DE2915971C2

DE2915971C2 - Radiometer

Info

Publication number: DE2915971C2
Application number: DE2915971A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Dr. James F. 6921 Hoffenheim Ruger
Original assignee: Eltro Gesellschaft fur Strahlentechnik 6900 Heidelberg De GmbH
Current assignee: Eltro Gesellschaft fur Strahlentechnik 6900 Heidelberg De GmbH
Priority date: 1979-04-20
Filing date: 1979-04-20
Publication date: 1981-03-19
Also published as: DK159980A; DE2915971B1; FR2454632A1; US4332168A; GB2049171A

Description

2. Radiometer nach Anspruch I, dadurch gekenn· leichnet. daß das Fenster (1) als runde Schübe ausgebildet ist, deren Mittelpunkt mit dem Krümnungsmittelpunkt (18) des Hohlspiegels (2) zusammenfällt.

3. Radiometer nach Anspruch I oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung von nicht auf den Hohlspiegel (2) gerichteter Strahlung auf Iwei einander gegenüberliegenden Seiten der Wandler (3) jeweils eine Strahlenfalle vorgesehen fet, die aus einer mit quer zur optischen Achse (12) «erlaufenden Rippen (45) ausgestatteten Wand feesteht, wobei die Höhe der Rippen (45) in f trahlungsrichtung gesehen abnimmt.

4. Radiometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pha-•endetektoranordnung und die Tiefpaßschaltung eine der Anzahl der Wandler (3) entsprechende Zahl »on Phasendetektoren (51) bzw. Tiefpaßfiltern (52) aufweisen, und daß jeder Wandler (3) jeweils über einen der Phasendetektoren (51) und eines der Tiefpaßfilter (52) mit dem Multiplexer verbunden ist.

5. Radiometer nach einem der. vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Erzeugung des Referenzsignals eine mit der Zerhackerjcheibe (4) phasenstarr gekoppelte Hilfsscheibe (46), die mit Bezugsmarken versehen ist, sowie einen auf die Bezugsmarken ansprechenden, das Referenzsignal abgebenden Aufnehmer (47) umfassen.

6. Radiometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsscheibe (46) auf der Antriebs welle (4') der Zerhackerscheibe (4) befestigt ist

7. Radiometer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsscheibe (46) aus durchsichtigem Material besteht, daß die Bezugs marken von undurchsichtigen Bereichen auf der Hilfsscheibe (46) gebildet sind, und daß der Aufnehmer (47) eine Lichtschranke enthält, deren Strahlengang während einer Drehung der Hilfsscheibe von den undurchsichtigen Bereichen unter- brachen wird.

8. Radiometer nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Aufnehmer (47) zur Erzeugung eines sinusförmigen Referenzsignals ein Verstärker/Begrenzer (48) und ein Demodulator

(49) nachgeschaltet ist, und daß die Phasendetektoren (51) aus Multiplizierern bestehen.

9. Radiometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Multiplexer (53) und die Schwellwertkompara toren (64, 65, 66) ein Analog-Digital-Wandler (60) geschaltet ist, und daß ein Taktgeber (59) zur Synchronisation des Betriebs des Multiplexers (53) und des Anaiog-Digital-Wandlers (60) mit der Drehung des Hohlspiegels (2) vorgesehen ist.

10. Radiometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwerte der Schwellwertkomparatoren (64, 65, 66) entsprechend dem Zenitwinkel, der dem jeweils vom Multiplexer (53) angewählten Wandler (3) zugeordnet ist, einstellbar

i> sind.

H. Radiometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schaltkreis (67 bis 71) zur Gewichtung der den einzelnen Wandlern (3) zugeordneten Ausgangssignale ent sprechend der Größe der Gesichtsfelder der Wandler.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Radiometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Dieses den Gegenstand des Hauptpatents P 26 39 539.1 bildende und aus der DE-OS 26 39 539 vorbekannte, an sich

ίο durchaus brauchbare Radiometer enthält jedoch keine

Aussagen darüber, wie sich Abbildungsfehler vermeiden

lassen, die sich durch die lediglich funktionsbedingte

Anordnung des Eintrittsfensters ergeben. In dem Fachbuch »Das Photographische Objektiv«

">5 von Johannes Flügge, Springer-Verlag, Wien, 1955. sind auf den Seiten 190 bis 196 die Schmidt-Kamera und das Maksutov-System behandelt, die beide den sogenannten Schmidt Spiegel verwenden. In diesem Zusammenhang wird festgestellt, daß Abbildungsfehler vermieden werden können, wenn die Eintrittsfenster dieser

Vorrichtungen in den Krümmungsmittelpunkt der Spiegel gelegt werden. Es handelt sich hierbei um

asphärisch deformierte Eintrittsfenster.

Aufgabe der Erfindung ist es, das eingangs genannte

bi Gerät so auszubilden, daß die Abbildungsqualität und die Empfindlichkeit (Temperaturauflösung und Reproduzierbarkeit der Meßwerte) verbessert werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kenrizei-

chen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst Auf diese Weise bilden alle durch den Mittelpunkt einer solchen Eintrittsfläche einfallenden Strahlen mit den ihnen zugehörigen Tangenten am Hohlspiegel einen rechten Winkel. Die Strahlung trifft also unter jedem Bildwinkel unter stets gleichen Verhältnissen auf den Spiegel. Bei einem Radiometer mit im Krümmungsmittelpunkt angeordnetem Fenster, das sich auch noch um diesen Krümmungsmittelpunkt dreht, kann das Eintrittsfenster klein gehalten und durch den Spiegel im Verhältnis I : 1 in sich abgebildet werden. Würde man die Eintrittsfläche an einer anderen Stelle vorsehen, würden sich die Tangentenwinkel laufend ändern.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die in den einzelnen Figuren einander entsprechenden Teile dieselben Bezugszahlen aufweisen. Es zeigt

F i g. 1 den das Radiometer enthaltenden Teil eines Bedeckungsgradmessers,

F i g. 2 das Geräteteii der Fig.! — um 90° (bezogen auf seine Symmetrieachse) gedreht,

F i g. 3 die Anordnung gemäß der F i g. 2 — in Draufsicht und vergrößert herausgezeichnet,

Fig.4 das Blockschaltbild der Auswerteelektronik des Radiometers sowie

F i g. 5 eine die Zuordnung von Schwellwert und jeweiligem Bedeckungszustand anzeigende Logik-Tabelle.

Das Radiometer 11 enthält den Hohlspiegel 2. dessen Öffnung im Gebrauchszustand dem Himmel zugekehrt ist Auf dem im Spiegelbereich konzentrisch ausgebildeten Trägerkörper 8 sind innenseitig, beiderseits der optischen Achse 12 sowie dem Spiegel zugekehrt, photoelektrische Wandler 3 in Form einer oder mehrerer Zeilen befestigt. Da der Trägerkörper gehäuseförmig ausgebildet ist und seine den Wandlern gegenüberliegende Seite den Spielgel trägt, erfüllt er gleichzeitig die Funktion eines mechanisch starren Bindeglieds zwischen Wandler und Spiegel. Bei dem um seine optische Achse 12 umlaufenden Radiometer tasten die Wandler den in einzelne Bildpunkte aufgeteilten Himmel ab. Das Überlappen der Bildfelder verhindert die unmittelbar vor den Wandlern auf einem gleichfalls konzentrischen Kreis angeordnete Schlitzblende 2ό. Alle bisher erwähnten Funktionselemente sowie den Wandlern 3 zugeordnete Vorverstärker 50 (F i g. 4) werden von den Gehäuse 9 umgeben, an dem außenseitig die zu den Wandlern bzw. deren Heizung 5 führenden Kabel 7 aufgewickelt sind. Mit 16 ist die Antriebseinheit des Radiometers bezeichnet.

Das Gehäuse 9 ist mit dem Fenster 1 ausgestattet. Der geometrische Mittelpunkt des vorzugsweise runden Fensters fällt dabei mit dem Krümmungsmittelpunkt 18 des Hohlspiegels 2 zusammen. Er liegt in Strahlendurchtrittsrichtung unmittelbar hinter der Zerhackerscheibe 4. Von der durch dieses Fenster einfallenden Strahlung 43, 44 (F i g. 2) ist nur die auf den Spiegel 2 gelangende Strahlung 43 erwünscht. Die seitlich von ihm auftreffende Streustrahlung 44 führt zu unkontrollierbaren Reflexen. Sie wird daher über Stege 45, die in rter Trägerwand 8' an einander gegenüberliegenden Stellen •i senkrecht zur optischen Achse 12 befestigt sind, vernichtet Die den Wandlern 3 zugekehrten Kanten dieser Stege sind dabei - in Strahlendurchtrittsrichtung — treppenförmig rückgestuft angeordnet
Zu der durch das Fenster 1 und über den Hohlspiegel

ίο 2 auf die Wandler 3 auf treffenden Strahlung 43 wird alternierend eine Referenzstrahlung gebildet, da die Seite der Zerhackerscheibe 4, die dem Fenster 1 zugekehrt ist reflektierend ausgebildet ist Diese Referenzstrahlung wird von den mit Hilfe der Heizung 5

ti auf konstanter Temperatur gehaltenen Wandlern emittiert und über die Zerhackerscheibe auf die Wandler zurückreflektiert.

Die aus der empfangenen Strahlung der Wandler 3 resultierende Wechselspannung verläuft annähernd rechteckig. Ihre Grundwellenamplitude ist eine bekannte Funktion der Temperaturdifferf '..·: von der gemessenen Strahlung zu der Rcferenzstrahiang. Die Frequenz der Wandlersignele ist somit gleich der Drehzahl der Zerhackerscheibe 4 mal der Anzahl der Zerhackerschei-

>j benstege 4a

Für die Bestimmung der Grundwellenamplitude des elektrischen Signals an den Wandlern 3 wird ein zusätzliches, rein sinusförmiges elektrisches Referenzsignal konstanter Amplitude, definierter Phasenlage und

in einer der Zerhackerscheibe 4 entsprechenden Frequenz verwendet. Mit der Zerhackerscheibe ist die Referenzscheibe 46 über die Achse 4' starr verbunden. Die Referenzscheibe selbst besteht aus durchsichtigem Material und ist mit einer Codierung in Form von

j) undurchsichtigen Bereichen versehen. Die Scheibe wird zur Erzeugung des Referenzsignals über den Aufnehmer 47 abgetastet und läuft zu diesem Zweck in der beispielsweise U-förmigen Ausnehmung 47'. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Aufnehmer als

■f'i Lichtschranke ausgebildet. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Abtastung aber auch magnetisch ο ler dgl. erfolgen. Das in dem Aufnehmer erzeugte elektrische Signal wird in dem Baustein 48 (Fig. 4) verstärkt und begrenzt sowie in dem ihm ntichgeschalte-

·»■> ten Baustein 49 demoduliert Die Begrenzung gewährleistet am Ausgang des Demodulators ein Signal konstanter Amplitude; die Codierung der Referenzscheibe 4Θ ist so gewählt, daß das demodulierte Signa! rein sinusförmig verläuft. Die starre Verbindung von

">ii Referenz- und Zerhackerscheibe bestimmt die Phasenlage des Referenzsignals gegenüber der Phasenlage des an den Wandlern erzeugten elektrischen Signals. Beide Signale haben dieselben Nulldurchgänge. Für die Bestimmung der zur Strahlungsdifferenz äquivalenten

ΊΊ elektrischen Signalgröße bedient man sich des Phasendetektors 51, z. P in Form einer Multipl'zierscha/tiing. Das am Wandler 3 erzeugte Signal ist annähernd rechteckig und kann durch die Gl. (I) wiedergegeben werden:

ujt) = A sin imf + 0 sin 3>'>f + C sin 5«··ι +

wobei

ujt) — momentanes Detektorsignal
'■' = 2rr/

/ = Zerhackerfrequenz
A. B. C usw. = \3nr>lituden der verschiedenen Frequenzen, wobei A gesucht wird.

Das Referenzsignal wird durch Öl. (2) gegeben.
i(_r(i) = R sin (.-ι + (■))

· i(_r(/) = ~- [A cos β - A cos(2<i( + <-)) f H cos (2 - H) - B cos(4c>/ + (-)) +

Die Amplitude R und der Phasenwinkel Θ sind konstant, θ wird durch die Drehwinkellage der Referenzscheibe 46 gegenüber der Zerhackerscheibe 4 bestimmt.

Wählt man θ-O und leitet das Signal durch ein Tiefpaßfilter mit oberer Grenzfrequenz f(;<2o>t. so erreicht man eine Gleichspannung, die durch die Gleichung(4)charakterisier! ist:

tiJi) ■ u_rU) = k ■ A ..

(4)

Da k bekannt ist. kann es bei der Verstärkung berücksichtigt werden, so ^Haß man anschließend das gewünschte Endergebnis für A erhält. Das Referenzsignal muß — wie schon erwähnt — rein sinusförmig sein, damit eine Gleichspannung nur durch die Grundwelle gemäß Gl. (3) entsteht. Die konstante Amplitude des Referenzsignals ist erforderlich, damit k in Gl. (4) absolut konstant bleibt.

Das Signal-Rauschverhältnis wird durch die Bandbreite des Tiefpaßfilters 52 bestimmt, die weit unter 1 Hz liegen kann. Eine Verschiebung der Grenzfrequenz durch Änderung der Bauteile, Temperaturwerte usw. ändert das Signal-Rauschverhältnis nur minimal, wohingegen die Amplitude der Gleichspannung nicht beeinflußt wird. Auch Änderungen in der Netzfrequenz haben keine Auswirkung, weil das Referenzsignal synchron zum Detektorsignal verläuft.

Spezifisch dem Anwendungszweck soll das Radiometer Strahlungen eines bestimmten Spektralbereiches oder mehrerer Spektralbereiche empfangen und Strahlungen anderer Spektralbereiche nicht wahrnehmen. Dies wird durch Verwendung der Interferenzschichten 3' direkt am Wandler 3 (Fig. 2) und/oder am Eintrittsfenster I möglich.

L^ClI Wdliuici Il 3 (Γ I g. ί LM3 Z) 3IIIU VOi'V Cfäi ÖfkC Γ SO

(Fig. 4) mit einstellbarer Verstärkung nachgeschaltet. Ihr Ausgangssignal wird zwecks Bestimmung der zur Strahlungsdifferenz äquivalenten elektrischen Signalgröße in dem Phasendetektor 51 mit dem Referenzsignal multipliziert und anschließend durch das Tiefpaßfilter 52 geleitet. An dessen Ausgang entsteht eine Gleichspannung gemäß Gleichung (4). Die Konstante k dieser Gleichung sowie die unterschiedliche Empfindlichkeit (Volt/Watt) der Wandler 3 wird mit Hilfe des einstellbaren Verstärkers 50 eingeeicht.

Das Gehäuse 9 (F i g. 1 bis 3) wird über den Schrittmotor 16 so lange um gleichmäßige Schritte weitergeschaltet, bis es einen Drehwinkel von 180° durchlaufen hat, um anschließend wieder in die Gegenrichtung zurückzulaufen. In jeder Position des Gehäuses werden die temperaturäqtiivalenten Gleichspannungen an den π Ausgängen der Tiefpaßfilter 52 mittels des elektronischen Multiplexers 53 abgefragt und an den zu ihm seriell angeordneten A/D-Wandler 60 weitergeleitet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Wandler-Signal-Elektronik 50 bis 52 für jeden einzelnen Wandler vorgesehen, um auf diese Weise die Einschwingzeit der Filter 52 und die Zeitkonstante der Wandler 3 nur einmal pro Schrittposition abwarten zu müssen, bevor das Meßsignal am Filterausgang stabil wird. Dies ergibt die kürzestmögliche Auswertezeit. Bei einem anderen, zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsbeispiel können aber grundsätzlich auch längere Auswertezeiten vorkommen bzw. zugelassen sein. In letzterem Fall sind nur ein Multiplizierer 5) und ein Tiefpaßfilter 52 erforderlich, vor die dann der Multiplexer 53 geschaltet ist. Der Schrittmotor 16 verweilt nach jedem Schritt — bedingt durch das Tastverhältnis seiner Motorsteuerung 57 (Fig. 4) — eine kurze Zeit in der neuen Position. Das Tastverhältnis wird durch Auszählen der Impulse des Taktgebers 54 erreicht, indem von dem Zähler 55 nach erfolgter Auszählung einer vorbestimmten Anzahl von Taktimpulsen ein einziger Schrittsteuerimpuls erzeugt wird. Die zwischen Motorsteuerung und Zähler gekoppelte Logik 56 ändert die Drehrichtung, sobald die vorgegebene Schrittzahl ausgeführt ist. Der zwischen den Zähler und die Logik gekoppelte Endschalter 58 gibt Befehle an diese Logik, sofern der Motor einmal außer Tritt gerät und dadurch den Endschalter betätigt. Gleichzeitig mit der Drehrich tungsänderung wird der Zähler 55 in seine Ausgangslage zurückgesetzt.

Nach jedem der vorbeschriebenen Schritte gibt die Logik 56 an den Taktgeber 59 den Befehl, π Takte über den Eingang 59' an den Multiplexer 53 weiterzuleiten. Die η Werte für jede Position werden im A/D-Wandler 60 in digitale Werte umgewandelt und den Schwellwertkomparatoren 64, 65, 66 zugeführt. Dabei entspricht dem Schwellwert 53 im Komparator 66 die kälteste Temperatur einer hohen Wolke. Der Schwellwert Si im Komparator 65 liegt tiefer als derjenige von 53 und entspricht der kältesten Temperatur einer mittelhohen Wolke. Der Schwellwert S\ des Komparators 64 schließlich liegt tiefer als derjenige von Si und entspricht

j-- 1.--1 .-_ τ- . : : i__„_ \i/„m„

VJCl rVaiH3lt.il l\.lll|JVtUIUI «.I·!«.· ,11,.UWIWII "Wm...

Die Schwellwerte der drei vorstehenden Wolkenhöhengruppen sind abhängig vom Zenitwinkel der einzelnen Wandler 3 im optischen System. Diese Abhängigkeit wird durch die Zenitwichtung 63 berücksichtigt, die die Schwellwerte entsprechend dem zugehörigen Zenitwinkel des am Eingang 64', 65' und 66' der Komparatoren anstehenden Signals setzt. Die Steuerung der Zenitwichtung erfolgt über den Zähler 61, der die 1 bis η Takte des zwischen die Logik 5e und den Multiplexer 53 bzw. den A/D-Wandler 60 geschalteten Taktgebers 59 wiederholt zählt, um die zugehörigen Schwellwerte Su 5? und Sj· an die Komparatoren 64, 65 und 66 weiterzuleiten. Dieselben besitzen an ihren Ausgängen den logischen Zustand »1« bzw. »0«. wenn der zugeordnete Schwellwert unterschritten bzw. nicht unterschritten wird. Die mit den Ausgängen verbundene gemeinsame weitere Logik 67 hat ihrerseits je einen Ausgang für tiefe Bedeckung (TB), mittlere Bedeckung (MB) und hohe Bedeckung (HB). Eine logische »1« an einem dieser Ausgänge zeigt Wolken im entsprechenden Höhenbereich an. In F i g. 5 ist die Logik 67 tabellarisch widergegeben bzw. der Bedeckungszustand den verschiedenen Möglichkeiten der Schwellwerte zugeordnet

Die an den einzelnen Wandlern 3 abgebildete

Wolkenflache ist abhängig von dem jeweiligen Bild- und dem jeweiligen Zenitwinkel dieser Wandler. Unterschiedliche Flächensegmente des abgebildeten Himmelsgewölbes werden bei der Bestimmung des Bedekkungsgrades durch die Verwendung der Flächenwichtung 62 berücksichtigt. Jeder Wandler 3 hat eine vorbestimmte Flächenwichtung. Die Zuordnung wird durch den Zählwert des Zählers 61 gegeben, an dessen Ausgang 61' die Fllchenwichtung 62 angeschlossen ist. Ihr Ausgang führt zu dem Taktgeber 71, der auf diese Weise den Befehl erhält, eine vorbestimmte Anzahl von Takten über die Eingänge 68", 69", 70" an die zugehörigen Torschaltungen 68, 69 und 70 weiterzugeben. Steht eine logische »1« an den Eingängen 68', 69', 70', während der Taktgeber 71 Impulse an die Eingänge

68", 69", 70" leitet, so werden Taktimpulse in die entsprechenden Torschaltungen eingegeben sowie in den Zählern 72 für tiefe Bedeckung, 73 für mittelhohe Bedeckung und 74 für hohe Bedeckung in Achteln gezählt. Hierbei bedeuten — wie bereits der Hauptanmeldung zu entnehmen ist — 8/8 eine volle Bedeckung in dem entsprechenden Höhenbereich. Der zwischen die Torschaltungen 68 bis 70 und die ihnen zugeordneten Zähler 72 bis 74 gekoppelte gemeinsame Zähler 75 zählt alle Höhenbereiche zusammen und gibt die gesamte Bedeckung in Achteln an. Die Ausgänge aller Zähler 72 bis 75 sind sodann noch jeweils mit einer Anzeige 76 bis 79 verbunden, wo das Ergebnis — z. B. in einer Segmentanzeige — optisch dargestellt wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Radiometer zur Erfassung der Wärmestrahlung aus einem Raumbereich mit

a) einem um seine optische Achse drehbaren kugelausschnittförmigen Hohlspiegel,

b) einer Anzahl von photoelektrischen Wandlern, die vor dem Hohlspiegel zum Empfang der an diesem reflektierten Strahlung angeordnet und mit diesem mechanisch gekoppelt sind,

c) einer im Wege der auf den Hohlspiegel fallenden Strahlung angeordneten Zerhackerscheibe, deren dem Hohlspiegel zugewandte Seite strahlungsreflektierend ausgebildet ist,

d) einer Heizung für die Wandler,

e) einem Hohlspiegel, Wandler und Heizung umgebenden Gehäuse, in dem auf der optischen Achse ein Fenster zum Durchtritt der Strahlung eingelassen ist sowie

f) eine· Auswerteelektronik, die den einzelnen Wandlern jeweils nachgeschaltete Verstärker, weiter eine Gleichrichterschaltung mit nachgeordneter Tiefpaßschaltung sowie Schwellwertkomparatoren und einen Multiplexer zur aufeinanderfolgenden Zuführung der einzelnen gleichgerichteten Wandlersignale zu den Schwellwei ikomparatoren aufweist, nach Patent .... (Akz. P 26 39 539.1-52), dadurch gekennzeichnet, daß

g) das Fenster (1) in dem in Strahlungsrichtung gesehen hinter der Zerhackerscheibe (4) liegenden Krümmungsmittelpunkt (18) des Hohlspiegels (2) angeordnet ist.

h) Einrichtungen zur Erzeugung eines mit der Drehung der Zerhacker .heibe (4) phasenstarr gekoppelten Referenzsignals vorgesehen sind, und

i) die Gleichrichterschaltung eine von dem Referenzsignal gesteuerte Phasendetektoranordnung (51) aufweist.