NO163653B - Laser-radiometer. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører temperaturmåling av fjerntliggende utstrålende kilde, nærmere bestemt et radiometer kombinert med et langtrekkende reflektometer for nøyaktig måling av temperaturen av slik fjerntliggende utstrålende kilde.

En slik temperaturmålingsanordning for temperaturmåling av en fjerntliggende utstrålende kilde kan omfatte detektormiddel anordnet til å oppfange termisk strålning utsendt fra nevnte utstrålende kilde og å indikere kvantitativt den tilsynelatende temperatur for den utstrålende kilden, lasermiddel som har en hovedutmatning på bølgelengde X for å bestråle nevnte utstrålende kilde med nevnte laserutmatning, hvorpå nevnte laserutmatning blir diffust reflektert fra overflaten av nevnte utstrålende kilde, og fotodetektormiddel anordnet til å detektere diffust reflektert laserstrålning fra nevnte utstrålende kilde for å frembringe en kvantitativ indikasjon av strålningsevnen for den laser-bestrålte overflaten av nevnte ustrålende kilde for å kompensere den tilsynelatende temperaturen hos den utstrålende kilde i samsvar med den detekterte strålningsevnen for nevnte laser-bestrålte. overflate til å tilveiebringe en aktuell temperaturverdi for den utstrålende kilden.

Oppfinnelsen omfatter dessuten en fremgangsmåte for å måle temperaturen hos en fjerntliggende utstrålende kilde, omfattende trinnene å oppfange termisk strålning utsendt fra nevnte utstrålende kilde og følgelig indikere kvantitativt den tilsynelatende temperaturen for den utstrålende kilden, å bestråle nevnte utstrålende kilde med laserstrålning som har en hovedbølgelengde X, hvorpå nevnte laserutmatning blir diffust reflektert fra overflaten av nevnte ustrålende kilde, og diffust å detektere reflektert laserstrålning. fra nevnte ustrålende kilde for å frembringe en kvantitativ indikasjon av strålningsevnen for den laserbestrålte overflaten hos nevnte utstrålende kilde for å kompensere den tilsynelatende temperatur hos den utstrålende kilden ifølge den detekterte utstrålningsevnen for nevnte laser-bestrålte overflate for å gl en aktuell temperaturverdl for den utstrålende kilden.

Alle legemer med temperaturer over det absolutte nullpunkt har en utstråling. Ved lave temperaturer ligger emisjons-toppene i det infrarøde strålingsområde. Ved høyere temperaturer forskyves den utsendte stråling mot kortere bølgelengder, med toppen i det synlige spektrum for temperaturer som nærmer seg solens. Konvensjonelle radiometre, som brukes til temperaturmåling, fanger opp varmestråling som sendes ut fra en strålingskilde. En kalibrert termosøyle eller fotodetektor reagerer på den oppfangede strålingen og produserer et elektrisk signal som er et mål på strålings-kildens temperatur. Radiometriske temperaturmålingsanord-ninger er noenlunde nøyaktige under ideelle eller spesifikke forhold. Men særegenhetene av den varmestråling som sendes ut av strålingskilden avhenger ikke bare av kildens temperatur, men også av kildeoverflatens emisjonsevne. Nøyaktig temperaturmåling ved radiometriske teknikker forutsetter enten kjennskap til eller måling av emisjonsevnen, som i seg selv er en funksjon av temperatur og bølgelengde. Foreliggende oppfinnelse sørger for denne nødvendige forutsetning ved direkte måling av emisjonsevnen av gjenstandens overflate og regulering eller kompensasjon av de radiometriske målinger for bestemmelse av gjenstandens virkelige temperatur. Anvendelsen av optiske radiometre for temperaturmåling har også vært begrenset til bestemte bølgelengdeområder som følge av forstyrrende media, slik som avgasser fra en oppfyrt ovn. Dette problem blir typisk minimalisert ved at innsnevring av deteksjons-spektralbredden til et spektralområde, hvor det medium som kommer mellom målet og radiometret har minimal infrarød absorpsjon. Dette oppnås konvensjonelt ved spektralfiltrering. En mangel ved slike teknikker er at det konvensjonelle filterets båndbredde gjerne overstiger spektrallinjeavstanden av de molekylære gasser med en størrelsesorden, med den følge at det vanligvis er molekylære resonanser innenfor et valgt filterbånd.

Den effektive optiske tetthet av gassen som befinner seg mellom radiometret og målet avhenger av antallet og styrken av de molekylære resonanser innenfor en gitt filterbånd-bredde, og av antallet molekyler pr. tverrsnittsareal langs betraktningsbanen.

I tilfeller hvor denne effektive optiske tetthet er for stor til å ignoreres i radiometermålingen, kan man ty til heterodynregistrering som gir en ultrasmal radiometer-båndbredde. Sentrumfrekvensen av dette radiometerbånd kan avstemmes, slik at man fullstendig unngår de molekylære resonanser fra den forstyrrende gass.

Teknologien på området har hittil erkjent fordelene ved heterodyn blanding av et objektsignal med et koherent lasersignal for økning av registreringsevnen innenfor et smalt spektralområde. I en teknisk publikasjon "Heterodyne Detection of a Weak Light Beam", Journal of the Optical Society of America, bd. 56, nr. 9, s 1200-1206, september 1966, beskriver L. Mandel f.eks. bruk av laser-hetero-dynteknikker for detektering av en svak, spektralt smal lysstråle fra en fjern kilde. Heterodynprinsippet ble også brukt for detektering av 10 pm utsending av CO2 molekyler i atmosfæren for planeten Venus; "Heterodyn Detection of C02 Emission Lines and Vind Velocities in the Atmosphere of Venus", A.L. Beltz, M.A. Johnson, R.A. McLaren og E.C. Sutton, Astrophysical Journal 208, s L 141-L 144 (15. september 1876).

I TJS-patent 3.745.830 blir den tilsynelatende temperatur av jorden som bestemt fra en flyundersøkelse som anvender et antenneinfrarødt radiometer korrigert til en sann verdi i overensstemmelse med en målt verdi av utstrålningsevne fra jordoverflaten. Utstrålningsevnemålingen skjer ved å rette en pulset laserstråle fra fly som er i bevegelse mot jordoverflaten og å detektere på flyet en del av laserstrålningen som spres fra den laserbestrålte jordoverflaten til å bestemme overflatens refleksjonsevne, fra hvilken utstrål-ningsevnens verdi kan bestemmes.

Til sist nevnes "optics letters", vol. 1, nr. 3, september 1977, sidene 84-86, New York (US) som omhandler et meget følsomt infrarødt heterodynradiometer for passivt å detektere gassabsorpsjon og emisjonslinjer med en høy spektralopp-løsning. Heterodyndeteksjonen baserer seg på å kombinere laserstrålning med den termiske emisjon under undersøkelse og å fokusere den kombinerte strålning på en fotodiode.

Temperaturmålingsanordningen kjennetegnes ifølge oppfinnelsen ved at nevnte fotodetektormiddel omfatter optisk middel som er av slik konstruksjon og således anordnet at det samler ved et hvilket som helst øyeblikk et flertall av flekklober i nevnte diffust reflekterte laserstrålning av tilstrekkelig antall til å oppnå et i alt vesentlig feilfritt rommessig gjennomsnitt, fra den kvantitative indikasjon av strålningsevne fra fotodetektormidlet, for intensiteten av den diffust reflekterte laserstrålning.

Ytterligere kjennetegnende trekk ved anordningen vil fremgå av de vedlagte patentkrav.

Fremgangsmåten kjennetegnes ifølge oppfinnelsen ved å samle ved et hvilket som helst tidspunkt et flertall av flekklober i nevnte diffust reflekterte laserstrålning av et tilstrekkelig antall til å oppnå et i alt vesentlig feilfritt rommessig gjennomsnitt, fra den kvantitative indikasjon av strålningsevne, for intensiteten av den diffust reflekterte laserstrålning, idet nevnte flertall av flekklober samles på et spesielt sted.

Utførelsesformene ifølge foreliggende oppfinnelse fremmer kombinasjonen av et smalbåndsradiometer med et langdistanse-laserreflektometer i anvendelser med fjerntliggende temperaturmålinger ved hjelp av optiske midler. Den samtidige måling av utstrålningen fra en fjerntliggende varm overflate innenfor et smalt spektralbånd og bestemmelsen av overflatens utstrålningsevnen ved måling av laserreflektometeret innenfor det samme båndet anvendes til å forbedre nøyaktigheten av radiometrisk temperaturmåling.

Ved oppfinnelsen oppnås en ultrasmal radiometer-båndbredde ved prinsippet for heterodyn registrering. Videre oppnås en smal radiometerbåndbredde med et optisk filter.

Anordninger for måling av emisjonsevnen, f.eks. som angitt i US-PS 4.117.712 og 3.672.221, har vist marginal praktisk anvendelighet og kan ikke utnyttes for store avstander mellom objektets overflate og måleanordningen og for hete flater med en egenmisjon i det vesentlige i form av stråling. I likhet med optiske pyrometre har disse måleanordninger for stråle-evne også sterkt begrensede anvendelsesmuligheter når strålingskilden er i et optisk absorberende medium.

I et utførelseseksempel ifølge oppfinnelsen, hvor heterodyn-prinsipper tas i bruk, blir den oppfangede varmestråling overlagret en lokal-oscillatorlaserstråle. Det sammen-blandede optiske signal rettes mot en fotodetektor. Det fotoelektriske utgangssignal omfatter et rf signal som , selektivt forsterket og registrert, blir relatert til den innfallende varmestråling. Teknikken gir svært høy regi-streringsfølsomhet over en meget smal spektral båndbredde. Fotoblanding av en enhet-modus-laserstråle med varmestrålingen muliggjør høy romoppløsning og spektraloppløsning.

Direkte måling av emisjonsevnen brukes til justering av den verdi som oppnås for varmestrålingssignalet for vesentlig økning av temperaturmålingens nøyaktighet for en gitt objektflate.

I et annet uførelseseksempel av oppfinnelsen kan lasersignalet selektivt velges i relasjon til det forventede omgivelsesmedium ved strålingskilden, hvilket muliggjør nøyaktig temperaturmåling av strålingskiIder i omgivelser som varm CO2 gass, oppvarmet vanndamp eller liknende, som ellers begrenser bruken av et pyrometer. Denne fordel oppnås uten reduksjon av måleanordningens følsomhet.

Ved måling av temperaturer i forbindelse med ovnsdrift, kan det, ifølge oppfinnelsen, brukes en GaAlAs laser for bestemmelse av overflatens emisjonsevne, mens den uavhengige og samtidige måling av varmeutstrålingen fra nevnte overflate gjennomføres direkte med en silisium-foto-detektor gjennom et optisk forfilter. I det bølgelengdeområde hvor GaAlAs laser kan drives (0,8 til 0,9 pm) er det ingen vesentlig absorpsjonsforstyrrelse med strålingsmålingen fra røykgass og det kreves ingen ultrasmal båndbredde for en i det vesentlige nøyaktig temepraturbestemmelse.

Oppfinnelsen skal nå nærmere beskrives med henvisning til de vedlagte tegninger. Fig. 1 viser en skjematisk illustrasjon av komponentene som utgjør laserradiometret. Fig. 2 viser et alternativt utførelseseksempel av laserradiometret . Fig. 3 er en skjematisk illustrasjon av komponentene som utgjør et reflektometer (utstrålningsevnemåler), som, anvendt i kombinasjon med laserradiometret i fig. 1 eller fig. 2, representere en utførelsesform av oppfinnelsen. Fig. 4 illustrerer en annen utførelsesform i form av et radiometer, som også kan anvendes som et reflektometer.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et forbedret laser-pyrometer, som er i stand til nøyaktig fjerntemperaturmåling av utstrålende kilder, omfattende et laserradiometer og et reflektometer (utstrålningsevnemåler) i kombinasjon. En form som radiometeret kan ha, er vist i fig. 1. Her tilveiebringer en laserlyskilde 1 et koherent, monokromatisk lysenergisignal. Lasersignalet er lokaloscillatoren i heterodynprosessen i hvilken koherent og varmestrålning blandes. Det ene laserlyset blir vekselvis anvendt ikke bare i radiometeret, men også i et reflektometer, fortrinnsvis som det omhandlet med henvisning til fig. 3 i den direkte måling av objektoverflatens utstrålningsevne. Valget av laserkilden 1 er basert generelt på den tilsiktede anvendelse av målingen og nærmere bestemt på det omgivende medium gjennom hvilket temperaturen (og utstrålningsevnen) skal måles. Det grunnleggende krav er at laseren tilveiebringer et stabilt utgangssignal som er lik eller overskrider en bestemt kraft-terskel slik at detektoren emisjonsstøy indusert av laserens lokaloscillator overskrider den støy som genereres av elektriske fluktuasjoner i motstandselementene i den elektriske deteksjonskretsen.

Laserkildens hovedemisjons-bølgelengde X, velges slik at den ikke faller sammen med noen av omgivelsesgassens absorpsjons-linjer. Ved dette valg søker man å redusere absorpsjonen ved varmestrålingens bølgelengde som følge av laserens om-gi velsesgasser til et minimum. Valget av laseren er i forbindelse med foreliggende oppfinnelse av spesiell betydning ved anvendelser som omfatter temperaturmålinger gjennom forstyrrende medier. Dersom strålingskilden f.eks. betraktes gjennom en atmosfære som inneholder het karbondioksyd, brukes en isotopisk modifisert CO2 laser for at absorpsjon (og emisjon) ved den naturlige CO2 skal unngås. I et slikt uførelseseksempel av oppfinnelsen omfatter laserlyskilden 1 en <13>C0<16>2 l&ser med e"t primær-utsignal på en bølgelengde av ca. 10,80pm. Den karakteristiske smale spektralbåndbredde i forbindelse med utgangseffekten fra denne laser ved 10,80pm faller mellom absorpsjonslinjene for naturlig CO2 og het vanndamp. Betegnelsen transmisjonsvindu gjelder i denne sammenheng spektralområder for hvilke det forstyrrende medium i det vesentlige er gjennomsiktig og som tillater lys med vedkommende bølgelengde å passere gjennom. Absorpsjons- (og emisjons-) styrken av slike forstyrrende gasser forandres med gassens temperatur. Kald CO2 og H2O har utmerkede transmisjonsvinduer for infrarødt under 1 pm, på lj3pm, på 2,1 til 2,3 pm, 3,6-4,0 pm og 8-12 pm, som blir mindre gjennomsiktige ved høyere temperaturer. Valget av laserkilden 1 er derfor basert på absorpsjons- (emisjons-) karakteristika av det aktuelle forstyrrende medium innenfor et temperaturområde for forventet drift. For den illustrerte forstyrrende gass av CO2 og H2O damp, velges transmisjons-vinduet ved ca. 10,80 pm for å unngå absorpsjons- (emisjons-) linjene for disse to gasser på en temperatur som strekker seg fra ca. 500'C til ca. 1500'C.

I ytterligere et foretrukket uførelseseksempel benyttes et reflekterende gitter som en av laser-reflektorene for å gi valg av en aktiv linje av laserkilden 1.

En fotodetektor 2 er anordnet for å motta stråling fra angjeldende kilde 4. Et system av linser er funksjonelt virksomt for å oppsamle og lede oppfanget varmestråling til fotodetektoren. Samlelinsen, som her er illustrert ved 6, kan omfatte en valgfritt anordnet, enkelt optisk linse eller oppstilling av linsen for selektivt å samle en del av varmestrålingen.

I et foretrukket uførelseseksempel omfatter samlelinsen, som er kollektivt illustrert ved 6, optiske forfiltre som omfatter minst ett spektralt båndpassfilter. Det optiske forfilter har den funksjon å sondre mellom angjeldende signal og uønskede, optiske signaler med avvikende bølgelengde. Forfilteret har et spektralt passbånd som sender rundt bølgelengden X for laserutgangssignalet.

Systemet omfatter videre et strålingskombineringsorgan 7, som blander sammen den samlede stråling med lasersignalet. I et foretrukket utførelseseksempel omfatter kombinasjonsorganet 7 et BaF2 prisme, anbragt mellom fotodetektoren 2 og stråle-kilden 4 og anordnet slik at det overlagrer lasersignalet på varmestrålingssignalet. Det overlagrede signal rettes deretter mot fotodetektoren 2. Valget av spesiell foto-detektor baserer seg på detektorens evne til å reagere på laserlyskildens bølgelengde(r) og dermed på varmestrålingen fra kildeobjektet med laseres bølgelengde. I et foretrukket utførelseseksempel bør detektorens kvante utbytte overstige 1%. Like viktig er at fotodetektorens respons er så hurtig at den reagerer på et elektrisk differensesignal som skyldes fotoblandingen av lasersignalet og valgte deler av varmestrålingssignalet. I et foretrukket utførelseseksempel omfatter fotodetektoren 2 en høyhastighets HgCdTe foto-detektor som drives i et kryogent Dewarkar ved omtrent temperaturen for flytende nitrogen. Denne fotodetektortype reagerer på stråling med bølgelengder fra c. 5 til 20 pm og har kortere responstider enn ca. 1 nanosekund. Som nærmere omtalt nedenfor, vil overlagringen av varmestrålingssignalet med det koherente, monokromatiske lasersignal gi et elektrisk bredbånds rf signal i fotodetektoren. Rf effekten er matematisk relatert til varmestrålingen som angitt nedenfor.

I tillegg til det optiske forfilter som er beskrevet ovenfor, (brukt til undertrykkelse av uønskede andeler av varmestrålingen) omfatter systemet ytterligere en diskriminator for å skille rf signalet fra naturlig rf systemstøy. Følgelig blir rf signalet forsterket og likerettet ved 9 til å gi et spenningssignal som er proporsjonalt med den fjerne kildes utstråling på laserstrålingens bølgelengde. For å skille den signal induserte rf effekt fra rf effekt til-hørende systemstøy, avbryter en mekanisk opphakker periodevis det innkommende varmestrålingssignalet. Rf-signalets omhylling etter likeretting er en firkantbølge-modulert spenning (tilhørende det angjeldende signal). En konvensjonell innfangningsforsterker 10 benyttes for registrering av omhyllingen av den andel av rf effekten som varierer periodevis, synkront med opphakkingsfrekvensen. Av den synkrone komponent av vekselstrømsignalet, som detekteres ved 10, blir det over en forutbestemt periode T dannet middelverdi ved hjelp av en ikke vist, konvensjonell lavpassfilteranordning. Det synkrone signal er proporsjonalt med den innfallende varmestråling.

I et alternativt utførelseseksempel, vist i fig. 2, er et sort referanselegeme 20 benyttet i forbindelse med et roterende speilsegment 22 for vekselvis belysning av fotodetektoren med strålingen fra referansekiIden, som et sort legeme, og strålingen fra kildeobjektet. På denne måten er et differansesignal mellom det synkront registrerte sorte legeme og strålingskildesignalene proporsjonalt med for-skjellen i strålingen fra kildeobjektet og det sorte referanselegemet. Temperaturen i det sorte referanselegemet justeres inntil de synkrone differansesignaler blir null. På dette punkt er målets utstrålingstemperatur lik den regel-messig overvåkede fysiske temperatur av det sorte referanselegemet .

Som allerede nevnt, anvender utførelsesformene ifølge fig. 1 og 2 begge heterodyndeteksjon. Operasjonsprinsippene for et heterodynradiometer vil nå bli beskrevet. Termisk strålning som utsendes fra den angjeldende kilde blir delvis oppfanget av en samlelinse og rettet gjennom et strålekombinerende middel hvor det termiske strålningssignalet overlagres med det koherente lasersignalet som bevirker som en lokaloscillator. Det blandete signalet genererer en elektrisk strøm i fotodetektoren som omfatter en vekselstrømskomponent som er proporsjonal med produktet av laserens elektriske felt og det elektriske feltet hos en del av den termiske utstrålning.

Heterodyn blanding av de to bølgene er bare effektiv, dersom deres fasefronter er i det vesentlige identiske over detektoråpningen. Ettersom den valgte laser bare sender ut en rommodus velger den heterodyne deteksjonsprosess en rommoduskomponent fra den mottatte varmestråling. Selektiv registrering av en romstrålingsmodus som er i samme plan som laserstrålen, gir den meget høye romselektivitets deteksjons-karakteristikk ifølge foreliggende oppfinnelse, mens den begrensede elektriske båndbredde av fotoblanderen gir høy spektraloppløsning. Detektorens fotostrøm I, som produseres av det blandede signal, kan uttrykkes matematisk som

hvor El, Eg representerer de elektriske felt av den kopolari-serte laser hhv. varmestrålingen. Uttrykket 2ElEs representerer den aktuelle heterodyne strøm. Strømmen er en vekselstrøm, proporsjonal med svevnings-signalet mellom laseren og en romkomponent av varmestrålingen. Det benyttes konvensjonelle rf likerettere og forsterkere for dannelse av et spenningssignal som er proporsjonalt med en tidsgjen-nomsnittsverdi av kvadratet av vekselstrømmen. Denne spenning er tilsvarende proporsjonal med strålingen fra angjeldende kilde på lokaloscillatorens laserbølgelengde.

For emisjonsstøybegrenset drift (tilstrekkelig lokal oscillatorkraft) uttrykkes radiometrets nøyaktighet ved minimum teoretisk temperaturusikkerhet A T, ifølge propor-sjonaliteten:

hvor B er fotodetektorens båndbredde og t er etterdeteksjons-integrasjonstiden.

I fig. 3 er det gitt en skjematisk illustrasjon av komponentene som danner det emisjonsevne-målende apparat ifølge foreliggende oppfinnelse. En laserkilde 30 kan omfatte samme laser som brukes til den radiometriske måling av temperaturen som vist i fig. 1 og 2, f.eks. laserkilden 1. Laserstrålen rettes slik at den belyser angjeldende overflate 4 som sprer den innfallende laserstråling diffust, som illustrert ved flere piler som går ut fra område A av overflaten på 4. En del av det diffust reflekterte lys blir fanget opp av kollektoren 32, som fanger opp lyset over en kjent romvinkel. Det oppfangede lys rettes til en fotodetektor 34, som genererer et fotoelektrisk signal som er proporsjonalt med det oppfangede lyssignalet. I et foretrukket utførelses-eksempel blir laserlyssignalet opphakket av en mekanisk anordning 36, som danner et alternerende signal. En innfangningsforsterker 38 kan deretter brukes til registrering av i det vesentlige bare de lyssignaler som kommer fra kilden 30 og reflekteres av overflaten ved A.

Overflatens refleksjonsevne R bestemmes ved måling av den diffust reflekterte laserstråling over en kjent romvinkel. Emisjonsevnen E bestemmes deretter ifølge relasjonen E = 1-R. Som beskrevet i forbindelse med radiometeraspektet av et utførelseseksempel av foreliggende oppfinnelse, velges laserbølgelengden slik at man unngår eller reduserer absorpsjon ved et forstyrrende medium til et minimum. Når overflaten av den utstrålende kilde 4 f.eks. er omgitt av et omgivelsesmedium i form av oppvarmet vanndamp og karbondioksyd, brukes en isotopisk modifisert <1>"3C02<1>^<>> laser i et utførelseseksempel ifølge oppfinnelsen, for dannelse av den belysende stråling. Den hovedsakelige laserutmatning på 10,80 mikron passerer i dette tilfelle gjennom det normalt forstyrrende medium uten vesentlig absorpsjon.

I et annet utførelseseksempel brukes en GaAlAs diodelaser som belysningskilde i reflektometret. I det bølgelengdeområde hvor GaAlAs laseren kan drives (0,8-0,9 pm) er det ingen vesentlig absorpsjonsforstyrrelse fra oppvarmet vanndamp eller karbondioksyd.

Når det gjelder målingen av refleksjonsevne, dvs. emisjonsevne, skal det bemerkes at diffust reflektert laserstråling viser et såkalt f lekkmønster, som gir en romvariasjon i den reflekterte intensitet. Men middelverdien av den reflekterte intensitet er relatert til overflatens emisjonsevne. Hvis det rommønster som brukes for måling av den reflekterte intensitet er for lite, vil bestemmelsen av emisjonsevnen bli dårlig. En reduksjon av målefeil til et tilfredsstillende nivå kan oppnås ved at det kreves at registreringssystemet samler et stort antall flekklober for oppnåelse av en gjennomsnittsverdi av den reflekterte verdi med et lite statistisk avvik. Dette krav setter grenser for apparatet, hvilket betyr at den optiske mottaker må oppløse elementer på måloverflaten som er langt mindre enn størrelsen av det totale belyste punkt. For måling av et måls refleksjonsevne med 1% presisjon, må det belyste punkt således være minst hundre ganger større i diameter enn et oppløsningselement. Det geomteriske forhold av mottakerens dimensjoner, dens avstand til målet, bølgelengden og mottakerens oppløsning er velkjent innenfor teknikken. Dersom man f.eks. forutsetter en praktisk størrelse på d=5 cm for mottakeraperturen og en målavstand lik L=15 meter, kan diameteren av det belyste punkt ikke være mindre enn

for oppnåelse av presisjon innenfor 1% av refleksjonsevne-målingen.

Under bestemte forhold vil overflaten ved punkt A eventuelt ikke reflektere laserlyset på en i det vesentlige diffus måte, men være speilende eller en kombinasjon av diffus og speilende. I et foretrukket utførelseseksempel er en stråleretter 39 derfor hensiktsmessig anordnet slik at den retter laserstrålen for belysning av flere diskrete punkter på overflaten av 4. Anordningen er fordelaktig for oppnåelse av refleksjonsdata fra flere områder.

I en ytterligere utførelsesform opererer en GaAlAs-diodelaser i området av ca. 0,9 pm spektralområde. GaAlAs gir i tillegg fordelen av en f aststoffkonstruksjon sammenlignet med vakuumrørkonstruksjonen hos CO2 lasere.

I det spesielle tilfellet med varm røkgass fra en gassfyrt ovn, har en slik gass særlig lav absorpsjonsevne (utstrålningsevne) over et spektralbånd med en bredde som kan defineres av et konvensjonelt interferensfilter sentrert på 0,9 pm. Det er derfor mulig å slappe kravet til den ultra-smale mottakerbåndbredden av heterodyndeteksjon for radiometeret. Strålningstemperaturen fra den utstrålende overflaten omkring 0,9 pm kan måles ved en direkte detek-sjonsmetode under anvendelse av en silisiumfotodetektor med et optisk forfilter. Forfilteret tjener til å begrense den optiske båndbredden til et smalt område sentrert på GaAlAs-bølgelengden som er uten merkbart forstyrrende absorpsjons-bånd. GaAlAs-laseren anvendes her kun for strålningsevne-bestemmelse.

I dette tilfellet, med henvisning til fig. 4 omfatter systemet en gallium-aluminium-acenid diodelaser 42. Systemet kan opereres selektivt enten som et radiometer eller et reflektometer. Når instrumentet opereres i refleksjons (utstrålnings) modus, blir laserstrålen 41 kollimert av linsen 43 og rettet mot et mål 4 med hjelp av stråle-foldingsspeilet 45. Del av laserlyset, diffust reflektert vekk fra målet 4, samles og fokuseres av linsen 47. En silisiumfotodetektor 48 plasseres i fokalområdet for å oppfange strålingen som derved genererer en elektrisk strøm som forsterkes av en elektronisk enhet 46. Denne strøm er proporsjonal med den oppfangede strålningseffekten og kan anvendes til å bestemme utstrålningsevnen fra målet 4. Et optisk filter 49 plasseres foran silisiumfotodetektoren til å blokkere all stråling unntatt et smalt spektraiparti sentrert om laserbølgelengden X. For å skille den tilbakespredte laserstrålningen fra den utstrålende emisjon fra selve målet 4, anvendes en standard synkrondeteksjonsteknikk som er velkjent. Dette skjer ved å operere laseren på gjentatte pulset måte og detektere kun den delen av fotostrømmen som er synkron med laserpulsene.

For å operere instrumentet i radiometermodusen, blir laseren utkoplet. Det fotoelektriske signalet er så proporsjonalt med utstrålningen fra målet over det smale bølgelengdebåndet som sendes av filteret 49.

I tilfellet av samtlige beskrevne utførelsesformer anvendes den målte utstrålningsverdien til enten automatisk eller manuelt å kompensere den optiske målte verdien for målets utstrålning for å gi den ekvivalente sort-legemsutstrålning som gir høy temperaturmålingsnøyaktighet.

Claims (13)

1. En temperaturmålingsanordning for temperaturmåling av en fjerntliggende utstrålende kilde, omfattende detektormlddel (2,6;47,48) anordnet til å oppfange termisk strålning utsendt fra nevnte utstrålende kilde (4) og å indikere kvantitativt den tilsynelatende temperatur for den utstrålende kilden, lasermiddel (1;42) som har en hovedutmatning på bølgelengde X for å bestråle nevnte utstrålende kilde (4) med nevnte laserutmatning, hvorpå nevnte laserutmatning blir diffust reflektert fra overflaten av nevnte utstrålende kilde, og fotodetektormiddel (32,34;47,48) anordnet til å detektere diffust reflektert laserstrålning fra nevnte utstrålende kilde for å frembringe en kvantitativ indikasjon av strålningsevnen for den laser-bestrålte overflaten av nevnte ustrålende kilde (4) for å kompensere den tilsynelatende temperaturen hos den utstrålende kilde i samsvar med den detekterte strålningsevnen for nevnte laser-bestrålte overflate til å tilveiebringe en aktuell temperaturverdi for den utstrålende kilden, karakterisert ved at nevnte fotodetektormiddel (32,34;47,58) omfatter optisk middel (32;47) som er av slik konstruksjon og således anordnet at det samler ved et hvilket som helst øyeblikk et flertall av flekklober i nevnte diffust reflekterte laserstrålning av tilstrekkelig antall til å oppnå et i alt vesentlig feilfritt rommessig gjennomsnitt, fra den kvantitative indikasjon av strålningsevne fra fotodetektormidlet (32,34;47,48), for intensiteten av den diffust reflekterte laserstrålning.

2. Temperaturmålingsanordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte optiske middel (32;47) er av slik konstruksj,on og således anordnet at det oppsamler et tilstrekkelig antall av flekklober for derved å oppnå en verdi for nevnte rommessige gjennomsnitt som er innenfor 1% presisjon for nevnte rommessige gjennomsnitt.

3. Temperaturmålingsanordning som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at nevnte detektormiddel (2,6;47,48) omfatter optisk filtermiddel (49) som har et spektralt båndpass sentrert om laserens bølgelengde X.

4. Temperaturmålingsanordning som angitt i et hvilket som helst foregående krav, karakterisert ved at nevnte lasermiddel (1;42) omfatter en GaAlAs-laser.

5. Temperaturmålingsanordning som angitt i et hvilket som helst foregående krav og anvender heterodyndeteksjon av termisk utstrålning utsendt fra den utstrålende kilden, karakterisert ved kombinerende middel (7) anbragt til å kombinere nevnte oppfangede termiske strålning fra den utstrålende kilden (4) med nevnte laserutmatning, idet nevnte detektormiddel (2,6) reagerer på kombinasjonen av nevnte oppfangede termiske strålning og nevnte laserutmatning til å gi et elektrisk svevningssignal (beat signal).

6. Temperaturmålingsanordning som angitt i krav 5, karakterisert ved diskriminatormiddel (9) som er virksomt til å skille mellom nevnte svevningssignal og uønskede støysignaler.

7. Temperaturmålingsanordning som angitt i krav 6, karakterisert ved opphakker middel (8) anordnet til periodisk å avbryte termisk strålning fra å nå detektormidlet (2,6), hvorved nevnte periodisk avbrutte strålning, når den er overlagret med nevnte laserutmatning, synkront detekteres til å skille mellom svevningssignalet og elektrisk støy.

8. Temperaturmålingsanordning som angitt i et hvilket som helst foregående krav, karakterisert ved at nevnte detektormiddel (2,6;47,48) omfatter linseorgan (6) for å oppfange en mengde av termisk strålning fra nevnte utstrålende kilde (4).

9. Temperaturmålingsanordning som angitt i et hvilket som helst foregående krav for å måle temperaturen hos en fjerntliggende utstrålende kilde gjennom et forstyrrende medium, karak terisert ved at nevnte bølgelengde velges slik at nevnte forstyrrende medium er i alt vesentlig gjennomsiktig overfor lysenergi med bølgelengde X.

10. Temperaturmålingsanordning som angitt i et hvilket som helst av det foregående krav, karakterisert ved at detektormidlet og fotodetektormidlet sammen omfatter en enkelt fotodetektor (48).

11. Temperaturmålingsanordning som angitt i krav 9, karakterisert ved at nevnte forstyrrende medium dessuten defineres som minst en gass som befinner seg i minst en optisk vei mellom nevnte detektormiddel (2,6;47,48) og nevnte utstrålningskilde (4), idet nevnte minst ene gass har et karakteristisk absorpsjons og emisjonsspektrum som er ialt vesentlig ikke-absorberende og ikke-emitterende på omkring bølgelengde X ved omkring en temperatur T, idet nevnte temperatur er innenfor en størrelsesorden av temperaturen hos nevnte utstrålende kilde.

12. Temperaturmålingsanordning som angitt i krav 11, karakterisert ved at nevnte forstyrrende gass omfatter en blanding av oppvarmet CO2 og oppvarmet vanndamp og nevnte lasermiddel omfatter isotropisk modifisert <13>C02-^ laser som har et hovedutgangssignal ved lik ca. 10,80 mikron, idet nevnte gassblanding er i alt vesentlig gjennomsiktig overfor nevnte lasersignal.

13. Fremgangsmåte for å måle temperaturen hos en fjerntliggende utstrålende kilde, omfattende trinnene å oppfange termisk strålning utsendt fra nevnte utstrålende kilde (4) og følgelig indikere kvantitativt den tilsynelatende temperaturen for den utstrålende kilden, å bestråle nevnte utstrålende kilde (4) med laserstrålning som har en hovedbølgelengde X, hvorpå nevnte laserutmatning blir diffust reflektert fra overflaten av nevnte ustrålende kilde, og diffust å detektere reflektert laserstrålning fra nevnte ustrålende kilde for å frembringe en kvantitativ indikasjon av strålningsevnen for den laserbestrålte overflaten hos nevnte utstrålende kilde for å kompensere den tilsynelatende temperatur hos den utstrålende kilden ifølge den detekterte utstrålningsevnen for nevnte laser-bestrålte overflate for å gi en aktuell temperaturverdi for den utstrålende kilden, karakterisert ved å samle ved et hvilket som helst tidspunkt et flertall av flekklober i nevnte diffust reflekterte laserstrålning av et tilstrekkelig antall til å oppnå et i alt vesentlig feilfritt rommessig gjennomsnitt, fra den kvantitative indikasjon av strålningsevne, for intensiteten av den diffust reflekterte laserstrålning, idet nevnte flertall av flekklober samles på et spesielt sted.