サーモグラフィは、雨や霧を見通せますか？

霧と雨が赤外線カメラの性能に与える計測的影響

サーモグラフィカメラは、完全な暗闇の中でも機能し、光を必要とせずに鮮明でクリアな画像を生成します。これによって、赤外線カメラは、多くのナイトビジョン用途にとって最適な機器となります。

「船舶・ボート用のサーモグラフィカメラでは、どのくらい遠くまで見えますか？」 これは、よくある質問で、ほとんどのナイトビジョンアプリケーションにとって、回答することが非常に重要です。サーモグラフィカメラで見ることができる距離は、範囲とも呼ばれ、多くのカメラ変数に大きく依存します。

• どのレンズを使っていますか？
• カメラには、冷却検出器または非冷却検出器が装備されていますか？
• 感度は？
• 検出したい物体のサイズは？
• ターゲットと背景の温度は？

「どこまで...」 この質問は、ほとんどの場合、理想的な気候条件下で回答されます。つまり、次に尋ねる質問は 「霧、雨、その他の条件の範囲はどうなりますか？」となります。

サーモグラフィカメラは、完全な暗闇の中で、薄霧、小雨、雪を通して視認が可能ですが、視認距離はこれらの大気条件の影響を受けます。

赤外線の透過率

晴れた空でも、固有の大気吸収によって、特定の赤外線カメラが見える距離が制限されます。赤外線カメラは、物体が放射する熱放射の違いに基づいて画像を生成します。ターゲットからカメラまで赤外線信号が移動する距離が遠くなるほど、その途中で信号が失われる可能性が高くなります。

これは、遮蔽材を通過する際に、入射放射線と透過放射線の比率である減衰係数を考慮する必要があることを意味します。湿度の高い空気は、赤外線放射の「シールド」として機能します。通常は、夏季の大気は湿度が上昇するため、冬季に比べて減衰が高くなります。一般的に、冬の晴天や良好な気象条件下では、サーモグラフィカメラの視認距離は夏よりも遠くなります。

しかし、湿った空気は、赤外線放射が失われる要因の一つに過ぎません。サーモグラフィカメラの視認距離に、さらに悪影響を及ぼす気象条件も存在します。

水滴から光が散乱するために、霧や雨はサーモグラフィカメラシステムの視認距離を著しく制限する可能性があります。水滴の密度が高いほど、赤外線信号はより弱まります。赤外線カメラのユーザーが尋ねる重要な質問は、雨や霧が赤外線カメラの視認距離性能をどの程度制限するかということに加え、これが可視光カメラの視認距離性能と比較してどの程度であるかということです。

霧の分類

霧は、目に見える微小な水滴の凝集体で、地球の表面またはその付近で大気中に浮遊しています。空気が水蒸気でほぼ飽和状態にある場合、相対湿度が100%に近いことを意味します。これにより、煙や埃の粒子といった十分な数の凝結核が存在する場合に霧が形成されます。

霧には様々な種類があります。対流霧は、異なる温度や湿度を持つ2つの気団が混ざり合うことで形成されます。もう1つの形態は放射霧です。これは、露点に近い温度で、空気の放射冷却の過程で形成されます。

霧峰の中には、他の霧峰より密度が高いものがありますが、これは水滴が付着を通じて増大したためです。霧の条件下では、水滴がさらに水分を吸収し、大幅に成長することがあります。可視範囲と比較して赤外線波帯の散乱が少ないかどうかの問題は、水滴のサイズ分布に依存します。
霧の分類には、様々な方法があります。よく使用される分類は、国際民間航空機関（ICAO）で使用される分類です。このシステムによると、霧は4つのカテゴリに分類できます。

カテゴリI：視程1220メートル
カテゴリII：視程610メートル
カテゴリIIIa：視程305メートル
カテゴリIIIc：視程92メートル

霧のある大気で視界が低下する理由は、霧の粒子による自然光または人工光の吸収と散乱にあります。吸収と散乱の量は、エアロゾルとも呼ばれる霧粒子の微物理的な構造に依存します。

中程度解像度伝播モデル（MODTRAN）

MODTRANは、米国空軍によって作成され、サポートされている大気放射伝達コードです。これは、様々な大気条件下で、大気をモデル化する機能を備えています。これにより、幅広い波長およびスペクトル分解能において、大気の特性を予測することが可能になります。これには、経路輝度、経路透過率、天空輝度、地表に到達する太陽および月の放射照度が含まれます。

MODTRANによって、広いスペクトル範囲における透過率と放射輝度の計算が可能になります。これは、異なる地理的緯度と季節に、6つの気候モデルを提供しています。このモデルは、各気候に現れる6つの異なるエアロゾルの種類も定義しています。気候モデルは、それぞれ異なるエアロゾルと組み合わせることができます。

霧や雨の中でサーモグラフィカメラを使用した場合の視認距離は、カメラを使用する気候条件や、特定の気候に存在するエアロゾルの種類にも依存します。

MODTRANモデルの入力データ

MODTRANモデルの入力データは、上述の特定の気候とエアロゾルですが、ICAOカテゴリ、大気経路の幾何学的形状や長さに加え、ターゲットと背景の温度や放射率による可視性もあります。

一般的に、さまざまなエアロゾルを比較すると、海洋性エアロゾルは気候モデルに関係なく常に最も短い検知距離をもたらします。これは、海洋性エアロゾルが農村や都市のエアロゾルに比べて平均的に粒子半径が大きいためです。農村性および都市性エアロゾルは、赤外線帯域で顕著に長い検知距離をもたらします。

つまり、気候の種類に関係なく、霧の海洋環境では、陸地よりも視界が損なわれることになります。

赤外線カメラとターゲット

大気の種類や厚さが霧の中でどれだけ遠くまで見えるかに影響を与えるのと同様に、使用する赤外線カメラの種類や、カメラが動作する波長帯も重要な要素となります。

サーモグラフィカメラには、3.0～5μm（MWIR）および8～12μm（LWIR）の2つの重要な波帯があります。5～8μmの波長帯は、水蒸気による大気のスペクトル吸収が非常に強いため、画像処理にはほとんど使用されません。

電磁スペクトル

非冷却センサーを備えたサーモグラフィカメラは、7～14マイクロメートルの波長の長波赤外線（LWIR）帯域で動作するように設計されています。この帯域では地上のターゲットが大部分の赤外線エネルギーを放出するので、非冷却検知を簡単に行えます。

（センサーが極低温に冷却される）冷却検出器を装備したサーマルカメラは、シーン内の微小な温度差に対して最も高い感度を発揮し、一般的に中波赤外線（MWIR）帯域または長波赤外線（LWIR）帯域での撮像を目的として設計されています。

スペクトル伝送は、MWIR帯とLWIR帯では異なります。従って、非冷却LWIR検出器を備えたサーモグラフィカメラでは、冷却MWIR検出器と比較すると、霧の中をどのように見るかに違いがあります。

大気透過モデルの結果 - 霧

様々な範囲の大気のスペクトル透過によって、異なる大気の窓における可視性の単純な定性的比較が可能になります。

図1は、中緯度の夏季におけるCAT Iの霧、および農村部のエアロゾルのスペクトル透過率を示しています。可視スペクトル波長帯（0.4～0.75マイクロメートル）では、透過率は熱赤外線ウィンドウ（3～5マイクロメートルおよび8～12マイクロメートルの範囲）よりも著しく低くなります。これらの条件では、サーモグラフィカメラは、長波検出器または中波検出器を使用しているかどうかにかかわらず、肉眼よりもはるかに遠くまで見えます。

図1 ©Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt（DLR）

視程をモデル内で放射霧によるCAT II条件まで下げると、LWIR（8～12マイクロメートル）の帯域のみが可視帯域より優れていることが予測されます。また、中波赤外線カメラでは裸眼と比較して大幅に遠くを見ることはできないとされています。（図2）

図2 ©Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt（DLR）

最後に、Cat III条件（図3）では、視認性が300メートル未満であるため、サーモグラフィカメラでどれだけ遠くまで見えるか、肉眼でどれだけ遠くまで見えるかに大きな違いはありません。

図3 ©Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt（DLR）

透過率だけでは、どの程度の距離や何が見えるかを完全には決定できませんが、可視波長帯と赤外線波長帯の透過率を比較することで、大気が特定の波長帯を優遇するか、それとも不利にするかを判断できます。

検知範囲

大気の状態だけでは、霧や雨の中でどこまで見えるかを予測するのに十分ではありません。ターゲットのサイズと背景との温度差の両方を考慮する必要があります。さらに、光学と検出器の限られた空間解像度に加え、検出器と信号処理のノイズは、背景に対するターゲットのコントラスト放射照度も減少させます。赤外線センサーの伝達関数が輝度コントラストに及ぼす影響は、TACOMサーマルイメージモデル（TTIM）を使用してシミュレーションされています。このモデルでは、焦点面アレイで、様々な種類の赤外線センサーをシミュレーションします。

以下の表は、霧の中での裸眼（可視光）、MWIRカメラ、およびLWIRカメラによる検知距離（キロメートル単位）を比較したものです。この比較は、ターゲットと背景の温度差が10℃、検知閾値が0.15 Kの場合に基づいています。

Cat Iの場合、赤外線検知距離は範囲として示されます。これはMODTRANで指定された様々な気候やエアロゾルにおける変動を表しています。LWIRカメラでは、絶対湿度が低く農村性エアロゾルが分布している冬の条件が最適です。MWIR帯域では、夏や熱帯気候でよく見られる高温の条件下で検知距離が最も長くなります。

CAT Iの霧の条件では、赤外線によるすべての検知距離が可視光に比べて大幅に優れています。Cat IIの霧の場合、LWIR検出器を装備した赤外線カメラでは、目視と比較して4倍優れた結果が得られます。

Cat IIIaとCat IIIcの霧では、大気が制限要因であるため、サーモグラフィカメラと肉眼でどれだけ遠くまで見えるかに、実質的に差異はありません。放射線は、すべての（可視、MWIRとLWIR）スペクトル帯で、この高密度の霧を透過しません。

結論と結果

これらのモデルによると、熱赤外線帯域は、CAT IおよびCAT II霧の条件下で可視帯域よりも優れた距離性能を提供します。そのため、熱赤外線カメラは、このような霧の中でも視界を確保するのに非常に適しています。また、これらのモデルは熱赤外線カメラが航空機の着陸支援装置や、輸送および自動車業界向けのドライバー視界強化システムの一部として有用である可能性を示唆しています。
さらに、LWIRイメージャは、すべての研究例において、MWIR帯と比較してより高いレベルの霧浸透を達成します。CAT IIの霧の条件下では、LWIR帯域はMWIR帯域に比べて約4倍優れた距離性能を提供します。ただし、センサーの熱感度やターゲットのシグネチャを考慮することで、特定の用途に最適なシステムを選定する必要があります。

MWIR放射は、大気汚染物質や汚染ガスの影響を受けやすく、これにより大気吸収の増加や経路内輝度の上昇が起こり、ターゲット画像のコントラストが低下する可能性があります。一方、LWIRはこれらの影響を受けにくい特性があります。
雨は（大気の散乱の増加と一般的な遮蔽によって）ターゲットのコントラストを大幅に減少させ、LWIRとMWIRは、雨の存在下では同様に機能します。赤外線システムの性能は、雨による影響を大きく受けやすく、特に100～500メートルの範囲で劇的に低下します。

「サーモグラフィカメラでどこまで見えるか？」という質問に簡単に答えるのが難しいのと同じように、霧や雨の条件下でどの程度視認距離が短くなるかを正確に述べることも不可能です。これは、大気条件や霧の種類だけでなく、使用する赤外線カメラとターゲットの特性（サイズ、ターゲットと背景の温度差など）にも依存します。

Austin Richards博士とT. Hoelter氏には、貴重なご意見とアドバイスをいただき、感謝申し上げます。
参考文献：K. Beier, H. Gemperlein, Simulation of infrared detection range at fog conditions for Enhanced Vision Systems in civil aviation in Aerospace Science and Technology 8 (2004) 63 - 71