¿Puede la termografía ver a través de la niebla y la lluvia?

Efectos metrológicos de la niebla y la lluvia en el rendimiento de la cámara de infrarrojos

Las cámaras termográficas ven en total oscuridad, produciendo imágenes claras y nítidas sin necesidad de luz. Esto convierte a las cámaras IR en instrumentos excelentes para numerosas aplicaciones de visión nocturna.

“¿Hasta dónde puede ver una cámara termográfica?” Es una pregunta frecuente que es extremadamente importante responder para la mayoría de las aplicaciones de visión nocturna. La distancia que puede ver con una cámara termográfica, también denominada alcance, depende en gran medida de una serie de variables de la cámara:

• ¿Qué objetivo está utilizando?
• ¿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 “Hasta dónde...” suele responderse en condiciones climáticas ideales, lo que significa que sus siguientes preguntas deberían ser: “¿Qué ocurre con el alcance en condiciones de niebla, lluvia u otras condiciones?”

Aunque las cámaras termográficas pueden ver en la oscuridad total, a través de niebla ligera, lluvia ligera y 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 limita la distancia que puede ver una determinada cámara de infrarrojos. Una cámara termográfica produce imágenes basadas en las diferencias de radiación térmica que emite un objeto. Cuanto más lejos tenga que desplazarse esta señal infrarroja desde el objetivo hasta la cámara, más se perderá por el camino.

Esto significa que hay que tener en cuenta el factor de atenuación, la relación entre la radiación incidente y la radiación transmitida a través de un material de protección. El aire húmedo actúa como “protección” para la radiación infrarroja. Las atmósferas de los meses de verano suelen tener una atenuación mayor que las de los meses de invierno debido al aumento de los niveles de humedad. En términos generales, los cielos despejados y las buenas condiciones meteorológicas durante el invierno le permitirán ver más lejos con una cámara termográfica que en verano.

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

La niebla y la lluvia pueden limitar seriamente el alcance de un sistema de termografía debido a la dispersión de la luz por las gotas de agua. Cuanto mayor es la densidad de las gotas, más disminuye la señal infrarroja. Una pregunta importante que formulan los usuarios de cámaras de infrarrojos es cuánto limitará la lluvia o la niebla el alcance de una cámara infrarroja térmica, y cómo se compara esto con el alcance del rendimiento de las cámaras visibles.

Clasificación de la niebla

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

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

Algunos bancos antiniebla son más densos que otros porque las gotas de agua han aumentado de tamaño por acreción. En condiciones de niebla, las gotas pueden absorber más agua y crecer considerablemente. La cuestión de si la dispersión es menor en la banda de onda IR en comparación con el alcance visual depende de la distribución del tamaño de las gotas.
Hay diferentes formas de clasificar la niebla. Una clasificación que se utiliza con frecuencia es la que utiliza la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI). Según este sistema, la niebla se puede clasificar en 4 categorías:

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

El motivo de la degradación de la visibilidad en una atmósfera con niebla es la absorción y dispersión de la iluminación natural o artificial por las 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 las Fuerzas Aéreas de Estados Unidos. Tiene la capacidad de modelar la atmósfera en diversas 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 superficie para una amplia gama de longitudes de onda y resoluciones espectrales.

MODTRAN permite calcular 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 puede ver a través de la niebla o la lluvia con una cámara termográfica también dependerá del clima en el que utilice la cámara y del tipo de aerosol presente en ese clima concreto.

Los datos de entrada para el modelo MODTRAN

Los datos de entrada para el modelo MODTRAN son los climas y aerosoles específicos mencionados anteriormente, pero también la visibilidad según las categorías de la OACI, la geometría y la longitud de la trayectoria atmosférica, y la temperatura y emisividad del objetivo y el fondo.

En general, la comparación de los diferentes aerosoles muestra que los aerosoles marítimos siempre dan como resultado el rango de detección más bajo independientemente del modelo climático, ya que los aerosoles marítimos tienen por término medio 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 de niebla marítima que en tierra, independientemente del tipo de clima.

Cámara termográfica y objetivo

Del mismo modo que el tipo y la densidad de la atmósfera influyen en la distancia que se puede ver a través de la niebla, también es importante el tipo de cámara infrarroja y la banda de ondas en la que funciona la cámara

Existen dos bandas de ondas importantes para las cámaras termográficas: 3,0-5 μm (MWIR) y 8-12 μm (LWIR). La banda de 5-8 μm está bloqueada por la absorción espectral de la atmósfera por el vapor de agua hasta tal punto que rara vez se utiliza para la obtención de imágenes.

El espectro electromagnético

Las cámaras termográficas equipadas con sensores no refrigerados están diseñadas para funcionar en la banda de infrarrojos de onda larga (LWIR) de entre 7 y 14 micras de longitud de onda, donde los objetivos terrestres emiten la mayor parte de su energía infrarroja y es fácil detectarlos sin refrigeración.

Las cámaras térmicas equipadas con detectores refrigerados (donde los sensores se enfrían a temperaturas criogénicas) son las más sensibles a las pequeñas diferencias de temperatura en la escena y, por lo general, están diseñadas para obtener imágenes en la banda de infrarrojos 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 cómo se puede ver a través de la niebla con una cámara termográfica equipada con un detector LWIR sin refrigerar en comparación con un detector MWIR refrigerado.

Resultados del modelo de transmisión atmosférica: Niebla

La transmisión espectral de la atmósfera para diferentes rangos 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 de verano y rurales de latitudes medias. En la banda de onda espectral visible (0,4 - 0,75 micras), la transmisión es significativamente menor que en ambas ventanas de IR térmicas (entre 3-5 y 8-12 micras). En estas condiciones, una cámara termográfica verá mucho más lejos que el ojo humano, independientemente de si utiliza un detector de onda larga o media.

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

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

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

Por último, en condiciones de categoría III (figura 3), con una visibilidad inferior a 300 m, no hay diferencias sustanciales entre la distancia que se puede ver con una cámara termográfica y la que se puede ver a simple vista.

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

La transmisión por sí sola no determina completamente hasta dónde y qué se puede ver, pero la comparación entre la transmisión visual y la IR muestra si la atmósfera favorece o discrimina una determinada banda de ondas.

Rango de detección

Las condiciones de la atmósfera por sí solas no bastan para predecir hasta dónde se puede ver a través de la niebla o la lluvia. Es necesario tener en cuenta el tamaño del objetivo y la diferencia de temperatura con el fondo. Además, la limitada resolución espacial de la óptica y el detector, así como el ruido del detector y el procesamiento de la señal, también reducen el contraste de radiancia entre el objetivo y el fondo. La influencia de las funciones de transferencia de los sensores infrarrojos en la radiancia de contraste se simula con el modelo de imagen térmica TACOM (TTIM). Este modelo simula diferentes tipos de sensores IR con matrices de plano focal.

La tabla siguiente compara el alcance de detección (en kilómetros) a través de la niebla con el ojo humano (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 la categoría I, el rango de detección IR se da en un intervalo de rango, representando la variación dentro de diferentes climas y aerosoles como se especifica en MODTRAN. Con una cámara LWIR, las mejores condiciones se producen en invierno con baja humedad absoluta y una distribución de aerosoles rural. En la banda MWIR, el rango de detección es mejor en condiciones con altas temperaturas que suelen darse en verano o en climas tropicales.

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

En la niebla de categoría IIIa y de categoría IIIc, prácticamente no hay diferencia entre la distancia que se puede ver con una cámara termográfica 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 (visible, MWIR y LWIR).

Conclusión y resultados

Según estos modelos, la banda IR térmica ofrece un mejor rendimiento de rango en comparación con la banda visual en la niebla de categoría I y de categoría II. Por tanto, las cámaras termográficas de infrarrojos son idóneas para ayudar a los usuarios a ver a través de este tipo de niebla. Los modelos también sugieren que las cámaras termográficas son potencialmente útiles como ayudas para el aterrizaje para aviones o como parte de los sistemas de mejora de la visión del conductor para la industria del transporte y la automoción.
Además, las cámaras LWIR logran un mayor grado de penetración de la niebla en comparación con la banda MWIR en todos los casos estudiados. En el caso de la niebla de categoría II, la banda espectral LWIR ofrece un alcance cuatro veces superior al de la banda MWIR. Sin embargo, hay que tener en cuenta la sensibilidad térmica del sensor y las firmas del objetivo para llegar al mejor sistema para cualquier aplicación.

La radiación MWIR se ve afectada negativamente por los contaminantes atmosféricos y los gases contaminantes (posible aumento de la absorción atmosférica y/o aumento de los niveles de radiancia en la trayectoria, lo que reduce el contraste de la imagen del objetivo), mientras que la LWIR se ve mucho menos afectada.
La lluvia puede reducir significativamente el contraste del objetivo (debido al aumento de la dispersión atmosférica y al oscurecimiento general) y las LWIR y MWIR funcionan de forma similar en presencia de lluvia. La degradación del rendimiento del sistema IR debido a la lluvia es muy sensible al alcance, experimentando una caída drástica en el rango de 100-500 metros.

Al igual que es difícil ofrecer una respuesta sencilla a la pregunta “¿Hasta dónde puedo ver con una cámara termográfica?”, es igualmente imposible decir cuánto menor será el alcance en condiciones de niebla o lluvia. Esto no solo depende de las condiciones atmosféricas y del tipo de niebla, sino que también depende de la cámara de infrarrojos utilizada y de las propiedades del objetivo (tamaño, diferencia de temperatura del objetivo y del fondo, etc.).

Agradecimientos al Dr. Austin Richards y al Sr. T. Hoelter por sus valiosas aportaciones y consejos.
Referencias: K. Beier, H. Gemperlein, Simulation of infrared detection range at fog conditions for Enhanced Vision Systems in civil aviation in Aerospace Science and Technology 8 (Simulación del rango de detección de infrarrojos en condiciones de niebla para sistemas de visión mejorada en aviación civil en Ciencia y Tecnología Aeroespacial 8) (2004) 63 - 71