EO/IR-Sensoren einfach erklärt

Was bedeutet „elektrooptisch“?

Elektrooptische Sensoren erfassen elektromagnetische Strahlung und wandeln sie in elektrische Bildsignale um. Dazu gehören vor allem:

• hochauflösende Tageslichtkameras,
• Farb- und Schwarz-Weiß-Kameras,
• Restlichtkameras,
• Kameras für das nahe oder kurzwellige Infrarot.

Die Tageslichtkamera arbeitet ähnlich wie eine digitale Videokamera. Sie nutzt Licht, das von Personen, Schiffen oder anderen Objekten reflektiert wird. Leistungsfähige Objektive und starke optische Vergrößerungen ermöglichen auch aus größerer Entfernung detaillierte Aufnahmen.

Bei Dunkelheit reicht dieser Kanal allein jedoch nicht mehr aus. Dann kommen Restlicht- oder Infrarotsensoren zum Einsatz.

Was erfasst der Infrarotsensor?

Infrarotstrahlung liegt außerhalb des für Menschen sichtbaren Bereichs. Sie beginnt ungefähr jenseits einer Wellenlänge von 700 Nanometern und reicht bis in den Millimeterbereich. Für Wärmebilder werden vor allem Bereiche des mittel- und langwelligen Infrarots genutzt. NASA bezeichnet den Bereich von ungefähr 8 bis 15 Mikrometern als thermisches Infrarot.

Objekte geben abhängig von ihrer Temperatur, Oberfläche und Umgebung Infrarotstrahlung ab. Der Sensor erfasst Unterschiede dieser Strahlung und erzeugt daraus ein Bild. Wärmere Bereiche können beispielsweise hell und kühlere Bereiche dunkel dargestellt werden – oder umgekehrt.

Ein Wärmebild zeigt dabei nicht zwangsläufig die exakte Temperatur. Bei militärischen oder maritimen EO/IR-Systemen steht meistens der sichtbare Kontrast zwischen verschiedenen Objekten im Vordergrund.

So können unter günstigen Bedingungen beispielsweise erkannt werden:

• Menschen im Wasser,
• Rettungsinseln und kleine Boote,
• Fahrzeuge und Schiffe,
• warme Triebwerke und Abgasbereiche,
• Brandherde,
• ungewöhnliche Bewegungen auf der Wasseroberfläche.

Aus welchen Teilen besteht ein EO/IR-System?

Die sichtbare Sensorkugel unter einem Flugzeug oder Hubschrauber wird häufig als Sensorturm, Gimbal oder Turret bezeichnet. Hinter den unterschiedlichen Fenstern befinden sich mehrere Sensoren und optische Systeme.

Ein typisches EO/IR-System kann folgende Komponenten enthalten:

Moderne Systeme können mehrere Kamerakanäle gleichzeitig aufnehmen und miteinander kombinieren. Hersteller wie L3Harris nennen neben Tageslicht- und HD-Infrarotkameras unter anderem automatische Videotracker, Bildverbesserung, interne Trägheitsmesseinheiten und eine mehrachsige Stabilisierung.

So entsteht das Bild

Der Arbeitsablauf lässt sich vereinfacht in sechs Schritte unterteilen:

1. Das Objektiv sammelt sichtbare oder infrarote Strahlung aus der beobachteten Szene.
2. Die Optik bündelt die Strahlung auf dem jeweiligen Bildsensor.
3. Der Detektor wandelt die Strahlung in elektrische Signale um.
4. Ein Bildprozessor korrigiert und optimiert die Daten.
5. Die Stabilisierung hält die Blickrichtung trotz Flugbewegungen möglichst ruhig.
6. Das fertige Bild erscheint auf den Bildschirmen der Sensorbediener oder wird an das Missionssystem übertragen.

Die Stabilisierung ist besonders wichtig. Bereits kleine Bewegungen des Luftfahrzeugs würden bei hoher Vergrößerung zu einem stark verwackelten Bild führen. Interne Bewegungssensoren und Stellmotoren richten die optische Sichtlinie deshalb fortlaufend neu aus.

Arbeiten EO/IR-Sensoren passiv?

Die Kamerakanäle eines EO/IR-Systems arbeiten grundsätzlich passiv. Sie senden selbst keine Radar- oder Funkwellen aus, sondern erfassen vorhandenes Licht oder Infrarotstrahlung. Dadurch kann ein Ziel beobachtet werden, ohne es wie bei einem aktiven Radar anzustrahlen.

Das gilt allerdings nicht automatisch für alle eingebauten Zusatzgeräte. Ein Laserentfernungsmesser oder Laserzielbeleuchter sendet Laserimpulse aus und ist damit ein aktiver Sensor.

Die Bezeichnung „passives EO/IR-System“ sollte sich daher genau genommen nur auf die Kamerakanäle beziehen.

Was bedeuten Detektion, Erkennung und Identifizierung?

Bei der Leistungsbewertung optischer Sensoren werden drei Stufen unterschieden:

• Detektion: Im Bild ist ein Objekt vorhanden.
• Erkennung: Die Objektklasse wird erkennbar, beispielsweise Schiff, Boot oder Person.
• Identifizierung: Ausreichende Einzelheiten erlauben eine genauere Zuordnung.

Ein Sensor kann ein Schiff daher möglicherweise bereits auf große Entfernung detektieren, ohne dessen Typ eindeutig identifizieren zu können. Die tatsächlich erreichbare Entfernung hängt unter anderem von Objektgröße, Auflösung, Objektiv, Stabilisierung, Wetter und Kontrast ab. Eine allgemeingültige „EO/IR-Reichweite“ gibt es deshalb nicht.

Einsatz bei den Marinefliegern

Im maritimen Einsatz ergänzt EO/IR insbesondere Radar, Automatic Identification System und weitere Sensoren. Während ein Radar große Bereiche absuchen und Entfernungen bestimmen kann, liefert das EO/IR-System ein bildhaftes Ergebnis zur genaueren Beurteilung eines Kontakts.

EO/IR-Sensoren unterstützen dabei unter anderem:

• die Identifizierung von Schiffen und Booten,
• die Beobachtung der Wasseroberfläche,
• die Dokumentation verdächtiger Vorgänge,
• die Suche nach Schiffbrüchigen,
• die Verfolgung beweglicher Kontakte,
• die Aufklärung bei Nacht,
• die Übergabe von Bild- und Positionsdaten an das Missionssystem.

Die deutsche P-8A Poseidon verfügt laut Bundeswehr über ein hochauflösendes EO/IR-Kamerasystem. Auch der NH90 NTH Sea Lion besitzt einen kombinierten Video- und Infrarotsensor unter dem vorderen Rumpf. Bei einem Seenotrettungseinsatz in der Deutschen Bucht wurden seine Kameras für die systematische Suche auf der Wasseroberfläche eingesetzt.

Können EO/IR-Sensoren durch Nebel sehen?

EO/IR-Sensoren können nicht uneingeschränkt durch Wolken, dichten Nebel oder starken Regen sehen. Wassertröpfchen, Gischt, Schnee und Luftfeuchtigkeit streuen oder absorbieren einen Teil der Strahlung. Bestimmte Infrarotbereiche können unter einzelnen Bedingungen bessere Ergebnisse als eine Tageslichtkamera liefern, sind aber nicht wetterunabhängig.

Auch die folgenden Faktoren beeinflussen die Bildqualität:

• Entfernung und Größe des Objekts,
• Temperaturunterschied zur Umgebung,
• Sonneneinstrahlung und Reflexionen,
• Seegang und Gischt,
• Wolken, Regen, Nebel oder Dunst,
• Flughöhe und Blickwinkel,
• Verschmutzung des Sensorfensters,
• Qualität von Optik, Detektor und Stabilisierung.

Selbst Wärmebildkameras, die bei völliger Dunkelheit funktionieren, verlieren bei Niederschlag und Nebel an Reichweite. Darauf weist auch Teledyne FLIR ausdrücklich hin.

Unterschied zwischen EO/IR und Radar

Radar und EO/IR erfüllen unterschiedliche, sich ergänzende Aufgaben. Radar eignet sich besonders zur großräumigen Suche und zur Messung von Entfernung und Bewegung. EO/IR liefert dagegen detailreiche sichtbare oder thermische Bilder.

Vereinfacht gesagt:

Das Radar findet einen Kontakt – der EO/IR-Sensor hilft zu erkennen, worum es sich handelt.

Für ein vollständiges Lagebild werden deshalb möglichst mehrere Sensorquellen zusammengeführt. Genau diese Kombination macht moderne Aufklärungsflugzeuge und Marinehubschrauber so leistungsfähig.

Fazit

EO/IR-Systeme sind die stabilisierten elektronischen Augen eines Luftfahrzeugs oder Schiffes.
Sie verbinden Tageslicht-, Restlicht- und Wärmebildtechnik und liefern auch bei Nacht detaillierte Bilder.

Ihre besondere Stärke liegt in der Beobachtung und Identifizierung von Kontakten.
Sie ersetzen jedoch weder Radar noch andere Sensoren.
Wetter, Sichtlinie, Entfernung und thermischer Kontrast begrenzen ihre Leistung.
Im Verbund mit Radar, Navigationsdaten und Missionssystemen leisten EO/IR-Sensoren einen wichtigen Beitrag zur Seeraumüberwachung, Aufklärung und Seenotrettung.