Termografia: come vede una telecamera termica
Una telecamera normale raccoglie la luce che gli oggetti riflettono. Se la luce non c’è, non vede niente.
Una telecamera termica raccoglie la radiazione che gli oggetti emettono. Non ha bisogno di illuminazione, perché la sorgente è il bersaglio stesso.
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È una differenza di principio, non di prestazione, e da lì discendono tutte le proprietà: funziona nel buio totale, attraversa fumo e foschia leggera, e non restituisce colori né tratti somatici.
Il principio fisico
Ogni corpo a temperatura superiore allo zero assoluto emette radiazione elettromagnetica. A temperatura ambiente questa radiazione cade nell’infrarosso, invisibile all’occhio ma perfettamente misurabile.
La quantità emessa cresce con la quarta potenza della temperatura assoluta: è la legge di Stefan-Boltzmann. Un piccolo aumento di temperatura produce un aumento consistente di radiazione, ed è il motivo per cui le termiche distinguono bene i corpi caldi su sfondi freddi.
Interviene però un secondo fattore, l’emissività: quanto efficacemente un materiale irradia rispetto a un emettitore ideale. La pelle umana ha emissività intorno a 0,98, quasi perfetta. Un metallo lucido può stare sotto 0,1, e per questo una superficie metallica appare fredda anche quando è calda, e riflette il calore di ciò che ha intorno come farebbe uno specchio con la luce.
L’emissività è la ragione per cui le immagini termiche a volte ingannano: quella che sembra una macchia calda su una lamiera può essere il riflesso di qualcos’altro.
Le due bande
L’infrarosso utile alla sicurezza si divide in due finestre in cui l’atmosfera è relativamente trasparente.
Onda media (MWIR), 3-5 micron. Contrasto migliore su bersagli caldi, buona risoluzione. Richiede quasi sempre sensori raffreddati, quindi costi alti e manutenzione. Usata in ambito militare e industriale.
Onda lunga (LWIR), 8-14 micron. È la banda in cui emettono i corpi a temperatura ambiente. Funziona con sensori non raffreddati, regge meglio umidità e nebbia, ed è quella di praticamente tutte le termiche di sicurezza.
Nella sicurezza civile, se non è specificato diversamente, si parla di onda lunga.
I due tipi di sensore
Microbolometro non raffreddato. Una matrice di elementi che cambiano resistenza elettrica quando assorbono radiazione infrarossa. Nessuna parte in movimento, consumo basso, avvio in pochi secondi, durata lunga. È la tecnologia che ha reso le termiche accessibili e copre oggi la quasi totalità del mercato della sicurezza.
Sensore raffreddato. Un rilevatore fotonico portato a temperature criogeniche da un motore Stirling. Sensibilità e velocità molto superiori, NETD di pochi millikelvin, ottiche a focale lunghissima. In cambio: costo di un ordine di grandezza maggiore, tempo di avvio di minuti, e un compressore meccanico che ha una vita utile misurata in migliaia di ore e va sostituito.
Per un perimetrale industriale la scelta è il microbolometro. Il raffreddato entra in gioco su distanze di chilometri o dove serve misura quantitativa fine.
Cosa una termica non può fare
Qui si concentrano quasi tutti gli equivoci con i clienti, e vale la pena metterli per iscritto prima della vendita invece che dopo.
Non vede attraverso i muri. Rileva la radiazione emessa dalla superficie. Su un muro vede il muro. Al massimo, se qualcuno è stato appoggiato a lungo a una parete sottile, può cogliere la traccia termica lasciata sulla superficie, che è un’altra cosa.
Non vede attraverso il vetro. Il vetro comune è opaco all’infrarosso lungo: una termica puntata su una finestra vede la finestra, non chi c’è dietro. Per questo le termiche non si installano dietro cupole o vetri protettivi standard, ma dietro finestre in germanio o silicio.
Non identifica le persone. Non restituisce tratti somatici, colore di capelli o vestiario. Distingue una sagoma umana da una sagoma animale, non Tizio da Caio. Se il requisito è identificare, serve affiancare una telecamera nel visibile.
Non legge le targhe. Le targhe sono retroriflettenti nel visibile, non nell’infrarosso termico. Per la lettura targhe servono telecamere dedicate.
Dove si usa
Perimetrali su grandi aree, dove il vantaggio è rilevare a distanze in cui l’illuminazione sarebbe impraticabile.
Impianti industriali e infrastrutture critiche, dove alla sorveglianza si somma il rilevamento precoce di surriscaldamenti e principi d’incendio.
Oil, gas e petrolchimico, con versioni certificate per atmosfere potenzialmente esplosive, dove la termica rileva anche perdite e anomalie di processo.
Ambienti marini e portuali, dove nebbia e assenza di illuminazione rendono inutile il visibile.
Sicurezza urbana e viabilità, per il rilevamento in condizioni meteorologiche avverse.
Come si sta evolvendo
Tre direzioni chiare, utili per capire cosa aspettarsi nei prossimi anni.
Passo del pixel in riduzione. Dai 25 micron di dieci anni fa ai 17 diffusi oggi, ai 12 e sotto sui prodotti recenti. Significa più portata a parità di ottica, o ottiche più corte a parità di portata.
Fusione con il visibile. Sensore termico e sensore nel visibile nello stesso corpo, con sovrapposizione delle immagini: la termica rileva, il visibile identifica. È la risposta al limite più sentito.
Analisi a bordo. La classificazione di persone e veicoli fatta dal processore della telecamera invece che dal server riduce drasticamente i falsi allarmi da animali, vegetazione e riflessi, che sono il motivo principale per cui i perimetrali vengono disattivati dagli operatori.
Domande frequenti
Che cos’è la termografia?
La tecnica che cattura la radiazione infrarossa emessa dai corpi e la converte in immagine, con i livelli di grigio o i falsi colori che rappresentano le temperature.
Come funzionano le telecamere termiche rispetto a quelle tradizionali?
Le tradizionali raccolgono la luce riflessa e servono di illuminazione; le termiche raccolgono la radiazione emessa e funzionano al buio completo.
Quali tipi di sensori esistono?
Microbolometri non raffreddati, che coprono quasi tutto il mercato della sicurezza, e sensori raffreddati, più sensibili ma costosi e con manutenzione meccanica.
In quali settori si usano?
Perimetrali estesi, industria, infrastrutture critiche, oil e gas, ambienti marini, sicurezza urbana e antincendio precoce.
Quali sono le principali sfide tecnologiche?
Ridurre il passo del pixel senza peggiorare la sensibilità, contenere il costo delle ottiche in germanio e limitare i falsi allarmi.
Perché scegliere una termica invece di una telecamera con illuminatore infrarosso?
Perché non richiede illuminazione, quindi non ha limiti di portata legati all’illuminatore, non attira insetti e non è visibile a chi vuole evitarla.
Una termica vede attraverso il fumo?
Sì per il fumo e la foschia leggera, molto meno per nebbia densa e pioggia battente, che attenuano anche l’infrarosso.
Termini collegati
- NETD — quanto è sensibile il sensore alle piccole differenze di temperatura
- Criterio di Johnson e DRI — a quale distanza il bersaglio è ancora utile
- Campo visivo (FOV) — quanta scena inquadra