Como funciona a imagem térmica

No rescaldo dos atentados à Maratona de Boston, a caça ao homem para acabar com todas as caçadas estava em andamento. Havia apenas um problema - apesar de sua enorme vantagem em mão de obra e poder de fogo, as autoridades não conseguiam encontrar os criminosos.

Avisados ​​por um proprietário suspeito, eles finalmente restringiram sua busca a um barco grande e coberto parado em uma garagem. Como o suspeito estava escondido, eles não puderam confirmar visualmente sua posição exata no barco, nem puderam ver se ele estava armado. Os oficiais estavam trabalhando no escuro, cegos para o perigo. Foi quando uma câmera termográfica ajudou a salvar o dia.

Essa câmera , montada em um helicóptero circulando acima, mostrava claramente o homem deitado de bruços no chão do barco. Também revelou que a pessoa estava viva e em movimento. Com a ajuda das informações visuais do helicóptero, uma equipe da SWAT finalmente conseguiu se aproximar do barco e prender o suspeito.

Uma câmera termográfica (ou câmera infravermelha ) detecta luz infravermelha (ou calor) invisível ao olho humano. Essa característica torna essas câmeras incrivelmente úteis para todos os tipos de aplicações, incluindo segurança, vigilância e uso militar, em que os bandidos são rastreados em ambientes escuros, esfumaçados, nebulosos ou empoeirados ... ou mesmo quando estão escondidos atrás de uma cobertura de barco .

Arqueólogos implantam câmeras infravermelhas em locais de escavação. Os engenheiros os usam para encontrar deficiências estruturais. Médicos e técnicos médicos podem identificar e diagnosticar problemas dentro do corpo humano. Bombeiros perscrutam o coração dos incêndios. Trabalhadores de serviços públicos detectam problemas potenciais na rede elétrica ou encontram vazamentos em linhas de água ou gás. Os astrônomos usam a tecnologia infravermelha para explorar as profundezas do espaço. Os cientistas os usam para uma ampla gama de propósitos experimentais.

Existem diferentes tipos de dispositivos de imagem térmica para todas essas tarefas, mas cada câmera depende do mesmo conjunto de princípios para funcionar. Na próxima página, veremos exatamente como a imagem térmica funciona.

1. Iluminação da Luz
2. A geração de imagens térmicas esquenta
3. Complexidade da imagem térmica
4. Visão Noturna... Não
5. Tecnologia super quente

Os olhos humanos são órgãos maravilhosamente complicados e intrincados. Eles são feitos para ver a luz visível . Essa luz reflete nos objetos, tornando-os visíveis para nós.

A luz, que é um tipo de radiação , vem em mais sabores do que apenas o tipo visível. A gama de luz abrange todo um espectro eletromagnético , composto de luz visível e invisível, bem como raios X , raios gama, ondas de rádio, microondas e luz ultravioleta.

O comprimento de onda (também chamado de frequência ) é o que diferencia cada um desses tipos de luz. Em uma extremidade do espectro, por exemplo, temos os raios gama, que têm comprimentos de onda muito curtos. No outro lado do espectro, temos ondas de rádio, que têm comprimentos de onda muito mais longos. Entre esses dois extremos, há uma faixa estreita de luz visível, e perto dessa faixa é onde existem comprimentos de onda infravermelhos , em frequências de 430 THz (tetrahertz) a 300 GHz (gigahertz).

Ao entender o infravermelho , podemos usar dispositivos de imagem térmica para detectar a assinatura de calor de praticamente qualquer objeto. Quase toda a matéria emite pelo menos um pouco de calor, mesmo objetos muito frios como gelo. Isso porque, a menos que esse objeto esteja no zero absoluto (menos 459,67 graus Fahrenheit ou menos 273,15 graus Celsius), seus átomos ainda estão balançando e balançando, batendo e gerando calor.

Às vezes, os objetos são tão quentes que desligam a luz visível – pense nas bobinas vermelhas e ardentes de um fogão elétrico ou nas brasas de uma fogueira. Em uma temperatura mais baixa, esses objetos não brilharão em vermelho, mas se você puder colocar a mão perto deles, poderá sentir o calor, ou os raios infravermelhos, à medida que fluem para fora em direção à sua pele.

No entanto, muitas vezes nossa pele não é muito útil para detectar infravermelho. Se você enchesse uma xícara com água morna e outra com água fria e as colocasse em uma mesa do outro lado da sala, você não teria ideia de qual era qual. Uma câmera de imagem térmica, no entanto, sabe instantaneamente.

Em uma situação como essa, os humanos dependem de ferramentas eletrônicas para assistência. Em essência, os dispositivos de imagem térmica são como um ajudante para nossa visão, estendendo nosso alcance visual para que possamos ver infravermelho além da luz visível. Fortalecidos com essa informação visual expandida, nos tornamos os super-heróis do espectro eletromagnético.

Mas como um dispositivo digital pode captar sinais de calor invisíveis e criar uma imagem que faça sentido aos nossos olhos? Na próxima página, você verá como os avanços no processamento digital tornam isso possível.

As câmeras termográficas são dispositivos modernos de alta tecnologia. Mas a descoberta da luz infravermelha veio há muito, muito tempo.

Em 1800, um astrônomo britânico chamado Sir William Herschel descobriu o infravermelho. Ele fez isso usando um prisma para dividir um raio de luz solar em seus diferentes comprimentos de onda e, em seguida, segurando um termômetro perto de cada cor de luz. Ele percebeu que o termômetro detectava calor mesmo onde não havia luz visível - em outras palavras, nos comprimentos de onda onde o infravermelho existe.

Ao longo dos anos 1800, uma série de pensadores intrépidos experimentaram materiais que mudavam de condutividade quando expostos ao calor. Isso levou ao desenvolvimento de termômetros extremamente sensíveis, chamados bolômetros , que podiam detectar pequenas diferenças de calor à distância.

No entanto, foi só depois da Segunda Guerra Mundial que a pesquisa em infravermelho realmente começou a esquentar. Avanços rápidos ocorreram, em grande parte graças à descoberta dos transistores , que melhoraram a construção da eletrônica de várias maneiras.

Atualmente, a evolução das câmeras infravermelhas divergiu em duas categorias, chamadas de detecção direta e detecção térmica .

Os geradores de imagens de detecção direta são fotocondutores ou fotovoltaicos . As câmeras fotocondutoras empregam componentes que mudam a resistência elétrica quando atingidos por fótons de um comprimento de onda específico. Os materiais fotovoltaicos, por outro lado, também são sensíveis aos fótons, mas em vez de mudar a resistência, eles mudam de voltagem. Ambas as câmeras fotocondutoras e fotovoltaicas requerem sistemas de resfriamento intenso para torná-las úteis para a detecção de fótons.

Ao vedar a caixa do gerador de imagens e resfriar criogenicamente seus componentes eletrônicos, os engenheiros reduzem a chance de interferência e aumentam consideravelmente a sensibilidade e o alcance geral do detector. Esses tipos de câmeras são caros, mais propensos a falhas e caros para consertar. A maioria dos geradores de imagens não possui sistemas de refrigeração integrados. Isso os torna um pouco menos precisos do que suas contrapartes refrigeradas, mas também muito menos dispendiosos.

A tecnologia de detecção térmica, no entanto, é frequentemente integrada a ferramentas chamadas microbolômetros . Eles não detectam fótons. Em vez disso, eles captam as diferenças de temperatura ao detectar a radiação térmica de um objeto distante.

À medida que os microbolômetros absorvem energia térmica, seus sensores detectores aumentam a temperatura, o que, por sua vez, altera a resistência elétrica do material do sensor. Um processador pode interpretar essas mudanças na resistência e usar os pontos de dados para gerar uma imagem em uma tela. Esses arrays não precisam de nenhum sistema de refrigeração maluco. Isso significa que eles podem ser integrados em dispositivos menores, como óculos de visão noturna, miras de armas e câmeras de imagem térmica portáteis.

As imagens térmicas funcionam um pouco como o olho humano. Apenas em vez de captar a luz visível e refletida, os dispositivos de imagem térmica detectam o calor liberado por um objeto.

Como você já sabe, objetos quentes e frios emitem calor. À medida que esse calor se move para fora do objeto, um dispositivo de imagem térmica pode vê-lo. Como uma câmera, esses dispositivos possuem uma lente óptica, que foca a energia em um detector infravermelho . Este detector tem milhares de pontos de dados para detectar mudanças sutis na temperatura, de cerca de 4 graus Fahrenheit negativos (20 graus Celsius negativos) a 2.000 graus Celsius (3.600 graus Fahrenheit).

Em seguida, o detector constrói um termograma , que é basicamente um padrão de temperatura. Os dados do termograma são transformados em sinais elétricos e compactados em um chip de processamento na câmera. Esse chip converte os dados brutos do termograma em sinais visuais que aparecem em uma tela. Todo o processo funciona muito rapidamente, atualizando cerca de 30 vezes por segundo.

Muitos geradores de imagens mostram objetos como imagens monocromáticas, com áreas mais quentes mostradas em preto e áreas mais frias em cinza ou branco. Em um imager colorido, objetos quentes saltam da tela como branco, amarelo, vermelho e laranja, enquanto as áreas frias são azuis ou violetas. Essas são chamadas de imagens de cores falsas , porque o dispositivo atribui cores artificialmente a cada área da imagem – ao contrário de uma câmera comum , que cria imagens de cores verdadeiras que mostram os objetos como eles aparecem na vida real.

Dependendo do calor relativo de cada objeto em vista, a imagem resultante pode oferecer detalhes visuais impressionantes, como uma imagem completa de um homem segurando uma arma. Nos casos em que as gradações de temperatura são menos distintas, a imagem pode ser mais difusa e menos definitiva.

A qualidade da imagem muda dependendo se o gerador de imagens é ativo ou passivo . Os sistemas ativos realmente aquecem a superfície de um objeto alvo usando um laser ou outra fonte de energia para torná-lo mais visível para seu detector (e também para qualquer pessoa que esteja perto da área alvo). Por exemplo, alguns fabricantes de automóveis aquecem as peças do veículo à medida que passam pela fábrica, tornando quaisquer falhas na construção mais visíveis para as câmeras térmicas. Os sistemas passivos apenas detectam o calor que o objeto emite naturalmente. Ambos os sistemas têm seus prós e contras, mas a simplicidade dos sistemas passivos os torna muito mais comuns.

As primeiras versões dos detectores infravermelhos eram grandes, pesadas e barulhentas. Os sistemas de refrigeração contemporâneos são muito aprimorados, mas mesmo agora eles ainda são pesados, volumosos e caros, e muitas vezes anexados a grandes veículos ou aviões para que possam ser movidos para um local e depois colocados em uso.

Um sistema de refrigeração popular, por exemplo, é o FLIR SAFIRE III, que foi usado para restringir a busca pelo suspeito do atentado de Boston [fonte: Peluso ]. Esta unidade é resistente o suficiente para uso militar e estabilizada com um giroscópio a bordo, e funciona em veículos terrestres ou em aeronaves. Ele também pesa 100 libras e custa cerca de US $ 500.000 em 2013. Unidades de detecção "mais baratas" geralmente custam dezenas de milhares de dólares, tornando-as muito caras para o público em geral.

Os produtos não resfriados são muito mais baratos e muito menores também. Pegue o Extech i5 - custa cerca de US$ 1.600 e pesa o mesmo que uma lata de refrigerante. Ela possui uma bateria recarregável de íons de lítio, uma tela LCD colorida de 2,8 polegadas (7,1 centímetros) e, como uma câmera digital típica, armazena suas fotos em um cartão flash removível.

Ou considere o monóculo FLIR Scout PS24, que custa cerca de US$ 2.000. Tem apenas 17 centímetros de comprimento, para que caminhantes, caçadores e profissionais de segurança possam levá-lo aonde quer que estejam. Apesar de seu pequeno tamanho, ele tem tela colorida e também é à prova d'água.

Alguns desses geradores de imagens oferecem recursos interessantes, como telas picture-in-picture, lentes intercambiáveis, ponteiros laser (para que você possa ver exatamente para onde está apontando a câmera), GPS integrado , conectividade Wi-Fi e até microfones para que você possa adicionar voz comentários a cada imagem.

Os produtos Extech e FLIR são baseados na tecnologia de microbolômetro. Eles são muito diferentes da maioria das câmeras de visão noturna ou iluminadas por infravermelho comuns no nível do consumidor. Você conhece esses aparelhos - eles produzem aquele brilho verde doentio em filmes e programas de TV.

Esse tipo de visão noturna não detecta calor. Em vez disso, esses produtos amplificam muito os feixes de luz ambiente para revelar objetos no escuro. Em outras palavras, eles ainda precisam que a luz visível seja refletida nesses objetos ou não funcionarão muito bem.

O mesmo vale para câmeras iluminadas por infravermelho. Essas câmeras projetam um feixe infravermelho (pense no controle remoto da sua TV), que reflete nos objetos alvo e reflete a luz de volta para o sensor da câmera.

Os termovisores estão melhorando continuamente em sensibilidade e recursos. Mas eles não são uma tecnologia perfeita.

Sure, these cameras can see heat signatures within vehicles, homes and other dense materials. But any physical material (such as glass windows) that blocks heat will reduce the device's effectiveness. You can even buy clothing that will counter some heat seeking sensors [source: Maly].

There's also the matter of interpreting the images that appear on a camera's display. The often fuzzy, changeable pictures are simply representations of temperature and not actual pictures, so making sense of them depends on the user's expertise. Inexperienced people may misinterpret those images, especially in scenarios with extenuating circumstances such as inclement weather or interference.

Expense will continue to be an issue for anyone without deep pockets. Even the most affordable imagers cost many hundreds of dollars, and they have only a fraction of the capability of those deployed by government and military agencies.

Those that have the dough, though, can perform some amazing feats. The security and surveillance aspects are almost a given -- bad guys have a lot fewer places to hide when cops and soldiers can track suspects even without visual line of sight, whether it's in an urban area, on national borders or inside buildings.

Usando câmeras térmicas, os bombeiros podem localizar pessoas presas dentro de estruturas, localizar pontos quentes e identificar problemas estruturais antes que alguém se machuque. Os cientistas podem encontrar tocas de ursos polares do Ártico nas profundezas dos bancos de neve. As ruínas antigas geralmente exibem assinaturas de calor diferentes do solo e das rochas que as cercam, o que significa que os arqueólogos podem usar imagens para encontrar seu próximo local de escavação.

Os inspetores de construção carregam câmeras térmicas para encontrar vazamentos ou deficiências nos telhados e no isolamento. Da mesma forma, os trabalhadores de remediação podem encontrar água e subsequente crescimento de mofo atrás das paredes, mesmo nos casos em que o proprietário não tinha ideia de que havia um problema.

Componentes da rede elétrica que estão superaquecendo podem causar falhas e apagões . Para evitar interrupções, os trabalhadores utilizam os geradores de imagens para detectar áreas em deterioração em uma grade. Vazamentos de gás são outro grande desafio para as concessionárias, e as câmeras térmicas podem ver vazamentos antes que se tornem problemas maiores.

Preocupado com uma epidemia? Instale câmeras térmicas em áreas públicas de alto tráfego, como estações ferroviárias e aeroportos, e você poderá identificar pessoas febris no meio da multidão.

A lista de usos continua. E à medida que as empresas investem mais em pesquisa e desenvolvimento, as câmeras térmicas ficam cada vez melhores e mais baratas e, assim, encontram um lugar em muitas outras situações, desde recreação até pesquisa. O que agora é uma tecnologia quente está ficando cada vez mais quente, e nós, humanos, estamos vendo nosso mundo de uma maneira totalmente nova.

Nota do autor: como funciona a geração de imagens térmicas

Nós as chamamos de câmeras térmicas, mas elas não são realmente câmeras. Em vez disso, os termovisores são sensores. E no momento, eles são muito, muito caros. Tive a sorte de brincar com um imager portátil alguns anos atrás, quando estávamos procurando a fonte de uma misteriosa intrusão de água em uma casa suburbana. Câmera na mão, descobrimos que um canto da casa era muito mais frio que as outras paredes. Removemos o drywall e encontramos um buraco grande o suficiente para criar um problema de água durante chuvas fortes. Podemos ter usado o dispositivo por apenas algumas horas, mas definitivamente provou seu valor.

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