DE4110699A1 - Thermal radiation measurement e.g. for earth's surface temp. - involving alternating light technique whereby measurement and calibration beams pass via rotating mirror and modulator plate to radiometer - Google Patents
Thermal radiation measurement e.g. for earth's surface temp. - involving alternating light technique whereby measurement and calibration beams pass via rotating mirror and modulator plate to radiometerInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen thermischer Strahlung aus kleinen Raumwinkeln nach dem Wechsellichtverfahren und Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for measuring thermal Radiation from small solid angles using the alternating light method and facilities for performing the method.
Messungen von thermischer Strahlung aus kleinen Raumwinkeln werden durchgeführt, um beispielsweise aus der emittierten Strahlung die Temperatur von natürlichen oder künstlichen Oberflächen, wie beispielsweise von der Erd- oder der Meeresoberfläche oder von Oberflächen von Metallen, Kunststoffen usw., zu bestimmen. Dies erfolgt sowohl stationär, aber häufig auch von Land-, See- und Luftfahrzeugen sowie von künstlichen Satelliten aus.Measurements of thermal radiation from small solid angles are carried out, for example, from the emitted Radiation the temperature of natural or artificial Surfaces, such as from the surface of the earth or the sea or of surfaces of metals, plastics etc. to determine. This is both stationary, however often also from land, sea and aircraft as well as from artificial satellites.
Hierzu werden vorzugsweise Radiometer verwendet, die nach dem Wechsellichtverfahren arbeiten. Dabei wird meist mittels einer Modulatorscheibe auf einen trägheitsarmen Strahlungsdetektor auftreffende Strahlung so moduliert, daß ein ständiger Wechsel zwischen einer zu messenden Strahlung und einer Vergleichsstrahlung stattfindet. Die dadurch am Detektor ankommenden Wechsellichtsignale werden in Wechselspannungen oder -ströme umgesetzt, welche verstärkt und anschließend gleichgerichtet werden. Die hieraus resultierenden Spannungen bzw. Ströme sind in etwa der Differenz zwischen der Meß- und der Vergleichsstrahlung proportional.For this purpose, radiometers are preferably used, which according to work with the alternating light method. It is usually by means of a modulator disc on a low-inertia radiation detector incident radiation modulated so that a constant Alternation between a radiation to be measured and a comparison radiation takes place. The result at the detector incoming alternating light signals are in alternating voltages or streams implemented, which are amplified and subsequently be rectified. The resulting Voltages or currents are roughly the difference between proportional to the measurement and comparison radiation.
Ein Radiometer der beschriebenen Art wird beispielsweise in DE 23 06 449 dargestellt und wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 4 kurz beschrieben. Bei dem bekannten Radiometer rotiert eine mehrflügelige, verspiegelte Modulatorscheibe MO, welche in der Druckschrift auch als Strahlungschopper bezeichnet ist, vor einem temperaturstabilisierten Gehäuse A, an dessen Vorderseite eine Sammellinsenanordnung O und an dessen Rückseite ein Detektor D vorgesehen ist. Auf den Detektor D trifft in stetem Wechsel eine Meßstrahlung und die von der verspiegelten Modulatorscheibe MO reflektierte Eigenstrahlung von der Optik O und dem Gehäuse A als Referenzstrahlung auf. Da diese Teile eine konstante Temperatur haben, wäre - eine konstante elektrische Verstärkung vorausgesetzt - das entstehende Signal nur abhängig von der Strahlungsdifferenz zwischen einem Meßobjekt und dem Gehäuse A mit der Optik O, wenn die Flügel der Modulatorscheibe MO ein Reflexionsvermögen von r=1 besäßen. Da dies nicht erreichbar ist, geht deren Emission und damit deren Temperatur bis zu einem gewissen Grad in die Meßwerte ein. Hierbei ist der Einfluß so groß, daß hochgenaue Messungen auf diese Weise nicht möglich sind. Deshalb befaßt sich DE 23 06 449 mit einer Kompensationsmöglichkeit; diese ist jedoch lediglich ein Kompromiß, der nur als ein Behelf angesehen werden kann und sich in der Praxis weder bewährt noch durchgesetzt hat.A radiometer of the type described is shown for example in DE 23 06 449 and is briefly described below with reference to FIG. 4. In the known radiometer, a multi-wing, mirrored modulator disc MO, which is also referred to in the publication as a radiation chopper, rotates in front of a temperature-stabilized housing A, on the front side of which a collecting lens arrangement O and on the rear side of which a detector D is provided. A measuring radiation and the intrinsic radiation reflected by the mirrored modulator disc MO from the optics O and the housing A strike the detector D as a reference radiation. Since these parts have a constant temperature, assuming a constant electrical amplification, the resulting signal would only depend on the radiation difference between a test object and the housing A with the optics O if the wings of the modulator disc MO had a reflectivity of r = 1. Since this cannot be achieved, their emission and thus their temperature are included in the measured values to a certain degree. The influence is so great that highly precise measurements are not possible in this way. Therefore DE 23 06 449 deals with a possibility of compensation; however, this is only a compromise that can only be regarded as a makeshift and has not proven itself in practice nor has it been implemented.
Obendrein geht in das Meßsignal, wie bereits erwähnt, die elekrische Verstärkung ein, welche sich beispielsweise infolge von Temperatureinflüssen ändert und somit das Meßergebnis zusätzlich beeinflussen kann. Dies ist bei dem Lösungsvorschlag nach DE 23 06 449 nicht berücksichtigt.On top of that goes into the measurement signal, as already mentioned, the electrical amplification, which is caused, for example, by of temperature influences and thus the measurement result can also influence. This is with the proposed solution according to DE 23 06 449 not taken into account.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei einem Verfahren zum Messen thermischer Strahlung aus kleinen Raumwinkeln und bei Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens die vorstehend angeführten Nachteile bekannter Radiometer zu vermeiden und eine Meßstrahlung unverfälscht und hochgenau festzustellen.The object of the invention is therefore in a method for Measure thermal radiation from small solid angles and at Means for performing the method the above to avoid mentioned disadvantages of known radiometers and to determine a measuring radiation unadulterated and highly precise.
Gemäß der Erfindung ist dies bei einem Verfahren zur Messung thermischer Strahlung aus kleinen Raumwinkeln dadurch erreicht, daß außer einer Meßstrahlung bzw. der Differenz zwischen einer Meß- und eine Referenzstrahlung in bestimmten Zeitabständen zusätzlich eine Strahlung von mindestens einem Kalibrierstrahler gemessen wird.According to the invention, this is a method for measurement thermal radiation from small solid angles achieved that apart from a measuring radiation or the difference between a measuring and a reference radiation in certain Intervals of at least an additional radiation is measured using a calibration source.
Ferner ist bei einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Meßstrahlung und die Strahlung von mindestens einem Kalibrierstrahler über einen vor einer Modulatorscheibe angeordneten drehbaren Spiegel geführt, dieser Spiegel wird um die optische Achse eines aus einer Optik und einem Detektor eines Radiometers gebildeten Systems gedreht und ist unter einem bestimmten, fest vorgegebenen Winkel zu der optischen Achse angeordnet. Mittels des Spiegels wird die Strahlung wahlweise in einen von mindestens zwei Kalibrierstrahlern bekannter Strahlung oder in Richtung auf das Meßobjekt umgelenkt. Dadurch kann während des Einsatzes des Radiometers für mindestens eine bekannte Strahlungsintensität kalibriert werden. Bei zwei Kalibrierstrahlern sind deren Intensitäten so gewählt, daß die eine oberhalb und die andere unterhalb der erwarteten Meßstrahlung liegt. Die zeitliche Folge dieser Kalibrierungen wird so gewählt, daß für die Zwischenzeiten eine lineare Interpolation der aus ihnen resultierenden Korrekturen (Abweichung von der Laboreichkurve) möglich ist.Furthermore, in a device for performing the invention Procedure the measuring radiation and the radiation of at least one calibration source over one in front of one Modulator disk arranged rotatable mirror guided, this mirror becomes one out of one around the optical axis Optics and a detector of a radiometer-formed system rotated and is under a certain, fixed predetermined Angle arranged to the optical axis. By means of the The radiation is optionally in one of at least two calibration emitters of known radiation or in Redirected direction to the measurement object. This allows during the use of the radiometer for at least one known Radiation intensity can be calibrated. With two calibration sources the intensities are chosen so that one above and the other below the expected measuring radiation lies. The chronological sequence of these calibrations is chosen so that a linear interpolation for the intermediate times the corrections resulting from them (deviation from the laboratory calibration curve) is possible.
Bei einer zweiten vorteilhaften Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die verspiegelte Modulatorscheibe entfallen; vielmehr wird als Modulator der unter einem bestimmten, fest vorgegebenen Winkel angeordnete Umlenkspiegel verwendet. Hierbei wird der Umlenkspiegel um die optische Achse fortlaufend von einer Stellung, in welcher die Meßstrahlung auf den Detektor umgelenkt wird, in Stellungen, in welchen die Kalibrierstrahlung auf den Detektor umgelenkt wird, so gedreht, daß der Umlenkspiegel eine gewisse Zeit in den einzelnen Stellungen stehenbleibt. Auf diese Weise kann aus den Signalen des Detektors für diese Stellstandzeiten die Strahlungsdifferenz zwischen Meß- und Kalibrierstrahlung sowie zwischen den beiden Kalibrierstrahlungen bestimmt werden.In a second advantageous device for implementation of the method according to the invention is the mirrored modulator disc omitted; rather it is used as a modulator a certain fixed angle Deflecting mirror used. Here, the deflection mirror is around the optical axis continuously from a position in which the measuring radiation is deflected onto the detector, in Positions in which the calibration radiation on the detector is deflected so that the deflecting mirror a certain time remains in the individual positions. On this way, the signals from the detector for this The radiation difference between measurement and Calibration radiation and between the two calibration radiation be determined.
Wenn daher die beiden Kalibrierstrahlungen bekannt sind, ist auf diese Weise für jede einzelne Meßperiode eine Kalibrierung, d. h. eine Eigenkalibrierung gegeben. Vorausgesetzt, daß sich innerhalb eines Spiegelumlaufs weder der Emissionskoeffizient und die Temperatur des Spiegels noch die Verstärkung sowie die Kalibrierstrahlungen ändern, ist das Meßergebnis weder von der vom Spiegel emittierten Strahlung noch von der elektrischen Verstärkung abhängig. Das Meßergebnis wird vielmehr durch die beiden Kalibrierstrahlungen und das Verhältnis der Meßspannungen bei der Kalibrierung und bei der eigentlichen Messung bestimmt.Therefore, if the two calibration radiations are known in this way a calibration for each individual measuring period, d. H. given a self-calibration. Provided, that within a mirror orbit there is neither the emission coefficient and the temperature of the mirror still the gain as well as change the calibration radiation is the measurement result neither from the radiation emitted by the mirror still depends on the electrical amplification. The measurement result is rather through the two calibration radiations and the ratio of the measurement voltages during calibration and determined during the actual measurement.
Dies wird nunmehr anhand der nachstehenden Gleichungen im einzelnen erläutert. In den Gleichungen sind mit SKAL1 und SKAL2 die beiden Kalibrierstrahlungen, mit SMESS die zu messende Strahlung, mit εMO das Emissionsvermögen und mit TMOD die Temperatur des Modulators sowie mit R die elektrische Verstärkung bezeichnet. Die Spannung, die bei der Differenzmessung der Meßstrahlung gegen eine Kalibrierstrahlung erhalten wird, ergibt sich dann zu:This will now be explained in detail using the equations below. In the equations, S KAL1 and S KAL2 denote the two calibration radiations, S MESS the radiation to be measured, ε MO the emissivity and T MOD the temperature of the modulator, and R the electrical amplification. The voltage that is obtained when measuring the difference between the measuring radiation and a calibration radiation then results in:
UMESS = R [(1 - εMO) SKAL1 + εMO S(TMOD) - (1 - εMO) SMESS - εMO S(TMOD)]
= R (1 - εMO) (SKAL1 - SMESS) (1)U MEAS = R [(1 - ε MO ) S KAL1 + ε MO S (T MOD ) - (1 - ε MO ) S MEASURE - ε MO S (T MOD )]
= R (1 - ε MO) (S KAL1 - S MESS) (1)
Die Spannung bei der Differenzmessung der beiden Kalibrierstrahler ergibt sich dann in entsprechender Weise zu:The voltage when measuring the difference between the two calibration sources in a corresponding way it results in:
UKAL = R [(1 - εMO) SKAL2 + εMO S(TMOD)-(1-εMD) SKAL1 - εMO S(TMOD)]
= R (1 - εMO) (SKAL2 - SKAL1) (2)U KAL = R [(1 - ε MO ) S KAL2 + ε MO S (T MOD ) - (1-ε MD ) S KAL1 - ε MO S (T MOD )]
= R (1 - ε MO ) (S KAL2 - S KAL1 ) (2)
Durch eine Quotientenbildung von UMESS/UKAL, d. h. von Gl.'en (1) und (2), läßt sich dann die Meßstrahlung bestimmen zu:The measurement radiation can then be determined by forming the quotient of U MEAS / U KAL , ie Eqs. (1) and (2):
In der Gl. (3) werden zur Bestimmung der zu messenden Strahlung SMESS nur die Kalibrierstrahlungen SKAL1 und SKAL2 und das Verhältnis von UMESS/UKAL benötigt.In the Eq. (3) only the calibration radiation S KAL1 and S KAL2 and the ratio of U MESS / U KAL are required to determine the radiation S MESS to be measured.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigtThe invention is described below on the basis of preferred embodiments with reference to the accompanying drawings explained in detail. It shows
Fig. 1 eine schematisierte, teilweise aufgeschnittene perspektivische Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; Figure 1 is a schematic, partially cutaway perspective view of a first preferred embodiment of a device for performing the method according to the invention.
Fig. 2 eine ebenfalls schematisierte und teilweise aufgeschnittene perspektivische Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; FIG. 2 shows a likewise schematic and partially cut-away perspective illustration of a further preferred embodiment of a device for carrying out the method according to the invention;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Verlaufs eines verstärkten Wechselspannungssignals, welches mit der erfindungsgemäßen Einrichtung nach Fig. 2 erhalten wird, und Fig. 3 is a schematic representation of a course of an amplified AC voltage signal, which is obtained with the device according to the invention according to Fig. 2, and
Fig. 4 eine schematisierte, teilweise aufgeschnittene perspektivische Darstellung einer herkömmlichen, nach dem Wechsellichtverfahren arbeitenden Meßanordnung. Fig. 4 is a schematic, partially cutaway perspective view of a conventional measuring arrangement working according to the alternating light method.
In Erweiterung des aus der DE 23 06 449 bekannten und anhand von Fig. 4 eingangs beschriebenen Radiometers ist in Fig. 1 vor der verspiegelten Modulatorscheibe MO ein drehbarer Spiegel DS angeordnet; der als Umlenkspiegel verwendete Spiegel DS ist unter einem bestimmten, fest vorgegebenen, nicht näher bezeichneten Winkel zur optischen Achse OA des aus der Optik O und dem Detektor D gebildeten Radiometersystems drehbar.In addition to the radiometer known from DE 23 06 449 and described at the beginning with reference to FIG. 4, a rotatable mirror DS is arranged in FIG. 1 in front of the mirrored modulator disc MO; the mirror DS used as a deflecting mirror can be rotated at a specific, fixed, unspecified angle to the optical axis OA of the radiometer system formed from the optics O and the detector D.
Hierbei wird die Strahlung, welche je nach Stellung des drehbaren Spiegels DS entweder aus der Richtung eines Meßobjekts, was durch eine gestrichelt angedeutete, mit MESS bezeichnete Linie angezeigt ist, oder von einem der beiden Kalibrierstrahler KAL1 oder KAL2 kommt, in ein im wesentlichen mit der Optik O und dem Detektor D bestücktes Radiometergehäuse G gelenkt. Durch die angeordnete Modulatorscheibe MO wird dessen Strahlengang periodisch unterbrochen; durch die Modulatorscheibe wird dann stattdessen die Temperaturstrahlung von dem Gehäuse G mit der Optik O und dem Detektor D in sich zurück als Referenzstrahlung gespiegelt.In this case, the radiation, which, depending on the position of the rotatable mirror DS, either comes from the direction of a measurement object, which is indicated by a dashed line denoted by MEAS, or comes from one of the two calibration sources KAL 1 or KAL 2 , in one radiometer housing G equipped with the optics O and the detector D. The beam path is periodically interrupted by the arranged modulator disc MO; the modulator disk then instead reflects the temperature radiation from the housing G with the optics O and the detector D back as reference radiation.
In Fig. 2 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, wobei bei der bevorzugten Ausführungsform in Fig. 2 gegenüber Fig. 1 die verspiegelte Modulatorscheibe entfallen ist. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist der drehbare, als Umlenkspiegel wirkende Spiegel DS als Modulator verwendet. Bei dieser Ausführungsform rotiert der drehbare Spiegel fortlaufend in der Weise um die optische Achse OA, daß er in Stellungen, in welchen die Meßstrahlung bzw. die Kalibrierstrahlung(en) auf den Detektor D umgelenkt werden, der Spiegel regelmäßig eine bestimmte Zeitlang in entsprechenden Stellungen stehen bleibt. Vorzugsweise wird somit der Spiegel DS durch einen nicht näher dargestellten Schrittmotor in der Weise angetrieben, daß er schrittweise in die einzelnen Stellungen gebracht wird und in diesen Stellungen dann eine für einen Meßvorgang erforderliche Zeitspanne stehenbleibt. FIG. 2 shows a further preferred embodiment of a device for carrying out the method according to the invention, the mirrored modulator disk being omitted in the preferred embodiment in FIG. 2 compared to FIG. 1. In the embodiment according to FIG. 2, the rotatable mirror DS, which acts as a deflecting mirror, is used as a modulator. In this embodiment, the rotatable mirror rotates continuously in such a way that it in positions in which the measuring radiation or the calibration radiation (s) are deflected onto the detector D, the mirror is regularly in corresponding positions for a certain time remains. Preferably, the mirror DS is thus driven by a stepper motor, not shown, in such a way that it is brought into the individual positions step by step and then a time period required for a measuring process remains in these positions.
In Fig. 2 erfolgt somit die Modulation durch den drehbaren Spiegel DS selbst. Hierdurch ergibt sich dann ein in Fig. 3 in schematisierter Form dargestellter Signalverlauf, aus welchem für eine Auswertung gemäß Gl. (3) die Spannungen UMESS und UKAL bestimmt werden können. Die Kalibrierstrahlungen SKAL1 und SKAL2 lassen sich aus der Temperatur der Strahler bestimmen, wenn diese beispielsweise als Hohlstrahler ausgebildet sind.In FIG. 2, the modulation is carried out by the rotatable mirror DS itself. This then results in a signal curve shown in FIG. 3 in a schematic form, from which for an evaluation according to Eq. (3) the voltages U MEAS and U CAL can be determined. The calibration radiations S KAL1 and S KAL2 can be determined from the temperature of the emitters if they are designed, for example, as hollow emitters.
Auf diese Weise kann aus Signalen des Detektors, welche während dieser Stillstandzeiten des drehbaren Spiegels erhalten worden sind, die Strahlungsdifferenz zwischen einer Meß- und einer Kalibrierstrahlung und zwischen den beiden Kalibrierstrahlungen bestimmt werden. Dadurch ist für jede einzelne Meßperiode eine Eigenkalibrierung gegeben, wenn die Strahlungen von den beiden Kalibrierstrahlern KAL1 und KAL2 bekannt sind. Das Meßergebnis wird somit lediglich durch die beiden Kalibrierstrahlungen und durch das Verhältnis der Meßspannungen bei einer Kalibrierung und bei einem Meßvorgang bestimmt.In this way, the radiation difference between a measuring and a calibration radiation and between the two calibration radiation can be determined from signals of the detector, which were obtained during these downtimes of the rotatable mirror. This results in a self-calibration for each individual measuring period if the radiation from the two calibration emitters KAL 1 and KAL 2 is known. The measurement result is thus determined only by the two calibration radiations and by the ratio of the measurement voltages during a calibration and during a measurement process.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: DEUTSCHES ZENTRUM FUER LUFT- UND RAUMFAHRT E.V., 5 |
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| 8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: DEUTSCHES ZENTRUM FUER LUFT-UND RAUMFAHRT E.V., 51 |
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