CoPyro - Quantitative Temperaturmessung auf fliegender Plattform mittels linsenloser Ein-Sensor-Quotientenpyrometrie

• Antragsteller: Dr.-Ing. Johannes Meyer
• Fachliche Zuordnung: Bild- und Sprachverarbeitung, Computergraphik und Visualisierung, Human Computer Interaction, Ubiquitous und Wearable Computing
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 541018302

Die quantitative, ortsaufgelöste Temperaturmessung von fliegenden Plattformen aus ermöglicht vielfältige Anwendungen. Z.B. können damit große und schwer zugängliche Bauwerke wie Brücken oder Windkraftanlagen mittels Impulsthermographie auf äußere und innere Materialdefekte geprüft werden. Auch kann in menschenfeindlichen Situationen (Bränden, Katastrophen) eine kontaktlose Temperaturmessung und damit eine Gefährdungseinschätzung aus der Luft erfolgen. Aktuelle Sensorik ist aufgrund der notwendigen optischen und elektronischen Komponenten aufgrund des Gewichts, nötigen Bauraums und Energiebedarfs jedoch nur eingeschränkt auf fliegenden Plattformen nutzbar. Ziel des Vorhabens ist daher die Erforschung und Entwicklung eines leichten, kleinen und energiesparsamen Sensors zur quantitativen Temperaturmessung. Grundlage bildet das Konzept eines Quotientenpyrometers (engl. two-color pyrometer), bei dem die Infrarotstrahlung eines Objekts in zwei Wellenlängen auf zwei Sensoren erfasst wird, um daraus eine quantitative Temperaturmessung abzuleiten. Um die bei Messsystemen dieser Art typischerweise notwendigen Objektive und mehrfach ausgeführten Sensoren im Sinne ihres Gewichts, Bauraums und Energiebedarfs einzusparen, verfolgt das Vorhaben den Ansatz eines linsenlosen optischen Systems mit nur einem Sensor. Das einfallende Licht wird über zwei optische Pfade ebenfalls bzgl. zweier Spektralbereiche gefiltert, allerdings auf nur einem Sensor additiv überlagert erfasst. Leichte und kleine optische Modulatoren wie diffraktive optische Elemente (DOEs) oder Phasenmasken ersetzen dabei die Linsen des konventionellen Systems und erlauben gemäß ihrer lokalen Strukturen eine optische Kodierung der Amplituden und Phasen der beiden optischen Pfade. Eine algorithmische Rekonstruktion berechnet aus der erfassten Überlagerung der zwei Signale die gesuchte Temperaturmessung. Im Gegensatz zum klassischen Vorgehen beim Design solcher optischen Systeme wird im Vorhaben das Konzept des Computational Imagings verfolgt, bei dem sowohl die Freiheitsgrade des optischen Systems (z.B. Strukturen der DOEs) als auch die Parameter der Bildrekonstruktion (Koeffizienten der numerischen Verfahren, Gewichte eines neuronalen Netzes, etc.) gesamtheitlich datengetrieben optimiert werden. Dadurch kann das Gesamtsystem bzgl. verschiedener Kriterien (z.B. Messungenauigkeit, -geschwindigkeit, Energie-, Speicherbedarf) optimiert werden. Das gesamte Formelwerk (Vorwärtsmodells der Bildentstehung, Rekonstruktionsverfahren) soll dazu durchgehend differenzierbar formuliert werden, was die Nutzung modernen Optimierungsverfahren auf Basis eines Gradientenabstiegs ermöglicht. Da zur verlässlichen Nutzung der errechneten Messwerte eine Angabe der Messunsicherheit unumgänglich ist, werden Methoden zu deren Quantifizierung und Propagierung durch das Rekonstruktionsverfahren erforscht. Das Sensorkonzept wird prototypisch auf einer Drohne realisiert und anhand der anfangs genannten Szenarien erprobt.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2433: Messtechnik auf fliegenden Plattformen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Jürgen Beyerer