La termografia può vedere attraverso la nebbia e la pioggia?

Effetti metrologici di nebbia e pioggia sulle prestazioni delle termocamere

Le termocamere vedono nell’oscurità totale, producendo immagini chiare e nitide senza la necessità di luce. Ciò rende le termocamere strumenti eccellenti per numerose applicazioni di visione notturna.

“A che distanza si può vedere con una termocamera?” è una domanda frequente a cui è estremamente importante rispondere per la maggior parte delle applicazioni di visione notturna. La distanza che si può vedere con una termocamera, chiamata anche portata, dipende molto da una serie di variabili della termocamera:

• Quale lente stai usando?
• La termocamera è dotata di un rilevatore raffreddato o non raffreddato?
• Qual è la sensibilità?
• Qual è la dimensione dell’oggetto che si desidera rilevare?
• Qual è la temperatura dell’obiettivo e dello sfondo?

Alla domanda “Quanto lontano...” viene spesso data una risposta in condizioni climatiche ideali, ciò significa che le prossime domande dovrebbero essere: “Cosa succede alla portata in presenza di nebbia, pioggia o altre condizioni?”

Sebbene le termocamere possano vedere nell’oscurità totale, attraverso foschia, pioggia leggera e neve, la distanza che possono vedere è influenzata da queste condizioni atmosferiche.

Trasmittanza delle radiazioni infrarosse

Anche in cieli limpidi, l’assorbimento atmosferico intrinseco limita la distanza visibile da una particolare termocamera. Una termocamera produce immagini in base alle differenze nelle radiazioni termiche emesse da un oggetto. Più questo segnale a infrarossi deve spostarsi dall’obiettivo alla termocamera, più questo segnale può essere perso lungo il percorso.

Ciò significa che il fattore di attenuazione deve essere preso in considerazione, il rapporto tra radiazione incidente e radiazione trasmessa attraverso un materiale di schermatura. L’aria umida funge da “schermo” per le radiazioni infrarosse. Le atmosfere del mese estivo hanno solitamente un’attenuazione maggiore rispetto ai mesi invernali a causa dell’aumento dei livelli di umidità. In generale, cieli limpidi e buone condizioni meteorologiche durante l’inverno ti permetteranno di vedere più lontano con una termocamera che in estate.

Tuttavia, l’aria umida è solo un esempio di come la radiazione a infrarossi può essere persa. Vi sono altre condizioni climatiche che sono molto più dannose per la portata di una termocamera.

La nebbia e la pioggia possono limitare gravemente la portata di un sistema termografico a causa della dispersione della luce dalle goccioline d’acqua. Maggiore è la densità delle goccioline, più il segnale a infrarossi diminuisce. Una domanda importante posta dagli utenti delle termocamere riguarda la quantità di pioggia o nebbia che limiterà le prestazioni della portata di una termocamera, e il modo in cui si confronta con la gamma di prestazioni delle termocamere a luce visibile.

Classificazioni della nebbia

La nebbia è un aggregato visibile di goccioline d’acqua sospese nell’atmosfera in corrispondenza o vicino alla superficie della terra. Quando l’aria è quasi satura di vapore acqueo, significa che l’umidità relativa è vicina al 100%. Ciò consente la formazione di nebbia in presenza di una quantità sufficiente di nuclei di condensazione, spesso sotto forma di fumo o particelle di polvere.

Esistono diversi tipi di nebbia. La nebbia da avvezione si forma attraverso la miscelazione di due masse d’aria con temperature e/o umidità differenti. Un’altra forma è la nebbia radiante. Ciò è formato in un processo di raffreddamento radiante dell’aria a temperature vicine al punto di rugiada.

Alcuni banchi di nebbia sono più densi di altri perché le goccioline d’acqua si sono ingrandite per accrescimento. In condizioni di nebbia, le goccioline possono assorbire più acqua e crescere considerevolmente. La domanda se la dispersione sia inferiore nella banda d’onda IR rispetto alla portata dipende dalla distribuzione dimensionale delle goccioline.
Esistono diversi modi per classificare la nebbia. Una classificazione spesso utilizzata è quella utilizzata dall’Organizzazione internazionale dell’aviazione civile (ICAO). Secondo questo sistema, la nebbia può essere classificata in 4 categorie:

Categoria I: portata visiva 1220 metri
Categoria II: portata visiva 610 metri
Categoria IIIa: campo visivo 305 metri
Categoria IIIc: campo visivo 92 metri

Il motivo della degradazione della visibilità in un’atmosfera nebulizzata è l’assorbimento e la dispersione dell’illuminazione naturale o artificiale da parte delle particelle di nebbia. La quantità di assorbimento e dispersione dipende dalla struttura microfisica delle particelle di nebbia, definita anche aerosol.

Modello di propagazione a risoluzione moderata (MODTRAN)

MODTRAN è un codice di trasferimento dei radianti atmosferici creato e supportato dall’aeronautica militare degli Stati Uniti. Ha la capacità di modellare l’atmosfera in una varietà di condizioni atmosferiche. È in grado di prevedere le proprietà atmosferiche, tra cui le irradianze e la trasmissione del percorso, le irradianze del cielo, le irradianze solari e lunari che raggiungono la superficie, per un’ampia gamma di lunghezze d’onda e risoluzioni spettrali.

MODTRAN consente il calcolo della trasmittanza e della luminosità in un’ampia banda spettrale. Offre sei modelli climatici per diverse latitudine e stagioni geografiche. Il modello definisce anche sei differenti tipi di aerosol che possono comparire in ciascuno dei climi. Ciascuno dei modelli climatici può essere combinato con differenti aerosol.

La capacità di vedere attraverso la nebbia o la pioggia con una termocamera dipenderà anche dal clima in cui si utilizza la termocamera e dal tipo di aerosol presente in questo clima specifico.

I dati di input per il modello MODTRAN

I dati di input per il modello MODTRAN sono le condizioni climatiche e gli aerosol specifici summenzionati, ma anche la visibilità secondo le categorie ICAO, la geometria e la lunghezza del percorso atmosferico, nonché la temperatura e l’emissività dell’obiettivo e dello sfondo.

In generale, un confronto dei differenti aerosol mostra che gli aerosol marittimi hanno sempre come risultato l’intervallo di rilevamento più basso indipendente dal modello climatico, poiché gli aerosol marittimi hanno in media particelle di raggi maggiori rispetto agli aerosol rurali e urbani. Gli aerosol rurali e urbani producono intervalli di rilevamento notevolmente maggiori nella banda dell’infrarosso.

Ciò significa che la tua visione sarà più compromessa in condizioni di nebbia marittima rispetto a quella che avresti sulla terraferma, indipendentemente dal tipo di clima.

Termocamera e obiettivo

Proprio come il tipo e lo spessore dell’atmosfera influiscono sulla capacità di vedere attraverso la nebbia, sono importanti anche il tipo di termocamera e la banda d’onda in cui la termocamera funziona

Esistono due bande d’onda importanti per le termocamere: 3,0-5 μm (MWIR) e 8-12 μm (LWIR). La banda da 5-8 μm è bloccata dall’assorbimento spettrale dell’atmosfera dal vapore acqueo in misura tale da essere utilizzata raramente per l’imaging.

Lo spettro elettromagnetico

Le termocamere dotate di sensori non raffreddati sono progettate per funzionare nella banda dell’infrarosso a onde lunghe (LWIR) con lunghezza d’onda compresa tra 7 e 14 micron, dove gli obiettivi terrestri emettono la maggior parte della loro energia a infrarossi e il rilevamento non raffreddato è semplice.

Le termocamere dotate di rilevatori raffreddati (dove i sensori sono raffreddati a temperature criogeniche) sono le più sensibili alle piccole differenze di temperatura nella temperatura della scena e sono generalmente progettate per acquisire immagini nella banda dell’infrarosso a onde medie (MWIR) o nella banda a onde lunghe (LWIR).

La trasmissione spettrale è diversa nelle bande MWIR e LWIR. Pertanto, ci sarà una differenza nel modo in cui è possibile vedere attraverso la nebbia con una termocamera dotata di un rilevatore LWIR non raffreddato rispetto a un rilevatore MWIR raffreddato.

Risultati del modello di trasmissione atmosferica - Nebbia

La trasmissione spettrale dell’atmosfera per diverse gamme consente un semplice confronto qualitativo della visibilità in diverse finestre atmosferiche.

La figura 1 mostra la trasmissione spettrale per la nebbia di CAT I negli aerosol estivi e rurali a media latitudine. Nella banda spettrale visibile (0,4 - 0,75 micron) la trasmissione è significativamente inferiore rispetto a entrambe le finestre IR termiche (tra 3-5 e 8-12 micron). In queste condizioni, con una termocamera si vedrà molto più lontano rispetto all’occhio nudo, indipendentemente dal fatto che si utilizzi un rilevatore a onde lunghe o medie.

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

Quando riduciamo la visibilità alle condizioni di CAT II con nebbia radiante nel modello, si prevede che solo la banda LWIR (8-12 micron) sia superiore alla banda visibile, e che una termocamera a onde medie non vedrà molto più lontano dell’occhio nudo. (Figura 2)

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

Infine, nella condizioni di Cat III (Figura 3), con visibilità inferiore a 300 m, non vi sono differenze sostanziali tra la distanza visibile con una termocamera e la distanza visibile a occhio nudo.

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

La sola trasmissione non determina completamente quanto lontano e cosa si può vedere, ma il confronto tra trasmissione visiva e IR mostra se l’atmosfera favorisce o discrimina una determinata banda d’onda.

Portata di rilevazione

Le condizioni dell’atmosfera da sole non sono sufficienti per prevedere la capacità di vedere attraverso la nebbia o la pioggia. È necessario prendere in considerazione le dimensioni dell’obiettivo e la differenza di temperatura con lo sfondo. Inoltre, la risoluzione spaziale limitata dell’ottica e del rilevatore, nonché il rumore del rilevatore e l’elaborazione del segnale riducono anche la radiosità di contrasto tra obiettivo e sfondo. L’influenza delle funzioni di trasferimento del sensore a infrarossi sulla luminosità di contrasto è simulata con il modello dell’immagine termica TACOM (TTIM). Questo modello simula diversi tipi di sensori IR con array focal plane.

La tabella riportata di seguito confronta l’intervallo di rilevamento (in chilometri) attraverso la nebbia con l’occhio nudo (visivo), una telecamera MWIR e una telecamera LWIR, data una differenza di temperatura di 10°C tra l’obiettivo e lo sfondo e una soglia di rilevamento di 0,15 K

Per la Cat I, l’intervallo di rilevamento IR è fornito in un intervallo della portata, che rappresenta la variazione in climi e aerosol diversi come specificato in MODTRAN. Con una termocamera LWIR, le condizioni migliori si verificano in inverno con bassa umidità assoluta e una distribuzione dell’aerosol rurale. Nella banda MWIR, il campo di rilevamento è il migliore in condizioni che prevedono temperature elevate spesso osservate in climi estivi o tropicali.

Tutte le portate di rilevazione per IR sono significativamente migliori rispetto a quelli visivi per la nebbia di Cat I. Per la nebbia di Cat II, il risultato è quattro volte migliore con una termocamera dotata di un rilevatore LWIR rispetto a quello visivo.

Nella nebbia di Cat IIIa e Cat IIIc, non c’è praticamente alcuna differenza tra la distanza visibile con una termocamera e a occhio nudo, poiché l’atmosfera è il fattore limitante. Le radiazioni non penetrano attraverso questo tipo di nebbia densa in tutte le bande spettrali (visibili, MWIR e LWIR).

Conclusione e risultati

Secondo questi modelli, la banda termica IR offre prestazioni di portata migliori rispetto alla banda visiva nella nebbia di Cat I e Cat II. Pertanto, le termocamere IR sono adatte ad aiutare gli utenti a vedere attraverso questi tipi di nebbia. I modelli suggeriscono inoltre che le termocamere sono potenzialmente utili come assistenza all’atterraggio per gli aeroplani o come parte dei sistemi di miglioramento della visione del conducente per il settore dei trasporti e automobilistico.
Inoltre, i dispositivi di imaging LWIR raggiungono un grado più elevato di penetrazione della nebbia rispetto alla banda MWIR in tutti i casi studiati. Per la nebbia di Cat II, la banda spettrale LWIR offre prestazioni di portata circa quattro volte migliori rispetto alla banda MWIR. Tuttavia, la sensibilità termica del sensore e le firme dell’obiettivo devono essere prese in considerazione per arrivare al sistema migliore per qualsiasi applicazione.

Le radiazioni MWIR sono influenzate negativamente dagli inquinanti atmosferici e dai gas inquinanti (possibile aumento dell’assorbimento atmosferico e/o aumento dei livelli di radianza nel percorso, entrambi che riducono il contrasto dell’immagine dell’obiettivo), mentre la LWIR è molto meno influenzata.
La pioggia può ridurre significativamente il contrasto dell’obiettivo (a causa dell’aumento della dispersione atmosferica e dell’oscuramento generale) e LWIR e MWIR funzionano in modo simile in presenza di pioggia. La degradazione delle prestazioni del sistema IR dovuto alla pioggia è molto sensibile alla portata, con un calo drastico della portata di 100-500 metri.

Proprio come è difficile offrire una semplice risposta alla domanda “Quanto posso vedere con una termocamera?”, è altrettanto impossibile dire quanto sarà più breve la portata in condizioni di nebbia o pioggia. Ciò dipende non solo dalle condizioni atmosferiche e dal tipo di nebbia, ma anche dalla termocamera utilizzata e dalle proprietà del bersaglio (dimensioni, differenza di temperatura del bersaglio e dello sfondo, ecc.).

Riconoscimenti al Dott. Austin Richards e al Sig. T. Hoelter per i preziosi suggerimenti e consigli.
Riferimenti: K. Beier, H. Gemperlein, Simulazione del campo di rilevamento a infrarossi in condizioni di nebbia per i sistemi di visione avanzata nell’aviazione civile in scienze e tecnologie aerospaziali 8 (2004) 63 - 71