Ergänzung 2.18: Der UV-IR Scanner

Das Messprinzip

UV-IR - Zeilenscanner werden seit langer Zeit als Standardinstrumente für die flugzeuggestützte Meeresüberwachung eingesetzt. Mit ihnen können die Abmessungen eines Ölflecks von sehr dünnen Schichten (> 0,01 μm Dicke) bis hin zu dicken Schichten (> 100 μm Dicke) erfasst werden. Diese Instrumente verwenden zwei Sensoren:

• einen optischen Detektor mit hoher Empfindlichkeit im nahen Ultraviolett (UV) range, typisch bei 320-380 nm, und
• ein Infrarotdetektor (IR) mit hoher Empfindlichkeit für Strahlung im thermischen Infrarot, typisch bei 8-12 μm.

Mit beiden Sensoren wird - wie rechts abgebildet - ein Zeilenscan quer zur Flugrichtung durchgeführt. Die Breite der Pixel ergibt sich quer zur Flugrichtung aus dem momentanen Gesichtsfeld und der Flughöhe, und in Flugrichtung aus der Scangeschwindigkeit und der Geschwindigkeit des Flugzeugs. Da für beide Sensoren die Scangeschwindigkeit und das momentane Gesichtsfeld übereinstimmen, erhält man synchrone Bilder der Wasseroberfläche.

Mit dem Öl-Wasser-Kontrast Öl detektieren

Die UV- und IR-Detektoren arbeiten in sehr unterschiedlichen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums, weshalb sich die physikalischen Mechanismen der Öldetektion deutlich unterscheiden. Die Sensoren sprechen auf ganz unterschiedliche Eigenschaften von Öl und umgebendem Wasser an. Natürlichen Umgebungsbedingungen (Sonnenstrahlung, Luft- und Wassertemperatur, Wind und Wellen) können für beide Sensoren zu unterschiedlichen Fehlalarmen führen. Ihre Kombination ergibt somit einen zuverlässigeren Betrieb als die Nutzung der Einzelsensoren.

Bei der Überwachung von Ölflecken ist der Öl-Wasser-Kontrast die wichtigste Größe. Der Kontrast wird meist als das Signal von Öl minus dem Signal von Wasser dividiert durch das Signal vom Wasser berechnet. Ist der Kontrast Null, lässt sich kein Öl nachweisen; ein negativer oder positiver Kontrast erlaubt einen Nachweis von Öl, sofern der Kontrast deutlich über dem Rauschpegel des Instruments liegt.

Öl-Wasser-Kontrast in thermischen Infrarotbildern

Der Nachweis von Öl auf der Wasseroberfläche funktioniert im thermischen Infrarot anders als im Ultraviolett. Er ergibt sich aus zwei Umständen:

• Die spektrale Ausstrahlung von Öl ist im thermischen Infrarot geringer als diejenige von Wasser.
• Die Temperatur des Öls an der Wasseroberfläche unterscheidet sich von der Temperatur des umgebenden Wassers.

Temperaturstrahlung Schwarzer Körper
Das Emissionsspektrum eines Schwarzen Körpers bei unterschiedlicher Temperatur. Seine spezifische Ausstrahlung (und somit seine Strahlungstemperatur) steigt mit zunehmender Temperatur. Gleichzeitig verschiebt sich das maximum des Emissionsspektrums zu kleineren Wellenlängen.

Temperaturstrahlung Schwarzer Körper

Alle Objekte emittieren elektro- magnetische Strahlung in einem breiten Spektralbereich. Bei den üblichen Wassertemperaturen liegt das Emissionsmaximum bei etwa 9-11 μm. Das Emissionsspektrum eines idealen Schwarzen Körpers (siehe linke Grafik) lässt sich aus dem Planck'schen Strahlungsgesetz berechnen. Reale Objekte emittieren meist eine kleinere Strahlungsintensität, dies hängt von der spezifischen Ausstrahlung des Objekts ab. Die spezifische Ausstrahlung von Meerwasser beträgt im Infrarot 98-99% eines Schwarzen Körpers bei gleicher Temperatur. Die spezifische Ausstrahlung von Öl liegt bei etwa 94-97%, abhängig vom Öltyp und dem Verwitterungsgrad, Öl erscheint also kälter als Wasser bei gleicher Temperatur. Dünne Ölfilme (‹ 50-1000 μm) sind in einem thermischen Gleichgewicht mit dem darunter befindlichen Wasser und zeigen daher einen negativen Kontrast. Liegt die Filmdicke allerdings bei weniger als etwa der Wellenlänge der Strahlung (10-20 μm), dann registriert man überwiegend Strahlung vom Wasser unter dem Öl, was den Kontrast deutlich herabsetzt und so eine Nachweisgrenze bildet. Die kleinste nachweisbare Filmdicke liegt bei typisch 20 bis 70 μm.

IR-Bild von Forties-Rohöl
Dieses Temperaturbild eines einen Tag alten Ölflecks wurde unmittelbar nach Mittag an einem sonnigen Tag aufgenommen. Der größte Teil des Öls ist wegen der geringeren spezifischen Abstrahlung dunkler als das Wasser (negativer Kontrast). Einige Flecken aus dickem Öl zeigen einen positiven Kontrast, was auf eine Erwärmuing durch die Sonneneinstrahlung hindeutet. Um sie herum findet man Bereiche mit einer ähnlichen Strahlungstemperatur wie das Wasser. Sie lassen sich meist als Ölfilme mittlerer Dicke nachweisen, da sie dickes Öl umgeben und wiederum von dünnem Öl eingeschlossen sind. Ein oder zwei Bereiche lassen sich nich eindeutig als Öl oder Wasser identifizieren, ohne auf Daten anderer Instrumente zurückzugreifen.

IR-Bild von Forties-Rohöl

Wird Öl auf die Wasseroberfläche ausgebracht, so verdunsten die leichtflüchtigen Bestandteile. Dies führt zu einer Abkühlung, das Öl ist somit kälter als das umgebende Wasser. Erlischt die Verdunstung nach einiger Zeit, geraten dünne Ölfilme schnell in ein thermisches Gleichgewicht mit dem Wasser.

Dicke Filme können jedoch wärmer werden. Der Absorptionskoeffizient von Öl ist im sichtbaren Bereich (dem Bereich der Sonnenstrahlung) einige tausend mal höher als von Wasser. Eine etwa 200-500 μm dicke Schicht aus Rohöl (abhängig vom Typ und der Verwitterung) absorbiert praktisch alles auftreffende Sonnenlicht, das in Wärme überführt wird. Ein Teil der Wärme geht in das Wasser und die Luft über; allerdings ist die Wärmeleitung von Öl gering, weshalb dicke Ölschichten bei Tageslich normalerweise wärmer als die Umgebung sind.

Bei einer bestimmten Filmdicke kompensiert der Effekt der höheren Temperatur den Effekt der geringeren spezifischen Ausstrahlung, und die Strahlungstemperatur des Öls und des Wassers werden gleich hoch. Oberhalb dieser Schwellendicke erscheint in Temperaturbildern das Öl heller als das Wasser. Die Schwellendicke ist vom Öl (d.h. von seinem Lichtabsorptionsvermögen und der Verwitterung) und den Umgebungsbedingungen (Sonnenlicht, Wasser- und Lufttemperatur, etc.) abhängig. Meist liegt sie bei 70 bis 150 μm Filmdicke.

Wasser-in-Öl-Emulsionen werden von IR-Sensoren meist nicht erkannt. Dies liegt vermutlich daran, dass der Wassergehalt bei ca. 70% liegt, wodurch sich die Unterschiede in den spezifischen Ausstrahlungen ausgleichen. Das in der Emulsion enthaltene Wasser erhöht auch die Wärmeleitfähigkeit, weshalb sich auch bei dickeren Filmen ein thermisches Gleichgewicht einstellen kann.

Oft findet man in Temperaturbildern ölähnliche Strukturen, was zu Fehlalarmen führt. Hierzu gehören Seegras, Strandlinien und Fronten im Meer.

Geometrie des UV-IR Linescanners:
Ein rotierender Spiegel tastet die Meeresoberfläche zeilenweise ab. Die Zeitdauer, während der die Wasseroberfläche von den Detektoren 'gesehen' wird, ist die Integrationszeit. Optische Bauteile übertragen die vom Spiegel erfasste Intensität zu den beiden Detektoren, von denen einer im Ultraviolet (UV) und der andere im Infrarod (IR) empfindlich ist.

Die erfasste Fläche ist vom Gesichtsfeld und der Flughöhe abhängig. Die Breite der Pixel quer zur Flugrichtung hängt von der Drehfrequenz des Spiegels und Integrationszeit, dem momentanen Gesichtsfeld und der Flughöhe ab. Die Pixelbreite in Flugrichtung ist vom momentanen Gesichtsfeld, der Drehfrequenz des Spiegels, der Flughöhe und -geschwindigkeit abhängig. Bei einem momentanen Gesichtsfeld von 2 mrad, einer Drehfrequenz von 20 Hz, einer Flughöhe von 300 m und 90 Knoten Geschwindigkeit ergibt sich eine Pixelgröße von 1 m x 1 m.

Es wird deutlich, dass immer ein Kompromiss zwischen erfassbarer Fläche und und geometrischer Auflösung bzw. Pixelgröße getroffen werden muss. Eine größere Flughöhe ergibt eine größere Beobachtungsfläche, allerdings zu Lasten einer zunehmenden Pixelgröße. Für den Nachweis von Ölverschmutzungen ist eine Flughöhe von etwa 300 m ein guter Wert.

Geometrie des UV-IR - Scanners

Typische Sensoreigenschaften:

• UV-Band: λ = 320 - 380 nm
• IR-Band: λ = 8 - 12 μm
• Scanprinzip: quer zur Flugrichtung
• Scanfrequenz: 20 Hz (20 Zeilen pr Sekunde)
• momentanes Gesichtsfeld: 2,5 mrad (= 0,014°)
• Gesichtsfeld: 90°
• Flughöhe: ideal 300 m

Öl-Wasser-Kontrast in UV-Bildern

UV-Sensoren detektieren Öl an der Wasseroberfläche, weil sich die optischen Eigenschaften von Öl und umgebendem Wassers deutlich unterscheiden:

• Öl besitzt eine höhere Brechzahl als Wasser, insbesondere im UV; Öl an der Wasseroberfläche reflektiert daher mehr einfallendes Sonnen- und Himmelslicht und erscheint daher heller.
• In vollem Sonnenlicht kann UVA- und UVB-Strahlung Fluoreszenz des Öls bei Wellenlängen von 360 nm und höher anregen; diese sonnenlichtangeregte Fluoreszenz nimmt mit zunehmender Filmdicke zu.

UV-Bild von Rohöl
Dünne Ölfilme zeigen einen geringen positiven Kontrast. In dem Bild eines zwei bis drei Tage alten Rohölflecks finden sich helle Streifen dickeren Öls, umgeben von Bereichen mit dünnerem Öl, die nur geringfügig heller als das Wasser sind.

UV-Bild von Rohöl

Normalerweise ist der Öl-Wasser-Kontrast in UV-Bildern positiv. Ein kleiner positiver Kontrast kann bereits bei Filmen mit einer Dicke von 0.01 μm registriert werden, sofern die Seebedingungen ruhig sind. Höhere Filmdicke führt zu stärkerem Kontrast. In einem wenige Mikrometer dicken Film kommt sonnenlichtangeregte Fluoreszenz hinzu. Emulsionen können besonders hell sein. Die Bandbreite mancher UV-Sensoren reicht bis in das Violett (390-450 nm) und Blau (450-480 nm). Dies erhöht ihr Nachweisvermögen für sonnenlichtangeregte Fluoreszenz, allerdings zu Lasten des Nachweises sehr dünner Filme.

Die Auswertung von UV-Bildern ist nicht immer einfach. Manche Erscheinungen werden fälschlich als Öl gedeutet, so etwa Gebiete mit geringem Wind, Schaum, Sonnenglitter, Reflexion von Wolken und natürliche, biologisch erzeugte Oberflächenfilme. Eine Auswertung verknüpft mit den Ergebnissen anderer Instrumente erhöht die Aussagefähigkeit.

Zusammenführung von UV-IR Daten

Unter Datenzusammenführung versteht man die Kombination von Daten unterschiedlicher Sensoren, um Ergebnisse zu erhalten, die mit Einzelsensoren alleine nicht zuverlässig genug zu erzielen sind. Die Methode der verknüpfung von UV- und IR-Bildern für den Nachweis von Öl wurde bereits vor einigen Jahrzehnten mit analog mittels Fotokamera gewonnenen Bildern erprobt. Da UV- und IR-Sensoren für ganz unterschiedliche Filmdicken empfindlich sind, lässt sich mit einer Bildkombination der Messbereich für relative Ölfilmdicken erweitern.

IR- und UV-Bild eines Scanners und die Kombination beider Bilder.

Quelle: Optimare GMBH

Im IR-Bild (links) wurde der Kontrast invertiert, sodass Gebiete mit höherer Strahlungstemperatur (dicke Filme) dunkel erscheinen und umgekehrt; dies folgt einer allgemein eingeführten Konvention für die Bearbeitung solcher Bilder zum Zweck der Öldetektion. Beachten Sie, wie durch die Zusammenführung (rechts) eine Karte der relativen Filmdickenverteilung entsteht. Die schrägen Streifen in den Bildern, die man häfig bei durch Scannen erzeugten Bildern vorfindet, entstanden durch elektronische Störungen.

IR- und UV-Bild eines Scanners und die Kombination beider Bilder, gemessen im Frühjahr 2000.

Eine Datenzusammenführung erfordert, dass die Bilder das gleiche Gebiet darstellen und möglichst eine vergleichbare geometrische Auflösung besitzen. Instrumente, die voneinander unabhängig betrieben werden, und unterschiedliche Datenraten, Abbildungsgeometrien und Abtastbreiten aufweisen, machen eine Zusammenführung allerdings sehr schwierig. Wenn Instrumente jedoch kombiniert betrieben werden und die genannten Eigenschaften übereinstimmen, wird die Verknüpfung wesentlich einfacher.

Weiterführende SEOS-Seiten

• Visuelle Untersuchung von Ölflecken
• Das Mikrowellenradiometer (MWR)
• Der Laserfluorosensor (LFS)