DE10040889A1

DE10040889A1 - Measurement of optical fields, e.g. above and below open waters, using spectral radiometer, is accompanied by correction of thermally-generated signal components

Info

Publication number: DE10040889A1
Application number: DE2000140889
Authority: DE
Inventors: Kurt Bochter
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2000-08-18
Filing date: 2000-08-18
Publication date: 2002-03-28

Abstract

To correct thermally-generated signal components of a photosensor in the spectral radiometer before and after measurement of light (or darkness) intensity, signals are received over equal time intervals. The mean value of the readings is subtracted from the brightness or darkness measurement. Preferred Features: Measurements are transmitted from the spectrometer slit aperture by spacer-separated optical conductors. Spectral strips are produced in the focal plane, separated by dark gaps caused by the spacers. A CCD detector is employed. To correct for optical cross-interference and scattered light, the signal profile in dark regions adjacent to spectral strips (measurement channel) is measured and used to determine a spectral profile of signal patterns to be subtracted. Amplitude of the signal pattern is defined in spectral strip wavelength intervals, in which cross-interference and scattered signals are detected, but not external light. With similar signal profiles light signals received by various light measurement units are used for correction of the cross-interference in dark regions at upper edges, lower edges and the central region of the CCD sensor. For radiometric calibration of the multi-beam spectrometer using a number of light measurement sensors, a reference standard is used. A calibration correction is carried out from actual measurements and post-calibration measurements, producing a ratio Rk/RN. The correction strongly smoothes out additional noise. Variable optical attenuators are employed to standardize signal strengths detected by differing detectors, and are used in conjunction with a reference standard to match the signals. Optical fields may be measured in diverse open waters, above and below the surface. Signals from the upper (in air) sensors are matched by variable attenuators in the optical path, with the signals from underwater sensors. Calibration of attenuated spectra are made from transmission characteristics of the attenuation sections. For standardization of attenuated spectra an additional light measurement unit with its own detection unit is employed. This receives an incident light intensity in a narrow wavelength interval. Its signal is used for automatic control of the attenuators. For automatic adjustment of an illumination interval at given measurement depth during reception of a time-integrated signal, an additional, flashing measurement unit above to the water surface, with its own detector unit, is employed. To determine absorption coefficients of an optical field with the help of spectral radiometers, a net radiation/beam intensity (E(zo), E(zu)) and a scalar radiation intensity (E(z0), E(zu)) are determined simultaneously in two planes, an upper plane zo and a lower plane zu. From the values E(zo), E(zu) the attenuation coefficient K of the net radiation intensity is calculated as K(zm) = DELTA z<-1> . ln(E(zo)/E(zu)). zm is the center of the zo and zu planes and DELTA z is their separation. An additional expression in the form of the Gershun equation is provided, for solution. Net radiation intensities and scalar radiation intensities are determined successively with two light measurement units having a specially-designed angular sensitivity profile, exhibiting a blend of cosine- and 2 pi -reception characteristics in two planes (zo, zu).

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Messen von Lichtfeldern mittels eines Spektralradiometers oder eines Mehrstrahl-Spek tralradiometers.The invention relates to methods for measuring light fields using a spectroradiometer or a multi-beam spec tralradiometers.

Im sichtbaren Spektralbereich arbeitende optische Sensoren eignen sich sehr gut zur quantitativen Bestimmung von Wasser inhaltsstoffen, wie Phytoplankton, Gelbstoffen und anorgani schen Schwebstoffen, anhand ihrer spektralen Charakteristika. Ferner sind optische Verfahren im Vergleich zur Laboranalytik sehr schnell und in situ einsetzbar. Eine Entnahme von Was serproben, die die Gefahr veränderter optischer Eigenschaften durch Sedimentation, Flockenbildung und chemische Stoffum wandlung während des Transportes bzw. der Lagerung in sich birgt, kann weitgehend entfallen. Die optische Meßtechnik führt beim Gewässermonitoring zu Zeit- und Kosteneinsparungen und erlaubt damit die Erstellung umfangreicherer Datenbanken.Optical sensors working in the visible spectral range are very suitable for the quantitative determination of water ingredients such as phytoplankton, yellow substances and inorganic suspended solids based on their spectral characteristics. Furthermore, optical methods are compared to laboratory analysis can be used very quickly and in situ. A withdrawal of what water samples, the risk of changing optical properties through sedimentation, flaking and chemical substances change in itself during transport or storage hides, can largely be dispensed with. The optical measurement technology leads to time and cost savings in water monitoring and thus allows the creation of more extensive databases.

Die optischen Meßmethoden können grundsätzlich in zwei ver schiedene Kategorien aufgeteilt werden. Hierbei besitzen ak tive Meßgeräte eine eingebaute Lichtquelle, während passive Radiometer die Bestimmung der optischen Eigenschaften eines Gewässers durch Vermessung des natürlichen, von der Sonne er zeugten Strahlungsfeldes ermöglichen. Dazu sind die Radiome ter mit einem oder mehreren Lichtmeßköpfen, ausgestattet. Als wellenlängendispersive Elemente finden in Radiometern Farb filter oder Spektrometermodule Anwendung. Geräte der zuletzt genannten Bauart werden als Spektralradiometer bezeichnet.The optical measurement methods can basically in two ver different categories can be divided. Here ak tive measuring devices have a built-in light source, while passive Radiometer determining the optical properties of a Water by measuring the natural, from the sun he allow generated radiation field. That's what the radiomas are for ter with one or more light measuring heads. As Wavelength-dispersive elements find color in radiometers filter or spectrometer modules application. Devices of the last mentioned design are referred to as spectroradiometers.

Mit Hilfe von Farbfiltern ausgestattete Radiometer, können einige wenige Wellenlängenkanäle erfaßt werden. Im Gegensatz dazu erlaubt der Einsatz von Spektrometern die Aufnahme kom pletter Spektren mit einer Vielzahl von Wellenlängen-Stütz punkten. Als Detektoren werden dazu vorwiegend Photodioden- oder CCD-(Charge-Coupled-Device)Zeilenarrays verwendet. Bei einem bekannten tauchbaren Instrument wird das Signal eines Lichtmeßkopfes über eine Linse auf den Eintrittsspalt eines relativ großen Spektrographen abgebildet. Um die Abmessungen von Tauchsonden zu reduzieren, werden Miniaturspektrometer mit Lichtleiteranschluß eingesetzt.Radiometers equipped with the help of color filters can a few wavelength channels are detected. In contrast in addition, the use of spectrometers allows the acquisition of com pletter spectra with a variety of wavelength support score. For this purpose, mainly photodiodes are used as detectors. or CCD (Charge-Coupled-Device) line arrays are used. At a known submersible instrument, the signal of a Light measuring head over a lens on the entrance slit of a relatively large spectrograph. To the dimensions of submersible probes are miniature spectrometers used with fiber optic connection.

In der Zeichnung ist schematisch ein Strahlenverlauf 11 in einem bekannten abbildenden Spektrometer dargestellt. Zum zeitgleichen Erfassen der Signale mehrerer im einzelnen nicht dargestellter Lichtmeßköpfe, wie beispielsweise von Meßköpfen 1 bis 9, finden abbildende Spektrometer Anwendung, welche auch als Mehrstrahl-Spektrometer bezeichnet werden. Als De tektoren werden dabei CCD-Flächen-arrays eingesetzt.In the drawing, a beam path 11 is shown schematically in a known imaging spectrometer. Imaging spectrometers, which are also referred to as multi-beam spectrometers, are used for simultaneous detection of the signals of a plurality of light measuring heads, not shown in detail, such as measuring heads 1 to 9 . CCD surface arrays are used as detectors.

Die Lichtsignale von den Meßköpfen 1 bis 9, werden über Lichtleiter in Form von Glasfasern 10 zu einem in der Zeich nung nicht näher dargestellten Spektrometerspalt geleitet. Die Lichtleiter 10 sind stapelförmig entlang der Spalthöhe angeordnet und durch in der Zeichnung nicht dargestellte Di stanzteile voneinander getrennt, welche beispielsweise kurze Faserstücke sind, die zwischen die signalübertragenden Fasern eingebracht sind.The light signals from the measuring heads 1 to 9 are passed via light guides in the form of glass fibers 10 to a spectrometer gap, not shown in the drawing. The light guides 10 are arranged in a stack along the gap height and separated by stamping parts, not shown in the drawing, which are, for example, short fiber pieces which are introduced between the signal-transmitting fibers.

Die örtliche Trennung der Glasfasern am Spalt bildet sich in die Fokalebene des Spektrometers ab. Die dort entstehenden Spektralsteifen, welche aufgrund der Distanzstücke durch Dun kelbereiche räumlich voneinander getrennt sind, werden mit dem CCD-Sensor detektiert. Im folgenden werden zur Unter scheidung von Wellenlängenkanälen die von den verschiedenen Meßköpfen erzeugten Spektralstreifen auch als Meßkanäle be zeichnet.The local separation of the glass fibers at the gap is formed in the focal plane of the spectrometer. The emerging there Spectral stiffness caused by Dun kel areas are spatially separated from each other with the CCD sensor is detected. The following are the sub Separation of wavelength channels from the different ones Measuring heads also produce spectral strips as measuring channels draws.

Zum Meßsignal beitragende Ladungsträger werden in CCD-Sen soren nicht nur durch Lichtquanten erzeugt, sondern auch thermisch generiert. Bei einem bekannten Verfahren werden zur Kompensation eines Effektes dunkelmaskierte Pixel verwendet, welche viele CCDs zum Dunkelabgleich besitzen. Mit ihrer Hilfe kann auf den thermischen Signalanteil im Hellbereich ge schlossen werden. Die Korrelation zwischen den thermischen Signalen im dunkelmaskierten und beleuchtbaren Bereich unter liegt jedoch zeitlichen und temperaturabhängigen Drifts.Charge carriers contributing to the measurement signal are stored in CCD-Sen sensors not only generated by light quanta, but also thermally generated. In a known method Compensation of an effect using dark masked pixels, which many CCDs have for dark balancing. With your help can ge on the thermal signal portion in the bright area be closed. The correlation between the thermal Signals in the dark masked and illuminated area below However, there is time and temperature dependent drifts.

Bei einem anderen Verfahren wird eine Aufnahme, bei der die CCD beispielsweise mit einem Photoverschluß abgedunkelt wird, von einer Hellaufnahme subtrahiert. Da das thermisch erzeugte Ladungssignal jedoch extrem temperaturabhängig ist, funktio niert dies nur für kurze Belichtungszeiten. Bei längeren In tegrationszeiten kann sich die CCD-Temperatur zwischen Hell- und Dunkelaufnahme, wozu eine Drift um einige Millikelvin ausreichend ist, so stark ändern, daß merkliche Abweichungen im thermisch generierten Anteil des Meßsignals hervorgerufen werden. Die Dunkelaufnahme repräsentiert dann in diesem Falle nicht mehr den Dunkelanteil der Hellaufnahme.Another method is a recording in which the CCD is darkened, for example, with a photo shutter, subtracted from a bright picture. Because the thermally generated Charge signal, however, is extremely temperature-dependent, functio this only applies to short exposure times. With longer in the CCD temperature can vary between bright and dark picture, for which a drift by a few millikelvin is sufficient, change so much that noticeable deviations caused in the thermally generated portion of the measurement signal will. The dark image then represents in this case no longer the dark portion of the bright picture.

Durch das nicht ideale Verhalten optischer Komponenten ent steht in jedem Spektrometer diffuses Streulicht, das sich als relativ homogener Untergrund über die Spektren verteilt. In einem Mehrstrahl-Spektrometer sind ferner die einzelnen Spek tralstreifen in der Detektorebene senkrecht zur Wellenlängen richtung nicht scharf begrenzt, sondern können Ausläufer be sitzen, die sich den anderen Spektralstreifen (Meßkanälen) überlagern.Due to the non-ideal behavior of optical components diffuse scattered light appears in every spectrometer relatively homogeneous background spread over the spectra. In a multi-beam spectrometer are also the individual spectra trailing stripes in the detector plane perpendicular to the wavelengths direction is not sharply delimited, but can be foothills sit, which the other spectral strips (measuring channels) overlay.

Bekannte Verfahren zur Korrektur dieses Effektes beruhen auf der Bildung von Meßkanal-Verhältnissen. Hierzu wird jeweils ein Meßkanal beleuchtet und das relative Signalspektrum in den anderen Meßkanälen bestimmt. Eine Division erfolgt dabei jeweils für gleiche Wellenlängenkanäle. Bei Kenntnis aller Kanalverhältnisse ist die Korrektur einer Aufnahme mit einer beliebigen Anzahl beleuchteter Meßkanäle möglich.Known methods for correcting this effect are based on the formation of measuring channel relationships. This is done in each case a measuring channel is illuminated and the relative signal spectrum in determined the other measuring channels. A division takes place each for the same wavelength channels. Knowing everyone Channel relationships is the correction of a recording with a any number of illuminated measuring channels possible.

Das Verfahren ist jedoch nur mit Erfolg anzuwenden, wenn die Übersprechsignale in den abgedunkelten Meßkanälen den gleichen Spektralverlauf aufweisen wie der beleuchtete Meßkanal. In der Regel ist dies aber nicht der Fall. Wird ein Meßkanal beispielsweise mit einem schmalbandigen Interferenzfilter oder einer Laserlinie beleuchtet, werden in den abgedunkelten Meßkanälen merkliche Übersprechamplituden meist nicht nur in denjenigen Spektralkanälen detektiert, die auch im beleuchte ten Meßkanal ausgesteuert sind, sondern auch in anderen. Da bei verschmiert das Übersprechsignal mit zunehmendem Abstand vom beleuchteten Meßkanal über eine Vielzahl von Wellenlän genkanälen. Es wurden auch Verschiebungen in spektraler Rich tung beobachtet. Solche Effekte können mit Korrekturverfah ren, die auf der Bildung von Meßkanal-Verhältnissen beruhen, nicht berücksichtigt werden.However, the procedure can only be used successfully if the Crosstalk signals in the darkened measuring channels are the same Show spectral course like the illuminated measuring channel. As a rule, however, this is not the case. Becomes a measuring channel for example with a narrow-band interference filter or a laser line are illuminated in the darkened Measurement channels noticeable crosstalk amplitudes mostly not only in those spectral channels are detected that also illuminate th measuring channel are controlled, but also in others. There at smeared the crosstalk signal with increasing distance from the illuminated measuring channel over a variety of wavelengths channels. There were also shifts in the spectral range tung observed. Such effects can be corrected ren, which are based on the formation of measuring channel relationships, are not taken into account.

Bei einem Messen von Lichtfeldern wird zwischen Strahldichte- und Bestrahlungsstärke-Meßköpfen unterschieden. Hierbei sam meln Strahldichtesensoren mittels einer Linse Licht aus einer bestimmten Raumrichtung, während Bestrahlungsstärke-Meßköpfe einen Diffusor besitzen, um Licht aus einem Halbraum oder über den gesamten Raumwinkel von 4π zu sammeln. Die Kalibra tion solcher Meßköpfe erfolgt über geeichte Strahldichte- bzw. Bestrahlungsstärke-Standards. Letztere sind mit konstan ter Leistung betriebene Glühlampen, erstere weisen zusätzlich noch eine Diffusorscheibe auf. Auch sogenannte Ulbrichtkugeln lassen sich zur Strahldichtekalibration einsetzen.When measuring light fields, a distinction is made between and radiation intensity measuring heads. Here sam Radiant density sensors use a lens to emit light from a certain spatial direction, while irradiance measuring heads have a diffuser to light from a half space or collect over the entire solid angle of 4π. The calibra tion of such measuring heads takes place via calibrated radiance or irradiance standards. The latter are constant incandescent lamps, the former also show another diffuser disc. Also known as integrating spheres can be used for radiance calibration.

Wegen temperaturbedingter und zeitlicher Drifts in der Detek torelektronik, wegen einer Alterung der Meßköpfe, beispiels weise Verschmutzen der Diffusoren, oder auch wegen mechani scher Abweichungen in der Spektrometeroptik, beispielsweise aufgrund von Erschütterungen kann es zu Abweichungen bezüg lich einer einmal erstellten Kalibration kommen. Ebenso kön nen Faserkoppler in den Meßkopfzuleitungen zu Transmissi onsänderungen führen. Because of temperature-related and temporal drifts in the detec gate electronics, due to aging of the measuring heads, for example wise contamination of the diffusers, or because of mechani shear deviations in spectrometer optics, for example due to vibrations, there may be deviations once a calibration has been created. Likewise, NEN fiber coupler in the measuring head leads to transmissi lead changes.

Zur Auswertung eines Tiefenprofils der Lichtfeldverteilung innerhalb einer Wassersäule ist es günstig, Veränderungen in der einfallenden Globalstrahlung, wie sie beispielsweise von durchziehenden Wolken verursacht werden, zu detektieren. Auf grund der exponentiellen Abnahme der Strahlungsintensität mit der Meßtiefe erfordert eine gleichzeitige Erfassung des Lichtfeldes über und unter Wasser mit einem Mehrstrahl-Spek tralradiometer ohne besondere Vorkehrungen einen sehr großen Dynamikumfang des Lichtsensors. Dieser ist aber durch Rau schen, optisches Übersprechen oder auch elektronische Nicht linearitäten der CCD eingeschränkt. Gleichzeitiges Messen an Luft und in Wasser ist daher auf geringe Meßtiefen begrenzt.To evaluate a depth profile of the light field distribution within a water column it is convenient to make changes in the incident global radiation, such as that from moving clouds are caused to detect. On due to the exponential decrease in radiation intensity with the measuring depth requires a simultaneous detection of the Light field above and under water with a multi-beam spotting scope tralradiometer without any special precautions a very large one Dynamic range of the light sensor. But this is due to rough optical crosstalk or electronic not linearities of the CCD restricted. Simultaneous measurement on Air and water are therefore limited to shallow measuring depths.

Ferner kann durch eine Variation der Belichtungszeit die Aus steuerung der CCD an die in der jeweiligen Meßtiefe herr schende Lichtintensität angepaßt werden. Wird die Belich tungszeit zu groß gewählt, treten im CCD-Sensor Nichtlineari täten und Überlauf auf. Solche Aufnahmen sind unbrauchbar und müssen wiederholt werden. Ferner verhindern zeitliche Än derungen in der einfallenden Lichtstärke, wie sie von durch ziehenden Wolken verursacht werden, eine optimale Einstel lung.Furthermore, the off can be varied by varying the exposure time control of the CCD to the gentleman in the respective measuring depth light intensity can be adjusted. Will the Belich selected too long occur in the non-linear CCD sensor actions and overflow. Such recordings are unusable and have to be repeated. Furthermore, temporal changes prevent changes in the incident light intensity, as by moving clouds are caused, an optimal setting lung.

Bei Aufnahmen mit langen Belichtungszeiten, wie sie in großen Meßtiefen nötig sind, ist die Wahrscheinlichkeit, daß Be leuchtungsschwankungen zu einem Überlauf führen, besonders groß. Eine gegebenenfalls mehrmals notwendige Wiederholungen der Messung kann zu bedeutenden zeitlichen Verzögerungen füh ren, die sich vor allem auf Meßkampagnen mit festem Zeitplan sehr störend auswirken.When shooting with long exposure times, such as in large ones Measuring depths are necessary, the probability that Be lighting fluctuations lead to an overflow, especially large. Repetitions that may be necessary several times the measurement can lead to significant time delays ren, which are mainly based on measurement campaigns with a fixed schedule very disruptive.

Zur Ermittlung der Absorption eines Lichtfeldes kann aus der Strahlungsverteilung des Unterwasserlichtfeldes der Absorpti onskoeffizient a über die sogenannte Gershun-Gleichung be stimmt werden:
To determine the absorption of a light field, the absorption coefficient a can be determined from the radiation distribution of the underwater light field using the so-called Gershun equation:

wobei mit λ die Wellenlänge, mit z die Wassertiefe, mit E die Nettobestrahlungsstärke und mit E₀ die skalaren Bestrah lungstärke bezeichnet sind. Die Gershun-Gleichung gilt im Prinzip jedoch nur für infinitesimale Werte von dz.where λ is the wavelength, z is the water depth, E is the net radiation intensity and E _{0 is} the scalar radiation intensity. In principle, however, the Gershun equation only applies to infinitesimal values of dz.

Für ihre meßtechnische Anwendung muß von einem Differential- auf einen Differenzenquotienten übergegangen werden und die Nettobestrahlungsstärke E in zwei unterschiedlichen Meßtiefen ermittelt werden. Um die benötigten Größen zur Auswertung der Gershun-Gleichung zu messen, sind sechs Lichtmeßköpfe notwen dig, die auf einer gemeinsamen Trägerstruktur mit drei unter schiedlichen Meßebenen montiert sind. Je zwei Meßköpfe mit cos-förmiger Empfangscharakteristsik dienen auf einer unteren oder einer oberen Ebene zum Bestimmung von E und zwei dazwi schen angeordneten Meßköpfen mit einer 2π-Charakteristik zur Ermittlung von E₀.For their metrological application, a transition from a differential quotient to a difference quotient must be made and the net irradiance E determined in two different measuring depths. In order to measure the quantities required for evaluating the Gershun equation, six light measuring heads are necessary, which are mounted on a common support structure with three different measuring levels. Two measuring heads with cos-shaped reception characteristics are used on a lower or an upper level to determine E and two measuring heads arranged in between with a 2π characteristic for determining E ₀ .

Wegen der nichtlinearen Abnahme der Lichtintensität mit der Tiefe ist nicht bekannt, wo genau die Messung von E₀ zwischen den beiden äußeren Ebenen zu erfolgen hat. Üblicherweise liegt der Abstand zwischen oberer und unterer Ebene in der Größenordnung von im. Die skalare Bestrahlungsstärke E₀ kann jedoch über diesen Tiefenbereich stark variieren, was zu ei ner nicht vernachlässigbaren Meßunsicherheit führt.Because of the nonlinear decrease in light intensity with depth, it is not known exactly where the measurement of E ₀ between the two outer planes has to be carried out. The distance between the upper and lower levels is usually of the order of magnitude. However, the scalar irradiance E ₀ can vary widely over this depth range, which leads to a non-negligible measurement uncertainty.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Genauigkeit beim Messen von Lichtfeldern mittels eines Spektralradiometers oder eines Mehrstrahl-Spektralradiometers zu verbessern, und zwar im Hinblick auf die Korrektur von thermisch generierten Sig nalanteilen sowie von optischem durch die Spektrometeroptik erzeugtem Übersprechen im Hinblick auf eine radiometrische Kalibration sowie bei gleichzeitigen Lichtfeldmessungen über und unter Wasser auch unter Berücksichtigung der einzustel lenden Belichtungszeit sowie im Hinblick auf die Ermittlung des Absorptionskoeffizienten des Lichtfeldes.The object of the invention is to ensure the accuracy when measuring Light fields using a spectroradiometer or a To improve multibeam spectroradiometers, namely in With regard to the correction of thermally generated sig nal shares and optical through the spectrometer optics generated crosstalk with regard to a radiometric Calibration as well as with simultaneous light field measurements and under water also taking into account the exposure time and with regard to the determination the absorption coefficient of the light field.

Gemäß der Erfindung ist dies erreicht zum einen mit Hilfe ei nes Verfahrens zum Messen von Lichtfeldern mittels eines Spektralradiometers mit den Merkmalen des Anspruchs 1 er reicht und zum anderen mit Hilfe eines Verfahrens zum Messen von Lichtfeldern mittels eines Mehrstrahl-Spektralradiometers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit den Merkmalen in dessen kennzeichnenden Teil. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens nach Anspruch 2 sind Gegenstand von auf den An spruch 2 unmittelbar oder mittelbar rückbezogenen Ansprüche.According to the invention, this is achieved on the one hand with the help of egg Nes method for measuring light fields using a Spectroradiometer with the features of claim 1 he is sufficient and secondly with the help of a method for measuring of light fields using a multi-beam spectroradiometer according to the preamble of claim 1 with the features in its characteristic part. Advantageous further developments of the The method of claim 2 are the subject of on Proposition 2 directly or indirectly related claims.

Mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 lassen sich sehr gute Er gebnisse bei der Korrektur des Dunkelsignal erzielen, wenn vor und nach der Hellmessung eine Dunkelaufnahme ausgeführt wird. Bei gleichen Zeitabständen zwischen den einzelnen Auf nahmen läßt sich dann der thermisch generierte Signalanteil zum Zeitpunkt der Hellmesssung präzise durch Mittelung der beiden Dunkelaufnahmen bestimmen. Sollen zum Reduzieren des Rauschens mehrere Hellaufnahmen gemittelt werden, lautet die Meßreihenfolge: Dunkel, hell, dunkel, hell, . . ., hell, dun kel. Auch in diesem Fall werden wiederum die jeweils vor und nach einer Hellmessung ausgelösten Dunkelaufnahmen gemittelt. Eine Mittelung aller Hell- und Dunkelaufnahmen jeweils für sich führt zu einem unterschiedlichen Ergebnis. Natürlich können auch, wie als Alternative in Anspruch 1 ausgeführt ist, zwei Hellmessungen gemittelt und die dazwischenliegende Dunkelaufnahme subtrahiert werden.With the method according to claim 1 very good Er Achieve results when correcting the dark signal if Take a dark picture before and after the light measurement becomes. At the same time intervals between the individual tasks then the thermally generated signal component can be taken precise at the time of the light measurement by averaging the determine both dark shots. Should reduce the Noise is used to average several bright images, is the Measurement order: dark, light, dark, light,. . ., light, dun kel. In this case, too, the before and averaged dark images after a light measurement. Averaging all light and dark shots for leads to a different result. Naturally can also, as stated as an alternative in claim 1 is averaged two light measurements and the one in between Dark picture can be subtracted.

Gemäß dem Verfahren nach Anspruch 2 werden für eine erfolg reiche Berichtigung des optischen Übersprechens zwischen den Meßkanälen und zugleich auch für eine Korrektur des Einflus ses von diffusem Streulicht die Dunkelbereiche zwischen den Spektren genutzt. Hierbei spiegelt der gemittelte Signalverlauf zweier benachbarter Dunkelbereiche mit hoher Genauigkeit den Spektralverlauf des Übersprech- und Streulichtsignals in dem dazwischen liegenden Meßkanal wider. Allerdings muß der auswertbare Teil der Dunkelbereiche dazu genügend Abstand zu den benachbarten Meßkanälen aufweisen, um eine direkte Beein flussung zu vermeiden. Weisen die Lichtsignale der verschie denen Meßköpfe nicht allzu unterschiedliche Spektralverläufe auf, ist es für eine Korrektur ausreichend, Dunkelbereiche am oberen und unteren Rand und in Mitte eines CCD-Sensors zu verwenden.According to the method of claim 2 are for a success rich correction of optical crosstalk between the Measuring channels and at the same time for a correction of the influence diffuse scattered light the dark areas between the Spectra used. Here the averaged signal curve reflects two adjacent dark areas with high accuracy the spectral profile of the crosstalk and scattered light signal in the intermediate measuring channel. However, the part of the dark areas that can be evaluated has sufficient distance from it the adjacent measuring channels have a direct leg to avoid flow. Assign the light signals of the various those measuring heads not too different spectral profiles on, it is sufficient for a correction, dark areas on the top and bottom and in the middle of a CCD sensor too use.

Die Dunkelbereiche geben die Wellenlängenverläufe der Über sprechsignale wieder. Da die in den Dunkelbereichen detek tierten Signalstärken jedoch von deren Abstand zu den Spek tralstreifen abhängen, kann daraus nicht auf die Amplitude der Übersprechsignale geschlossen werden. Eine richtige Ska lierung der Übersprechsignale wird erhalten, wenn dafür ge sorgt wird, daß in einem (klein wählbaren) Wellenlängeninter vall der Spektralstreifen der beleuchteten Meßkanäle nur Übersprech- und Streulichtsignale, jedoch kein von außen ein gekoppeltes Licht detektiert werden können.The dark areas give the waveforms of the over speech signals again. Since the detec in the dark areas However, signal strengths depend on their distance from the spectra depending on the stripe, cannot depend on the amplitude the crosstalk signals are closed. A real ska The crosstalk signals are obtained if ge is ensured that in a (small selectable) wavelength inter especially the spectral stripes of the illuminated measuring channels Crosstalk and stray light signals, but none from the outside coupled light can be detected.

Dies ist auf zwei Wegen erreichbar. Zum einen kann mit einem Farbfilter ein bestimmter Spektralbereich abgeblockt werden, beispielsweise mit sogenannten Kantenfiltern (Fa. Schott-) die einen abrupten Übergang zwischen transmittiertem (langwelli gem) und vollständig absorbiertem (kurzwelligem) Bereich auf weisen. Wird mit dem CCD-Sensor ein Wellenlängenintervall von beispielsweise 400 bis 800 nm detektiert und im Strahlengang ein Kantenfilter mit einer Einsatzwellenlänge von 435 nm ver wendet, kann mittels der Wellenlängenkanäle, die kleiner 415 nm sind, die Amplitude der Übersprechspektren festgelegt werden.This can be achieved in two ways. For one, with one Color filters are blocked a certain spectral range, for example with so-called edge filters (from Schott-) an abrupt transition between transmitted (langwelli gem) and completely absorbed (short-wave) area point. If the CCD sensor has a wavelength interval of For example, 400 to 800 nm is detected and in the beam path an edge filter with an insertion wavelength of 435 nm ver can use the wavelength channels that are smaller The amplitude of the crosstalk spectra is fixed at 415 nm will.

Die zweite Möglichkeit besteht darin, einen Detektor so in der Fokalebene zu positionieren, daß er für die am kurz- oder langwelligen Ende auftreffende Strahlung bereits unempfind lich ist. Beispielsweise kann eine CCD verwendet werden, die für Wellenlängen, die kleiner 400 nm sind, kein Signal mehr liefert, aber einen Spektralbereich ab 365 nm detektiert. Zur Skalierung der Übersprechamplituden kann dann das Intervall 365 bis 380 nm dienen. Analoges gilt bei Ausnutzen der lang welligen Empfindlichkeitsgrenze eines Detektors.The second option is to put a detector in this way the focal plane to position it for the short or long-wave end radiation already insensitive is. For example, a CCD can be used that for wavelengths that are less than 400 nm, no more signal delivers, but detected a spectral range from 365 nm. To The interval can then be scaled for the crosstalk amplitudes 365 to 380 nm serve. The same applies if the long is used wavy sensitivity limit of a detector.

Bei einem mit vielen Lichtmeßeinrichtungen bzw. -köpfen aus gestatteten Mehrstrahl-Spektralradiometer kann sich die Kali brationsprozedur sehr aufwendig gestalten. Um sie nicht bei jedem Einsatz vornehmen zu müssen, können gemäß der Erfindung Abweichungen in der Signalstärke der einzelnen Meßköpfe mit einem zusätzlichen Referenzstandard ermitteln werden. Die Lichtmeßköpfe werden dazu sowohl kurz vor oder nach dem ei gentlichen Kalibrieren mit dem Referenzstandard (Spektren R_K), als auch immer dann gemessen, wenn eine Nachkalibration gewünscht wird (Spektren R_N), beispielsweise vor jedem Ein satz.With a multi-beam spectroradiometer equipped with many light measuring devices or heads, the calibration procedure can be very complex. In order not to have to carry them out for each use, deviations in the signal strength of the individual measuring heads can be determined with an additional reference standard. For this purpose, the light measuring heads are measured both shortly before or after the actual calibration with the reference standard (spectra R _K ), and also whenever a recalibration is desired (spectra R _N ), for example before each use.

Hierbei erfolgt die Korrektur der Abweichungen über das Ver hältnis der Referenz-Spektren R_K/R_N. Da beide Spektren mit Rauschen behaftet sind, sie sich aber meist nur wenig vonein ander unterscheiden und vor allem einen ähnlichen Spektral verlauf besitzen, kann das Verhältnis R_K/R_N ohne Verringerung der Wellenlängenauflösung so stark geglättet werden, daß sich das Rauschen der Referenzmessungen im radiometrisch kali brierten Meßspektrum nicht bemerkbar macht.Here, the deviations are corrected via the ratio of the reference spectra R _K / R _N. Since both spectra are affected by noise, but they usually differ only slightly from each other and above all have a similar spectral curve, the ratio R _K / R _N can be smoothed so much without reducing the wavelength resolution that the noise of the reference measurements in the radiometric calibrated measurement spectrum is not noticeable.

Um den Zeitaufwand für die Referenzmessungen gering zu hal ten, ist es wünschenswert, alle Meßköpfe eines Mehrstrahlra diometers gleichzeitig zu messen. In der Regel weisen Strahl dichte- sowie die verschiedenen Typen von Bestrahlungsstärke sensoren jedoch sehr unterschiedliche Signalstärken auf, so daß eine gemeinsame Aufnahme mit gleicher Beleuchtungsstärke nicht sinnvoll ist. Eine gleichmäßige Aussteuerung der einzelnen Meßkanäle kann jedoch dadurch erzielt werden, daß zwi schen der gemeinsamen Lichtquelle und dem jeweiligen Meßkopf Dämpfungselemente vorgesehen werden. Für Strahldichte- Meßköpfe sind Diffusoren geeignet, während sich für Bestrah lungsstärkemeßköpfe, bei denen der Diffusor bereits eingebaut ist, Graufilter, Farbgläser (um beispielsweise den prinzipi ell signalschwachen blauen Spektralbereich stärker zu gewich ten) und Kombinationen aus beiden Filterarten anbieten. Das Übersprechen zwischen den Meßkanälen ist bei der gemeinsamen Aufnahme, wie vorstehend im einzelnen beschrieben, durchzu führen.To minimize the time required for the reference measurements ten, it is desirable to use all measuring heads of a multibeam to measure diometers at the same time. Usually point beam density as well as the different types of irradiance sensors, however, have very different signal strengths, so that a common shot with the same illuminance is not useful. Uniform control of the individual Measuring channels can, however, be achieved in that between the common light source and the respective measuring head Damping elements are provided. For radiance Measuring heads are suitable for diffusers, while suitable for irradiation Lung strength measuring heads in which the diffuser is already installed is, gray filters, colored glasses (for example the principle weak blue spectral range weaker ten) and offer combinations of both types of filters. The Crosstalk between the measuring channels is common Recording as described in detail above to lead.

Um die Lichtsignale von Über- und Unterwasser-Lichtmeßköpfen aneinander angleichen zu können, sind in die Lichtleiter der Überwassermeßköpfe verstellbare handelsübliche Dämpfungsglie der einzufügen, oder beispielsweise kann eine Angleichung da durch erreicht werden, daß zwei Faserstecker, deren Stirnsei ten einander zugewandt sind, (beispielsweise mit Hilfe einer Mikrometerschraube) präzise geradlinig oder schräg zueinander verschoben werden.To the light signals from above and underwater light measuring heads to be able to adapt to each other are in the light guide of Overwater measuring heads adjustable commercially available damping glue the insert, or for example, there may be an approximation can be achieved by two fiber plugs, the front end of which th are facing each other (for example with the help of a Micrometer screw) precisely straight or at an angle to each other be moved.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß mittels einer Kollimatorlinse das aus dem meßkopf-seitigen Faserstecker austretende Lichtbündel in einen Parallelstrahl umgewandelt und dieser dann mit einer weiteren Linse auf den spektrome terseitigen Stecker fokussiert wird. Dabei bilden jeweils Stecker und zugehörige Linse mechanisch eine Einheit. Die Transmission der Vorrichtung läßt sich durch gezieltes Ver schieben der Gesichtsfelder beider Einheiten senkrecht zu der bei geringster Dämpfung gemeinsamen optischen Achse ändern.Another possibility is that by means of a Collimator lens that from the measuring head-side fiber connector emerging light bundles converted into a parallel beam and this with another lens on the spectrome on the end of the connector. Thereby form each Plug and associated lens mechanically one unit. The Transmission of the device can be controlled by targeted Ver shift the visual fields of both units perpendicular to the change the common optical axis with the least attenuation.

Zur Kalibration der Überwasserspektren wird Vorab die Trans mission der Dämpfungsglieder für verschiedene Stellungen der Mikrometerschraube gemessen und dann wird das interpolierte Ergebnis in die Auswertung einbezogen. Präzisere Ergebnisse werden erzielt, wenn während der eigentlichen Messung im Felde die einfallende Strahlungsintensität in einem schmalen Wellenlängenintervall mit einem zusätzlichen Meßkopf detek tiert wird, der beispielsweise an eine mit einem Interferenz filter ausgestattete Photodiode angeschlossen ist, deren Aus gangssignal zur Normierung der gedämpften Spektren verwendet wird. Hiermit kann auch eine automatische Einstellung/Rege lung der Dämpfungswerte der Dämpfungsglieder vorgenommen wer den.To calibrate the surface spectra, the Trans Mission of the attenuators for different positions of the Micrometer screw is measured and then the interpolated Result included in the evaluation. More precise results are achieved if during the actual measurement in the field the incident radiation intensity in a narrow Wavelength interval with an additional measuring head detec is tiert, for example to one with an interference Filter equipped photodiode is connected, the off output signal used to normalize the attenuated spectra becomes. This can also be used for automatic adjustment / activation damping values of the attenuators the.

Zum automatischen Festlegen bzw. Einstellen der Belichtungs zeit wird während einer Aufnahme die in der jeweiligen Meß tiefe vorhandene Lichtintensität und deren zeitlichen Verlauf mit einem zusätzlichen, nach oben blickenden Meßkopf erfaßt, der an eine Photodiode angeschlossen ist. Überschreitet deren zeitlich integriertes Signal einen experimentell ermitteten Schwellenwert, wird die Belichtungsphase des CCD-Sensors be endet.For automatically setting or adjusting the exposure time is recorded during a recording in the respective measurement deep existing light intensity and its temporal course with an additional, upward-facing measuring head, which is connected to a photodiode. Exceeds theirs signal integrated in time an experimentally determined Threshold, the exposure phase of the CCD sensor will be ends.

Um die Gershun-Gleichung exakt lösen zu können, ist die ein gangs beschriebene Meßanordnung, mit welcher die zur Auswer tung der Gershun-Gleichung benötigten Größen gemessen werden, dahingehend modifiziert, daß die Nettobestrahlungsstärke E nicht zweichen, sondern sowohl auf einer oberen Ebene z₀ als auch auf einer unteren Meßebene z_u bestimmt wird. Aus den beiden Werten E(z₀) und E(z_u) läßt sich der Attenuationskoef fizient K der Nettobestrahlungsstärke E berechnen zu:
In order to be able to solve the Gershun equation exactly, the measuring arrangement described at the outset, with which the quantities required for evaluating the Gershun equation are measured, is modified in such a way that the net irradiance E does not diverge, but rather both at an upper level z ₀ as well as on a lower measurement level z _{u is} determined. The attenuation coefficient K of the net irradiance E can be calculated from the two values E (z ₀ ) and E (z _u ):

K(z_m) = Δz^-1.ln[E(z₀)/E(z_u)]K (z _m ) = Δz ^-1 .ln [E (z ₀ ) / E (z _u )]

Hierbei sind mit z_m die Mitte zwischen den Meßebenen z₀ und z_u und mit Δz der Abstand der beiden Meßebenen bezeichnet. Um den Attenuationskoeffizienten K₀ der skalaren Bestrahlungs stärke zu erhalten, ist in der vorstehend wiedergegebenen Formel E durch E₀ zu ersetzen. Mittel Hilfe der beiden Größen K(z_m) und K₀(z_m) läßt sich die Gershun-Gleichung umformen zu:
The center between the measurement planes z ₀ and z _u and the distance between the two measurement planes are designated by z _m . In order to obtain the attenuation coefficient K _{0 of} the scalar irradiance, E is to be replaced by E ₀ in the formula given above. Using the two quantities K (z _m ) and K ₀ (z _m ), the Gershun equation can be transformed into:

Hierbei ist mit µ der mittlere Cosinus des Lichtfeldes be zeichnet, der durch das Verhältnis E/E₀ definiert ist, und mit λ die Wellenlänge.The mean cosine of the light field, which is defined by the ratio E / E ₀ , is denoted by μ, and the wavelength by λ.

Werden Lichtmeßköpfe mit einer speziell ausgelegten Winkel empfindlichkeit verwendet, die eine Mischung zwischen cos- und 2π-Empfangscharakteristik darstellt, sind zur gleichzei tigen Bestimmung der Größen E und E₀ auf beiden Meßebenen je weils nur zwei Meßköpfe nötig. Statt bisher sechs Meßköpfe zu benötigen, reichen nunmehr vier Meßköpfe aus. Eine weitere Vereinfachung ergibt sich, wenn nur eine Meßebene verwendet wird und die Größen E und E₀ nacheinander in verschiedenen Stufen gemessen werden. Zur Korrektur von Variationen in der einfallenden Lichtintensität ist deren Spektrum dann mit ei nem Überwasser-Meßkopf zeitgleich mit den Messungen unter Wasser zu erfassen. Bei dieser einfachsten Ausführung der Meßanordnung werden nur noch drei Meßköpfe benötigt.If light measuring heads with a specially designed angular sensitivity are used, which represents a mixture between cos and 2π reception characteristics, only two measuring heads are required for the simultaneous determination of the sizes E and E ₀ on both measuring levels. Instead of previously requiring six measuring heads, four measuring heads are now sufficient. A further simplification results if only one measuring plane is used and the quantities E and E ₀ are measured in succession in different stages. In order to correct variations in the incident light intensity, its spectrum must then be recorded with an above-water measuring head at the same time as the measurements under water. In this simplest version of the measuring arrangement, only three measuring heads are required.

Claims

1. A method for measuring light fields by means of a spectral radiometer, characterized in that for the correction of thermally generated signal components of a photosensor of the spectral radiometer
Before and after a light measurement or before and after a dark measurement, a dark image or a light image is carried out at equidistant intervals, and
the mean value of the two dark images or the two light images is subtracted from the light measurement or dark measurement.

2. Method for measuring light fields by means of a Mehr beam spectroradiometer, in which by means of light measurement directions (measuring heads) light signals recorded by Spacers separated from each other, along the height of a Spectral spectrometer arranged light guide who transmit map the and into the focal plane of the spectroradiometer te, spectral stripes by using the spacers dark areas generated between the light guides from each other are separated, can be detected in a CCD sensor characterized in that for the correction of optical crosstalk a signal ver. between measuring beams and diffuse scattered light run in neighboring dark areas of a spectral stripe (Measuring channel) is averaged and for determining a spectral is used in the course of signal patterns to be subtracted, a definition of the amplitude of the signal pattern in Wel Intervals of the spectral stripes in which only crosstalk and scatter signals, but not from outside coupled light can be detected.

3. The method according to claim 2, characterized in that at Similar waveforms with different light measurements directions recorded light signals to correct the Crosstalk the dark areas at the top and bottom as well as in the middle of a CCD sensor.

4. The method according to claim 2, in which a reference standard is used for radiometric calibrating a multi-beam spectrometer with a number of light measuring devices, characterized in that the ratio of reference spectra R _k / R _N , namely a spectrum R _k at the actual Calibration and a spectrum R _N during a recalibration, which is included in a correction, is strongly smoothed out to suppress additional noise.

5. The method according to claim 4, characterized in that for simultaneous recording of the signals from all lights measuring devices whose different signal strengths optical attenuation elements between the respective Light measuring devices and the reference standard are provided are adapted to each other.

6. The method according to claim 2, characterized in that for simultaneous measurement of light fields in water above and the signals from the above-water light measuring devices under water by means of variable inserted into an optical fiber section Attenuators to control the underwater Light measuring devices are adapted.

7. The method according to claim 6, characterized in that egg ne calibration of attenuated spectra by measuring the transmis sion characteristics of the attenuators is made.

8. The method according to claim 6, characterized in that for Standardization of damped spectra an additional light measuring device is used with its own detection unit, with which in a narrow wavelength interval incident light intensity is recorded.

9. The method according to claim 8, characterized in that the Signal from the additional detection unit for automati regulation of the attenuators is used.

10. The method according to claim 2, characterized in that for automatically setting an exposure time in one predetermined measuring depth during a recording a time in tegrated signal of an additional, up to the water surface-looking measuring device with its own detection unit is used.

11. A method for determining the absorption coefficient of a light field using spectral radiometers, characterized in that a net irradiance (E (z ₀ ), E (z _u )) and a scalar irradiance (E ₀ (z ₀ ), E ₀ (z _u )) are determined simultaneously in two planes (an upper measuring plane z ₀ and a lower measuring plane z _u ),
the attenuation coefficient K of the net irradiance is calculated from the two values E (z ₀ ) and E (z _u )
K (z _m ) = Δz ^-1 .ln [E (z ₀ ) / E (z _u )]
z _m denotes the center between the two measurement planes (z ₀ and z _u ) and Δz the distance between the two measurement planes,
the attenuation coefficient K _{0 of} the irradiance is calculated from the two values E ₀ (z ₀ ) and E ₀ (z _u ) by replacing the values E with the values E ₀ in the formula for calculating K and the transformed Gershun -Equation
is solved
where a denotes the absorption coefficient, λ the wavelength and µ the mean cosine of the light field, which is defined by the ratio E / E ₀ .

12. The method according to claim 11, characterized in that the net irradiance and the scalar irradiance ke with two light measuring devices with a specially designed, a mixture of cos and 2π-receiving characteristics showing angular sensitivity in two planes (z ₀ , z _u ) in succession be determined and the correction of fluctuations in the incident light intensity of the temporal surface of the global radiation is detected with an additional light measuring device.