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

Effets métrologiques du brouillard et de la pluie sur les performances de la caméra IR

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

« À quelle distance pouvez-vous voir avec une caméra thermique ? » est une question fréquemment posée dont la réponse est extrêmement importante pour la plupart des applications de vision nocturne. La distance maximale à laquelle vous pouvez voir avec une caméra thermique, également appelée plage de mesure, dépend fortement d’un certain nombre de variables de caméra :

• Quel objectif 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 souhaitez détecter ?
• Quelle est la température de la cible et de l’arrière-plan ?

La réponse à la question « Jusqu’où... » est plus souvent donnée dans des conditions climatiques idéales, ce qui signifie que vos prochaines questions doivent être : « Qu’advient-il de la plage de mesure dans le brouillard, la pluie ou d’autres conditions ? »

Bien que les caméras thermiques puissent voir dans l’obscurité totale, à travers le brouillard léger, la pluie légère et la neige, la distance à laquelle elles voient est affectée par ces conditions atmosphériques.

La transmittance du rayonnement infrarouge

Même dans un ciel dégagé, l’absorption atmosphérique inhérente limite la visibilité d’une caméra infrarouge particulière. Une caméra thermique produit des images basées sur les différences de rayonnement thermique émis par un objet. Plus grande est la distance que le signal infrarouge doit parcourir 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, le rapport entre le rayonnement incident et le rayonnement transmis à travers un matériau de blindage. L’air humide agit comme un « blindage » pour le rayonnement infrarouge. Les atmosphères estivales présentent généralement une atténuation plus élevée que celles des mois d’hiver en raison de l’augmentation des niveaux d’humidité. De manière générale, un ciel dégagé et de bonnes conditions météorologiques en hiver vous permettront de voir plus loin avec une caméra 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 plage de mesure d’une caméra thermique.

Le brouillard et la pluie peuvent fortement limiter la plage de mesure d’un système d’imagerie thermique en raison de la diffusion de la lumière sur les gouttelettes d’eau. Plus la densité des gouttelettes est élevée, plus le signal infrarouge est réduit. Une question importante posée par les utilisateurs de caméras IR est la quantité de pluie ou de brouillard qui limitera la plage de mesure d’une caméra infrarouge thermique, et comment cela est comparable à la plage de mesure d’une caméra visible.

Classifications du brouillard

Le brouillard est un agrégat visible de gouttelettes d’eau minuscules suspendues dans l’atmosphère à la surface de la terre ou à proximité. 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 se forme par le mélange de deux masses d’air avec des températures et/ou des humidités différentes. Une autre forme est le brouillard radiatif. Il est formé par un processus de refroidissement radiatif de l’air à des températures proches du point de rosée.

Certains bancs de brouillard sont plus denses que d’autres parce que la taille des gouttelettes d’eau a augmenté avec l’accrétion. Dans le brouillard, les gouttelettes peuvent absorber plus d’eau et grossir considérablement. La diffusion est-elle inférieure dans la gamme d’ondes IR par rapport à la plage visible ? Cela 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 : plage de mesure visuelle de 1 220 mètres
Catégorie II : plage de mesure visuelle de 610 mètres
Catégorie IIIa : plage de mesure visuelle de 305 mètres
Catégorie IIIc : plage de mesure 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 de parcours, la transmission de parcours, les radiances du ciel et les irradiances solaires et lunaires atteignant la surface pour une large gamme de longueurs d’onde et de résolutions spectrales.

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

La distance à laquelle une caméra thermique peut voir par temps de brouillard ou de pluie dépendra également du climat dans lequel vous utilisez la caméra et du type d’aérosol présent dans ce climat spécifique.

Données d’entrée pour le modèle MODTRAN

Les données d’entrée pour le modèle MODTRAN sont les climats et aérosols spécifiques mentionnés ci-dessus, mais également la visibilité selon les catégories de l’OACI, la géométrie et la longueur du parcours 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 entraînent toujours la plage de détection la plus faible indépendamment du modèle climatique, puisque les aérosols maritimes ont en moyenne des rayons particulaires plus élevés que les aérosols ruraux et urbains. Les aérosols ruraux et urbains produisent des plages de détection nettement plus importantes 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 thermique et cible

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

Il existe deux gammes d’ondes importantes pour les caméras thermiques : 3,0 à 5 μm (MWIR) et 8 à 12 μm (LWIR). La bande entre 5 et 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 thermiques équipées de capteurs non refroidis sont conçues pour fonctionner dans la bande infrarouge à grande longueur d’onde (LWIR), avec des longueurs d’onde comprises entre 7 et 14 microns, où les cibles terrestres émettent la majeure partie de leur énergie infrarouge et où 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 de la scène et sont généralement conçues pour produire des images dans la bande infrarouge à longueur d’onde moyenne (MWIR) ou dans la bande à grande longueur d’onde (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 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 de mesure 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 pour les aérosols d’été et ruraux à latitude moyenne. Dans la gamme spectrale visible (0,4 à 0,75 microns), la transmission est nettement plus faible que dans les deux fenêtres IR thermiques (entre 3 à 5 et 8 à 12 microns). Dans ces conditions, une caméra thermique verra nettement plus loin que l’œil nu, qu’elle utilise un détecteur à grande ou à moyenne longueur d’ondes.

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

Lorsque nous réduisons la visibilité aux conditions CAT II avec un 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 les conditions de Cat III (Figure 3), avec une visibilité inférieure à 300 m, il n’y a pas de différences importantes entre la distance à laquelle vous pouvez voir avec une caméra thermique et la distance à laquelle vous pouvez voir à l’œil nu.

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

La transmission seule ne détermine pas complètement la distance à laquelle vous pouvez voir et ce que vous pouvez voir, mais la comparaison entre la transmission visuelle et la transmission IR montre si l’atmosphère favorise ou défavorise une certaine gamme d’ondes.

Plage de détection

Les conditions atmosphériques ne suffisent pas à prédire jusqu’où vous pouvez voir par temps de brouillard ou de pluie. La taille de la cible et la différence de température avec l’arrière-plan doivent être prises en compte. En outre, la résolution spatiale limitée des éléments optiques et du détecteur, ainsi que le bruit du détecteur et le traitement du signal réduisent également la radiance du contraste entre la cible et l’arrière-plan. L’influence des fonctions de transfert du capteur infrarouge sur la radiance 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) à l’œil nu par temps de brouillard (visuel), une caméra MWIR et une caméra LWIR, avec une différence de température de 10 °C entre la cible et l’arrière-plan et un seuil de détection de 0,15 K

Pour la Cat. I, la plage de détection IR est donnée dans un intervalle de plages, représentant la variation dans différents climats et aérosols, comme spécifié dans MODTRAN. Avec une caméra LWIR, les meilleures conditions sont présentes en hiver avec une faible humidité absolue et une distribution d’aérosols ruraux. Dans la gamme MWIR, la plage de détection est la meilleure avec des températures élevées souvent observées en été ou dans des climats tropicaux.

Toutes les plages de détection pour l’IR sont nettement meilleures que pour une caméra visuelle dans le cas d’un brouillard de Cat I. Pour le brouillard de Cat II, le résultat est quatre fois meilleur avec une caméra thermique équipée d’un détecteur LWIR qu’avec une caméra visuelle.

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

Conclusion et résultats

Selon ces modèles, la gamme IR thermique offre de meilleures plages de mesure par rapport à la gamme visuelle dans les brouillards de Cat. I et Cat. II. Ainsi, les caméras infrarouges thermiques sont bien adaptées pour aider les utilisateurs à voir à travers ces types de brouillard. Les modèles suggèrent également que les caméras thermiques sont potentiellement utiles comme aides à l’atterrissage pour les avions ou dans le cadre des systèmes d’amélioration de la vision des conducteurs pour l’industrie du transport et de l’automobile.
De plus, les caméras LWIR offrent un degré de pénétration du brouillard plus élevé que les caméras MWIR dans tous les cas étudiés. Pour le brouillard de Cat II, la gamme spectrale LWIR offre des plages de mesure quatre fois supérieures à celles de la bande MWIR. Cependant, la sensibilité thermique du capteur et les signatures cibles doivent être prises en compte pour obtenir le 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 de radiance de parcours, qui réduisent tous deux le contraste de l’image cible), tandis que le rayonnement LWIR est beaucoup moins affecté.
La pluie peut réduire considérablement le contraste cible (en raison de l’augmentation de la diffusion atmosphérique et de l’obscurcissement général) et les gammes LWIR et le MWIR fonctionnent de la même manière en présence de pluie. La dégradation des performances du système IR due à la pluie est très sensible à la plage de mesure, avec une chute spectaculaire dans la plage de mesure de 100 à 500 mètres.

Tout comme il est difficile d’offrir une réponse simple à la question « Jusqu’où puis-je voir avec une caméra thermique ? », il est tout aussi impossible de dire à quel point la plage de mesure sera réduite par temps 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 entre la cible et l’arrière-plan, etc.).

Remerciements au Dr Austin Richards et à M. T. Hoelter pour leur contribution et leurs conseils précieux.
Références : K. Beier, H. Gemperlein, Simulation of infrared detection range at fog conditions for Enhanced Vision Systems in civil aviation (Simulation de la plage de détection infrarouge dans des conditions de brouillard pour les systèmes de vision améliorée), Aerospace Science and Technology 8 (2004) 63 - 71