Wissen: Wärmebildkameras für Drohnen

Wärmebildkameras sind eine der beliebtesten Kameratypen, wenn es um den industriellen Einsatz von Drohnen geht. In diesem Artikel wollen wir uns speziell mit Wärmebildkameras für Drohnen beschäftigen und worauf du beim Kauf achten musst.

Wir wollen das Thema „Wärmebildkamera“ dabei von grundauf beleuchten. Wenn du also bereits Vorwissen mitbringst, orientiere dich einfach an den Fragen in den Überschriften, um die passenden Informationen für dich zu finden.

Eins vor weg: Wärmebildkameras – egal ob für die Luft oder den Einsatz am Boden – sind im Vergleich zu normalen Bildkameras immer noch extrem teuer. In der Regel viel zu teuer, als dass der einfach Hobbypilot sich eine Wärmebildkamera „zum Spielen“ anschaffen würde. Aber genug der Vorrede. Tauchen wir also in die Materie ein,

Was ist eine Wärmebildkamera?

Wärmebildkameras oder Thermografiekameras (im Englischen Thermal Cam genannt) sind spezielle Kameras, die die Wärmesignatur von Personen oder Gegenständen sichtbar machen. Im Gegensatz zu normalen Bildkameras, nehmen Wärmebildkameras nicht das sichtbare Lichtspektrum, sondern das infrarote Lichtspektrum war.

Somit arbeiten Wärmebildkamera in einem Bereich von circa ca. 3,5 bis 15 µm Wellenlänge. Das für das menschliche Auge sichtbare Licht ist hingegen im Bereich 400 nm bis 700 nm anzutreffen. Daher ist auch die Bezeichnung Infratrotkamera oder IR-Kamera gebräuchlich.

Ein typisches Bild einer Wärmebildkamera sieht dabei auf den ersten Blick ungewohnt bunt aus. Dabei handelt es sich um ein sogenanntes Falschfarben-Bild. Verschiedene Farben von schwarz über blau, violett, rot, orange und gelb stehen dabei für verschiedene Temperaturen. Jede der Farben kann anhand eines Referenzpunktes genau einer konkreten Temperatur in °C zugeordnet werden.

Wie funktioniert eine Wärmebildkamera?

Im allgemeinen Aufbau gibt es viele Parallelen zwischen einer normalen Kamera und einer Wärmekamera: Ein Bildsensor wandelt das Licht in elektronische Signale um, die anschließend digital weiterverarbeitet werden.

Im Gegensatz zu einer normalen Kamera, verwenden Wärmebildkameras aber andere Sensoren. Je nach aufzunehmender Wellenlänge der Infrarotstrahlen kommen elektronische Photosensoren (wie bei einer normalen Kamera) oder Indiumgalliumarsenid-Sensoren sowie Indium-Antimon-Detektoren zum Einsatz.

Im Fall von Wärmebildkameras für Drohnen wird fast ausschließlich die Bauart mit elektronischen Bildsensoren verwendet.

Der größte Unterschied zu herkömmlichen Kameras sind die Art der Daten, die eine Wärmebildkamera aufzeichnet. Während eine normale Kamera ein Bild als Belichtungsinformationen aufnimmt, werden die Daten einer Wärmebildkamera als Intensitätsinformationen gespeichert.

Diese Art von Wärmebild wird dann in Graustufen dargestellt. In der Regel lösen Wärmebildkamerasensoren mit 8 Bit, also 256 Graustufen auf. Da dies deutlich mehr Nuancen sind, als sie der Mensch unterscheiden kann, werden die Grautöne in ein Farbmuster getaucht: Was dabei entsteht ist das bereits genannte Falschfarben-Wärmebild. Es lassen sich so beliebige Farbkombinationen über das Graustufenbild legen, um es leichter für den Menschen interpretierbar zu machen.

Nachtsicht vs. Wärmebild

Oft werden Nachtsichtkameras und Wärmebildkameras in einen Topf geworfen. Das ist natürlich falsch. Im Gegensatz zu Wärmebildkameras, arbeiten Nachtsichtkameras – bekannt durch ihr grünes Bild – ebenfalls im sichtbaren Lichtspektrum.

Man verwendet daher auch den Begriff Restlichtverstärker. Diese Bezeichnung beschreibt ptäzise, was ein Nachtsichtgerät tut: Es empfängt das vorhandene sichtbare Restlicht und verstärkt es, sodass der Mensch auch bei erstaunlich dunkler Umgebung noch etwas sehen kann.

Im Vergleich zu Wärmebildkameras haben Nachtsichtkameras aber einen Nachteil: Bei Sonnenuntergang ist das restlichtverstärkte Bild noch viel zu hell, um brauchbar zu sein. Bei völliger Dunkelheit versagen auch Nachtsichtgeräte, weil es nichts zu verstärken gibt. Wärmebildkameras sind hingegen nicht durch sichtbares Licht beeinflusst und funktionieren daher immer gleich: egal ob am helllichten Tag (Einschränkungen siehe unten) oder bei vollständiger Abwesenheit von sichtbaren Licht.

Was sind die wichtigsten Spezifikationen?

Wer sich nach einer passenden Wärmebildkamera umsieht, muss einige wichtige Spezifikationen kennen. Wir wollen kurz auf die wichtigsten technischen Daten von Wärmebildkameras eingehen.

Bildauflösung

Wie auch bei herkömmlichen Kameras spielt die Auflösung des Wärmebildes eine entscheidende Rolle, wenn es um die Auswertung der Informationen geht. Übliche Auflösungen von IR-Kameras sind  160 × 120, 320 × 240 oder 384 × 288 Pixel. Hochauflösende Kameras liefern Bilder mit 640 x 480 Pixel. Durch Mehrfachaufnahmen und Verschieben des Sensors (Micro Scanning) lassen sich Auflösungen von bis zu 1280 x 960 Pixel realisieren.

Je nach eingesetztem Objektiv wird durch die Auflösung nicht etwa die Schärfe des Bildes (wie bei einem normalen Bild) bestimmt. Viel mehr bedeutet eine höhere Auflösung einen möglichst kleinen Messfleck. Die Auflösung ist also dafür verantwortlich, wie viele verschieden Intensitätsinformationen im Messbereich aufgenommen werden können.

Wellenlänge / Temperaturbereich

Je nach aufzunehmendem Temperaturbereich spielt die durch die Kamera messbare Wellenlänge der Infrarotstrahlen eine ebenfalls wichtige Rolle. Je nach dem, welche Objekte die Thermal Cam aufnehmen soll (Mensch vs. Feuer), muss der Bereich entsprechend gewählt werden.

Übliche Wärmebildkameras für Drohnen decken Temperaturbereiche von -40 bis +550 °C ab.

Bildwiederholungsrate / Frames per Second

Von modernen Kameras sind wir Bildraten von 24, 30 oder har 60 fps gewöhnt. Wärmebildkameras aktualisieren ihre Informationen in der Regel deutlich seltener. Hier sind Frame-Raten von 5 bis 10 fps (Bilder pro Sekunde) an der Tagesordnung.

Temperaturempfindlichkeit

Wie wir oben bereits erörtert haben, nimmt eine IR-Kameras Intensitätsinformationen auf. Innerhalb eines Graustufenbildes gibt es deshalb Kontraste. Diese ergeben sich aus dem Temperaturdifferenzen verschiedener Objekte im Bild.

Daher ist die minimale Temperaturdifferenz, die eine Wärmebildkamera wahrnehmen kann, ebenfalls von großer Bedeutung. Man spricht hier auch von der NEdT (noise equivalent differential temperature). Die NEdT gibt also die Temperaturdifferenz an, bei der das aufgenommen Bild dem Grundrauschen des Kamerasensors entspricht. Im allgemeinen wird auch von der Temperaturempfindlichkeit der Kamera gesprochen.

Der NEdT-Wert wird meist in mK (Milli-Kelvin) anegegeben und gilt in der Regel bei einer Blendöffnung von f/1,0.

Messgenauigkeit

IR-Kameras gehören zu den kontaktlosen Temperaturmessgeräten. Gegenüber eine Punktmessung mit einem Kontaktthermometer gibt es daher immer einen Messfehler. Dieser wird entweder als absolute Temperatur (also z.B ±5 °C) oder als relativer Wert (z.B. 5 % des Messwerts) angegeben.

Je höher die Genauigkeit, desto teurer ist in der Regel auch die Wärmebildkamera.

Erweiterung des Wärmebildes

Viele Wärmebildkameras für Drohnen-Anwendungen kombinieren eine IR-Kamera mit einer hochauflösende Sichtbildkamera (meist 4K). Dadurch lassen sich beide Bildinformationen kombinieren und es entsteht ein deutlich einfacher interpretierbares Falschfarbenbild mit klaren Strukturen und Formen.

Die Kombination aus beiden Kameratypen erlaubt es Drohnenpiloten außerdem, für verschieden Flugmissionen nicht ständig zwischen Kameras wechseln zu müssen. So können die meisten Wärmebildkameramodule auch ohne Probleme nur hochauflösendes Videomaterial für die Sichtinspektion liefern.

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Der Wärmebildhersteller FLIR nennt diese Technologie MSX. Das Video zeigt, wie MSX weitere Details in das Wärmebild integriert und so die Orientierung erleichtert.

Wozu werden Drohen mit Wärmebildkameras verwendet?

Wärmebildkamera im Kombination mit Drohnen erschließen völlig neue Möglichkeiten der Thermografie. Im Folgenden eine Auflistung von Anwendungsfällen für die Drohnen mit IR-Cams eingesetzt werden:

• Bauthermografie (Prüfung der Wärmedämmung / Identifizierung von Wärmebrücken / Feuchte-Detention in Dächern)
• Photovoltaik (Analyse von PV-Analgen und Identifizierung von Leerlaufsträngen)
• Feuerwehr (Identifizierung von Glutnestern / Ausbreitung von Bränden)
• Personensuche (Auffinden von Personen bei Dunkelheit oder in unübersichtlichem Terrain)
• Archäologie (Identifizierung von Untergrundstrukturen, durch Messung der Oberflächentemperatur)
• Polizei (Überwachung von Grenzübergängen / Auffinden flüchtiger Personen)
• Agrarwirtschaft (Saatplanung / Identifizierung von Tieren in Feldern)
• Energiewirtschaft (Kontrolle von Hoch – und Höchstspannungsleitungen)
• Logistik (Identifizierung von Gefahrgutbehältern und deren Füllständen)
• Kunst (Wärmebilder werden mit fallenden Preisen der IR-Kameras auch in der Kunst eingesetzt)

Welche Drohnenmodelle gibt es am Markt?

Wenn du eine Wärmebildkamera aus der Luft einsetzen willst, gibt es prinzipiell zwei Optionen: Entweder du kaufst eine Drohne mit fix installierten Wärmebildkamera oder du setzt auf eine Plattform, die eine optionale IR-Kamera tragen kann.

Drohnen mit integrierter Wärmebildkamera:

• Parrot ANAFI Thermal
• Parrot ANAFI USA
• DJI Mavic 3 Thermal (M3T) [Testbericht]
• DJI Mavic 2 Enterprise Dual
• DJI Mavic 2 Enterprise Advanced
• DJI Matrice 30T (M30T)
• DJI Matrice 3TD
• Skydio X2E
• Autel EVO 2 Dual
• Autel EVO 2 Dual 640T
• Autel EVO 2 640T Enterprise
• Autel EVO Max 4T
• Autel EVO Max 4N

Drohnenplattformen und zugehörige Wärmebildkameras:

• DJI Matrice M100 mit Zenmuse XT Wärmebildkamera
• DJI Matrice M200 Serie mit Zentmuse XT Wärmebildkamera
• DJI Matrice M600 mit Zenmuse XT Wärmebildkamera
• DJI Inspire 1 mit Zenmuse XT Wärmebildkamera
• DJI Matrice M210 V2 mit Zenmuse XT2 Wärmebildkamera
• DJI Matrice M210 RTK V2 mit Zenmuse XT2 Wärmebildkamera
• DJI Matrice M200 V2 mit Zenmuse XT2 Wärmebildkamera
• DJI Matrice M600 Pro mit Zenmuse XT2 Wärmebildkamera
• DJI Matrice M300 RTK mit Zenmuse H20T / Zenmuse H20N Wärmebildkamera & Laser-Distanzmessung
• DJI M350 RTK mit Zenmuse H20T / Zenmuse H20N Wärmebildkamera & Laser-Distanzmessung
• DJI Matrice M200 V2 / M300 RTK mit FLIR Vue TZ20 Dual-Wärmebildkamera
• Yuneec H520 mit E10T oder E10Tv Wärmebildkamera
• FLIR StormCaster-L und StormCaster-T
• Andere UAV-Plattform mit FLIR Vue Pro / Vue Pro R / Hadron Wärmebildkamera

Eine Übersicht aller DJI Wärmebildkameras der Zenmuse Familie, findet ihr in unserem Zenmuse Guide.

Drohnen-Wärmebildkameras im Vergleich

In der folgenden Tabelle haben wir dir die wichtigsten Daten einiger IR-Kameras für Drohnen zusammengefasst.

Limitationen von IR-Kameras

Natürlich haben Wärmebildkameras auch ihre Grenzen und Schwächen, auf die wir noch kurz eingehen wollen. Diese machen sich vor allem in einer Verfälschung oder schwierigen Interpretierbarkeit der aufgenommenem Bilder bemerkbar:

• Es können nur Oberflächentemperaturen gemessen werden.
• Sehr schnell ablaufende Prozesse können aufgrund der geringen Bildwiederholungsrate meist nicht erfasst werden.
• Die Reflexion von Sonnenlicht auf Metalloberflächen kann die Messung stark verfälschen.
• Hohe Windgeschwindigkeiten, feuchter Boden oder Sonnenstrahlung verfälschen das Ergebnis ebenfalls.
• Allgemein ist die Messgenaugikeit nicht so hoch, wie bei einer Kontaktmessung.
• IR-Kameras mit einer hohen Auflösung sind immer noch sehr teuer.
• Man benötigt stets einen Kontext, um die Falschfarbenbilder richtig deuten zu können. Bei unbekannter Hitzequelle / unbekanntem Emissionsfaktor wird die Interpretation schnell schwierig

Der Einsatz einer IR-Kamera an Bord einer Drohne sollte natürlich außerdem stabilisiert erfolgen. In der Regel verfügen fertige Wärmekameramodule für den Drohneneinsatz ebenfalls über ein mechanisches Gimbal zur Stabilisierung der Kamera. So erhält der Pilot ein wackelfreies Bild auch bei Fluglageänderungen.

Schlusswort

Wärmebildkameras sind eine faszinierende Technik, die gerade in Verbindung mit modernen Drohne tolle Einsatzszenarien ermöglicht. Wir hoffen, dir hat unser Artikel zu Thema weitergeholfen und dich vielleicht sogar bei deiner Kaufentscheidung unterstützt.

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Quelle: FLIR, Wikipedia (1), (2)