Instrumente für den sichtbaren und nahen Infrarot-Bereich

Die Instrumentierung des Stuttgarter Adler besteht aus drei Kameras für den sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich, sowie aus einem Spektrometer. Der Einsatz einer thermischen Infrarotkamera ist derzeit in Planung.

Im sichtbaren und nahen infraroten Bereich werden Smart-Cameras der Firma Vision Components GmbH eingesetzt. Diese Kameras verfügen über einen programmierbaren, internen Mikroprozessor sowie eine SD-Speicherkarte. Die spektralen Kanäle werden durch entsprechende Filter realisiert, die auf die Schneider Kreuznach Optik aufgeschraubt werden.

Das Spektrometer vom Typ Avantes AvaSpec-128 wurde von der Firma Optoprim GmbH mit einer speziellen Optik für den Einsatz auf dem Stuttgarter Adler ausgerüstet. Das Blickfeld des Spektrometers wird durch einen Spiegelaufbau parallel zu den Kameras ausgerichtet und bildet einen ca. 50 cm großen Punkt in der Bildmitte ab.

Abb. 1: Falschfarbenaufnahme aus grünem, rotem und nahen infrarotem Farbkanal.

Thermalkamera

Die Thermalkamera bietet die Möglichkeit, scheinbare Oberflächentemperaturen zu messen. Vielfältige Anwendungsgebiete wie Überwachung von Deponien und ähnlichem sind damit möglich. Zusammen mit den Instrumenten im sichtbaren und nahinfraroten Bereich können zum Beispiel Oberflächenfeuchtigkeit oder der Zustand von Pflanzen bestimmt werden.

Im Stuttgarter Adler wird eine Pyroview 380LC/50Hz der Firma DIAS eingesetzt. Sie verfügt über ein ungekühltes Microbolometer mit 384 x 288 Pixeln. Im August 2009 wurden mit dem Stuttgarter Adler zwei Testflüge mit der Thermalkamera erfolgreich durchgeführt. Die Funktion der Kamera und der Software erwies sich als zuverlässig. Eine erste Abschätzung der Leistungsfähigkeit der Kamera konnte anhand der Bilder in Abbildung 2 und Abbildung 3 gemacht werden. Die Temperaturauflösung erreicht etwa 0,5 K, größere Temperaturkontraste werden gut dargestellt. Die räumliche Auflösung lässt kleinräumige Details von wenigen Dezimetern erkennen.

Abb. 2: Relativ homogene Temperaturverteilung (16°C bis 21°C) der Vegetation. Die Streifen im Bild zeigen die Grenze der Temperauflösung von ca. 0,5 Grad.

Abb. 3: Heterogene Temperaturverteilung (15°C bis 35°C) von Vegetation und künstlichen Oberflächen.

Kalibrierung

Die Instrumente werden geometrisch, spektral und radiometrisch kalibriert. Für das Punktspektrometer wird auch eine Boresight-Kalibrierung durchgeführt. Hierfür stehen im eigenen Labor entsprechende Geräte wie eine Ulbrichtkugel, ein Monochromator und Linienstrahler zur Verfügung.

Die Grauwerte der Luftbilder lassen sich in Strahlungswerte umrechnen, wenn die Kameras radiometrisch kalibriert sind. Da sich die Eigenschaften bestimmter Bauteile wie beispielsweise die Empfindlichkeit der Detektoren mit der Zeit ändern können, wird die Kalibrierung wiederholt durchgeführt.

Strahlungstransport

Die im Stuttgarter Adler eingesetzten Instrumente sind auf physikalische Größen kalibriert, so dass die am jeweiligen Detektor einfallende Strahlung aus den Messwerten berechnet werden kann. Die einfallende Strahlung ist nicht nur von den gesuchten Eigenschaften der betrachteten Oberfläche abhängig, sondern auch von der Sonneneinstrahlung sowie der Absorption und Streuung der Atmosphäre.

Parallel zu den Flügen werden die wellenlängenabhängigen optischen Eigenschaften der Atmosphäre mit einem Sonnenphotometer bestimmt. Die Sonneneinstrahlung am Oberrand der Erdatmosphäre ist gut bekannt und kann für jede Jahres- und Tageszeiten berechnet werden. Mit diesen Angaben kann eine numerische Strahlungstransportrechnung durchgeführt werden, um die am Boden oder in einer bestimmten Höhe einfallende, auf- oder abwärts gerichtete, direkte und diffuse Strahlung sowie die Transmission der Atmosphäre zu ermitteln. Für die Untersuchung von Bodeneigenschaften wird daraus die Reflektanz der Erdoberfläche, d.h. das Verhältnis zwischen der vom Boden ausgehenden aufwärtsgerichteten Strahlung und der Bodeneinstrahlung, berechnet.