Qu’est-ce qu’une caméra thermique ?

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Qu’est-ce qu’une caméra thermique ?

Aujourd’hui, de nombreuses unités de sapeurs-pompiers se sont dotées de caméras thermiques. Elles apportent des services inestimables en termes de détection de feu, de recherche de victimes ou de surveillance de circuits électriques par exemple.

A l’occasion du 125è congrès national des sapeurs-pompiers qui aura lieu du 26 au 29 septembre 2018 à Bourg en Bresse, nous avons voulu en connaître plus sur le fonctionnement de ces appareils et la différence entre ces systèmes d’observation et les systèmes de vision nocturne bien connus des militaires ou des civils comme les observateurs scientifiques des animaux nocturnes.

 

Caméra infrarouge et caméra thermique

Bien que ces deux types de caméra fonctionnent sur le même principe, à savoir l’enregistrement des rayonnements infrarouges émis par les objets, elles n’ont pas le même champ d’application.

La caméra infrarouge est sensible aux ondes de longueur d’onde de l’ordre du micromètre (10-6 m) et est utilisée pour filmer des scènes nocturnes qui doivent être accompagnées d’un éclairage additionnel. Quant à la caméra thermique, elle détecte les ondes qui ont des longueurs d’onde de l’ordre de la dizaine de micromètres (10-5 m), appelées « ondes de chaleur  » liées à la température du support qui les produisent. La cible est donc l’émission thermique montrant par exemple une fuite de chaleur sur un bâtiment ou un circuit électrique, la présence d’un individu dans un périmètre sécurisé, y compris la nuit et sans lumière additionnelle.

La caméra infrarouge, de conception plus simple, donnera des résultats moins précis. Son coût sera moindre que celui de la caméra thermique.

Le spectre lumineux

Le spectre lumineux est l’ensemble des rayons lumineux de différentes longueurs d’ondes formant une palette allant de l’ultraviolet à l’infrarouge. Le spectre visible s’étend des longueurs d’onde de 380 nm à 800 nm. En dessous ce sont les rayons UV (380- 10 nm) puis les rayons X (10 nm-01 nm) puis les rayons gamma (<0,1 nm). Au -dessus il y a les rayons infrarouges (800 nm-1 mm) puis les ondes hertziennes (> 1 mm).

 

La thermographie

Par définition, « Technique permettant d’obtenir, au moyen d’un appareillage approprié, l’image thermique d’une scène observée dans un domaine spectral de l’infrarouge ». Par extension, technique de mesure qui permet de connaître la répartition spatiale et temporelle des températures sur un objet. Toute méthode de mesure et quantification de chaleur.

Infrarouge : onde électromagnétique de fréquence inférieure à celle de la lumière rouge (500-780 nm). On distingue l’infrarouge proche (0,78 µm (780 nm) à 1,4 µm, infrarouge moyen (1,4 à 3 µm), infrarouge lointain (3 à 1 000 µm).

Spectre lumineux

Principe de la mesure

La mesure de la température se fait sans contact.

Tout objet dont la température est supérieure au zéro absolu émet un rayonnement naturel proportionnel à sa température dont une partie est émis dans l’infrarouge. Ce rayonnement est capté par un élément détecteur grâce à une lentille ou une optique puis il est transformé en signal électrique proportionnel au rayonnement. Ce signal est amplifié puis traité numériquement afin d’être affiché.

Sans entrer dans les détails, un paramètre important varie en fonction du matériau constitutif de l’objet cible : l’émissivité. Elle correspond à l’aptitude de l’objet à émettre un rayonnement. Un flux incident peut être réfléchi, transmis ou absorbé puis réémis. Ceci fait qu’une même température sera mesurée différemment en fonction de la nature du support.

Par exemple,  les vitres et les parties métalliques polies reflètent l’image thermique comme un miroir ce qui peut mener l’observateur à croire que le support émet des IR alors qu’il ne fait que les réfléchir !

L’atmosphère séparatrice, en fonction de l’éloignement de la cible et de l’humidité ambiante peut aussi influer sur le résultat.  Des compensations automatiques devront donc être appliquées par l’appareil.

Les caméras thermiques n’ont en général qu’un seul canal, l’image dépend alors uniquement de l’intensité du rayonnement. Les couleurs obtenues dépendent de l’intensité reçue. A chaque couleur correspond une intensité ce qui facilite la lecture directe sur l’écran.

Le capteur infrarouge

Il existe plusieurs types de capteurs, autrefois réservés au monde militaire.

  • Le détecteur FPA (Focal Plan Array = matrice plan focal) est une matrice constituée de multiples capteurs. Elle est située dans le plan focal de la caméra et mesure simultanément le rayonnement de tous les points de l’image. Lorsque la matrice est en silicium amorphe  sa résistance électrique varie en fonction de la température : lorsque le rayonnement frappe le matériau il le chauffe et modifie sa résistance électrique. Ce changement de résistance, appelé effet bolomètre, dans un système pixélisé est utilisé pour créer une image thermique. Pour simplifier, chaque pixel agit comme  un thermomètre et recueille plusieurs milliers d’informations de température pour une image. Ce type de capteur est appelé microbolomètre.
  • Le capteur photographique modifié pour détecter les rayons IR. Ils sont eux-même éblouis par leur propre émission infrarouge et nécessitant d’ être refroidis par des techniques de cryogénie (-196°C avec de l’azote liquide), contrairement aux microbolomètres moins précis mais beaucoup plus faciles à manipuler.

L’affichage permet de voir instantanément les résultats de la prise de vue et un logiciel permet de modifier  les paramètres de détection (émissivité, distance de prise de vue, plage de température de détection…)

Pour résumer, une lentille d’objectif concentre la lumière infrarouge, cette lumière est scannée par des détecteurs infrarouges qui déterminent la température des zones en fonction de la longueur d’onde des infrarouges, l’image thermique est alors convertie en impulsion électrique créant une image sur l’écran. L’image se présente avec une couleur artificielle, rouge pour les parties chaudes et bleu-noir pour les zones froides.

Les appareils de vision de nuit

Si l’imagerie thermique que nous venons de voir est une excellente technique pour voir les objets émettant de la chaleur, il existe une autre technologie de vision nocturne qui est basée sur l’intensification d’une lumière très faible. La lunette de vision nocturne collecte l’infime lumière ambiante appartenant à lumière visible et la portion basse des infrarouges et qui est réfléchie par les objets (lumière de la lune, des étoiles ou des faibles sources). L’appareil amplifie cette lumière jusqu’à 5 000 fois pour donner une image visible sur un écran.

Les infrarouges thermiques sont émis par l’objet tandis que les Infrarouges moyens et proches sont réfléchis par l’objet.

Une lentille d’objectif concentre la lumière. Les photons (lumineux) sont convertis en électrons (électricité). En passant dans le tube amplificateur les électrons sont multipliés plusieurs milliers de fois. A l’extrémité du tube amplificateur, les électrons heurtent un écran au phosphore en reproduisant l’image d’origine par une couleur verte caractéristique.

Cette caméra ne fonctionne pas lorsqu’il n’y a aucune lumière (grotte, intérieur de bâtiment…). On pourra alors utiliser des lampes à Infrarouges, dont le faisceau est invisible mais dont les rayons réfléchis par l’objet sont amplifiés et analysés par la caméra de vision nocturne.

Caractéristiques

Les caméras thermiques et les caméras infrarouge sont définies par leur résolution spatiale (le plus petit objet visible) et leur résolution thermique (la plus petite différence de température perceptible). D’ailleurs ces 2 résolutions sont liées.

Les diverses utilisations

Les applications des caméras thermiques sont très nombreuses.

Dans le domaine civil :

  • en particulier dans le bâtiment elles servent à détecter les points faibles de l’isolation d’un bâtiment, permet de vérifier les canalisations chaudes (planchers chauffants par exemple), permet de vérifier les connexions dans une armoire électrique…
  • en médecine elle permet de réaliser des thermographies (inflammations, oedème, cancer du sein) et aussi de repérer les personnes fiévreuses dans les aéroports,
  • en sciences, elle permet d’étudier les animaux nocturnes comme les chauves souris…

Dans les domaines militaires et de la police pour les opérations de nuit ou la progression en milieu confiné et/ou enfumé…

Pour les sapeurs-pompiers les applications sont très nombreuses comme par exemple la recherche des victimes dans des grands volumes comme les parkings souterrains, les usines…, la recherche des foyers ou des feux couvants, les feux électriques, la recherche des victimes éjectées lors des accidents de la route, la localisation des victimes dans les locaux difficilement accessibles, localisation des fuites de liquides ou de gaz, la surveillance des circuits électriques en surchauffe…

Caméra thermique Argus Mi-TIC

Ouvry SAS distribue les caméras thermiques Argus Mi-TIC (4 modèles différents aux caractéristiques différentes : les températures mesurées peuvent aller de -4°C à 1 100 °C). Ces caméras viennent d’être certifiées NFPA 1801:2018 = Norme sur les caméras thermiques pour les services incendie » qui définit les exigences de performance minimales pour les caméras thermiques. Elles sont avant tout destinées aux sapeurs-pompiers.

Pour en savoir plus :

https://fr.wikipedia.org/wiki/Cam%C3%A9ra_thermique

La thermographie, Rémy Portaux, Eric Surcus, IUTA, USTL Lille

Projet : instrumentation et mesures, utilisation de caméras infrarouges, Orbey Yuksel, Charly Gonnet, Baptiste Pouger, Emmanuel Bataille, Université de Limoges

http://www.thermographies.com/thermographie-difference-camera-infrarouge.html

http://www.jumelle-vision-nocturne.fr/comment marchent-les-appareils-de-vision-de-nuit/

 

 

 

 

 

 

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