Fette Beute für Leckage-Jäger mit Wärmebildkameras

Auf das Gesamtrauschen der Wärmebidkameras gelauscht

Normalerweise werden bei Wärmebildgeräten zeitliches Rauschen und Inhomogenitäts-Rauschen (gebräuchlicher ist die englische Bezeichnung Fixed Pattern Noise) unterschieden. Die Messung dieser beiden Rauschquellen erfordert das Aufzeichnen von Bildsequenzen, was hier nicht für alle Geräte möglich war. Das Test-Team hat sich daher entschlossen, das Gesamtrauschen zu untersuchen.

Dies ist eine aussagekräftige Größe, die eine Überlagerung der beiden Rauschquellen zum Ausdruck bringt. Sie wird in äquivalenter Temperatur ausgedrückt, die dann der Temperaturdifferenz entspricht, die in einem Einzelbild zum Erreichen eines Signal-Rausch-Verhältnisses von eins notwendig ist.

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Um das Gesamtrauschen zu bestimmen, wurde ein Schwarzkörperstrahler so vor der Optik platziert, dass er das Gesichtsfeld vollständig ausfüllte. Im Temperaturbereich zwischen 298 K und 302 K entstanden dann in Schritten von 0,5 K die entsprechenden Einzelbilder. Als Resultat der Auswertung erhält man das mittlere Signal in Abhängigkeit von Temperatur.

Durch Berechnung von Signal- und Temperaturdifferenzen zur Referenz bei 300 K ergibt sich die Signal-Transfer-Funktion (SiTF). Aus ihr wird die Responsivität durch Bestimmung der Steigung am Nullpunkt der SiTF ermittelt. Das Gesamtrauschen, das eine Überlagerung von zeitlichem Rauschen, In-homogenitätsrauschen und niederfrequenten Strukturen darstellt, ergibt sich aus der Standardabweichung des Signals der einzelnen Bildpunkte. Über einen Hochpassfilter können die niederfrequenten Änderungen aus den Bildern entfernt werden. Die Standardabweichung des Signals des resultierenden Bildes ergibt dann das Gesamtrauschen ohne diese Strukturen. Mittels Division durch die ermittelte Responsivität kann das Gesamtrauschen jeweils auch als äquivalente Temperaturdifferenz angegeben werden.

Tabelle 3 fasst die Ergebnisse zusammen. Die Daten sind dabei nach aufsteigendem Gesamtrauschen ohne niederfrequente Strukturen (ohne HPF) sortiert. Die Angabe erfolgt mit und ohne Hochpassfilterung (HPF). Zusätzlich ist der Unterschied zwischen diesen beiden Werten angegeben.

Fazit: Die Testo T885 weist von den untersuchten Kameras das geringste Rauschen auf. Der Wert ist dabei so gering, dass eine zusätzliche Signalverarbeitung vermutet werden muss, wozu aber keine Angaben vorliegen – ähnliche Verfahren sind bei anderen Herstellern zuschaltbar, wurden aber nicht untersucht. Allerdings zeigt diese Kamera auch die stärksten niederfrequenten Strukturen im Bild, wie sich aus dem höchsten Unterschied mit und ohne Hochpassfilter ergibt. Hier ist die Flir E30 am besten, die praktisch keine solchen Strukturen aufweist. Insgesamt lässt sich festhalten, dass die Kameras mit 160 x 120 Detektor ein größeres Gesamtrauschen aufweisen als die Kameras mit 320 x 240 Detektor.

Was bedeutet LSF und MTF bei Wärmebildkameras?

Linienbildfunktion (Line Spread Function, LSF) und Modulationsübertragungsfunktion (Modulation Transfer Function, MTF) beschreiben die elektro-optische Qualität von Kameras. Allerdings ist nur die LSF als vergleichende Größe geeignet. Dies aber auch nur, wenn sie auf das IFOV bezogen wird. Die MTF ermöglicht Aussagen über das Abtasten der Kamera und ist bei der Bewertung der Super-Resolution von Interesse (siehe weiter unten).

Zur Messung von LSF und MTF sind verschiedene Verfahren bekannt und gebräuchlich, die jeweils Vor- und Nachteile aufweisen. Die vom Fraunhofer Institut empfohlene und verwendete Methode der schrägen Kante ist eines dieser Verfahren. Dabei wird eine Kante aufgenommen die einen kleinen Winkel relativ zum Detektormosaik aufweist. Die Kante wird durch ein dünnes, diffus reflektierendes Metallblättchen realisiert, das sich vor einem Schwarzkörperstrahler befindet. Analysiert wird der Kantenverlauf entlang des Detektormosaiks, wobei sich durch den Winkel eine Feinabtastung ergibt. Durch Ableitung wird aus der Kante die LSF gewonnen, aus der sich über Fouriertransformation die MTF berechnen lässt. Da in horizontaler und vertikaler Ortsrichtung unterschiedliche Eigenschaften vorliegen können, wird die Messung für beide Richtungen durchgeführt.

Als Kenngröße für die LSF wird hier die 95 %-Breite gemittelt über beide Ortsrichtungen verwendet. Bezogen auf das IFOV ist dieser Wert in Tabelle 4 zusammengefasst. Durch die IFOV-bezogene Angabe können die Kameras verglichen werden. Die relative LSF-Breite variiert zwischen dem zwei- und dreifachen des IFOV. Dabei ist eine deutliche Abhängigkeit vom Hersteller festzustellen. Im Ergebnis liegt Testo bei etwa 2,1, Nec Avio bei 2,4 und Flir Systems bei etwa 3.

Die MTF zeigt für alle Kameras ein deutlich unterabgetastets Verhalten, wie es für Detektormosaike mit Optiken kleiner Öffnung zu erwarten ist. Bei den Kameras Nec Avio R300W2 sowie Flir Systems E30 und T440 sind dabei keine Unterschiede zwischen horizontaler und vertikaler Ortsrichtung festzustellen. Die anderen Kameras zeigen solche Unterschiede, wobei die horizontale Ortsrichtung besser übertragen wird als die vertikale. Dies zeigt sich dann auch an den 4-Balken-Testmustern die in den Berichten abgebildet sind (siehe Bildergalerie).

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