Κάμερες θερμικής Απεικόνισης: Κάνουν τη νύχτα μέρα

«Έξι χρόνια πάλευα με το πρόβλημα της θερμικής ισορροπίας ύλης και ακτινοβολίας, χωρίς επιτυχία. Ήξερα ότι αυτό το πρόβλημα έχει θεμελιώδη σημασία για τη Φυσική. Ήξερα τον τύπο που αναπαράγει την ενεργειακή κατανομή του φάσματος. Μια θεωρητική ερμηνεία έπρεπε να βρεθεί, με κόστος οσοδήποτε ψηλό».
Max Planck (Νόμπελ Φυσικής 1920)

Μία κάμερα θερμικής απεικόνισης, που μερικές φορές ονομάζεται και FLIR (Forward Looking InfraRed), είναι μία συσκευή όμοια με την κοινή κάμερα που λειτουργεί στην ορατή περιοχή.

Λειτουργεί όμως στη φασματική περιοχή από 3 έως 14μm, αντί της φασματικής περιοχής 0.45 έως 0.7μm που λειτουργούν οι κοινές κάμερες. Επιπλέον, αντί του CCD ή CMOS αισθητήρα που χρησιμοποιούν οι κοινές κάμερες, χρησιμοποιούν FPA (Focal Plane Array) αισθητήρες. Η αρχή λειτουργίας τους στηρίζεται στο γεγονός ότι όλα τα αντικείμενα εκπέμπουν μία συγκεκριμένη  ποσότητα ακτινοβολίας, εξαιτίας της θερμοκρασίας τους. Γενικά, όσο πιο υψηλή είναι η θερμοκρασία ενός σώματος, τόσο περισσότερη ακτινοβολία εκπέμπεται. Έτσι, όταν ένα θερμό σώμα βρεθεί σε ένα ψυχρό περιβάλλον, μπορούμε να ανιχνεύσουμε τη διαφορά θερμοκρασίας χωρίς να μας επηρεάζει το επίπεδο φωτός του περιβάλλοντος (αν είναι ημέρα ή νύχτα).

Τα συστήματα θερμικής απεικόνισης χρησιμοποιήθηκαν αρχικά σε στρατιωτικές εφαρμογές, για επιτήρηση και εντοπισμό στόχων από το έδαφος, τον αέρα ή το διάστημα, καθώς επίσης και σε όπλα νυκτός, στην πλοήγηση εναέριων μέσων κ.ά. Η τεχνολογία της θερμικής απεικόνισης χρησιμοποιείται σήμερα σε εμπορικές εφαρμογές, όπως επιτήρηση ευαίσθητων περιοχών (σύνορα, λιμάνια, αεροδρόμια στρατηγικής σημασίας βιομηχανικές μονάδες κ.ά.), για ανίχνευση υψηλού θερμικού φορτίου (βιομηχανία, επιτήρηση δασών), στην έρευνα κ.ά.
Η καρδιά κάθε συστήματος θερμικής απεικόνισης είναι ο αισθητήρας, ο οποίος συνήθως βασίζεται σε ένα ημιαγώγιμο υλικό, που είναι ευαίσθητο στη χαμηλή ενέργεια των φωτονίων στην περιοχή του υπέρυθρου. Η εξέλιξη και η πρόοδος στα συστήματα θερμικής απεικόνισης σχετίζονται άμεσα με την πρόοδο στην τεχνολογία των υπέρυθρων αισθητήρων.
Το κύριο υλικό που χρησιμοποιήθηκε για τους αισθητήρες τις τελευταίες δεκαετίες είναι το HgCdTe ή MCT, το οποίο επέτρεπε την ανίχνευση στην περιοχή των 10μm.
Στη διάρκεια της δεκαετίας του 1990, η τεχνολογία ήταν διαθέσιμη για ανίχνευση στην περιοχή 3μm έως 7μm (MWIR) και βασίστηκε στο InSb υλικό. Την ίδια περίοδο ξεκίνησε να αναπτύσσεται η τεχνολογία QWIΡ (Quantum Well Infrared Photodetector), που έπαιξε σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη αισθητήρων στην περιοχή 8-12μm.(LWIR). Μία ενδεικτική λίστα αισθητήρων που χρησιμοποιούνται σήμερα, φαίνεται στον ακόλουθο πίνακα

Οι εικόνες από τις κάμερες είναι μονοχρωματικές, επειδή έχουν σχεδιαστεί με έναν τύπο αισθητήρα που αποκρίνεται σε συγκεκριμένη φασματική περιοχή. Οι έγχρωμες κάμερες απαιτούν πιο πολύπλοκη κατασκευή για να διαφοροποιούν το μήκος κύματος. Πολλές φορές, οι κάμερες έχουν την ικανότητα της αντιστροφής του χρώματος (false color). Αυτό συμβαίνει γιατί οι άνθρωποι μπορούν να εντοπίζουν εύκολα τις αλλαγές του χρώματος. Σε εφαρμογές όπου απαιτείται να απεικονίζονται οι διαφορές θερμότητας ( π.χ. πυροσβέστες, τεχνικοί ΔΕΗ) τα φωτεινότερα τμήματα συνήθως χρωματίζονται λευκά, οι ενδιάμεσες θερμοκρασίες κόκκινες και κίτρινες και οι πιο ψυχρές μπλε.
Τα συστήματα θερμικής απεικόνισης που διατίθενται σήμερα, μπορούν να διακριθούν σε δύο κύριες κατηγορίες: τα cooled και τα uncooled συστήματα θερμικής απεικόνισης. Μια cooled κάμερα θερμικής απεικόνισης διαθέτει τον αισθητήρα μαζί με μια συσκευή ψύξης, ώστε να κρατάει τη θερμοκρασία του αισθητήρα σε χαμηλά επίπεδα. Με τον τρόπο αυτό ελαττώνεται ο θερμικός θόρυβος που παράγεται από τη συσκευή, ώστε αυτός να βρίσκεται σε θερμοκρασία χαμηλότερη από το σήμα που παράγεται από την επιτηρούμενη περιοχή. Έτσι, αυξάνεται η ευαισθησία της κάμερας για να μπορεί να διακρίνει αντικείμενα με μικρές διαφορές θερμοκρασίας. Σε μια uncooled κάμερα θερμικής απεικόνισης, η κατασκευή του αισθητήρα βασίζεται στην τεχνολογία microbolometer και δεν απαιτεί συστήματα ψύξης. Οι αλλαγές στη θερμοκρασία της επιτηρούμενης περιοχής δημιουργούν αλλαγές στη θερμοκρασία του microbolometer και έτσι παράγονται τα ηλεκτρικά σήματα για τη δημιουργία της εικόνας. Οι κάμερες με αυτήν την τεχνολογία λειτουργούν στην LWIR περιοχή, όπου η θερμοκρασία των επίγειων αντικειμένων εκπέμπει την περισσότερη ενέργεια στην υπέρυθρη περιοχή. Οι κάμερες που χρησιμοποιούν uncooled τεχνολογία είναι πιο φθηνές σε σχέση με αυτές που χρησιμοποιούν cooled τεχνολογία. Επιπλέον έχουν λιγότερα κινούμενα τμήματα, που σημαίνει ότι δεν χρειάζονται συχνή συντήρηση. Για τις ίδιες συνθήκες επιτήρησης, μία cooled κάμερα θα χρειαστεί συντήρηση μετά από 2 χρόνια περίπου, ενώ μία uncooled κάμερα μπορεί να εργάζεται συνεχώς για αρκετά χρόνια.
Βεβαίως, τότε εγείρεται το ερώτημα: «Για ποιο λόγο να χρησιμοποιηθεί μία κάμερα με τεχνολογία cooled;». Η απάντηση βρίσκεται στην παρατήρηση ότι για την επιτήρηση περιοχής σε μεγάλη απόσταση (από 5 Κm και άνω) τα συστήματα που χρησιμοποιούν cooled τεχνολογία είναι πιο αποδοτικά. Αυτό οφείλεται κατά κύριο λόγο στο ότι για επιτήρηση σε μεγάλη απόσταση αυξάνεται δραματικά το κόστος του φακού που χρησιμοποιεί μία uncooled κάμερα. Όσο οι απαιτήσεις εμβέλειας ανίχνευσης για μια περιοχή αυξάνονται, τόσο πιο ογκώδης και ακριβός είναι ο φακός που χρησιμοποιεί μία uncooled κάμερα, ώστε συχνά μία cooled κάμερα με έναν ισοδύναμο φακό που καλύπτει την ίδια περιοχή, είναι πιο φθηνή. Αυτό συμβαίνει, γιατί σε μια cooled κάμερα το κόστος του φακού είναι ένα μικρό ποσοστό του κόστους ολόκληρου του συστήματος.
Μία άλλη συχνή ερώτηση που κάνουν όσοι θέλουν να αγοράσουν μία θερμική κάμερα είναι η εξής: «Πόσο μακριά μπορώ να δω με μία θερμική κάμερα;».Για να δοθεί απάντηση στο συγκεκριμένο ερώτημα, πρέπει να μελετηθούν διάφορες παράμετροι, όπως ο τύπος της κάμερας και ο φακός που χρησιμοποιείται, η φύση και το μέγεθος του αντικειμένου που χρειάζεται να ανιχνευθεί, οι ατμοσφαιρικές συνθήκες κ.ά.
Αρχικά όμως πρέπει να καθορίσουμε τι ακριβώς σημαίνει η φράση «μπορώ να δω». Για το σκοπό αυτό έχουν αναπτυχθεί διάφορα μοντέλα. Το πιο δημοφιλές μοντέλο, που αρχικά αναπτύχθηκε για το στρατό, αλλά σήμερα χρησιμοποιείται ευρύτατα στις εμπορικές εφαρμογές, είναι τα κριτήρια Johnson. Σύμφωνα με αυτά, ορίζονται οι ακόλουθες έννοιες:

• Η ανίχνευση (Detection). Η ανίχνευση συμβαίνει όταν εμφανίζεται το θερμικό ίχνος ενός αντικειμένου.
• Η απεικόνιση (Recognition). H απεικόνιση συμβαίνει όταν μπορούμε να πούμε τι είδους είναι το αντικείμενο που ανιχνεύτηκε (π.χ. είναι άνθρωπος, αυτοκίνητο κ.λπ.).
• Η ταυτοποίηση (Identification). Η ταυτοποίηση συμβαίνει όταν μπορούμε να διακρίνουμε αν το επιτηρούμενο αντικείμενο είναι φιλικό ή εχθρικό προς εμάς. (ορίζεται σύμφωνα με τη στρατιωτική σημασία του όρου).

¶λλος σημαντικός παράγοντας που πρέπει να συνυπολογιστεί είναι οι ατμοσφαιρικές συνθήκες και κυρίως ο παράγοντας εξασθένιση. Η εξασθένιση είναι ο λόγος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας στον αισθητήρα της κάμερας, προς την εκπεμπόμενη ακτινοβολία. Τους καλοκαιρινούς μήνες έχουμε μεγαλύτερη εξασθένιση, συγκρινόμενη με τους χειμερινούς μήνες και αυτό οφείλεται στα αυξημένα επίπεδα υγρασίας που εμφανίζονται το καλοκαίρι. Επομένως, με καλές καιρικές συνθήκες θα είμαστε ικανοί να δούμε πιο μακριά με ένα σύστημα θερμικής απεικόνισης το χειμώνα, από ότι το καλοκαίρι. Οι κλιματικές συνθήκες, όπως η ομίχλη και η βροχή επηρεάζουν επίσης την εμβέλεια της ανίχνευσης. Για τους λόγους αυτούς έχουν αναπτυχθεί και χρησιμοποιούνται διάφορα μοντέλα (ICAO, MODTRAN) για την ορατότητα που λαμβάνουν υπόψη αυτούς τους παράγοντες.
Όπως εύκολα αντιλαμβάνεται κανείς, για την επιλογή της κατάλληλης κάμερας θερμικής απεικόνισης χρειάζεται εμπειρία, ώστε να ληφθούν υπόψη όλοι οι παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοσή της και να λειτουργήσει πραγματικά ως ένα σημαντικό εργαλείο για την επιτήρηση μιας περιοχής και την έγκαιρη ανίχνευση εισβολέων.
Οι κάμερες θερμικής απεικόνισης είναι ένα σημαντικό εργαλείο σε εφαρμογές επιτήρησης εγκαταστάσεων, που χρήζουν ιδιαίτερης προσοχής. Λειτουργούν συμπληρωματικά στα υπάρχοντα συστήματα ασφαλείας, αυξάνοντας την απόδοσή τους. Ενσωματώνονται στα υπάρχοντα συστήματα CCTV, χωρίς να απαιτούνται πρόσθετα συστήματα διαχείρισης και καταγραφής. Επιπλέον, μπορούν να είναι φορητές ή να βρίσκονται εγκατεστημένες σε οχήματα. Ενδεικτικά, αναφέρονται δύο παραδείγματα που αναδεικνύουν τη χρησιμότητα των καμερών θερμικής απεικόνισης, ως βασικών εργαλείων επιτήρησης.
Ασφάλεια Λιμένων και Αερολιμένων. Τα λιμάνια καθώς και τα αεροδρόμια καλύπτουν μια μεγάλη επιφάνεια. Για την επιτήρηση αυτών των χώρων χρησιμοποιούνται τεχνικές επιτήρησης με κάμερες τύπου ημέρας/νύχτας (day/night), σε συνδυασμό με συστήματα συναγερμού διαφόρων τεχνολογιών. Όλα αυτά τα συστήματα  μπορούν να λειτουργούν και να παρέχουν αξιόπιστη προστασία κατά τη διάρκεια της ημέρας. Όμως, στη διάρκεια της νύχτας η παρακολούθηση ολόκληρου του χώρου είναι αδύνατη. Οι κάμερες τεχνολογίας day/night δεν μπορούν παρά να επιτηρούν χώρους που διαθέτουν φωτισμό. Επιπλέον, δεν είναι δυνατό να καλυφθεί ολόκληρος ο χώρος με τεχνητό φωτισμό, αφενός λόγω του ιδιαίτερα υψηλού κόστους, αφετέρου διότι δεν μπορούν να τοποθετηθούν πηγές φωτός οπουδήποτε, λόγω της ιδιαιτερότητας των χώρων (ειδικά στα αεροδρόμια). Επιπλέον, αν έχει αναπτυχθεί ένα σύστημα συναγερμού και υπάρξει σήμα συναγερμού, θα πρέπει να γίνει επιβεβαίωση από το προσωπικό ασφαλείας. Αυτός είναι κρίσιμος παράγοντας για το σύστημα, ώστε να μην υπάρχουν ψευδοσυναγερμοί που θα επηρεάσουν τη λειτουργία του αεροδρομίου ή του λιμανιού, την αξιοπιστία του και το κυριότερο, την ικανότητά του να παρέχει την απαιτούμενη ασφάλεια στη μετακίνηση των επιβατών.
Οι κάμερες θερμικής απεικόνισης έρχονται να αναπληρώσουν αυτό το κενό. Χωρίς αλλαγή στη δομή του υπάρχοντος συστήματος, ενσωματώνονται σε αυτό, επιλύοντας όλα τα παραπάνω προβλήματα. Δεν απαιτούν καθόλου φωτισμό για να λειτουργήσουν, μπορούν να καλύψουν μεγάλες αποστάσεις δημιουργώντας ένα δίκτυο ασφαλείας, λειτουργούν σε οποιεσδήποτε συνθήκες ορατότητας (με βροχή και ομίχλη) και μπορούν να δώσουν την απαραίτητη πληροφορία σε περίπτωση συναγερμού. Π.χ., αν ληφθεί ένα σήμα συναγερμού από το σύστημα περιμετρικής προστασίας, με μία κάμερα θερμικής απεικόνισης μπορεί έγκαιρα να διαπιστωθεί αν η αιτία του συναγερμού ήταν κάποιο ζώο ή ένας εισβολέας.
Προστασία επίγειων και θαλάσσιων συνόρων. Σε ένα ανθρωποκυνηγητό ή σε καταστάσεις κρίσης, η πρώτη ενέργεια είναι η ασφάλεια της περιμέτρου. Φορητές ή εγκαταστημένες σε οχήματα κάμερες θερμικής απεικόνισης, κάνουν περισσότερο αποτελεσματικά τον έλεγχο των υπόπτων και την ανίχνευση των εισβολέων σε απαγορευμένες περιοχές. Οι θερμικές κάμερες είναι εξαιρετικό εργαλείο για την αναζήτηση ατόμων που βρίσκονται κρυμμένα σε φυλλωσιές ή σε πυκνή βλάστηση καθ’ όλη τη διάρκεια της ημέρας. Το προσωπικό ασφαλείας μπορεί να προσεγγίσει και να συλλάβει έναν ύποπτο, χωρίς να αφήσει τη θέση του και να έρθει σε επικίνδυνη αντιπαράθεση.
To μεγαλύτερο όφελος σε μία κάμερα θερμικής απεικόνισης είναι η ικανότητά της να βλέπει στο σκοτάδι. Αυτό είναι ένα μεγάλο πλεονέκτημα στη διάρκεια περιπολιών και ειδικών αποστολών. Οι κάμερες θερμικής απεικόνισης δίνουν σημαντική βοήθεια στον εντοπισμό λαθραίων εμπορευμάτων, στη συλλογή στοιχείων και στην υποστήριξη επιχειρήσεων για ναρκωτικά. Στη θάλασσα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την πλοήγηση τις νυκτερινές ώρες, για τον εντοπισμό και την παρακολούθηση πλοίων, καθώς και σε επιχειρήσεις έρευνας και διάσωσης.