Emissionsgradbestimmung durch die Identifikation einer bidirektionalen Reflexionsverteilungsfunktion im thermischen Infrarot - e-BRDF

Abstract

Ziel des Projektes war die berührungslose, Infrarot-optische Messung von gerichteten Emissionsgraden. Diese werden benötigt, um die Strahlungsanteile von Messobjekt und Umgebung zu trennen und in der Folge die gesuchte Oberflächentemperatur des Messobjekts bestimmen zu können. Hierzu werden Thermografiekameraaufnahmen der Reflexion einer bewegten breitbandigen Infrarotstrahlungsquelle auf der Oberfläche des Messobjektes für verschiedene Bestrahlungs- und Sichtwinkel genutzt. Aus den gemessenen Daten wird die bidirektionale Reflexionsverteilungsfunktion (BRDF) bestimmt. Mit deren Kenntnis lässt sich unter anderem der gerichtete Emissionsgrad angeben. Im Rahmen des Projekts wurde ein Prüfstand gebaut, mit dem gonioreflektometrische Messungen für beliebige Kamerawinkel zwischen 15° und 85° für die verwendete mittelwellige Infrarotkamera (MWIR) und zwischen 25° und 85° für die alternativ eingesetzte langwellige Infrarotkamera (LWIR) in der Einfallsebene möglich sind. Die Bestrahlungswinkel wurden in 1°-Schritten von 0° und 90° variiert. Es wurden 19 verschiedene Oberflächen im MWIR und LWIR vermessen. Die Bestimmung des Emissionsgrades auf Basis der aus den gonioreflektometrischen Messungen abgeleiteten BRDF war für diffus reflektierende Oberflächen bis zu einem Kamerawinkel von 50° mit einer Unsicherheit von ±0,1 (Erweiterungsfaktor k = 2) und zwischen 50° und 70° mit einer höheren Unsicherheit möglich. Eine Oberfläche erscheint für die Infrarotkamera als diffus-reflektierend, wenn die quadratische Rauheit der Oberfläche größer als die effektiv betrachtete Wellenlänge ist. Sie erscheint hingegen als spiegelnd oder glänzend-reflektierend, wenn die quadratische Rauheit kleiner als die effektiv betrachtete Wellenlänge ist.