[TNO-logo]
Museum logo

MUSEUM "WAALSDORP"

Infrarood (warmtebeeldtechniek)

  Wanneer we kijken naar het elektromagnetische spectrum, dan is het visuele gedeelte (daar waar ons oog gevoelig is) het meest vertrouwd. Dit deel correspondeert ruwweg met golflengten, waar de zonnestraling maximaal is. Naast het visuele deel van het spectrum, waarvan de golflengte loopt van 0.4 tot 0.7 micrometer (µm), vinden we spectraalgebieden, waar vele optische toepassingen mogelijk zijn gebleken. Zo vinden we voor golflengten kleiner dan 0.4 µm het ultraviolet, onder andere gebruikt voor het maken van chips en voor golflengten groter dan 0.7 µm het infrarood. Daarbij wordt het gedeelte van 0.7 tot 3.0 µm het actieve infrarood genoemd en het gedeelte boven 3.0 µm het passieve infrarood, dat wil zeggen in dit deel is geen lichtbron nodig voor het waarnemen. Het waar te nemen object zendt zelf straling uit op grond van zijn eigen temperatuur. Hoe warmer het object, hoe meer straling het uitzendt. Dit wordt geïllustreerd in het volgende plaatje, waarin de stralingsverdeling over het visuele en infrarode deel van het spectrum wordt weergegeven voor objecten met verschillende temperatuur. We zien, dat de straling sterk met de temperatuur toeneemt en dat het maximum van de stralingsverdeling voor hogere temperaturen naar kortere golflengten verschuift.

Infraroodstraling is voor het eerst waargenomen door Sir William Herschel in 1800. In die tijd werd straling gemeten met een kwikthermometer en op deze manier constateerde Herschel tijdens de analyse van het zonnespectrum, dat er naast de rode golflengten ook warmte waar te nemen was. Hij noemde dit “onzichtbaar licht”. Enkele andere ontdekkingen uit de afgelopen 200 jaar, die het gebruik van het infraroodtechnologie mogelijk hebben gemaakt, zijn:

  • 1833: Nobili ontwikkelt samen met Melloni een thermozuil van Bismuth/Antimoon
  • 1840: Herschel Jr ontdekt drie atmosferische vensters
  • 1873 en 1877: Smith, Adams en Day ontdekken Selenium als fotogeleider en fotovolta cel
  • 1880: Langley gebruikt een Platina bolometer voor atmosferische transmissiemetingen
  • 1901: Bose ontdekt foto-elektrische effecten in lood sulfide
  • 1929: Kohler ontwikkelt een fotokathode van Ag/O/Cs (gevoelig tot 1,2 µm)
  • 1942: Eastman ontwikkelt een infrarood (tot 1 µm) gevoelige film
  • 1947: Golay realiseert een zeer gevoelige pneumatische detector voor warmtestraling
  • 1950: Shockley ontwikkelt de eerste transistors
  • 1960: Zeer gevoelige InSb, Ge:Hg en HgCdTe foton-detectoren worden ontwikkeld
  • 1970: Ontwikkeling van miniatuurkoelmachines, onder andere bij Philips USFA in Eindhoven

Op het Physisch Laboratorium RVO-TNO werd kort na de tweede wereldoorlog met het infrarood onderzoek begonnen, vooral om de detectieafstand tot schepen op zee met passieve middelen 's nachts te kunnen detecteren. In 1947 werden aldus met een Platina bolometer en een oude Duitse 60 cm diameter zoeklichtspiegel schepen bij Scheveningen tot op enkele kilometers gedetecteerd. Daarna werd in 1953 met een zelf ontwikkelde Golay detector de waarnemingsafstand van schepen vergroot tot 15 km (bij Kijkduin). Mede door het succes van de in Amerika ontwikkelde infraroodgeleide raketten als Sidewinder (1955) werd de ontwikkeling van infrarooddetectoren voortgezet. Dit leidde in 1960 tot de eerste warmtebeeldscanner met zelfgebouwde InSb detector met vloeibare stikstof koeling en met een “buizen” versterker. Het maken van een plaatje met circa 100x100 beeldelementen duurde ongeveer 10 seconden.

Al spoedig werd duidelijk dat infraroodtechnologie niet alleen bestaat uit het bouwen van camera's, maar dat de interpretatie van de beelden andere fysische kennis vereist, wat wordt geïllustreerd in het volgende plaatje. Een aantal transportverschijnselen is verantwoordelijk voor de oppervlaktetemperatuur van een object en zijn omgeving en dus voor het waar te nemen contrast met een thermisch infrarood ofwel warmtebeeldcamera.


Om de mogelijkheden van infraroodsensoren nader te onderzoeken, was de voornaamste activiteit in de begin jaren '60 het realiseren van een camera voor veldgebruik met daarin toegepast een zelfontwikkelde InSb detector. Dit resulteerde in 1963 in de eerste echte warmtebeeldcamera met een groot horizontaal beeldveld. Voorbeelden van opnamen met deze camera van schepen en militaire voertuigen zijn te zien in de volgende plaatjes, opgenomen bij nacht. De warme plekken (wit) op de scheepshuid van het vrachtschip geven de plaats aan van de machinekamer, de schoorsteen, de kombuis en bij de tanker van de compartimenten met warme olie. De voertuigen, afgebeeld enkele uren na het afzetten van de motor, houden blijkbaar hun warmte nog lang vast. Opvallend zijn ook de sporen in het terrein. De resultaten gaven aanleiding tot het ontplooien van allerlei activiteiten, te meer toen in juni 1966 een Israëlisch oorlogsschip (Eilat) door een Egyptische infrarood anti-schipraket van Russische makelij (SS-N-2 Styx) tot zinken werd gebracht.



Infraroodopnamen van schepen bij Hoek van Holland; 10 december 1963



Opnamen van militaire voertuigen op de Waalsdorpervlakte, gemaakt vanaf de toren op het “oude” laboratorium op 21 en 6 september 1966 om 01.35 (boven) resp. 21.20 (onder)

Mede daarom zijn in de volgende jaren zijn de inspanningen op infraroodgebied sterk toegenomen, zowel op het verbeteren van de opnameapparatuur als op het vergaren van doelsignaturen. Zo werd in 1966 de FLORIS vliegtuigscanner gerealiseerd, waarmee vanuit een Neptune marinevliegtuig de infraroodsignatuur van Russische oorlogsschepen gemeten en vooral van de infrarood decoys, die achter het ijzeren gordijn ontwikkeld werden. Deze gegevens waren destijds van groot belang voor de marine inlichtingendienst, die ze ruilden met inlichtingendiensten van andere landen. Tevens bracht dit onderzoek het ontwikkelen van een infraroodstralingsmodel voor de eigen marineschepen op gang en het bedenken van tegenmaatregelen ter beperking van de infrarooddreiging. Al deze activiteiten werden besproken in de Werkgroep Infrarood en Electro-optische Tegenmaatregelen (Wiet) en de daaronder ressorterende Schoorsteengroep. Hierin was ook de groep infrarood van het Physisch Laboratorium TNO vertegenwoordigd alsmede diverse Koninklijke Marine afdelingen (inclusief de operationele dienst, die t.b.v. van experimenten direct schepen ter beschikking kon stellen).

Ook de andere krijgsmachtonderdelen zagen het belang van infrarood in; zo werd bij de NV Optische Industrie “De Oude Delft” vanaf 1968 de Orpheus Infraroodscanner ontwikkeld voor een verkenningspod onder de Lockheed F104 (Starfighter). Hierbij speelde het Physisch Laboratorium samen met het NLR een begeleidende rol in opdracht van de Koninklijke Luchtmacht. Dit schetst een tweede rol van de groep Infrarood: het verlenen van advies aan de Krijgsmacht bij de aanschaf van materieel. Dit aspect is in latere jaren veelvuldig voorgekomen, onder andere bij de invoering van de Leopard warmtebeeldcamera van Zeiss (Koninklijke Landmacht (KL)), de LION ongekoelde camera voor de soldaat (KL) de LANTIRN verkennings- en laser-designatorpod voor de F16 (KLu) en de SIRIUS rondzoeker voor het LCF fregat(KM).

De kennis, die nodig is voor het geven van de juiste adviezen is opgedaan tijdens het ontwikkelen van diverse technologie demonstrators (prototypen) zoals de Seacat Infrarood Sensor (SIRS) voor het opvangen van de Seacat raket kort na het lanceren (Van Speijk fregat), de CHIK (Combinatie Helderheidsversterker Infrarood Kijker) en de  ETIS (Experimentele Thermisch InfraroodScanner) serie voor KL en KM toepassingen en de MDW (Multi Detector Warmtebeeld) scanner voor de F104. Een bijkomend aspect is de assistentie bij het uitvoeren van testen van de prestaties van dit materieel en het vervaardigen van testapparatuur zoals de MRTD (Minimum Resolvable Temperature Difference) opstelling en de SBS en SSS (Subsone en Supersone Missile Simulators) voor de SIRIUS rondzoeker. Verder werd veel kennis opgedaan via de contacten met andere landen, oa in de diverse NATO Research Study Groups en via bilaterale contacten met Engeland, Noorwegen, Amerika en Frankrijk.

Overige activiteiten in de groep Infrarood zijn als volgt samen te vatten:

Signaturen van inkomende, laagvliegende vliegtuigen en raketten. Gestart in 1971. Proeven in Toulon, Taranto, Vlieland, Sharm El Sheik, Bergen Hohne (TOW), Puerto Rico (MAYEX), Biscarosse, White Sands, Olomouc (RPG7)

Camouflage van Air Defence Sites. Gestart in 1973. Proeven in Freinhausen, Murnau, Zweibrücken AFB (Joint Field Trials)

Signaturen van voertuigen. Gestart in 1975. Proeven in Waalsdorp, Meppen (IRIS), Negev, Sardinië (CHAR), Nettuno

Camouflage van voertuigen; tegenmaatregelen; rook; decoys. Gestart 1978. Proeven in Bourges, Raufoss (PG16), Ft. Huachuca, Ft. Sill, Eglin AFB, Ft. Grayling (SMOKE WEEK), Oldebroek, Mourmelon (BEST-TWO), Athene (bosbranden)

Signatuurmodellen voor schepen, vliegtuigen en hun omgeving; validatie, camouflage,  tegenmaatregelen. Gestart 1970-1980. Proeven in de Peel, Waalsdorp, Lichteiland Goeree, Reksteren, Oude Schilt, IJmuiden, Livorno (SIVEX en POLLEX), Kreta (LAPTEX), Halifax (SIMVEX, SHIPIR), Salisbury (EMBOW, NIRATAM).

Detectie van kleine oppervlaktedoelen op zee. Gestart 1985. Proeven in Nettuno, REM-eiland, Den Helder, Curaçao (WATIX), Simonstown, Mobile, vanuit ORION: snuivers en periscopen in Noordzee.

Atmosferische propagatie. Gestart 1970. Proeven in Westerschelde, REM-eiland, Ypenburg (OPAQUE), Noordwijk (MAPTIP), San Diego (EOPACE), Duck, Monterey, Inishere, Lorient, Sylt, Sürendorf (VAMPIRA), Abu Dhabi (UAE2), Hawaï (RED), Simonstown (FATMOSE)

Bij deze experimenten werd in een aantal gevallen gebruik gemaakt van gekochte meetapparatuur, zoals de AGA Thermovision, een Barnes radiometer, de IR18 camera (Barr en Stroud), een BOMEM Fourier spectrometer, een UA 9092 camera, geleend van Philips USFA, en later Focal Plane Array camera's zoals de Thermacam (Inframetrics), de Radiance1 en HS, een 10 µm Quantum Well camera en ongekoelde camera's met microbolometer arrays.

Als zelfontwikkelde testapparatuur kan worden genoemd:

  • WBS I en II; langzame warmtebeeldscanner voor trage infrarood verschijselen
  • FLORIS scanner; tweekleuren vliegtuigscanner voor gebruik in Neptune
  • Zogdetectie scanner; zeer gevoelige scanner voor onderzeebootopsporing (Bréguet Atlantic)
  • PANZO; tbv meting inkomende vliegtuigen
  • ELSCA; scannende radiometer voor meting van straling van de omgeving
  • Scansimulator; simulatie van effect van geometrische resolutie op totale performance
  • IR transmissometer; metingen over zee (6 en 18 km) in 2 spectrale banden (4 en 10 µm)
  • ETIS; snelle warmtebeeld camera met lineaire HgCdTe detector array (50 elementen)
  • DUDA; tbv meting aan voertuigen en schepen; ook verkocht aan Frankrijk
  • Mutispectrale retro-reflectiemeter; voor optimale bandkeuze laserscanners
  • FWS; filterwielspectrometers tbv spectraal metingen aan uitlaatgassen
  • FWSE; filterwiel spectrale emitter voor spectraal metingen aan sensoren
  • MARCS; multi-spectrale camera voor toepassing in ITC vliegtuig
  • BETA camera; t.b.v. beelden van schepen vanuit Bréguet Atlantic
  • M3S; multi-spectrale radiometer tbv flitsmetingen in gevechtsveld
  • IRMA; snelle radiometer voor meting aan decoys van vliegtuigen
  • TBS; target en background scanner
  • MPTR; zeskanaalstransmissometer voor rookkwalificatie; ook verkocht aan RARDE en FFO
  • MSCCD; driekleuren camera voor bosbranddetectie
  • MSRT; zevenkanaals multi-spectrale transmissometer voor metingen aan rook en atmosfeer
  • Gaswolkscanner; tbv gasdetectie in werkruimten
  • Rosette Scan Seeker; tbv evaluatie van decoy gebruik van vliegtuigen
  • LION tester; tbv testen van de thermische en geometrische resolutie van de LION camera
  • Een-oog radiometers; t.b.v. registratie van schijnbare temperaturen van scheepswanden
  • Snelle vochtigheidsmeters; werkend bij 0.9 en 1.4 µm
Meer hierover is te vinden op onder fotodetectors en de OPAQUE-metingen.

Een specialiteit van de groep Infrarood was het bouwen van allerlei soorten testbronnen . Daar valt oa onder: De TAIWAN bestaande uit zes platen van 2x2 m met verschillende temperatuur (Orpheus); de gasgestookte drijvende bron (gebruikt op zee); de 2x2 en 1x2 testplaten voor landdoelen; gecollimeerde puntbronnen voor rookmetingen met de MPTR; gemoduleerde bronnen voor de transmissometrie; gemoduleerde richtbron voor Exocet metingen; de SSS en SBS bronnen onder helicopter voor SIRIUS test; 2x2 m, bierbalkenbron voor Sperwer resolutiemeting; 0.4x0.4 m plaatbronnen in mast op schip voor propagatiemetingen (ook aan NAVO geleverd); helicopterbron voor IRSCAN test.

 


(werkelijke grootte KB)

     


Museum logo