DE2325972A1 - Vorrichtung zum messen atmosphaerischer temperatur - Google Patents

Description

• "Vorrichtung zum Messen atmosphärischer Temperatur" Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Doppelstrshlradiometer und insbesondere eine Vorrichtung zum Messen atmosphärischer Temperatur, welche Signale schafft, die atmosphärische Strahlung als Punktion eines schwarzen Strahlers als Bezugsgröße anzeigen.
• Seit Bestehen moderner Strahlflugzeuge hoher Geschwindigkeit befassen sich zunehmend Meteorologen und Flugzeugpiloten und -konstrukteure mit den Problemen atmosphärischer Turbulenz oberhalb de + irksankeit von Wetterradar. Atmosphä rische Turbulenz ist eine Umgebungsbedingung, welche sowohl die Sicherheit und den Komfort von Passagieren beeinflußt und auch physikalisch für das Flugzeug zerstörend sein kann.
• Es wurde eine Zunahme der Anzahl von Unfällen bekannt, bei denen Strahlflugzeuge in atmosphärische Turbulenz mit sich ergebender Verletzung der Passagiere flogen. Die größte Luftturbulenz wird von Strahlströmung, Bergwellen und Strahlungsgewittern verursacht0 Die Anzeige einer solchen Turbulenz in klarer, wolkenloser Luft ist von besonderem Interesse, weil Piloten keine sichtbare Anzeige drohender Änderung der Luftströmungsmenge und -richtung haben, und weil Hochgeschwindigkeits-Düsenflugzeuge in Höhen fliegen, bei denen am meisten Klarluftturbulenz (CAT) vorherrschend ist0 Kein System hat erfolgreich eine weitreichende Möglichkeit zum Anzeigen atmosphärischer Turbulenz geschaffen.
• Die Abwesenheit von Peuchtigkeit in großen Höhen macht beispielsweise bestehende Bordradar-Systeme unwirksam. Ein Schema mit einem Laserradar hatte den Anschein, abrupte Änderungen der Partikelkonzentration anzuzeigen, welche, so wurde es angenommen, an der Zwischenfläche zwischen zwei Luftströmen vorhanden ist, welche Turbulenz verursachen.
• Jedoch haben Versuche mit einem solchen System gezeigt, daß es eine geringe oder keine Anwendbarkeit hat..Selbst wenn atmosphärische Turbulenz und abrupte Änderungen der Partikelkonzentration zusammen vorliegen, wurde gezeigt, daß das Vorhandensein solcher abrupten Änderungen immer Turbulenz anzeigt. Auch wurde es nicht bewiesen, daß Turbulenz immer zusammen mit den abrupten Änderungen der Partikelkonzentration vorliegt.
• Es wurde gefunden, daß atmosphärische Turbulenz in klarer Luft mit Änderungen der atmosphärischen Temperatur vereint ist. Dies hat zu Bordversuchen von Vorrichtungen geführt, die kontinuierlich die Lufttemperatur unmittelbar außerhalb eines Flugzeuges überwachen und welche dem Piloten von bemerkenswerten Änderungen in Kenntnis setzt. Versuche mit diesen Vorrichtungen haben gezeigt, daß Klarluftturbulenz zusammen mit einer Änderung von ungefähr 40 C der statischen Lufttemperatur vorliegt. Diese Änderung tritt gewöhnlich in einem kleinen Sektor auf, wobei der Mittelpunkt der Turbulenz ungefähr in der Mitte des Sektors liegt. Der Punkt, an dem die Temperaturänderung beginnt bis zum Punkt von angetroffener Maximalturbulenz umfaßt demzufolge einen sehr kurzen Abstand. Somit würde das Durchfahren dieser Spanne eine geringe Zeit dauern, welche unzureichend ist, um erfolgreich ein Vorbereiten auf die Turbulenz oder ein Vermeiden der Turbulenz zu erlauben Als Ergebnis sind thermische Fühler unwirksam.
• Es wurde in der Literatur beschrieben, daß 80 % aller Turbulenz, die von Düsenflugzeugen zwischen Höhen von 8.400 m und 12.300 m angetroffen wurde, zusammen mit den Strahlströmungen vorliegt. Strahlströmungen der nördlichen Erdhalbkugel haben normalerweise SGhleierwolken - oder Eiskristallwolken-Ausbildungen, die damit vorliegen, und die maximale Windscherung und Turbulenz wurde in der Nähe der Schleierwolken gefunden. Die andere Schwierigkeit bei thermischen Pühlern ist die, daß sie oft diesen Bereich ohne Anzeige bemerkenswerter Temperaturänderungen durchdringen. Als Ergebnis schaffen Verfahren, die zum Anzeigen thermischer Ungleichmäßigkeiten als Einrichtung zum Anzeigen der "CAT" dienen, nicht imner die korrekte Anzeige in der Nähe von Schleier-Eiskristallwolken.
• Andere Verfahren sind vorgeschlagen worden, um vorzeitig atmosphärische Turbulenz mit Bordvorrichtung anzuzeigen und zu warnen. Diese schließen aktive Verwendung von Radar, Mikrowellen und sichtbare Abschnitte des elektromagnetischen Spektrums, passive Verwendung von Millimeterwellen, unsichtbares Licht, elektrostatische Feldmessungen, Ozonanzeigen undbarometrische Messungen ein. Das meistversprechende System ist ein passives Infrarotradiometer, welches atmosphärische Turbulenz in Entfernungen bis zu 51 km vor einem Flugzeug fuhlt. Ein solches System schließt ein sehr empfindliches Infrarotradiometer ein, das die Pähigkeit hat, kleine Eingangsstrahlungsunterschiede zu fühlern.
• Ein solches System ist wirksam, da es festgestellt ist, daß atmosphärische Turbulenz mit Strahlungsänderungen der Luftmasse zusammen vorliegt. Zwischen 8.400 und 120300 m, den wesentlichsten Höhen für moderne Düsenflugzeuge hat Kohlenstoffdioxyd verschieden starke Absorbtions-Emissionsbänder in dem Infrarotspektrum, so daß Messungen der umgebenden Lufttemperatur in der Atmosphäre durchgeführt werden können, indem das Infrarotradiometer auf eines solcher Bänder abgestimmt ist, beispielsweise bei 15 Mikron zentriert ist. Demzufolge wird ein Radiometer, das bei dieser Wellenlänge empfindlich ist, die Infrarotstrahlung messen, die von einer Säule aus Kohlenstoffdiocydmolekülen gesendet wird0 Die Länge der Gassäule bei gegebener Wellenlänge hängt von der Gasdichte ab, die mit dem Druck oder der Höhe variiert. In der Mitte des Infrarotabsorptionsbandes bei 15 Mikron absorbieren die Gasmoleküle sehr stark, und es kann eine relativ kurze Weglänge gemessen werden. Bei Wellenlängen, die von der Mitte des Kohlenstoffdioxyd-Absorptionsbandes bei 15 Mikron weg liegen, nimmt der Absorptions-Koeffizient ab, und es ist eine Gassäule zunehmender Länge erforderlich, um vollständig die Infrarotstrahlung zu absorbieren. Demzufolge, wenn ein Infrarotradiometer gebaut ist, welches durch Verwendung von optischen Filtern lediglich in den starken Absorptionsbereich des atmosphärischen Kohlendioxydes von 14,5 bis 15,5 Mikron empfindlich ist, kann man die Durchschnittsstrahlung einer Luftsäule abfuhlen, die relativ kurz ist. Andererseits, wenn die optischen Filter außerhalb des 15 Mikron-Absorptions bandes empfindlich sind, kann die Durchscbnittsstrahlung einer Luftsäule, welche relativ lang ist, in der Größenordnung von einigen 100 km tief gefühlt werden. Demzufolge kann durch Auswählen eines Filters, welches die Kante des 15 Mikron-C02-Bandes überlappt, so daß Energie sowohl direkt vor dem Flugzeug als aus einer großen Entfernung vor dem fflhgzeug erhalten wird, innerhalb der Ffflilkapazität des Radiometers, jeder besondere Anzeigenbereich bestimmt werden.
• Ein welches Radiometer kann nützlich fur das Anzeigen von Klarluftturbulenz sein, da es Temperaturänderungen in der Atmosphäre über eine beträchtliche Entfernung vor dem Blugzeug anzeigen kann. Jedoch hat ein solches Radiometer den zusätzlichen Vorteil, daß es Turbulenz anzeigen kann, die mit Schleierwolken- oder Eiskristallwolken-Formationen zusammen vorliegt. Insbesondere wurde herausgefunden, daß sich die Eiskristalldichte ändert, wenn sich-eine Windscherung nähert, aufgrund der Verduenung der Wolken, und es ist die Windscherung, welche die Turbulenz verursacht.
• Demzufolge kann Turbulenz angezeigt werden, wenn sie mit einer Windscherung zusammen vorliegt, welche ebenfalls ein Verdunnen des Eises verursacht, woraus sich ein sich änderndes Strahlungsniveau ergibt.
• Es wurde vorgeschlagen, Turbulenz durch Verwendung eines Radiometers anzuzeigen, bei dem das Wellenlängeband für den Detektor zwischen zwei Bändern geändert wird, wobei eines die Durchschnittsstrahlung einer Luftsäule fühlt, die relativ kurz ist und das andere die Durchschnittsstrahlung einer Luftsäule fühlt, die relativ lang ist. Auf diese Weise kann der Unterschied de Xtmosphärischen Strahlung neben einem Plugzeug und weit entfernt von dem Flugzeug bestimmt werden, um Temperaturungleichmäßigkeiten zu erkennen, die atmosphärische Turbulenz andeutet0 Ein sdbhes System ist in der US-PS 3 475 963 beschrieben. Während ein solches System in Klarluft wirksam ist, wurde es gefunden, daß es unwirksam ist, wenn man von Klarluft in Eiskristallwolken mit keiner Turbulenz geht wegen des Signales, welches als Ergebnis des Unterschiedes zwischen der Strahlung der Klarluft und der vergrößerten Strahlung der Eiskristallwolken bei der gleichen Temperatur erzeugt ist. Demzufolge wurden diese Systeme als unzufriedenstellend betrachtet und schaffen lediglich Fehlalarme, wenn das Flugzeug von Klarluft in Wolken oder umgekehrt fliegt.
• Ein anderes Radiometer ist in der US-PS 3 350 562 beschrieben. Dieses Infrarotradiometer hat eine Bezugsfläche eines schwarzen Strahlers und einen runden Zerhacker, in welchem Strahlung aus einer festen Luftsäule vor einem Flugzeug mit einem schwarzen Strahler als Bezugsgröße verglichen wird. Ein solches Radiometer hat den Vorteil vergrößerter Stabilität und Empfindlichkeit, obwohl es an dem Problem leidet, daß es Fehlalarme schafft, wenn aus Klarluft in Wolken oder umgekehrt geflogen wird. Weiterhin hat dieses bekannte System den zusätzlichen Nachteil, daß es nicht wirksam ist, wenn das ;Flugzeug wegen der normalen Änderung der atmosphärischen Temperaturen ansteigt oder absinkt.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein verbessertes Radiometer geschaffen, welches nicht nur wirksam ist, indem es atmosphärische Temperatur - anzeigende Signale in Klarluft oder in Eiskristallwolken schafft, sondern welches auch fähig ist, einen zufriedenstellenden Betrieb zu schaffen, wenn aus Klarluft in Wolken oder umgekehrt geflogen wird und während das Flugzeug ansteigt oder absinkt. Genauer gesagt, ist die Strahlung in der Atmosphäre eine Funktion sowohl des Emissionsvermögens als auch der Temperatur. Das vmissio-lsvermögen in der Wante eines G'02-Absorptionsbandes variiert als Funktion des Eisgehalteso Der 002-Gehalt in der Luft ist bei einer gegebenen Höhe konstant, jedoch ändert sich der Eisgehalt mit den Wolkenbedingungen. Demzufolge muß, wenn eine Vorrichtung ein wahrer Detektor von atmosphärischen Temperaturänderungen sein soll, eine Kompensation des Strahles oder der Strahlen eines Radiometers durch Reduzierung des Eiseinflusses bezüglich des CAD-Signales vorhanden sein.
• Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung kann der Eiseinfluß in der Atmosphäre reduziert werden, indem die Signale von zwei unterschiedlichen Strahlern getrennt behandelt werden, die bei unterschiedlichen Wellenlängen zentriert sind.
• Jedoch erfordert eine solche Behandlung, daß jedes Signal getrennt abgeleitet wird und nicht direkt voneinander subtrahiert wird. Demzufolge sind Systeme wie das nach der US-PS 3 475 963 unwirksam, da die Signale automatisch kombiniert werden. Andererseits ist ein derartiges bekanntes Radiometer, während es ein Signal mit einem schwarzen Strahler vergleicht, für die vorliegenden Zwecke wegen der Unfähigkeit unwirksam, Signale bei mehr als einer Wellenlänge zu erhalten.
• Schließlich ist es wesentlich, ein Radiometer zu haben, welches thermische Luftturbulenz-Signale während Änderungen der Flughöhe anzeigt. Wenn dies erzielt werden kann, wird das sich ergebende Signal aus dem Radiometer ein Unterschied thermischer Energie in der Atmosphäre vor Durchdringung und thermischer Energie in der Lage des Flugzeuges sein, unabgängig davon, ob das Flugzeug ansteigt oder absinkt.
• Diese Gegenstände werden gemäß der Erfindung erzielt, indem ein Radiometer geschaffen wird, welches separat die Strahlung von zwei verschiedenen Spektralbändern an der Kante eines CO 2-Absorptionsbsndes mit einem schwarzen Strahler als Bezugsgröße vergleicht. Weiterhin kann durch Steuern der Temperatur des schwarzen Strahlers auf einem bestimmten Temperaturunterschied von einem Außenlufttemperaturfühler eine Kompensation der hndezngen der Flughöhe erzielt werden.
• Das verbesserte Doppelstrahlradiometer umfaßt eine Strahlungsanzeigeeinrichtung; eine Quelle einer Bezugsstrahlung, einen Drehzerhacker zum abwechselnden Leiten der Strahlung aus der Atmosphäre und Reflektieren der Strahlung von der Bezugsquelle auf die Anzeigeeinrichtung und eine Drehfilterscheibe mit vier Abschnitten, die in dem Strahlungsweg zwischen dem Drehzerhacker und der Anzeigeeinrichtung zum Steuern der Wellenlänge der Strahlung angeordnet ist, welche auf die Anzeigeeinrichtung aufgebracht wird, wobei die Drehfilterscheibe synchron mit dem Drehzerhacker im Betrieb arbeitet, um periodisch die Wellenlänge der atmosphärisChen Strahlung und die Wellenlänge der Bezugsstrahlung zu ändern, die auf die Anzeigeeinrichtung aufgebrachiwird.
• Durch Einstellen des Spektralbandpasses eines Strahles und seiner Bezugsgröße bezüglich des anderen kann der Eiseinfluß auf das Niveau reduziert werden, das ausreichend ist, um Fehlalarme zu verhindern, wenn das Flugzeug von Klarluft in Wolken oder umgekehrt fliegt. Zusätzlich umfaßt das erfindungsgemäße Radiometer eine Einrichtung zum Abfühlen der atmosphärischen Temperatur in der Nähe des Radiometers und eine Einrichtung, die zwischen der Einrichtung, welche die atmosphärische Temperatur abfühlt, und der Bezugsstrahl quelle angeordnet ist, um die Temperatur der Bezugsstrahlquelle als Funktion einer solchen abgefuhlten atmosphärischen Temperatur zu steuern. Dies gestattet ein sich ergebendes Signal, welches anzeigend für die Strahlung aus den kombinierten Strahlen ist, wobei der Eiseinfluß durch Manipulation des kürzeren Strahles eliminiert ist, verglichen mit der Lufttemperatur neben dem Flugzeug, so daß Eiseinfluß und Höhenänderungen vollständig aus dem Luftturbulenz-Signal eliminiert sind.
• Es ist demzufolge ein Gegenstand der Erfindung, ein verbessertes Doppelstrahlradiometer zu schaffen. In diesem Zusammenhang ist es wichtig zu bemerken, daß es Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ein Radiometer zu schaffen, welches elektrische Signale aus zwei Spektralbandpässen als Funktion der Strahlung von einem schwarzen Strahler zwecks weiterer Behandlung schafft, um eine atmosphärische Turbulenzanzeige zu schaffen. Das Behandlungssystem, welches mit diesen Signalen arbeitet und ein solches atmosphärisches Turbulenz-Signal schafft, ist nicht Gegenstand vorliegender Erfindung.
• Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zum Anzeigen von zwei Strahlungs-Signalen bei zwei vorgewählten Spektralbändern als Punktion der Strahlung eines Bezugskörpers.
• Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Radiometer mit einem Bezugskörper und einer Einrichtung zum Steuern der Temperatur des Bezugskörpers als Funktion der atmosphärischen Temperatur neben dem Radiometer.
• Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein verbessertes Doppelstrahlradiometer mit einem Vierfarben-Sektrrad, das mit einem reflektierenden Zerhacker synchronisiert ist, um einen Strahlungssignalunterschied zwischen einer Farbe eines C02-Langwegabstandzieles und einer dritten Parbe eines Bezugskörpers und einn Strahlungs-Signaluntersehied zwischen einer zweiten Parbe eines CO2-Kurzwegabstandzieles und einer vierten Farbe des Bezugskörpers zu schaffen0 Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Radiometer mit einer Objektivlinse eines optischen Systems, deren optische Achse von der Mitte des tinsenumfanges versetzt ist, so daß ihre Rotation das Radiometerblickfeld in einem Kreis bestreicht.
• Weitere Gegenstände und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Erläuterung der Erfindung an einem Ausführungsbeispiel anhand der beigefügten Zeichnung, In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine Seitenansicht durch ein Doppelstrahlradiometer gemäß der Erfindung; Fig. 2 eine Draufsicht eines Zerhackers für die Verwendung in der Vorrichtung nach Fig. 1; Fig. 3 eine Draufsicht auf eine drehbare Filterscheibe für das Radiometer nach Fig. 1 und Fig. 4 ein Diagramm, welches den Ausgang des Radiometers nach Fig0 1 als Funktion der Zeit zeigt.
• Insbesondere unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist ein Doppelstrahlradiometer 10 vorgesehen, welches einen Detektor ii zum Empfangen von Strahlung in dem Bereich von 0 bis 20 Mikron und zum Erzeugen eines elektrischen Signales in Leitungen 12 als Funktion der Intensität einer solchen Strahlung aufweist. Der Detektor li kann ein Thermistor-Eolometer herkömmlicher Ausbildung sein. Eine Linse 13 fokussiert eingehende atmosphärische Strahlung 14 zum Detektor 11. Die Linse kann eine feststehende Objektivlinse sein oder ihre optische Achse von der Mittellinie 15 des Radiometers 10 verlagert haben, so daß ein Drehen der Linse 13 den Strahl 14 in einem Kreis bestreicht. Im letzteren Fall kann die Linse 13 von einer Hülse 16 getragen sein, die einen Umfangssteg 17 aufweist, der sich von der Außenfläche erstreckt, wobei der Steg 17 mit einer Vielzahl von Rollen 18 in Eingriff steht, die zwecks Rotation von Stützen 19 getragen sind, welche in einem zylindrischen Gehäuse 20 angeordnet sind. Das Gehäuse 20 ist auch Stutze für die verbleibenden Komponenten des Radiometers 10.
• Wenn das Gehäuse 20 an einem Flugzeug oder an einem anderen Pahrzeug mitwertikaler Achse 15 angeordnet werden soll, kann das Gehäuse 20 einen Spiegel 21 anschließen, der in einem Winkel von 450 bezüglich der Achse 15 angeordnet ist, um atmosphärische Strahlung aus einer Horizontalrichtung in die Linse 13 zu reflektieren. Das Außenende des Gehäuses 20 kann in einer geeigneten Schutzkappe 22 enden.
• Das Radiometer io umfaßt weiterhin eine BEzugsstrahllmgsquelle oder einen schwarzen Strahler 25. Der schwarze >5traW-ler 25 ist in einer Rammer 26 angeordnet, die von dem Gehäuse 20 getragen ist, wobei die Kammer 26 thermoelektrische Einrichtungen zum Aufrechterhalten einer konstanten Demperatur des schwarzen Körpers 25 einschließt, wie dies in der US-PS 3 350 562 beschrieben ist.
• In dem Strahlungsweg 14 ist zwischen der Linse 13 und dem Detektor 1i ein Chopper-Reflektor 30 angeordnet, der drehbar auf einem Ende einer Welle 31 angeordent ist. Die Welle 31 ist zwecks Drehung von Lagern 33 getragen, die mit einer Stütze 35 verbunden sind, welche an dem Gehäuse 20 befestigt ist. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, schließt der Zerhacker 30 zwei Blätter 32 und34 ein, welche zwei Kreisquadranten begrenzen, wobei die Blätter 32 und 34 mneinander getrennt sind, um die beiden verbleibenden Quadranten des Kreises zu begrenzen.
• Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist der Zerhacker 30 so angeordnet, daß die Blätter 32 und 34 wahlweise die Strahlung vom Durchgang von der Linse 13 zum Detektor blockieren könen. Wenn entweder das Blatt 32 oder das Blatt 34 so angeordnet ist, wird demzufolge Strahlung aus dem schwarzen Strahler 25 zu dem Detektor 11 reflektiert. Für diesen Zweck endet das Innenende eines Gehäuses 26 in einer Linse 27, welche die Strahlung von der Bezugsquelle 25 des schwarzen Strahlers zum Detektor 11 entweder über das Blatt 32 oder 34 fokussiert. Andererseits ist, wenn der Zerhacker 30 über einen Winkel von 900 in einer Richtung gedreht ist, weder das Blatt 32 noch das Blatt 34 zwischen der Linse und dem Detektor 11 angeordnet, und die Strahlung von dem Strahl 14 ist zu dem Detektor 11 gerichtet. Demgemäß ist, wenn sich der Zerhacker 30 mit der Welle 31 in einer noch zu beschreibenden Weise dreht, die Strahlung von dem Strahl 14 und die Strahlung von dem schwarzen Strahler 25 zum Detektor 11 gerichtet.
• Das Radiometer 10 umfaßt weiterhin eine Filterscheibe 40, die drehbar auf einer Welle 41 angeordnet ist. tIie in Fig.
• 3 gezeigt ist, schließt die Filterscheibe 40 vier Sektoren 42, 43, 44 und 45 ein, welche je einen Kreisquadranten darstellen. Die SCheibe 40 ist mit r Welle 41 parallel zu der Achse 12 angeordnet, so daß die Scheibe 40 in dem Strahlungsweg zwischen dem Zerhacker und dem Detektor 11 angeordnet ist. D. h. daß die Filterscheibe 40 die Wellenlänge der Strahlung steuern kann, die auf den Detektor 11 aufgebracht wird0 Weiterhin wird die Filterscheibe synchron mit dem Zerhacker 3o angetrieben, so daß die Sektoren 42 und 44 des Filters 40 in dem Strahlungsweg zum Detektor 11 liegen, wenn die Blätter 32 und 34 des Zerhackers 3o in dem Weg des Strahles 14 und so liegen, daß die Sektoren 43 und 45 des Filters 40 im Strahlungsweg zum Detektor 11 liegen, wenn die Räume zwischen den Blättern 32 und 34 in dem 9eg des Strahles 14 liegen. Auf diese Weise steuert jeder der einzelnen Sektoren 42-45 der Filterscheibe 40 die Wellenlänge der Strahlung, die von einer unterschiedlichen Quelle zum Detektor 11 gelangt, Demzufolge empfängt während jeder Drehung des Zerhackers 30 und der Filterscheibe 40 der Detektor zwei mal Strahlung von der Atmosphäre und zwei mal Strahlung von der Bezugsquelle 25, also eine Gesamtheit von vier unterschiedlichen Signalen für jede Drehung des Zerhackers 30 und des Filters 40.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist die Filterscheibe 40 mit einem Ende der Welle 41 verbunden, welche drehbar in Lagern 50 gelagert ist, welche in einem Stützglied 51 angeordnet sind, das zwischen den gegenüberliegenden Enden des Gehäuses 20 angeordnet ist. Das Glied 51 trägt ebenfalls den Detektor 11o Das andere Ende der Welle 41 ist mit einem Getriebe 52 verbunden, welches mit einem Zahnrad 53 in Eingriff steht, das mit der Ausgangswelle 54 eines Reduktionsgetriebes 55 verbunden isto Die Transmission 55 wird von einem Synchronomotor 56 angetrieben. Demgemäss treibt der Motor 56 im Betrieb die Zahnräder 52 und 53 über die Transmission 55 an, so daß die Welle 41 und die Filterscheibe 40 mit jeder gewunschten Geschwindigkeit gedreht werden0 Um den Zerhacker 30 synchron mit dem Filter 40 anzutreiben, tragen die Wellen 41 und 31 weiterhin identische Zahnräder 60 bzwe 61, deren Zähne so in Eingriff miteinander stehen, daß das Zahnrad 61 die Welle 31 und der Zerhacker 3o synchron mit dem Zahnrad 60, der Welle 41 und der Filterscheibe 40 angetrieben sind0 Um gewünschtenfalls ebenfalls die Linse 3o anzutreiben, kann das andere Ende der Zelle 31 ein Zahnrad 62 tragen, welches mit einem Zahnrad 63 in Eingriff bringbar ist, das einstückig mit der Außenoberfläche der Hülse16 hergestellt ist. Auf diese Weise werden das Zahnrad 63, die Hülse 16 und die Linse 13 synchron mit dem Zahnrad 62 und der reelle 31 angetrieben0 Im Betrieb und unter Bezugnahme auf Fig0 4 ergibt ein Erregen des Motors 56 und ein Drehen des Zerhackers 3o und der Filterscheibe 40 ein Ausgangssignal 70 aus dem Detektor 11 über Leitungen 12o Während einer vollständigen Umdrehung des Zerhackers 30 und der Filterscheibe 40 wird ein zusammengesetztes Signal 70 aus vier getrennten und bestimmten Abschnitten abgeleitet.
• Insbesondere wird bei der ersten 90°-Drehung des Zerhackers 3o und der Filterscheibe 40, wobei sich weder das Blatt 32 noch das Blatt 34 in dem Weg des Strahles 14 befindet und der Sektor 43 des Filters 40 in dem Strahlungsweg zum Detektor 11 ist, ein Signal 71 abgeleitet, welches das Strahlungsniveau aus der Atmosphäre in einer 002-Säule anzeigt, das ein Spektralbandpaß hat, welches von dem Filterabschnitt 43 bestimmt ist. Dieses kann einem Kurzwegstrahl entsprechen, wie dies oben erläutert ist. Während der nächsten Drehung um 90° des Zerhackers 3o und der Filterscheibe 40, wobei das Blatt 32 in dem Weg des Strahles 14 und der Sektor 43 in dem Strahlungsweg zum Detektor 11 ist, wird Strahlung von der Bezugsquelle 25 zum Detektor 11 reflektiert und erzeugt ein Bezugs-Signal 72 an den Ausgangsleitungen 12o Während der verbleibenden Drehung um 1800 des Zerhackers und der Filterscheibe 40 werden Signale 73 und 74 abgeleitet, welche das Strahlungsniveau aus der Atmosphäre in einem Spektralbandpaß darstellen, welches von dem Filtersektor 45 bestimmt ist und eine Strahlung von der Bezugsquelle 25 innerhalb eines Spektralbandpasses, bestimmt von dem Filtersektor 44o Der verwendbare Ausgang der Leitungen 12 ist der Unterschied zwischen den Signalen 71 und 72 einerseits und der Unterschied zwischen den Signalen 73 und 74 andererseits. Mit anderen Worten schafft das Radiometer 1o zwei atmosphärische Strahlungssignale von unterschiedlichen Spektralbandpässen, wobei jedes Signal getrennt mit seinem eigenen Bezugs-Signal verglichen wird0 Solche Signale werden zu einem Datenverarbeitungsgerät zum Digitalisieren, Vergleichen und Behandeln geleitet, um atmosphärische Turbulenz zu bestimmen und anzuzeigen. Wie jedoch vorher erwähnt ist, ist eine solche Datenverarbeitung nicht Teil der Erfindung0 Die Filtersektoren 42-45 können die gleichen oder unterschiedliche Bandbreiten haben0 Gemäss der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Bandbreiten des atmosphärischen Strahles nächst 15 Mikron und seines schwarzen Strahlers als Bezugsgrösse grösser als der atmosphärische'Strah1 schwarzen weitest entfernt von 15 Mikron und seines/Strahlers als BezugsgrösseO Beispielsweise, wenn die Filtersektoren 43 und 45 bei 14,2 Mikron und 13,8 Mikron entsprechend spitz (peaked) sind, so daß der Abstand vom Filter 11 zum Filterabschnitt 43 kürzer als der Abstand zum Filtersektor 45 ist, kann die Bandbreite des Sektors 43 10 Mikron sein, während die Bandbreite des Sektors 45 0,5 Mikron sein kanne Somit können die Signale von dem langen und dem kurzen Strahl unabhängig voneinander variiert werden, was ein Eliminieren des Eiseinflusses auf das die atmosphärische Turbulenz anzeigende Signal erlaubt0 Die Filtersektoren 42 und 44D welche die Spektralbandpässe für den schwarzen Strahler 25 begrenzen, können im gleichen Scheitel wie ihre entsprechenden atmosphärischen Strahlen spitz (peaked) oder bei einer Spektralfrequenz gescheitelt (peaked) sein, die unterschiedlich von jedem Strahl ist.
• Bei Verwendung des eben gegebenen Beispieles kennen die Sektoren 42 und 44 bei 14,2 Mikron und 13,8 Mikron entsprechend gescheitelt sein (peaked) D wobei der Sektor 42 eine Bandbreite von 1 Mikron und der Sektor 44 eine Bandbreite von 0,5 Mikron hat. Alternativ können beide Sektoren 42 und 44 bei einer unterschiedlichen Frequenz wie beispielsweise 13,0 Mikron gescheitelt sein (peaked).
• Im ersteren Fall ist die Filterscheibe 40 ein Zweifarbenfilter mit vierFiltersektoren, wogegen im letzteren Fall das Filter 40 ein Dreifarbenfilter mit vier Filtersektoren ist.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist eines der wesentlichen Merkmale gemäss vorliegender Erfindung die HöheEkorrigiereinrichtung zum Steuern des Ausganges des Radiometers 10, während ein das Radiometer lo tragendes Flugzeug ansteigt oder absinkt0 Beim Vergleich von zwei Strahlen, die bei unterschiedlichen Wellenlängen ohne die Bezugsgrösse eines schwarzen Strahlers zentriert sind, ist die Bezugstemperatur absolut 0, und der Unterschied des Ausgangssignales wird mit der Höhenänderung variierend Demzufolge ist ein Hauptgrund des Vorsehens einer schwarzen Strahler-Bezugsquelle die Eliminierung des Einflusses der Höhe auf das Ausgangssign2lO Gemäss der vorliegenden Erfindung können Höhenänderungen kompensiert werden, indem ein Lufttemperatur-Aussenfühler 80 angeordnet ist, der an der jussenseite des Flugzeuges, welches das Radiometer 1o trägt, angeordnet sein kann, um die umgebene Lufttemperatur absufffhleno Der Ausgang dieses Aussentemperaturfuhl"ers, welcher direkt proportional zur Lufttemperatur ist, wird über eine Leitung 81 zu einem Temperatur-Steuerkreis 82 gebracht, Durch Fuhren des Ausganges des Temperatursteuerkreises 82 zu der Bezugsquelle 25 kann die Temperatur des schwarzen Körpers 25 in einer festen Höhe von der unterschiedlichen Aussenluft-Temperatur bei jeder Lage des Flugzeuges aufrechterhalten werden, Somit kann das Fahrzeug oder das Flugzeug die Höhe durch verschiedene Temperaturschichten in der vertikalen Richtung ändern, ohne unerwuxischte thermische Neigungssignale in dem gen«2nschten Signalausgang zu erzeugen.
• Es ist demzufolge ersichtlich, daß in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Radiometer geschaffen ist, das nicht nur wirksam ist, um Signale zu schaffen, welche atmosphärische Temperatur in Klarluft oder in Eiskristallwolken anzeigt, sondern auch einen zufriedenstellenden Betrieb gestattet, wenn aus Klarluft in Wolken oder umgekehrt geflogen wird, während ein Flugzeug ansteigt oder absinkt0 Das erfindungsgemässe Radiometer vergleicht getrennt die Strahlung aus zwei unterschiedlichen Spektralbandern an der Kante eines C02-Absorptionsbandes mit einem schwarzen Strahler als Bezugsgrösse. Auf diese Weise kann der Eiseinfluss von einem Band, dem Kurzabstandband berechnet werden und verwendet werden, um den Eiseinfluss von dem anderen Band, dem Langabstandsband zu kompensieren und zu streichen. Dies kann elektronisch innerhalb der Behandlungsanordnung erzielt werden, die nicht Teil der Erfindung ist. Andererseits kann dies in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung teilweise durch Manipulieren der relativen Bandpässe der beiden unterschiedlichen Bänder erzielt werden, sowohl in dem Falle atmosphärischer Strahlung und Bezugsquellens trahlung.
• Weiterhin kann eine Kompensation durch Steuern der Temperatur des schwarzen Strahlers für Änderungen der Plughöhe erhalten werden, so daß diese auf einer bestimmten Temperaturdifferenz von der atmosphärischen Temperatur aufrechterhalten wird, wie diese von einem Aussentemperaturfühler abgefühlt wird.
• Es lassen sich verschiedene Abänderungen bei der beschriebenen Anordnung vornehmen, ohne sich jedoch dabei vom Kern der Erfindung zu entfernen.

Claims (19)

Ansprüche

1. Vorrichtung zum Messen atmosphärischer Temperatur, gekennzeichnet durch eine Strahlungs-Anzeigeeinrichtung, eine Quelle einer Bezugsstrahlung, eine Ohopper-Einrichtung zum abwechselnden Richten der Strahlung aus der Atmosphäre und der Strahlung aus der Bezugsquelle zu der Anzeigeeinrichtung, wobei die Ohopper-Einrichtung eine Vielzahl von Zerhacker-Sektoren einschliesstD durch eine Filtereìnrichtung, die in dem Strahlungsweg zwischen der ChopperBinrichtung und der Anzeige-Einrichtung angeordnet istg um den Bandpaß der Strahlung zu steuern9 welche zu der Anzeigeeinrichtung gebracht wird9 wobei die Filtereinrichtung eine Vielzahl von Filtersektoren zwecks periodischen Änderns des Bandpasses der armosphärischen Strahlung einschliesstD welche zu der Anzeigeeinrichtung gebracht wird9 und durch eine Einrichtung zum Betreiben der Filtereinrichtung synchron mit der Chopper-Einrichtung9 so daß entsprechende der Filtersektoren und der Zerhackersektoren immer in dem Weg der Anzeigeeinrichtung zur gleichen Zeit sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daßde Filtereinrichtung periodisch den Bandpaß der atmosphärischen Strahlung zwischen zwei verschiedenen, sich überlappenden Wellenlängen-Bändern ändert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Bänder einzeln sowohl in der Mittelfrequenz als auch in der Bandbreite einstellbar sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung eine Vielzahl von Filter sektoren zum periodischen Ändern des Bandpasses der Bezugsstrahlung einschliesst, welche zu der Anzeigeeinrichtung gebracht wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung periodisch den Bandpass der Bezugsstrahlung zwischen zwei Bändern unterschiedlicher Wellenlänge ändert, welche die gleiche Kittelfrequenz und unterschiedliche Bandbreiten aufweisen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung den Bandpass der Bezugsstrahlung zwischen zwei sich nicht überlappenden Bändern unterschiedlicher Wellenlänge ändert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandbreite eines der beiden Bänder unterschiedlich zu der des anderen Bandes ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandbreite eines der beiden Wellenlängenbänder unterschiedlich zu dem anderen der beiden Wellenlängenbänder ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung eine Drehfilterscheibe aufweist, deren vier Sektoren so angeordnet sind, daß einer der Sektoren immer in dem Strahlungsweg zwischen der Chopper-Einrichtung und der Anzeigeeinrichtung ist, und daß weiterhin eine Einrichtung zum Drehen der Filterscheibe angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Chopper-Einrichtung einen Drehzerhacker, welcher synchron mit der Filterscheibe antreibbar ist, aufweist, wobei der Zerhacker vier Sektoren aufweist, die den vier Sektoren der Filterscheibe entsprechen, wobei erst und zweite Sektoren des Zerhackers die Strahlung aus der Atmosphäre auf die Anzeigeeinrichtung über erste und zweite Sektoren der Filterscheibe lassen, und dritte und vierte Sektoren des Zerhackers Strahlung von der Bezugsquelle zu der Anzeigeeinrichtung über dritte und vierte Sektoren der Filterscheibe reflektieren.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelfrequenz der ersten und zweiten Sektoren der Filterscheibe unterschiedlich sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandbreiten der ersten und zweiten Sektoren der Fig terscheibe unterschiedlich sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelfrequenz der dritten und vierten Sektoren der Filterscheibe gleich sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandbreiten der dritten und vierten Sektoren der Filterscheibe unterschiedlich sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelfrequenzen der dritten und vierten Sektoren der Filterscheibe unterschiedlich sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Abfühlen atmosphärischer Temperatur neben der Anzeigeeinrichtung und durch eine Einrichtung, welche zwischen der die armosphärische Temperatur abfühlenden Einrichtung und der Bezugsquelle angeordnet ist, um die Temperatur der Bezugsstrahlungsquelle als Funktion der atmosphärischen Temperatur zu steuern.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung im Betrieb die Temperatur der Bezugestrahlungsquelle auf einer Temperatur hält, die durch einen bestimmten Betrag unterschiedlich von der atmosphärischen Gemperatur ist.

18. Vorrichtung zur Verwendung in einem System zum Messen atmosphärischer Temperatur, gekennzeichnet durch eine Strahlungs-Anzeigeeinrichtung, eine Quelle einer Bezugsstrahlung und eine Chopper-Einrichtung zum abwechselnden Richten der Strahlung aus der Atmosphäre und der Strahlung aus der Bezugsquelle zu der Anzeigeeinrichtung, durch eine Einrichtung zum Abfühlen atmosphärischer Temperatur neben dem System, und durch eine Einrichtung, welche zwischen der die armosphärische Temperatur abfühlenden Einrichtung und der Bezugsstrahlungsquelle angeordnet ist, um die Temperatur der Bezugsstrahlungsquelle als Funktion der atmosphärischen Temperatur zu steuern.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung die Temperatur der Bezugsstrahlungsquelle auf einer Temperatur hält, die durch eine feste Größe von der atmosphärischen Temperatur unterschiedlich ist.

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