Infrarotthermographie E-Book

Norbert Schuster

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2012

Seitenzahl: 362

Beschreibung

Das einführende Werk zur hochaktuellen Thematik der Infrarotthermographie auf dem deutschsprachigen Markt liegt in einer überarbeiteten zweiten Auflage vor. Die Autoren verfügen über Lehr- und Industrieerfahrung und richten sich mit diesem Buch an Studenten, Entwickler und Praktiker aus Industrie, Materialwissenschaften, Medizin, Bauwesen und Militärtechnik. Funktionsprinzipien, Berechnungsmodelle und Kontrollmethoden thermographischer Systeme, die in vielfältigen Bereichen der Praxis zum Einsatz kommen, werden ausführlich dargestellt. Moderne, aussagekräftige Thermogramme sowie eine Übersicht zu verschiedenen Thermographie-Kameras illustrieren die Ausführungen; Beispielaufgaben und umfangreiches Tabellenmaterial erlauben praxisnahe Lösungsabschätzungen und das selbständige Erarbeiten des Stoffs.

Leseprobe

Contents

1 Technische Besonderheiten der Wärmebildtechnik

1.1 Radiometrische Kette

1.2 Prinzipien der räumlichen Abtastung

1.3 Historische Fakten zur Thermographie

2 Mathematische Grundlagen zur Beschreibung der Signalverarbeitung

2.1 Frequenzanalyse determinierter Signale

2.2 Beschreibung nichtdeterminierter Signale

2.3 Lineare Systeme

2.4 Zeitliche und räumliche Abtastung

2.5 Berechnungsbeispiele

3 Eigenstrahlung von Objekt und Hintergrund

3.1 Energetische und photometrische Größen

3.2 Strahlungsausbreitung

3.3 Energiebilanz des Strahlungstransportes

3.4 Strahlungsgesetze des Schwarzen Körpers

3.5 Eigenstrahlung realer Körper

3.6 Berechnungsbeispiele

4 Atmosphärische Transmission

4.1 Berechnung der Transmission infolge des in der Luft gelösten Wasserdampfes

4.2 Berechnung der Transmission infolge des in der Luft vorhandenen Kohlendioxids

4.3 Atmosphärische Fenster

4.4 Berechnung des Transmissionsgrads infolge Streuung aus der Sichtweite

4.5 Berechnungsbeispiele

5 Optische Systeme

5.1 Thermographische Abbildung

5.2 Infrarotoptische Materialien

5.3 Optomechanische Abtastung

5.4 Konzipierung des optischen Systems

5.5 Ausführungsformen

5.6 Berechnungsbeispiele

5.7 Aufgaben zur selbständigen Lösung

6 Infrarotstrahlungsempfänger

6.1 Empfängerkenngrößen

6.2 Thermische Empfanger

6.3 Quantenempfanger

6.4 Empfangerkühlung

6.5 Berechnungsbeispiele

7 Signalverarbeitung

7.1 Elektrisches Signal am Empfangerausgang

7.2 Einstellung und Korrektur der Temperaturskala auf analogem Wege

7.3 Möglichkeiten der digitalen Bildbearbeitung

7.4 Abtastung und Rauschbandbreite

7.5 Berechnungsbeispiele

8 Anzeigeeinheiten

8.1 Charakteristika für Anzeigen

8.2 Elektronenstrahlröhre

8.3 Flüssigkristallanzeigen

8.4 Plasma-Bildschirme

9 Gesetze der visuellen Wahrnehmung

9.1 Grundlegende Eigenschaften des Auges

9.2 Übertragungseigenschaften des menschlichen Auges

9.3 Integrierende Wirkung des Auges

9.4 Wahrnehmung des thermographischen Bildes

9.5 Berechnungsbeispiele

10 Bewertungskriterien für Wärmebildsysteme

10.1 Auswahl des spektralen Arbeitsgebietes

10.2 Übertragungsfunktion

10.3 Rauschbegrenzte thermische Auflösung

10.4 Verbindung von räumlicher und thermischer Auflösung

10.5 Reichweite von Wärmebildsystemen

10.6 Berechnungsbeispiele

10.7 Aufgaben zur selbständigen Lösung

11 Prüfung von Wärmebildsystemen

11.1 Messung des Videosignals

11.2 Messung der Modulationsübertragungsfunktion

11.3 Objektive MRTD-und MDTD-Messung

11.4 Weiterentwicklung von Messmöglichkeiten

12 Anwendungen

12.1 Pyrometrie

12.2 Thermographische Diagnose

12.3 Temperaturkontrolle in technologischen Prozessen

12.4 Sicherheits- und Militärtechnik

12.5 Berechnungsbeispiele

13 Entwicklungstendenzen

13.1 Sichtgeräte

13.2 Messkameras

13.3 High-Speed-IR-Kameras

13.4 Systeme mit großer Reichweite

Verwendete Formelzeichen

1 Lateinische Großbuchstaben

2 Lateinische Kleinbuchstaben

3 Griechische Buchstaben

4 Indizes

5 Mathematische Symbole

Literaturverzeichnis

Sachwortveneichrus

Autoren

Norbert Schuster

Vision & Control GmbH

Suhl, Germany

e-mail: [email protected]

ValentinG.Kolobrodov

Kyiv National Technical University of Ukraine KPI

Kyiv, Ukraine

e-mail: [email protected]

1. Auflage 1999

Umschlagbild

Die Dresdner Hofkirche als Thermogramm

(mit freundlicher Genehmigung der Firma

InfraTec GmbH, Dresden).

Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler keine Haftung.

Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek

Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar.

© 2004 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form – durch Photokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren – reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden.

Print ISBN 9783527405091

Epdf ISBN 978-3-527-62465-2

Epub ISBN 978-3-527-66058-2

Mobi ISBN 978-3-527-66057-5

Vorwort

Die Infrarottechnik erobert fast unbemerkt immer neue Bereiche unseres täglichen Lebens. Bewegungs- und Brandmelder und berührungslos arbeitende Thermometer beziehen aus der für den Menschen nicht sichtbaren Wärmestrahlung ihre notwendigen Informationen. Thermokameras zeigen Temperaturverteilungen auf, aus denen sich neue Diagnose-Verfahren in der Medizin, in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, im Bauwesen und im Umweltschutz entwickelt haben. Satelliten und Flugzeuge registrieren die täglichen Veränderungen auf der Erdoberfläche, wobei die Informationen aus dem thermischen Infrarot Ernteprognosen liefern und Umweltveränderungen wie das Ozonloch aufgespürt haben. Die Grenzsicherung wird zunehmend mit Thermokameras komplettiert, ermöglichen sie doch die Beobachtung bei totaler Dunkelheit und vervielfachen sie die Sichtweite bei schlechter Witterung. Wäimebildgeräte mit großer Reichweite gehören zunehmend zur Standardausrüstung moderner Wehrtechnik.

Dieses Buch hat sich die Aufgabe gestellt, die Besonderheiten dieses modernen Gebietes der Technik auf der Grundlage einer einheitlichen Methodik zu präsentieren. Zusammenfassende Darstellungen mit Lehibuchcharakter wie Miroschnikov (1983) und Gaussorgues (1984) sind sehr selten und deutschsprachig überhaupt nicht vorhanden. Neben Monographien und Fachartikeln geben der Wissensspeicher Infrarottechnik (Hermann, Walther 1990) und die VDI/VDE-Richtlinien 3511 (1995) einen Einblick in die Infrarottechnik.

Die Wärmebildtechnik ist das Resultat moderner Empfangerentwicklung, Bildverarbeitung, Optik, Monitortechnologie und physiologischer Untersuchungen zur visuellen Wahrnehmung. Diesen Problemstellungen sind einzelne Kapitel gewidmet. Dabei werden die verschiedenen Fragestellungen so aufgearbeitet, dass die Konsequenzen für das gesamte Wärmebildgerät quantitativ abgeschätzt werden können. Für die Formeln werden möglichst einfache Zusammenhänge gewählt, so dass die grundlegenden Einflußfaktoren deutlich hervortreten. Durch umfangreiche Berechnungsbeispiele und Aufgaben in den einzelnen Kapiteln wird der Leser an eine ingenieurmäßige Arbeitsweise heran gefuhrt. Dazu gehört der Hinweis auf die Grenzen der benutzten Modellvorstellungen und die Aufforderung zum praktischen Test.

Umfangreiche Tabellen geben einen Überblick über erreichbare technische Parameter und erleichtem die Ausführung eigener Berechnungen. Weiterfuhrende Literatur weist den Weg zu den Spezialdisziplinen, wobei die Spezifik der infrarottechnischen Fragestellung im Text vermittelt wird...

Dieses Buch wendet sich an Ingenieure, Techniker, technische Führungskräfte, Einkäufer, Ausrüster und Marketing-Experten, die auf modern berührungslos arbeitende Erkundungstechniken angewiesen sind. Die Vielfalt der Einsatzmöglichkeiten reicht vom einfachen Bewegungsmelder über die genaue Temperaturmessung bis zum hochauflösenden Nachtsichtgerät extremer Reichweite.

Insbesondere wendet sich das Buch an die Studenten technischer Fachrichtungen wie der Elektrotechnik, der Informationstechnik, der Feingerätetechnik, des Maschinenbaus und der technischen Physik. Schließlich finden in der Infrarottechnik neueste wissenschaftlich-technische Ergebnisse auf schnellstem Wege ihre praktische Umsetzung, so daß sich hier interessante und zukunftsträchtige Arbeitsgebiete auftun.

Die Autoren haben seit 1985 unabhängig voneinander ihre Lehrveranstaltungen zur Infrarottechnik aufgebaut: V. Kolobrodov an der Technischen Universität der Ukraine (KPI) in Kiev ausgehend von der Nachrichtentechnik und N. Schuster an der Technischen Universität Ilmenau ausgehend von der Technischen Optik. Beide Erfahrungsbereiche sind die tragenden Säulen der Infrarot-Thermographie.

Die Autoren bedanken sich bei der Lektorin des Verlags WILEY-VCH Berlin, Frau Gesine Reiher, für die konstruktive Zusammenarbeit bei der Drucklegung des Buches. Unser besonderer Dank gilt Frau Dipl.-Ing. Anne Schuster für ihr umfassendes Engagement und ihre Mitarbeit bei der Fertigstellung des Manuskriptes.

Die Leser möchten wir zu einer kritischen Nachdenklichkeit anregen, die der Weiterentwicklung der Infrarottechnik zum Nutzen der Menschheit förderlich ist.

Ilmenau, Kiev im Juli 1999

Norbert Schuster, Valentin Kolobrodov

Vorwort zur 2. Auflage

Seit dem Erscheinen der ersten Auflage hat sich die Infrarotthermographie weitere Anwendungsfelder erschlossen. Systemlösungen, die früher ausschließlich der militärischen Nutzung vorbehalten waren, werden jetzt für zivile Anwendungen bereitgestellt. Zusätzlich sorgt der Siegeszug der digitalen Fotografie dafür, die Bildaufnahme ohne Film einem breiten Personenkreis nahezubringen.

Die Erweiterung des Lehrbuchinhalts orientiert sich am technischen Trend. Im Literaturverzeichnis werden die einschlägigen Neuerscheinungen der letzten Jahre berücksichtigt. Unser Dank gilt Herrn Dipl.-Wirtsch.-Ing. Michael Schuster für seine Mitarbeit bei der Fertigstellung des überarbeiteten Manuskriptes.

Ilmenau, Kiev im Mai 2004

Norbert Schuster, Valentin Kolobrodov

1

Technische Besonderheiten der Wärmebildtechnik

Das menschliche Auge nimmt elektromagnetische Strahlung aus einem sehr schmalen Spektralband wahr. Die Reflexion, Transmission und Streuung dieses Strahlungsanteils an den Gegenständen unserer Umwelt gestattet es dem Menschen, Gegenstände zu sehen. Körper mit einer Temperatur T > 900 K emittieren in diesem visuellen Spektralband einen registrierbaren Energieanteil. Die Wärmebildtechnik stellt sich die Aufgabe, die Eigenstrahlung von Gegenständen mit Umgebungstemperatur sichtbar zu machen. Dazu müssen Gerätelösungen entwickelt werden, die Strahlung im Bereich des thermischen Infrarots registrieren, berührungslos arbeiten und die räumliche und energetische Struktur der Objektszene anzeigen. Das ist nur auf elektronischem Umwege möglich, da Speichermedien nach dem Vorbild des fotografischen Films allein durch die Strahlung der Umgebung belichtet würden.

Abb. 1.1: Einordnung der Spektralbereiche der Wärmebildtechnik in das elektromagnetische Spektrum

In Abb. 1.1 ist das elektromagnetische Spektrum und vergrößert die besonders interessierenden Spektralbereiche für die Wärmebildtechnik eingetragen. Die unterschiedlichen Wellenlängen des sichtbaren Bereichs (im Folgenden mit VIS für visuell abgekürzt) werden vom menschlichen Auge als Farben von Violett, Blau über Grün, Gelb, Orange bis Rot empfunden. Das Auge hat sein Empfindlichkeitsmaximum bei 0,55 µm Strahlung dieser Wellenlänge wird als Grün empfunden. Unterhalb von 0,38 µm wird die Strahlung für uiser Auge unsichtbar, der energiereiche ultraviolette Strahlungsbereich (UV) beginnt. Oberhalb von 0,78 (µm schließt sich der infrarote Spektralbereich (TR) an. Die Unterteilung des IR unterliegt einer gewissen Willkür, sie spiegelt aber Grenzen bezüglich der Anwendung und der technischen Lösungsvarianten wider. Der rR-Bereich bis 3 µm soll mit NIR (nahes Infrarot) abgekürzt werden, der Bereich von 3 bis 7 µm mit MIR (mittleres Infrarot) und der Bereich von 7 bis 14 µm mit LIR (langwelliges Infrarot). Der Bereich oberhalb 14 µm (mit FIR als fernes IR abgekürzt) hat für die Wärmebildtechnik nur untergeordnete Bedeutung. MIR und LIR werden auch als thermisches Infrarot bezeichnet.

1.1 Radiometrische Kette

Die Funktion von Wäimebild- oder Thermographiesystemen wird durch die radiometrische Kette in Abb. 1.2 veranschaulicht, deren einzelne Komponenten in den nachfolgenden Kapiteln behandelt werden.

Die Aufklärung der Wirkungsweise von Thermographiesystemen beginnt mit den Strahlungsgesetzen der Objektszene. Diese setzt sich zusammen aus dem zu erkennenden oder zu vermessenden Objekt und dem Hintergrund. Die von Objekt und Hintergrund ausgesandte Strahlung durchdringt die Atmosphäre und wird von der IR-Optik auf den IR-Empfänger fokussiert. Da es für die Thermographie keine dem fotografischen Film adäquaten Empfängermaterialien gibt, wird die Objektszene in einzelne Pixel zerlegt, die zeitlich nacheinander abgetastet und in einer Signalfolge verschlüsselt werden.

Hauptfunktion der Signalverarbeitung ist die Rekonstruktion der Objektszene. Diese wird meist auf einem Monitor zur Anzeige gebracht und kann elektronisch gespeichert und bearbeitet werden. Die Funktionsauslösung kommt in Überwachungssystemen zum Einsatz. Am Ende der Kette steht der Beobachter. Ihm obliegt es, die erhaltenen Informationen zu deuten und angemessen zu reagieren.

Nach dem Schema in Abb. 1.2 kann die Eigenstrahlung von Gegenständen zur Anzeige gebracht werden. Zusätzliche Lichtquellen werden nicht benötigt. Da jeder Gegenstand Eigenstrahlung aussendet, erlaubt diese Technik den Bau passiver Nachtsichtgeräte. Ohne Lichtquellen werden Gegenstände aufgrund ihrer Eigenstrahlung sichtbar. Diese militärisch sehr interessante Möglichkeit hat in den letzten 25 Jahren zu einer rasanten Entwicklung der Wärmcbildtechnik geführt. Quasi nebenbei wird die verbesserte Sicht im IR bei Nebel genutzt.

Abb. 1.2: Radiometrische Kette 1 Objekt mit Hintergrund, 2 Atmosphäre, 3 sammelnde IR-Optik, 4 optomechanisches Abtastsystem, 5 IR-Empfänger, 6 Signalverarbeitung, 7 Anzeigeeinheit, 8 Funktionsauslösung, 9 Beobachter, 10 Koordinatensystem

Zivile Anwendungen wie das Anzeigen von Temperaturfeldern und Strahlungsverteilungen profitieren von der IR-Empfängerentwicklung. Sie haben heute einen festen Platz als zusätzliche Diagnoseverfahren in Industrie, Bauwesen und Medizin gefunden.

1.2 Prinzipien der räumlichen Abtastung

Die Zerlegung der Objektszene in eine Folge zeitlich nacheinander abgetasteter Pixel ist in jedem Camcorder realisiert. Die Objektszene wird vom Objektiv auf eine Empfängermatrix, dem so genannten Focal Plane Array FPA, abgebildet. In jedem Pixel werden Ladungen gesammelt und in einem vorgegebenen Takt nacheinander ausgelesen. Befriedigende Thermographie-Ergebnisse werden auf diesem Wege erst durch die jüngsten IR-FPA-Entwicklungen möglich, deren Herstellung immer noch teuer ist.

Die ersten hochauflösenden Wärmebildsysteme arbeiten mit einem gekühlten Einelement-IR-Empfänger und einem optomechanischen Abtastsystem, welches den Empfängerchip über die Objektszene projiziert. Dieses Prinzip ist in Abb. 1.2 dargestellt.

In Tab. 1.1 sind die wichtigsten, heute zur Anwendung kommenden Kombinationen von Empfängerstruktur und Abtastsystem zusammengestellt. Zwischen den beiden Extremen Einelementerrpfänger und formatfüllende Matrix erlangen eine Reihe von Kombinationen technische Bedeutung. Sie legen verschiedene Gerätekonzepte fest, deren praktische Umsetzung vom Preis und Anwendungszweck bestimmt ist.

Einelementgeräte zeichnen sich durch eine hohe Gleichmäßigkeit der einzelnen Bildpixel aus. Begrenzend auf die Anzahl der pro Zeiteinheit abgetasteten Bildpixel wirkt der Schwingspiegel, der eine oszillierende Bewegung aüsfuhren muss.

Formatfüllende Zeilen erlauben kostengünstige Lösungen bei Überwachungsaufgaben, wobei die Relativbewegung zwischen Kamera und Objektszene vom Prozess vorgegeben und mit der Bildaufnahme gekoppelt ist.

Tab. 1.1: Moderne Abtastprinzipien der Wärmebildtechnik

Schnelldrehende Spiegelpolygone mit unterschiedlich geneigten Facetten führen eine gleichförmige Drehbewegung aus und tasten bei einer Polygonumdrehung die Objektszene vollständig ab. Die Polygondrehung realisiert die Abtastung entlang der Zeilen, die unterschiedliche Facettenneigung die Abtastung des Bildes (vgl. Kap. 5.4.3). Die Pixelzahl der dazugehörigen IR-Empfänger-Arrays ist dem Polygon angepasst: Das Produkt aus Facettenzahl und Zeilenzahl des Arrays ist gleich der Zeilenzahl des IR-Bildes, die Pixelzahl in der IR-Bild-Zeile ist ein ganzzahliges Vielfaches der Pixelzahl der Empfänger-Array-Zeile. Diese auch als Mikro-Scan-Systeme bezeichneten Kombinationen erlauben die Minimierung der Rauschbandbreite.

Pyroelektrische Vidikons sind die ältesten bildauflösenden IR-Empfänger: Das klassische Vidikonprinzip mit Elektronenstrahlabtastung der abgebildeten Objektszene wird durch Verwendung spezieller Empfängermaterialien für den thermischen IR-Strahlungsbereich sensibilisiert. Nachteil dieser Lösung ist die schlechte thermische und räumliche Auflösung.

Formatfüllende IR-Matrizen kommen ohne mechanisch bewegte Teile aus. Die Gleichmäßigkeit der Empfängerpixel, ihre schnelle Auslesung und ihre Kalibrierung muss im Herstellprozess berücksichtigt werden.

Die klassische Halbleitertechnik ist nicht für die Empfängerpixel einsetzbar, da die Halbleitermateralien Ge, Si und GaAs im thermischen IR transparent sind und als Linsenmaterialien eingesetzt werden.

1.3 Historische Fakten zur Thermographie

Im Jahre 1800 entdeckt William Herschel Wärmestrahlung, die für das menschliche Auge nicht sichtbar ist. Er lässt Sonnenlicht durch ein Dispersionsprisma fallen und weist die Strahlung jenseits des sichtbaren roten Lichtes mit einem Thermometer nach. Diese infrarote Strahlung gehorcht den gleichen physikalischen Gesetzen wie sichtbares Licht.

1830 entdeckt Nobili die ersten Thermoelemente, 1833 schaltet Melloni diese in Reihe und realisiert die erste Thermosäule. Mit diesen kann die IR-Strahlung in ein elektrisches Signal gewandelt werden.

1880 wird erstmals die Änderung des elektrischen Widerstandes mit der Temperatur zur Detektion infraroter Strahlung benutzt. Mit der Anordnung dieser Thermistoren als Brückenschaltung ist das erste Bolometer realisiert.

Zwischen 1870 und 1920 erlaubt der technische Fortschritt die Herstellung der ersten Quantendetektoren. Ihr völlig neues Wirkprinzip kommt ohne die Umsetzung der Strahlung in eine Temperaturänderung aus und führt zu um Größenordnungen höheren Empfindlichkeiten und kürzeren Reaktionszeiten. Ihr Empfindlichkeitsbereich endet im NIR. Als erstes Wärmebildgerät kann der in den 20er Jahren entwickelte Evapograph gelten. Genutzt wird der schon von Herschel entdeckte temperaturabhängige Niederschlag von organischen Dämpfen auf einer Membran. Die thermische Szene wird auf die Membran abgebildet, deren Strahlungsabsorption mittels spezieller Schwärzungsschichten maximiert ist. Hinter der Membran wird in einer speziellen Zelle durch gezielte Temperierung und Druckeinstellung der sichtbare Dampfniederschlag optimiert. Bei Belichtungszeiten von 30 s können Temperaturauflösungen bis 1 K erreicht werden (Kriksunov, Padalko 1987). Militärische Anwendung findet der von 1930 von Gudden, Görlich und Kutscher in Deutschland entwickelte PbS-Quantenempfänger. Sein Empfindlichkeitsbereich von 1,5…3 µm verlängert den Sichtbereich von Peilgeräten. Mit InSb-Quantenempfängem (Empfindlichkeitsbereich von 3…5 µm) wird die Reichweite deutscher Peilgeräte im II. Weltkrieg bis zu 30 km für Schiffe und 7 km für Panzer gesteigert Die dazu notwendigen Optiken liefert Carl Zeiss Jena, wo ab 1940 das bis ins LIR durchlässige Linsenmaterial KRS-5 als Kristall aus der Schmelze gezogen wird.

Die weitere Entwicklung der Quantenempfänger wird durch Militäranwendungen vorangetrieben: Mitte der 50er Jahre werden die ersten selbstlenkenden Raketen mit IR-Zielsuchköpfen in Dienst gestellt.

Die thermischen Detektoren bleiben vorrangig der zivilen Nutzung vorbehalten: Im Jahre 1954 werden bildgebende Kameras auf Thermosäulenbasis (20 min Belichtungszeit pro Bild) und auf Bolometerbasis (4 min Belichtungszeit pro Bild) vorgestellt.

1960 wird der Halbleiter HgCdTe als Empfängerwerkstoff vorgeschlagen: Mit ihm kann der LIRBereich schnell und empfindlich aufgelöst werden.

1964 stellt die schwedische Firma AGA ihr Thermographiesystem 660 vor. Es ist 40 kg schwer, benutzt einen optomechanischen Scanner mit gekühltem InSb-Einelementsensor und benötigt 1/16 s für den Aufbau eines Bildes. Parallel dazu werden die ersten FLIR (Forward Looking Infra- Red)-Systeme auf Kampfflugzeugen installiert: Mit gekühlten InSb- und Ge: Hg- Einelementempfängern und optomechanischen Scannern wird die thermische Eigenstrahlung von weit entfernten Objekten sichtbar gemacht.

Mitte der 70er Jahre gelingt es, Vidikons durch Aufbringen pyroelektrischer Empfängermaterialien bis in den LIR-Bereich zu sensibilisieren. Diese „Pyrikons“ mit ihrer unmittelbaren Anbindung an die Fernsehtechnik liefern Echtzeitbilder mit einer thermischen Auflösung von 1 K. Die Fernsehtechnik hält Einzug in die Konzipierung von Wärmebildgeräten.

In den 80er Jahren profitieren die kommerziellen Thermokameras von den Fortschritten der Quantenempfängerentwicklung: Mit der Beherrschung der HgTeCd-Technologie kann das LIRGebiet genutzt werden. 1986 stellt AGEMA das Thermographiesystem 870 mit einem Sprite- Empfänger vor, dessen Funktion mit der einer Empfängerzeile vergleichbar ist.

Anfang der 90er Jahren entdecken viele Hersteller den zivilen Markt: Mit Flüssigstickstoff gekühlte Einelementempfänger-Systeme erreichen die besten Auflösung, Software-Pakete erleichtem die Speicherung und Interpretation der Thermogramme. Die Errungenschaften der Computertechnik werden integriert.

Seit 2000 drängen thermische Empfängerarrays auf den Markt, die keine Kühlung und keine optomechanische Abtastung benötigen und für viele kommerzielle Anwendungen eine sinnvolle thermische und räumliche Auflösung bieten. Zusätzlich werden Systemlösungen mit gekühlten FPA, die früher ausschließlich der militärischen Nutzung vorbehalten waren, für zivile Anwendungen bereitgestellt (Thermosensorik 2001).

Die Empfängerentwicklung führt zur Unterscheidung von drei Generationen von Wärmebildgeräten (Kürbitz 1997): Mit der ersten Generation werden Echtzeitbilder realisiert, wobei die geometrische Auflösung und die Bildhomogenität im Vergleich zu normalen Fernsehbildern Wünsche offen lassen. Die Temperaturauflösung dieser durchweg scannenden Systeme erreicht 0,2 K. Wärmebildgeräte der zweiten Generation kommen der Fernsehqualität nahe und verwenden thermische Referenzen, um die Nichtuniformität des Bildes zu korrigieren. Die thermische Auflösung liegt unter 0,1 K. Wärmebildgeräte der dritten Generation arbeiten mit großen Empfängerarrays, die ohne oder höchstens mit kleinen optomechanischen Scanbewegungen (sog. MikroScans) auskommen. Fernsehqualität soll bei einer Temperaturauflösung unter 0,05 IC erreicht werden.

2

Mathematische Grundlagen zur Beschreibung der Signalverarbeitung

Die Prinzipdarstellung zur Funktion von Wärmebildsystemen in Abb. 1.2 enthält in der Objektszene zwei Signalarten: die determinierte Objektstruktur mit einer bestimmten Temperatur und das durch statistische Größen beschreibbare Hintergrundrauschen. Zur Vereinfachung wird im Folgenden immer vorausgesetzt, dass das Wärmebildgerät eine thermische Szene sichtbar macht, in der die Strahlungsverteilung zeitlich konstant angenommen wird. Die energetischen Größen des Objektes fopt(x,y) sind damit eine Funktion des Ortes, wobei x und y ein rechtwinkliges Koordinatensystem in der Objektszene aufspannen. Die dazu senkrecht stehende z-Achse kennzeichnet den Abstand der Objektszene vom Thermographiesystem.

Die Abtastverfahren aus Tab. 1.1 zerlegen die Objektszene in eine zeitliche Folge elektrischer Größen fel(t). Ihr Verhalten über der Zeit t bestimmt letztendlich die Qualität des Thermographiesystems. Dem determinierten Signal sind ein thermisches und elektrisches Rauschen überlagert, welche durch statistische Größen beschrieben werden müssen.

2.1 Frequenzanalyse determinierter Signale

Die Signalwandlung entlang der radiometrischen Kette verlangt eine einfache Beschreibung der Beeinflussung durch die einzelnen Komponenten. Die lineare Filtertheorie (Kreß, Irmer 1990) bietet dazu einen zweckmäßigen Ansatz. Die Einwirkung der einzelnen Komponenten wird als Frequenzverhalten modelliert. Dazu wird auf die Fourier-Transformation zurückgegriffen, deren allgemeines Bildungsgesetz im eindimensionalen Fall durch die Integrale

(2.1)

beschrieben werden. Die Funktion f(r) charakterisiert den räumlichen oder zeitlichen Verlauf einer physikalischen Größe, (v) ist das Spektrum oder die Frequenzfunktion der physikalischen Größe.

Die Variable r bezeichnet eine Ortskoordinate (Maßeinheit mm bzw. mrad) oder eine Zeitkoordinate (Maßeinheit s). Die Variable v kennzeichnet eine Ortsfrequenz (Maßeinheit mm–1 bzw. mrad–1) oder eine zeitliche Frequenz (Maßeinheit Hz). Rein mathematisch sind für die Variablen r und v positive und negative Werte zugelassen. Physikalisch sinnvoll sind nur positive Frequenzen, so dass in den Lösungsbeispielen nur Darstellungen () für positive angegeben werden. Die in aufgeführten allgemeinen Eigenschaften der Fourier-Transformation können zur Lösung von Übungsaufgaben herangezogen werden.