¿La termografía puede ver a través de la niebla y la lluvia?

Efectos metrológicos de la niebla y la lluvia en el desempeño de la cámara infrarroja

Las cámaras de imágenes térmicas ven en total oscuridad, produciendo imágenes claras y nítidas sin necesidad de luz. Esto hace que las cámaras infrarrojas sean excelentes instrumentos para numerosas aplicaciones de visión nocturna.

“¿Qué tan lejos puede ver con una cámara de imágenes térmicas?” es una pregunta frecuente a la cual es extremadamente importante responder para la mayoría de las aplicaciones de visión nocturna. La distancia a la que puede ver con una cámara de imágenes térmicas, también llamada rango, depende en gran medida de una serie de variables de cámara:

• ¿Qué lente está usando?
• ¿La cámara está equipada con un detector refrigerado o no refrigerado?
• ¿Cuál es la sensibilidad?
• ¿Cuál es el tamaño del objeto que desea detectar?
• ¿Cuál es la temperatura del objetivo y del fondo?

La pregunta “Qué tan lejos...” se responde con mayor frecuencia en condiciones climáticas ideales, lo que significa que sus próximas preguntas deben ser: “¿Qué sucede con el rango en niebla, lluvia u otras condiciones?”

Aunque las cámaras de imágenes térmicas pueden ver en total oscuridad, a través de la niebla ligera, la lluvia ligera y la nieve, la distancia a la que pueden ver se ve afectada por estas condiciones atmosféricas.

La transmitancia de la radiación infrarroja

Incluso en cielos despejados, la absorción atmosférica inherente impone límites a la distancia a la que puede ver una cámara infrarroja en particular. Una cámara de imágenes térmicas produce imágenes en función de las diferencias en la radiación térmica que emite un objeto. Cuanto más lejos tenga que viajar esta señal infrarroja desde el objetivo hasta la cámara, más se puede perder esa señal a lo largo del camino.

Esto significa que se debe tener en cuenta el factor de atenuación, la relación de la radiación incidente con la radiación transmitida a través de un material de protección. El aire húmedo actúa como un “escudo” para la radiación infrarroja. Las atmósferas en los meses de verano generalmente tienen una atenuación más alta en comparación con los meses de invierno, debido al aumento de los niveles de humedad. En términos generales, los cielos despejados y las buenas condiciones climáticas durante el invierno le permitirán ver más lejos con una cámara de imágenes térmicas que en verano.

Pero el aire húmedo es solo un ejemplo de cómo se puede perder la radiación infrarroja. Existen otras condiciones climáticas que son mucho más perjudiciales para el rango de una cámara de imágenes térmicas.

La niebla y la lluvia pueden limitar gravemente el rango de un sistema de imágenes térmicas, debido a la dispersión de la luz en las gotas de agua. Cuanto mayor sea la densidad de las gotitas, mayor será la disminución de la señal infrarroja. Una pregunta importante que hacen los usuarios de cámaras infrarrojas es: ¿qué cantidad de lluvia o niebla limita el rango de una cámara infrarroja térmica?, y ¿esa cantidad es mayor o menor en el caso de una cámara visible?

Clasificaciones de la niebla

La niebla es un agregado visible de gotas diminutas de agua suspendidas en la atmósfera en la superficie de la tierra o cerca de esta. Cuando el aire está casi completamente saturado con vapor de agua, esto significa que la humedad relativa es cercana al 100 %. Esto permite que se forme niebla en presencia de una cantidad suficiente de núcleos de condensación, a menudo en forma de partículas de humo o polvo.

Hay diferentes tipos de niebla. La niebla de advección se forma mediante la mezcla de dos masas de aire con diferentes temperaturas o humedad. Otra forma es la niebla por radiación. Esta se forma en un proceso de enfriamiento por radiación del aire a temperaturas cercanas al punto de rocío.

Algunos bancos de niebla son más densos que otros, porque las gotitas de agua se han agrandado a través de la acumulación. En condiciones de niebla, las gotas pueden absorber más agua y crecer considerablemente en tamaño. La pregunta de si la dispersión es menor en la banda de onda infrarroja en comparación con el rango visible depende de la distribución del tamaño de las gotas.
Existen diferentes maneras de clasificar la niebla. Una clasificación que se utiliza con frecuencia es la que utiliza la Organización de Aviación Civil Internacional (ICAO). Según este sistema, la niebla puede clasificarse en 4 categorías:

Categoría I: rango visual 1220 metros
Categoría II: rango visual 610 metros
Categoría IIIa: rango visual 305 metros
Categoría IIIc: rango visual 92 metros

El motivo de la degradación de la visibilidad en una atmósfera con neblina es la absorción y dispersión de la iluminación natural o artificial por partículas de niebla. La cantidad de absorción y dispersión depende de la estructura microfísica de las partículas de niebla, también denominadas aerosoles.

Modelo de propagación de resolución moderada (MODTRAN)

MODTRAN es un código de transferencia de radiación atmosférica creado y respaldado por la Fuerza Aérea de los Estados Unidos. Tiene la capacidad de modelar la atmósfera bajo una variedad de condiciones atmosféricas. Puede predecir las propiedades atmosféricas, incluidas las radiancias de la trayectoria, la transmisión de la trayectoria, las radiancias del cielo y las irradiancias solares y lunares de alcance superficial para una amplia gama de longitudes de onda y resoluciones espectrales.

MODTRAN permite el cálculo de la transmitancia y la radiancia en un amplio rango espectral. Ofrece seis modelos climáticos para diferentes latitudes geográficas y estaciones. El modelo también define seis tipos de aerosoles diferentes que pueden aparecer en cada uno de los climas. Cada uno de los modelos climáticos puede combinarse con diferentes aerosoles.

La distancia a la que pueda ver a través de la niebla o la lluvia con una cámara de imágenes térmicas también dependerá del clima en el que esté usando la cámara y del tipo de aerosol que esté presente en este clima específico.

Los datos a ingresar para el modelo MODTRAN

Los datos a ingresar para el modelo MODTRAN son los climas y aerosoles específicos mencionados anteriormente, pero también la visibilidad de acuerdo con las categorías de la ICAO, la geometría y la longitud de la trayectoria atmosférica, así como la temperatura y la emisividad del objetivo y el fondo.

En general, una comparación de los diferentes aerosoles muestra que los aerosoles marítimos siempre dan lugar a un rango de detección más bajo independiente del modelo climático, ya que los aerosoles marítimos tienen, en promedio, mayores radios de partículas que los aerosoles rurales y urbanos. Los aerosoles rurales y urbanos producen rangos de detección notablemente mayores en la banda infrarroja.

Esto significa que su visión se verá más comprometida en condiciones marítimas de niebla que en tierra, independientemente del tipo de clima.

Cámara de imágenes térmicas y objetivo

Así como el tipo y el grosor de la atmósfera influyen en la distancia a la que se puede ver a través de la niebla, también es importante el tipo de cámara infrarroja y la banda de onda en la que opera la cámara

Hay dos bandas de onda de importancia para las cámaras de imágenes térmicas: 3.0-5 μm (MWIR) y 8-12 μm (LWIR). La banda de 5-8 μm es bloqueada mediante la absorción espectral de la atmósfera por el vapor de agua, a tal punto que rara vez se utiliza para la obtención de imágenes.

El espectro electromagnético

Las cámaras de imágenes térmicas equipadas con sensores no refrigerados están diseñadas para funcionar en la banda infrarroja de onda larga (LWIR) de entre 7 y 14 micras de longitud de onda, en la que los objetivos terrestres emiten la mayor parte de su energía infrarroja y la detección no refrigerada es fácil.

Las cámaras térmicas que están equipadas con detectores refrigerados (los sensores se enfrían a temperaturas criogénicas) son las más sensibles a pequeñas diferencias de temperatura en la temperatura de la escena y generalmente están diseñadas para obtener imágenes en la banda infrarroja de onda media (MWIR) o en la banda de onda larga (LWIR).

La transmisión espectral es diferente en las bandas MWIR y LWIR. Por lo tanto, habrá una diferencia en la manera en puede ver a través de la niebla con una cámara de imágenes térmicas equipada con un detector LWIR sin enfriar en comparación con un detector MWIR enfriado.

Resultados del modelo de transmisión atmosférica - Niebla

La transmisión espectral de la atmósfera para rangos variables permite una comparación cualitativa simple de la visibilidad en diferentes ventanas atmosféricas.

La Figura 1 muestra la transmisión espectral para la niebla CAT I en aerosoles rurales en verano en latitud media. En la banda de onda espectral visible (0.4 - 0.75 micras), la transmisión es significativamente menor que en ambas ventanas IR térmicas (entre 3-5 y 8-12 micras). En estas condiciones, una cámara de imágenes térmicas verá significativamente más lejos que el ojo a simple vista, sin tener en cuenta si usa un detector de onda larga o media.

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

Cuando reducimos la visibilidad a condiciones CAT II con niebla de radiación en el modelo, este predice que solo la banda LWIR (8-12 micras) es superior a la banda visible y que una cámara infrarroja de onda media no verá mucho más lejos que a simple vista. (Figura 2)

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

Por último, en condiciones Cat III (Figura 3), con una visibilidad inferior a 300 m, no hay diferencias significativas entre la distancia a la que puede ver con una cámara de imágenes térmicas y la distancia a la que puede ver a simple vista.

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

La transmisión por sí sola no determina completamente qué tan lejos y qué puede ver, pero la comparación entre la transmisión visual e infrarroja muestra si la atmósfera favorece o discrimina a una determinada banda de onda.

Rango de detección

Las condiciones de la atmósfera por sí solas no son suficientes para predecir qué tan lejos se puede ver a través de la niebla o la lluvia. Se deben tomar en cuenta el tamaño del objetivo y la diferencia de temperatura con el fondo. Además, la resolución espacial limitada de la óptica y el detector, y el ruido del detector y el procesamiento de señales también reducen la radiancia de contraste del objetivo con el fondo. La influencia de las funciones de transferencia del sensor infrarrojo en la radiancia de contraste se simula con el modelo de imagen térmica TACOM (TTIM). Este modelo simula diferentes tipos de sensores infrarrojos con matrices de plano focal.

La siguiente tabla compara el rango de detección (en kilómetros) a través de la niebla a simple vista (visual), una cámara MWIR y una cámara LWIR, dada una diferencia de temperatura de 10 °C entre el objetivo y el fondo y un umbral de detección de 0.15 K

Para Cat I, el rango de detección infrarrojo se proporciona en un intervalo de rangos, que representa la variación dentro de diferentes climas y aerosoles como se especifica en MODTRAN. Con una cámara LWIR, las mejores condiciones ocurren en invierno con baja humedad absoluta y una distribución de aerosol rural. En la banda MWIR, el rango de detección es mejor en condiciones con altas temperaturas que a menudo se ven en climas de verano o tropicales.

Todos los rangos de detección para infrarrojos son significativamente mejores que los visuales para la niebla Cat I. Para la niebla Cat II, el resultado es cuatro veces mejor con una cámara de imágenes térmicas equipada con un detector LWIR en comparación con la banda visual.

En la niebla Cat IIIa y Cat IIIc, prácticamente no hay diferencia entre lo lejos que se puede ver con una cámara de imágenes térmicas y a simple vista, ya que la atmósfera es el factor limitante. La radiación no penetra a través de este tipo denso de niebla en todas las bandas espectrales (visibles, MWIR y LWIR).

Conclusión y resultados

De acuerdo con estos modelos, la banda IR térmica ofrece un mejor desempeño de rango en comparación con la banda visual en niebla Cat I y Cat II. En consecuencia, las cámaras infrarrojas térmicas son adecuadas para ayudar a los usuarios a ver a través de estos tipos de niebla. Los modelos también sugieren que las cámaras de imágenes térmicas son potencialmente útiles como auxiliares de aterrizaje para aviones o como parte de los sistemas de mejora de la visión del conductor para la industria automotriz y del transporte.
Además, los generadores de imágenes LWIR logran un mayor grado de penetración de niebla, en comparación con la banda MWIR en todos los casos estudiados. Para la niebla Cat II, la banda espectral LWIR ofrece un desempeño de rango cuatro veces mejor en comparación con la banda MWIR. Sin embargo, la sensibilidad térmica del sensor y las firmas objetivo deben tenerse en cuenta para llegar al mejor sistema para cualquier aplicación dada.

La radiación MWIR se ve afectada negativamente por contaminantes atmosféricos y gases contaminantes (posible aumento de la absorción atmosférica o aumento de los niveles de radiancia en la ruta, ambos reducen el contraste de imagen objetivo), mientras que la radiación LWIR se ve mucho menos afectada.
La lluvia puede reducir significativamente el contraste objetivo (debido al aumento de la dispersión atmosférica y el oscurecimiento general) y las bandas LWIR y MWIR tienen un desempeño similar en presencia de lluvia. La degradación del desempeño del sistema IR debido a la lluvia es muy sensible al rango, y experimenta una caída drástica en el rango de 100 a 500 metros.

Así como es difícil ofrecer una respuesta simple a la pregunta “¿Qué tan lejos puedo ver con una cámara de imágenes térmicas?”, es igualmente imposible decir cuánto más corto será el rango en condiciones de niebla o lluvia. Esto no solo depende de las condiciones atmosféricas y del tipo de niebla, sino también de la cámara infrarroja utilizada y de las propiedades del objetivo (tamaño, diferencia de temperatura del objetivo y el fondo, etc.).

Reconocimientos al Dr. Austin Richards y al Sr. T. Hoelter por sus valiosos aportes y consejos.
Referencias: K. Beier, H. Gemperlein, Simulación del rango de detección infrarroja en condiciones de niebla para sistemas de visión mejorada en aviación civil en ciencia y tecnología aeroespacial 8 (2004) 63 - 71