DD158189A3 - CALIBRATION METHOD AND APPARATUS FOR IRRADIATOR STAINLESS STEEL AND RADIUM DENSITY MEASUREMENTS - Google Patents

CALIBRATION METHOD AND APPARATUS FOR IRRADIATOR STAINLESS STEEL AND RADIUM DENSITY MEASUREMENTS Download PDF

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DD158189A3 DD21883580A DD21883580A DD158189A3 DD 158189 A3 DD158189 A3 DD 158189A3 DD 21883580 A DD21883580 A DD 21883580A DD 21883580 A DD21883580 A DD 21883580A DD 158189 A3 DD158189 A3 DD 158189A3
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Karl-Heinz Bischoff
Heinz Haendel
Ulrich Leiterer
Michael Weller
Otto Schubel
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Wolfgang Naefe
Klaus Bachmann
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Bischoff Karl Heinz
Heinz Haendel
Ulrich Leiterer
Michael Weller
Otto Schubel
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Wolfgang Naefe
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    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter

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  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

Das Kalibrierungsverfahren und die Vorrichtung fuer Bestrahlungsstaerke- und Strahldichtemessungen ist als universelles Strahlungsmessgeraet der einfallenden und gerichtet reflektierten Strahlung zur Loesung von Aufgaben im Rahmen der Fernerkundung der Erde einsetzbar, eignet sich aber auch zur energiemaessigen spektralen Vermessung sonstiger Objekte in der Natur und im Labor. Ziel der Erfindung ist es, die bisherigen Probleme und Maengel zu beseitigen bzw. stark zu vermindern, die bei der Kalibrierung von Strahlungsmessgeraeten fuer Lichttechnik, Meteorologie und Fernerkundung der Erde sowie beim Feldeinsatz dieser Geraete bisher auftraten. Durch die Erfindung wird ein Weg fuer ein Kalibrierungsverfahren in Verbindung mit einer geeigneten konstruktiven Loesung fuer ein Spektralphotometer gezeigt, welches in gleicher Weise zur Selbstkalibrierung und Messung unter natuerlichen Einstrahlungsbedingungen geeignet ist.The calibration method and apparatus for irradiance and radiance measurements can be used as a universal Strahlungsmessgeraet the incident and directionally reflected radiation to solve tasks in the context of remote sensing of the earth, but is also suitable for energy-moderate spectral measurement of other objects in nature and in the laboratory. The aim of the invention is to eliminate or greatly reduce the previous problems and defects that so far occurred in the calibration of radiation measuring devices for lighting technology, meteorology and remote sensing of the earth and in the field use of these devices. The invention provides a way for a calibration method in conjunction with a suitable constructive solution for a spectrophotometer, which is equally suitable for self-calibration and measurement under natural irradiation conditions.

Description

2 1883 52 1883 5

Kalibrierungsverfahren und Vorrichtung für Bestrahlungsstärke- und StrahldichtemessungenCalibration method and apparatus for irradiance and radiance measurements

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Kalibrierungsverfahren und eine Vorrichtung für Bestrahlungsstärke- und Strahldichtemessungen« Das Kalibrierungsverfahren und die Vorrichtung sind zur Selbstkalibrierung der Vorrichtung und zur Messung der Bestrahlungsstärke von quasi-punktförmigen oder Bestrahlungsstärken und Strahldichten von flächenmäßig bis zu einem Raumwinkel, von annähernd 2TT ausgedehnten Strahlungsquellen geeignet. Die Vorrichtung, die das Spektrum im Bereich von 0,4 bis 1yum quasikontinuerlich abtastet, ist als universelles Strahlungsmeßgerät der einfallenden und gerichtet reflektierten Strahlung zur Lösung von Aufgaben der Lichttechnik, Meteorologie und insbesondere zur Fernerkundung der Erde geeignet.The invention relates to a calibration method and apparatus for irradiance and radiance measurements. The calibration method and apparatus are suitable for self-calibrating the apparatus and measuring the irradiance from quasi-point or irradiance and beam densities ranging in area to solid angle, from approximately 2TT extended radiation sources , The device, which scans the spectrum in the range of 0.4 to 1yum quasi-continuous, is suitable as a universal radiation meter of the incident and directionally reflected radiation for solving tasks of lighting technology, meteorology and in particular for remote sensing of the earth.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Bekannt sind Kalibrierungsverfahren und Vorrichtungen zur Bestrahlungsstärke- oder Strahldichtemessung für die unterschiedlichsten Wellenlängen und Intensitätsbereiche.Calibration methods and devices for irradiance or radiance measurement for a wide variety of wavelengths and intensity ranges are known.

In der Meteorologie gibt es z. Be spezielle Kalibrierungsverfahren für Bestrahlungsstärkemeßgeräte, So ist es z. B. möglich, ein Pilterrad-Aktinometer mit Hilfe der natürlichen Sonnenstrahlung durch die Methode der Messung bei verschiedenen durchstrahlten Luftmassen m und Extrapolation auf die Luftmasse m = 0 zu kalibrieren und mit diesem AktinometerIn meteorology there are z. B e special calibration method for irradiance meters, So it is z. B. possible to calibrate a Pilterrad actinometer with the help of natural solar radiation by the method of measurement at various irradiated air masses m and extrapolation to the air mass m = 0 and with this actinometer

. 2 18835 ., 2 18835.

die Bestrahlungsstärke der Sonne in den durch die Filterbreiten vorgegebenen Wellenlängenintervallen zu messen. Mit diesen Aktinometern ist es nicht möglich, die Bestrahlungsstärke aus dem Raumwinkel von annähernd 2 TT zu messen, d. h· z· B. die Himmelsstrahlung. Weiterhin erlauben diese Aktinometer nicht die Messung von Strahldichten von Objekten unter natürlichen und künstlichen Bestrahlungsbedingungen·measure the irradiance of the sun in the wavelength intervals given by the filter widths. With these actinometers it is not possible to measure the irradiance from the solid angle of approximately 2 TT, i. h · z · B. the sky radiation. Furthermore, these actinometers do not permit the measurement of beam densities of objects under natural and artificial irradiation conditions.

Vorrichtungen in der Form von Spektralphotometern zur Messung von Strahldichten gibt es ebenfalls. Sie werden in der Lichttechnik und bei der Fernerkundung der Erde verwendet. Diese Spektralphotometer werden mit leuchtenden Flächen bekannter Strahldichte kalibriert. Es bereitet aber bis heute erhebliche meßtechnische Schwierigkeiten, solche homogen leuchtenden Flächen mit bekannter spektraler Strahldichte herzustellen. Insbesondere ist es nicht möglich, leuchtende Flächen bekannter spektraler Strahldichte mit der gleichen relativen spektralen Energieverteilung wie die der natürlichen Sonnenstrahlung herzustellen, da die im Labor zur Ausleuchtung der Flächen verwendeten lormallampen eine wesentliche geringere Farbtemperatur als die Sonne haben. Bisher bekannte technische Lösungen zur Strahldichtekalibrierung von Spektralphotometern unter Laborbedingungen haben den Nachteil zu großer Ungenauigkeit beim Einsatz unter natürlichen Strahlungsbedingungen.Devices in the form of spectrophotometers to measure radiances are also available. They are used in lighting technology and remote sensing of the earth. These spectrophotometers are calibrated with luminous surfaces of known radiance. However, it still prepares considerable metrological difficulties to produce such homogeneously luminous surfaces with known spectral radiance. In particular, it is not possible to produce luminous surfaces of known spectral radiance with the same relative spectral energy distribution as that of natural solar radiation, since the standard lamps used in the laboratory for illuminating the surfaces have a significantly lower color temperature than the sun. Previously known technical solutions for the radiance calibration of spectrophotometers under laboratory conditions have the disadvantage of great inaccuracy when used under natural radiation conditions.

Die für die Lösung von Meßaufgaben im Rahmen der Fernerkundung der Erde bekannten Spektralphotometer haben ferner den Mangel, daß die bekannten Meßgeräte es nicht erlauben, jeweils mit ein und demselben Gerät alle für die Fernerkundung der Erde wichtigen 4 Strahlungsgrößen mit hoher spektraler Auflösung zu messen. Diese Strahlungsgrößen sind direkte Sonnenstrahlung ohne Himmelsstrahlung, Globalstrahlung, Himmelsstrahlung und Strahldichten unter Feldwinkeln zwischen 1° und 20°.The spectrophotometers known for the solution of measurement tasks in the context of remote sensing of the earth also have the defect that the known measuring devices do not allow to measure with one and the same device all important for the remote sensing of the earth 4 radiation parameters with high spectral resolution. These radiation quantities are direct solar radiation without sky radiation, global radiation, sky radiation and beam densities under field angles between 1 ° and 20 °.

Große meßtechnische Unsicherheiten treten bei der Auswertung von Fernerkundungsexperimenten auf, wenn die spektralen Eichfaktoren der Spektralphotometer von künstlichen Strahlungs-Large metrological uncertainties occur in the evaluation of remote sensing experiments when the spectral calibration factors of the spectrophotometers of artificial radiation

2 18 83 5 32 18 83 5 3

quellen (iTormallampen) abgeleitet werden.sources (iTormallampen) are derived.

Bisher ist kein Spektralphotometer bekannt, das auf einfache und ökonomische Weise durch Vorsatz eines Sonnenobjektivs mit Hilfe der natürlichen Sonnenstrahlung kalibriert wird und dann über das kalibrierte Sonnenobjektiv auch andere optische Vorsätze, Yiie Streuscheibe und Weitwinkelobjektive anzuschließen ,und die oben genannten 4 Strahlungsgrößen zu messen gestattet.So far, no spectrophotometer is known, which is calibrated in a simple and economical manner by intent of a solar lens with the help of natural solar radiation and then connected via the calibrated lens and other optical attachments, Yiie lens and wide-angle lenses, and allows to measure the above 4 radiation sizes.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, die bisherigen Mangel stark zu vermindern, die bei der Kalibrierung von Strahlungsmeßgeräten und beim Feldeinsatz dieser Geräte bisher auftraten« Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß auf ökonomische Weise ohne Uormallampen ein Kalibrierungsverfahren in Verbindung mit eine -geeigneten konstruktiven Lösung eines handlichen Spektralphotc meters entwickelt wurde, "welches für den Feldeinsatz geeignet ist und sich durch die Möglichkeit der Selbstkalibrierung mit Hilfe der natürlichen Sonnenstrahlung und durch hohe Meßgenauigkeit auszeichnet.The aim of the invention is to greatly reduce the previous deficiency that occurred in the calibration of radiation meters and field use of these devices so far. The advantage of the invention is that in an economical way without Uormallampen a calibration method in conjunction with a suitable design solution a handy Spektralphotc meters was developed, "which is suitable for field use and is characterized by the possibility of self-calibration with the help of natural solar radiation and high measurement accuracy.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kalibrierungsverfahren in Verbindung mit einer günstigen konstruktiven Lösung für ein Spektralphotometer zu schaffen, wodurch es möglich wird, das Spektralphotometer an die extraterrestrische spektrale Energieverteilung der Sonne anzuschließen (Selbstkalibrierung), ui dann die oben bereits genannten 4 Strahlungsgrößen, direkte Sonnenstrahlung, Globalstrahlung, Himmelsstrahlung, Strahldichten unter Feldwinkeln zwischen 1° und 20° zu messen. Ursache für die Mangel der bekannten Lösungen sind:The object of the invention is to provide a calibration method in conjunction with a favorable constructive solution for a spectrophotometer, whereby it is possible to connect the spectrophotometer to the extraterrestrial spectral energy distribution of the sun (self-calibration), ui then the above 4 radiation variables, direct Solar radiation, global radiation, sky radiation, radiance under field angles between 1 ° and 20 ° to measure. Cause of the lack of known solutions are:

- die bekannten Strahlungsmeßgeräte sind'entweder zur Bestrah, lungsstärke oder zur Strahldichtemessung geeignet.- The known radiation meters are'entweder suitable for Bestrah, lung strength or radiance measurement.

- die bekannten Spektralphotometer benötigen ITormallampen (Strahler) oder Flächen bekannter Strahldichte zur Kali-the known spectrophotometers require ITormallamps (radiators) or areas of known radiance for potash

218 835 4 218 835 4

brierung.bration.

- die Laborkalibrierung findet mit Strahlern statt, deren relative spektrale Energieverteilung gegenüber der Sonnenstrahlung zum langwelligen Bereich stark verschoben ist,- the laboratory calibration takes place with radiators whose relative spectral energy distribution is strongly shifted from the solar radiation to the long-wave range,

- die mit künstlichen Strahlungsquellen erreichbare Bestrahlungsstärke liegt um mehrere Größenordnungen unter der der natürlichen Sonnenstrahlung.- The achievable with artificial radiation sources irradiance is several orders of magnitude lower than that of natural solar radiation.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei dem Verfahren die bekannte Bestrahlungsstärke der Sonne zur Kalibrierung benutzt wird. Es erfolgt die Abbildung der Sonne mit einem Sonnenobjektiv in die Ebene der Meßblende, so daß der Durchmesser des Sonnenbildes etwa dem halben Durchmesser der Meßblende entspricht. Im Strahlengang zwischen Sonnenobjektiv und Meßblende sind zur spektralen Bewertung des Spektrums Verlaufinterferenzfilter angeordnet. In einem Abstand hinter der Meßblende, der etwa das Zwanzigfache des Meßblendendurchmessers beträgt, wird mit einer Photodiode ein der Bestrahlungsstärke der Sonne in der Meßblende proportionales Signal gemessen. Bei irdischen Bedingungen wird die spektrale Bestrahlungsstärke der Sonne bei verschiedenen durchstrahlten Luftmassen gemessen und unter Verwendung des Bouger-Lambertschen Absorptionsgesetzes und unter Berücksichtigung der Transmissionsfunktion im Bereich starker Bandenabsorption die Extrapolation auf die Luftmasse Hull vollzogen.According to the invention the object is achieved in that in the method, the known irradiance of the sun is used for calibration. There is the image of the sun with a lens in the plane of the orifice, so that the diameter of the sun image corresponds approximately to half the diameter of the orifice. In the beam path between the solar lens and orifice are arranged for the spectral evaluation of the spectrum gradient interference filter. At a distance behind the orifice, which is about twenty times the orifice diameter, a photodiode is used to measure a signal proportional to the irradiance of the sun in the orifice. In terrestrial conditions, the spectral irradiance of the Sun is measured at various irradiated air masses and carried out using the Bouger-Lambert absorption law and taking into account the transmission function in the range of strong band absorption extrapolation to the air mass Hull.

Nach Extrapolation des Meßsignals an der Photodiode auf das Signal, das der tabellierten extraterrestrischen spektralen Bestrahlungsstärke entspricht, ergibt sich der Eichfaktor für die Bestrahlungsstärkemessung mit Sonnenobjektiv. Da es nun möglich ist, die Bestrahlungsstärke mit dem Sonnenobjektiv zu messen, wird der Eichfaktor für die Streuscheibe dadurch bestimmt, daß man die Sonne mit einer Schattenkelle ausblendet (Himmelsstrahlungsmessung) und aus der Differenz zwischen Globalstrahlung ssignal und Himmelsstrahlungssignal den Wert für die direkte Sonnenstrahlung berechnet, welcher dem Eichfaktor des Sonnenobjektivs proportional ist. Nachdem die EichfaktorenAfter extrapolation of the measurement signal at the photodiode to the signal corresponding to the tabulated extraterrestrial spectral irradiance, the calibration factor for the irradiance measurement with a solar objective is obtained. Since it is now possible to measure the irradiance with the lens, the calibration factor for the lens is determined by the sun with a shadow trowel fades (sky radiation measurement) and calculated from the difference between the global radiation ssignal and sky radiation signal the value for the direct solar radiation , which is proportional to the calibration factor of the solar lens. After the calibration factors

2 1883 5 . ζ2 1883 5. ζ

für Bestrahlungsstärkemessungen mit Sonnenobjektiv und Streuscheibenvorsatz vorliegen, sind die Eichfaktoren für die Strahldichtemessungen mit Sonnen- und Weitwinkelobjektiv zu ermitteln. Entscheidend ist hierbei die experimentelle Bestimmung des effektiven Raumwinkels des Sonnenobjektivs mit Hilfe einer hinreichenden punktförmigen Lichtquelle im Labor. Hachdem der Raumwinkel des Sonnenobjektivs bekannt ist, wird der Eichfaktor für die Bestrahlungsstärkemessung mit dem Sonnenobjektiv auf den Raumwinkel des Sonnenobjektivs bezogen und es ergibt sich der Eichfaktor für die Strahldichtemessung mit dem Sonnenobjektiv. Anschließend werden durch Anschlußmessungen unter natürlichen Bestrahlungsbedingungen mit Hilfe einer homogenen diffus reflektierenden Fläche für Weitwinkelobjektive die Eichfaktoren zur Strahldichtemessung bestimmt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe zur Schaffung einer günstigen konstruktiven Lösung für die Vorrichtung dadurch gelöst, daß auf den hinter einem malteserkreuzgetriebenen Filterrad und der Meßblende liegenden Detektor über den Kippspiegel entweder die über das Sonnenobjektiv einfallende Sonnenstrahlung oder wechselweise die über die Streuscheibe einfallende Globalstrahlung oder die über die Weitwinkelobjektive einfallende reflektierte Strahldichte trifft. Dem Detektor ist ein Verstärker nachgeschaltet, der ein registrierbares Signal im Dynamikbereich von 10" (10 /uWcm" nm sr bis 10/u.WcnfFor irradiance measurements with a sun lens and lens attachment, the calibration factors for the radiance measurements with sun and wide-angle lens are to be determined. Decisive here is the experimental determination of the effective solid angle of the solar objective with the help of a sufficient punctiform light source in the laboratory. After the solid angle of the solar lens is known, the calibration factor for the irradiance measurement with the solar lens is related to the solid angle of the solar lens and the calibration factor for the radiance measurement with the solar lens results. Subsequently, the calibration factors for radiance measurement are determined by connecting measurements under natural irradiation conditions using a homogeneous diffuse reflecting surface for wide-angle lenses. According to the task of creating a favorable constructive solution for the device is achieved in that lying on the past behind a Malteserkreuzgetriebenen filter wheel and the orifice on the tilting mirror either the incident on the solar lens solar radiation or alternately incident on the lens global radiation or over the Wide angle lenses incident reflected radiance hits. The detector is followed by an amplifier with a recordable signal in the dynamic range of 10 "(10 / uWcm" nm sr to 10 / u.Wcnf

— 1—1- 1-1

nm sr ) erzeugt. Der Antrieb des Filterrades, auf dem sich die Verlaufinterferenzfilter mit Farbdeckgläsern zur Unterdrückung der Hebenmaxima befinden, und die Kippung des Spiegels um 90° erfolgt durch 2 Servomotore, die von NiCd-Akkumulatoren gespeist sind. Das Filterrad ist für schrittweisen und quasikontinuierlichen Durchlauf ausgelegt und besitzt eine automatische Endabschaltung. Alle beweglichen und elektrischen Teile der Vorrichtung sind gekapselt. Die Vorrichtung ist statisch oder parallaktisch montierbar und kann kardanisch aufgehängt werden. Die Vorrichtung ist über ein Steuergerät und geschützte Zuleitungen fernbedienbar. Sie ist sowohl für den expeditionsmäßigen Einsatz in tropischen und gemäßigten Breiten als auch für Messungen im Hochgebirge ausgelegt und erfolgreich erprobt worden.nm sr). The drive of the filter wheel, on which the gradient interference filters with color cover glasses for suppressing the lifting maxima are located, and the tilting of the mirror by 90 °, is carried out by 2 servomotors, which are fed by NiCd accumulators. The filter wheel is designed for gradual and quasi-continuous flow and has an automatic end stop. All moving and electrical parts of the device are encapsulated. The device is mounted statically or parallactically and can be hung gimbal. The device can be operated remotely via a control unit and protected supply lines. It has been designed and successfully tested both for expeditionary use in tropical and temperate latitudes and for measurements in high mountains.

.2 18 835 6.2 18 835 6

Die beschriebene Vorrichtung ist für die Lösung von Aufgaben der Fernerkundung der Erde von besonderem Vorteil. Sie ist als mobiles, handliches Spektralphotometer für Subsatellitenmessungen am zweckmäßigsten eingesetzt, weil sie gleichzeitigThe device described is of particular advantage for the solution of tasks of remote sensing of the earth. It is most conveniently used as a portable, handy spectrophotometer for subsatellite measurements because they are simultaneously

- die absolute, spektrale Messung der gerichtet reflektierten Strahldichte von Objekten, Λ - the absolute, spectral measurement of the directionally reflected radiance of objects, Λ

- die absolute spektrale Messung der Globalstrahlung (Summe aus Himmelsstrahlung und direkter Sonnenstrahlung),- the absolute spectral measurement of global radiation (sum of sky radiation and direct solar radiation),

- die absolute, spektrale Messung der direkten Sonnenstrahlung und damit die Bestimmung der spektralen Transmission der Atmosphäre bzw. ihrer Schichten- The absolute, spectral measurement of direct solar radiation and thus the determination of the spectral transmission of the atmosphere or their layers

ermöglicht.allows.

Dadurch können in Verbindung mit aerokosmischen Spektralaufnahmen (MKF-6,Scanner) der aktuelle Einfluß der Atmosphäre bestimmt, die Bildinformation objektiviert und sich in der Strahlungscharakteristik des sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereichs ausdrückende Veränderungen land-, forst- und wasserwirtschaftlicher lützflachen großräumig quantitativ interpretiert werden. Darüber hinaus können spektrale Strahlungscharakteristiken (spektrale Indikatrisbestimmung) leuchtender Flächen bei künstlicher und natürlicher Beleuchtung durchgeführt werden.As a result, the current influence of the atmosphere can be determined in conjunction with aerospace recordings (MKF-6, scanner), the image information can be objectively objectified, and changes in the radiation characteristics of the visible and near infrared spectral ranges of agricultural, forestry and water management surfaces can be quantitatively interpreted in a large scale. In addition, spectral radiation characteristics (spectral Indikatrisbestimmung) of luminous surfaces in artificial and natural lighting can be performed.

Durch die optischen Elemente (Sonnenobjektiv, Streuscheibe, Weitwinkelobjektive) wird die aus unterschiedlichen Richtungen und unter unterschiedlichen Raumwinkeln einfallende Strahlung auf den Kippspiegel gelenkt, der den Strahlengang um 90° umlenkt und auf die Verlaufinterferenzfilter richtet. Die beiden Endstellungen des Kippspiegels werden angezeigt. Nach Passieren der Filter (entsprechend ihrer ?/irkungs?i/eise werden diese nur unter einem Winkel-^- 0,5° gegenüber der Filternormale durchstrahlt) entsteht bei Benutzung der Sonnen- und Weitwinkelobjektive die Abbildung des strahlenden ObjektesThrough the optical elements (solar lens, lens, wide-angle lenses), the incident from different directions and under different solid angles radiation is directed to the tilting mirror, which deflects the beam path by 90 ° and directed to the gradient interference filter. The two end positions of the tilting mirror are displayed. After passing through the filters (according to their effect, they are irradiated only at an angle - ^ - 0.5 ° with respect to the filter normal), the image of the radiating object is formed when the sun and wide-angle lenses are used

2 1883 52 1883 5

in der Ebene der Meßblende (Durchmesser der Meßblende = 1,5 mm). Der Detektor wird von der über die Objektive einfallenden Strahlung nach dem Durchgang durch die Meßblende überstrahlt. Das entstehende Meßsignal wird verstärkt, mit einem Digitalvoltnieter angezeigt oder auf Band gespeichert. Die Abtastung des Spektrums an 30 reproduzierbaren Meßstellen von 7,5 nm - 16,0 nm Halbwertsbreite wird durch den Malteser-,kreuzantrieb des Filterrades vollzogen, der das Filterrad in Vor- und Rücklauf um konstante Winkelbeträge am Detektor vorbeidreht. Die jeweilige Meßstelle und die Meßbereitschaft werden angezeigt. Die Verstärkertemperatur wird mit einem elektronischen Temperaturfühler (z. B. Perlenthermistor) gemessen und für die Bewertung der Meßsignale berücksichtigt»in the plane of the orifice (diameter of the orifice = 1.5 mm). The detector is outshined by the radiation incident on the lenses after passing through the orifice plate. The resulting measurement signal is amplified, displayed with a digital volt counter or stored on tape. The scanning of the spectrum at 30 reproducible measuring points of 7.5 nm - 16.0 nm half width is performed by the Maltese, cross drive of the filter wheel, which rotates the filter wheel in the forward and reverse by constant angular amounts at the detector. The respective measuring point and readiness for measurement are displayed. The amplifier temperature is measured with an electronic temperature sensor (eg bead thermistor) and taken into account for the evaluation of the measuring signals ».

Ausführungsbeispieleembodiments

Das Kalibrierungsverfahren soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.The calibration method will be explained in more detail with reference to an embodiment.

In der Praxis muß zur Kalibrierung ein Ort oder eine Wetterlage ausgewählt werden, an dem sich die spektrale optische Dicke der luft während der Kalibrierungszeit von Sonnenaufgan; bis ca, 30° Sonnenhöhe nicht ändert. Zur Kalibrierung geeignete Orte sind Hochgebirgslagen über der Dunstsphäre und kontinentale aride Gebiete. Zur Kalibrierung geeignete Wetterlagen in Mitteleuropa treten dann auf, wenn unter antizyklonalem Einfluß kontinentale Luftmassen arktischen Ursprungs über Nordosteuropa herangeführt werden.In practice, for calibration, a location or weather condition must be selected at which the spectral optical thickness of the air during the calibration period of sunrise; until about 30 ° sun altitude does not change. Places suitable for calibration are high mountain ranges over the haze and continental arid areas. Suitable weather conditions in Central Europe for calibration occur when continental air masses of Arctic origin are introduced via Northeastern Europe under anticyclonic influence.

Ein Vorteil" des Kalibrierungsverfahrens ist, daß mittels des Spektralphotometers mit Sonnenobjektiv aus dem Anschluß an die extraterrestrische Bestrahlungsstärke der Sonne (Bestrahlungsstärkekalibrierung) allein durch die Kenntnis des genauen effektiven Öffnungswinkels des Sonnenobjektivs in Verbindung mit dem Abbildungsverfahren in die Ebene der Meßblende sich zwangsläufig a.uch die Strahldichtekalibrierung des Sonnenobjektivs ergibt. Durch die zwe cianäß ige konstruktive LösunAn advantage of the calibration method is that by means of the solar lens spectrophotometer following the extraterrestrial irradiance of the sun (irradiance calibration) alone by knowing the exact effective aperture angle of the solar lens in connection with the imaging process in the plane of the orifice inevitably a.uch The radiance calibration of the solar lens yields

2 1883 5 8 2 1883 5 8

wurde ein spezielles Spektralphotometer geschaffen, welches ohne künstliche Strahlungsnormale unter natürlichen Einstrahlungsbedingungen kalibrierbar und in einem Meßaufbau gleichzeitig für Bestrahlungsstärkemessungen und Strahldichtemessungen einsetzbar ist.A special spectrophotometer was created, which can be calibrated without artificial radiation standards under natural irradiation conditions and can be used simultaneously in a measurement setup for irradiance measurements and radiance measurements.

Ein weiterer meßtechnischer Vorteil ist, daß die Sonne sowohl 'als Strahlungsnormal bei der Kalibrierung als auch als Strahlungsquelle bei der Messung im Gelände dient und im Kalibrierungs- wie auch im Meßfall Bestrahlungsstärken gleicher Größenordnung und gleicher relativer spektraler Energieverteilungen auftreten. Dadurch läßt sich eine wesentliche höhere relative Meßgenauigkeit (ca. i 1 %) bzgl. der tabellierten extraterrestrichen Sonnenwerte erreichen, als bei der Verwendung von künstlichen Strahlungsnormalen (ca. - 5 %).Another measuring technical advantage is that the sun serves both as a radiation standard in the calibration and as a radiation source in the measurement in the field and in the calibration as well as in the measurement irradiance levels of the same magnitude and the same relative spectral energy distributions occur. As a result, it is possible to achieve a significantly higher relative accuracy of measurement (approximately 1 %) with respect to the tabulated extraterrestrial solar values than with the use of artificial radiation standards (approximately -5%).

Die Vorrichtung soll anhand folgender Ausführungsbeispiele beschrieben werden:The device will be described with reference to the following embodiments:

Die Vorrichtung befindet sich auf einer parallaktischen Montierung und ist mit dem Sonnenobjektiv (1) und der Streu-Scheibe (3) ausgerüstet. Das Sonnenobjektiv (1) wird über sein. Visier auf die Sonne gerichtet und der Kippspiegel (4) mit Hilfe eines Servomotors so in eine Endstellung gebracht, daß di'e Sonnenstrahlung die Verlaufinterferenzfilter auf dem malteserkreuzgetriebenen Filterrad (5) durchsetzt. Schrittweise werden die einzelnen Pilterorte in den vom Kippspiegel (4) umgelenkten Strahlengang des Sonnenobjektivs (1) gebracht, so daß nacheinander die Sonne spektral in die Ebene der nachgeordneten Heßblende (6) abgebildet wird. Die Sonnenstrahlung überstrahlt danach den Detektor (7) und erzeugt hier ein Signal, das am Ausgang des Verstärkers (8) aufgrund des beschriebenen Verfahrens sofort die Transmission ΐ der Atmosphäre zu bestimmen gestattet. Danach wird das Sonnenobjektiv (1) gegen ein Weitwinkelobjektiv (2) ausgetauscht und die gesamte Vorrichtung so gekippt, daß die Streuscheibe (3) senkrecht nachThe device is located on a parallactic mount and is equipped with the lens (1) and the diffuser (3). The solar lens (1) will be over. Sight directed at the sun and the tilting mirror (4) brought by means of a servo motor in an end position so that the sun radiation passes through the course interference filter on the Maltese cross-driven filter wheel (5). Step by step, the individual types of pilates are brought into the tilted mirror (4) deflected beam path of the lens (1), so that successively the sun is spectrally imaged in the plane of the subordinate Hessblende (6). The solar radiation then outshines the detector (7) and generates a signal here which, at the output of the amplifier (8), allows the transmission ΐ of the atmosphere to be determined immediately on the basis of the method described. Thereafter, the solar lens (1) is replaced with a wide-angle lens (2) and the entire device tilted so that the lens (3) perpendicular to

oben, das Weitwinkelobjektiv (2) senkrecht nach unten gerichtet ist. .above, the wide-angle lens (2) is directed vertically downwards. ,

2 18 8 3 5 9.2 18 8 3 5 9.

Durch Inbetriebnahme des Kippspiegels (4) werden in dieser Meßposition wechselweise die Globalstrahlung G über die Streuscheibe (3) und die von der Fläche A reflektierte Strahlung R über das Weitwinkelobjektiv (2) spektral und absolut gemessen, Danach werden aus beiden Messungen der wahre gerichtete Re~ flexionsgrad r = und bei aerokosmischen Aufnahmen die gerichtete Eigenstrahlung der Atmosphäre R^ nach der Beziehung ,,R, = Ry - R . T bestimmt, wenn die Fläche A gleichzeitig vom Plugniveau aus spektral vermessen wird und dort das Signal Rg ergibt. Die aktuellen spektralen Werte R^ und Ϊ, die als Störgrößen bei der Auswertung von Flugzeug- und Satellitenaufnahme der Erde auftreten, können somit ermittelt und eliminiert v/erden« -By commissioning the tilting mirror (4) in this measuring position alternately the global radiation G on the diffuser (3) and the reflected radiation from the surface A R over the wide-angle lens (2) spectrally and absolutely measured, then from both measurements, the true directed Re ~ degree of reflection r = and for aerocosmic recordings the directional own radiation of the atmosphere R ^ according to the relation ,, R, = Ry - R. T determines if area A is spectrally measured simultaneously from the plug level and yields the signal Rg there. The current spectral values R ^ and Ϊ, which occur as disturbances in the evaluation of aircraft and satellite recordings of the earth, can thus be determined and eliminated. "

Beispiel 2:Example 2:

Die Vorrichtung kann in der zuletzt beschriebenen Meßposition kardanisch an einem Schiffsausleger aufgehängt werden und übe] das Weitwinkelobjektiv (2) während der Fahrt des Schiffes die reflektierten Strahldichten der Meeresoberfläche spektral und quasikontinuierlich messen. Die Meßwerte werden auf Magnetband gespeichert und gestatten Aussagen über den Phytoplanktongehalt des Wassers. Gleichzeitig werden G und r wie im obigen Beispiel bestimmt.The device can be gimballed to a ship's jib in the measuring position last described and the wide-angle objective (2) can be used to spectrally and quasi-continuously measure the reflected radiance of the sea surface while the ship is sailing. The measured values are stored on magnetic tape and allow statements about the phytoplankton content of the water. At the same time, G and r are determined as in the above example.

Beispiel 3:Example 3:

Die Vorrichtung wird auf einen Drehtisch montiert und mit dem Sonnenobjektiv (1) die Abstrahlcharakteristiken leuchtender oder reflektierender Proben und Flächen (Beläge, Anstriche) bestimmt.The device is mounted on a turntable and with the solar lens (1) determines the radiation characteristics of luminous or reflective samples and surfaces (coatings, paints).

Claims (10)

2 1883 5 ίο2 1883 5 ίο Anspruchclaim 1. .Kalibrierungsverfahren für Bestrahlungsstärke- und Strahldichtemessungen für die Lichttechnik, Meteorologie und vorzugsweise für die Fernerkundung der Erde, gekennzeichnet dadurch, daß ein sowohl für Bestrahlungsstärke- als auch Strahldichtemessungen konstruiertes Spektralphotometer mit einer Meßblende durch Vorsatz eines Sonnenobjektivs bzgl. der bekannten extraterrestrischen spektralen Energieverteilung der Sonne kalibriert wird und dann mit Hilfe der mit dem auswechselbaren kalibrierten Sonnenobjektiv ermittelten Eichfaktoren nacheinander die optischen Vorsätze Streuscheibe und auswechselbaren Weitwinkelobjektiven an die extraterrestrische Energieverteilung angeschlossen werden.1. .calibration method for irradiance and radiance measurements for the lighting, meteorology and preferably for remote sensing of the earth, characterized in that a constructed both for irradiance and radiance measurements spectrophotometer with an orifice by intent of a solar lens with respect to the known extraterrestrial spectral energy distribution the sun is calibrated and then using the calibration factors determined with the interchangeable calibrated solar lens, the optical attachments lens and exchangeable wide-angle lenses are connected to the extraterrestrial energy distribution one after the other. 2. Kalibrierungsverfahren nach Punkt 1. gekennzeichnet dadurch, daß die Abbildung der Sonne mit dem Sonnenobjektiv so innerhalb der Meßblende erfolgt, daß der Durchmesser des Son-2. Calibration method according to item 1, characterized in that the image of the sun with the solar objective takes place within the measuring aperture such that the diameter of the probe • nenbildes etv;a dem halben Durchmesser der Meßblende entspricht. A picture corresponds to half the diameter of the measuring orifice. 3# Kalibrierungsverfahren nach Punkt 1. und 2., gekennzeichnet dadurch, daß unter irdischen Bedingungen das Extrapolati ons verfahr en auf extraterrestrische Bestrahlungsstärken bei einer'Luftmasse lull angewendet wird.3 # Calibration procedure according to items 1 and 2, characterized in that, under terrestrial conditions, the extrapolation method is applied to extraterrestrial irradiance at an air mass lull. 4. Kalibrierungsverfahren nach Punkt 1. bis 3·, gekennzeichnet dadurch, daß sich der Eichfaktor für Bestrahlungsstärkemessungen mit dem Sonnenobjektiv aus dem Quotienten zwischen der bekannten tabeliierten extraterrestrischen Bestrahlungsstärke und dem extrapolierten Meßsignal für die Luftmasse m = 0 ergibt.4. Calibration method according to items 1 to 3, characterized in that the calibration factor for irradiance measurements with the solar objective from the quotient between the known tabeliierter extraterrestrial irradiance and the extrapolated measurement signal for the air mass m = 0 results. 5. Kalibrierungsverfahren nach Punkt 1. bis 4., gekennzeichnet dadurch, daß der Eichfaktor für den Vorsatz Streuscheibe aus den Messungen von Global- und Himmelsstrahlung mit der Streuscheibe und der Bestrahlungsstärke aus den Messungen5. Calibration method according to item 1 to 4, characterized in that the calibration factor for the intentional lens from the measurements of global and sky radiation with the lens and the irradiance from the measurements 2 1883 5 11 2 1883 5 11 mit dem Sonnenobjektiv berechnet wird.is calculated with the solar lens. 6. Kalibrierungsverfahren nach Punkt 1, bis 5.j gekennzeichnet dadurch, daß der effektive Raumwinkel des Sonnenobjektivs mit Hilfe einer hinreichend punktförmigen Lichtquelle bestimmt wird.6. Calibration method according to item 1, to 5.j characterized in that the effective solid angle of the solar lens is determined by means of a sufficiently punctiform light source. ...7. Kalibrierungsverfahren nach Punkt 1, bis 6., gekennzeichnet dadurch, daß der Eichfaktor für die Bestrahlungsstärkemessung mit dem Sonnenobjektiv auf den Raumwinkel des Sonnenobjektivs bezogen und damit der Eichfaktor für die Strahldichtemessung mit Sonnenobjektiv bestimmt wird.... 7th Calibration method according to item 1, to 6, characterized in that the calibration factor for the irradiance measurement with the solar lens based on the solid angle of the solar lens and thus the calibration factor for the radiance measurement is determined with a solar lens. 8, Kalibrierungsverfahren nach Punkt 1. bis 7., gekennzeichnet dadurch, daß der Eichfaktor für Strahldichtemessungen für Weitwinkelobjektive mit verschiedenen Öffnungswinkel aus Anschlußmessungen mit dem für Strahldichtemessungen kalibrierten Sonnenobjektiv über homogen diffus strahlenden Pia chen erhalten wird.8, calibration method according to item 1 to 7, characterized in that the calibration factor for radiance measurements for wide-angle lenses with different opening angles from terminal measurements with the calibrated for radiance measurements sun lens is obtained via homogeneous diffuse radiating Pia chen. 9. Vorrichtung für Bestrahlungsstärke- und Strahldichtemessungen für die Lichttechnik, Meteorologie und vorzugsweise für die Fernerkundung der Erde, gekennzeichnet dadurch, da£ die Vorrichtung ein zur Eichung wie zur Messung in gleichei Weise geeignetes, tragbares und beliebig montierbares Spektralphot ometer darstellt, das die genannten Größen spektral und richtungsabhängig in absoluten Einheiten zu messen gestattet, indem dem Sonnenobjektiv (1) oder dem Weitwinkelobjektiv (2) und der Streuscheibe (3) ein Kippspiegel (4), auf einem malteserkreuzgetriebenen Filterrad angeordneten Verlaufinterferenzfiltern die Meßblende (6) und ein Detektor (7) mit angepaßtem Verstärker (8) nachgeordnet sind.9. Device for irradiance and radiance measurements for the lighting technology, meteorology and preferably for the remote sensing of the earth, characterized in that the device represents a suitable for calibration as well as for measurement in a similar manner, portable and arbitrarily mountable spectrophotometer, the Spectrally and directionally in absolute units measured by the sun lens (1) or the wide-angle lens (2) and the lens (3) a tilting mirror (4) arranged on a Maltese cross-driven filter wheel gradient interference filters the orifice (6) and a detector ( 7) are arranged downstream with matched amplifier (8). 10.Vorrichtung nach Punkt 9., gekennzeichnet dadurch daß das achromatische Sonnenobjektiv auswechselbar ist, welches mit einem einfachen Visier das strahlende Objekt (Sonne,10.Vorrichtung according to item 9, characterized in that the achromatic solar lens is replaceable, which with a simple visor, the radiating object (sun, 2 1 8 83 5 12 2 1 8 83 5 12 strahlende Fläche) unter einem Feldwinkel von 1° in die Ebene der Meßblende (6) des Spektralphotometers abbildet.radiating surface) at a field angle of 1 ° in the plane of the orifice (6) of the spectrophotometer maps. 11. Vorrichtung nach Punkt 9., gekennzeichnet dadurch, daß die Weitwinkelobjektive auswechselbar sind und aus einem Achromaten und davorgesetztem umgekehrten Fernrohr bestehen, wobei das strahlende Objekt, z. B. Wasser, Boden, Vegetation, Schnee etc., unter einem Feldwinke. 1 bis 20° erfaßt und in die Ebene der Meßblende abgebildet wird.11. The device according to item 9, characterized in that the wide-angle lenses are interchangeable and consist of a Achromaten and davorgesetztem reverse telescope, wherein the radiating object, for. As water, soil, vegetation, snow, etc., under a field angle. 1 to 20 ° detected and mapped in the plane of the orifice plate. 12. Vorrichtung nach Punkt 9», gekennzeichnet.dadurch, daß die Streuscheibe (3) auswechselbar ist und die von Flächenstrahlern (Himmel) und von Punktstrahlern (Lampen, Sonne) ausgehende Strahlung, diffus und nahezu kosinusgetreu erfaßt. 12. Device according to point 9 », characterized.dadurch that the diffuser (3) is interchangeable and detects the surface of radiators (sky) and of spotlights (lamps, sun) outgoing radiation, diffuse and almost cosine true. 13« Vorrichtung nach Punkt 9. bis 12,, gekennzeichnet dadurch, daß der Kippspiegel (4) justierbar und in den Endstellungen fixierbar ist, wobei in beiden Endstellungen die über das Sonnenobjektiv (1) bzw. die Weitwinkelobjektive (2) oder die Streuscheibe (3) einfallende Strahlung auf das Verlaufinterferenzfilter fällt.13 "device according to item 9 to 12, characterized in that the tilting mirror (4) is adjustable and fixable in the end positions, wherein in both end positions on the lens (1) or the wide-angle lenses (2) or the lens ( 3) incident radiation falls on the gradient interference filter. 14· Vorrichtung nach Punkt 9· bis 13*, gekennzeichnet dadurch, daß sein malteserkreuzgetriebenes Filterrad (5) schrittweise oder quasikontinuierlich die Filterstellungen reproduzierbar an der Eintrittsöffnung des Verstärkerteils vorbeibewegt.14 · Device according to point 9 · to 13 *, characterized in that its Maltese cross driven filter wheel (5) moves stepwise or quasi-continuously the filter positions reproducibly at the inlet opening of the amplifier part. 15. Vorrichtung nach Punkt 9. bis 14., gekennzeichnet dadurch, daß ein Verstärker (8) die spektrale Lichtleistung im Be-15. Device according to item 9 to 14, characterized in that an amplifier (8) the spectral light output in the —1 8 P 11-1 8 P 11 reich zwischen 10 bis 10 /uWcm nm sr mit Hilfe eines geeigneten Stromgenerators (Diode im Kurzschlußbetrieb) in ein ihr proportionales elektrisches Signal umwandelt. range between 10 to 10 / μcm cm sr with the aid of a suitable current generator (diode in short-circuit operation) into a proportional electrical signal converts. Hierzu 1 SeHe ZeichnungenSee 1 drawings
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