DE10009463A1 - Sensor for measuring atmospheric radiation values, has digital processor that determines a model radiation spectrum based on the output signals of the two measuring subsystems - Google Patents

Abstract

The sensor includes a digital processor and two measuring subsystems with different spectral sensitivity. The digital processor determines a model radiation spectrum based on the output signals of the two measuring subsystems. Spectral weighting functions stored in memory are applied to the model spectrum, whose integrated value is outputted.

Description

Bei der Messung von atmosphärischen Strahlungsgrößen spielt die der Anwendung entsprechende korrekte spektrale Wichtung eine bedeutende Rolle. Beispiele sind die Bestimmung der ery­ themwirksamen Dosisleistung, der photosynthetisch wirksamen Bestrahlung und der physiologisch photometrischen Bestrah­ lung. Allgemein zählt auch die Messung der gesamten solaren Einstrahlung (Pyranometrie) und thermischer Strahlung (Pyrra­ diometrie) sowie die Messung über definierte Bänder (zum Bei­ spiel W-A und UV-B) dazu.When measuring atmospheric radiation parameters the correct spectral weighting corresponding to the application an important role. Examples are the determination of the ery effective dose rate, the photosynthetically effective Irradiation and the physiologically photometric irradiation lung. In general, the measurement of the total solar also counts Irradiation (pyranometry) and thermal radiation (Pyrra diometry) as well as measurement over defined bands (for example play W-A and UV-B).

Gemessen werden diese Strahlungsgrößen gemeinhin mit inte­ grierenden Breitbandsensoren, bei denen die spektrale Wich­ tung optisch erreicht wird. Leider ist mit den verfügbaren Komponenten die optische Anpassung der spektralen Empfind­ lichkeit an die beabsichtigte Wichtungsfunktion oft nur ein­ geschränkt möglich, schwer reproduzierbar oder nicht lang­ zeit- oder temperaturstabil. Im fernen Infrarot kommt das Problem der Trägheit der hier eingesetzten thermischen Sen­ soren hinzu. Ein weiterer Nachteil ist, dass je Sensor im allgemeinen nur eine feste spektrale Wichtung vorgebbar ist.These radiation quantities are commonly measured with inte broadband sensors, where the spectral wich tion is achieved optically. Unfortunately with the available ones Components the optical adjustment of the spectral sensitivity of the intended weighting function is often only an option limited possible, difficult to reproduce or not long stable in time or temperature. That comes in the far infrared Problem of inertia of the thermal sen used here sensors. Another disadvantage is that depending on the sensor generally only a fixed spectral weighting can be specified.

Alternativ werden spektral auflösende Instrumente, wie Git­ ter-, Prismen- oder Filter-Spektrometer, verwendet. Die mit der spektralen Auflösung solcher Instrumente gemessenen Spek­ tren können direkt mit der zu verwendenden Gewichtsfunktion multipliziert und integriert werden. Zwar ist dieses Verfah­ ren sehr universell, spektral hoch auflösende Instrumente sind jedoch teuer, unhandlich im Betrieb und aufwendig zu kalibrieren. Im Infrarot kommen grundsätzliche Begrenzungen bei den für Spektrometer geeigneten Detektoren hinzu.Alternatively, spectrally resolving instruments such as Git ter, prism or filter spectrometer used. With the spectral resolution of such spectra measured can directly with the weight function to be used be multiplied and integrated. This is a process very universal, spectrally high-resolution instruments However, they are expensive, unwieldy to operate and complex calibrate. There are fundamental limitations in the infrared in the case of detectors suitable for spectrometers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zur Messung und Bewertung atmosphärischer Strahlungsgrößen zu konzipieren, der bei atmosphärischen Anwendungen Informatio­ nen bereitstellen kann, die hinsichtlich Umfang und Genauig­ keit den mit spektral auflösenden Instrumenten gewinnbaren nahekommen, und der sich gleichzeitig in Bezug auf den Auf­ wand in Fertigung und Anwendung nicht wesentlich von einem bisherigen Breitbandsensor unterscheidet.The invention has for its object a sensor for  Measurement and evaluation of atmospheric radiation quantities conceive the Informatio can provide, in terms of scope and accuracy that can be obtained with spectrally resolving instruments come close, and at the same time in terms of the up not significantly different from one in production and application previous broadband sensor differs.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bekannte Eigenschaften atmosphärischer Strahlungsspektren numerisch im Sensor be­ rücksichtigt werden. Atmosphärische Strahlungsspektren ähneln sich nämlich sehr in ihrer Struktur. Unterschiede werden im wesentlichen von wenigen veränderlichen Parametern, welche Eigenschaften der Atmosphäre und der Strahlungsgeometrie be­ treffen, verursacht. Solche Parameter sind zum Beispiel die durch den Sonnenstand bestimmte geometrische Weglänge der Strahlung durch die Atmosphäre, die Absorption durch Aerosol und Wolken, die Menge an Ozon (im UV), das Verhältnis von direkter zu diffuser Strahlung (im Sichtbaren und UV), die Menge an Wasserdampf (besonders im Infrarot) sowie die Temperatur von Atmosphäre und Boden (im thermischen Infra­ rot). Die Zahl der Parameter kann man als Zahl der Freiheits­ grade für die Form des Spektrums ansehen. Je nach der Mess­ aufgabe, insbesondere des spektralen Messbereichs und der angewendeten Wichtung, ist nur eine begrenzte Zahl von Frei­ heitsgraden relevant (siehe obige Angaben in Klammern).The object is achieved in that known properties atmospheric radiation spectra numerically in the sensor be be taken into account. Atmospheric radiation spectra are similar namely very much in their structure. Differences are in the essential of a few changeable parameters which Properties of the atmosphere and the radiation geometry be hit, caused. Such parameters are, for example geometric path length determined by the position of the sun Radiation from the atmosphere, absorption by aerosol and clouds, the amount of ozone (in the UV), the ratio of direct to diffuse radiation (in the visible and UV), the Amount of water vapor (especially in the infrared) as well as the Temperature of atmosphere and soil (in thermal infra red). The number of parameters can be seen as the number of freedom just look for the shape of the spectrum. Depending on the measurement task, especially the spectral measuring range and the applied weighting is only a limited number of free degrees of relevance (see information above in brackets).

Das Strahlungsspektrum lässt sich daher mit Hilfe eines Mo­ dells aus einer begrenzten Zahl von Parametern mathematisch generieren. Es handelt sich dabei entweder um ein physikali­ sches Strahlungsübertragungsmodell, wobei die Parameter di­ rekt physikalischen Eigenschaften der Atmosphäre entsprechen, oder um ein empirisches Modell, welches z. B. statistisch aus mehrdimensionalen Regressionsrechnungen mit einem Satz von atmosphärischen Strahlungsspektren abgeleitet wurde. Misch­ formen sind ebenfalls möglich.The radiation spectrum can therefore be measured using a Mo dells mathematically from a limited number of parameters to generate. It is either a physical radiation transmission model, the parameters di correspond exactly to the physical properties of the atmosphere, or an empirical model which e.g. B. statistically multidimensional regression calculations with a set of atmospheric radiation spectra was derived. Mixed shapes are also possible.

Enthält nun ein Sensor eine genügende Zahl von Messkanälen mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit, so lässt sich mit Hilfe eines solchen Modells der Parametersatz fin­ den, welcher das die Signale erzeugende Spektrum in Simula­ tion reproduziert. Notwendig dazu ist mindestens eine den Freiheitsgraden entsprechende Zahl von in Bezug auf ihre spektralen Eigenschaften und die Ableitung des Parametersat­ zes linear unabhängigen Messkanälen. Eine Überbestimmung des Spektrums (d. h. der Parameter) durch zusätzliche Kanäle ist möglich, zum Beispiel zur Verminderung von Messfehlern. In den meisten Fällen aber wird die Zahl der Kanäle deutlich niedriger sein als bei einer direkten hochauflösenden Messung des Spektrums.If a sensor now contains a sufficient number of measuring channels  with different spectral sensitivity, so lets With the help of such a model, the parameter set fin the one that the spectrum generating the signals in Simula reproduced tion. At least one is required for this Corresponding number of degrees of freedom in relation to their spectral properties and the derivation of the parameter set zes linearly independent measuring channels. An overdetermination of the Spectrum (i.e. the parameter) through additional channels possible, for example to reduce measurement errors. In in most cases, however, the number of channels becomes clear lower than with a direct high resolution measurement of the spectrum.

Mit dem beschriebenen Verfahren ist es möglich, mit nur weni­ gen Messkanälen und einem Mikroprozessor quasi-hochauflösende atmosphärische Strahlungsdaten zu generieren. Die Sensorik und der Mikroprozessor können beide in einem kompakten Gehäu­ se untergebracht werden. Wegen der beschränkten Rechenlei­ stungen kleinerer Mikroprozessoren werden dort besonders ein­ fache Modelle zur Erzeugung der Spektren zur Anwendung kom­ men.With the described method it is possible with just a little measuring channels and a microprocessor quasi-high resolution generate atmospheric radiation data. The sensors and the microprocessor can both be in a compact package se can be accommodated. Because of the limited computing power Stations of smaller microprocessors are particularly popular there fold models for the generation of the spectra for the application com men.

Der Sensor kann das Strahlungsspektrum selbst als auch das nach Anwendung einer Gewichtsfunktion integrierte Strah­ lungsspektrum, also die einem Breitbandsensor entsprechende integrale Größe, ausgeben. Dabei können, anders als bei her­ kömmlichen Breitbandsensoren, verschiedene Gewichtsfunktionen in einem digitalen Speicher entweder fest vorgesehen oder vom Anwender, etwa über eine Datenleitung, definiert oder ausge­ wählt werden.The sensor can measure the radiation spectrum itself as well integrated beam after using a weight function tion spectrum, i.e. the one corresponding to a broadband sensor integral size, output. Unlike here, conventional broadband sensors, various weight functions either permanently provided in a digital memory or from Users, for example via a data line, are defined or specified be chosen.

Sind lediglich integrale Größen mit fest vorgegebenen Ge­ wichtsfunktionen zu bestimmen, so kann der Rechenaufwand wei­ ter verringert werden, indem im Sensor auf eine explizite Ermittlung von Modellstrahlungsspektren verzichtet wird. Stattdessen werden noch einfachere, überwiegend empirische Modelle in den Sensor implementiert, die die gegebenen Ge­ wichtsfunktionen bereits berücksichtigen. Solche Modelle können ebenfalls aus statistischen Rechnungen mit einem Satz von atmosphärischen Strahlungsspektren hergeleitet werden.Are only integral sizes with fixed Ge to determine weight functions, the computational effort knows ter can be reduced by pointing to an explicit in the sensor Determination of model radiation spectra is dispensed with. Instead, they become even simpler, mostly empirical Models implemented in the sensor that match the given Ge already consider weight functions. Such models can  also from statistical calculations with a set of atmospheric radiation spectra can be derived.

Das beschriebene Verfahren kann auch zur Bestimmung der den Freiheitsgraden zugrunde liegenden atmosphärischen Parameter selbst verwendet werden, das sind, wie oben genannt, zum Bei­ spiel Wasserdampfgehalt, Ozongehalt oder Aerosolgehalt der Atmosphäre oder das Verhältnis von direkter zu diffuser Strahlung sowie, daraus abgeleitet, der Sonnenscheindauer.The method described can also be used to determine the Degrees of freedom underlying atmospheric parameters be used themselves, as mentioned above, for the purpose of play water vapor content, ozone content or aerosol content of the Atmosphere or the ratio of direct to diffuse Radiation and, derived from it, the duration of sunshine.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Breitbandsensoren sind die An­ forderungen an die spektralen Eigenschaften der nun verwende­ ten Kanäle gering, da deren spektrale Empfindlichkeiten nume­ risch in die Simulation eingehen. Es können sogar schmalban­ dige Sensoren zur Bestimmung breitbandiger Strahlungssgrößen eingesetzt werden. Die Kanäle müssen in ihren spektralen Ei­ genschaften lediglich eine hinreichend genaue Separation der Modellparameter erlauben. Bei der Wahl der Detektoren und sonstiger Komponenten können nun Gesichtspunkte wie Langzeit- und Temperaturstabilität, Streuung der Spezifikationen, An­ sprechgeschwindigkeit und Kosten im Vordergrund stehen.In contrast to conventional broadband sensors, the An demands on the spectral properties of the now use th channels, since their spectral sensitivities number go into the simulation. It can even be narrow sensors for determining broadband radiation parameters be used. The channels must be in their spectral egg only a sufficiently precise separation of the Allow model parameters. When choosing the detectors and other components can now consider aspects such as long-term and temperature stability, spread of specifications, an talking speed and costs are paramount.

Eine Realisierung des beschriebenen Sensors zeigt Fig. 1. Hinter einem gemeinsamen Diffusor (1), der für eine Kosinus­ anpassung und eine Vergleichbarkeit des Winkelverhaltens der Kanäle sorgt, liegen drei Filter (2) mit nachgeordneten De­ tektoren (3) und Verstärkern (4). Die Signale der drei Kanäle werden über einen Analog-digital-Wandler (5) digitalisiert und von einem Mikroprozessor (6) verarbeitet. Die Software auf diesem Mikroprozessor rekonstruiert das atmosphärische Strahlungsspektrum über einen relevanten Bereich. Dieses kann über einen digitalen Ausgang (9) ausgegeben werden.1 shows an implementation of the sensor described . Behind a common diffuser ( 1 ), which ensures a cosine adaptation and comparability of the angular behavior of the channels, there are three filters ( 2 ) with downstream detectors ( 3 ) and amplifiers ( 4 ). . The signals of the three channels are digitized via an analog-digital converter ( 5 ) and processed by a microprocessor ( 6 ). The software on this microprocessor reconstructs the atmospheric radiation spectrum over a relevant area. This can be output via a digital output ( 9 ).

Auf einem EEPROM (7) sind spektrale Gewichtsfunktionen nume­ rische abgelegt. Diese können über eine digitale Schnittstel­ le (11) vom Nutzer variiert werden. Der Mikroprozessor wich­ tet das rekonstruierte Strahlungsspektrum mit den abgelegten Gewichtsfunktionen und stellt die resultierenden integralen Bestrahlungsgrößen wahlweise über den digitalen Ausgang (9) oder, nach einer Digital-analog-Wandlung (8), als Spannungs­ größen, im Beispiel über vier Analogausgänge (10), bereit.Spectral weight functions are stored numerically on an EEPROM ( 7 ). These can be varied by the user via a digital interface ( 11 ). The microprocessor weights the reconstructed radiation spectrum with the stored weight functions and provides the resulting integral radiation parameters either via the digital output ( 9 ) or, after a digital-analog conversion ( 8 ), as voltage parameters, in the example via four analog outputs ( 10 ) , ready.

Fig. 2 beschreibt das benutzte Verfahren am Beispiel eines Sensors mit zwei Kanälen. Dieser wird einem atmosphärischen Strahlungsspektrum (I) ausgesetzt. Die zwei Kanäle A und B haben verschiedene spektrale Empfindlichkeiten (II). Die ge­ messenen Signale der beiden Kanäle ergeben sich als die Flä­ chen unterhalb des mit den jeweiligen spektralen Empfindlich­ keiten gewichteten Spektrums, A_M und B_M (III). Um das atmo­ sphärische Strahlungsspektrum zu rekonstruieren, generiert ein Modell im Sensor eine Schar von Modellspektren S₁, S₂ und S₃ für unterschiedliche atmosphärische Parameter (IV). Die generierten Spektren werden mathematisch mit den spektralen Empfindlichkeiten der Kanäle A und B gewichtet (V) und erge­ ben Wertepaare (A₁, B₁), (A₂, B₂) und (A₃, B₃), die mit dem ge­ messenen Wertepaar (A_M, B_M) verglichen werden (VI). Es zeigt sich, dass das Modellspektrum S₂ die Messungen am besten re­ produziert. Dieses wird nun als tatsächliches atmosphärisches Strahlungsspektrum angenommen (VII) und kann hochaufgelöst ausgegeben werden. Um die über ein Wellenlängenband λ₁ bis λ₂ integrierte Strahlung zu bestimmen, wird das Modellspektrum mit der entsprechenden Gewichtsfunktion (VIII) multipliziert, und die Fläche unterhalb der Kurve ist der integrale Messwert X_M (IX), der ausgegeben wird. Fig. 2 for the example used, the method describes a sensor having two channels. This is exposed to an atmospheric radiation spectrum (I). The two channels A and B have different spectral sensitivities (II). The measured signals of the two channels result as the areas below the spectrum weighted with the respective spectral sensitivities, A _M and B _M (III). In order to reconstruct the atmospheric radiation spectrum, a model in the sensor generates a family of model spectra S ₁ , S ₂ and S ₃ for different atmospheric parameters (IV). The generated spectra are weighted mathematically with the spectral sensitivities of channels A and B (V) and result in value pairs (A ₁ , B ₁ ), (A ₂ , B ₂ ) and (A ₃ , B ₃ ), which correspond to the ge measured pair of values (A _M , B _M ) are compared (VI). It can be seen that the model spectrum S ₂ produces the measurements best. This is now assumed to be the actual atmospheric radiation spectrum (VII) and can be output in high resolution. In order to determine the radiation integrated over a wavelength band λ ₁ to λ ₂ , the model spectrum is multiplied by the corresponding weight function (VIII) and the area below the curve is the integral measured value X _M (IX) which is output.

Claims (9)

1. Sensor zur Messung und Bewertung atmosphärischer Strah­ lungsgrößen im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Bereich mit digitalem oder analogem Ausgang dadurch gekenn­ zeichnet, dass er einen Digitalprozessor und mindestens zwei, Strahlung mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit messende Subsysteme, sogenannte Kanäle, enthält, der Digital­ prozessor ein Modellstrahlungsspektrum ermittelt, welches die Signale der Kanäle in Simulation reproduziert, und das Mo­ dellstrahlungsspektrum, oder ein Teil davon, ausgegeben oder numerisch weiterverarbeitet wird.1. Sensor for measuring and evaluating atmospheric radiation quantities in the ultraviolet, visible or infrared range with a digital or analog output is characterized in that it contains a digital processor and at least two subsystems, known as channels, that measure radiation with different spectral sensitivity, the digital processor a model radiation spectrum is determined, which reproduces the signals of the channels in simulation, and the model radiation spectrum, or a part thereof, is output or numerically processed. 2. Sensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass minde­ stens eine spektrale Gewichtsfunktion in einem digitalen Speicher abgelegt ist, auf das ermittelte Modellstrahlungs­ spektrum angewendet und das Integral über das gewichtete Spektrum oder eine daraus abgeleitete Größe ausgegeben wird.2. Sensor according to claim 1, characterized in that mind least a spectral weight function in a digital Memory is stored on the determined model radiation spectrum applied and the integral over the weighted Spectrum or a quantity derived from it is output. 3. Sensor nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Gewichtsfunktion fest vorgegeben oder frei defi­ nierbar ist oder dass aus einer Anzahl von vorgegebenen oder definierten Gewichtsfunktionen gewählt werden kann.3. Sensor according to claim 2, characterized in that the spectral weight function fixed or freely definable nable or that from a number of predetermined or defined weight functions can be selected. 4. Sensor nach den Ansprüchen 2 oder 3 dadurch gekennzeich­ net, dass eine Gewichtsfunktion eine Rechteckfunktion mit den Werten 0 und 1 ist, d. h. dass eine über einen Spektralbereich integrierte Bestrahlungsgröße ausgegeben wird, oder dass eine Gewichtsfunktion konstant 1 ist, d. h. dass eine über das ge­ samte Spektrum integrierte Bestrahlungsgröße ausgegeben wird.4. Sensor according to claims 2 or 3 characterized net that a weight function is a rectangular function with the Values 0 and 1, i. H. that one over a spectral range integrated radiation quantity is output, or that a Weight function is constant 1, d. H. that one about the ge entire spectrum of integrated radiation quantity is output. 5. Sensor zur Messung und Bewertung atmosphärischer Strah­ lungsgrößen im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Bereich mit digitalem oder analogem Ausgang dadurch gekenn­ zeichnet, dass er einen Digitalprozessor und mindestens zwei, Strahlung mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit messende Subsysteme, sogenannte Kanäle, enthält und der Digitalprozessor aus den Signalen der Kanäle mit Hilfe eines Modells mindestens einen Wert für das nach Anwendung einer Gewichtsfunktion integrierte signalerzeugende Strahlungsspek­ trum ermittelt, insbesondere für den Fall, dass die Gewichts­ funktion nicht als Linearkombination der spektralen Empfind­ lichkeiten der Kanäle darstellbar ist und das Modell die Ei­ genschaften atmosphärischer Strahlungsspektren, die Gewichts­ funktion und die spektralen Empfindlichkeiten der Kanäle be­ rücksichtigt.5. Sensor for measuring and evaluating atmospheric radiation sizes in the ultraviolet, visible or infrared Area identified with digital or analog output records that he has a digital processor and at least two, Radiation with different spectral sensitivity contains measuring subsystems, so-called channels, and the digital processor  from the signals of the channels using a Model has at least one value for that after applying a Weight function integrated signal-generating radiation spec determined, especially in the event that the weight does not function as a linear combination of spectral sensitivity can be displayed and the model the egg properties of atmospheric radiation spectra, the weight function and the spectral sensitivities of the channels considered. 6. Sensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass andere Parameter, welche den Signalen der Kanäle entsprechende Strahlungsspektren charakterisieren, ausgegeben werden, insbesondere bestimmte Stoffgehalte der Atmosphäre oder das Verhältnis von direkter zu diffuser Son­ nenstrahlung.6. Sensor according to one of the preceding claims characterized that other parameters affecting the signals of the channels characterize corresponding radiation spectra, are spent, in particular certain substance contents of the Atmosphere or the ratio of direct to diffuse son radiation. 7. Sensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die spektralen Unterschiede der Kanäle durch Filter, Gitter oder Prismen oder durch Eigenschaften der verwendeten Detektoren erreicht werden.7. Sensor according to one of the preceding claims characterized that the spectral differences of the channels through filters, gratings or prisms or through properties of the detectors used can be achieved. 8. Sensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Detektoren sowie etwaige vorangestellte optische Komponenten so angeordnet sind, dass den Kanälen zugeordnete Einstrahlungen aus gleichen oder ähnlichen Win­ kelbereichen stammen, insbesondere dass dazu ein gemeinsamer Diffusor verwendet wird oder dass Detektoren oder strahlungs­ empfindliche Flächen konzentrisch angeordnet sind.8. Sensor according to one of the preceding claims characterized that detectors as well as any preceding ones optical components are arranged so that the channels assigned irradiations from the same or similar win areas, in particular that a common Diffuser is used or that detectors or radiation sensitive surfaces are arranged concentrically. 9. Sensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass durch Diffusoren oder Blenden eine defi­ nierte Winkelabhängigkeit erreicht wird, insbesondere zur Messung von Bestrahlungsgrößen auf geometrischen Flächen oder innerhalb begrenzter Raumwinkel.9. Sensor according to one of the preceding claims characterized that a defi niert angle dependency is achieved, in particular for Measurement of radiation quantities on geometric surfaces or within a limited solid angle.