DE10113330A1

DE10113330A1 - Verfahren und Einrichtung zur optischen Fernmessung von Feuerszenen mittels IR-Sensoren

Info

Publication number: DE10113330A1
Application number: DE10113330A
Authority: DE
Inventors: Kurt Beier; Peter Fuchs; Birger Schimpf; Franz Schreier
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2001-03-20
Filing date: 2001-03-20
Publication date: 2002-10-10
Anticipated expiration: 2021-03-21
Also published as: DE10113330C2

Abstract

Es wird ein optisches Fernmeßverfahren mit einem Multisensorsystem in thermalen IR-Spektralbereich, im nahen Infrarot und im sichtbaren Spektralbereich mit zugehöriger multisensoraler Analyse der Daten vorgeschlagen, um die Temperatur, Gas- und Partikelkonzentrationen in Feuerszenen simultan zu bestimmen. Das Multisensorsystem besteht aus einer Kombination von einem bispektralen bilderzeugenden IR-Sensor (BIRS) im thermischen IR-Bereich, einem Sensor (VIS/NIR-CCD) im sichtbaren und nahen Infrarot, beide mit hoher räumlicher Auflösung, sowie einem spektral hochauflösenden IR-Fourier-Transform-Spektrometer (IRFTS) im thermischen IR-Bereich mit vergleichsweise geringerer Auflösung. Die Erfindung wird bei der Beobachtung von Feuerszenen zur genauen Analyse verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Fernmes sung von Feuerszenen mittels IR-Sensoren.

Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Für viele Fälle, wie beispielsweise beim Einsatz von Feuer wehr und Katastrophenschutz, dem Umweltschutz bis hin zur globalen Klimaforschung, ist eine Lokalisierung von Brandher den, die Bestimmung der Temperatur, die Fläche eines Feuers und die Zusammensetzung und Menge der erzeugten Spurengase und Rauchpartikel von großer Bedeutung. Bei Biomassefeuern aller Art, beispielsweise Wald-, Gras- und Savannenbränden, Bränden von Kohleflözen, Ölfeuern oder Naturkatastrophen, wie Vulkanausbrüchen, werden zahlreiche gasförmige Spezies und häufig auch in großen Mengen Rauchpartikel erzeugt.

Die entstehenden Rauchwolken sind im visuellen Spektralbe reich optisch weitgehend undurchsichtig und machen so eine Lokalisierung der Brandherde durch Beobachtung mit dem menschlichen Auge oder einer Kamera unmöglich. Die Verbren nungsprozesse zeigen zudem häufig eine sehr inhomogene räum liche Struktur in der Temperatur und den Gas- und Partikel- Emissionen, die eine quantitative Bestimmung mit punktuellen in situ-Meßverfahren, beispielsweise Sonden, erschweren und ungenau machen. Hierfür ist ein berührungsloses optisches Fernmeßverfahren erforderlich, das den gesamten Feuerbereich mit guter räumlicher Auflösung bildhaft darstellen und simul tan analysieren kann.

Die Rauchwolken von Feuern enthalten eine große Anzahl sehr kleiner Partikel, sogenannter Aerosole, deren Durchmesser von 0,05 bis 1 µm wesentlich kleiner ist als die Wellenlänge des thermalen Infrarotbereichs von 3 bis 14 µm. Daher sind, im Gegensatz zum visuellen Spektralbereich, die Rauchwolken im thermischen Infrarotbereich überwiegend transparent. Darum können in den beiden atmosphärischen Fenstern des Infraroten von 3 bis 5 µm und von 8 bis 14 µm Wärmebildgeräte eingesetzt werden, um durch Rauchwolken hindurch die Lage, Temperatur und Ausdehnung von Brandherden und Schwelbränden zu bestimmen und bildhaft darzustellen. Die verbleibenden Absorptions- und Streueigenschaften der Aerosole in den atmosphärischen Fen stern können genutzt werden, um die optischen Eigenschaften der Aerosole, d. h. die optische Dicke und die Größenvertei lung, in der Säule zu messen.

Zahlreiche Verbrennungsgase, wie CO₂, CO, NO, NO₂, NH₃, CH₄, HNO₃ usw., besitzen im Infrarot-Spektralbereich eine Reihe sogenannter Molekülbanden, die aus zahllosen einzelnen Spek trallinien der Moleküle bestehen. Diese Spektrallinien der verschiedenen Molekülspezies zeigen ausgeprägte spektrale Ab sorptions- und Emissionseigenschaften in Abhängigkeit vom at mosphärischen Druck, der Konzentration der Gasspezies und der Gastemperatur und können daher zur quantitativen Bestimmung der Zusammensetzung und Konzentration der Verbrennungsgase und der Gastemperatur mittels spektraler Analyse verwendet werden.

Zur Simulation der IR-Strahlung von atmosphärischen Gasen und Aerosolen und zur Analyse von IR-Fernmeßdaten der Sensoren stehen geeignete Strahlungstransport-Modelle, Datenbasen und Inversionsalgorithmen zur Verfügung. Die Fernmessung von Rauchpartikeln (Aerosolen) vom Boden aus erfolgt mittels ei nes Netzwerks von automatischen, den Himmel abtastenden Son nenphotometern (AERONET), die bei acht Wellenlängen (340 bis 1020 nm) im Sichtbaren und nahen Infrarot Spektralbereich die direkte solare Bestrahlungsstärke und die Winkelverteilung der Himmelshelligkeit bei wolkenfreiem Himmel oder unter Be dingungen mit niederen Wolken messen.

Aus diesen Daten läßt sich die spektrale optische Dicke der Aerosole, die Aerosolgrößenverteilung und die Streuphasen funktion der Partikel mit einem schnellen Strahlungstransfer- Inversionscode berechnen (B. N. Holben, T. F. Eck, I. Slutsker, D. Tanre, J. P. Buis, A. Setzer, E. Vermote, J. A. Reagan, Y. J. Kaufman, T. Nakajima, F. Lavenu, I. Jankowiak und A. Smirnov: "AERONET - a federated instrument network and data archive for aerosol characterization", Remote Sensing Environment, 66: 1-16, 1998).

Die optische Dicke von Aerosol- und Gas-Emissionen und die Temperatur von Biomassefeuern werden vom Satelliten aus mit tels eines in einer Orbithöhe von 705 km stationierten abbil denden Spektrometers EOS-MODIS (Earth Observing System - mo derate resolution imaging spectroradiometer) bestimmt. MODIS wird u. a. speziell für eine globale Feuerbeobachtung und Feu eranalyse eingesetzt. Die räumliche Auflösung der insgesamt 36 Spektralkanäle von MODIS beträgt im Sichtbaren 250 m, im nahen IR 500 m und im thermischen IR 1 km.

Die entsprechende Winkelauflösung beträgt 0,7 mrad im nahen IR und 1,4 mrad im thermischen IR (M. D. King, Y. J. Kaufman, W. P. Menzel, und D. Tanre: "Remote sensing of cloud, aerosol, and water vapor properties from the Moderate Resolution Ima ging Spectrometer (MODIS)", IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., 30: 2-27, 1992 und Y. J. Kaufman, D. Tanre, L. Remer, E. Vermote, A. Chu und B. N. Holben: "Remote sensing of tropospheric aerosol from EOS-MODIS over land using dark targets and dynamic aero sol models", J. Geophys. Res., 102: 17051-17067, 1997).

Die Infrarotkanäle bei MODIS werden zur Detektion von Feuer und zur Bestimmung von deren Lage und Größe sowie der Ober flächentemperatur der Feuer verwendet; die spektrale Auflö sung liegt im Bereich von 30 bis 130 cm^-1. Aus Messungen der Strahldichten eines Feuerpixels bei 4 µm und 11 µm und der Schwarzkörpertemperatur des Hintergrunds wird mit einer nume rischen Iterationstechnik die Oberflächentemperatur des Feu ers bestimmt.

Die optische Dicke von Rauchwolken wird aus dem Rückstreuver halten des Sonnenlichts an Aerosolen im sichtbaren Spektral bereich bestimmt. Zur Bestimmung der optischen Dicke von Ae rosolen über Land werden dunkle Bodenflächen als Hintergrund und ein dynamisches Aerosolmodell benötigt, das wiederum auf den Himmelsmessungen mit den AERONET-Sonnenphotometern be ruht.

Um vom Weltall aus die optische Dicke von Aerosolen mit Hilfe der reflektierten Strahlung bestimmen zu können, ist die Kenntnis der Reflektivität der darunter liegenden Oberfläche notwendig. Die Reflektivität der Oberfläche dunkler Objekte wird hierbei aus der spektralen Beziehung im Sichtbaren (0,47 µm und 0,66 µm) und im kurzwelligen Infrarot (2,13 µm) abgeschätzt.

Aus der so ermittelten optischen Dicke der Aerosole wird in direkt auf die Säulendichten der emittierten Verbrennungsgase wie CO₂, CO, NO, NO₂ etc. geschlossen, indem aus Messungen bekannte Verhältnisse von Spurengas zu Partikel-Emissionsra ten verwendet werden. Primär wird die strenge Korrelation des Profils von Rauchpartikeln und des Profils von CO und CO₂ ge nutzt. Die Emissionen weiterer Spurengase wird aus den ent sprechenden gemessenen Spurengas zu CO oder CO₂-Emissionsrate bestimmt. Die Rauchpartikel werden somit als Ablaufverfolger (tracer) für die Emissionen der Spurengase genutzt.

Konzentrationen von Spurengasen der Atmosphäre werden mit op tischen Fernmeßverfahren mittels eines spektral hochauflösen den Infrarotspektrometers direkt bestimmt, dessen spektrale Auflösung hierbei vergleichbar oder kleiner als die Halbwer tebreite der betrachteten Spektrallinien sein muß. Das effek tive Gesichtsfeld (FOV) solcher auf Interferometertechnik ba sierender, hochauflösender Infrarotspektrometer ist jedoch wegen der spektralen Auflösung entsprechend dem Jacquinot- Kriterium begrenzt. Bei dem gegenwärtig hierfür verwendeten satellitengetragenen Spektrometer IMG beträgt das FOV 0,6°; dieses FOV korrespondiert zu einer auf die Erdoberfläche pro jizierten horizontalen räumlichen Auflösung von 8 km aus ei ner Satellitenflughöhe von 800 km.

Ein bekanntes flugzeuggetragenes IR-Fourier-Transform-Spek trometer AES (Airborne Emission Spectrometer) hat eine spek trale Auflösung von 0,07 cm^-1 im Spektralbereich von 650 bis 4250 cm^-1 (2,35-15,4 µm). Aus den gemessenen Spektren können von zahlreichen Gasspezies, wie Wasserdampf, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Ammoniak, Methanol, Formaldehyd und Äthylen die Säulendichten sowie die Temperatur der Luft und des Erd bodens bestimmt werden. Die Quantifizierung der in den Spek tren detektierten Gasspezies erfolgt mittels eines physikali schen Modells für das Feuer; hierbei werden vier Verbren nungsphasen und Szenarien unterschieden, nämlich Flammen, Schwelbrand, Rauch über ungestörtem Hintergrund und ungestör ter Hintergrund.

Die atmosphärische Temperatur und die Molekülkonzentrationen aus den gemessenen IR-Spektren werden durch Inversion von Strahlungstransportgleichungen rückgewonnen. Diese Inversionsverfahren werden mathematisch mit Hilfe der bekannten Me thode der kleinsten Quadrate durchgeführt. Das Problem bei der Methode der kleinsten Quadrate ist generell deren Nicht linearität. Dieses Problem wird daher iterativ mit Standard techniken (beispielsweise Gauss-Newton oder Levenberg-Mar quardt-Algorithmus) durch eine angemessene Anpassung der Pa rameter gelöst, die den Zustand der Atmosphäre beschreiben (beispielsweise Temperatur, Gaskonzentrationen usw.), bis die Übereinstimmung eines berechneten und eines gemessenen Spek trums ausreichend gut ist.

Im Fall einer Rückgewinnung für eine vertikale Beobachtungs geometrie in der Atmosphäre reagiert die Methode der klein sten Quadrate extrem empfindlich auf Störungen der Meßdaten. Diese Schwierigkeit der direkten Inversionstechniken ist eine Folge der Tatsache, daß die gemessenen Daten nicht ausrei chend Information zu einer gesuchten Lösung liefern können. Mit Hilfe von Regularisierungsmethoden werden einige zusätz liche Informationen eingebracht, beispielsweise a priori-In formationen von meteorologischen Mittelwerten oder Glättebe dingungen.

Mit den gegenwärtig verfügbaren abbildenden Spektroradiometer läßt sich zwar eine ausreichende räumliche Auflösung und spektrale Überdeckung des sichtbaren und Infrarotbereichs er reichen, jedoch bei weitem nicht die zur spektralen Analyse von Gasemissionen notwendige spektrale Auflösung von 0,1 cm^-1. Die verfügbaren interferometrischen IR-Spektrometer haben zwar die erforderliche hohe spektrale Auflösung, nicht jedoch eine ausreichende räumliche Auflösung oder Winkelauf lösung.

Die Nachteile beim Einsatz einzelner Sensoren vom Typ eines Spektroradiometers, eines hochauflösenden interferometrischen Spektrometers und eines Wärmebildgeräts sind folgende. Das für das abbildende Spektrometer MODIS verwendete Verfahren benötigt zur Bestimmung der optischen Dicke von Aerosolen über Land dunkle Bodenflächen als Hintergrund, so daß es nur bei Tageslicht angewandt werden kann. Ferner hat MODIS eine zu geringe spektrale Auflösung, die im thermischen Infrarot (30 bis 130 cm^-1) lediglich ausreicht, um die mittlere Tempe ratur der Atmosphäre und von Wolken sowie die Temperatur von Oberflächen zu bestimmen.

Wegen der geringen spektralen Auflösung der Kanäle von Spek troradiometern können daher einzelne Spektrallinien von Mole külspektren nicht gemessen werden, so daß eine Rückgewinnung von vertikalen Profilen der atmosphärischen Temperatur und von Molekülkonzentrationen nicht möglich ist, da hierzu eine spektrale Auflösung von mindestens 0,1 cm^-1 erforderlich ist. Da aus der optischen Dicke der Aerosole indirekt auf die Säu lendichten von emittierten Verbrennungsgasen, wie CO₂, CO, NO, NO₂ etc. geschlossen werden kann, ist eine direkte Be stimmung der Säulendichten oder Konzentrationen der Gase und deren Temperatur aus Infrarotmessungen nicht möglich.

Mit spektral hochauflösenden Spektrometern können die atmo sphärische Temperatur und die Spurengaskonzentrationen be stimmt werden. Bezogen auf die Abmessungen typischer Feuer szenen ist jedoch deren räumliche Auflösung zu gering. Ein auf ein Feuer beispielsweise an der Erdoberfläche projizier tes Gesichtsfeld eines Spektrometers ist im allgemeinen viel größer als die horizontale räumliche Ausdehnung des betrach teten Feuers.

Obwohl innerhalb des Feuerbereichs häufig eine große Inhomo genität in der Temperatur, den Partikeln und den Gaskonzen trationen auftritt, können mit Spektrometern nur grob räumliche gemittelte Werte der Temperatur und Konzentrationen von Spurengasen und Aerosolen bestimmt werden. Im Extremfall kann ein störendes Hintergrundsignal von Bereichen außerhalb des Feuers eine spektrale Analyse unmöglich machen.

Mit dem Einsatz von spektral breitbandigen Wärmebildgeräten kann in den atmosphärischen Fenstern im thermalen IR-Bereich von 3 bis 14 µm die Temperaturverteilung von festen oder flüssigen Oberflächen im Feuerbereich mit hoher räumlicher und radiometrischer Auflösung bestimmt werden. Die Temperatur von Gasen kann damit in geeignet gewählten Spektralbereichen (Mikro-Windows), die entsprechende Absorptionsbanden der Gase enthalten, jedoch nur näherungsweise gemittelt über alle Gas schichten des Feuers und der Atmosphäre des Feuers bestimmt werden. Die spektrale Auflösung ist für eine Bestimmung der Konzentrationen von Spurengasen nicht ausreichend.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein berührungsloses opti sches Fernmeßverfahren und eine Einrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens vorzusehen, um gleichzeitig räumlich und spektral hochaufgelöste Bilddaten, insbesondere im thermalen Infraroten aus einem ausreichend weiten optischen Gesichts feld aufzunehmen und simultan zu analysieren.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Eine Einrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens ist im An spruch 12 angegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von auf Anspruch 1 oder 12 unmittelbar oder mittelbar rückbezogenen Ansprü chen.

Um gleichzeitig die Temperatur, Gas- und Partikelemissionen und deren Konzentrationen sowie deren räumliche Verteilung über die gesamte räumliche Ausdehnung eines Feuers nicht nur zu messen, sondern auch simultan und direkt zu bestimmen, werden gemäß der Erfindung ein optischer Sensor in Form eines abbildenden Radiometers (Wärmebildgerät) und ein spektral hoch auflösendes Radiometer (IR-Fourier-Transform-Spektrome ter (IRFTS)) in geeigneter Weise verknüpft. Die dabei aufge nommenen Meßdaten werden unmittelbar in Echtzeit einer multi sensoralen Analyse unterzogen.

Zum gleichzeitigen Messen von Temperatur, Gas- und Partikel- Emissionen über die gesamte räumliche Ausdehnung eines Feuers werden daher ein optischer Sensor und ein Fernmeßverfahren im thermalen Infraroten vorgesehen, das die Fähigkeiten eines abbildenden Radiometers (Wärmebildgerät) mit einem spektral hochauflösenden Radiometer (IR-Spektrometer) in geeigneter Form kombiniert.

Zusätzlich zu einem abbildenden Radiometer, einer abbildenden IR-Kamera wird zweckmäßig eine bispektrale abbildende CCD-Kamera im sichtbaren Spektralbereich und dem nahen IR-Bereich (VIS/NIR-CCD), mit dem gleichen Gesichtsfeld der Optik, aber höherer räumlicher Auflösung als ein bispektrales IR-Spektrometer (BIRS) eingesetzt.

Entsprechend der Erfindung sind die Gesichtsfelder der Senso ren einander so angepaßt, daß das Gesichtsfeld des Spektrome ters IRFTS vom Gesamtgesichtfeld der abbildenden Sensoren BIRS und VIS/NIR stets vollständig überdeckt wird; hierbei ist das Gesichtsfeld der abbildenden Sensoren mindestens gleich oder größer als das Gesichtsfeld des Spektrometers. Mit den abbildenden Sensoren wird in einem ausreichend großen Gesichtsfeld das gesamte Feuer oder große Bereiche davon erfaßt, um sich einen Überblick zu verschaffen, während mit dem Spektrometer prinzipiell nur in einem kleineren Winkelbereich gemessen und analysiert wird.

Als Kompromiß und aus praktischen Gründen hat sich ein Ver hältnis der Durchmesser des Gesichtsfeldes von abbildenden Sensoren zu dem Durchmesser des Spektrometers von 10 zu 1 be währt. Gleichzeitig wird damit auch die Anzahl notwendiger Meßschritte mit dem Spektrometer, um das gesamte Gesichtsfeld der abbildenden Sensoren abzudecken, beschränkt.

Nach der Erfindung wird zuerst mit den abbildenden Sensoren in dem größeren Gesichtsfeld die Feuerszene visualisiert und die Temperaturverteilung gemessen. Danach werden innerhalb dieses großen Gesichtsfelds ein oder mehrere interessierende Teilbereiche ausgewählt, beispielsweise Bereiche mit hohen Temperaturen oder starker Gas- und Rauchentwicklung; hierauf wird das Spektrometer mit dem kleineren Gesichtsfeld ausge richtet.

In diesem kleineren Gesichtsfeld wird dann eine detaillierte Analyse des Feuers mit allen Sensoren gleichzeitig durchge führt. Es ist somit notwendig, daß das Gesichtsfeld des Spek trometers innerhalb des Gesichtsfelds der abbildenden Senso ren beliebig und definiert ausgerichtet werden kann (pointing).

Da die erforderliche Größe des Gesichtsfelds der abbildenden Sensoren durch die gewählte Meßentfernung oder die Wahl der Sensorplattform und die typischen Abmessungen großer Feuer bestimmt wird, kommen prinzipiell drei Sensorplattformen in Betracht: Satellit, Flugzeug und Fahrzeug (Bodeneinsatz).

Da ein bispektraler bilderzeugender IR-Sensor BIRS spektral breitbandig in den beiden atmosphärischen IR-Fenstern von 3,5 bis 4,1 µm (MIR) und 8 bis 12 µm (TIR) arbeitet, kann durch Messen der IR-Strahlung in den beiden atmosphärischen Fen stern die Temperaturverteilung von Oberflächen sowie die Emission und Kontinuumsabsorption von Gasen und Partikeln be stimmt werden. Da das IR-Fourier-Transform-Spektrometer im thermalen IR-Spektralbereich von 3.0 bis 15 µm empfindlich ist und spektral zahlreiche Absorptionsbanden von atmosphäri schen und Verbrennungsgasen, sowie die atmosphärischen IR-Fenster des bispektralen bilderzeugenden IR-Sensors BIRS überdeckt, werden mit dem Fourier-Spektrometer die emittier ten spektralen Strahldichten aller im Gesichtsfeld befindli chen Strahlungsquellen, insbesondere die Emissions- und Ab sorptionslinien der Gase mit einer hohen spektralen Auflösung von 0,1 cm^-1 gemessen. Aus den Linienspektren der Gase können dann die Gastemperatur und die Konzentrationen zahlreicher Gasspezies bestimmt werden.

Somit können zum einen die mittels der vorgesehenen Sensoren erhaltenen Ergebnisse der Einzelsensoren, wie die Oberflä chentemperatur mit Hilfe eines bispektralen bilderzeugenden IR-Sensors BIRS und die Gastemperatur und Gaskonzentrationen mit dem IR-Fourier-Transform-Spektrometer genauer bzw. mit verbesserter räumlicher Auflösung bestimmt werden, und zum anderen wird es dadurch überhaupt erst möglich, im thermalen IR-Bereich die Parameter von Rauchpartikeln aus Meßdaten ab zuleiten.

Das gemäß der Erfindung erreichte, wesentliche Ergebnis be steht im Unterschied zu den aus dem Stand der Technik bekann ten Lösungen darin, daß die optische Dicke, die Größenvertei lung und der Typ der Aerosole in der betrachteten Säule be stimmt werden können.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen im ein zelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einer schematischen nicht-maßstäblichen Darstellung Gesichtsfelder eines abbildenden Sensors und eines IR- Spektrometers;

Fig. 2 eine schematische nicht-maßstäbliche Darstellung einer typischen Feuerszene eines Waldbrandes;

Fig. 3 in Form eines Blockdiagramms eine schematische Darstel lung einer Fusion von Sensordaten;

Fig. 4 ein Flußdiagramm in einem Fusionsprozessor zum Durch führen einer spektralen Parameteranalyse, und

Fig. 5a und Fig. 5b ein Flußdiagramm zum Durchführen einer Da tenanalyse.

In Fig. 1 sind das Gesichtsfeld 10 eines abbildenden IR-Sen sors und das Gesichtsfeld 20 eines IR-Fourier-Spektrometers schematisch und unmaßstäblich dargestellt. Hierzu abbildende Sensoren im infraroten und sichtbaren Spektralbereich erzeu gen eine Matrix von Bildpunkten, die durch ein Gitternetz symbolisiert sind, in welchem ein quadratisches Element ein Bildelement (Pixel) darstellt und der räumlichen Auflösung eines abbildenden Sensors entspricht.

Ein derartiges Bild kann hierbei durch ein zweidimensionales Detektor-Array (Focal Plane Array) oder durch eine in einer durch einen Pfeil angedeuteten Flugrichtung abtastende Detek torzeile 11 (Pushbroom-Scanner) erzeugt werden. Das Gesichts feld 20 des IR-Fourierspektrometers ist kreisförmig dargestellt und hat entsprechend seinem Durchmesser eine geringe räumliche Auflösung.

Als Sensoren können eingesetzt werden bispektrale abbildende IR-Sensoren BIRS für mittleres Infrarot MIR (Wellenlängenbe reich 3,5 bis 4 µm) und für ein thermisches Infrarot TIR (Wellenlängen 4 bis 2 µm) sowie eine abbildende CCD-Kamera VIS/NIR-CCD im Sichtbaren (Wellenlängenbereich 0,4 bis 0,7 µm) und im Nahen-IR(Wellenlängenbereich 1,2 bis 1,4 µm).

In Fig. 2 ist eine typische Feuerszene eines Waldbrandes im Gesichtsfeldern 10 und 20 einer flugzeug- oder satellitenge tragenen Sensoranordnung aus einem abbildenden Sensor BIRS und einem IR Spektrometer IRFTS dargestellt. Die Szene ent hält eine Feuerlinie 31 mit Flammen, abgebrannte Bereiche 32 mit Schwelbränden, eine Rauch- und Gaswolke 33 über unver branntem Hintergrund und schließlich einen Bereich 34 des un verbrannten ungestörten Hintergrunds. Die beobachteten Szenen werden entsprechend der Temperaturverteilung der Oberfläche in Flächenbereiche mit flammender Verbrennung (31), Schwel brand (32), Rauch (33) vor unverbrannten Hintergrund und un gestörter Hintergrund (34) klassifiziert, was als generische Klassen der Szene bezeichnet wird.

Diese Meßmethode ist vor allem nutzbar für Messungen der Tem peraturen und der Luftverschmutzung durch große Feuer, bei spielsweise durch Wald- und Savannenbrände oder Ölbrände, bei denen dichte Aerosolwolken in die Atmosphäre gelangen. Die Sensoren können hierbei von einem Satelliten, einem Flugzeug oder von einer beispielsweise auf einem Feuerwehrfahrzeug montierten Bodenmeßstation aus betrieben werden.

Im Blockdiagramm von Fig. 3 ist in einer schematischen Dar stellung die Architektur für eine Fusion von Sensordaten schematisch dargestellt. Sensoren BIRS, IRFTS und VIS/NIR-CCD erzeugen parallel und unabhängig voneinander spezifische Ob jektdaten. Die Ausgabedaten dieser Sensoren werden nach einer individuellen Datenprozessierung in jedem Sensor nachgeordne ten Signalprozessoren 41 bis 43 in einen Fusionsprozessor 50 eingegeben. Hierbei betreffen die Objektdaten physikalische Parameter, wie beispielsweise Oberflächentemperatur, Fläche, spektrale Verteilung, geometrische Struktur, zeitliche Verän derungen, sowie Lage von Objekten und einen Vertrauensbereich der Detektion, Klassifikation oder Identifikation der Objekte im betrachteten Gesichtsfeld (FOV).

Der Fusionsprozessor enthält Datenbahnen und einen Datenana lyse-Algorithmus. Ferner ist der Fusionsprozessor 50 mit ei nem Eingabegerät 52, beispielsweise in Form eines PCs, der eine Tastatur 52a und einen Bildschirm 42b aufweist, verbun den, in welchen zum einen von dem Fusionsprozessor 50 Ergeb nisse eingegeben und an den Fusionsprozessor 50 Anweisungen zurückgegeben werden. Durch einen rechts unten in Fig. 3 wie dergegebenen Block 53 ist angedeutet, daß von außen Meßbedin gungen sowie a priori-Wissen in den Fusionsprozessor 50 ein gegeben werden können.

Die Vorteile dieser Art einer Fusion, der sogenannten Sensor- Level-Fusion, sind:

- Durch die individuelle Datenprozessierung zur Diskriminie rung potentieller Objekte vor der Eingabe in den Fusions prozessor wird die Arbeitsbelastung des Fusionsprozessors reduziert.
- Ferner erfolgt eine Optimierung der Signalprozessierung je des einzelnen Sensors entsprechend dessen Detektordesign und Einsatzcharakteristik.
- Anweisungen an die Signalprozessierung in den Prozessoren 41 bis 43 und den jeweiligen Sensor können auf unabhängigen Daten von anderen Sensoren basieren.
- Es besteht eine Flexibilität hinsichtlich Anzahl und Typ der Sensoren, ohne die grundlegende Struktur des Fusions prozessors 50 ändern zu müssen.
- Ferner ist eine kosteneffektive Möglichkeit vorgesehen, zu einer existierenden Multisensor-Konfiguration eine Datenfu sion hinzuzufügen.

Die erforderliche räumliche Auflösung am Ort des Feuers ist für den Einsatz der Sensoren auf den verschiedenen möglichen Sensorplattformen unterschiedlich. Die räumliche Auflösung und das erforderliche Gesichtsfeld der Optik (FOV) sowie die daraus resultierende Fußspur (footprint) der abbildenden Sen soren sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.

Tabelle 1

In Tabelle 1 ist die räumliche Auflösung der abbildenden Sen soren BIRS und VIS/NIR, deren effektives Gesichtsfeld FOV und deren Fußspur angegeben, wenn die Sensoren getragen werden von

- Satelliten bei einer Orbithöhe von 400 km, (wie Internatio nale Raumstation),
- einem Flugzeug, wobei die Auflösung für eine Flughöhe 1 bis 10 km, FOV und Fußspur für eine Flughöhe von 4 km angegeben ist, und bei
- einem Bodeneinsatz, wobei die Auflösung für eine Schrägent fernung von 0,1 bis 1 km, FOV und Fußspur für 400 m Schrä gentfernung gilt.

Die radiometrische Auflösung in den thermischen IR-Kanälen ist als rauschäquivalente Strahldichte NER in W/(cm² sr) und als rauschäquivalente Temperaturdifferenz NE/ΔT definiert, während die radiometrische Auflösung im Sichtbaren und nahen IR als rauschäquivalente spektrale Strahldichte NESR defi niert ist. Diese Anforderungen sind in Tabelle 2 zusammenge stellt.

Tabelle 2

Wegen der stark unterschiedlichen Strahldichtekontraste in den verschiedenen Spektralbereichen für eine Feuerszene mit Temperaturen bis zu 1800°K muß bei der geforderten radiome trischen Auflösung ein entsprechend großer Dynamikbereich der Signalverarbeitung sichergestellt sein.

Aus den bei Feuern anzutreffenden Kontraststrahldichten sowie der geforderten räumlichen und radiometrischen Auflösung kann die minimal detektierbare Feuerfläche der abbildenden Senso ren geschätzt werden. Die minimal detektierbare Feuerfläche kann deutlich kleiner sein als die räumliche Auflösung der abbildenden Sensoren. Bei einem satellitengetragenen Sensor muß diese Fläche ≈4 m² betragen. Bei einem flugzeuggetragenen System beträgt diese minimal detektierbare Feuerfläche ≈0,2 m² und ist bei einem bodengestützten Sensor entsprechend klei ner, nämlich nur ≈0,002 m².

Die Forderungen für das IR-Fourier-Transform-Spektrometer, also das Gesichtsfeld (FOV) und der daraus sich ergebende Durchmesser des Gesichtsfeldes am Fußpunkt, die spektrale Auflösung und die spektrale Empfindlichkeit (NESR) sind in Tabelle 3 aufgelistet. Der Ausrichtungsbereich der Optik (pointing range) muß jeweils das gesamte Gesichtsfeld der ab bildenden Sensoren abdecken; die entsprechenden Winkelberei che, innerhalb deren das IR-Spektrometer ausgerichtet werden kann, sind ebenfalls in Tabelle 3 zu entnehmen.

Tabelle 3

Mit diesen Sensorspezifikationen ist ein Fusions- und Daten analyse-Algorithmus entwickelt worden, der die verschiedenen Sensordaten kombiniert, analysiert und die Ergebnisse und die Bewertung des Einzelsensors verbessert. Basierend auf den Er gebnissen im Fusionsprozessor 50 werden als Rückkopplung An weisungen an die einzelnen Sensoren abgeleitet. Diese betref fen die Justierung der Signalprozessoren 41 bis 43, wie bei spielsweise dynamische Schwellwerte, Integrationszeiten oder andere Parameter der Datenprozessierung und Information über Bereiche, für die eine genauere Untersuchung durchzuführen ist, die optische Ausrichtung und Wahl des Gesichtsfeldes so wie die Kalibrierung und den Betriebsmodus der Sensoren.

Die schlagwortartig angeführten Funktionen des in Fig. 3 skiz zierten Fusionsprozessors 50 mit der Datenanalyse 51 werden anhand des Diagramms in Fig. 4 genauer beschrieben. Die radio metrisch korrigierten und kalibrierten Meßdaten (Prozessie rungslevel 1) werden im Fusionsprozessor 50 in einen Prozes sierungslevel 2 überführt. Hierbei werden nur diejenigen Da ten fusioniert, die aus dem kleinsten gemeinsamen Gesichts feld stammen, welches nach dem beschriebenen Meßverfahren das Gesichtsfeld 20 der Optik des IR-Spektrometers IRFTS ist.

Die Oberflächentemperaturen aus Bilddaten und die IR-Spektren werden für jeden definierten Meßzeitpunkt und Meßort zu einem Datenvektor vereinigt (Block 54). Mit diesem Datenvektor wird eine erste Zustandsschätzung und Bewertung (Block 55) des Feuers, der Atmosphäre und des Hintergrunds mit Hilfe eines physikalischen Modells des Feuers durchgeführt, das auf dem in Fig. 2 dargestellten Szenario basiert. Parallel hierzu wer den die fusionierten Daten in einem weiteren Zweig (Block 56) zu einer ersten Klassifizierung des Feuers nach Typ der Ver brennung und Identifizierung des Brennstoffs und zur Lokali sierung des Hochtemperaturereignisses verwendet.

Die Zustandsschätzung dient als Eingabe für eine spektrale Parameteranalyse (Block 57), mit deren Hilfe Temperatur- und Konzentrationsprofile der Gase und Aerosole zurückgewonnen werden. Die Ergebnisse der Parameteranalyse (Block 57) erlau ben im nächsten Schritt eine Verfeinerung und Verbesserung der Zustandsschätzung des Feuers und der Diskriminierung von Feuer und Hintergrund (Block 55).

Durch wiederholtes Rückführen der berechneten Parameter und Fusion der Daten wird die spektrale Parameteranalyse (Block 57) solange fortgesetzt, bis eine minimale Abweichung zwi schen Meßdaten und Simulationsergebnissen zustandekommt. Aus den Ergebnissen der spektralen Parameteranalyse können wei tergehende Größen, wie Emissionsratios verschiedener Gase und Aerosole und die Verbrennungseffektivität für die einzelnen Verbrennungsphasen des Feuers abgeleitet werden.

Zusammen mit den Parametern der Zustandschätzung kann damit das Feuer klassifiziert, der Brennstofftyp identifiziert, und die verbrannte Brennstoffmasse quantifiziert werden. Dies sind die gewünschten Ergebnisdaten mit einem Prozessierungs level 2 (Block 58).

Zusätzlich zu dem Problem der Inversion von Meßdaten aus at mosphärischen Vertikalsondierungen wird die Rückgewinnung durch ein weiteres Problem erschwert. Da das optische Ge sichtsfeld des Spektrometers IRFTS wesentlich größer ist als die räumlichen Abmessungen eines typischen Feuers, wird vom IRFTS eine stark inhomogene Feuerszene betrachtet. Das beob achtete Spektrum setzt sich daher aus Strahlungsbeiträgen verschiedener Klassen von Feuerbereichen mit unterschiedli cher Temperaturen und Verbrennungszuständen, wie Flammen, Schwelbrand, Rauch, und der ungestörten Umgebung des Feuers zusammen.

Um aus diesem Spektrum der betrachteten Szene des Spektrome ters IRFTS mehr als nur mittlere Temperaturen und Konzentra tionsprofile rückgewinnen zu können, ist eine Kombination der abbildenden und spektralen Messungen von BIRS bzw. IRFTS zwingend notwendig. Hierzu sind zwei Näherungen für eine Da tenfusion angegeben:

- Sequentielle Näherung: Unter der Annahme, daß aus der Ana lyse der Bilddaten des BIRS die Unterteilung der Feuerszene in verschiedene Klassen bereits bekannt ist, werden die re lativen flächenmäßigen Beiträge der Klassen mit zugehörigen Bodentemperaturen als Eingabe für die Strahlungstrans portrechnungen verwendet, um damit iterativ das nichtli neare Problem der kleinsten Quadrate bei der Anpassung der spektralen Daten zu lösen.
- Näherung durch globale Anpassung: Mit einem Rückgewinnungs algorithmus werden simultan die atmosphärischen und Ober flächeneigenschaften des Feuers bestimmt.

Die spektrale Parameteranalyse ist aus einzelnen aufeinander folgenden Schritten aufgebaut. In Fig. 5 sind in einem Fluß diagramm die Schritte und Verknüpfungen der Datenanalyse schematisch dargestellt.

Die wesentlichen Bauelemente der spektralen Datenanalyse sind atmosphärische Korrekturmodelle und Strahlungstransportmo delle MODTRAN (Moderate Resolution Transmission) (Block 60) und FASCODE (Fast Atmospheric Signature Code) (Block 61) mit notwendigen zugehörigen Datenbasen für die Molekülspezies, die natürlichen Aerosole und Rauchpartikel sowie Inversi onsalgorithmen.

Mit den Strahlungstransportmodellen lassen sich bei bekannten Parametern, wie Oberflächentemperatur, Temperatur- und Kon zentrationsprofile der Gasspezies und Partikel und optischen Parametern der Partikel usw., die resultierende IR-Strahlung aller Komponenten eines Feuers durch Vorwärtsrechnungen simu lieren. Durch Umkehr des Verfahrens, d. h. Inversionsrechnun gen, können unter definierten Randbedingungen aus den IR-Spektren die physikalischen Parameter der Strahlungsquellen, d. h. Temperatur, Zusammensetzung und deren Profile, zu rückgewonnen werden.

Mit dem Strahlungstransportmodell MODTRAN 60 wird das IR-Spektrum der Feuerszene mit einer niedrigen spektralen Auflösung von 1 cm^-1 im gesamten thermalen IR-Bereich simu liert und mit dem gemessenen Spektrum des Spektrometers IRTFS verglichen. Dieses Spektrum mit niederer spektraler Auflösung wird vor allem zur Simulation und Inversionsrechnung der Kon tinuumstrahlung von Partikeln, Gasen und dem Boden in den at mosphärischen Fenstern verwendet.

Mit einem "Linie-zu-Linie"-Strahlungstransportmodell, wie FA- SCODE (Block 1), hingegen wird das IR-Spektrum der Gase mit hoher spektraler Auflösung von < 0,1 cm^-1 in einer Reihe von schmalen definierten Spektralbereichen (Mikro-Windows) be rechnet und ebenfalls mit dem gemessenen Spektrum des Spek trometers IRFTS verglichen. Für die Modellrechnungen mit FA- SCODE (Block 61) wird die HITRAN-Datenbasis (Block 62) ver wendet. Diese Datenbasis enthält die für die Modellrechnungen notwendigen spektralen Daten von 32 Molekülspezies im gesam ten relevanten optischen Spektralbereich von UV, Sichtbar, IR bis in den Millimeterwellenbereich.

Ein wesentlicher Baustein der Datenanalyse ist das Aerosolmo dell und die Aerosoldatenbasis (Block 63) für Rauchpartikel. Die Rauchwolken übertragen zwar ungestört den überwiegenden Anteil der thermischen Strahlung von dahinterliegenden Ob jekten, aber ein kleiner Bruchteil wird durch Absorption und Streuung, d. h. Extinktion, an den Rauchpartikeln gedämpft. Desweiteren wird durch thermische Eigenemission der Partikel ein Anteil Infrarotstrahlung in Beobachtungsrichtung hinzuge fügt. Dadurch wird die Temperaturmessung der Oberflächen im Feuer beeinflußt. Die spektral abhängige Extinktion und Eigenemission von IR-Strahlung durch die Rauchpartikel kann ge nutzt werden, um die optische Dicke, Größenverteilung und Typ der Rauchpartikel in der gemessenen Säule zu bestimmen.

Die Strahlungseigenschaften von Rauch werden mit dem atmo sphärischen Strahlungstransportmodell MODTRAN (Block 60) be rechnet. Die hierzu notwendigen Daten sind die optischen Ei genschaften der Partikel und das vertikale Profil der Parti keldichte und deren Temperatur in der Rauchwolke. Die erfor derlichen optischen Parameter der Partikel sind der Absorpti ons-, Streu-, Extinktionskoeffizent, Einfachstreualbedo und die Streuphasenfunktion als Funktion der Wellenlänge im Spek tralbereich 0,2 bis 300 µm.

Die optischen Parameter der Rauchpartikel sind aus direkten Messungen nicht mit der notwendigen Qualität und Quantität verfügbar. Daher werden die optischen Parameter mittels der Mie'schen Streutheorie durch das Computer-Aerosolmodell DBASE mit Aerosol-Datenbasis aus gemessenen mikrophysikalischen Ei genschaften berechnet. Das Aerosolmodell DBASE enthält zahl reiche atmosphärische Standardaerosole und ermöglicht dem Nutzer, eigene neue Aerosolkomponenten, wie Rauchaerosole, und Mischungen dieser Komponenten zu erzeugen.

Die mikrophysikalischen Parameter, die die optischen Parame ter bestimmen, sind die Größenverteilung, der Brechungsindex, die Zusammensetzung (hauptsächlich der Typ von Mischung zwi schen absorbierendem und nicht absorbierendem Material) und die Form der Partikel. Die optischen Eigenschaften der Parti kel können auch durch die Luftfeuchtigkeit beeinflußt werden, wodurch die Aerosolgröße zunimmt und der Brechungsindex ab nimmt.

Die mikrophysikalischen Parameter von Rauchpartikeln werden aus verschiedenen Quellen, hauptsächlich internationalen Bio massefeuer-Experimenten, wie AERONET, TRACE-A, SAFARI, SCAR-B übernommen und in dem Rauchaerosolmodell von Remer et al. zu sammengefaßt. (A. Remer et al. Biomass burning aerosol size distribution and modeled optical properties, J. Geophys. Res., 103: 31879-31891,1998). Dieses Rauchaerosolmodell ba siert auf einer Datenbank von 800 Größenverteilungen von Rauchpartikeln verschiedener Biomassefeuer.

Die Ergebnisse zeigen, daß die Größenverteilung von Rauchpar tikeln bimodal ist und durch zwei Lognormal-Verteilungen re präsentiert werden kann. Die Parameter der Lognormal-Vertei lung sind der mittlere Modenradius, die Standardabweichung des natürlichen Logarithmus des Radius und die Zahl oder das Volumen der Partikel im Querschnitt der atmosphärischen Säu le. Die zwei Moden sind hierbei der Anhäufungsmodus (kleine Partikel) und der grobkörnige Modus (große Partikel).

Bei Biomassefeuern werden die optischen Eigenschaften haupt sächlich von den kleineren Partikeln dominiert. Die großen Partikel tragen ca. 30% zur Gesamtextinktion bei. Die Grö ßenverteilung der Rauchpartikel besteht aus einer externen Mischung einer großen Zahl kleiner Partikel mit Durchmessern von 0,1 bis 1,0 µm, und einer kleinen Zahl großer Partikel mit Durchmessern von 1 bis 30 µm. Die kleinen Partikel ihrer seits bestehen aus einer internen Mischung von organischen Flüssigkeiten, die einen festen kugelförmigen Kern aus schwarzem Kohlenstoff umgeben. Die großen Partikel mit einem Durchmesser < 1 µm bestehen hauptsächlich aus Material der Erdkruste.

Bereits in MODTRAN vorhandene Standard-Aerosolmodelle, wie das städtische/industrielle Aerosolmodell, können ein Rauchaerosolmodell nicht ersetzen. Die Unterschiede von Rauchaerosolen und städtischen/industriellen Aerosolen liegen hauptsächlich in der Fähigkeit, Feuchtigkeit anzulagern und dadurch anzuwachsen (Feuchtigkeitsfaktor). Rauchpartikel be sitzen einen geringeren Feuchtigkeitsfaktor und so ist das Wachstum der Partikel durch Wassereintrag viel geringer.

Wegen der nichtlinearen Natur der Methode der kleinsten Qua drate muß das Infrarotspektrum wiederholt für eine ganze Rei he von Schätzungen des Parametervektors berechnet werden. Für eine erfolgreiche Rückgewinnung ist es notwendig, eine Reihe schmaler Spektralbereiche, die als Mikrofenster bezeichnet werden, aus dem gesamten thermischen IR-Bereich auszuwählen, in denen die zu bestimmende Molekülspezies zum einen eine ausreichende Signatur der Absorption zeigt und zum anderen nicht durch Absorptionen anderer Moleküle gestört wird. Des weiteren sind für die genaue Modellierung des Spektrums Li nie-zu-Linie-Strahlungstransportrechnungen mit hoher spektra ler Auflösung unerläßlich. Dies verbietet jedoch aus Gründen der notwendigen Rechenzeit eine Modellrechnung im gesamtem thermalen IR-Bereich.

Daher ist für ein Rückgewinnungsschema die Verwendung eines Satzes von Mikrofenstern vorgesehen. Der erforderliche Spek tralbereich hängt hierbei von den Parametern ab, die aus den Messungen zurückgewonnen werden sollen. Da Wasserdampf bei nahe den gesamten Infrarotbereich beeinflußt und Kohlendioxid und Kohlenmonoxid zu den hauptsächlich erzeugten Verbren nungsgasen in Feuern gehören, muß die Wahl der Mikrofenster letztlich die Rückgewinnung der Konzentrationen dieser Gase und zusätzlich der Gastemperatur als minimale Forderung er möglichen (Siehe Tabelle 4, in welcher Mikrofenster der wich tigsten Moleküle sowie deren Bedeutung und Nutzung angegeben sind).

Tabelle 4

Im ersten Schritt werden für den abbildenden Sensor BIRS die atmosphärische Korrektur für Wasserdampf, die Emissionskorrektur der Oberflächen und die solare Reflexionskorrektur im Spektralbereich 3-4 µm durchgeführt.

Mit bekannten Inversionsverfahren, die auf bekannten Linie- zu-Linie-Strahlungstransportmodellen, wie beispielsweise FA- SCODE, basieren, können aus den mit dem Spektrometer IRFTS gemessenen Linienspektren iterativ die Profile der Gastempe ratur und der Konzentration verschiedener Gasspezies bestimmt werden.

Mit dem Strahlungstransportmodell wird das IR-Spektrum des Spektrometers IRFTS, das mit vom BIRS gemessener Klassifizie rung und Temperaturverteilung gewichtet ist, simuliert und mit dem gemessenen Spektrum verglichen. Die optische Dicke der Partikelsäule wird aus den differentiellen Unterschieden der spektralen Strahldichten in den beiden atmosphärischen Fenstern, wie sie von den breitbandigen Wärmebildgeräten und dem Spektrometer detektiert werden, abgeleitet.

Die hierfür notwendige Temperatur der Partikel wird als die Temperatur des umgebenden Verbrennungs- und atmosphärischen Gases angenommen. Hierzu werden die spektralen Emissionsei genschaften von CO₂ und CO im Bereich der Molekülbanden, die mit der von den Wärmebildgeräten bestimmten räumlichen Tempe raturverteilung gewichtet sind, simuliert und mit dem gemes senen Spektren verglichen. Hierbei werden individuelle Mo dellparameter wie Gastemperatur, Konzentrationen einzelner Gasspezies und Partikelkonzentration so variiert, daß diese die beste Übereinstimmung (best fit) mit dem Spektraldaten des Spektrometers ergeben.

Die so ermittelten Modellparameter werden zur Transmissions korrektur der Kontinuumsextinktion von Gas und Partikeln ein gesetzt. Dies ermöglicht in atmosphärischen Fenstern eine verbesserte Bestimmung der Oberflächentemperatur und im Be reich der Absorptionsbanden der Moleküle eine entsprechende Offset-Korrektur der Spezieskonzentrationen. Das Verfahren ermöglicht die Bestimmung der Säulendichten aller wesentli chen Verbrennungsgase im optischen Weg.

Die Ergebnisse der Datenanalyse und die daraus abgeleiteten Größen unter Zuhilfenahme von "a Priori"-Wissen bezüglich der Verbrennungsprozesse und bekannten Meßbedingungen, wie Geolo kation, Jahreszeit, Tageszeit, Atmosphäre sind:

1. Säulendichten und Profile der Konzentration in Richtung der Sichtlinie der Gasspezies: H₂O, CO₂, CO, O₃, CH₄, NO, NO₂, SO₂, HCN, NH₃, HNO₃
2. Temperaturprofil der Atmosphäre und Verbrennungsgase in Richtung der Sichtlinie
3. Räumliche Verteilung der Oberflächentemperatur der Sicht linienbegrenzung (Erdboden, feste oder flüssige Oberflächen) mit Ortskoordinaten (Geolokation)
4. Optische Dicke der Aerosole und deren Größenverteilung in der Säule der Sichtlinie
5. Emissionsratios aller detektierten Gasspezies X: ΔX/ΔCO₂ bezogen auf das Referenzgas CO₂ oder CO und Differenz Δ zur entsprechenden atmosphärischen Hintergrundkonzentration
6. Emissionsratio der Aerosole als Partikelzahl N oder Parti kelmasse M bezogen auf CO: ΔN/ΔCO bzw. ΔM/ΔCO
7. Profil der Aerosolpartikelzahl N bezogen auf ΔCO Konzen trationsprofil in Richtung der Sichtlinie
8. Verbrennungseffektivität CE (Combustion Efficiency) des Kohlenstoffs C im Feuer: CE = [C]_CO2/[C]_CO2 + [C]_CO + [C]_Aerosol)
9. Klassifikation des Feuers in Flächenbereiche: Flammende Verbrennung, Schwelende Verbrennung, Rauch vor unverbranntem Hintergrund, unverbrannter Hintergrund
10. Verbesserte laterale räumliche Auflösung für Gaskonzen trationen und Gastemperatur bezogen auf das räumliche Auflö sungsvermögen des IR-Spektrometers
11. Identifizierung des Brennstofftyps

Im folgenden werden noch einmal wesentliche Zusammenhänge der Erfindung zusammengefaßt.

Im thermischen IR-Bereich sind Rauchwolken teilweise transpa rent und ermöglichen den Einsatz von abbildenden IR-Radiometern zur Bestimmung von Lage und Temperatur der Brandherde und Schwelbrände. In diesem IR-Bereich zeigen zahlreiche Verbrennungsgase zudem spektrale Absorptions- und Emissioneigenschaften, die zur Bestimmung von Konzentrationen mit IR Spektrometern genutzt werden können.

Mittels des erfindungsgemäßen optischen Fernmeßverfahrens mit einem Multisensorsystem im thermalen IR-Spektralbereich, im Nahen Infrarot und im sichtbaren Spektralbereich mit zugehö riger multisensoraler Analyse der Daten werden die Temperatur sowie Gas- und Partikelkonzentrationen in Verbrennungsprozes sen simultan bestimmt. Das Multisensorsystem der Einrichtung nach der Erfindung weist einen bispektralen bilderzeugenden IR-Sensor (BIRS) (Wärmebildgerät, IR-Scanner)im thermischen Infrarotbereich und eine CCD-Kamera im Sichtbaren und Nahen Infrarot (VIS/NIR-CCD), die beide eine hohe räumliche Auflö sung besitzen, sowie ein spektral hochauflösendes IR-Fourier- Transformspektrometer (IRFTS) im thermischen Infrarotbereich auf. Die räumliche Auflösung des IR-Spektrometers ist hierbei gering im Vergleich zu derjenigen der abbildenden Sensoren.

Durch die Fusion der Daten der Sensoren können zum einen, die Ergebnisse der Einzelsensoren wie die Oberflächentemperatur mit dem bispektralen bilderzeugenden IR Sensor BIRS und die Gastemperatur und Gaskonzentrationen mit dem Spektrometer IRFTS genauer bzw. mit verbesserter räumlicher Auflösung be stimmt werden, und zum anderen wird es dadurch erst möglich, im thermalen IR-Bereich die Parameter von Rauchpartikeln aus den Meßdaten abzuleiten. Ein wesentliches neues Ergebnis ist, daß die optische Dicke, die Größenverteilung und der Typ der Aerosole damit bestimmt werden können.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird keine Beleuchtungs quelle benötigt, da die thermische Eigenstrahlung der Objekte genutzt wird. Das Verfahren ist nicht auf bestimmte optische und thermische Eigenschaften des betrachteten Hintergrunds in der Szene beschränkt.

Claims

1. Verfahren zur optischen Fernmessung von Feuerszenen mit tels IR-Sensoren, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst mit einem ersten bispektralen bilderzeugenden Sensor, der spek tral breitbandig in den beiden atmosphärischen IR-Fenstern von ca. 3,5 bis ca. 4,1 µm (MIR) und ca. 8 bis ca. 12 µm (TIR) arbeitet und eine hohe räumliche Auflösung hat, und mit einem zweiten bispektralen bilderzeugenden Sensor, der spek tral breitbandig im sichtbaren Spektralbereich von ca. 0,4 bis ca. 0,7 µm und im nahen IR-Bereich von ca. 1,2 bis ca. 1,4 µm (NIR) arbeitet, aber eine höhere räumliche Auflösung als der erste bilderzeugende Sensor hat, die Feuerszene vi sualisiert und die Temperaturverteilung gemessen wird, daß danach innerhalb des Gesichtsfeldes der bilderzeugenden Sen soren ein oder mehrere interessierende Teilbereiche ausge wählt werden, auf die als dritter Sensor ein spektral hoch auflösendes, im thermalen IR-Spektralbereich von ca. 3,0 bis ca. 15 µm empfindliches IR-Fourier-Transform-Spektrometer ausgerichtet wird, das ein kleineres Gesichtsfeld als die beiden bilderzeugenden Sensoren hat, und daß in diesem klei neren Gesichtsfeld dann eine detaillierte Analyse der physi kalischen Gegebenheiten der Feuerszene gleichzeitig sowohl mit den beiden bilderzeugenden Sensoren als auch mit dem IR-Fourier-Transform-Spektrometer durchgeführt wird, wobei das Gesichtsfeld des IR-Fourier-Transform-Spektrometers in nerhalb des Gesichtsfeldes der beiden bilderzeugenden Senso ren beliebig und definiert ausgerichtet werden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Messung der IR-Strahlung in den beiden atmosphärischen Fenstern mit dem ersten bispektralen bilderzeugenden IR-Sensor die Temperaturverteilung von Oberflächen sowie die Emission und Kontinuumsabsorption von Gasen und Partikeln be stimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem IR-Fourier-Transform-Spektrometer die emittierte spektrale Strahldichte aller im Gesichtsfeld befindlichen Strahlungsquellen, insbesondere die Emissions- und Absorpti onslinien der Gase mit einer hohen spektralen Auflösung von etwa 0,1 cm^-1 gemessen wird und daß aus den Linienspektren der Gase die Gastemperatur und die Konzentration zahlreicher Gasspezies bestimmt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Sensoren parallel und unabhängig voneinander spezifische Ausgabedaten erzeugen, die nach einer Signalprozessierung in jedem Sensor als Objektdaten, die phy sikalische Parameter wie z. B. Oberflächentemperatur, Fläche, spektrale Verteilung, geometrische Struktur, zeitliche Verän derungen sowie die Lage der Objekte und den Vertrauensbereich der Detektion, Klassifikation oder Identifikation der Objekte im betrachteten Gesichtsfeld betreffen, in einen Fusionspro zessor eingegeben werden, in welchem mit Hilfe eines Fusions- und Datenanalyse-Algorithmus die verschiedenen Sensordaten kombiniert, analysiert und Ergebnisse ermittelt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Grundlage der im Fusionsprozessor erzielten Ergebnisse als Rückkopplung Anweisungen an die einzelnen Sensoren abge leitet werden, welche die Justierung der Signalprozessoren wie z. B. dynamische Schwellwerte, Integrationszeiten oder an dere Parameter der Datenprozessierung und Information über Bereiche, für die eine genaue Untersuchung durchzuführen ist, sowie die optische Ausrichtung und Wahl des Gesichtsfeldes, die Kalibrierung und den Betriebsmodus der Sensoren betref fen.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß nur diejenigen Daten fusioniert werden, die aus dem kleinsten gemeinsamen Gesichtsfeld aller Sensoren stammen, welches also dem Gesichtsfeld der Optik des IR-Fourier-Trans form-Spektrometers entspricht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Oberflächendaten aus Bilddaten und die IR-Spektren für jeden definierten Meßzeitpunkt und Meßort zu einem Datenvektor vereinigt werden, daß mit diesem Datenvek tor eine erste Zustandsschätzung und Bewertung des Feuers, der Atmosphäre und des Hintergrundes mit Hilfe eines physika lischen Modells des Feuers durchgeführt wird, und daß paral lel dazu die fusionierten Daten in einem weiteren Zweig zu einer ersten Klassifizierung des Feuers nach Typ der Verbren nung und Identifizierung des Brennstoffs und zur Lokalisie rung des Hochtemperaturereignisses verwendet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustandsschätzung als Eingabe der spektralen Parameteranalyse dient, mittels welcher die Temperatur- und Konzentrations- Profile der Gase und Aerosole der Feuerszene rückgewonnen werden, daß mit Hilfe der Ergebnisse der Parameteranalyse im nächsten Schritt eine Verfeinerung und Verbesserung der Zu standsschätzung des Feuers und der Diskriminierung von Feuer und Hintergrund vorgenommen wird, daß durch wiederholte Rück führung der berechneten Parameter und Fusion der Daten die spektrale Parameteranalyse so lange fortgeführt wird, bis ei ne minimale Abweichung zwischen den Meßdaten und den Simula tionsergebnissen zu Stande kommt, und daß aus den Ergebnissen der spektralen Parameteranalyse weitergehende Größen wie die die Emissionsratios verschiedener Gase und der Aerosole und die Verbrennungseffektivität für die einzelnen Verbrennungs phasen des Feuers abgeleitet werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß bei einer Kombination der Messungen mit den bilderzeugenden Sensoren und mit dem IR-Fourier-Transform- Spektrometer für die Datenfusion eine sequentielle Näherung durchgeführt wird, wobei unter der Annahme, daß aus der Ana lyse der Bilddaten des bispektralen bilderzeugenden IR-Sensors die Unterteilung der Feuerszene in verschiedene Klassen bereits bekannt ist, die relativen flächenmäßigen Beiträge der Klassen mit zugehörigen Bodentemperaturen als Eingabe für die Strahlungstransportrechnungen verwendet wer den, um damit iterativ das nichtlineare Problem der kleinsten Quadrate bei der Anpassung der spektralen Daten zu lösen.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß bei einer Kombination der Messungen mit den bilderzeugenden Sensoren und mit dem IR-Fourier-Transform- Spektrometer für die Datenfusion eine Näherung durch globale Anpassung durchgeführt wird, wobei mit einem Rückgewinnungs algorithmus simultan die atmosphärischen Eigenschaften und die Oberflächeneigenschaften des Feuers bestimmt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß bei der spektralen Datenanalyse als wesent liche Elemente atmosphärische Korrekturmodelle und Strah lungstransportmodelle mit notwendigen zugehörigen Datenbasen für die Molekülspezies, die natürlichen Aerosole und Rauch partikel sowie Inversionsalgorithmen eingesetzt werden, wobei sich mit den Strahlungstransportmodellen bei bekannten Para metern, Oberflächentemperatur, Temperatur- und Konzentrati onsprofile der Gasspezies und Partikel und optischen Parametern der Partikel die resultierende IR-Strahlung aller Kompo nenten eines Feuers durch Vorwärtsrechnung simulieren läßt und durch Umkehr des Verfahrens, d. h. Inversionsrechnungen, unter definierten Randbedingungen aus den Infrarotspektren die physikalischen Parameter der Strahlungsquellen, d. h. Tem peratur, Zusammensetzung und deren Profile, zurückgewonnen werden können.

12. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Aus bildung als Multisensorsystem, bestehend aus einer Kombina tion von einem ersten bispektralen bilderzeugenden Sensor, der spektral breitbandig in den beiden atmosphärischen IR-Fenstern von ca. 3,5 bis ca. 4,1 µm (MIR) und ca. 8 bis ca. 12 µm (TIR) arbeitet und eine hohe räumliche Auflösung hat, einem zweiten bispektralen bilderzeugenden Sensor, der spektral breitbandig im sichtbaren Spektralbereich von ca. 0,4 bis ca. 0,7 µm und im nahen IR-Bereich von ca. 1,2 bis ca. 1,4 µm (NIR) arbeitet, aber eine höhere räumliche Auflö sung als der erste bilderzeugende Sensor hat, und einem drit ter Sensor, der als ein spektral hochauflösendes, im therma len IR-Spektralbereich von ca. 3,0 bis ca. 15 µm empfindli ches IR-Fourier-Transform-Spektrometer ausgebildet ist, das ein kleineres Gesichtsfeld als die beiden bilderzeugenden Sensoren hat.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der erste bispektrale bilderzeugende Sensor, der spektral breitbandig in den beiden atmosphärischen IR-Fenstern von ca. 3,5 bis ca. 4,1 µm (MIR) und ca. 8 bis ca. 12 µm (TIR) arbei tet, ein Wärmebildgerät oder ein IR-Scanner ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite bispektrale bilderzeugende Sensor, der spektral breitbandig im sichtbaren Spektralbereich von ca. 0,4 bis ca. 0,7 µm und im nahen IR-Bereich von ca. 1,2 bis ca. 1,4 µm (NIR) arbeitet, eine CCD-Kamera ist.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesichtsfelder der Sensoren einander so angepaßt sind, daß das Gesichtsfeld des IR-Fourier-Trans form-Spektrometers vom Gesamtgesichtsfeld der beiden bilder zeugenden Sensoren stets vollständig überdeckt ist, wobei das übereinstimmende Gesichtsfeld der beiden bilderzeugenden Sen soren jedoch stets größer oder gleich demjenigen des IR-Fourier-Transform-Spektrometers ist.

16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Gesichtsfelds der bilderzeugenden Sensoren so bemessen ist, daß das gesamte Feuer oder große Bereiche davon erfaßt sind.

17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Durchmesser des Gesichtsfeldes der bilder zeugenden Sensoren zum Durchmesser des IR-Fourier-Transform- Spektrometers etwa 10 : 1 beträgt.

18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, gekenn zeichnet durch eine Anordnung auf einer Sensorplattform auf einem Satelliten, einem Flugzeug oder am Boden, insbesondere auf einem Fahrzeug.