Влияние тумана и дождя на работу ИК-камеры
Тепловизионные камеры обеспечивают видимость в полной темноте, создавая четкие и ясные изображения без необходимости в каком-либо освещении. Это делает ИК-камеры отличными инструментами для ночного видения во многих областях.
«На какое расстояние можно увидеть с помощью тепловизора?» — часто задаваемый вопрос, который является крайне важным для большинства задач ночного видения. Расстояние, на которое можно увидеть с помощью тепловизора, также называемое дальностью, сильно зависит от нескольких переменных и типа камеры:
- Какой объектив вы используете?
- Оборудована ли камера охлаждаемым или неохлаждаемым детектором?
- Какова чувствительность?
- Каков размер объекта, который вы хотите обнаружить?
- Какова температура цели и фона?
Чаще всего вопрос «На какую дальность можно увидеть с помощью тепловизионной камеры?» подразумевается: в идеальных климатических условиях; это значит, что следующими вопросами должны быть: «Что происходит с расстоянием в тумане, дожде или других условиях – оно уменьшается?»
Хотя тепловизоры могут видеть в полной темноте, сквозь легкий туман, слабый дождь и снег, расстояние, на которое они могут видеть, зависит от данных атмосферных условий.
Передача инфракрасного излучения
Даже при ясной погоде, обычное атмосферное поглощение накладывает ограничения на то, насколько далеко может видеть определенная инфракрасная камера. Тепловизор создает изображения на основе разницы в тепловом излучении, которое излучает объект. Чем дальше это инфракрасное излучение должно пройти от цели к камере, тем большая часть этого излучения может быть потеряна по пути.
Это означает, что необходимо учитывать «коэффициент ослабления ИК-излучения». Влажный воздух действует как «преграда» для инфракрасного излучения. Атмосфера в летние месяцы, обычно мешает сильнее, по сравнению с зимними месяцами из-за повышенных уровней влажности. В целом, ясное небо и хорошие погодные условия зимой позволят вам видеть дальше с помощью тепловизионной камеры, чем летом.
Но влажный воздух — это только один пример того, как может быть потеряно инфракрасное излучение. Есть и другие климатические условия, которые намного более вредны для дальности работы тепловизора.
Туман и дождь могут серьезно ограничить дальность тепловизионной системы из-за рассеивания ИК-излучения от капель воды. Чем выше плотность капель, тем больше уменьшается инфракрасный сигнал. Важный вопрос, заключается в том, насколько дождь или туман ограничивают дальность работы тепловизионной инфракрасной камеры и как это сравнивается с дальностью в видимом спектре.
Классификация тумана
Туман — это видимое скопление мельчайших водяных капель, которые взвешены в атмосфере у поверхности Земли. Когда воздух сильно насыщен водяным паром, это означает, что относительная влажность близка к 100%. Что приводит к образованию тумана в присутствии достаточного количества «конденсационных ядер», часто в виде дыма или пыли.
Существуют разные типы тумана: один — образуется путем смешения двух воздушных масс с разными температурами и/или влажностью. Еще одна форма — радиационный туман. Он образуется в процессе радиационного охлаждения воздуха при температурах, близких к точке росы.
Некоторые туманы более плотные, чем другие, потому что водные капли становятся больше за счет объединения. В условиях насыщенного тумана капли могут поглощать больше воды и значительно увеличиваться в размере. Вопрос о том, менее ли рассеивание в инфракрасном диапазоне по сравнению с видимым диапазоном зависит от размерного распределения капель.
Существует несколько способов классификации тумана. Часто используемая классификация — это классификация, используемая Международной гражданской авиационной организацией (ИКАО). Согласно этой системе, туман можно классифицировать на 4 категории:
- Категория I: видимость 1220 метров
- Категория II: видимость 610 метров
- Категория IIIa: видимость 305 метров
- Категория IIIc: видимость 92 метра
Причина ухудшения видимости в туманной атмосфере — это поглощение и рассеивание естественного или искусственного освещения частицами тумана. Количество поглощения и рассеивания зависит от микрофизической структуры частиц тумана, также называемых аэрозолями.
Модель модернизации разрешения (MODTRAN)
MODTRAN — это атмосферная модель передачи радиации, созданная и поддерживаемая ВВС США. Она способна моделировать атмосферные условия при разной погоде. Модель может предсказывать свойства атмосферы, включая поглощение излучений, передачу излучений, радиационные температуры неба и солнечные и лунные иррадиации, достигающие поверхности, для широкого спектра длин волн и спектральных разрешений.
MODTRAN позволяет рассчитывать передачу излучений и яркость в широком спектральном диапазоне. Она предлагает шесть климатических моделей для различных географических широт и времен года. Модель также определяет шесть разных типов аэрозолей, которые могут присутствовать в каждом из видов климата. Каждая из климатических моделей может быть комбинирована с различными аэрозолями.
На то, насколько далеко вы можете видеть сквозь туман или дождь с помощью тепловизора, также будет влиять климат, в котором вы используете камеру, и тип аэрозоля (тумана/дождя).
Тепловизионные камеры и диапазон ИК-излучения.
Точно так же, как тип и плотность взвеси влияют на то, насколько далеко вы можете видеть сквозь туман, не менее важно, какой тип инфракрасной камеры применяется и волновой диапазон, в котором работает камера.
Существуют два распространенных волновых диапазона для тепловизоров: 3,0-5,0 мкм (коротковолновые) и 8-12 мкм (длинноволновые). Диапазон средних волн — 5-8 мкм блокируется спектральным поглощением атмосферы и водяным паром настолько сильно, что он редко используется для тепловидения.
Тепловизоры, оборудованные неохлаждаемыми датчиками, предназначены для работы в длинноволновом инфракрасном диапазоне: от 7 до 14 микрон; в длине волны, где объекты излучают большую часть своей инфракрасной энергии.
Тепловые ИК-камеры, оборудованные охлаждаемыми датчиками (где датчики охлаждаются до криогенных температур), наиболее чувствительны к малым температурным различиям. Спектральная передача различна в полосах 3,0-5,0 мкм (коротковолновые) и 8-12 мкм. Поэтому будет разница в том, как вы можете видеть сквозь туман с помощью тепловизионной камеры, оборудованной неохлаждаемым детектором, по сравнению с охлаждаемым детектором. Отдельно заметим: охлаждаемые тепловизоры хотя и более чувствительны, но чрезвычайно неудобны в работе на объектах, поэтому 90% применяемой в строительстве и энергетике тепловизионных камер – неохлаждаемые.
Результаты модели атмосферной передачи — туман
Спектральный анализ передачи в атмосфере для разных диапазонов длин волн позволяет сделать простое качественное сравнение видимости в разных атмосферных окнах.
На рисунке 1 показана спектральная передача для тумана категории I в средних широтах летом и обычных насыщенных аэрозолях (как раз тот самый туман!). В видимом спектральном диапазоне (0,4 — 0,75 мкм) передача существенно ниже, чем в обоих инфракрасных окнах (от 3 до 5 и от 8 до 12 мкм). В этих условиях термальная камера будет видеть значительно дальше, чем глаз, независимо от того, использует ли она детектор длинноволнового или средневолнового диапазона.
Когда мы снижаем видимость до условий категории II с радиационным туманом в модели, она предсказывает, что только длинноволновая полоса (8-12 мкм) превосходит видимую полосу, и термальная камера средней инфракрасной полосы не увидит намного дальше, чем глаз. (Рисунок 2)
Наконец, в условиях тумана категории III (Рисунок 3), с видимостью менее 300 метров, нет существенных различий между тем, насколько далеко вы можете видеть с помощью тепловизионной камеры и как далеко вы можете видеть глазом, так как атмосфера является ограничивающим фактором. Инфракрасное излучение не проникает сквозь этот плотный тип тумана во всех спектральных полосах (видимый, коротко- и длинноволновой).
Дальность обнаружения
Одних только атмосферных условий самих по себе недостаточно для того, чтобы предсказать, насколько далеко вы можете видеть сквозь туман или дождь. Необходимо учитывать размер цели и разницу в температуре с фоном. Кроме того, ограниченное пространственное разрешение оптики и детектора, а также шум детектора (помехи) и обработки сигналов (алгоритм и чувствительность тепловизора) также снижают контраст яркости между целью (объектом замеров) и фона.
Влияние этих факторов моделируется с помощью модели TACOM (TTIM). Эта модель имитирует различные типы ИК-сенсоров.
Таблица ниже сравнивает дальность обнаружения (в километрах) сквозь туман с глазом (визуально), коротковолновой и длинноволновой камерой при разнице температур между целью и фоном в 10°C и пороговым значением обнаружения 0,15 К.
Для категории I диапазон обнаружения в ИК указан в диапазоне, представляющем вариацию в разных климатических условиях и аэрозолях, как указано в MODTRAN.
С коротковолновой камерой наилучшие условия достигаются зимой с низкой абсолютной влажностью и распределением аэрозолей. В длинноволновой полосе диапазон обнаружения лучше в условиях с высокими температурами, часто наблюдаемыми летом или в тропическом климате.
Все диапазоны обнаружения для ИК значительно лучше, чем для визуального в случае тумана категории I. Для тумана категории II результат с тепловизионной камерой, оснащенной коротковолновым детектором, в четыре раза лучше, чем для визуальной камеры.
В случае тумана категорий IIIa и IIIc практически нет разницы в том, насколько далеко вы можете видеть с помощью тепловизионной камеры и визуально (глазами), так как атмосфера является ограничивающим фактором. Все спектральные полосы не проникают через этот плотный тип тумана.
Заключение и результаты
Согласно этим моделям, тепловизор обеспечивает лучшую дальность по сравнению с визуальной видимостью в тумане категории I и II. Таким образом, тепловизионные камеры хорошо подходят для работы в тумане, условиях задымленности и прочих атмосферных неприятностях.
