NL9200611A

NL9200611A - METHOD FOR MEASURING THERMAL RADIATION AND DEVICES FOR CARRYING OUT THIS METHOD

Info

Publication number: NL9200611A
Application number: NL9200611A
Authority: NL
Original assignee: Deutsche Forsch Luft Raumfahrt
Priority date: 1991-04-03
Filing date: 1992-04-01
Publication date: 1992-11-02
Also published as: FR2675256A1; DE4110699C2; DE4110699A1

Description

Werkwijze voor het meten van thermische straling en inrichtingen voor het uitvoeren van deze werkwijze.Method for measuring thermal radiation and devices for carrying out this method.

De uitvinding betreft een werkwijze voor het meten van thermische straling uit kleine ruimtehoeken volgens de wissellicht-werkwijze en een inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze.The invention relates to a method for measuring thermal radiation from small spatial angles according to the alternating light method and an apparatus for carrying out the method.

Metingen van thermische straling uit kleine ruimtehoeken worden uitgevoerd om bijvoorbeeld uit de uitgezonden straling de temperatuur van natuurlijke of kunstmatige oppervlakken, zoals van het aard- of het in zeeoppervlak of van oppervlakken van metalen, kunststoffen enz. te bepalen. Dit vindt zowel stationair plaats, alsook vaak vanuit land-, zee- en luchtvoertuigen, alsmede vanuit kunstsatellieten.Measurements of thermal radiation from small spatial angles are carried out to determine, for example, from the emitted radiation the temperature of natural or artificial surfaces, such as the earth's or sea surface or surfaces of metals, plastics, etc. This takes place both stationary, and often from land, sea and air vehicles, as well as from artificial satellites.

Hiertoe worden bij voorkeur radiometers gebruikt, die volgens de wissellicht-werkwijze functioneren. Daarbij wordt meestal door middel van een modulatorschijf op een traagheidsarme stralingsdetector in vallende straling zodanig gemoduleerd, dat een voortdurende wisseling tussen een te meten straling en een vergelijkingsstraling plaatsvindt. De daardoor bij de detector aankomende wissellicht-signalen worden in wisselspanningen of -stromen omgezet, die worden versterkt en aansluitend worden gelijkgericht. De hieruit resulterende spanningen, respectievelijk stromen zijn ongeveer evenredig met het verschil tussen de meet- en de vergelijkingsstraling.Preferably, radiometers are used for this purpose, which function according to the alternating light method. Usually, by means of a modulator disc on a low-inertia radiation detector, incident radiation is modulated in such a way that a continuous change takes place between a radiation to be measured and a comparison radiation. The alternating light signals thereby arriving at the detector are converted into alternating voltages or currents, which are amplified and subsequently rectified. The resulting voltages or currents are approximately proportional to the difference between the measurement and the comparison radiation.

Radiometers van de beschreven soort bijvoorbeeld in DE-2.306.449 en in DE-2.047.284, alsmede in DE-2.503.259 weergegeven. De beide eerstgenoemde gebruiken roterende elementen voor de modulatie, de laatstgenoemde een slingerspiegel. Als voorbeeld voor deze inrichtingen wordt hieronder een radiometer volgens DE-2.306.449 onder verwijzing naar figuur 4 kort beschreven. Bij de bekende radiometer roteert een van verscheidene vleugels voorziene, van spiegelend oppervlak voorziene modulatorschijf MO, welke in de publikatie ook stralings-chopper wordt genoemd voor een tem-peratuurgestabiliseerd huis A, aan wiens voorzijde een verzamelingslen-zeninrichting 0 en aan wiens achterzijde een detector D is aangebracht. Een meetstraling en de door de van een spiegelend oppervlak voorziene modulatorschijf MO gereflecteerde eigenstraling van het lenzensysteem 0 en het huis A die als referentiestraling dient treffen in voortdurende afwisseling de detector D. Omdat deze delen een constante temperatuur hebben, zou, wanneer een constante elektrische versterking wordt verondersteld - het ontstane signaal slechts afhankelijk zijn van het stra-lingsverschil tussen een meetobject en het huis A met het lenzensysteem O, wanneer de vleugels van de modulatorschijf MO een reflectiecoëfficiënt van r=l zouden bezitten. Omdat dit niet bereikbaar is, wordt de emissie daarvan en daarmee de temperatuur daarvan tot een bepaalde graad in de meetwaarde opgenomen. Hierbij is de invloed zo groot, dat nauwgezette metingen op deze· wijze niet mogelijk zijn. Derhalve houdt DE-2.306.449 zich met een compensatiemogelijkheid bezig; deze is echter alleen een compromis, dat alleen als behelpen kan worden aangezien en dat zich in de praktijk noch heeft bewezen noch heeft doorgezet.Radiometers of the type described are shown, for example, in DE-2,306,449 and in DE-2,047,284, as well as in DE-2,503,259. The former two use rotating elements for modulation, the latter a pendulum mirror. As an example for these devices, a radiometer according to DE-2,306,449 with reference to figure 4 is briefly described below. In the known radiometer, a multi-winged, mirror-coated modulator disk MO, which in the publication is also referred to as a radiation chopper, rotates for a temperature-stabilized housing A, on whose front a collection lens device 0 and on the rear of which a detector D is applied. A measurement radiation and the natural radiation of the lens system 0 and the housing A, which is to be the reference radiation, which is reflected by the modulating disk MO and which serves as the reference radiation, continuously change the detector D. Because these parts have a constant temperature, if a constant electrical amplification it is assumed - the resulting signal depend only on the radiation difference between a measuring object and the housing A with the lens system O, if the wings of the modulator disc MO had a reflection coefficient of r = 1. Because this is not accessible, its emission and thus its temperature is included in the measured value up to a certain degree. The influence here is so great that accurate measurements are not possible in this way. Therefore DE-2,306,449 deals with a compensation option; it is, however, only a compromise, which can only be regarded as a problem and which has neither proved nor persevered in practice.

Bovendien wordt in het meetsignaal, zoals reeds is opgemerkt, de elektrische versterking opgenomen, die bijvoorbeeld ten gevolge van tem-peratuurinvloeden verandert en daarmee het meetresultaat extra kan beïnvloeden. Dit is bij het oplossingsvoorstel volgens DE-2.306.449 niet beschouwd.In addition, as has already been noted, the measuring signal includes the electrical amplification, which changes, for example, as a result of temperature influences and can thereby additionally influence the measuring result. This was not considered in the solution proposal according to DE-2,306,449.

Om aan deze nadelen tegemoet te komen werden verschillende meetin-richtingen beschreven, die behalve de straling van het meetobject - weliswaar op andere tijdstippen - de straling van ten minste een extra stra-lingsbron van bekende temperatuur meten en zo een achteraf kalibratie gedurende het bedrijf van de radiometer mogelijk maken (zien bijvoorbeeld DE-3.108.153» DE-3.l49.523 en DE-2.324.852). Omdat deze kalibraties en natuurlijk ook de omschakelingen tussen meet- en kalibratiestraling enige tijd nodig hebben, ontbreken deze tijdsectoren bij de meetstraling. Dat is in het bijzonder bij metingen vanuit luchttoevoertuigen nadelig.In order to overcome these drawbacks, various measuring devices have been described which, in addition to the radiation of the measuring object - albeit at other times - measure the radiation of at least one additional radiation source of known temperature, and thus a subsequent calibration during the operation of enable the radiometer (see for example DE-3.108.153 »DE-3.149.523 and DE-2.324.852). Because these calibrations and of course also the switches between measurement and calibration radiation take some time, these time sectors are missing from the measurement radiation. This is disadvantageous in particular when measuring from air vehicles.

Daarom is het een doelstelling van de uitvinding bij een werkwijze voor het meten van thermische straling uit kleine ruimtehoeken en bij inrichtingen voor het uitvoeren van de werkwijze de hiervoor genoemde nadelen van bekende radiometers te vermijden en een meetstraling foutloos en nauwgezet vast te stellen.It is therefore an object of the invention in a method for measuring thermal radiation from small spatial angles and in devices for carrying out the method to avoid the aforementioned drawbacks of known radiometers and to determine a measurement radiation flawlessly and accurately.

Volgens de uitvinding is dit bij een werkwijze met wissel-licht voor het meten van thermische straling uit kleine ruimtehoeken daardoor bereikt, dat behalve een meetstraling in het meetritme van de wissel-licht-werkwijze extra de straling van ten minste twee kalibratiestra-lingsbronnen wordt gemeten.According to the invention, this has been achieved in a method with alternating light for measuring thermal radiation from small spatial angles, that in addition to a measuring radiation in the measuring rhythm of the alternating light method, the radiation from at least two calibration radiation sources is additionally measured .

Bij een inrichting ter uitvoering van de werkwijze volgens de uitvinding wordt sils modulator een onder bepaalde, vast gegeven hoek geplaatste afbuigspiegel toegepast. Hierbij wordt de afbuigspiegel om de optische as voortdurend vanuit een positie, waarin de meetstraling op de detector wordt afgebogen, zo in posities, waarin de kalibratiestraling op de detector wordt afgebogen, gedraaid, dat de ombuigspiegel een bepaalde tijd in de individuele posities blijft staan. Op deze wijze kan uit de signalen van de detector voor deze tijden van stilstand het stralingsver-schil tussen meet- en kalibratiestraling, alsmede tussen de beide kali-bratiestralingen worden bepaald.In a device for carrying out the method according to the invention, a sils modulator is used with a deflecting mirror placed at a certain fixed angle. Here, the deflecting mirror is rotated about the optical axis from a position in which the measuring radiation on the detector is deflected, in such positions that the calibration radiation is deflected on the detector, so that the deflecting mirror remains in the individual positions for a certain time. In this way, the radiation difference between measurement and calibration radiation, as well as between the two calibration radiation, can be determined from the signals from the detector for these standstill times.

Wanneer daaruit de beide kalibratiestralingen bekend zijn, is op deze wijze voor iedere individuele meetperiode een kalibratie, d.w.z. een eigenkalibratie gegeven. Vooropgesteld dat binnen een spiegelomloop noch de emissiecoëfficiënt en de temperatuur van de spiegel, noch de versterking alsmede de kalibratiestralingen veranderen, is het meetresultaat noch van de door de spiegel uitgezonden straling noch van de elektrische versterking afhankelijk. Het meetresultaat wordt veeleer door de beide kalibratiestralingen en de verhouding van meetspanningen bij de kalibratie en bij de eigenlijke meting bepaald.When both calibration radiations are known therefrom, a calibration, i.e. a self-calibration, has been given in this way for each individual measurement period. Provided that within a mirror orbit, neither the emission coefficient and temperature of the mirror, nor the amplification, as well as the calibration radiations change, the measurement result does not depend on the radiation emitted by the mirror nor on the electrical amplification. Rather, the measurement result is determined by the two calibration radiations and the ratio of measuring voltages during calibration and during the actual measurement.

Dit wordt thans aan de hand van de navolgende vergelijking in detail toegelicht. In de vergelijkingen betekenen S^u de beide kalibratiestralingen, Smess de te meten straling, €M0 het emissievermogen en ^MOD de temperatuur van de modulator, alsmede R de elektrische versterking. De spanning die bij de verschilmeting van de meetstraling ten opzichte van een kalibratiestraling wordt verkregen, volgt dan uit:This is now explained in detail with reference to the following equation. In the equations S ^ u mean both calibration radiations, Smess the radiation to be measured, € M0 the emissivity and ^ MOD the temperature of the modulator, as well as R the electrical gain. The voltage obtained during the differential measurement of the measurement radiation relative to a calibration radiation then follows from:

(1)(1)

De spanning bij de verschilmeting van de beide kalibratiestralings-bronnen volgt dan op overeenkomstige wijze uit:The voltage at the differential measurement of the two calibration radiation sources then follows correspondingly from:

(2)(2)

Door het vormen van het quotiënt van U^ss/U^, d.w.z. van vergelijkingen (1) en (2) kan dan de meetstraling als volgt worden bepaald: (3)By forming the quotient of U ^ ss / U ^, i.e. equations (1) and (2), the measurement radiation can then be determined as follows: (3)

In vergelijking (3) zijn ter bepaling van de te meten straling Smess alleen de kalibratiestralingen en en de verhouding van U^s/U,^ nodig.In equation (3), to determine the Smess radiation to be measured, only the calibration radiations and the ratio of U ^ s / U, ^ are needed.

Hieronder wordt de uitvinding aan de hand van voorkeursuitvoeringsvormen onder verwijzing naar de bijgevoegde tekeningen in detail toegelicht. Daarin tonen:The invention is explained in detail below with reference to preferred embodiments with reference to the attached drawings. In it show:

Fig. 1 een schematische en gedeeltelijk opengewerkte, perspectivische weergave van een voorkeursuitvoeringsvorm van een inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding;Fig. 1 is a schematic and partly cut-away perspective view of a preferred embodiment of a device for carrying out the method according to the invention;

Fig. 2 een schematische weergave van het verloop van een versterkt wisselspanningssignaal, dat met de inrichting volgens de uitvinding volgens figuur 1 wordt verkregen, enFig. 2 is a schematic representation of the course of an amplified AC voltage signal obtained with the device according to the invention according to FIG. 1, and

Fig. 3 een schematische, gedeeltelijk opengewerkte perspectivische weergave van een gebruikelijke, volgens de wissellicht-werkwijze functionerende meetinrichting.Fig. 3 is a schematic, partly cut-away perspective view of a conventional measuring device operating according to the alternating light method.

In fig. 1 is een voorkeursuitvoeringsvorm van een inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding weergegeven, waarbij in figuur 1 in vergelijking met fig. 3 de van een spiegelend oppervlak voorziene modulatorschijf ontbreekt. Bij de uitvoeringsvorm volgens fig. 1 is de draaibare, als afbuigspiegel werkende spiegel DS als modulator gebruikt. Deze roteert voortdurend zodanig om de optische as OA, dat deze in posities, waarin de meetstraling, respectievelijk een kalibratiestra-ling op de detector D wordt afgebogen, de spiegel regelmatig een bepaalde tijdsduur op desbetreffende posities blijft staan. Bij voorkeur wordt daarmee de spiegel DS door een niet nader weergegeven stappenmotor zodanig aangedreven, dat deze stapsgewijs op de individuele posities wordt gebracht en op deze posities dan een voor een meethandeling noodzakelijke tijdsduur blijft staan.Fig. 1 shows a preferred embodiment of a device for carrying out the method according to the invention, in which Fig. 1, compared to Fig. 3, lacks the modulator disc provided with a mirror surface. In the embodiment according to Fig. 1, the rotatable mirror DS acting as a deflecting mirror is used as a modulator. It rotates continuously about the optical axis OA, so that in positions in which the measuring radiation or a calibration radiation is deflected on the detector D, the mirror regularly remains at the corresponding positions for a certain period of time. Preferably, the mirror DS is thereby driven by a stepper motor (not shown in more detail) such that it is brought step by step to the individual positions and then remains at these positions for a period of time necessary for a measuring operation.

In fig. 1 vindt daarmee de modulatie door de draaibare spiegel DS plaats. Hierdoor treedt dan een in fig. 2 in schematische vorm weergegeven signaalverloop op, waaruit voor een berekening volgens vergelijking (3) de spanningen UMESS en U^l kunnen worden bepaald. De kalibratiestralingen Sj^l! en SKAL2 kunnen uit de temperatuur van de stralingsbronnen worden bepaald, wanneer deze bijvoorbeeld als holle ruimte-stralingsbron-nen zijn gevormd.In Fig. 1 the modulation by the rotatable mirror DS thus takes place. As a result, a signal development shown schematically in Fig. 2 occurs, from which the voltages UMESS and U1 can be determined for a calculation according to equation (3). The calibration radiations Sj ^ l! and SKAL2 can be determined from the temperature of the radiation sources when they are formed, for example, as cavity radiation sources.

Op deze wijze kan uit signalen van de detector, die gedurende deze tijden van stilstand van de draaibare spiegel zijn verkregen, het stra-lingsverschil tussen een meet- en een kalibratiestraling en tussen de beide kalibratiestralingen worden bepaald. Daardoor is voor iedere individuele meetperiode een eigenkalibratie gegeven, wanneer de stralingen van de beide kalibratiestralingsbronnen KALI en KAL2 bekend zijn. Het meetresultaat wordt daarmee alleen door de beide kalibratiestralingen en door de verhouding van de meetspanningen bij een kalibratie en bij een meethandeling bepaald.In this way, the radiation difference between a measurement and a calibration radiation and between the two calibration rays can be determined from signals from the detector obtained during these times of standstill of the rotatable mirror. As a result, a self-calibration is given for each individual measurement period, if the radiations of the two calibration radiation sources KALI and KAL2 are known. The measurement result is thus determined only by the two calibration radiations and by the ratio of the measuring voltages during a calibration and during a measuring operation.

Claims

Method for measuring thermal radiation from small spatial angles according to the alternating light method, characterized in that both a measuring radiation (MESS) and the radiation of at least two calibration radiation sources (KALI, KAL2) in the rhythm of the alternating light method is measured.

Device for carrying out the method according to claim 1 with a lens system (0) provided on the front of a housing and a detector (D) arranged inside the housing on the rear thereof, characterized in that the measuring radiation (MESS) and the radiation from at least two calibration radiation sources (KALI, KAL2) is conducted through a rotatable mirror (DS) placed in front of the lens system (0), which rotates about the optical axis (0A) of the lens system (0) and the detector (D) formed system of a radiometer is rotatable and which (DS) is placed at a certain angle to the optical axis (0A) and that the mirror (DS) is continuously rotated in such a way that it ( DS) in the measuring direction and when aligned with the calibration radiation source or the calibration radiation sources (KALI, KAL2), a certain predetermined period of time remains stationary.

Device according to either of Claims 1 and 2, characterized by a signal processing device which performs signal processing such that for positions of the rotatable mirror (DS), in which radiation of the two calibration radiation sources (S ^, S * ^) is successively and the measuring radiation (SMESS) of a measuring object is incident, each time after reaching a full signal height the differences UMESS = SKAL1 - Smess or (S ^ -Smess) ®n = SKAL2 - are formed.