DE3042300A1

DE3042300A1 - Calibration of spectral photometer to extra-terrestrial energy - using calibration factors obtained by diffusing disc and interchangeable wide angle lens

Info

Publication number: DE3042300A1
Application number: DE19803042300
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. DDR 1170 Berlin Bachmann; Karl-Heinz Dr. DDR 1190 Belin Bischoff; Heinz Dipl.-Ing. DDR 1160 Berlin Händel; Ulrich Dr. Leiterer; Wolfgang DDR 1231 Lindenberg Näfe; Otto Schubel; Michael Dr. Weller; Manfred Wust
Original assignee: METEOROL DIENST DER DEUTSCHEN
Current assignee: METEOROL DIENST DER DEUTSCHEN
Priority date: 1980-02-04
Filing date: 1980-11-08
Publication date: 1981-09-17
Also published as: CS927880A1; DD158189A3; CS231571B1

Abstract

A calibration method and arrangement for illumination intensity and radiation density measurements are applicable to optical techniques, meteorology, and pref. remote reconnaissance of the ground. The method enables self-calibration of a spectral photometer to the extraterrestrial spectral energy distribution. The method does not require standard light sources and is used with a convenient spectral photometer design suitable for use in the field. The spectral photometer is calibrated w.r.t. the known extraterrestrial spectral energy distribution using a measurement aperture (6) and additional solar objective (1). Further measurements of extra-terrestrial energy distribution using the calibration factors obtained with the interchangeable calibrated solar objective are then performed successively with a diffusing disc (3) and interchangeable with angle objective (2). The dia. of the solar image is approximately half the dia. of the measurement aperture.

Description

Kalibrierungsverfahren und Vorrichtung für Bestrahlungs-Calibration method and device for irradiation

stärke- und Strahidichteinessungen Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft ein Kalibrierungsverfahren und eine Vorrichtung für Bestrahlungsetärke- und Strahidichtemessungen. Das Kalibrierungsverfahren und die Vorrichtung sind zur Selbstkalibrierung der Vorrichtung und zur Messung der Bestrahlungsstärke von quasi-punktförmigen oder Bestrahlungsstärken und Strahldichten von flächenmäßig bis zu einem Raumwinkel von annähernd 2w ausgedehnten Strahlungsquellen geeignet. Die Vorrichtung, die das Spektrum im Bereich von 0,4 bis 1 /um quasikontinuierlich abtastet, ist als universelles Strahlungsmeßgerät der einfallenden und gerichtet reflektierten Strahlung zur Lösung von Aufgaben der Lichttechnik, Meteorologie und insbesondere der Fernerkundung der Erde geeignet.strength and radiation density measurements field of application of the invention The invention relates to a calibration method and a device for irradiation strength and radiation density measurements. The calibration procedure and apparatus are for Self-calibration of the device and for measuring the irradiance of quasi-punctiform or irradiance and radiance from area up to a solid angle from approximately 2w extended radiation sources. The device that does the Spectrum in the range from 0.4 to 1 / um quasi-continuously scanned is considered universal Radiation meter of the incident and directionally reflected radiation for the solution of tasks in lighting technology, meteorology and, in particular, remote sensing of the Earth suitable.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Bekannt sind Kalibrierungsverfahren und Vorrichtungen zur Bestrahlungsstärke- oder Strahidichtemessung für die unterschiedlichsten Wellenlängen und Intensitätsbereiche, In der Meteorologie gibt es z.B. spezielle Kalibrierungsverfahren für Bestrahlungsstärkemeßgeräte. So ist es z.3.Characteristics of the known technical solutions Calibration methods are known and devices for irradiance or radiation density measurement for the most diverse Wavelengths and intensity ranges, e.g. in meteorology there are special ones Calibration procedure for irradiance meters. So it is for example 3.

möglich, ein Filterrad-Akti nometer mit Hilfe der natürlichen Sonnenstrahlung durch die Methode der Messung bei verschiedenen durchstrahlten Luftmassen m und Extrapolation auf die Luftmasse m = O zu kalibrieren und mit diesem Akti nometer die Bestrahlungsstärke der Sonne in den durch die Filterbreiten vorgegebenen Wellenlängenintervallen zu messen. Mit diesen Akti nometern ist es nicht möglich, die Bestrahlungsstärke aus dem Raumwinkel von annähernd 2 r, zu messen, d.h. z.B. die Himmelsstrahlung. Weiterhin erlauben diese Akti nometer nicht die Messung von Strahldichten von Objekten unter natürlichen und künstlichen Best rahlungsbedingungen.possible, a filter wheel actuator with the help of natural solar radiation by the method of measurement with different irradiated air masses m and To calibrate extrapolation to the air mass m = O and with this acti nometer the irradiance of the sun in the wavelength intervals specified by the filter widths to eat. It is not possible to measure the irradiance with these actuators to measure from the solid angle of approximately 2 r, i.e. e.g. the sky radiation. Continue to allow this actinometer does not measure radiance of objects under natural and artificial irradiation conditions.

Vorrichtungen in der Form von Spektralphotometern zur Messung von Strahidichten gibt es ebenfalls. Sie werden in der Lichttechnik und bei der Fernerkundung der Erde verwendet. Diese Spektralphotometer werden mit leuchtenden Flächen bekannter Strahldichte kalibriert. Es bereitet aber bis heute erhebliche meßtechnische Schwierigkeiten, solche homogen leuchtenden Flächen mit bekannter spektraler Strahl dichte herzustellen. Insbesondere ist es nicht möglich, leuchtende Flächen bekannter spektraler Strahldichte mit der gleichen relativen spektralen Energieverteilung wie die der natürlichen Sonnenstrahlung herzustellen, da die im Labor zur Ausleuchtung der Flächen verwendeten Normallampen eine wesentlich geringere Farbtemperatur als die Sonne haben. Bisher bekannte technische Lösungen zur Strahldichtekalibrierung von Spektralphotometern unter Laborbedingungen haben den Nachteil zu großer Ungenauigkeit beim Einsatz unter natürlichen Strahlungsbedingungen.Devices in the form of spectrophotometers for measuring There are also radiation densities. They are used in lighting technology and in remote sensing the earth used. These spectrophotometers are becoming more popular with luminous surfaces Calibrated radiance. However, to this day it has caused considerable metrological difficulties to produce such homogeneously luminous surfaces with known spectral beam density. In particular, it is not possible to use luminous surfaces of known spectral radiance with the same relative spectral energy distribution as that of the natural Produce solar radiation, as those used in the laboratory to illuminate the surfaces Normal lamps have a much lower color temperature than the sun. Until now known technical solutions for radiance calibration of spectrophotometers under laboratory conditions have the disadvantage of great inaccuracy when used under natural radiation conditions.

Die für die Lösung von Meßaufgaben im Rahmen der Fernerkundung der Erde bekannten Spektralphotometer haben ferner den Mangel, daß die bekannten Meßgeräte es nicht erlauben, jeweils mit ein und demselben Gerät alle für die Fernerkundung der Erde wichtigen 4 Strahlungagrößen mit hoher spektraler Auflösung zu messen. Diese Strahlungsgrößen sind direkte Sonnenstrahlung ohne Himmelastrahlung, Globalstrahlung, Himmelsstrahlung und Strahldichten unter Feldwinkeln zwischen 10 und 200.The solution for measuring tasks in the context of remote sensing of the Earth known spectrophotometers also have the shortcoming that the known measuring devices it does not allow each one and the same device all for remote sensing 4 important radiation quantities of the earth to measure with high spectral resolution. These radiation quantities are direct solar radiation without sky radiation, global radiation, Sky radiation and radiance at field angles between 10 and 200.

Große meßtechnische Unsicherheiten treten bei er Auswertung von Fernerkundungsexperimenten auf, wenn die spektralen Eichfaktoren der Spektralphotometer von künstlichen Strahlungsquellen (Normallampen) abgeleitet werden.Large metrological uncertainties arise when evaluating remote sensing experiments on when the spectral calibration factors of the spectrophotometer from artificial radiation sources (Normal lamps) can be derived.

Bisher ist kein Spektralphotometer bekannt, das auf einfache und ökonomische Weise durch Vorsatz eines Sonnenobjektivs mit Hilfe der natürlichen Sonnenstrahlung kalibriert wird un dann über das kalibrierte Sonnenobjektiv auch andere optische Vorsätze, wie Streuscheibe und Weitwinkelobjektive anzuschließen und die oben genannten 4 Strahlungsgrößen zu messen gestattet.So far, no spectrophotometer is known that is simple and economical Way by attaching a solar lens with the help of natural solar radiation It is calibrated and then other optical lenses are also used via the calibrated solar lens Attachments such as lens and wide-angle lenses and the above 4 radiation quantities can be measured.

Ziel der Erfindung Ziel der Erfindung ist es, die bisherigen Mängel stark zu vermindern, die bei der Kalibrierung von Strahlungsmeßgeräten und beim Feldeinsatz dieser Geräte bisher auftraten. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß auf ökonomische Weise ohne Normallampen ein Kalibrierungsverfahren in Verbindung mit einer geeigneten konstruktiven Lösung eines handlichen Spektralphotometers entwickelt wurde, welches für den Feldeinsatz geeignet ist und sich durch die Möglichkeit der Selbstkalibrierung mit Hilfe der natürlichen Sonnenstrahlung und durch hohe Meßgenauigkeit auszeichnet.OBJECT OF THE INVENTION The aim of the invention is to remedy the previous shortcomings to greatly reduce the calibration of radiation meters and the Field use of these devices so far occurred. The advantage of the invention is that that in an economical way without standard lamps a calibration procedure in connection developed with a suitable constructive solution of a handy spectrophotometer which is suitable for field use and is characterized by the possibility of Self-calibration with the help of natural solar radiation and high measurement accuracy excels.

Darlegung des Wesens der Erfindung Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kalibrierungsverfahren in Verbindung mit einer günstigen konstruktiven Lösung für ein Spektralphotometer zu schaffen, wodurch es möglich wird, das Spektralphotometer an die extraterrestrische spektrale Energieverteilung der Sonne anzuschließen (Selbstkalibrierung), um dann die oben bereits genannten 4 Strahlungsgrößen, direkte Sonnenstrahlung, Globalstrahlung, Himmeisstrahlung, Strahidichten unter Feldwinkeln zwischen 10 und 20Q zu messen. Ursache für die Mängel der bekannten Lösungen sind: - die bekannten Strahlungsmeßgeräte sind entweder zur Bestrahlungsstärke -oder zur Strahldichtemessung geeignet, - die bekannten Spektralphotometer benötigen Normallampen (Strahler) oder Flächen bekannter Strahldichte zur l<alibrierung, - die Laborkalibrierung findet mit Strahlern statt, deren relative spektrale Energieverteilung gegenüber der Sonnenstrahlung zum langwelligen Bereich stark verschoben ist, - die mit künstlichen Strahlungsquellen erreichbare Bestrahlungsstärke liegt um mehrere Größenordnungen unter der der natürlichen Sonnenstrahlung.Statement of the essence of the invention The object of the invention is to provide a Calibration procedure in connection with a favorable constructive solution for to create a spectrophotometer, which makes it possible to use the spectrophotometer to connect to the extraterrestrial spectral energy distribution of the sun (self-calibration), in order to then use the 4 radiation quantities already mentioned above, direct solar radiation, Global radiation, sky ice radiation, radiation densities at field angles between 10 and Measure 20Q. The causes of the shortcomings in the known solutions are: - the known Radiation meters are either for irradiance -or to Radiation density measurement suitable, - the known spectrophotometers require standard lamps (Emitters) or areas of known radiance for calibration, - laboratory calibration takes place with radiators, their relative spectral energy distribution opposite the solar radiation is strongly shifted to the long-wave range, - those with artificial Radiation sources achievable irradiance is several orders of magnitude under that of the natural solar radiation.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei dem Verfahren die bekannte Bestrahlungsstärke der Sonne zur Kalibrierung benutzt wird. Es erfolgt die Abbildung der Sonne mit einem Sonnenobjektiv in die Ebene der Meßblende, so daß der Durchmesser des Sonnenbildes etwa dem halben Durchmesser der Meßblende entspricht. Im Strahlengang zwischen Sonnenobjektiv und Meßblende sind zur spektralen Bewertung des Spektrums Verlaufinterferenzfilter angeordnet. In einem Abstand hinter der Meßblende, der etwa das Zwanzigfache des Meßblendendurchmessers beträgt, wird mit einer Photodiode ein der Bestrahlungsstärice der Sonne in der Meßblende proportionales Signal gemessen.According to the invention the object is achieved in that in the method the known irradiance of the sun is used for calibration. It takes place the imaging of the sun with a solar lens in the plane of the measuring diaphragm, see above that the diameter of the sun image corresponds to about half the diameter of the measuring diaphragm. In the beam path between the sun lens and the measuring diaphragm are for spectral evaluation of the spectrum gradient interference filters arranged. At a distance behind the orifice plate, which is about twenty times the measuring diaphragm diameter, is with a photodiode a signal proportional to the irradiance of the sun was measured in the measuring diaphragm.

t3ei irdischen Bedingungen wird die spektrale Bèstrahlungsstärke der Sonne bei verschiedenen durchstrahlten Luftmassen gemessen und unter Verwendung des Bouger-Lambertschen Absorptionsgesetzes und unter Berücksichtigung der Transmissionsfunktion im Bereich starker Bandenabsorption die Extrapolation auf die Luftmasse Null vollzogen, Nach Extrapolation des Meßsignals an der Photodiode auf das Signal, das der tabellierten extraterrestrischen spektralen Bestrahlungsatärke entspricht, ergibt sich der Eichfaktor für die Bestrahlungsstärkemessung mit Sonnenobjektiv. Da es nun möglich ist, die Bestrahlungsatärke mit dem Sonnenobjektiv zu messen, wird der Eichfaktor für die Streuscheibe dadurch bestimmt, daß man die Sonne mit einer Schattenkelle ausblendet (Himmelsstrahlungsmessung) und aus der Differenz zwischen Globalatrahlungssignal und Himmelsstrahlungssignal den Wert für die direkte Sonnenstrahlung berechnet, welcher dem Eichfaktor des Sonnenobjektive proportional ist. Nachdem die Eichfaletoren für Be-St rahlungsstä rkemessungon mit Sonnenobjektiv und Streuscheibenvorsatz vorliegen, sind die Eichfaictoren Für die St rahldichtemessungen mit Sonnen- und Weitwinkelobjektiv zu ermitteln. Entscllcidend ist hierbei die experimentelle Bestimmung des effektiven Raumwinkels des Sonnenobjektivs mit Hilfe einer hinreichenden punktförmigen Lichtquelle im Labor. Naclldem der Raumwinkel des Sonnenobjektivs bekannt ist, wird der Eichfaktor für die Bestrahlungsstärke messung mit dem Sonnenobjektiv auf den Raumwinkel des Sonnenobjektivs bezogen und es ergibt sich der Eichfaktor für die Strahldichtemessung mit dem Sonnenobjektiv. Anschließend werden durch Anschlußmessungen unter natürlichen Bestrahlungabedingungen mit Hilfe einer homogenen diffus reflektierenden Fläche für vieitwinkelobjektive die Eichfaktoren zur Strahldichtemessung bestimmt.Under terrestrial conditions, the spectral irradiance is the Sun measured at various irradiated air masses and using them of Bouger-Lambert's law of absorption and taking into account the transmission function in the area of strong band absorption, the extrapolation to zero air mass has been carried out, After extrapolating the measurement signal at the photodiode to the signal that the tabulated corresponds to extraterrestrial spectral irradiance, the calibration factor results for measuring the irradiance with a solar lens. Since it is now is possible to measure the irradiance with the solar lens, the calibration factor becomes for the lens determined by the fact that the sun with a shadow trowel fades out (sky radiation measurement) and from the difference between the global radiation signal and sky radiation signal calculates the value for direct solar radiation, which is proportional to the calibration factor of the solar lens. After the Eichfaletoren for irradiance measurement with a sun lens and lens attachment, are the calibration factors for the steel density measurements with sun and wide-angle lenses to investigate. The decisive factor here is the experimental determination of the effective Solid angle of the solar lens with the help of a sufficient point light source in the laboratory. Once the solid angle of the solar lens is known, the calibration factor becomes for the irradiance measurement with the solar lens on the solid angle of the Related to the sun lens and the calibration factor for the radiance measurement results with the sun lens. Subsequently, follow-up measurements under natural Irradiation conditions using a homogeneous, diffusely reflecting surface the calibration factors for radiance measurement are determined for multi-angle lenses.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe zur Schaffung einer günstigen konstruktiven Lösung für die Vorrichtung dadurch gelöst, daß auf den hinter einem malteserkreuzgetriebenen Filterrad und der Neßblende liegenden detektor über den Kippspiegel entweder die über das Sonnenobjektiv einfallende Sonnenstrahlung oder wechselweise die über die Streuscheibe einfallende Globalatrahlung oder die über die -;itwinkelobjektive einfallende reflektierte Strahldichte trifft. bem Detektor ist ein Verstärker nachgeschaltet, der ein registrierbares Signal im Dynamikbereich von 109(10-1 µWcm-2 nm-1 sr-1 bis 108µWcm-2nm-1sr-1)erzeugt.According to the invention, the task of creating a favorable constructive Solution for the device solved in that on the behind a Maltese cross Filter wheel and the Neßblende lying detector on the tilting mirror either the Incident solar radiation through the solar lens or alternatively that through the Diffusing lens incident global radiation or the incident through the -; itwinkelobjectives reflected radiance. an amplifier is connected downstream of the detector, which produces a recordable signal in the dynamic range of 109 (10-1 µWcm-2 nm-1 sr-1 to 108µWcm-2nm-1sr-1) generated.

Der Antrieb des Filterrades, auf dem sich die Verlaufinterferenzfilter mit Farbdeckgläsern zur Unterdrückung der Nebenmaxime befinden, und die Kippung des Spiegels um 900 erfolgt durch 2 Servomotors, die von NiCd-Akkumulatoren gespeist sind. Das Filterrad ist für schrittweisen und quasikontinuierlichen Durchlauf ausgelegt -und besitzt eine automatische Endabschaltung. Alle beweglichen und elektrischen Teile der Vorrichtung sind gekapselt. Die Vorrichtung ist statisch oder parallaktisch montierbar und kann kardanisch aufgehängt werden. Die Vorrichtung ist über ein Steuergerät und geschützte Zuleitungen fernbedienbar. Sie ist sowohl für den expeditionsmäßigen Einsatz in tropischen und gemäßigten Breiten als auch für Messungen im Hochgebirge auegelegt und erfolgreich erprobt worden.The drive of the filter wheel on which the gradient interference filter is located with colored cover glasses to suppress the secondary maxim, and the tilt The mirror at 900 is done by 2 servo motors fed by NiCd batteries are. The filter wheel is designed for gradual and quasi-continuous flow -and has an automatic limit switch. All movable and electric Parts of the device are encapsulated. The device is static or equatorial mountable and can be gimbaled. The device is via a control unit and protected supply lines can be controlled remotely. It is for both the expeditionary Use in tropical and moderate latitudes as well as for measurements in high mountains designed and successfully tested.

Die beschriebene Vorrichtung ist für die Lösung von Aufgaben der Fernerkundung der Erde von besonderem Vorteil. Sie ist als mobiles, handliches Spektralphotometer für Subsatellitenmessungen am zweckmäßigsten eingesetzt, weil sie gleichzeitig - die absolute, spektrale Messung der gerichtet reflektierten Strahldichte von Objekten, - die absolute spektrale Messung der Globalstrahlung (Summe aus Himmelsstrahlung und direkter Sonnenstrahlung), - die absolute, spektrale Messung der direkten Sonnenstrahlung und damit die Bestimmung der spektralen Transmission der Atmosphäre bzw. ihrer Schichten ermöglicht.The device described is for the solution of remote sensing tasks of particular benefit to the earth. It is a mobile, handy spectrophotometer most expediently used for subsatellite measurements because they simultaneously - the absolute, spectral measurement of the directionally reflected radiance of objects, - the absolute spectral measurement of global radiation (sum of celestial radiation and direct solar radiation), - the absolute, spectral measurement of direct solar radiation and thus the determination of the spectral transmission of the atmosphere or its layers enables.

Dadurch können in Verbindung mit aerokosmiechen Spektralaufnahmen (MKF-6,Scanner) der aktuelle Einfluß der Atmosphäre bestimmt, die Bildinformation objektiviert und sich in der Strahlungscharakteristik des sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereichs ausdrückende Veränderungen land-, forst- und wasserwirtschaftlicher Nutzflächen großräumig quantitativ interpretiert werden. Darüber hinaus können spektrale Strahlungscharakteristiken (spektrale Indikatrixbestimmung) leuchtender Flächen bei künstlicher und natürlicher Beleuchtung durchgeführt werden.This enables spectral recordings in connection with aerocosmic images (MKF-6, scanner) the current influence of the atmosphere determines the image information objectified and reflected in the radiation characteristics of the visible and near infrared Changes expressing the spectral range agriculture, forestry and water management Large-scale usable areas can be interpreted quantitatively. It can also be spectral Radiation characteristics (spectral indicatrix determination) of luminous surfaces can be carried out with artificial and natural lighting.

Durch die optischen Elemente (Sonnenobjektiv, Streuscheibe, Weitwinkelobjektive) wird die aus unterschiedlichen Richtungen und unter unterschiedlichen Raumwinkeln einfallende Strahlung auf den Kippepiegel gelenkt, der den Strahlengang um 90° umlenkt und auf die Verlaufinterferenzfilter richtet. Die beiden Endstellungen des Kippspiegels werden angezeigt. Nach Passieren der Filter (entsprechend ihrer Wirku«sweise werden diese nur unter einem Winkel c 0,50 gegenüber der Filternormale durchstrahlt) entsteht bei Benutzung der Sonnen- und eitwinkelobjektive die Abbildung des strahlenden Objektes in der Ebene der Meßblende (Durchmesser der Meßblende = 1,5 mm). Der Detektor wird von der über die Objektive einfallenden Strahlung nach dem Durchgang durch die Meßblende überstrahlt. Das entstehende Meßsignal wird verstärkt, mit einem Digitalvoltmeter angezeigt oder auf Band gespeichert. Die Abtastung des Spektrums an 30 reproduzierbaren Meßstellen von 7.5 nm - 16.0 nm Halbwertsbreite wird durch den Malteserkreuzantrieb des Filterrades vollzogen, der das Filterrad in Vor- und Rücklauf um konstante Winkelbeträge am Detektor vorbeidreht.Due to the optical elements (sun lens, diffuser, wide-angle lenses) is coming from different directions and at different solid angles incident radiation is directed onto the tilting mirror, which deflects the beam path by 90 ° and aimed at the gradient interference filters. The two end positions of the tilting mirror are shown. After passing through the filter (according to their mode of action this is only irradiated at an angle c 0.50 compared to the filter normal) When using the sun and side angle lenses, the image of the radiant object in the plane of the measuring orifice (diameter of the measuring orifice = 1.5 mm). The detector will of the radiation incident through the lenses after passing through the measuring diaphragm outshines. The resulting measurement signal is amplified with a digital voltmeter displayed or saved to tape. The sampling of the spectrum at 30 reproducible Measuring points with a half width of 7.5 nm - 16.0 nm are determined by the Maltese cross drive of the filter wheel is completed, which moves the filter wheel forward and backward by constant angular amounts rotated past the detector.

Die jeweilige Meßstelle und die Meßbereitschaft werden angezeigt. Die Verstärkertemperatur wird mit einem elektronischen Temperaturfühler (z.B. Perlenthermistor) gemessen und für die Bewertung der Meßsignale berücksichtigt.The respective measuring point and the readiness to measure are displayed. The amplifier temperature is measured with an electronic temperature sensor (e.g. pearl thermistor) measured and taken into account for the evaluation of the measurement signals.

Ausführungsbeispiele Das Kalibrierungsverfahren soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.EXEMPLARY EMBODIMENTS The calibration method should be based on a Exemplary embodiment will be explained in more detail.

In der Praxis muß zur Kalibrierung ein Ort oder eine Wetterlage ausgewählt werden, an dem sich die spektrale optische Dicke der Luft während der Kalibrierungszeit von Sonnenaufgang bis ca. 300 Sonnenhöhe nicht ändert. Zur Kalibrierung geeignete Orte sind Hochgebirgslagen über der Dunstsphäre und kontinentale aride Gebiete. Zur Kalibrierung geeignete Wetterlagen in Mitteleuropa treten dann auf, wenn unter antizyklonalem Einfluß kontinentale Luftmassen arktischen Ursprungs über Nordosteuropa herangeführt werden, Ein Vorteil des Kalibrierungsverfahrens ist, daß mittels des Spektralphotometers mit Sonnenobjektiv aus dem Anschluß an die extraterrestrische Bestrahlungsatärke der Sonne (Bestrahlungsstärkekalibrierung) allein durch die Kenntnis des genauen effektiven Öffnungswinkels des Sonnenobjektivs in Verbindung mit dem Abbildungsverfahren in die Ebene der Meßblende sich zwangsläufig auch die Strahldichtekalibrierung des Sonnenobjektivs ergibt. Durch die zweckmäßige konstruktive Lösung wurde ein spezielles Spektralphotometer geschaffen, welches ohne künstliche Strahlungsnormale unter natürlichen Einstrahlungsbedingungen kalibrierbar und in einem Meßaufbau gleichzeitig für Bestrahlungsstärkemessungen und Strahldichtemessungen einsetzbar ist.In practice, a location or weather condition must be selected for calibration which is the spectral optical thickness of the air during the calibration time does not change from sunrise to approx. 300 solar altitude. Suitable for calibration Places are high mountain areas above the haze sphere and continental arid areas. Weather conditions suitable for calibration in Central Europe occur when below anti-cyclonic influence of continental air masses of arctic origin over north-east Europe An advantage of the calibration method is that by means of the Spectrophotometer with solar lens from the connection to the extraterrestrial Irradiance of the sun (irradiance calibration) solely through knowledge the exact effective opening angle of the solar lens in connection with the The method of mapping in the plane of the measuring diaphragm inevitably also involves the radiation density calibration of the solar lens results. The appropriate constructive solution resulted in a special spectrophotometer created, which without artificial radiation standards Can be calibrated under natural irradiation conditions and at the same time in one measurement setup can be used for irradiance measurements and radiance measurements.

Ein weiterer meßtechnischer Vorteil ist, daß die Sonne sowohl als Strahlungsnormal bei der Kalibrierung als auch als Strahlungsquelle bei der Messung im Gelände dient und im Kalibrierungs- wie auch im Meßfall Bestrahlungsstärken gleicher Größenordnung und gleicher relativer spektraler Energieverteilungen auftreten. Dadurch läßt sich eine wesentlich-höhere relative Meßgenauigkeit (ca. + 1 Mo) bzgl.Another metrological advantage is that the sun is both Radiation standard during calibration and as a radiation source during measurement serves in the field and in the calibration as well as in the measurement case irradiance levels are the same Order of magnitude and the same relative spectral energy distributions occur. Through this a significantly higher relative measurement accuracy (approx. + 1 Mo) with respect to

der tabellierten extraterrestrischen Sonnenwerte erreichen, als bei der Verwendung von künstlichen Strahlungsnormalen (ca. + 5 c,).of the tabulated extraterrestrial sun values than at the use of artificial radiation standards (approx. + 5 c,).

Die Vorrichtung soll anhand folgender Ausführungsbeispiele beschrieben werden: Die Vorrichtung befindet sich auf einer perallaktischen Montierung und ist mit dem Sonnenobjektiv (l) und der Streuscheibe (3) ausgerüstet. Das Sonnenobjektiv (1) wird über sein Visier auf die Sonnegerichtet und der i<ippspiegel (4) mit Hilfe eines Servomotors so in eine Endstellung gebracht, daß die Sonnenstrahlung die Verlaufinterferenzfilter auf dem malteserkreuzgetriebenen Filterrad (5) durchsetzt. Schrittweise werden die einzelnen Filterorte in den vom Kippspiegel (4) umgelenkten Strahlengang des Sonnenobjektivs (1) gebracht, so daß nacheinander die Sonne spektral in die Ebene der nachgeordneten Meßblende (6) abgebildet wird. Die Sonnenstrahlung überstrahlt danach den Detektor (7) und erzeugt hier ein Signal, das am Ausgang des Verstärkers (8) aufgrund des beschriebenen Verfahrens sofort die Transmission T der Atmosphäre zu bestimmen gestattet. Danach wird das Sonnenobjektiv (1) gegen ein Weitwinkelobjektiv (2) ausgetauscht und die gesamte Vorrichtung so gekippt, daß die Streuscheibe (3) senkrecht nach oben, das eitwinkelobjektiv (2) senkrecht nach unten gerichtet ist. Durch Inbetriebnahme des Kippspiegels (4) werden in dieser Meßposition wechselweise die Globalstrahlung G über die Streuscheibe (3) und die von der Fläche A reflektierte Strahlung R über das Weitwinkelobjektiv (2) spektral und absolut gemessen. Danach werden aus beiden Messungen der wahre gerichtete Re-R .# flexionsgrad r = G und bei asrokosmischen Aufnahmen die gerichtete Eigenstrahlung der Atmosphäre RA nach der Beziehung RA = RK - R . T bestimmt, wenn die Fläche A gleichzeitig vom Flugniveau aus spsktral vermessen wird und dort das Signal RK ergibt. Die aktuellen spektralen Werte RA und T, die als Störgrößen bei der Auswertung von Flugzeug- und Satellitenaufnahmen der Erde auftreten, können somit ermittelt und eliminiert werden.The device is intended to be based on the following exemplary embodiments described be: The device is on a perallactic mount and is equipped with the sun lens (l) and the diffuser (3). The solar lens (1) is aimed at the sun via its visor and the tilt mirror (4) with it With the help of a servo motor brought into an end position that the solar radiation the gradient interference filter on the Maltese cross-driven filter wheel (5) interspersed. The individual filter locations are gradually diverted into the ones deflected by the tilting mirror (4) Beam path of the solar lens (1) brought so that one after the other the sun spectrally is mapped in the plane of the downstream measuring orifice (6). The solar radiation then outshines the detector (7) and generates a signal here, which is at the output of the amplifier (8) immediately the transmission due to the method described T allowed to determine the atmosphere. Then the sun lens (1) is against a wide-angle lens (2) exchanged and the entire device tilted so that that the lens (3) vertically upwards, the angle lens (2) vertically is directed downwards. When the tilting mirror (4) is put into operation, this Measuring position alternately the global radiation G via the diffuser (3) and the Radiation R reflected from the surface A spectrally via the wide-angle lens (2) and measured absolutely. Then both measurements become the true directed Re-R . # flexion degree r = G and with asrocosmic recordings the directed natural radiation the atmosphere RA according to the relation RA = RK - R. T is determined when the area A is simultaneously measured from the flight level from spsktral and there results the signal RK. The current spectral values RA and T, which are used as disturbance variables in the evaluation of Aircraft and satellite images of the earth occur, can thus be determined and be eliminated.

Beispiel 2: Dio Vorrichtung kann in der zuletzt beschriebenen Meßposition kardanisch an einem Schiffsausleger aufgehängt werden und über das Weitwinkelobjektiv (2) während der Fahrt des Schiffes die reflektierten Strahldichten der Meeresoberfläche spektral und quasikontinuierlich messen. Die Meßwerte werden auf Magnetband gespeichert und gestatten Aussagen über den Phytoplanktongehalt des Wassers. Gleichzeitig werden G und r wie im obigen Beispiel bestimmt.Example 2: Dio device can be in the last described measuring position gimbaled to a ship's boom and via the wide-angle lens (2) the reflected radiance of the sea surface while the ship is in motion Measure spectrally and quasi-continuously. The measured values are stored on magnetic tape and allow statements about the phytoplankton content of the water. Be at the same time G and r determined as in the example above.

Beispiel 3: Die Vorrichtung wird auf einen Drehtisch montiert und mit dem Bonnenobjektiv (l) die Abstrahlcharakteristiken leucha tender oder reflektierender Proben und Flächen (Beläge, Anstriche) bestimmt.Example 3: The device is mounted on a turntable and With the bonnen lens (l) the radiation characteristics are lighter or more reflective Samples and surfaces (coverings, paints) determined.

Claims

Invention claim. Calibration procedure for irradiance and radiance measurements for lighting technology, meteorology and preferably for the remote sensing of the earth, characterized in that a both for irradiance as well as radiance measurements constructed spectrophotometer with a measuring diaphragm by attaching a solar lens with respect to the known extraterrestrial spectral Energy distribution of the sun is Icalibrated and then with the help of the interchangeable calibrated solar lens, the optical calibration factors are determined one after the other Resolutions diffuser and interchangeable wide-angle lenses to the extraterrestrial Power distribution can be connected.

2. Calibration method according to item 1. characterized in that the image of the sun with the solar lens takes place within the measuring aperture, that the diameter of the sun image corresponds to about half the diameter of the measuring diaphragm.

3, calibration procedure according to point i. and 2., characterized in that that under terrestrial conditions the extrapolation method to extraterrestrial 3 irradiance is applied with an air mass of zero.

4. Calibration method according to points 1 to 3, characterized in that that the calibration factor for irradiance measurements with the solar lens is determined the quotient between the known tabulated extraterrestrial irradiance and the extrapolated measurement signal for the air mass results in m = 0.

5. Calibration method according to points 1. to 4., characterized in that that the calibration factor for the lens attachment from the measurements of global and Sky radiation with the lens and the irradiance is calculated from the measurements with the solar lens.

6. Calibration method according to points 1. to 5., characterized in that that the effective solid angle of the solar lens with the help of a sufficiently punctiform Light source is determined.

7. Calibration method according to points 1 to 6, characterized in that that the calibration factor for the irradiance measurement with the solar lens related to the solid angle of the solar lens and thus the calibration factor for the radiance measurement is determined with a solar lens.

8. Calibration method according to points 1 to 7, characterized in that that the calibration factor for radiance measurements for wide-angle lenses with different Aperture angles from connection measurements with the one calibrated for radiance measurements Solar lens over hompgen diffuse radiating surfaces is obtained.

9. Device for irradiance and radiance measurements for lighting technology, meteorology and preferably for remote sensing of the earth, characterized in that the device is used for both calibration and measurement Represents a suitable, portable and freely mountable spectrophotometer, that the specified quantities are spectrally and directionally dependent in absolute units Measure allowed by the sun lens (1) or the wide-angle lens (2) and the diffuser (3) a tilting mirror (4) on a Maltese cross-driven filter wheel arranged progressive interference filters with the measuring diaphragm (6) and a detector (7) adapted amplifier (8) are arranged downstream.

10. Device according to item 9, characterized in that the achromatic The sun lens is interchangeable, which is the radiant one with a simple visor Object (sun, radiating surface) at a field angle of jO into the plane of Measuring aperture (6) of the spectrophotometer images.

11. The device according to item 9, characterized in that the Veitwinkelobiektiv are interchangeable and consist of an achromatic lens and an inverted telescope in front of it exist, whereby the radiating object, e.g. water, soil, vegetation, snow etc. detected at a field angle tis 200 and mapped into the plane of the measuring diaphragm will.

12. Device according to item 9, characterized in that the diffuser (3) is interchangeable and that of surface radiators (sky) and point radiators (Lamps, sun) outgoing radiation, diffuse and almost true to the cosine recorded.

13. Device according to item 9 to 12, characterized in that the tilting mirror (4) is adjustable and can be fixed in the end positions, with in both end positions via the sun lens (1) or the wide-angle lenses (2) or the diffuser (3) incident radiation on the gradient interference filter falls.

14. Device according to point 9 to 13, characterized in that its Maltese cross-driven filter wheel (5) step by step or quasi-continuously the filter positions are reproducible at the inlet opening of the amplifier part moved past.

15. Device according to item 9 to 14, characterized in that an amplifier (8) the spectral light output in the range between 10-1 to 108 µWcm-2nm-1sr-1 with the help of a suitable current generator (diode in short-circuit operation) converts it into an electrical signal proportional to it.