DE69125011T2 - Verfahren und Vorrichtung zur optischen Ferndetektion eines sich in einem beobachteten Raumgebiet befindenden Gases - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur optischen Ferndetektion eines sich in einem beobachteten Raumgebiet befindenden Gases

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Fernerfassung eines Gases, z. B. eines umweltverschmutzenden Gases, das sich in einem beobachteten Raumgebiet befindet.
  • Es ist bekannt, daß Gase insbesondere durch molekulare oder atomare Absorptionslinien bei bestimmten Wellenlängen sehr genau gekennzeichnet sind und daß durch Identifizierung einer oder mehrerer Absorptionslinien die Anwesenheit eines Gases in der Atmosphäre erfaßt werden kann.
  • Hierfür kann ein "LIDAR"-System verwendet werden, das einen Laser umfaßt, der Impulse in Richtung auf ein beobachtetes Raumgebiet bei einer Wellenlänge abgibt, die einer Absorptionslinie des gesuchten Gases entspricht. Die von der Atmosphäre rückgestreuten Signale werden erfaßt und daraus die Anwesenheit oder Abwesenheit des Gases in der Atmosphäre abgeleitet.
  • Dieses bekannte System besitzt eine gewisse Anzahl Nachteile, darunter seine relativ hohen Kosten, sein Gewicht und Platzbedarf, die auf die Wellenlängen der Laserimpulse beschränkte Anwendbarkeit und die mit der Emission von energiereichen Impulsen verbundenen Risiken (Gefahren für das Auge, Explosionsrisiken in bestimmten Umgebungen, z. B. bei Erdöl- oder chemischen Gasen)
  • Es ist auch vorgeschlagen worden, die Anwesenheit eines Gases in der Atmosphäre durch radiometrische oder spektroskopische Techniken zu erfassen, mit denen eine spektrale Verteilung von in einem Wellenlängenbereich empfangener oder übertragener Tatsache basieren, daß ein Gas, das Energie bei einer bestimmten Wellenlänge absorbiert, auch wieder Energie bei dieser Wellenlänge aussendet. Diese Techniken haben jedoch eine sehr variable Empfindlichkeit. Um eine hohe Empfindlichkeit zu erreichen, muß man nämlich das spektrale Emissionsvermögen der Quelle beherrschen und den Sender und den Empfänger auf verschiedenen Seiten des beobachteten Gebiets anordnen oder, wenn der Sender und der Empfänger auf derselben Seite des beobachteten Gebiets liegen, auf der anderen Seite dieses Gebiets einen Reflektor anordnen, was zwei Zugangspunkte zu diesem Gebiet erforderlich macht und den Meßstrahlengang festlegt. In den anderen Fällen, in denen die Eigenschaften des Senders, insbesondere seine Temperatur, nicht beherrscht werden, hängen die erhaltenen Ergebnisse von der Differenz zwischen der Temperatur des Gases und der des Hintergrunds oder der Szene ab, die sich hinter dem Gas befindet und als Sender dient, wobei die Empfindlichkeit null ist, wenn diese Differenz null ist.
  • Aus dem Dokument GB-A-2 176 889 sind Einrichtungen zur optischen Erfassung eines Gases bekannt, die zwei Filter, von denen einer einen Durchlaßbereich hat, der auf einer charakteristischen Absorptionslinie des Gases zentriert ist und von denen der andere einen Durchlaßbereich hat, der Wellenlängen umfaßt, bei denen das zu erfassende Gas keine Absorptionslinie hat oder der aus Wellenlängen besteht, bei denen das zu erfassende Gas keine Absorption aufweist, sowie Einrichtungen zum Bilden des Verhältnisses der von den zwei Filtern gelieferten Signale und gegebenenfalls zum Ableiten der Anwesenheit des gesuchten Gases in dem beobachteten Gebiet verwenden. Diese Einrichtungen können jedoch nur arbeiten, wenn das Gas relativ kühl im Verhältnis zur umgebenden Atmosphäre ist.
  • Aus dem Dokument US-A-4 390 785 sind ferner Einrichtungen zum Erfassen eines Gases in der Atmosphäre bekannt, die zwei Erfassungskanäle, von denen einer für das erfaßte Gas empfindlich ist und der andere nicht, und Einrichtungen zum Bilden des Verhältnisses zwischen den von den zwei Kanälen gelieferten Signalen und zum Ableiten des Vorhandenseins eines Gases in der beobachteten Atmosphäre daraus umfassen, wobei diese Einrichtungen aber nur funktionieren, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen der das gesuchte Gas enthaltenden Atmosphäre und dem Hintergrund der beobachteten Szene besteht.
  • Aus dem Dokument US-A-4 725 733 sind Einrichtungen zum Erfassen des Vorhandenseins von bestimmten Gasen in der Atmosphäre bekannt, die ein Netz von Detektoren in Verbindung mit einem Rad mit Filtern mit unterschiedlichen Durchlaßbereichen, Einrichtungen zum Umsetzen der von den verschiedenen Filtern gelieferten Signale in Thermogramme und Einrichtungen zur vergleichenden Analyse der Kontraste dieser Thermogramme umfassen.
  • Schließlich ist aus dem Dokument Optical Engineering, Band 28 Nr. 8, August 1989, Bellingham US, Seiten 872-880, "Dual imager and its applications to active vision robot welding surface inspection and two-color pyrometry" von Maldague et al. ein Doppelbildgerät bekannt, das zwei parallele Detektoren, die jeder einem Interferenzfilter zugeordnet sind, und Einrichtungen umfaßt, mit denen die Differenz der Ausgangssignale dieser Detektoren gebildet werden kann, mit Anwendungen in der Zweifarbenpyrometrie, der Untersuchung von Oberflächen und Überwachung von automatischem Schweißen bekannt.
  • Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung eines Gases, das sich in einem beobachteten Raumgebiet befindet, die nicht die vorgenannten Nachteile der bekannten Vorrichtungen aufweisen.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art, die eine Fernerfassung eines in einem beobachteten Raumgebiet vorhandenen Gases von einem einzigen Zugangspunkt zu diesem Gebiet aus ermöglichen.
  • Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art, die eine schnelle Erfassung eines in einem beobachteten Raumgebiet vorhandenen Gases in Echtzeit ermöglichen.
  • Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art, die eine Fernüberwachung der atmosphärischen Umgebung eines Gebiets wie etwa einer Industrieanlage, z. B. einer Raffinerie oder einer Fabrik für chemische Erzeugnisse ermöglichen.
  • Zu diesem Zweck wird ein Verfahren zur optischen Fernerfassung eines Gases, z. B. eines umweltverschmutzenden Gases, das sich in einem beobachteten Raumgebiet befindet, vorgeschlagen, das darin besteht, den aus diesem Gebiet stammenden Strahlenfluß in einem Wellenlängenband zu erfassen, das wenigstens eine für das gesuchte Gas charakteristische Absorptionslinie umfaßt, indem für diese Erfassung zwei Filter verwendet werden, die Durchlaßbereiche aufweisen, von denen einer die Absorptionslinie des Gases umfaßt und von denen der andere sie nicht umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Filter ähnliche Durchlaßbereiche aufweisen, von denen der eine die Absorptionslinie des Gases umfaßt und von denen der andere komplementär zu dieser Absorptionslinie ist, und daß das Verfahren darin besteht, die durch wenigstens zwei Punkte oder Bereiche mit verschiedenen Temperaturen des beobachteten Gebiets ausgesendeten Flüsse durch eines der Filter zu erfassen, wobei diese Flüsse das gesuchte Gas durchqueren, die Differenz dieser Flüsse zu bilden, die durch diese zwei Punkte oder Bereiche ausgesendeten Flüsse durch das andere Filter zu erfassen und deren Differenz zu bilden, dann das Verhältnis dieser zwei Differenzen zu bilden und aus diesem die Anwesenheit des gesuchten Gases in dem beobachteten Gebiet abzuleiten.
  • Der so durch das Filter, dessen Durchlaßbereich die charakteristische Absorptionslinie des gesuchten Gases nicht umfaßt, erfaßte Fluß hat einen Wert, der sich durch die Abwesenheit oder Anwesenheit des gesuchten Gases in dem beobachteten Raumgebiet nicht ändert, wohingegen der durch das andere Filter erfaßte Fluß einen Wert hat, der von der Anwesenheit des gesuchten Gases und seiner Konzentration abhängt.
  • Das Verhältnis dieser zwei Flüsse ist abhängig von der Konzentration des gesuchten Gases und hat den Vorteil, in erster Näherung im wesentlichen unabhängig von der Temperatur sowie von der Transmission des optischen Systems der Erfassungsvorrichtung zu sein.
  • Die Differenz dieser zwei Flüsse ist ebenfalls eine Funktion der Konzentration des gesuchten Gases, hängt aber von der Temperatur und den atmosphärischen Bedingungen ab. Es ist daher wesentlich vorteilhafter, die Anwesenheit des gesuchten Gases aus dem Verhältnis der sequentiell durch die zwei vorgenannten Filter erfaßten Flüsse als aus der Differenz dieser Flüsse abzuleiten.
  • Über die Differenz der durch ein und dasselbe Filter erfaßten, aus zwei Punkten oder Bereichen mit unterschiedlicher Temperatur des beobachteten Gebiets stammenden Flüsse wird die Eigenemission des gesuchten Gases eliminiert (die die Empfindlichkeit der vorgenannten radiometrischen Techniken erheblich beeinträchtigt), und aus dem Verhältnis dieser Differenzen wird ein Ergebnis erhalten, das unabhängig von den Temperaturen dieser zwei Punkte oder Bereiche und dem Abstand dieser Temperaturen ist.
  • Diese Verarbeitung kann verallgemeinert werden auf eine Anordnung von Punkten oder Bereichen, die in vorgegebener Weise in dem beobachteten Gebiet verteilt sind, um eine Kartographie der Konzentration des Gases in dem beobachteten Gebiet zu erhalten.
  • Vorteilhafterweise besteht das erfindungsgemäße Verfahren darin, eine Kamera oder ein thermisches Bildgerät zu verwenden, um die vorgenannten Flüsse zu erfassen, und die von der Kamera oder dem thermischen Bildgerät gelieferten elektrischen Signale, die den vorgenannten Flüssen entsprechen, in der vorgenannten Weise zu verarbeiten.
  • Diese Signale können digitalisiert und in ein Informationsverarbeitungssystem eingegeben werden, das durch Integration lokale oder geographische Mittelwerte und zeitliche Mittelwerte der Signale realisiert, um das Geräusch zu verringernund die Genauigkeit der Messung zu erhöhen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Erfassung von zwei verschiedenen Gasen in dem beobachteten Gebiet verwendet werden und besteht dann darin, zwei Filter zu verwenden, die hinsichtlich der Wellenlängen ähnliche Durchlaßbereiche haben, wobei derjenige von einem dieser Filter komplementär zu einer für eines der zwei Gase charakteristischen Absorptionslinie ist und derjenige des anderen Filters komplementär zu einer für das andere der Gase charakteristischen Absorptionslinie ist, und die Anwesenheit des einen oder des anderen Gases in dem beobachteten Gebiet auf der Grundlage des Wertes des Verhältnisses der durch das eine und durch das andere der Filter ermittelten Flüsse abzuleiten.
  • Wenn der Wert des Verhältnisses der Flüsse zunimmt, wird die Anwesenheit des einen der zwei gesuchten Gase erfaßt, und wenn der Wert dieses Verhältnisses abnimmt, wird die Anwesenheit des anderen Gases erfaßt.
  • Als Abwandlung können zwei Filter verwendet werden, von denen eines einen Durchlaßbereich hat, der die Absorptionslinien der zwei gesuchten Gase umfaßt und von denen das andere einen Durchlaßbereich hat, der komplementär zu diesen Absorptionslinien ist, und kann die Anwesenheit des einen oder des anderen Gases auf Grundlage des Wertes des Verhältnisses der durch das eine und durch das andere der Filter erfaßten Flüsse abgeleitet werden.
  • Erfindungsgemäß wird auch eine Vorrichtung zur optischen Fernerfassung eines Gases in einem beobachteten Raumgebiet vorgeschlagen, wobei diese Vorrichtung insbesondere die Durchführung des genannten Verfahrens ermöglicht und eine Kamera oder ein thermisches Bildgerät, die bzw. das wenigstens ein Element, welches auf Strahlenflüsse in einem bestimmten Wellenlängenbereich empfindlich ist, und eine Optik, die es gestattet, ein Bild von wenigstens einem Teildes beobachteten Gebietes auf dem empfindlichen Element zu bilden, aufweist, wenigstens zwei Filter, welche auf der optischen Achse der Kamera oder des thermischen Bildgerätes für die Erfassung der Strahlenflüsse des beobachteten Gebiets durch das eine oder das andere der Filter angeordnet werden können, wobei diese Filter Durchlaßbereiche in dem vorgenannten Wellenlängenbereich aufweisen, wobei derjenige von einem Filter wenigstens eine Absorptionslinie des gesuchten Gases einschließt und derjenige von dem anderen Filter diese Absorptionslinie nicht einschließt, und Einrichtungen zur Verarbeitung der von durch das oder die empfindlichen Elemente gelieferten Signale umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter ähnliche Durchlaßbereiche aufweisen, von denen der eine die Absorptionslinie des Gases umfaßt und von denen der andere komplementär zu dieser Absorptionslinie ist, und daß die Vorrichtung Einrichtungen zur Auswahl der Signale, die durch das oder die empfindlichen Elemente geliefert sind und den Flüssen von wenigstens zwei Punkten oder Bereichen mit unterschiedlichen Temperaturen des beobachteten Gebiets entsprechen, wobei die Flüsse dieser zwei Punkte oder Bereiche durch das gesuchte Gas erfaßt sind, Einrichtungen zur Bildung der Differenzen der Flüsse dieser durch das eine und das andere der Filter erfaßten Flüsse von diesen zwei Punkten und Einrichtungen zur Bildung des Verhältnisses dieser Differenzen umfaßt.
  • Diese Vorrichtung kann auch Einrichtungen zum Vergleich der Flüsse von benachbarten Bereichen des beobachteten Gebiets zum Erhalt der Differenzen zwischen diesen durch eines der Filter erfaßten Flüsse und der Differenzen zwischen diesen durch das andere Filter erfaßten Flüsse, Einrichtungen zur Bildung der Verhältnisse zwischen diesen Differenzen und Einrichtungen zum Vergleich dieser Verhältnisse umfassen, um eine Kartographie der Konzentration des Gases in dem beobachteten Gebiet zu bilden.
  • Allgemein haben die Durchlaßbereiche der genannten Filter Breiten, die hinsichtlich der Wellenlängen so festgelegt sind, daß die von der Kamera oder dem thermischen Bildgerät empfangenen Flüsse einen linearen Antwortbereich der Kamera oder des thermischen Bildgerätes entsprechen.
  • So wird vermieden, unter Bedingungen zu arbeiten, wo die empfangenen Flußpegel zu gering oder zu hoch sind (Sättigung des oder der empfindlichen Elemente).
  • Die Erfindung ist besser zu verstehen anhand der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung, aus der andere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung deutlicher hervorgehen und die als Beispiel mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird.
  • - Fig. 1 stellt sehr schematisch eine erfindungsgemäße Gaserfassungsvorrichtung dar;
  • - Fig. 2 ist ein Graph, der schematisch die Gestalt einer Absorptionslinie eines Gases darstellt;
  • - Fig. 3 und 4 stellen schematisch die Durchlaßbereiche von zwei Filtern als Funktion der Wellenlänge dar;
  • - Fig. 5 stellt schematisch die Anderung des Ausgangssignals einer Kamera oder eines thermischen Bildgerätes in Abhängigkeit von der Temperatur dar;
  • - Fig. 6 ist ein Graph, der die Absorptionslinien von zwei gesuchten Gasen darstellt;
  • - Fig. 7 ist ein Graph, der den Durchlaßbereich eines Filters darstellt, das für die Erfassung dieser zwei Gase verwendet werden kann.
  • Zunächst wird Bezug genommen auf Fig. 1, in der schematisch eine erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung und ihre Anwendungsbedingungen dargestellt sind. Diese Vorrichtung umfaßt eine Kamera oder ein Wärmebildgerät 10, die/das im wesentlichen ein optisches System 12, ein Filter F und wenigstens ein empfindliches Element 16 umfaßt, auf den das optische System 12 durch das Filter F ein Bild eines beobachteten Raumgebiets erzeugt, das z. B. eine Wolke 18 eines gesuchten Gases und eine Hintergrundszene 20 umfaßt.
  • Die Kamera kann z. B. eine Fernsehkamera oder dergleichen sein, wenn im sichtbaren Spektralbereich gearbeitet wird, oder sie kann eine Thermographiekamera sein, also ein Gerät, das direkt Messungen der Temperaturen der angepeilten Gebiete liefern kann. Unter "thermischem Bildgerät" wird allgemein ein Gerät verstanden, das in der Lage ist, ein Bild der Temperatur eines angepeilten Gebiets, d. h. ein Bild, dessen Farbe oder Graudichte in Abhängigkeit von der Temperatur des angepeilten Punkts variiert, zu liefern.
  • Je nach Fall und in Abhängigkeit von den Wellenlängen, bei denen die Messungen oder Erfassungen durchgeführt werden, umfaßt die Kamera oder das thermische Bildgerät ein einziges empfindliches Element, dem ein System von Rasterspiegeln zugeordnet ist, oder eine Gruppe oder eine Matrixanordnung von empfindlichen Elementen, die es eventuell gestattet, das System von Rasterspiegeln fortzulassen.
  • Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung werden die Ausgangssignale des oder der empfindlichen Elemente 16 über einen Analog-Digital-Wandler 22 in ein Informationsverarbeitungssystem 24 wie etwa einen programmierten Mikrocomputer eingegeben.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt tatsächlich zwei Filter F, die sequentiell und der Reihe nach oder in Überlagerung auf der optischen Achse der Kamera oder des thermischen Bildgeräts zwischengeschoben werden, z. B. mit Hilfe eines motorisierten Systems.
  • Diese zwei Filter haben Durchlaßbereiche mit Wellenlängen, die sich zu großen Teilen überschneiden und die vorzugsweise global ähnlich sind, von denen aber eine eine Absorptionslinie des zu erfassenden Gases einschließt, und von denen die andere im wesentlichen komplementär zu dieser Absorptionslinie ist. Dieser Begriff wird später mit Bezug auf Fig. 2 und 4 genauer erläutert.
  • Fig. 2 zeigt schematisch die Anderung der Transmission τ des zu erfassenden Gases in einem bestimmten Bereich von Wellenlängen λ, wobei die Transmissionskurve einer Absorptionslinie 26 bei einer Wellenlänge λ1 aufweist, wobei die Amplitude dieser Absorptionslinie von der Konzentration des Gases abhängt und ihre Breite z. B. in der Größenordnung von einigen Zehn oder einigen Hundert nm liegt.
  • Fig. 3 zeigt schematisch die Transmissionskurve eines der zwei in der Erfindung verwendeten Filter als Funktion der Wellenlänge, z. B. eines ersten Filters, das mit dem Bezugszeichen F1 bezeichnet ist. Dieser Durchlaßbereich schließt die Wellenlänge λ1 der Absorptionslinie des zu erfassenden Gases ein und erstreckt sich über einen Wellenlängenbereich, der größer als die Breite der Absorptionslinie 26 des zu erfassenden Gases ist. Das andere in der Erfindung verwendete Filter, das mit dem Bezugszeichen F2 bezeichnet ist, hat einen Durchlaßbereich, dessen Gestalt in Fig. 4 dargestellt ist, der die Wellenlänge λ1 der Absorptionslinie 26 des zu erfassenden Gases nicht enthält und der in gewisser Weise in Bezug auf den in Fig. 3 dargestellten Durchlaßbereich des Filters F1 komplementär zu dieser Absorptionslinie ist.
  • Wenn das Filter F1 auf der optischen Achse der Kamera oder des thermischen Bildgeräts 10 angeordnet ist, ist der vom empfindlichen Element empfangene Strahlungsfluß abhängig von der Anwesenheit oder Abwesenheit einer Wolke 18 zu erfassenden Gases in dem beobachteten Gebiet und ist außerdem abhängig von der Konzentration dieses Gases.
  • Wenn hingegen das Filter F2 auf der optischen Achse der Kamera oder des thermischen Bildgeräts 10 angeordnet ist, ist der Fluß, den es zum empfindlichen Element durchläßt, unabhängig von der Anwesenheit oder Abwesenheit einer Wolke 18 zu erfassenden Gases in dem beobachteten Gebiet.
  • Das Verhältnis der sequentiell dem empfindlichen Element durch das Filter F1 und dann durch das Filter F2 gelieferten Flüsse liefert eine Größe, die eine Funktion der Konzentration des zu erfassenden Gases in dem beobachteten Gebiet ist, die aber unabhängig von der Temperatur und der Transmission des optischen Systems ist.
  • Als Variante kann man auf der optischen Achse das Filter F1 anordnen und die Messungen durchführen, dann das Filter F2 auf der optischen Achse anordnen, wobei das Filter F1 am Ort belassen wird, und die Messungen wiederholen.
  • Wenn man ferner durch die Filter F1, F2 die von zwei Punkten oder Bereichen P1 und P2 mit unterschiedlichen Temperaturen des beobachteten Gebiets gelieferten Flüsse sequentiell erfaßt, wobei diese zwei Punkte oder Bereiche von der Kamera oder dem thermischen Bildgerät 10 durch die Wolke 18 des zu erfassenden Gases gesehen werden, kann man sich von der Eigenemission der Gaswolke 18 befreien, indem man die Differenz der Flüsse von den zwei Punkten P1 und P2 durch das Filter F1 und dann durch das Filter F2 bildet und anschließend das Verhältnis dieser Differenzen bildet.
  • Der von den Punkten P1 und P2 durch die Gaswolke 18 in Richtung auf die Kamera oder das thermische Bildgerät durchgelassenen Flüsse können in folgender Weise geschrieben werden:
  • Φ&sub1; = Φp1 x τg + Φg
  • Φ&sub2; = Φp2 x τg + Φg
  • wobei
  • Φp1 der vom Punkt P1 bei der Temperatur T1 abgegebene Fluß,
  • Φp2 der vom Punkt P2 bei der Temperatur T2 abgegebene Fluß,
  • τg die Transmission der Gaswolke 18, und
  • Φg der von der Gaswolke bei der Temperatur Tg abgegebene Fluß ist.
  • Die Differenz Δ dieser Flüsse Φ&sub1; und Φ&sub2; ist somit unabhängig vom von der Gaswolke 18 abgegebenen Fluß:
  • Δ = Φ&sub1; - Φ&sub2; = (Φp1 - Φp2) x τg
  • Es seien D1 die Differenz der Ausgangssignale des empfindlichen Elements 16, die den durch das Filter F1 empfangenen Elüssen Φ&sub1; und Φ&sub2; entsprechen, und D2 die Differenz dieser Ausgangssignale, die den durch das Filter F2 empfangenen Flüssen Φ&sub1; und Φ&sub2; entsprechen.
  • Diese Differenzen D1 und D2 können durchfolgende Beziehungen angenähert werden:
  • D1 = G x (Δλ&sub1; - Δλg (1 - τg)) (T&sub1;&sup4; - T&sub2;&sup4;)
  • D2 = G x Δλ&sub2; x (T&sub1;&sup4; - T&sub2;&sup4;),
  • wobei
  • G die globale Verstärkung der Kamera oder des thermischen Bildgeräts,
  • Δλ&sub1; die Wellenlängenbreite des Durchlaßbereichs des Filters F1,
  • Δλ&sub2; die Wellenlängenbreite des Durchlaßbereichs des Filters F2,
  • Δλg die Wellenlängenhalbbreite der Absorptionslinie des zu erfassenden Gases und
  • die Stefan'sche Konstante ist.
  • Man erkennt, daß das Verhältnis D1/D2 unabhängig von der globalen Verstärkung der Kamera oder des thermischen Bildgeräts, von der Temperaturabweichung zwischen den Punkten P1 und P2, den Temperaturen dieser Punkte und der Temperatur des zu erfassenden Gases ist.
  • Wenn eine Fernsehkamera für Erfassungen von Gasen im sichtbaren Bereich verwendet wird, umfaßt diese Kamera im allgemeinen drei Matrizen von empfindlichen Elementen (eine pro Grundfarbe), von denen jede einem Farbfilter zugeordnet ist. Diese Farbfilter können durch erfindungsgemäße Filter ersetzt werden, wodurch auf ein motorisiertes System zum Bewegen der Filter verzichtet werden kann und wodurch außerdem gleichzeitige Erfassungen von Flüssen durch die verschiedenen Filter ermöglicht werden.
  • In allen anderen Fällen können diese Flüsse gleichzeitig erfaßt werden, indem zwei empfindliche Elemente oder zwei Gruppen von empfindlichen Elementen parallel benutzt werden, wobei jedes Element oder jede Gruppe von Elementen einem genannten Filter zugeordnet ist.
  • Um das Rauschen bei der Erfassung zu verringern und die Genauigkeit der Messungen zu erhöhen, sieht die Erfindung außerdem vor, mit Hilfe des Informationsverarbeitungssystems 24 lokale oder geographische Mittelwerte der von dem oder den empfindlichen Elementen gelieferten Signale zu bilden, die den von in unmittelbarer Nachbarschaft der Punkte P1 bzw. P2 liegenden Punkten oder von in den Bereichen P1 und P2 enthalten en Punkten empfangenen Flüssen entsprechen, und auch einen zeitlichen Mittelwert dieser Signale über einen vorgegebenen Zeitraum zu bilden.
  • Die Erfindung sieht ferner vor, das beobachtete Gebiet in Meßbereiche zu unterteilen, durch ein erstes Filter die von mehreren Punkten jedes Bereichs ausgesandten Flüsse zu messen und einen Mittelwert der erfaßten Flüsse in diesem Bereich zu bilden, den Mittelwert für einen Bereich mit den Mittelwerten für die benachbarten Bereiche zu vergleichen und die Differenzen zwischen diesen Mittelwerten für sämtliche Bereiche des beobachteten Gebiets zu erhalten und diese Operationen ebenfalls mit dem zweiten Filter durchzuführen, um andere Differenzen von Mittelwerten für sämtliche Meßbereiche zu erhalten, die Verhältnisse zwischen den Differenzen von mit dem ersten Filter erhaltenen Mittelwerten und den Differenzen von mit dem zweiten Filter erhaltenen Mittelwerten zu bilden und von den Werten dieser Verhältnisse eine Kartographie der Konzentration des Gases in dem beobachteten Gebiet abzuleiten. Vor dem Bilden des Verhältnisses wird überprüft, daß die genannten Differenzen nicht null sind.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die Filter F1 und F2 im Verhältnis zur Absorptionslinie 26 des zu erfassenden Gases relativ breite Durchlaßbereiche haben, so daß die von der Kamera oder dem thermischen Bildgerät 10 empfangenen Flußpegel einer im wesentlichen linearen Antwort des oder der empfindlichen Elemente 16 entsprechen.
  • Außerdem sind diese Filter mit relativ breitem Durchlaßbereich gemäß der Erfindung wenig ausstrahlend und können ohne Kühlung verwendet werden, was einen weiteren erheblichen praktischen Vorteil im Vergleich zu herkömmlicherweise in radiometrischen und spektroskopischen Techniken eingesetzten schmalbandigen Filtern darstellt.
  • Zur Veranschaulichung ist in Fig. 5 die Änderung des Ausgangssignals (in Volt) eines solchen empfindlichen Elements als Funktion der Temperatur dargestellt. Es muß vermieden werden, daß die Arbeitspunkte den Bereichen A und B der Kurve entsprechen, und die Breite der Durchlaßbereiche der Filter F1 und F2 ist so bestimmt, daß man sich im Bereich C der Kurve befindet.
  • Wenn die Anwesenheit von zwei verschiedenen Gasen in der Atmosphäre erfaßt werden soll, von denen eines G1 eine Absorptionslinie bei einer Wellenlänge λ1 und das andere G2 eine Absorptionslinie bei einer Wellenlänge λ2 aufweist, wie schematisch in Fig. 6 gezeigt, können hierfür ein Filter, dessen Durchlaßbereich die zwei Wellenlängen λ1 und λ2 umfaßt, und ein Filter, dessen Durchlaßbereich komplementär zu den Absorptionslinien bei den Wellenlängen λ1 und λ2 ist, verwendet werden, wie schematisch in Fig. 7 gezeigt. In diesem Fall kann aus dem Wert des Verhältnisses D1/D2 die Anwesenheit des einen und/oder des anderen Gases in dem beobachteten Gebiet abgeleitet werden, ohne jedoch dasjenige Gas identifizieren zu können, das in diesem Gebiet vorhanden ist.
  • Es können auch zwei Filter verwendet werden, von denen einer einen zur Absorptionslinie des Gases G1 mit der Wellenlänge λ1 komplementären Durchlaßbereich und der andere einen zur Absorptionslinie des Gases G2 mit der Wellenlänge λ2 komplementären Durchlaßbereich hat. In diesem Fall kann aus dem Wert des Verhältnisses D1/D2 dasjenige der zwei Gase identifiziert werden, das in dem beobachteten Gebiet vorhanden ist, weil der Wert dieses Verhältnisses in Anwesenheit eines der Gase zunimmt und in Anwesenheit des anderen Gases abnimmt.
  • Zur Erfassung von mehreren verschiedenen Gasen in dem beobachteten Gebiet können auch Filter verwendet werden, von denen jedes einen zu einer charakteristischen Absorptionslinie eines zu erfassenden Gases komplementären Durchlaßbereich hat. In diesem Fall müssen die sequentiell durch die Filter erfaßten Flüsse paarweise verglichen werden und anhand der Werte der Verhältnisse Di/Dj können das oder die in dem beobachteten Gebiet erfaßten Gase identifiziert werden.
  • Im allgemeinen ist eine Kamera oder ein thermisches Bildgerät bereits mit einem Filter ausgestattet, das wenigstens unter bestimmten Bedingungen dem Filter F1 äquivalent ist, das die Absorptionslinie des zu erfassenden Gases einschließt. Man könnte sich daher damit begnügen, ein einziges Filter F2 zu verwenden und Messungen durchzuführen, wenn dieses Filter auf der optischen Achse der Kamera oder des thermischen Bildgeräts angeordnet ist und wenn es aus dieser optischen Achse entfernt ist. Diese Variante verläßt daher nicht den Rahmen der Erfindung.

Claims (13)

1. Verfahren zur optischen Fernerfassung eines Gases, zum Beispiel eines umweltverschmutzenden Gases, das sich in einem beobachteten Raumgebiet befindet, welches darin besteht, den aus diesem Gebiet stammenden Strahlenfluß in einem Wellenlängenband zu erfassen, das wenigstens eine für das gesuchte Gas charakteristische Absorptionslinie (26) umfaßt, indem für diese Erfassung zwei Filter F1 und F2 verwendet werden, die Durchlaßbereiche aufweisen, von denen der eine die Absorptionslinie des Gases umfaßt und von denen der andere sie nicht umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Filter F1 und F2 ähnliche Durchlaßbereiche aufweisen, von denen der eine die Absorptionslinie des Gases umfaßt und von denen der andere komplementär zu dieser Absorptionslinie ist, und daß das Verfahren darin besteht, die durch wenigstens zwei Punkte oder Bereiche P1, P2 mit verschiedenen Temperaturen des beobachteten Gebietes ausgesenceten Flüsse durch eines der Filter zu erfassen, wobei diese Flüsse das gesuchte Gas durchqueren, die Differenz dieser Flüsse zu bilden, die durch diese zwei Punkte oder Bereiche ausgesendeten Flüsse durch das andere Filter zu erfassen und deren Differenz zu bilden, dann das Verhältnis dieser zwei Differenzen zu bilden und aus diesem die Anwesenheit des gesuchten Gases in dem beobachteten Gebiet abzuleiten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, die vorerwähnten Flüsse durch eines der Filter F1, dann durch die überlagerten zwei Filter F1, F2 zu erfassen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, eine Kamera oder ein thermisches Bildgerät (10) zu verwenden, um die vorerwähnten Flüsse zu erfassen, und die elektrischen Signale, die durch die Kamera oder das thermische Bildgerät geliefert werden und den vorerwähnten Flüssen entsprechen, auf die vorerwähnte Weise zu verarbeiten.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, die durch die Kamera oder das thermische Bildgerät (10) gelieferten Signale zu digitalisieren, die digitalisierten Signale an ein System (24) zur Verarbeitung der Information anzulegen und durch Integration mittels dieses Systemes lokale oder geographische Mittelwerte und zeitliche Mittelwerte der Signale zu realisieren, um das Geräusch zu reduzieren und die Genauigkeit der Messung zu erhöhen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, die Flüsse von verteilten Bereichen durch das eine oder das andere der Filter auf vorbestimmte Weise in dem beobachteten Gebiet zu erfassen, den Fluß des einen Bereiches mit den Flüssen von benachbarten Bereichen zu vergleichen, um erste Differenzen zwischen den durch eines der Filter erfaßten Flüssen und zweite Differenzen zwischen den durch das andere Filter erfaßten Flüssen zu erhalten, und aus den Verhältnissen zwischen den ersten Differenzen und den zweiten Differenzen eine Kartographie der Konzentration des Gases in dem beobachteten Gebiet abzuleiten.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Erfassung von zwei unterschiedlichen Gasen in dem beobachteten Gebiet darin besteht, zwei Filter zu verwenden, die ähnliche Durchlaßbereiche aufweisen, wobei derjenige von einem dieser Filter komplementär zu einer für eines der zwei Gase charakteristischen Absorptionslinie ist und derjenige des anderen Filters komplementär zu einer für das andere der Gase charakteristischen Absorptionslinie ist, und die Anwesenheit des einen oder des anderen Gases in dem beobachteten Gebiet auf der Grundlage des Wertes des Verhältnisses der durch das eine und durch das andere der Filter ermittelten Flüsse abzuleiten.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es für die Erfassung von zwei verschiedenen Gasen in dem beobachteten Gebiet darin besteht, zwei Filter zu verwenden, die ähnliche Durchlaßbereiche aufweisen, wobei derjenige von einem der Filter eine zu dem einen der zwei Gase charakteristische Absorptionslinie und eine andere zu dem anderen Gas charakteristische Absorptionslinie umfaßt, der Durchlaßbereich des anderen Filters komplementär zu diesen Absorptionslinien ist, und die Anwesenheit des einen oder des anderen Gases in dem beobachteten Gebiet auf der Grundlage des Wertes des Verhältnisses der durch das eine und das andere der Filter erfaßten Flüsse abzuleiten.
8. Vorrichtung zur optischen Fernerfassung eines, zum Beispiel umweltverschmutzenden, Gases in einem beobachteten Raumgebiet, wobei diese Vorrichtung insbesondere die Durchführung des in einen der vorhergehenden Ansprüche beschriebenen Verfahrens gestattet und eine Kamera oder ein thermisches Bildgerät (10), die bzw. das wenigstens ein Element (16), welches auf Strahlenflüsse in einem bestimmten Wellenlängenbereich empfindlich ist, und eine Optik (12), welche gestattet, ein Bild von wenigstens einem Teil des über das empfindliche Element beobachteten Gebietes zu bilden, wenigstens zwei Filter F1, F2, welche auf der optischen Achse der Kamera oder des thermischen Bildgerätes für die Erfassung der Strahlenflüsse des durch das eine und durch das andere der Filter beobachteten Gebietes angeordnet werden können, umfaßt, wobei diese Filter Durchlaßbereiche in dem vorerwähnten Wellenlängenbereich aufweisen, wobei derjenige von einem Filter wenigstens eine Absorptionslinie des gesuchten Gases einschließt und derjenige von dem anderen Filter diese Absorptionslinie nicht einschließt, und Einrichtungen (24) zur Verarbeitung von durch das oder die empfindlichen Elemente (16) gelieferten Signale umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter F1 und F2 ähnliche Durchlaßbereiche aufweisen, von denen der eine die Absorptionslinie des Gases umfaßt und von denen der andere komplemetär zu dieser Absorptionslinie ist, und daß die Vorrichtung Einrichtungen zur Auswahl der Signale, die durch das oder die empfindlichen Elemente (16) geliefert sind und den Flüssen von wenigstens zwei Punkten oder Bereichen P1 und P2 mit unterschiedlichen Temperaturen des beobachteten Gebietes entsprechen, wobei die Flüsse dieser zwei Punkte oder Bereiche durch das gesuchte Gas erfaßt sind, Einrichtungen zur Bildung von Differenzen der Flüsse dieser durch das eine, dann das andere der Filter erfaßten zwei Punkte oder Bereiche und Einrichtungen zur Bildung des Verhältnisses dieser Differenzen umfaßt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie Einrichtungen zum Vergleich der Flüsse von benachbarten Bereichen des beobachteten Gebietes zum Erhalt der Differenzen zwischen diesen durch eines der Filter erfaßten Flüsse und der Differenzen zwischen diesen durch das andere Filter erfaßten Flüsse, Einrichtungen zur Bildung der Verhältnisse zwischen diesen Differenzen und Einrichtungen zum Vergleich dieser Verhältnisse umfaßt, um eine Kartographie der Konzentration des Gases in dem beobachteten Gebiet zu bilden.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß es Einrichtungen (22) zur Digitalisierung von durch das oder die empfindlichen Elemente (16) gelieferten Signale und Einrichtungen (24) zur Verarbeitung der diese digitalisierten und programmierten Signale empfangenden Information umfaßt, um diese Signale auf die vorerwähnte Weise zu verarbeiten.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß für die Erfassung eines in dem beobachteten Gebiet vorhandenen und durch eine andere Absorptionslinie in dem vorerwähnten Wellenlängenbereich charakterisierten zweiten Gases die Durchlaßbereiche der vorerwähnten zwei Filter F1, F2 zum einen komplementär zu der Absorptionslinie des ersten Gases und zum anderen komplementär zu der Absorptionslinie des zweiten Gases sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß für die Erfassung von in dem beobachteten Gebiet vorhandenen und durch weitere Absorptionslinien in dem vorerwähnten Wellenlängenbereich charakterisierten weiteren Gasen die Durchlaßbereiche der zwei vorerwähnten Filter bestimmt sind, damit der eine die Absorptionslinien der gesuchten Gase einschließt und der andere komplementär zu diesen Absorptionslinien ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaßbereiche der vorerwähnten Filter Längen aufweisen, die in Wellenlängen bestimmt sind, damit die durch die Kamera oder das thermische Bildgerät empfangenen Flüsse einem linearen Antwortbereich der Kamera oder des thermischen Bildgerätes entsprechen.
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