DE10113330A1 - Verfahren und Einrichtung zur optischen Fernmessung von Feuerszenen mittels IR-Sensoren - Google Patents
Verfahren und Einrichtung zur optischen Fernmessung von Feuerszenen mittels IR-SensorenInfo
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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.
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.
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.
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).
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 (18)
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.
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