Warmtebeeldvorming in kleine onbemande luchtvaartuigen (sUAV’s) of drones wint de laatste jaren aan populariteit. Van landbeoordeling in agrarische omgevingen tot inspectie van elektriciteitsleidingen in de nutssector, en van zoek- en reddingsscenario’s tot brandinspectie en -detectie, de toepassingen blijven groeien.
Onlangs hebben de warmtebeeldmogelijkheden van DJI-drones een grote rol gespeeld bij het helpen van klanten over de hele wereld om de veiligheid en prestaties te verbeteren. In Argentinië, werden DJI-drones gebruikt voor thermische inspectie. In Wit-Rusland werden DJI-drones ingezet om bosbranden te blussen. In de VS werden DJI-drones gebruikt om structurele schade te beoordelen voordat brandweerlieden een ontstoken gebouw binnengingen. En in Vietnam werden DJI-drones gebruikt om te zoeken naar overlevenden van overstromingen en aardverschuivingen. Dit zijn slechts een paar voorbeelden die aantonen hoe thermische drones bedrijven helpen efficiënter te werken met minder risico.
Als je je hebt afgevraagd of het tijd is om te upgraden naar een drone met warmtebeeldmogelijkheden, dan is dit bericht bedoeld om je te helpen de onderliggende technologie beter te begrijpen en om je te helpen de functionaliteit van deze apparaten beter te beoordelen.
Inhoudsopgave
Warmte 101
Warmte is niets meer dan de vibratie van atomen: hoe meer ze vibreren, hoe heter ze worden. En terwijl atomen trillen, creëren ze wat bekend staat als een warmtesignatuur. Deze warmtesignatuur wordt gedetecteerd door warmtebeeldcamera’s.
Thermografie is het vakgebied dat zich bezighoudt met de warmte of infraroodstraling (IR) die een object van nature afgeeft. Thermografische instrumenten zoals thermische camera’s detecteren en tonen de hittekenmerken van zowel levende als levenloze objecten.
Er zijn een paar belangrijke factoren over thermografie die moeten worden benadrukt voordat we in de moeren en bouten van thermische beeldvorming gaan. Eerst en vooral kunnen mensen warmte voelen, maar niet zien omdat warmte optreedt op de infrarode golflengte van het elektromagnetische spectrum. Bovendien is het zichtbare licht dat mensen kunnen zien in feite slechts een klein stukje van het elektromagnetische spectrum. Thermische camera’s daarentegen vangen infrarode energie op en maken beelden geschikt voor ons beperkte zicht.
Ten tweede is het belangrijk op te merken dat niet alle objecten een nauwkeurige warmtesignatuur afgeven. De mate waarin een object warmte absorbeert of reflecteert, wordt emissiviteit genoemd en varieert sterk tussen objecten. Bovendien kunnen objecten met een hoge emissiviteit, zoals hout, gemakkelijk worden gedetecteerd door een warmtebeeldapparaat, terwijl objecten met een lage emissiviteit, zoals deze terrastegels, niet gemakkelijk kunnen worden gedetecteerd door een thermische camera.
Hout heeft een hoge emissiviteit
Hoe een thermische camera werkt
Thermische camera’s meten voornamelijk de oppervlaktetemperatuur van een object en zijn ontworpen om subtiele temperatuurveranderingen te detecteren. Spiegels, glanzende objecten en hooggepolijste gebieden reflecteren echter thermische straling en kunnen daarom niet nauwkeurig worden gemeten door een thermische camera. In plaats daarvan hebben niet-reflecterende oppervlakken zoals beton, hout en zelfs mensen een hoge mate van emissiviteit en kunnen ze dus nauwkeuriger worden gemeten met behulp van warmtebeelden.
Warmtebeeld van een elektriciteitspaal vastgelegd met de H20T
Een thermische camera bestaat uit een gespecialiseerde lens die IR-frequenties doorlaat. Daarnaast bevat de camera een thermische sensor en een beeldprocessor, die allemaal in een beschermhoes zijn ondergebracht. De camera is meestal gemonteerd op de gimbal van een drone die tot 360 graden kan draaien en helpt om de camera te stabiliseren. Terwijl de drone rondvliegt, detecteert de thermische sensor van de camera infrarode golflengten en zet deze om in elektronische signalen. Na ontvangst van de signalen creëert de beeldprocessor een zogenaamd thermogram of thermografisch beeld dat is samengesteld uit een kleurenkaart die verschillende temperatuurwaarden weergeeft.
Diagram van hoe een thermische camera werkt
Schema van een thermische sensor (microbolometer)
In technische termen wordt de thermische sensor eigenlijk een microbolometer genoemd. Deze zeer geavanceerde sensor absorbeert in wezen infrarood-energie en maakt vervolgens een thermogram op basis van zijn metingen. Interessant is dat vroegere microbolometers zich in exotische koelmaterialen moesten bevinden en dus als “gekoeld” werden beschouwd. Als gevolg daarvan waren die vroege microbolometers erg duur. Gelukkig is de technologie zo ver gevorderd dat de microbolometers nu “ongekoeld” kunnen worden en nog steeds een uitzonderlijke kwaliteit bieden.
Warmtebeelden lezen
Warmtebeeldsoftware voor drones biedt een verscheidenheid aan kleurenpaletten om uit te kiezen. Die paletten variëren meestal van een warmwitte instelling met warme items weergegeven in wit en koelere items weergegeven in zwart, tot een warme zwarte configuratie waarbij de kleurpatronen zijn omgekeerd. Een ander veelgebruikt kleurenpalet is de regenbooginstelling die warmte in een reeks kleuren weergeeft, waarbij de heetste items in rood, oranje of geel worden weergegeven, terwijl koudere temperaturen in blauw of zwart worden weergegeven.
Algemene instellingen voor thermisch kleurenpalet
Meer geavanceerde drones bieden meestal een grotere verscheidenheid aan kleurenpaletten, zodat consumenten de meest optimale weergave voor hun specifieke behoeften kunnen kiezen. DJI’s Zenmuse H20T thermische camera biedt bijvoorbeeld twaalf kleurenpaletten die zijn toegewezen aan 256 kleuren en worden weergegeven in 8-bit JPEG- of MPEG-4-indelingen.
Beeldverwerking thermische camera
Na het vastleggen van thermische camerabeelden, geeft de drone-software elke clip weer in een galerij op het scherm, net zoals een smartphone vastgelegde videosegmenten weergeeft. Klanten kunnen vervolgens verschillende softwarepakketten gebruiken om die afbeeldingen te inspecteren en te bewerken.
Over het algemeen leggen lagere thermische camera’s eenvoudig warmtebeelden vast zonder de temperatuurmetingen. Hogere camera’s zoals de Zenmuse H20T daarentegen meten thermografische gegevens in elke afzonderlijke pixel en registreren bijgevolg de werkelijke temperatuurmetingen samen met de thermische beelden. Dit detailniveau, samen met de geotagged GPS-informatie voor elke foto, maakt het beoordelen van afbeeldingen veel sneller en handiger.
DJI-software voor thermische beeldvorming tijdens de vlucht
Oppervlakte metingen
Hoewel ze zeer gevoelig zijn, kunnen thermische camera’s worden beïnvloed door tal van factoren, zoals het tijdstip van de dag, de oppervlakteomstandigheden en de reflectiviteit van een object. Atmosferische omstandigheden zoals warme lucht, vochtigheid, wolken, regen en sneeuw kunnen ook de nauwkeurigheid van een thermische meting aanzienlijk verminderen. Bovendien kunnen rook, stof en puin een negatieve invloed hebben.
Ook de oppervlaktecoating van een object kan een rol spelen. Twee objecten die van hetzelfde materiaal zijn gemaakt, kunnen bijvoorbeeld verschillende thermische camerametingen ontvangen als een van de objecten is gecorrodeerd of opnieuw is geverfd of op enigerlei wijze is gewijzigd ten opzichte van het andere object. In dit geval zou de thermische camera voor beide objecten verschillende temperatuurmetingen genereren.
Andere factoren kunnen ook een rol spelen bij het beïnvloeden van thermische metingen. In de onderstaande afbeelding zijn de zonnepanelen bijvoorbeeld allemaal gemaakt van hetzelfde materiaal, maar sommige genereren verschillende thermische metingen vanwege de positie van de camera ten opzichte van de positie van de zon.
Juist om deze redenen is het belangrijk om altijd een zorgvuldige beoordeling van uw thermische metingen te maken voordat u tot conclusies komt.
Oppervlaktemetingen door thermische camera’s kunnen door een aantal factoren worden beïnvloed
Een veel voorkomende misvatting is dat thermische camera’s door glas kunnen kijken. In feite kunnen ze dat niet. In plaats daarvan meten ze eenvoudig de oppervlaktetemperatuur van het glas zonder er doorheen te kijken. Desalniettemin kan het voor thermische camera’s moeilijk zijn om een nauwkeurige meting van een glazen object te verkrijgen, omdat het de hitte van de zon, de grond of andere objecten in de buurt ervan kan weerkaatsen.
Oppervlakte-leesfactoren om te overwegen
Enkele van de factoren die de nauwkeurigheid van thermografische temperatuurmetingen beïnvloeden zijn:
- Atmosferische omstandigheden
- Rook, stof en puin
- Emissiviteit van een object
- De transparantie van een object
- De reflectiviteit van een object
- De tijd van de dag
- De kijkhoek
- Het type verf op een object
- De afstand van de camera tot een object
- De hoeveelheid thermische energie in een gebied
- De ruwheid of gladheid van een object
Houd er ook rekening mee dat een thermische camera geen gaslekken kan detecteren. DJI biedt echter wel een laser-methaangasdetector genaamd de U10 die naadloos kan worden geïntegreerd met de Matrice 300 RTK en de Matrice 210 RTK V2.
Klik hier voor meer informatie over drones in HazMat-respons.
Dubbele camerasystemen
Dubbele camerasystemen maken gelijktijdig zowel thermische als kleurenbeelden. Een goede illustratie van deze functie is de Zenmuse H20T hybride thermische payload van DJI, die twee camera’s in één is: een gewone camera voor zichtbaar licht en een warmtebeeldcamera. Gewoonlijk maken systemen met twee camera’s gebruik van geavanceerde software om nauwkeurigere thermische metingen te leveren.
Split-modus met de Zenmuse H20T
isothermen
Een isotherm is een door de gebruiker gedefinieerde temperatuurinstelling. Met deze functie kunnen klanten specifieke temperatuurbereiken instellen die op het bedieningspaneel van een drone moeten worden weergegeven om hotspots te markeren. Een boswachter kan bijvoorbeeld op zoek zijn naar hoge temperatuurmetingen om te worden gewaarschuwd voor mogelijke branden, en zou dus de monitor van de thermische drone kunnen instellen om alleen isotherme metingen in hogere temperatuurbereiken weer te geven. Als gevolg hiervan zou de boswachter in realtime worden gewaarschuwd voor mogelijke gevaren tijdens het vliegen met een thermische drone in plaats van te wachten tot de opgenomen beelden worden weergegeven en vervolgens worden geanalyseerd.
TempAlarm met de Zenmuse H20T
Volgende generatie thermische beeldvorming vanuit de lucht
Drones met geïntegreerde thermische sensoren zoals de Mavic 2 Enterprise Advanced kunnen thermografische informatie meten in complexe omstandigheden zoals mist en rook. Bovendien heeft de Zenmuse H20T geavanceerde softwaremogelijkheden waarmee gebruikers alarmen kunnen instellen wanneer temperaturen bepaalde parameters overschrijden, de temperatuur van gemarkeerde objecten kunnen volgen, realtime temperaturen kunnen controleren met één aanraking van het scherm, een zichtbaar lichtobject over een thermisch object kunnen plaatsen, en de beeldhelderheid optimaliseren.
De Mavic 2 Enterprise drone met warmtebeeldcamera en zichtbaarlichtcamera
Prijspunten thermische camera
Opgemerkt moet worden dat niet alle thermische camera’s hetzelfde zijn. Om deze reden zijn er verschillende belangrijke factoren waarmee u rekening moet houden wanneer u besluit er een aan te schaffen, zoals:
- Field of View (FOV) verwijst naar de grootte van het waarneembare beeld dat de camera oppikt.
- Weerbestendigheid geeft aan hoe goed een elektrische behuizing bestand is tegen de elementen en wordt gemeten in IP-niveaus (Ingress Protection). Als u verwacht dat uw missies uw drone en thermische sensoren zullen blootstellen aan ongunstige weersomstandigheden zoals regen of mist, is het raadzaam om de M300 RTK + H20T-combo te overwegen, die beschikt over toonaangevende weersbestendigheid.
- Spectrale band verwijst naar het elektromagnetische bereik dat de sensor van de camera kan detecteren.
- Thermische gevoeligheid geeft aan hoe gevoelig de thermische camera is en in welke mate de camera temperatuurverschillen waarneemt. Dit wordt ook wel noise equivalent differential temperature (NEDT) genoemd.
- Beeldresolutie verwijst naar de grootte en het aantal pixels dat een afbeelding bevat en hoe gedetailleerd de afbeelding is.
Mavic 2 Enterprise Advanced: 640×512-sensor (links) vs. Mavic 2 Enterprise Dual: 160×120-sensor (rechts)
Gebruiksgevallen
Naarmate de technologie op dit opwindende gebied groeit, vinden drone-enthousiastelingen steeds meer manieren om warmtebeeldapparatuur te gebruiken. Zo worden sUAV-warmtecamera’s nu gebruikt om de efficiëntie van zonne-installaties te verbeteren, om vee te volgen en te inspecteren, om snel oververhittingsschakelaars op elektrische distributielijnen te detecteren, om apparatuur in mijnen te inspecteren, om landbouwsystemen te beheren en om de veiligheid te verbeteren. Dit zijn slechts enkele van de unieke gebruiksscenario’s voor thermische drones en naarmate de technologie verbetert, zal de lijst met toepassingen blijven groeien.