DE4110699C2

DE4110699C2 - Device for measuring thermal radiation from small solid angles

Info

Publication number: DE4110699C2
Application number: DE4110699A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr Lorenz
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1991-04-03
Filing date: 1991-04-03
Publication date: 1995-12-14
Anticipated expiration: 2011-04-04
Also published as: NL9200611A; FR2675256A1; DE4110699A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen thermischer Strahlung aus kleinen Raumwinkeln nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.The invention relates to a method for measuring thermal Radiation from small solid angles according to the generic term of the claim.

Messungen von thermischer Strahlung aus kleinen Raumwinkeln werden durchgeführt, um beispielsweise aus der emittierten Strahlung die Temperatur von natürlichen oder künstlichen Oberflächen, wie beispielsweise von der Erd- oder der Meeresoberfläche oder von Oberflächen von Metallen, Kunststoffen usw., zu bestimmen. Dies erfolgt sowohl stationär, aber häufig auch von Land-, See- und Luftfahrzeugen sowie von künstlichen Satelliten aus.Measurements of thermal radiation from small solid angles are carried out, for example, from the emitted Radiation the temperature of natural or artificial Surfaces, such as from the surface of the earth or the sea or of surfaces of metals, plastics etc. to determine. This is both stationary, however often also from land, sea and aircraft as well as from artificial satellites.

Hierzu werden vorzugsweise Radiometer verwendet, die nach dem Wechsellichtverfahren arbeiten. Dabei wird meist mittels einer Modulatorscheibe auf einen trägheitsarmen Strahlungsdetektor auftreffende Strahlung so moduliert, daß ein ständiger Wechsel zwischen einer zu messenden Strahlung und einer Vergleichsstrahlung stattfindet. Die dadurch am Detektor ankommenden Wechsellichtsignale werden in Wechselspannungen oder -ströme umgesetzt, welche verstärkt und anschließend gleichgerichtet werden. Die hieraus resultierenden Spannungen bzw. Ströme sind in etwa der Differenz zwischen der Meß- und der Vergleichsstrahlung proportional.For this purpose, radiometers are preferably used, which according to work with the alternating light method. It is usually by means of a modulator disc on a low-inertia radiation detector incident radiation modulated so that a constant Alternation between a radiation to be measured and a comparison radiation takes place. The result is at the detector incoming alternating light signals are in alternating voltages or streams implemented, which are amplified and subsequently be rectified. The resulting Voltages or currents are roughly the difference between proportional to the measurement and comparison radiation.

Ein Radiometer der beschriebenen Art wird beispielsweise in DE-OS 23 06 449 und in DE-OS 20 47 284 sowie in DE 25 03 259 B2 dargestellt. Die beiden erstgenannten benutzen rotierende Elemente zur Modulation, das letztgenannte einen Schwingspiegel. Beispielhaft für diese Geräte wird nachstehend ein Radiometer nach DE-OS 23 06 449 unter Bezugnahme auf Fig. 3 kurz beschrieben. Bei dem bekannten Radiometer rotiert eine mehrflügelige, verspiegelte Modulatorscheibe MO, welche in der Druckschrift auch als Strahlungschopper bezeichnet ist, vor einem temperaturstabilisierten Gehäuse A, an dessen Vorderseite eine Sammellinsenanordnung O und an dessen Rückseite ein Detektor D vorgesehen ist. Auf den Detektor D trifft in stetem Wechsel eine Meßstrahlung und die von der verspiegelten Modulatorscheibe MO reflektierte Eigenstrahlung von der Optik O und dem Gehäuse A als Referenzstrahlung auf. Da diese Teile eine konstante Temperatur haben, wäre - eine konstante elektrische Verstärkung vorausgesetzt - das entstehende Signal nur abhängig von der Strahlungsdifferenz zwischen einem Meßobjekt und dem Gehäuse A mit der Optik O, wenn die Flügel der Modulatorscheibe MO ein Reflexionsvermögen von r=1 besäßen. Da dies nicht erreichbar ist, geht deren Emission und damit deren Temperatur bis zu einem gewissen Grad in die Meßwerte ein. Hierbei ist der Einfluß so groß, daß hochgenaue Messungen auf diese Weise nicht möglich sind. Deshalb befaßt sich DE-OS 23 06 449 mit einer Kompensationsmöglichkeit; diese ist jedoch lediglich ein Kompromiß, der nur als ein Behelf angesehen werden kann und sich in der Praxis weder bewährt noch durchgesetzt hat.A radiometer of the type described is shown for example in DE-OS 23 06 449 and in DE-OS 20 47 284 and in DE 25 03 259 B2. The first two use rotating elements for modulation, the latter use an oscillating mirror. As an example of these devices, a radiometer according to DE-OS 23 06 449 is briefly described below with reference to FIG. 3. In the known radiometer, a multi-wing, mirrored modulator disc MO, which is also referred to in the publication as a radiation chopper, rotates in front of a temperature-stabilized housing A, on the front side of which a collecting lens arrangement O and on the rear side of which a detector D is provided. A measuring radiation and the intrinsic radiation reflected by the mirrored modulator disc MO from the optics O and the housing A strike the detector D as a reference radiation. Since these parts have a constant temperature, assuming a constant electrical amplification, the resulting signal would only depend on the radiation difference between a test object and the housing A with the optics O if the wings of the modulator disc MO had a reflectivity of r = 1. Since this cannot be achieved, their emission and thus their temperature are included in the measured values to a certain extent. The influence is so great that highly precise measurements are not possible in this way. Therefore DE-OS 23 06 449 deals with a possibility of compensation; however, this is only a compromise that can only be regarded as a makeshift solution and has neither proven itself in practice nor been successful.

Obendrein geht in das Meßsignal, wie bereits erwähnt, die elekrische Verstärkung ein, welche sich beispielsweise infolge von Temperatureinflüssen ändert und somit das Meßergebnis zusätzlich beeinflussen kann. Dies ist bei dem Lösungsvorschlag nach DE-OS 23 06 449 nicht berücksichtigt. Um diesen Nachteilen zu begegnen, wurden verschiedentlich Meßanordnungen beschrieben, die außer der Strahlung des Meßobjekts - allerdings zu anderen Zeiten - die Strahlung von mindestens einem zusätzlichen Strahler bekannter Temperatur messen und so eine Nachkalibrierung während des Betriebs des Radiometers gestatten (s. z. B. DE 31 08 153, DE 31 49 523 A1 und DE-OS 23 24 852). Da diese Kalibrierungen und natürlich auch die Umschaltungen zwischen Meß- und Kalibrierstrahlung einige Zeit benötigen, fehlen diese Zeitabschnitte bei der Meßstrahlung. Das ist insbesondere bei Messungen von Luftfahrzeugen aus von Nachteil.On top of that goes into the measurement signal, as already mentioned, the electrical reinforcement, which is caused, for example, by of temperature influences and thus the measurement result can also influence. This is with the proposed solution according to DE-OS 23 06 449 not taken into account. In order to counter these disadvantages, various Measuring arrangements described, in addition to the radiation of the test object - but at other times - the radiation from at least one additional heater of known temperature measure and so a recalibration during the operation of the Allow radiometers (see e.g. DE 31 08 153, DE 31 49 523 A1 and DE-OS 23 24 852). Because these calibrations and of course also the switching between measuring and calibration radiation need some time, these periods are missing from the Measuring radiation. This is especially true when measuring aircraft out of disadvantage.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei einer Einrichtung zum Messen thermischer Strahlung aus kleinen Raumwinkeln die vorstehend angeführten Nachteile bekannter Radiometer zu vermeiden und eine Meßstrahlung unverfälscht und hochgenau festzustellen.The object of the invention is therefore in a device for measuring thermal radiation from small solid angles the above-mentioned disadvantages of known radiometers to avoid and a measurement radiation unadulterated and highly accurate ascertain.

Gemäß der Erfindung ist dies bei einer Einrichtung zur zur Messung thermischer Strahlung aus kleinen Raumwinkeln nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs durch die Merkmale in dessen kennzeichnenden Teil erreicht.According to the invention, this is in a device for for measuring thermal radiation from small solid angles the preamble of the claim by the features in reached its characteristic part.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung wird ein unter einem bestimmten, fest vorgegebenen Winkel zur optischen Achse angeordneter Spiegel von einer Stellung, in welcher Meßstrahlung auf einen Detektor umgelenkt wird, in Stellungen, in welchen Kalibrierstrahlung auf den Detektor umgelenkt wird, so gedreht, daß der Spiegel eine gewisse Zeit in den einzelnen Stellungen stehenbleibt. Auf diese Weise kann aus den Signalen des Detektors für diese Stillstandzeiten die Strahlungsdifferenz zwischen Meß- und Kalibrierstrahlung sowie zwischen den beiden Kalibrierstrahlungen bestimmt werden.In the device according to the invention is one under certain, predetermined angle to the optical axis arranged mirror from a position in which Measuring radiation is deflected to a detector in Positions in which calibration radiation on the detector is deflected so that the mirror a certain time remains in the individual positions. On this way, the signals from the detector for this Downtime the radiation difference between measurement and Calibration radiation and between the two calibration radiation be determined.

Wenn daher die beiden Kalibrierstrahlungen bekannt sind, ist auf diese Weise für jede einzelne Meßperiode eine Kalibrierung, d. h. eine Eigenkalibrierung gegeben. Vorausgesetzt, daß sich innerhalb eines Spiegelumlaufs weder der Emissionskoeffizient und die Temperatur des Spiegels noch die Verstärkung sowie die Kalibrierstrahlungen ändern, ist das Meßergebnis weder von der vom Spiegel emittierten Strahlung noch von der elektrischen Verstärkung abhängig. Das Meßergebnis wird vielmehr durch die beiden Kalibrierstrahlungen und das Verhältnis der Meßspannungen bei der Kalibrierung und bei der eigentlichen Messung bestimmt.Therefore, if the two calibration radiations are known, in this way a calibration for each individual measuring period, d. H. given a self-calibration. Provided, that there is no emission coefficient within a mirror cycle and the temperature of the mirror still the gain as well as change the calibration radiation is the measurement result neither from the radiation emitted by the mirror still depends on the electrical amplification. The measurement result is rather due to the two calibration radiations and the ratio of the measurement voltages during calibration and determined during the actual measurement.

Dies wird nunmehr anhand der nachstehenden Gleichungen im einzelnen erläutert. In den Gleichungen sind mit S_KAL1 und S_KAL2 die beiden Kalibrierstrahlungen, mit S_MESS die zu messende Strahlung, mit ε_MO das Emissionsvermögen und mit T_MOD die Temperatur des Modulators sowie mit R die elektrische Verstärkung bezeichnet. Die Spannung, die bei der Differenzmessung der Meßstrahlung gegen eine Kalibrierstrahlung erhalten wird, ergibt sich dann zu:This will now be explained in detail using the equations below. In the equations, S _KAL1 and S _{KAL2 denote} the two calibration radiations, S _MESS the radiation to be measured, ε _MO the emissivity and T _MOD the temperature of the modulator, and R the electrical amplification. The voltage that is obtained when measuring the difference between the measuring radiation and a calibration radiation then results in:

U_MESS = R [(1 - ε_MO) S_KAL1 + ε_MO S(T_MOD) - (1 - ε_MO) S_MESS - ε_MO S(T_MOD)]
= R (1 - ε_MO) (S_KAL1 - S_MESS) (1)U _MEASUREMENT = R [(1 - ε _MO ) S _KAL1 + ε _MO S (T _MOD ) - (1 - ε _MO ) S _MEASUREMENT - ε _MO S (T _MOD )]
= R (1 - ε _MO) (S _KAL1 - S _MESS) (1)

Die Spannung bei der Differenzmessung der beiden Kalibrierstrahler ergibt sich dann in entsprechender Weise zu:The voltage when measuring the difference between the two calibration sources in a corresponding way it then results in:

U_KAL = R [(1 - ε_MO) S_KAL2 + ε_MO S(T_MOD)-(1-ε_MD) S_KAL1 - ε_MO S(T_MOD)]
= R (1 - ε_MO) (S_KAL2 - S_KAL1) (2)U _KAL = R [(1 - ε _MO ) S _KAL2 + ε _MO S (T _MOD ) - (1-ε _MD ) S _KAL1 - ε _MO S (T _MOD )]
= R (1 - ε _MO ) (S _KAL2 - S _KAL1 ) (2)

Durch eine Quotientenbildung von U_MESS/U_KAL, d. h. von Gl.'en (1) und (2), läßt sich dann die Meßstrahlung bestimmen zu:The measurement radiation can then be determined by forming the quotient of U _MEAS / U _KAL , ie Eqs. (1) and (2):

In der Gl. (3) werden zur Bestimmung der zu messenden Strahlung S_MESS nur die Kalibrierstrahlungen S_KAL1 und S_KAL2 und das Verhältnis von U_MESS/U_KAL benötigt.In the Eq. (3) only the calibration radiation S _KAL1 and S _KAL2 and the ratio of U _MESS / U _{KAL are} required to determine the radiation S _MESS to be measured.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigtThe invention is described below on the basis of preferred embodiments with reference to the accompanying drawings explained in detail. It shows

Fig. 1 eine schematisierte und teilweise aufgeschnittene perspektivische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Einrichtung gemäß der Erfindung; Figure 1 is a schematic and partially cutaway perspective view of a preferred embodiment of a device according to the invention.

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Verlaufs eines verstärkten Wechselspannungssignals, welches mit der Einrichtung nach Fig. 2 erhalten wird, und FIG. 2 shows a schematic illustration of a profile of an amplified AC voltage signal which is obtained with the device according to FIG. 2, and

Fig. 3 eine schematisierte, teilweise aufgeschnittene perspektivische Darstellung einer herkömmlichen, nach dem Wechsellichtverfahren arbeitenden Meßanordnung. Fig. 3 is a schematic, partially cutaway perspective view of a conventional measuring arrangement working according to the alternating light method.

In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Einrichtung gemäß der Erfindung dargestellt, wobei in Fig. 1 gegenüber Fig. 3 die verspiegelte Modulatorscheibe entfallen ist. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist der drehbare, als Umlenkspiegel wirkende Spiegel DS als Modulator verwendet. Dieser rotiert fortlaufend in der Weise um die optische Achse OA, daß er in Stellungen, in welchen die Meßstrahlung bzw. eine Kalibrierstrahlung auf den Detektor D umgelenkt wird, der Spiegel regelmäßig eine bestimmte Zeitlang in entsprechenden Stellungen stehen bleibt. Vorzugsweise wird somit der Spiegel DS durch einen nicht näher dargestellten Schrittmotor in der Weise angetrieben, daß er schrittweise in die einzelnen Stellungen gebracht wird und in diesen Stellungen dann eine für einen Meßvorgang erforderliche Zeitspanne stehenbleibt.In Fig. 1, a preferred embodiment of a device according to the invention is shown, wherein the mirrored disk modulator is omitted in Fig. 1 with respect to FIG. 3. In the embodiment according to FIG. 1, the rotatable mirror DS, which acts as a deflecting mirror, is used as a modulator. The mirror rotates continuously in such a way about the optical axis OA that, in positions in which the measuring radiation or a calibration radiation is deflected onto the detector D, the mirror regularly remains in corresponding positions for a certain time. Preferably, the mirror DS is thus driven by a stepping motor, not shown, in such a way that it is brought into the individual positions step by step and then a time period required for a measuring process remains in these positions.

In Fig. 1 erfolgt somit die Modulation durch den drehbaren Spiegel DS. Hierdurch ergibt sich dann ein in Fig. 2 in schematisierter Form dargestellter Signalverlauf, aus welchem für eine Auswertung gemäß Gl. (3) die Spannungen U_MESS und U_KAL bestimmt werden können. Die Kalibrierstrahlungen S_KAL1 und S_KAL2 lassen sich aus der Temperatur der Strahler bestimmen, wenn diese beispielsweise als Hohlraumstrahler ausgebildet sind.In Fig. 1, the modulation is carried out by the rotatable mirror DS. This then results in a signal curve shown in a schematic form in FIG. 2, from which for an evaluation according to Eq. (3) the voltages U _MEAS and U _CAL can be determined. The calibration _radiations S _KAL1 and S _KAL2 can be determined from the temperature of the emitters if they are designed, for example, as cavity emitters.

Auf diese Weise kann aus Signalen des Detektors, welche während dieser Stillstandzeiten des drehbaren Spiegels erhalten worden sind, die Strahlungsdifferenz zwischen einer Meß- und einer Kalibrierstrahlung und zwischen den beiden Kalibrierstrahlungen bestimmt werden. Dadurch ist für jede einzelne Meßperiode eine Eigenkalibrierung gegeben, wenn die Strahlungen von den beiden Kalibrierstrahlern KAL1 und KAL2 bekannt sind. Das Meßergebnis wird somit lediglich durch die beiden Kalibrierstrahlungen und durch das Verhältnis der Meßspannungen bei einer Kalibrierung und bei einem Meßvorgang bestimmt.In this way, signals from the detector, which during get this downtime of the rotating mirror have been, the radiation difference between a measurement and a calibration radiation and between the two calibration radiation be determined. This is for everyone Measurement period given a self-calibration when the radiations known from the two calibration sources KAL1 and KAL2 are. The measurement result is therefore only by the two calibration radiations and by the ratio of Measuring voltages during a calibration and during a measuring process certainly.

Claims

Device for measuring thermal radiation from small solid angles according to the alternating _{light method} with an optic (O) provided on the front of a housing and a detector (D) attached to the inside of the housing on the back, in which measuring radiation (S _MESS ) and radiation (S _KAL1 , S _KAL2 ) of at least two calibration emitters (KAL1, KAL2) are guided over a rotatable mirror (DS) arranged in front of the optics (O), which rotates about the optical axis (OA) of the optics (O) and the detector (D) formed system of a radiometer is rotatable and which is arranged at a certain angle to the optical axis (OA), characterized in that the mirror (DS) is constantly set in such a rotational movement that it in the measuring direction and when aligning to the or Calibration emitter (KAL1, KAL2) remains stationary for a short, predetermined time, and a signal processing arrangement is provided which performs signal processing in this way Carries out that for positions of the rotatable mirror (DS), in which radiation (S _KAL1 , S _KAL2 ) from the two calibration emitters (KAL1, KAL2) and the measurement radiation (S _MESS ) from a measurement object occur one after the other, each after reaching a full signal level the differences U _MESS = S _KAL1 -S _MESS or U _MESS = S _KAL2 -S _MESS ) and U _KAL = S _KAL2 -S _{KAL1 are} formed.