Der grundlegende Sensor, der in der vorliegenden Arbeit
verwendet wurde, ist ein Infrarot-Radiometer in Form einer
CCD-Infrarot-Kamera mit 256
256 Sensorelementen.
Jedes einzelne Sensorelement stellt einen Detektor
für elektromagnetische Strahlung innerhalb des
Wellenlängenintervalles von 3 bis 5
m dar. Die
Temperaturabhängigkeit der Intensität dieser Strahlung
ermöglicht es, die Temperatur der
Strahlungsquelle zu messen. Die geometrische Anordnung des
Detektorarrays zusammen mit der verwendeten Infrarotoptik macht
die Infrarotkamera zum abbildenden System, das analog zu
Kameras im sichtbaren Spektralbereich eine optische Abbildung
der geometrischen Anordnung der Strahlungsquellen liefert.
Diese Eigenschaft ermöglicht es, mit einer abbildenden Infrarotkamera die Temperaturverteilung der beobachteten Objekte zu messen. Durch die Abbildungsoptik wird dies unabhängig von der Entfernung der Objekte ermöglicht (Kapitel 3.2). Eine wichtige Voraussetzung zum Verständnis des Bildinhaltes ist dabei jedoch, neben der optischen Abbildung, die Untersuchung des Zusammenhanges zwischen Bildhelligkeit und tatsächlicher Temperatur der Strahlungsquellen.
Im Gegensatz zu optischen Systemen im sichtbaren Spektralbereich können im Infraroten Beleuchtungsquellen nicht unabhängig voneinander gewählt werden. Da die Kamera im Spektralbereich empfindlich ist, in dem alle Objekte bei Raumtemperatur Strahlung emittieren, kann der Versuchsaufbau nicht `verdunkelt' werden, um ihn gegen störende Strahlung abzuschirmen. Alle Objekte `leuchten' im Infraroten und tragen daher zur Bildintensität bei und müssen bei der quantitativen Analyse berücksichtigt werden.
Die quantitative Messung von Strahlungsintensitäten - die
Radiometrie - ist ein Gebiet der Physik, in dem gro\3e
Konfusion über Einheiten und Me\3grö\3en herrscht.
Über Generationen wurden die Me\3geräte dem Stand
der Technik angepa\3t. Angefangen vom menschlichen Auge als
erstes quantitatives Me\3instrument zur Bestimmung der
Helligkeit von selbstleuchtenden Gegenständen, über
Bolometer
und Thermoelemente,
bzw. Thermosäulen
bis hin zu modernen Halbleiterdetektoren
wurden zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung die
unterschiedlichsten physikalischen Effekte der Wechselwirkung
von Strahlung und Materie verwendet. Die Einheiten der
Radiometrie wurden diesen sich ständig ändernden Me\3geräten
angepa\3t. Die Bezeichnung der radiometrischen Grö\3en in
Abhängigkeit vom Emissionswinkel und der Bezug auf
unterschiedliche
Oberflächenelemente, führt oft zu Doppeldeutigkeit und
Namensgleichheit verschiedener Strahlungsgrö\3en, selbst bei
übereinstimmenden physikalischen Einheiten.
In diesem Kapitel sollen nun die grundlegenden Beziehungen für
Infrarotstrahlung wiederholt und deren spezielle Form
für die Wasseroberfläche hergeleitet werden.
Die - zwar kleine, aber endliche -
Eindringtiefe von Infrarotstrahlung in Wasser erschwert die
quantitative Analyse von Thermographie-Bildern der
Wasseroberfläche. Um den Einflu\3 von Temperaturprofilen
innerhalb der oberen 200m der Wasseroberfläche auf die
Helligkeit des Kamerabildes zu verstehen, müssen
die Beziehungen für ideale - d. h. Lambertsche - Oberflächen
auf transparente Objekte erweitert werden.