L’imagerie thermique permet-elle de voir à travers le brouillard et la pluie?

Effets métrologiques du brouillard et de la pluie sur la performance de la caméra IR

Les caméras d’imagerie thermique voient dans l’obscurité totale, produisant des images claires et nettes sans avoir besoin de lumière. Les caméras IR sont donc d’excellents instruments pour de nombreuses applications de vision nocturne.

« Jusqu'à quelle distance pouvez-vous voir avec une caméra thermique? » est une foire aux questions à laquelle il est extrêmement important de répondre pour la plupart des applications de vision nocturne. La distance que vous pouvez voir avec une caméra d’imagerie thermique, également appelée portée, dépend fortement d’un certain nombre de variables de caméra :

• Quelle lentille utilisez-vous?
• La caméra est-elle équipée d’un détecteur refroidi ou non refroidi?
• Quelle est la sensibilité?
• Quelle est la taille de l’objet que vous voulez détecter?
• Quelle est la température de la cible et de l’arrière-plan?

Le « Jusqu’où... » la question est le plus souvent répondue dans des conditions climatiques idéales, ce qui signifie que vos prochaines questions devraient être : « Qu’arrive-t-il à la cuisinière dans le brouillard, la pluie ou d’autres conditions? »

Bien que les caméras d’imagerie thermique puissent voir dans l’obscurité totale, par le brouillard léger, la pluie légère et la neige, la distance qu’elles peuvent voir est affectée par ces conditions atmosphériques.

La transmittance du rayonnement infrarouge

Même dans un ciel clair, l’absorption atmosphérique inhérente impose des limites sur la distance qu’une caméra infrarouge particulière peut voir. Une caméra d’imagerie thermique produit des images basées sur les différences de rayonnement thermique qu’un objet émet. Plus ce signal infrarouge doit se déplacer de la cible à la caméra, plus ce signal peut être perdu en cours de route.

Cela signifie que le facteur d’atténuation doit être pris en compte, soit le rapport entre le rayonnement incident et le rayonnement transmis par un matériau de protection. L’air humide agit comme un « bouclier » pour le rayonnement infrarouge. Les atmosphères des mois d’été ont généralement une atténuation plus élevée que les mois d’hiver en raison de l’augmentation des niveaux d’humidité. En général, le ciel dégagé et les bonnes conditions météorologiques en hiver vous permettront de voir plus loin avec une caméra d’imagerie thermique qu’en été.

Mais l’air humide n’est qu’un exemple de la façon dont le rayonnement infrarouge peut être perdu. Il existe d’autres conditions climatiques qui sont beaucoup plus préjudiciables à la portée d’une caméra d’imagerie thermique.

Le brouillard et la pluie peuvent gravement limiter la portée d’un système d’imagerie thermique en raison de la diffusion de la lumière des gouttelettes d’eau. Plus la densité des gouttelettes est élevée, plus le signal infrarouge est diminué. Une question importante posée par les utilisateurs de la caméra IR est la quantité de pluie ou de brouillard qui limitera la performance de portée d’une caméra infrarouge thermique, et comment cela se compare-t-il à la portée de performance de la caméra visible.

Classifications de brouillard

Le brouillard est un agrégat visible de gouttelettes d’eau en suspension dans l’atmosphère à la surface de la terre ou près de celle-ci. Lorsque l’air est presque saturé de vapeur d’eau, cela signifie que l’humidité relative est proche de 100 %. Cela permet au brouillard de se former en présence d’un nombre suffisant de noyaux de condensation, souvent sous forme de fumée ou de particules de poussière.

Il existe différents types de brouillard. Le brouillard d’advection est formé par le mélange de deux masses d’air avec des températures et/ou une humidité différentes. Une autre forme est le brouillard radiatif. Cela se forme dans un processus de refroidissement radiatif de l’air à des températures proches du point de rosée.

Certaines banques de brouillard sont plus denses que d’autres parce que les gouttelettes d’eau ont grossi grâce à l’accroissement. En cas de brouillard, les gouttelettes peuvent absorber plus d’eau et grossir considérablement. La question de savoir si la diffusion est moindre dans la bande d’ondes IR par rapport à la plage visible dépend de la distribution de la taille des gouttelettes.
Il existe différentes façons de classer le brouillard. Une classification souvent utilisée est celle utilisée par l’Organisation de l’aviation civile internationale (OACI). Selon ce système, le brouillard peut être classé en quatre catégories :

Catégorie I : portée visuelle de 1 220 mètres
Catégorie II : portée visuelle de 610 mètres
Catégorie IIIa : portée visuelle de 305 mètres
Catégorie IIIc : portée visuelle de 92 mètres

La raison de la dégradation de la visibilité dans une atmosphère brumeuse est l’absorption et la diffusion de l’éclairage naturel ou artificiel par les particules de brouillard. La quantité d’absorption et de diffusion dépend de la structure microphysique des particules de brouillard, également appelées aérosols.

Modèle de propagation à résolution modérée (MODTRAN)

MODTRAN est un code de transfert radiatif atmosphérique créé et pris en charge par l’armée de l’air des États-Unis. Il a la capacité de modéliser l’atmosphère dans diverses conditions atmosphériques. Il peut prédire les propriétés atmosphériques, y compris les radiances du chemin, la transmission du chemin, les radiances du ciel et les irradiances solaires et lunaires à portée de surface pour une large gamme de longueurs d'onde et de résolutions spectrales.

MODTRAN permet le calcul de la transmittance et de l'éclat dans une large plage spectrale. Il offre six modèles climatiques pour différentes latitudes géographiques et saisons. Le modèle définit également six types d’aérosols différents qui peuvent apparaître dans chacun des climats. Chacun des modèles climatiques peut être combiné avec différents aérosols.

La distance que vous pouvez voir par le brouillard ou la pluie avec une caméra d’imagerie thermique dépendra également du climat dans lequel vous utilisez la caméra et du type d’aérosol présent dans ce climat spécifique.

Les données d’entrée pour le modèle MODTRAN

Les données d’entrée pour le modèle MODTRAN sont les climats et les aérosols spécifiques mentionnés ci-dessus, mais aussi la visibilité selon les catégories de l’OACI, la géométrie et la longueur du trajet atmosphérique, ainsi que la température et l’émissivité de la cible et de l’arrière-plan.

En général, une comparaison des différents aérosols montre que les aérosols maritimes se traduisent toujours par la plage de détection la plus basse indépendamment du modèle climatique, puisque les aérosols maritimes ont en moyenne un rayon de particules plus élevé que les aérosols ruraux et urbains. Les aérosols ruraux et urbains produisent des plages de détection nettement plus grandes dans la bande infrarouge.

Cela signifie que votre vision sera plus compromise dans des conditions maritimes brumeuses que sur terre, quel que soit le type de climat.

Caméra et cible d’imagerie thermique

Tout comme le type et l’épaisseur de l’atmosphère ont une influence sur la distance que vous pouvez voir à travers le brouillard, le type de caméra infrarouge et la bande d’ondes dans lesquelles la caméra fonctionne sont également importants

Il existe deux bandes d’ondes d’importance pour les caméras d’imagerie thermique : 3,0 à 5 μm (MWIR) et 8 à 12 μm (LWIR). La bande de 5 à 8 μm est bloquée par l’absorption spectrale de l’atmosphère par la vapeur d’eau dans une mesure telle qu’elle est rarement utilisée pour l’imagerie.

Le spectre électromagnétique

Les caméras d’imagerie thermique équipées de capteurs non refroidis sont conçues pour fonctionner dans la bande infrarouge à ondes longues (LWIR) entre 7 et 14 microns en longueur d’onde, où les cibles terrestres émettent la majeure partie de leur énergie infrarouge et la détection non refroidie est facile.

Les caméras thermiques équipées de détecteurs refroidis (où les capteurs sont refroidis à des températures cryogéniques) sont les plus sensibles aux petites différences de température dans la température de la scène et sont généralement conçues pour imager dans la bande infrarouge à ondes moyennes (MWIR) ou dans la bande à ondes longues (LWIR).

La transmission spectrale est différente dans les bandes MWIR et LWIR. Par conséquent, il y aura une différence dans la façon dont vous pouvez voir à travers le brouillard avec une caméra d’imagerie thermique équipée d’un détecteur LWIR non refroidi par rapport à un détecteur MWIR refroidi.

Résultats du modèle de transmission atmosphérique - Brouillard

La transmission spectrale de l'atmosphère pour des plages variables permet une simple comparaison qualitative de la visibilité dans différentes fenêtres atmosphériques.

La Figure 1 montre la transmission spectrale pour le brouillard CAT I dans les aérosols d’été et ruraux Midlatitude. Dans la bande d'ondes spectrales visibles (0,4 à 0,75 microns), la transmission est significativement inférieure à celle des deux fenêtres IR thermiques (entre 3 à 5 et 8 à 12 microns). Dans ces conditions, une caméra d’imagerie thermique verra beaucoup plus loin que l’œil nu, qu’elle utilise un détecteur à ondes longues ou moyennes.

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

Lorsque nous réduisons la visibilité des conditions de CAT II avec brouillard radiatif dans le modèle, il prédit que seule la bande LWIR (8 à 12 microns) est supérieure à la bande visible et qu’une caméra infrarouge à ondes moyennes ne verra pas beaucoup plus loin que l’œil nu. (Figure 2)

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

Enfin, dans des conditions de catégorie III (Figure 3), avec une visibilité inférieure à 300 m, il n’y a pas de différences substantielles entre la distance que vous pouvez voir avec une caméra d’imagerie thermique et la distance que vous pouvez voir à l’œil nu.

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

La transmission seule ne détermine pas entièrement la distance et ce que vous pouvez voir, mais la comparaison entre la transmission visuelle et la transmission IR montre si l’atmosphère favorise ou discrimine contre une certaine bande d’ondes.

Plage de détection

Les conditions de l’atmosphère ne suffisent pas à prédire la distance que vous pouvez voir par le brouillard ou la pluie. La taille de la cible et la différence de température avec l’arrière-plan doivent être prises en compte. De plus, la résolution spatiale limitée de l’optique et du détecteur, ainsi que le bruit du détecteur et le traitement du signal réduisent également l’éclat du contraste de la cible à l’arrière-plan. L’influence des fonctions de transfert du capteur infrarouge sur l’éclat du contraste est simulée avec le modèle d’image thermique TACOM (TTIM). Ce modèle simule différents types de capteurs IR avec des matrices de plan focal.

Le tableau ci-dessous compare la plage de détection (en kilomètres) par brouillard avec l’œil nu (visuel), une caméra MWIR et une caméra LWIR, compte tenu d’une différence de température de 10 °C entre la cible et l’arrière-plan et d’un seuil de détection de 0,15 K

Pour la cat. I, la plage de détection IR est donnée dans une plage, représentant la variation dans différents climats et aérosols, comme spécifié dans MODTRAN. Avec une caméra LWIR, les meilleures conditions se produisent en hiver avec une faible humidité absolue et une distribution rurale d’aérosols. Dans la bande MWIR, la plage de détection est la meilleure dans des conditions avec des températures élevées souvent observées dans les climats estivaux ou tropicaux.

Toutes les plages de détection pour IR sont nettement meilleures que l’image pour le brouillard de catégorie I. Pour le brouillard de cat. II, le résultat est quatre fois meilleur avec une caméra d’imagerie thermique équipée d’un détecteur LWIR par rapport au visuel.

Dans le brouillard de cat. IIIa et de cat. IIIc, il n’y a pratiquement aucune différence entre la distance que vous pouvez voir avec une caméra d’imagerie thermique et à l’œil nu, car l’atmosphère est le facteur limitant. La radiation ne pénètre pas à travers ce type dense de brouillard dans toutes les bandes spectrales (visibles, MWIR et LWIR).

Conclusion et résultats

Selon ces modèles, la bande IR thermique offre une meilleure performance de portée que la bande visuelle dans le brouillard de cat. I et de cat. II. Par conséquent, les caméras IR thermiques sont bien adaptées pour aider les utilisateurs à voir à travers ces types de brouillard. Les modèles suggèrent également que les caméras d’imagerie thermique sont potentiellement utiles comme aides à l’atterrissage pour les avions ou dans le cadre des systèmes d’amélioration de la vision du conducteur pour l’industrie du transport et de l’automobile.
De plus, les imageurs LWIR obtiennent un degré plus élevé de pénétration du brouillard que la bande MWIR dans tous les cas étudiés. Pour le brouillard de cat. II, la bande spectrale LWIR offre une performance de plage environ quatre fois supérieure à celle de la bande MWIR. Cependant, la sensibilité thermique du capteur et les signatures cibles doivent être prises en compte pour arriver au meilleur système pour une application donnée.

Le rayonnement MWIR est affecté négativement par les polluants atmosphériques et les gaz polluants (augmentation possible de l’absorption atmosphérique et/ou augmentation des niveaux d’éclat dans le trajet, qui réduisent tous deux le contraste de l’image cible), tandis que le LWIR est beaucoup moins affecté.
La pluie peut réduire considérablement le contraste cible (en raison de la diffusion atmosphérique accrue et de l’obscurcissement général) et le LWIR et le MWIR fonctionnent de façon similaire en présence de pluie. La dégradation de la performance du système IR due à la pluie est très sensible à la plage, avec une chute spectaculaire dans la plage de 100 à 500 mètres.

Tout comme il est difficile d’offrir une réponse simple à la question « À quelle distance puis-je voir avec une caméra d’imagerie thermique? », il est tout aussi impossible de dire à quel point la portée sera plus courte dans des conditions de brouillard ou de pluie. Cela dépend non seulement des conditions atmosphériques et du type de brouillard, mais dépend également de la caméra IR utilisée et des propriétés de la cible (taille, différence de température de la cible et de l’arrière-plan, etc.).

Reconnaissances à la Dre Austin Richards et à M. T. Hoelter pour leurs précieux commentaires et conseils.
Références : K. Beier, H. Gemperlein, Simulation de la portée de détection infrarouge dans des conditions de brouillard pour les systèmes de vision améliorée dans l'aviation civile en science et technologie aérospatiale 8 (2004) 63 - 71