Für den kommerziellen bzw. industriellen Einsatz von unbemannten Luftfahrzeugen ist eine Wärmebildkamera eine typische Nutzlast. Im Gegensatz zu klassisch-optischen Aufnahmegeräten unterscheidet sich eine Wärmebildkamera im technischen Aufbau, um den Spektralbereich außerhalb des sichtbaren Lichtes aufnehmen zu können. Hier spricht man von einem Mikrobolometersensor.
Für die Rehkitzsuche, Inspektion von Solaranlagen oder dem Feuerwehreinsatz wird die FLIR Bosom Wärmebildeinheit für die Mavic 2 viel eingesetzt. Diese Wärmebildlösung wird einfach an die Mavic 2 „aufgeclipst“ und bietet Kameras mit 320 oder 640 pix Auflösung.
Damit sind selbst in 80m Flughöhe Rehkitze sicher zu detektieren, Solaranlagen werden meist in einem seitlichem Abstand von 15-30m auf defekte Bypassdioden, ausgefallene Strings etc. inspiziert. Diese Wärmebildeinheit ist mit Adaptern auch zur Phantom 3/4 sowie Inspire 1/2 Serie kompatibel und damit sehr zukunftssicher. Einen kleinen Einblick in die Funtionsweise der Wärmebildtechnik für Drohnen findet sich hier:
Wenn eine Bildübertragung über mehrere Km notwendig ist, oder eine sogenannte radiometrische Kamera gewünscht wird (mit dieser Wärmebildkamera kann man in der Nachbearbeitung Temperaturdifferenzen etc. berechnen), empfielt sich der Einsatz der Zenmuse XT-2 Kamera an der Matrice 200 Drohne oder die H20T Kamera an der Matrice 300 Serie. Ein Komplettpaket mit diesen Drohnen inkl. Wärmebildkamera liegt aber bei 20-30.000 EUR, daher wird meist auf die günstige Variante mit der Mavic Wärmebildtechnik zurückgegriffen.
Technische Grundlagen von Wärmebildkameras
Ein Bolometer, was die technische Grundlage darstellt, besteht aus einer dünnen Metallschicht, welche über einen thermischen Konduktor mit einem Wärmeenergiereservoir verbunden ist. Über die zeitlich definierte Änderung der Temperatur kann somit die Strahlungsenergie, die durch die Metallschicht absorbiert wird, ermittelt werden.
Ein ungekühlter Mikrobolometersensor ist eine spezielle Abwandlung und besteht aus einer Vanadiumoxid beziehungsweise amorphen Siliciumschicht mit einem darunter liegenden Siliciumraster. Oftmals werden die durch die obere Schicht durchdringenden Wellen zusätzlich über eine auf dem Siliciumraster befindliche Titaniumschicht reflektiert, um so die Signalausbeute zu verbessern. Eine spezielle Beschichtung sorgt für die Beschränkung des durchlässigen Spektrums, um nur die wärmerelevante Wellenlänge des Infrarotbereiches zu analysieren. Diese beträgt 3,5 bis 15 μm und ist damit als Mittel- bis Langwelleninfrarot klassifiziert.
Für Spezialanwendungen und Laborversuche werden auch sogenannte gekühle Wärmebildkameras eingesetzt. Dabei werden die Sensoren auf etwa -190° Grad Celsius gekühlt und erreichen damit eine enorme Temperaturempfindlichkeit. Aus Gewichts- und Kostengründen werden diese Wärmebildkameras an Drohnen nur vereinzelt eingesetzt.
Häufig finden Mikrobolometersensoren Anwendung mit einer Auflösung – also einem Raster aus einzelnen Messzellen – von bis zu 640 x 512 Pixel. Höhere Auflösungen, wie z. B. in FullHD für Filmproduktionen sind bisher nicht üblich oder gar erhältlich. Wärmebildkameras unterscheiden sich jedoch nicht nur in Auflösung, Bauform und Bildrate, sondern auch in der thermischen Empfindlichkeit. Hierbei werden die Werte in Millikelvin (mK) angeben. Je kleiner diese Zahl, desto genauer und detailreicher können kleinste Temperaturabweichung dargestellt werden. Einen Einblick in die Performance der typischen 160/320 und 640er Wärmebildkameras finden sich in diesem Vergleichsvideo:
In der Auswertung der Daten ist es möglich das Temperaturspektrum festzulegen, um so genau den Bereich darzustellen, der für den Einsatzzweck gewünscht oder notwendig ist. Um thermische Schwankungen im Gesamtsystem der Kamera auszugleichen, wird in regelmäßigen Abständen – auch während des Fluges – ein NUC-Verfahren genutzt. Die Non-Uniformity-Correction (NUC) schaltet mechanisch, hörbar durch ein Klacken in der Kamera, eine beschichtete Metallplatte vor den Sensor, um eine Kalibrierung des Systems vorzunehmen. Hierbei wird die Referenztemperatur angeglichen und genaue Messwerte können wieder aufgezeichnet werden.
Marktübersicht
Im Bereich der unbemannten Flugsysteme finden meist Produkte von FLIR, einem amerikanischen
Hersteller für Wärmebildtechnik, und Optris, einem deutschen Hersteller, Anwendung. Beide
Anbieter stellen seit einiger Zeit Lösungen für Drohnen zur Verfügung, welche unterschiedlich
umgesetzt werden.
Ausgestattet mit Sensoren der Firma FLIR sind folgende Lösungen auf dem Markt erhältlich:
- FLIR Lepton Wärmebildsensor (in die Mavic 2 Enterprise DUAL integriert)
- FLIR Bosom Wärmebildkamera (in den U-ROB Wärmebildsystemen erhältlich)
- FLIR Tau 2 mit dem ThermalCapture Modul von TeAx Technology UG (haftungsbeschränkt)
- FLIR Vue (ohne Datenaufzeichnung)
- FLIR Vue Pro (mit Datenaufzeichnung)
- FLIR Vue Pro R (mit Datenaufzeichnung und radiometrischen Daten)
- DJI Zenmuse XT (für Inspire 1 und M100 von DJI mit radiometrischen Daten)
- DJI Zenmuse XT-2 (für Matrice 200 Serie)
- DJI Zenmuse H20T (für Matrice 300 Serie)
Die Produkte der Firma FLIR bieten für den Anwender außerhalb von den USA einen Nachteil: Aufgrund von Exportbeschränkungen, werden grundsätzlich nur Modelle mit bis zu 9Hz, genauer gesagt 9 Bilder pro Sekunde, ausgeliefert. Über eine Sonderregelung lässt sich allerdings auch ein Modell mit bis zu 30Hz importieren. Die Sensoren sind mit einer Auflösungen von 640×512, 336×256 bzw. 324×246 Pixel verfügbar und haben eine Spektralbandbreite von 7,5 – 13,5 μm. Zur Auswahl stehen verschiedene Brennweiten, um den geeignete Anwendungsfall optimal abdecken zu können. Die thermische Empfindlichkeit des Tau 2 Sensors liegt bei 50 mK.
Die Modelle „Vue Pro“ und „Vue Pro R“ verfügen zusätzlich über ein integriertes System-on-a-Chip (SoC) von Texas
Instrument, welches mit einem Linux die MAVLink-Integration und Aufzeichnung der Daten vornimmt. Die Auswertung der radiometrischen Werte kann am PC durch den Einsatz von „FLIR Tools“ erfolgen.Im Falle des ThermalCapture wird von TeAx eine eigene Software bereitgestellt.
U-ROB bietet auf Basis der FLIR VUE Serie günstige Wärmebild-Komplettlösungen mit fertiger Integration in Phantom oder Inspire Modelle an. Da diese Kameras nicht mit der DJI Fernbedienung bzw. dem Tablet kommunizieren, wird das Livebild über eine unabhängige Funkstrecke auf einen Monitor am Boden übertragen.
Das von der Firma Optris angebotene „optris PI lightweight“ Bundle (380 g) besteht aus einem Wärmebildsensor und einer Rechnereinheit, welche die Daten der Wärmebildkamera und einer optionalen Videokamera inklusive radiometrischer Daten (Temperaturdaten zum späteren Auswerten) auf einem USB-Stick speichern kann. Eine Steuerung aus der Ferne ist auch möglich.
Das System basiert auf einem ODROID XU4 Minicomputer mit ARM-Prozessor und Linux als Betriebssystem. Durch die Möglichkeit einen 128GB USB-Stick anschließen zu können, stoßen Sie hier unter normalen Anwendungsbedingungen nicht an Kapazitätsgrenzen des Speichersystems. Die Auswertung der Bilddaten erfolgt dann über die Software „PI Connect“ an Ihrem PC. Die beim „optris PI lightweight“ verfügbaren Auflösungen betragen 640×480 oder 382×288 Pixel bei einer Spektralbandbreite von 7,5 – 13 μm und 32 Hz Bildrate. Die thermische Empfindlichkeit liegt bei diesem Sensor bei 40/80 mK. Auch bei Optris sind verschiedene Brennweiten für die Sensoren lieferbar.
Einsatzbereiche von Wärmebildkameras
Im Bereich der Drohnen werden Wärmebildkameras für unterschiedlichste Zwecke eingesetzt. Parallel zur klassischen Thermografie in der Immobilien- und Baubranche, werden fliegende Wärmebildkameras für größere Gebäudestrukturen sowie für schwer zugängliche Dach- und Fassadenflächen herangezogen. Eine solche Kamera kann hier nicht nur thermische Undichtigkeiten, sondern auch Nässe in der Bausubstanz aufdecken. Bei der
Inspektion von industriellen Einrichtungen, wie z. B. Brenneranlagen einer Raffinerie, Windkraftanlagen oder Hochspannungskomponenten des Versorgungsnetzes, können luftgestützte Wärmebildkameras ebenfalls ihre Vorteile ausspielen. Oftmals ist eine Unterbrechung des Betriebes nicht notwendig und kann so parallel zum normalen Betrieb erfolgen.
Aber auch in der Landwirtschaft, Forstwirtschaft und Jagd finden diese Sensoren eine Anwendung. Landwirtschaftlich lassen sich Auswertungen über den Bewässerungszustand sowie den Gesundheitszustand der Pflanzen ermitteln, aber auch in vorbeugenden Wildtierschutzmaßnahmen, wie das Lokalisieren von Rehkitzen, oder die Suche von Jagdwild.
Zivile Anwendungsbereiche, wie bei der Bergrettung, Polizei und Feuerwehr sind für die Zukunft ebenfalls ein großes Thema. Die Analyse des Brandherdes und Überwachung aus der Luft durch den Feuerwehreinsatzleiter kann eine sichere und schnelle Einsatzdurchführung unterstützen. Hierbei kommt es zu Gute, dass eine Wärmebildkamera hervorragend durch Nebel und Rauch sehen kann. Beim Personenschutz und bei der Personensuche kann durch den Einsatz von unbemannten Luftfahrzeugen oftmals auf einen kostenintensiven Helikoptereinsatz verzichtet
werden. Wenn Drohnen zur Basisausstattung von Einsatzkräften gehören, kann auch eine schnellere Reaktion im Notfall erfolgen.
Weiterführende Informationen zu den U-ROB Wärmebildlösungen finden sich hier.
