir zayıflamaya sahiptir. Genel olarak konuşursak, kışın açık gökyüzü ve iyi hava koşulları, termal görüntüleme kamerasıyla yaza göre daha uzağı görmenizi sağlar.

Ancak nemli hava, kızılötesi radyasyonun nasıl kaybolabileceğinin sadece bir örneğidir. Termal görüntüleme kamerasının menzili için çok daha zararlı olan başka iklim koşulları da vardır.

Sis ve yağmur, ışığın su damlacıklarından saçılması nedeniyle termal görüntüleme sisteminin menzilini ciddi şekilde sınırlayabilir. Damlacıkların yoğunluğu ne kadar yüksek olursa, kızılötesi sinyal o kadar azalır. Termal kızılötesi kamera kullanıcılarının sorduğu önemli bir soru, bir termal kızılötesi kameranın menzil performansını ne kadar yağmur veya sisin sınırlayacağı ve bunun görünür kamera performansı aralığına kıyasla nasıl olduğudur.

Sis Sınıflandırmaları

Sis, atmosferde Dünya yüzeyinde veya yakınında asılı duran küçük su damlacıklarının görünür bir toplamıdır. Hava neredeyse su buharıyla doyduğunda, bu bağıl nemin %100'e yakın olduğu anlamına gelir. Bu, genellikle duman veya toz parçacıkları şeklinde, yeterli sayıda yoğuşma çekirdeğinin varlığında sisin oluşmasına izin verir.

Farklı sis türleri vardır. Adveksiyon sisi, farklı sıcaklık ve/veya neme sahip iki hava kütlesinin karıştırılmasıyla oluşur. Başka bir form, ışınımlı sistir. Bu, havanın çiy noktasına yakın sıcaklıklarda ışınım yoluyla soğutulması sürecinde oluşur.

Bazı sis kümeleri diğerlerinden daha yoğundur çünkü su damlacıkları yığılma yoluyla daha da büyümüştür. Sis koşullarında, damlacıklar daha fazla su emebilir ve boyut olarak önemli ölçüde büyüyebilir. Saçılmanın IR dalga bandında görünür aralığa kıyasla daha az olup olmadığı sorusu, damlacıkların boyut dağılımına bağlıdır.
Sisi sınıflandırmanın farklı yolları vardır. Sık kullanılan bir sınıflandırma, Uluslararası Sivil Havacılık Örgütü (ICAO) tarafından kullanılan sınıflandırmadır. Bu sisteme göre sis 4 kategoriye ayrılabilir:

Kategori I: Görüş mesafesi 1220 metre
Kategori II: Görüş mesafesi 610 metre
Kategori IIIa: Görüş mesafesi 305 metre
Kategori IIIc: Görüş mesafesi 92 metre

Sisli bir atmosferde görünürlüğün bozulmasının nedeni, doğal veya yapay aydınlatmanın sis parçacıkları tarafından emilmesi ve saçılmasıdır. Soğurma ve saçılma miktarı, aerosoller olarak da adlandırılan sis parçacıklarının mikrofiziksel yapısına bağlıdır. 

Orta Çözünürlük Yayılım Modeli  (MODTRAN)

MODTRAN, Amerika Birleşik Devletleri Hava Kuvvetleri tarafından oluşturulan ve desteklenen bir atmosferik ışınımsal transfer kodudur. Atmosferi çeşitli atmosferik koşullar altında modelleme yeteneğine sahiptir. Çok çeşitli dalga boyları ve spektral çözünürlükler için yol parlaklıkları, yol iletimi, gökyüzü parlaklıkları ve yüzeye ulaşan güneş ve ay ışınımları dahil olmak üzere atmosferik özellikleri tahmin edebilir.

MODTRAN, geniş bir spektral aralıkta geçirgenlik ve parlaklık hesaplanmasını sağlar. Farklı coğrafi enlemler ve mevsimler için altı iklim modeli sunar. Model ayrıca iklimlerin her birinde görünebilecek altı farklı aerosol tipini tanımlar. İklim modellerinin her biri farklı aerosollerle birleştirilebilir.

Termal görüntüleme kamerasıyla sis veya yağmurda ne kadar uzağı görebileceğiniz, kamerayı kullandığınız iklime ve bu iklimde mevcut olan aerosol tipine de bağlı olacaktır.

MODTRAN Modeli için Girdi Verileri

MODTRAN modeli için girdi verileri, yukarıda belirtilen belirli iklimler ve aerosollerdir, aynı zamanda ICAO kategorilerine göre görünürlük, atmosferik yolun geometrisi, uzunluğu, hedef ve arka planın sıcaklık ve emisyon değerleridir.

Genel olarak, farklı aerosollerin bir karşılaştırması, deniz aerosollerinin ortalama olarak kırsal ve kentsel aerosollerden daha büyük parçacık yarıçaplarına sahip olması nedeniyle, deniz aerosollerinin iklim modelinden bağımsız olarak her zaman en düşük algılama aralığı ile sonuçlandığını göstermektedir. Kırsal ve kentsel aerosoller, kızılötesi bantta belirgin şekilde daha büyük algılama aralıkları üretir.

Bu, iklim tipi ne olursa olsun, sisli deniz koşullarında karada olduğundan daha fazla görüşünüzün tehlikeye gireceği anlamına gelir.

Termal Görüntüleme Kamerası ve Hedef

Atmosferin türü ve kalınlığı sisin ne kadar uzağı görebildiğini etkilediği gibi, kızılötesi kameranın türü ve kameranın çalıştığı dalga bandı da önemlidir.

Termal görüntüleme kameraları için önemli olan iki dalga bandı vardır: 3.0-5μm (MWIR) ve 8-12μm (LWIR). 5-8μm bandı, atmosferin su buharı tarafından spektral absorpsiyonu tarafından o kadar büyük ölçüde bloke edilir ki görüntüleme için nadiren kullanılır.

Elektromanyetik Spektrum

Soğutmasız sensörlerle donatılmış termal görüntüleme kameraları, karasal hedeflerin kızılötesi enerjilerinin çoğunu yaydığı ve soğutmasız algılamanın kolay olduğu, dalga boyunda 7 ila 14 mikron arasındaki uzun dalga kızılötesi (LWIR) bandında çalışmak üzere tasarlanmıştır.

Soğutulmuş dedektörlerle (sensörlerin kriyojenik sıcaklıklara soğutulduğu) donatılmış termal kameralar, sahne sıcaklığındaki küçük sıcaklık farklılıklarına en duyarlı olanlardır ve genellikle orta dalga kızılötesi bandında (MWIR) veya uzun dalgada (LWIR) görüntü almak üzere tasarlanmıştır. 

MWIR ve LWIR bantlarında spektral iletim farklıdır. Bu nedenle, soğutulmamış bir LWIR dedektörü ile donatılmış bir termal görüntüleme kamerası ile sisin içinden nasıl göreceğiniz konusunda, soğutmalı bir MWIR dedektörüne kıyasla bir fark olacaktır.

Atmosferik İletim Modeli Sonuçları -Sis

Atmosferin değişen aralıklar için spektral iletimi, farklı atmosferik pencerelerde görünürlüğün basit bir niteliksel karşılaştırmasını sağlar.

Şekil 1, yazın orta enleminde ve kırsal aerosollerde CAT I sisi için spektral iletimi göstermektedir. Görünür spektral dalga bandında (0,4 - 0,75 mikron) iletim, her iki termal IR penceresinden (3-5 ile 8-12 mikron arasında) önemli ölçüde daha düşüktür. Bu koşullarda, bir termal görüntüleme kamerası, ister uzun dalga ister orta dalga dedektörü kullanıyor olsun, çıplak gözden önemli ölçüde daha uzağı görecektir.

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

Modelde ışımalı sis ile görünürlüğü CAT II koşullarına indirgediğimizde, sadece LWIR (8-12 mikron) bandının görünür banttan üstün olduğunu ve bir orta dalga kızılötesi kameranın çıplaktan çok daha uzağı göremeyeceğini öngörüyor. göz. (Şekil 2)

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

Son olarak, görüşün 300 m'den az olduğu Cat III koşullarında (Şekil 3), termal görüntüleme kamerasıyla ne kadar uzağı görebileceğinizle çıplak gözle ne kadar uzağı görebileceğiniz arasında önemli bir fark yoktur.

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

İletim tek başına ne kadar uzağı ve neyi görebileceğinizi tam olarak belirlemez, ancak görsel ve IR iletimi arasındaki karşılaştırma, atmosferin belirli bir dalga bandından yana mı yoksa ayrımcı mı olduğunu gösterir.

Algılama Aralığı

Sadece atmosferin koşulları, sis veya yağmurun ne kadar uzağı görebildiğini tahmin etmek için yeterli değildir. Hedefin boyutu ve arka planla olan sıcaklık farkının her ikisinin de hesaba katılması gerekir. Ayrıca, optiklerin ve dedektörün sınırlı uzaysal çözünürlüğü ve dedektörün ve sinyal işlemenin gürültüsü de hedefin arka plan kontrast parlaklığını azaltır. Kızılötesi sensörün aktarım işlevlerinin kontrast parlaklığı üzerindeki etkisi, TACOM Termal Görüntü Modeli (TTIM) ile simüle edilir. Bu model, odak düzlemi dizileriyle farklı tipte IR sensörlerini simüle eder.

Aşağıdaki tablo, hedef ile arka plan arasında 10°C'lik bir sıcaklık farkı ve 0.15'lik bir algılama eşiği verildiğinde, çıplak gözle (görsel), bir MWIR kamerası ve bir LWIR kamerası ile sis yoluyla algılama aralığını (kilometre cinsinden) karşılaştırmaktadır. 

Cat I için, IR algılama aralığı, MODTRAN'da belirtildiği gibi farklı iklimler ve aerosoller içindeki varyasyonu temsil eden bir aralık aralığında verilir. Bir LWIR kamera ile en iyi koşullar, düşük mutlak nem ve kırsal aerosol dağılımı ile kışın meydana gelir. MWIR bandında, algılama aralığı, genellikle yaz veya tropik iklimlerde görülen yüksek sıcaklıkların olduğu koşullarda en iyisidir.

IR için tüm algılama aralıkları, Cat I sis için görselden önemli ölçüde daha iyidir. Cat II sis için sonuç, LWIR dedektörü ile donatılmış bir termal görüntüleme kamerası ile görsele kıyasla dört kat daha iyidir.

Cat IIIa ve Cat IIIc sisinde, atmosfer sınırlayıcı faktör olduğundan, termal görüntüleme kamerasıyla ve çıplak gözle ne kadar uzağı görebileceğiniz arasında neredeyse hiçbir fark yoktur. Radyasyon, tüm (görünür, MWIR ve LWIR) spektral bantlarda bu yoğun sis tipinden geçmez.

Sonuç

Bu modellere göre termal IR bandı, Cat I ve Cat II sisteki görsel banda göre daha iyi menzil performansı sunar. Bu nedenle, termal IR kameralar, kullanıcıların bu tür sisi görmelerine yardımcı olmak için çok uygundur. Modeller ayrıca termal görüntüleme kameralarının, uçaklar için iniş yardımcıları olarak veya ulaşım ve otomotiv endüstrisi için sürücü görüş geliştirme sistemlerinin bir parçası olarak potansiyel olarak yararlı olduğunu öne sürüyor.
Ek olarak, LWIR görüntüleyiciler, incelenen tüm durumlarda MWIR bandına kıyasla daha yüksek derecede sis penetrasyonu sağlar. Cat II sis için, LWIR spektral bandı, MWIR bandına kıyasla yaklaşık dört kat daha iyi menzil performansı sunar. Bununla birlikte, herhangi bir uygulama için en iyi sisteme ulaşmak için sensör termal hassasiyeti ve hedef imzalar dikkate alınmalıdır.

MWIR radyasyonu, atmosferik kirleticiler ve kirletici gazlardan (olası artan atmosferik absorpsiyon ve/veya yol içi parlaklık seviyelerindeki artış - her ikisi de hedef görüntü kontrastını azaltır) olumsuz etkilenirken, LWIR çok daha az etkilenir.

Yağmur, hedef kontrastını önemli ölçüde azaltabilir (artan atmosferik saçılma ve genel karartma nedeniyle) ve LWIR ve MWIR, yağmur varlığında benzer şekilde çalışır. Yağmur nedeniyle IR sistem performans düşüşü menzile çok duyarlıdır ve 100-500 metre aralığında dramatik bir düşüş yaşanır.

“Termal kamera ile ne kadar uzağı görebilirim?” sorusuna basit bir cevap vermek ne kadar zorsa, sisli veya yağmurlu havalarda menzilin ne kadar kısalacağını söylemek de aynı şekilde imkansız. Bu sadece atmosferik koşullara ve sisin türüne değil, aynı zamanda kullanılan IR kameraya ve hedefin özelliklerine (boyut, hedefin sıcaklık farkı ve arka plan, vb.) bağlıdır.