-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Kalibrierung eines Thermalsensors zur Fernerkundung einer Planetenoberfläche.
-
Bei der Fernerkundung von Planetenoberflächen, insbesondere der Erdoberfläche, werden Thermalsensoren eingesetzt, die typischerweise an Flugkörpern wie Flugzeugen, Raketen, Ballons oder Satelliten angeordnet werden und zu einem gegebenen Zeitpunkt meist nur einen kleinen Bereich der Planetenoberfläche erfassen. Dabei empfangen Sie von dem erfassten Bereich der Oberfläche Strahlung und erzeugen entsprechend ihrer Strahlungsempfindlichkeit Sensordaten, die ausgewertet werden können, um Informationen über den erfassten Bereich zu erhalten.
-
Unter einem Thermalsensor wird ein Sensor zur Messung von thermischen Messgrößen verstanden, insbesondere von Temperatur, von ortsabhängigen (ein- oder mehrdimensionalen) Temperaturprofilen (primäre Messgrößen) und von Messgrößen, die durch die Temperatur oder das Temperaturprofil bestimmbar sind (sekundäre Messgrößen). Zu diesen Messgrößen gehören insbesondere Strahlungseigenschaften von Fernerkundungsobjekten. Das Ergebnis einer Auswertung der Sensordaten eines Thermalsensors kann jedoch zum Beispiel auch die Erkenntnis sein, dass ein bestimmtes Fernerkundungsobjekt von dem Thermalsensor erfasst wurde, wobei das Objekt einem erfassten Temperaturprofil entspricht. Allgemeiner formuliert kann daher durch Auswertung einer oder mehrerer primärer Messgrößen zumindest eine sekundäre Messgröße ermittelt werden, zum Beispiel die thermische Kapazität. Thermalsensoren können bildgebend (abbildend), wie auch nicht-bildgebend (nicht-abbildend) sein. Nicht-bildgebende Sensoren sind z. B. Radiometer und Spektrometer. Spektrometer ermöglichen z. B. Auswahl und Abtrennung eines bestimmten infraroten Wellenlängenbereichs. Bildgebende Thermalsensoren erzeugen Bilddaten typischerweise als Teil eines die Planetenoberfläche scannenden Systems, das an einem Flugobjekt, zum Beispiel einem Flugzeug angeordnet ist. Bildgebende Thermalsensoren liefern zum Beispiel Werte der in einem erfassten Raumwinkelbereich über einen Spektralbereich integrierten empfangenen Strahlung, wobei die Werte als Grauwerte einer Grauwertskala darstellbar sind. Resultierende Bilder sind daher als Grauwertbilder darstellbar. Die Grauwerte können jedoch auch durch Farben kodiert dargestellt werden, so dass zum Beispiel jede Farbe einem Temperaturbereich entspricht.
-
Allgemein formuliert ist das Ziel der Kalibrierung von Sensoren die Feststellung einer Abweichung von einem Kalibriernormal oder die Reduzierung oder Eliminierung der Abweichung. Bekannt ist die Kalibrierung von Thermalsensoren für die Fernerkundung unter Laborbedingungen. Der Vorteil besteht darin, dass in einem Labor definierte und reproduzierbare Bedingungen für die Kalibrierung geschaffen werden können und störende Effekte reduziert oder eliminiert werden können. Nach der Kalibrierung werden die Thermalsensoren üblicherweise an Flugobjekten angeordnet und die Kalibrierung kann dort in eingeschränktem Umfang wiederholt werden. Dies wird auch als In-Orbit- oder In-Situ-Kalibrierung bezeichnet.
-
Auch ist es möglich, große und hinsichtlich ihrer Strahlungseigenschaften homogene Bereiche (wie Wüsten oder Salzseen) mit dem Thermalsensor zu erfassen und zum Beispiel unter Verwendung von Informationen über die momentane Temperatur des erfassten Bereichs die Kalibrierung zu wiederholen. Durch die Größe des erfassten Bereichs können vorhandene Schwankungen durch zusätzliche (zum Beispiel atmosphärische) Einflüsse ausgeglichen werden und eine größere Datenbasis für die Auswertung geschaffen werden. Tatsächlich schwanken die Strahlungseigenschaften jedoch auch in größeren annähernd homogenen Bereichen und ist die Temperatur größerer Bereiche ebenfalls Schwankungen unterworfen.
-
Ferner ist es möglich, mit verschiedenen Thermalsensoren dieselben Bereiche an der Planetenoberfläche zu erfassen und die Thermalsensoren aufeinander bezogen zu Kalibrieren. Sind jedoch die Kalibrierparameter beider Thermalsensoren nicht korrekt, kann auch durch eine solche Kreuzkalibrierung nur ein Fehlern unterworfenes Kalibrierergebnis erzielt werden. Auch ist es praktisch unmöglich, mit zwei Thermalsensoren zeitgleich denselben Bereich bei gleichen Erfassungsbedingungen zu erfassen.
-
Gemäß einem wesentlichen Gedanken der vorliegenden Erfindung, wird der Thermalsensor in-situ, d.h. unter realen Bedingungen der Fernerkundung kalibriert. Insbesondere ist der Thermalsensor während der Erzeugung von Sensordaten zum Zwecke der Kalibrierung an einem Flugkörper (wie zum Beispiel einem Flugzeug oder einem Satelliten) angeordnet und sein Erfassungsbereich auf die Planetenoberfläche gerichtet. Während einer Fernerkundung, die zum Zweck der Kalibrierung des Thermalsensors ausgeführt wird, erzeugt der Thermalsensor Sensordaten, die der von dem beobachteten Bereich der Planetenoberfläche zu dem Thermalsensor übertragenen Strahlung entsprechen.
-
Gemäß einem weiteren Gedanken der vorliegenden Erfindung wird zur Kalibrierung eines Thermalsensors eine Mehrzahl von Kalibrierungskörpern verwendet, die insbesondere derart angeordnet ist/wird, dass ein an einem Flugkörper angeordneter Thermalsensor die verschiedenen Kalibrierungskörper erfassen kann, d.h. entsprechende Strahlung (insbesondere elektromagnetische Strahlung) von den Kalibrierungskörpern empfangen kann. Insbesondere ist/wird die Mehrzahl von Kalibrierungskörpern derart angeordnet, dass die einzelnen Kalibrierungskörper gleichzeitig von dem Thermalsensor erfasst werden können. Die Anordnung der Kalibrierungskörper wird auch als Kalibrierungsfeld bezeichnet. Dabei können die Kalibrierungskörper regulär angeordnet sein, insbesondere – betrachtet in einer Draufsicht – in Reihen und Spalten angeordnet sein, entsprechend einer Matrix.
-
Zum Beispiel befindet sich die Mehrzahl von Kalibrierungskörpern innerhalb eines möglichen Erfassungsbereichs an der Planetenoberfläche, der insgesamt die Abmessungen von typischen Objekten hat, die durch Auswertung der Sensordaten von Thermalsensoren identifizierbar sind. Beispiele für solche typischen Objekte sind Fahrzeuge (zum Beispiel Landmaschinen, Lastkraftwagen, Wasserfahrzeuge), Maschinen, Grundstücke (zum Beispiel Gärten oder bebaute Grundstücke), Häuser. Die Größe des Erfassungsbereichs, der durch den Außenumriss definiert wird, welcher alle Kalibrierungskörper des Kalibrierungsfeldes einhüllt, sodass zwischen dem Außenumriss und außen liegenden Kalibrierungskörpern des Kalibrierungsfeldes kein Abstand besteht, hat beispielsweise eine Länge und/oder Breite von 5 bis 100 m, insbesondere 10 bis 20 m.
-
Ein wesentlicher Vorteil eines Kalibrierungsfeldes mit einer Mehrzahl von Kalibrierungskörpern, deren Temperatur individuell, d.h. für jeden der Kalibrierungskörper auf verschiedene Werte, einstellbar ist, besteht darin, dass das ortsabhängige Temperaturprofil von realen Körpern oder Anordnungen an der Planetenoberfläche simulierbar ist. Der Zweck der Kalibrierung kann daher insbesondere darin bestehen, dass die Erkennung eines vorgegebenen Typs von Objekten verbessert wird. Insbesondere kann ein Rechenmodell, das den Objekttyp beschreibt, durch die Kalibrierung angepasst werden. Alternativ oder zusätzlich wird durch die Kalibrierung zumindest ein Kalibrierparameter des Thermalsensors derart bestimmt, dass eine von dem Kalibrierparameter abhängige, dem jeweiligen Kalibrierungskörper zugeordnete Temperatur als Ergebnis der Fernerkundung mit der vorgegebenen Temperatur des Kalibrierungskörpers übereinstimmt.
-
Zum Beispiel können nacheinander oder gleichzeitig von den Kalibrierungskörpern verschiedene Temperaturprofile eines vorgegebenen Typs von Objekten simuliert werden. Der Thermalsensor erfasst die verschiedenen simulierten Objekte und liefert auf diese Weise Sensordaten für die Kalibrierung. In der folgenden Auswertung der Sensordaten vom Zwecke der Kalibrierung werden die Sensordaten für die verschiedenen Temperaturprofile ausgewertet und die Ergebnisse der Auswertung für die Kalibrierung verwendet. Zum Beispiel kann ein Rechenmodell und/oder kann zumindest ein Kalibrierparameter bei der Kalibrierung durch Ausführung eines Optimierungs-Algorithmus bestimmt werden, das/der/die gemäß einem vorgegebenen Optimierungs-Kriteriums des Optimierungs-Algorithmus genügt, wobei alle von dem Thermalsensor erfassten simulierten Objekte berücksichtigt werden.
-
Jeder der Kalibrierungskörper kann auf eine vorgegebene Temperatur, insbesondere eine vorgegebene Temperatur aus einem Temperaturbereich von möglichen vorgegebenen Temperaturen, eingestellt werden. Sinnvoller Weise enthält der Temperaturbereich Temperaturwerte, die reale Objekte auf der Planetenoberfläche aufweisen können. Zum Beispiel kann der Temperaturbereich Temperaturwerte von –10 bis 0 Grad Celsius, 0 bis 10 Grad Celsius, 10 bis 20 Grad Celsius, 20 bis 30 Grad Celsius und/oder darüber aufweisen. Der einstellbare Temperaturbereich kann auch von der momentanen Umgebungstemperatur des Kalibrierungsfeldes abhängen.
-
Insbesondere weist jeder der Kalibrierungskörper eine Heizeinrichtung zum Erhöhen der Temperatur des Kalibrierungskörpers und/oder eine Kühleinrichtung zum Erniedrigen der Temperatur des Kalibrierungskörpers auf. In diesem Fall wird daher unter einem Kalibrierungskörper insbesondere eine Anordnung verstanden, die zumindest eine von dem Thermalsensor erfassbare Oberfläche und außerdem die Heizeinrichtung und/oder die Kühleinrichtung aufweist. Mittels der Heizeinrichtung und/oder der Kühleinrichtung kann der Kalibrierungskörper auf die vorgegebene Temperatur gebracht werden.
-
Zum Beispiel kann die Heizeinrichtung und/oder Kühleinrichtung in den Kalibrierungskörper integriert sein. Zweckmäßigerweise werden elektrisch betriebene Einrichtungen zum Heizen und/oder Kühlen der Kalibrierungskörper verwendet, z. B. mit Widerstands-Heizelementen und/oder Peltier-Elementen (englisch: thermo-electric cooler). Unter einer Integration der Heiz Einrichtung und/oder Kühleinrichtung in den Kalibrierungskörper wird insbesondere verstanden, dass ein Wärme abgebender bzw. Wärme aufnehmender Bereich der Einrichtung über Materialkontakt direkt (d.h. über ein und dasselbe Material) oder indirekt (d.h. über verschiedene Materialien) mit einer Oberfläche des Kalibrierungskörpers verbunden ist, die von dem Thermalsensor durch Fernerkundung erfassbar ist. Alternativ oder zusätzlich ist jedoch der Wärmeübertragung zwischen dem Oberflächenmaterial des Kalibrierungskörpers einerseits und der Einrichtung andererseits durch Strahlung möglich.
-
Insbesondere ist/sind die Heizeinrichtung und/oder Kühleinrichtung mit einer Steuerung verbunden, die Einstellung der vorgegebenen Temperatur steuert. Unter Verwendung eines mit dem Kalibrierungskörper gekoppelten Thermometers kann eine Regelung der Temperatur auf den vorgegebenen Temperaturwert realisiert werden/sein. Vorzugsweise ist eine gemeinsame Steuerung für alle Kalibrierungskörper vorhanden, d.h. die Steuerung steuert die Einstellung der jeweils vorgegebenen Temperatur für jeden Kalibrierungskörper des Kalibrierungsfeldes.
-
Die Steuerung oder Steuerungen weist/weisen insbesondere einen Eingang zum empfangen von Steuerbefehlen auf, so dass die Steuerung mittels Steuerbefehlen betrieben werden kann. Insbesondere sind Steuerbefehle über Kabel, Funk- oder andere Übertragungswege übermittelte (insbesondere digitale) Handlungsanweisungen, die die Konfiguration der von dem Thermalsensor erfassbaren Oberflächen (auch als „Kalibrierungsflächen“ bezeichnet) in ihrer Konfiguration, Größe und thermalen Charakteristik (d.h. das örtliche Temperaturprofil) vorgeben. Die Steuerung ist ausgestaltet, die Steuerbefehle entsprechend umzusetzen.
-
Ferner kann zumindest eine Kontrolleinheit vorgesehen sein, die ausgestaltet ist, einen Zustand (Status) des Kalibrierungsfeldes oder zumindest eines Kalibrierungskörpers zu ermitteln und optional zur weiteren Verwendung auszugeben, insbesondere an eine zentrale Einheit, die die Steuerbefehle erzeugt oder zu der Steuerung oder den Steuerungen überträgt. Die Kontrolleinheit ist dem Kalibrierungskörper oder den Kalibrierungskörpern entsprechend gekoppelt. Insbesondere kann die zumindest eine Kontrolleinheit ausgestaltet sein, die Temperatur oder das Temperaturprofil einzelner Kalibrierungskörper, mehrerer Kalibrierungskörper oder des Kalibrierungsfeldes zu ermitteln. Alternativ oder zusätzlich kann die Kontrolleinheit ausgestaltet sein, die Anzahl und/oder geometrische Anordnung der Mehrzahl von Kalibrierungskörpern zu ermitteln. Erfasst die Kontrolleinheit das Temperaturprofil mehrerer Kalibrierungskörper und erfasst oder kennt die Kontrolleinheit die geometrische Anordnung der mehreren Kalibrierungskörper, kann sie auch das ortsabhängige Gesamt- Temperaturprofil der mehreren Kalibrierungskörper ermitteln. Je nach Ausgestaltung der Kontrolleinheit kann die zentrale Einheit daher mit allen wesentlichen Informationen über den Zustand des Kalibrierungsfeldes versorgt werden. Insbesondere kann die zentrale Einheit von dem Kalibrierungsfeld entfernt angeordnet sein, so dass das Kalibrierungsfeld zum Beispiel abseits von menschlichen Wohnsiedlungen oder Gewerbe-Ansiedlungen angeordnet sein kann (so dass die Kalibrierung verfälschende thermische Einflüsse reduziert werden können). Andererseits kann die zentrale Einheit zum Beispiel in einer technischen oder wissenschaftlichen Leitstelle angeordnet sein.
-
Insbesondere können alle Kalibrierungskörper eines Kalibrierungsfeldes in gleicher Weise konstruiert und ausgeführt sein. Zum Beispiel ist daher die Wärmekapazität aller Kalibrierungskörper gleich groß und die Heizeinrichtung und/oder Kühleinrichtung gleich leistungsfähig und in gleicher Weise an den Kalibrierungskörper bzw. den nicht zu der Einrichtung gehörenden Teil des Kalibrierungskörpers angekoppelt.
-
In besonderer Ausgestaltung kann zumindest einer der Kalibrierungskörper einen mit Flüssigkeit (zum Beispiel Wasser oder Wasser mit Zusätzen, etwa Frostschutzmittel) gefüllten (vorzugsweise, aber nicht zwingend vollständig gefüllten) Behälter aufweisen, um die Wärmekapazität zu erhöhen und somit Temperaturschwankungen zu reduzieren. Insbesondere wird folgendes vorgeschlagen: Ein Verfahren zur Kalibrierung eines Thermalsensors zur Fernerkundung einer Planetenoberfläche, wobei der Thermalsensor während einer Fernerkundung eines Kalibrierungsfeldes an der Planetenoberfläche Sensordaten für die Kalibrierung erzeugt, wobei das Kalibrierungsfeld eine Mehrzahl von Kalibrierungskörpern aufweist, die jeweils auf eine vorgegebene Temperatur eingestellt werden, und wobei die vorgegebene Temperatur bei der Auswertung der von dem Thermalsensor erzeugten Sensordaten zum Zwecke der Kalibrierung des Thermalsensors berücksichtigt wird.
-
Außerdem wird eine Anordnung zur Kalibrierung eines Thermalsensors zur Fernerkundung einer Planetenoberfläche vorgeschlagen, wobei die Anordnung ein an der Planetenoberfläche angeordnetes oder anordenbares Kalibrierungsfeld aufweist und wobei das Kalibrierungsfeld eine Mehrzahl von Kalibrierungskörpern aufweist, die jeweils mittels einer Temperatur-Einstellvorrichtung auf eine vorgegebene Temperatur einstellbar sind.
-
Die Einstellvorrichtung kann insbesondere die zuvor erwähnte Steuerung und die Heizeinrichtung und/oder Kühleinrichtung aufweisen.
-
Insbesondere kann die Anordnung eine Auswertungseinrichtung zur Auswertung von Sensordaten aufweisen, die der Thermalsensor während einer Fernerkundung des Kalibrierungsfeldes erzeugt hat, wobei die Auswertungseinrichtung mit der Einstellvorrichtung verbunden ist oder diese aufweist und wobei die Anordnung ausgestaltet ist, die von der Einstellvorrichtung eingestellten Temperaturwerte der Kalibrierungskörper der Auswertungseinrichtung zum Zwecke der Kalibrierung des Thermalsensors zur Verfügung zu stellen.
-
Weitere mögliche Bestandteile der Anordnung sind der Thermalsensor (der insbesondere an einem Flugkörper angeordnet ist), die Kontrolleinheit und/oder die zentrale Einheit.
-
Die Anordnung, die auch als System bezeichnet werden kann, dient insbesondere der Kalibration von Thermalsensoren unter definierten Bedingungen, so dass den komplexen Aufnahmebedingungen der Erd- und Fernerkundung Rechnung getragen werden kann. Die Erfindung umfasst insbesondere eine Apparatur zur interaktiven (optional automatischen) Einstellung einer Temperatur (auch Referenztemperatur genannt) in einzelnen Kalibrierungskörpern, die Elemente eines Kalibrierungsfeldes sind. Damit kann die Temperatur für die In-Situ-Kalibration thermaler Fernerkundungssensoren und -daten unter definierten Bedingungen und in unterschiedlichen Konfigurationen (insbesondere unterschiedlichen ortsabhängigen Temperaturprofilen) durchgeführt werden.
-
Unter „unterschiedlich“ wird (nicht nur in Bezug auf die Konfiguration) insbesondere „individuell für die jeweilige Kalibrierung“ verstanden. „Unterschiedlich“ ist daher ein Synonym für die Variabilität der Konfiguration bzw. Eigenschaft. Es kann nicht nur einmalig eingestellt werden, sondern wiederholt. Es steht daher ein Wertebereich von Konfigurationen und/oder einstellbaren Werten zur Verfügung. Insbesondere kann das System eine beliebige Kombination der folgenden Module aufweisen:
- 1. Konfigurator (insbesondere Teil einer so genannten zentralen Einheit) zur Erstellung einer Konfiguration des Systems. Insbesondere kann der Konfigurator durch ein Computerprogramm mit einem Programmschema gesteuert werden, das die Konfiguration des Kalibrierungsfeldes vorgibt und dabei optional auch die zu validierenden Eigenschaften (zum Beispiel die kleinste messbare Höhendifferenz von Objekten der Fernerkundung oder bestimmte zu erfassende Objekte wie Maschinen) berücksichtigt
- 2. Schnittstelle (insbesondere Daten-Übertragungsnetz-Schnittstelle) zur Kommunikation mit einer zentralen Einheit,
- 3. zentrale Einheit zur Kontrolle des Zustandes des Kalibrierungsfeldes sowie zum Ausgeben von Steuerbefehlen,
- 4. Übertragungseinrichtung zu den Kalibrierungskörpern
- 5. Energieversorgung bzw. Energieanschluss,
- 6. Kontrolleinheit zur Überwachung der Ausführung der Steuerbefehle, insbesondere zur Einstellung eines geänderten ortsabhängigen Temperaturprofils, dass durch die Mehrzahl von Kalibrierungskörpern gebildet wird
- 7. Messeinrichtung(en) zur Bestimmung der Temperatur oder Temperaturverteilungen der einzelnen Kalibrierungskörper und des Kalibrierungsfeldes
- 8. Thermal-Fernerkundungssensor
-
Die Anordnung und das Verfahren dienen insbesondere der automatischen Kalibrierung / Validierung der geometrischen und thermalen Auflösung von thermalen Fernerkundungssensoren, sodass eine anschließende quantitative Auswertung ermöglicht wird. Dabei sind die Anordnung sowie das Verfahren vorzugsweise so ausgelegt, dass sie dynamisch auf verschiedene Kalibrierungssituationen (z.B. Ort und Lage des Sensors) eingestellt und somit an verschiedene Sensoren angepasst werden können. Die Anpassung an das jeweilige Fernerkundungssystem wird erreicht, indem die räumliche Ausdehnung und/oder das örtliche Temperaturprofil (insbesondere die maximale Temperaturspreizung innerhalb des Temperaturprofils) des Kalibrierungsfeldes verändert wird. Zur Einstellung der räumlichen Ausdehnung können insbesondere am Rande des Kalibrierungsfeldes angeordnete Kalibrierungskörper abgeschaltet werden (d.h. sie weisen insbesondere Umgebungstemperatur auf) oder zur Erzeugung des von dem Thermalsensor erfassbaren ortsabhängigen Temperaturprofils genutzt werden.
-
Wie erwähnt, kann zumindest einer der Kalibrierungskörper mit einem mit Flüssigkeit gefüllten Flüssigkeitsbehälter kombiniert werden oder kombiniert sein, so dass eine Oberfläche des Kalibrierungskörpers, die von dem Thermalsensor erfassbar ist, in thermischem Kontakt mit der Flüssigkeit ist. Insbesondere kann die Oberfläche des Kalibrierungskörpers, die von dem Thermalsensor erfassbar ist, durch einen Festkörper (zum Beispiel der oben erwähnten Kachel) gebildet sein, der an seiner Unterseite mit der Flüssigkeit oder dem Flüssigkeitsbehälter in Kontakt ist.
-
Eine von dem Thermalsensor erfassbare Oberfläche zumindest eines (und vorzugsweise aller) Kalibrierungskörpers ist insbesondere eine obere Oberfläche des Kalibrierungskörpers oder zumindest eine von oben (bezogen auf das Gravitationsfeld des Planeten) sichtbare Oberfläche.
-
Insbesondere kann eine Oberfläche zumindest eines (und vorzugsweise aller) der Kalibrierungskörper, die von dem Thermalsensor erfassbar ist, in mehrere Segmente aufgeteilt sein/werden, deren Temperaturen auf unterschiedliche Temperaturwerte eingestellt werden, so dass ein vorgegebenes Temperaturprofil erzeugt wird. Die verschiedenen Segmente desselben Kalibrierungskörpers sind zum Beispiel durch einen Luftspalt oder durch ein wärmeisolierendes Material voneinander getrennt. Unter einem wärmeisolierenden Material wird insbesondere ein Material verstanden, das einen geringeren (zum Beispiel um zumindest einen Faktor zehn geringeren) Wärmeleitungskoeffizienten aufweist als das Material, welches die von dem Thermalsensor erfassbare Oberfläche des Segments bildet.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
-
1 schematisch eine Ansicht mit einem Kalibrierungsfeld und einem Fernerkundungssensor,
-
2 ein Ausführungsbeispiel für einen Kalibrierungskörper mit einem Flüssigkeitsbehälter,
-
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kalibrierungskörpers ohne Flüssigkeitsbehälter,
-
4 schematisch eine Draufsicht auf ein Kalibrierungsfeld mit einer Vielzahl von Kalibrierungskörpern,
-
5 schematisch eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform eines Kalibrierungsfeldes, wobei die einzelnen Kalibrierungskörper jeweils eine Mehrzahl von Segmenten aufweisen, die die Oberfläche des Kalibrierungskörpers bilden und auf unterschiedliche Temperaturen eingestellt werden können,
-
6 die Oberfläche eines der Kalibrierungskörper aus 5, wobei insgesamt 24 Segmente erkennbar sind, die gemeinsam eine quadratische Oberfläche des Kalibrierungskörpers bilden,
-
7 das Kalibrierungsfeld aus 5, wobei sich das Kalibrierungsfeld in einem vorgegebenen Betriebszustand befindet, in dem eine Vielzahl von Segmenten der Kalibrierungskörper, die eine durchgehende Oberfläche ohne Inseln bilden, das zweidimensionale ortsabhängige Temperaturprofil eines Gegenstandes, zum Beispiel eines Lastkraftwagens, simulieren, und
-
8 das Kalibrierungsfeld aus 5, wobei sich das Kalibrierungsfeld in einem anderen vorgegebenen Betriebszustand als in 7 befindet, wobei eine Vielzahl von Segmenten der Kalibrierungskörper, die eine durchgehende Oberfläche ohne Inseln bilden, das zweidimensionale ortsabhängige Temperaturprofil eines Gegenstandes, zum Beispiel eines kreisrunden oder kugelförmigen Gegenstandes, simulieren.
-
Gemäß 1 ist eine zentrale Einheit 1 Signal technisch (zum Beispiel über eine Datenübertragungsverbindung) mit einer Steuereinheit 2 verbunden. Die Steuereinheit 2 ist wiederum über eine oder mehrere Steuerleitungen mit Kalibrierungskörpern eines Kalibrierungsfeldes 4 verbunden, das eine Mehrzahl von Kalibrierungskörpern aufweist. Die gestrichelte Linie in 1 symbolisiert die Umriss-Linie des Kalibrierungsfeldes 4.
-
Um den aktuellen Zustand (insbesondere das von der Gesamtheit der Kalibrierungskörper erzeugte Temperaturprofil, welches von einem Thermalsensor 6 erfassbar ist) zu erfassen und der zentralen Einheit 1 übermitteln zu können, ist mit dem Kalibrierungsfeld 4 eine Kontrolleinheit 3 kombiniert, die signaltechnisch (zum Beispiel wiederum über eine Datenübertragungsverbindung) mit der zentralen Einheit 1 verbunden ist.
-
Das Kalibrierungsfeld weist insbesondere eine Fläche auf, die durch eine Anzahl ausgelegter und miteinander vernetzter Kalibrierungskörper gebildet wird. Insbesondere sind die Kalibrierungskörper mit Heizeinrichtungen kombiniert. Z. B. können die Kalibrierungskörper jeweils ein System von Heizeinrichtungen oder eine einzelne Heizeinrichtung, optional ein Wärmeausgleichssystem (zum Beispiel in Form eines mit Flüssigkeit gefüllten Behälters) und einer für den Thermalsensor erfassbaren Deckschicht (zum Beispiel in Form einer Kachel) aufweisen.
-
Die Kontrolleinheit 3 dient insbesondere der Kontrolle einer Solltemperatur bzw. eines Solltemperatur-Bereichs, die die von dem Thermalsensor erfassbare Oberfläche aufweisen soll bzw. in der die Temperatur der Oberfläche liegen soll. Zum Beispiel kann es sich bei der Kontrolleinheit 3 um die Kombination einer Messeinrichtung zur Temperaturerfassung und einer Vergleichseinheit zum Soll-Ist-Vergleich handeln.
-
Die Steuereinheit 2 ist eine Einrichtung zum Einstellen der Solltemperatur auf eine von der zentralen Einheit 1 vorgegebene Temperatur oder auf eine Temperatur innerhalb eines Solltemperatur-Bereichs. Die zentrale Einheit 1 ist insbesondere ausgestaltet, zweidimensionale örtliche Temperaturprofile entsprechend realen oder fiktiven Objekten an der Planetenoberfläche vorzugeben und durch entsprechende Steuerbefehle die Steuereinheit 2 über die Datenübertragungsverbindung anzuweisen, durch das Kalibrierungsfeld ein den Vorgaben entsprechendes Temperaturprofil an der durch den Thermalsensor erfassbaren Oberfläche zu erzeugen.
-
2 zeigt einen Kalibrierungskörper 21 mit einem Flüssigkeitsbehälter 23. Im Ausführungsbeispiel ist der Kalibrierungskörper monolithisch ausgebildet und weist eine (zum Beispiel regelmäßige) sechseckige Grundfläche auf. Der horizontale Querschnitt des Kalibrierungskörpers 21 ist daher über dessen gesamte Höhe gleich. Monolithische Kalibrierungskörper können jedoch auch anders geformte Grundflächen aufweisen. Insbesondere bei monolithischen Kalibrierungskörpern, aber auch bei anders geformten Kalibrierungskörpern, kann die in 2 obenliegende Oberfläche des Körpers durch eine Kachel 24 gebildet sein, d.h. durch einen einstückigen, plattenförmigen Bereich, zum Beispiel aus Metall oder Keramik. Das Material der Kachel 24 oder einer anderen Kachel, oder eine zusätzliche Oberflächenschicht der Kachel, wird entsprechend der gewünschten Strahlung-Emissionseigenschaften gewählt. Auch das Material kann zu der gewünschten Simulation eines realen oder hypothetischen Körpers beitragen.
-
Im Ausführungsbeispiel der 2 ist der Flüssigkeitsbehälter 23 mit einer Flüssigkeit gefüllt, zum Beispiel mit Wasser, welches mit einem Frostschutzmittel gemischt sein kann. Ein solches System ist geeignet, um je nach eingefüllter Flüssigkeit über die Oberfläche des Kalibrierungskörpers oder mehrerer Kalibrierungskörper (insbesondere auch über sämtliche Oberflächen aller Kalibrierungskörper eines Kalibrierungsfeldes) gleichmäßig hohe Temperaturen zu erzeugen.
-
Bei Kalibrierungskörpern mit Flüssigkeitsbehältern kann sich die Heizeinrichtung insbesondere in der Flüssigkeit befinden.
-
In 3 ist in Explosionsdarstellung ein Kalibrierungskörper 31 ohne Flüssigkeitsbehälter dargestellt. Bei dem oberen dargestellten Teil 34 kann es sich wiederum um die Kachel oder um einen sonstigen Körper handeln, der die für den Thermalsensor erfassbare Oberfläche bildet. Bei dem unteren dargestellten Teil 35 handelt es sich um die Heizeinrichtung 35. Insbesondere kann diese ausgestaltet sein, über die Oberfläche des Kalibrierungskörpers 31 ein nicht homogenes Temperaturprofil zu erzeugen. Im Gebrauch des Kalibrierungskörpers 31 sind der obere Teil 34 und die Heizeinrichtung 35 miteinander verbunden, so dass sie zum Beispiel wiederum einen monolithischen Körper bilden.
-
Der Teil 34 kann jedoch auch entfallen, wenn die für den Thermalsensor erfassbare Oberfläche von der Heizeinrichtung 35 selbst gebildet wird. Auch der wiederum sechseckige horizontale Querschnitt des Kalibrierungskörpers 31 ist lediglich eines von mehreren möglichen Beispielen. Zum Beispiel kann der Querschnitt viereckig sein.
-
Die 4 und 5 zeigen schematisch von einer Mehrzahl von Kalibrierungskörpern gebildete Kalibrierungsfelder mit rechteckiger Umrisslinie. Im Fall der 4 ist die Umrisslinie mit dem Bezugszeichen 44 bezeichnet. Das Kalibrierungsfeld 40 weist eine Vielzahl von Kalibrierungskörpern 41 auf, wobei in der Figur jeweils die oberen, von einem Thermalsensor erfassbaren Oberflächen der Kalibrierungskörper dargestellt sind. Im Ausführungsbeispiel sind die Kalibrierungskörper 41 achteckig und können ansonsten monolithisch gestaltet sein, wie in 2 oder 3 dargestellt und oben beschrieben.
-
In dem speziellen Ausführungsbeispiel der 4 sind die Kalibrierungskörper 41 in der Draufsicht in zehn Reihen und sechzehn Spalten angeordnet. Andere Kalibrierungsfelder können jedoch eine andere Anzahl von Reihen/oder Spalten aufweisen.
-
Wenn jeder der Kalibrierungskörper 41 mit jeweils einer Heizeinrichtung und/oder einer Kühleinrichtung gekoppelt ist, können die Oberflächentemperaturen der einzelnen Kalibrierungskörper 41 auf unterschiedliche Temperaturwerte eingestellt werden. Optional kann zumindest für einen der Kalibrierungskörper 41 ein nicht homogenes Temperaturprofil an der für den Thermalsensor sichtbaren Oberfläche eingestellt werden. In der als Beispiel aufzufassenden Darstellung der 4 sind die Oberflächentemperaturen von jeweils zwei benachbarten Zeilen von Kalibrierungskörpern 41 auf dieselben Temperaturwerte eingestellt, so dass insgesamt fünf Temperaturzonen konstanter Temperatur gebildet sind. Es ist jedoch auch möglich, die Oberflächentemperatur jedes einzelnen Kalibrierungskörpers auf einen individuellen Wert einzustellen, der sich von den Temperaturwerten aller anderen Kalibrierungskörper 41 unterscheiden kann.
-
Wie erwähnt können auch die einzelnen Kalibrierungskörper eines Kalibrierungsfeldes an ihrer für den Thermalsensor sichtbaren Oberfläche auf ein nicht homogenes Temperaturprofil eingestellt werden. Dadurch werden die Möglichkeiten der Simulation von realen oder hypothetischen Objekten erweitert. Hierzu kann der jeweilige Kalibrierungskörper einzelne Elemente oder Segmente aufweisen, die unabhängig von den anderen Elementen oder Segmenten zur Einstellung der Temperatur angesteuert werden können. Ein solches Ausführungsbeispiel zeigt 5. Es sind wiederum in Reihen und Spalten angeordnete Kalibrierungskörper 50 vorgesehen, in dem Ausführungsbeispiel vier Reihen L1, L2, L3, L4 und sechs Spalten C1, C2, C3, C4, C5, C6. Die Oberfläche jedes einzelnen Kalibrierungskörpers 50 ist jedoch in Segmente unterteilt, im Ausführungsbeispiel in vierundzwanzig Segmente, die vorzugsweise eine durchgehende Oberfläche ohne Inseln bilden. Inseln wären solche Oberflächenbereiche, deren Temperatur nicht auf einen vorgegebenen Temperaturwert einstellbar wäre.
-
In 5 sind einige der Segmente des rechts oben in der ersten Zeile L1 und der letzten Spalte C6 angeordneten Kalibrierungskörpers 50 mit den Bezugszeichen 51–56 bezeichnet. 6 zeigt, dass es sich insgesamt um vierundzwanzig Segmente 51–74 handelt. Dabei ist die Konfiguration in jedem Viertel der Oberfläche des Kalibrierungskörpers vorzugsweise gleich. Insbesondere eignen sich in der Draufsicht dreieckige Segmente, wobei verschiedene Formen von Dreiecken in der Gesamt-Kombination vorkommen.
-
Ein bevorzugtes Merkmal bei der Aufteilung der Oberfläche eines Kalibrierungskörpers in separat einstellbare Segmente besteht darin, dass Spitzen einer Vielzahl von dreieckförmigen Segmenten 51, 52, 55, 56, 57, 58, 61, 62, 63, 64, 67, 68, 69, 70, 73, 74 im Zentrum der Oberfläche oder im Zentrum eines Teils der Oberfläche des Kalibrierungskörpers zusammenfallen oder unmittelbar aneinander angrenzen.
-
Durch eine Vielzahl von Kalibrierungskörpern mit insbesondere jeweils mehreren Segmenten ist gewährleistet, dass unterschiedliche Strukturen erzeugt werden können.
-
Insbesondere mit der in 1 dargestellten Anordnung, wobei ein Kalibrierungsfeld zum Beispiel gemäß 4 oder 5 zum Einsatz kommt, können neben der geometrischen Auflösung auch die thermale (d.h. spektrale) Auflösung und die Messgenauigkeit eines Thermalsensors analysiert und/oder korrigiert werden. Werden mit einem solchen Kalibrierungsfeld Objekte simuliert, kann auch die Zuverlässigkeit bei der Identifizierung eines Objekts überprüft werden, wobei zum Zweck der Identifizierung die von dem Thermalsensor gelieferten Messdaten ausgewertet werden. Insbesondere kann ein durch ein Kalibrierungsfeld simuliertes Objekt entsprechend seiner Geometrie und seines thermalen Verhaltens durch Auswertung der Messdaten Daten identifiziert bzw. klassifiziert werden. Es können Strukturen unterschiedlicher geometrischer Konfiguration sowie unterschiedlichen thermalen Verhaltens, auch in Kombination simuliert werden.
-
7 zeigt einen Betriebszustand des in 5 dargestellten Kalibrierungsfeldes. Segmente von insgesamt acht Kalibrierungskörpern, die sich in der Mitte der Anordnung in der zweiten und dritten Zeile L2 und L3 und in der zweiten bis fünften Spalte C2–C5 befinden, sind zur Simulation eines Objekts auf einen Temperaturwert eingestellt worden, der sich von dem Temperaturwert der anderen Kalibrierungskörper am äußeren Rand des Kalibrierungsfeldes unterscheidet. Dabei werden nicht alle Segmente der beiden Kalibrierungskörper in der Mitte der fünften Spalte C5 zur Simulation des Objekts verwendet. Die verwendeten Segmente sind schraffiert. Insgesamt bilden die verwendeten Segmente das simulierte Objekt. Es weist in dem Ausführungsbeispiel eine nach rechts weisende Spitze auf.
-
Der Betriebszustand in 7 ist lediglich eines von vielen möglichen Beispielen. Zum Beispiel lassen sich auch annähernd kreisrunde Objekte simulieren, wie 8 zeigt, in alle Segmente des Kalibrierungskörpers in Spalte C3 und Zeile L2 sowie ein Teil der Segmente der Kalibrierungskörper in Spalte C3 und Zeilen L1 und L3 und in Spalten C2 und C4 und Zeile L2 zur Simulation eines Objekts verwendet werden. Insbesondere ist es auch möglich, dass die für die Simulation des Objekts oder der Objekte verwendeten Segmente auf unterschiedliche Solltemperaturen eingestellt werden, so dass das Objekt nicht nur durch seine Form, sondern auch durch sein nicht homogenes Temperaturprofil simuliert wird.
