DE102013217535B4 - Kalibrierung eines Fernerkundungssensors zur Fernerkundung einer Planetenoberfläche - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Kalibrierung eines Fernerkundungssensors (7) zur Fernerkundung einer Planetenoberfläche (2), wobei der Fernerkundungssensor (7) während einer Fernerkundung eines Kalibrierungsfeldes (1) an der Planetenoberfläche (2) Sensordaten für die Kalibrierung erzeugt, wobei
• das Kalibrierungsfeld (1) eine Mehrzahl von Fotovoltaikmodulen (3) aufweist, die während ihres Betriebes einfallende elektromagnetische Strahlungsenergie in elektrische Energie umwandeln,
• während des Betriebes der Fotovoltaikmodule (3) Messwerte zumindest einer physikalischen Messgröße der Fotovoltaikmodule (3) gemessen werden,
• unter Verwendung der Messwerte der physikalischen Messgröße(n) der Fotovoltaikmodule (3), von der Mehrzahl von Fotovoltaikmodulen (3) in Richtung des Fernerkundungssensors (7) emittierte und/oder reflektierte elektromagnetische Strahlung berechnet wird,
• bei der Auswertung der von dem Fernerkundungssensor (7) erzeugten Sensordaten zum Zwecke der Kalibrierung des Fernerkundungssensors (7) die berechnete elektromagnetische Strahlung berücksichtigt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Kalibrierung eines Fernerkundungssensors zur Fernerkundung einer Planetenoberfläche. Der Fernerkundungssensor kann insbesondere Teil eines opto-elektronischen Fernerkundungssystems sein, das ebenfalls Gegenstand der Kalibrierung sein kann.
• Bei der Fernerkundung von Planetenoberflächen, insbesondere der Erdoberfläche, werden Fernerkundungssensoren (insbesondere optische Sensoren und Thermalsensoren) eingesetzt, die typischerweise an Flugkörpern wie Flugzeugen, Raketen, Ballons oder Satelliten angeordnet werden und zu einem gegebenen Zeitpunkt meist nur einen kleinen Bereich der Planetenoberfläche erfassen. Dabei empfangen sie von dem erfassten Bereich der Oberfläche Strahlung und erzeugen entsprechend ihrer Strahlungsempfindlichkeit Sensordaten, die ausgewertet werden können, um Informationen über den erfassten Bereich zu erhalten. Bei der empfangenen Strahlung handelt es sich insbesondere um reflektierte Strahlung, insbesondere reflektierte Strahlung solaren Ursprungs. Außerdem ist es möglich, dass der Fernerkundungssensor von Objekten an der Planetenoberfläche emittierte Strahlung detektiert.
• Unter einem optischen Sensor wird insbesondere ein Sensor zur Messung von Strahlungsintensitäten in einem Spektralbereich verstanden, in dem der Sensor für die empfangene Strahlung empfindlich ist. Als Ergebnis erhält man daher insbesondere einen der Strahlungsintensität entsprechenden Intensitätswert oder ein Feld von Intensitätswerten, die jeweils einem anderen örtlichen Bereich an der Planetenoberfläche zugeordnet sind. Das Ergebnis einer Auswertung der Sensordaten eines optischen Sensors kann jedoch zum Beispiel auch die Erkenntnis sein, dass ein bestimmtes Fernerkundungsobjekt von dem optischen Sensor erfasst wurde, wobei das Objekt der oder den erfassten Strahlungsintensitäten entspricht. Optische Sensoren können insbesondere bildgebend (abbildend) sein, z. B. als Teil eines die Planetenoberfläche scannenden Systems, das an einem Flugobjekt, zum Beispiel einem Flugzeug angeordnet ist, und/oder eine Kamera zur gleichzeitigen Erfassung einer Vielzahl von Bildpunkten (insbesondere entsprechend den Strahlungsintensitäten der zugeordneten Oberflächenbereiche des Planeten) aufweisen. Bildgebende Sensoren liefern daher zum Beispiel Werte der in einem erfassten Raumwinkelbereich über einen Spektralbereich integrierten empfangenen Strahlung, wobei die Werte z. B. als Grauwerte einer Grauwertskala darstellbar sind. Resultierende Bilder sind daher als Grauwertbilder darstellbar. Die Grauwerte können jedoch auch durch Farben kodiert dargestellt werden, so dass zum Beispiel jede Farbe einem Intensitätsbereich entspricht.
• Unter einem Thermalsensor wird ein Sensor zur Messung von thermischen Messgrößen verstanden, insbesondere von Temperatur, von ortsabhängigen (ein- oder mehrdimensionalen) Temperaturprofilen (primäre Messgrößen) und von Messgrößen, die durch die Temperatur oder das Temperaturprofil bestimmbar sind (sekundäre Messgrößen). Zu diesen Messgrößen gehören insbesondere Strahlungseigenschaften von Fernerkundungsobjekten. Das Ergebnis einer Auswertung der Sensordaten eines Thermalsensors kann jedoch zum Beispiel auch die Erkenntnis sein, dass ein bestimmtes Fernerkundungsobjekt von dem Thermalsensor erfasst wurde, wobei das Objekt einem erfassten Temperaturprofil entspricht. Allgemeiner formuliert kann daher durch Auswertung einer oder mehrerer primärer Messgrößen zumindest eine sekundäre Messgröße ermittelt werden, zum Beispiel die thermische Kapazität. Thermalsensoren können bildgebend (abbildend), wie auch nicht-bildgebend (nicht-abbildend) sein. Nicht-bildgebende Sensoren sind z. B. Radiometer und Spektrometer. Spektrometer ermöglichen z. B. Auswahl und Abtrennung eines bestimmten infraroten Wellenlängenbereichs. Bildgebende Thermalsensoren erzeugen Bilddaten typischerweise als Teil eines die Planetenoberfläche scannenden Systems, das an einem Flugobjekt, zum Beispiel einem Flugzeug angeordnet ist. Bildgebende Thermalsensoren liefern zum Beispiel Werte der in einem erfassten Raumwinkelbereich über einen Spektralbereich integrierten empfangenen Strahlung, wobei die Werte als Grauwerte einer Grauwertskala darstellbar sind. Resultierende Bilder sind daher als Grauwertbilder darstellbar. Die Grauwerte können jedoch auch durch Farben kodiert dargestellt werden, so dass zum Beispiel jede Farbe einem Temperaturbereich entspricht.
• Allgemein formuliert ist das Ziel der Kalibrierung von Fernerkundungssensoren die Feststellung einer Abweichung von einem Normzustand oder die Reduzierung oder Eliminierung der Abweichung. Bekannt ist die Kalibrierung von optischen Sensoren bezüglich der spektralen Auflösung und die Kalibrierung von Fernerkundungssensoren allgemein bezüglich der geometrischen Auflösung, bezüglich Rauschen in den Messsignalen und bezüglich der Zuordnung von Bereichen an der Planetenoberfläche zu Bildbereichen der von bildgebenden Sensoren erzeugten Bilder. Diese Zuordnung wird auch als lagerichtige oder lagegenaue Abbildung bezeichnet.
• Bekannt ist auch die Kalibrierung von Fernerkundungssensoren in einem Labor. Der Vorteil besteht darin, dass in einem Labor definierte und reproduzierbare Bedingungen für die Kalibrierung geschaffen werden können und störende Effekte reduziert oder eliminiert werden können. Nach der Kalibrierung werden die Fernerkundungssensoren üblicherweise an Flugobjekten angeordnet und die Kalibrierung kann dort in eingeschränktem Umfang wiederholt werden, insbesondere zur Überprüfung, ob sich das Verhalten des Sensors geändert hat. Dies wird auch als In-Orbit- oder In-Situ-Kalibrierung bezeichnet. Dabei können zum Beispiel mit dem Fernerkundungssensor mitbewegte Eichlampen als Referenz verwendet werden. Andere Möglichkeiten sind Messungen der direkten solaren Strahlung, Messungen der vom Mond reflektierten solaren Strahlung und Messungen von Gebieten auf der Planetenoberfläche mit annähernd homogenen Reflexionseigenschaften (zum Beispiel Wüsten oder Salzseen), die die Bestimmung der auf den Fernerkundungssensor reflektierten solaren Strahlung erheblich genauer ermöglichen als bei anderen Gebieten. Allerdings sind diese Reflexionseigenschaften über das Gebiet auch nicht völlig homogen und von der Einstrahlung abhängig. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass solche Gebiete nicht auf allen Kontinenten zur Verfügung stehen und daher häufig an der momentanen Beobachtungsposition des Fernerkundungssensors nicht erfassbar sind. Flächen mit Vegetation sind für die Kalibrierung weitgehend ungeeignet, da sich die optischen Eigenschaften im Verlauf des Prozesses der Vegetation kontinuierlich verändern und nur sehr ungenau bekannt sind.
• Zur Kalibrierung der lagerichtigen Abbildung kann wie auch zur Auswertung von Fernerkundungsdaten in der Praxis auf Daten zurückgegriffen werden, die einen Bezug der aufgezeichneten Fernerkundungsdaten oder aufzuzeichnenden Fernerkundungsdaten zu geografischen Koordinaten der Planetenoberfläche herstellen. Verschiedene Fehlerursachen können zu einer ungenauen Zuordnung der Bereiche an der Planetenoberfläche zu den Bereichen (insbesondere den Matrixelementen einer Kamera) des optischen Sensors führen: ungenaue Ausrichtung einer Halterung, an der der optische Sensor angebracht ist, fehlerhafte optische Abbildungseigenschaften einer Optik zur Abbildung der einfallenden Strahlung auf den eigentlichen Sensor (z. B. eine Matrix von Sensorelementen im Fall einer Digitalkamera) und ungenaue Kenntnis der geografischen Eigenschaften der Planetenoberfläche. Zur Feststellung entsprechender Fehler und optional zur Korrektur der Fehler ist es bekannt, Referenzpunkte an der Planetenoberfläche zu verwenden, deren geografische Position genau bekannt ist. Eine vorherige Kalibrierung, d. h. eine Kalibrierung vor der eigentlichen Gewinnung von Fernerkundungsdaten, die auf ein bestimmtes geografisches Gebiet mit Referenzpunkten beschränkt ist, ist aber nicht oder nur eingeschränkt für andere geografische Gebiete gültig. In der Praxis wird es daher bevorzugt, in verschiedenen geografischen Gebieten über Referenzpunkte zu verfügen, so dass die gewonnen Fernerkundungsdaten jeweils anhand der Referenzpunkte korrigiert werden können. Bezüglich der optischen Abbildungseigenschaften führt dies jedoch nur in einem kleinen Bildbereich des von dem bildgebenden optischen Sensor erzeugten Bildes zu einer zuverlässigen Referenz. Im Fall von mehreren Referenzpunkten, die mit demselben Bild erfasst wurden, kann außerdem noch der geometrische Bezug zwischen den verschiedenen Bildbereichen hergestellt werden, in denen die Referenzpunkte liegen. Fehler, die sich jedoch in Teilbereichen der durch den optischen bildgebenden Sensor erzeugten Bilder auswirken, welche größer als die Ausdehnung eines Referenzpunktes ist, können so nicht korrigiert werden. Insbesondere für die Kalibrierung der Abbildungseigenschaften optischer Systeme von Sensoren können daher spezielle Muster (wie z. B. der so genannte Siemensstern oder ein Streifenmuster) verwendet werden. Auch ist die Kalibrierung unter Verwendung von Referenzpunkten zeitaufwändig und kann in den meisten Fällen nicht standardisiert in-situ durchgeführt werden.
• Der Wellenlängenbereich der auf die Erdoberfläche auftreffenden elektromagnetischen Strahlung reicht vom kurzwelligen, nicht sichtbaren Ultraviolett (UV) über den sichtbaren Bereich bis in den langwelligen infraroten Bereich (Wärmestrahlung) hinein und wird bezogen auf sogenannte „Atmosphärische Fenster” durch die Fernerkundung für die Datenaufzeichnung genutzt. Dieses Strahlungsangebot schwankt tages-, jahres- und überjahreszeitlich bedingt. Zudem ist das Strahlungsangebot von der Wetterlage (z. B. Wolken und -schatten, Dunst) abhängig.
• Insbesondere für die In-Situ-Kalibrierung ist dieses schwankende Strahlungsangebot eine wesentliche Fehlerquelle.
• Zink, Roland (u. a.): Thermographische Kontrolle von Photovoltaikanlagen mittels GPS-gestützter Drohne. In: Angewandte Geoinformatik 2012: Beiträge zum 24. AGIT-Symposium Salzburg. Berlin; Offenbach: Wichmann, 2012, S. 563–568. ISBN 978-3-87907-520-1 beschreibt die thermographische Kontrolle von Photovoltaikanlagen mittels GPS-gestützter Drohne. Um insbesondere Schäden an einem Photovoltaikmodul festzustellen, wird der Einsatz von Drohnen bzw. unbemannten Flugsystemen vorgeschlagen, an denen thermographische Module zur Inspektion von PV-Modulen angeordnet sind. Ein Pilot steuert die Drohne bei Bedarf zur Positionsveränderung. Durch das Fotografieren von PV-Modulen mit einer thermographischen Kamera werden schadhafte PV-Module während des Normalbetriebes der PV-Anlage kenntlich gemacht. Um aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten, müssen der Abstand zwischen Kamera und PV-Modul sowie der Aufnahmewinkel jederzeit innerhalb einer gewissen Bandbreite sein.
• Drews. A. et al.: Monitoring and remote failure detection of grid-connected PV systems based an satellite observations. In: Solar Energy, Vol. 81, 2007, S. 548–564 – 0038-092X beschreibt eine vollautomatische Leistungsüberprüfung von Photovoltaiksystemen. Das Ziel ist die frühe Detektion von Fehlfunktionen des Systems. Basierend auf Informationen über die solare Einstrahlung, die von Satelliten gewonnen wird, werden Messungen vor Ort ersetzt. In Verbindung mit einem Simulationsmodell wird der erwartete Energiegewinn eines PV-Systems berechnet. Wenn eine definierte Differenz zwischen dem simulierten und dem tatsächlichen Energiegewinn auftritt, sucht eine automatische Fehler-Detektionsroutine nach der wahrscheinlichsten Fehlerquelle und benachrichtigt den Betreiber.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung zur Kalibrierung eines Fernerkundungssensors anzugeben, die eine genaue In-Situ-Kalibrierung ermöglichen.
• Für eine In-Situ-Kalibrierung ist eine Information zum aktuell verfügbaren Strahlungsangebot gewünscht. Dies verbessert die Kalibration von Fernerkundungssystemen insbesondere im Hinblick auf die Tatsache, dass sie eine wesentliche Grundvoraussetzung zur Gewinnung quantitativer opto-elektronischer Fernerkundungs-Datenprodukte von geo- und biophysikalischen Umweltparametern ist.
• Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, Anlagen auf der Planetenoberfläche, die der Umwandlung solarer Strahlungsenergie in elektrische und/oder thermische Energie dienen, für die Kalibrierung zu nutzen. Als solche Anlagen sind insbesondere Fotovoltaikanlagen zu nennen. Derartige Anlagen weisen eine Mehrzahl von Fotovoltaikmodulen auf, wobei jedes der Fotovoltaikmodule eine durchgehende zum Himmel gerichtete Oberfläche aufweist, auf die die solare Strahlung auftrifft. Eine solche durchgehende Oberfläche bedeutet nicht, dass die auf jeden Teilbereich der Oberfläche auftreffende solare Strahlung für die Energieumwandlung genutzt wird. Vielmehr kann die Oberfläche zum Beispiel durch eine für strahlungstransparente Abdeckung des Moduls gebildet werden und sich unterhalb der Oberfläche die eigentliche Anordnung mit zumindest einem fotoelektrischen Element zur Umwandlung der solaren Energie befinden und kann diese Anordnung Lücken aufweisen. Ein Fotovoltaikmodul bildet aber eine Einheit, die z. B. bei der Bewegungsbahn der Sonne nachgeführten Modulen immer gemeinsam und in gleicher Weise nachgeführt wird. Sowohl bei nachgeführten als auch bei nicht nachgeführten Modulen stellt das Modul eine bautechnische, mechanische Einheit dar, die in aller Regel selbsttragend ist und gemeinsam gegen den Boden abgestützt oder aufgehängt ist.
• Auch wenn im Folgenden von Fotovoltaikmodulen die Rede ist, kann in gleicher Weise, mit Ausnahme der unmittelbaren Messung der von dem Modul erzeugten elektrischen Energie auch ein solarthermisches Modul verwendet werden, das die solare Energie in thermische Energie umwandelt, um z. B. indirekt elektrische Energie zu erzeugen oder Prozesswärme zu erzeugen. Allerdings weisen solarthermische Module, die in größerer Stückzahl zu Anlagen zusammengefasst sind, häufig eine nicht ebene Oberfläche auf, sodass die für den Fernerkundungssensor relevanten optischen Eigenschaften wie insbesondere der Reflexionsgrad der solaren Strahlung über den Verlauf der Oberfläche variieren. Dies liegt insbesondere darin, dass der Reflexionsgrad im Allgemeinen mit dem Winkel gegen die Oberflächennormale variiert. Außerdem variiert mit der Ausrichtung der Oberflächennormale auch die Richtung, in die solare Strahlung reflektiert wird.
• Die Nutzung von Fotovoltaikmodulen wird daher bevorzugt. Bei Fotovoltaikmodulen lässt sich unmittelbar die von dem Modul oder einer Mehrzahl von Modulen erzeugte elektrische Energie oder elektrische Leistung messen, die über den bekannten oder bestimmbaren elektrischen Wirkungsgrad bei der Umwandlung solarer Energie in elektrische Energie eine Berechnung eines wesentlichen Teils der Energiebilanz der Module erlaubt und damit auch eine genauere Berechnung der von dem Modul oder den Modulen in Richtung des Fernerkundungssensors reflektierten solaren Strahlung erlaubt. Insbesondere kann aus der erzeugten elektrischen Leistung die Größe der Strahlungsleistung ermittelt werden, mit der die solare Strahlung auf das Modul oder die Module auftrifft. Dieser Teil der Leistungsbilanz ist in vielen bekannten Situationen der In-Situ-Kalibration von Fernerkundungssensoren nicht oder nur unter Schwierigkeiten und ferner ungenau bestimmbar. Außerdem kann aus der auf das Modul oder die Module auftreffenden Strahlungsleistung auch Information über den gegenwärtigen Zustand der Atmosphäre (insbesondere Wolken oder Dunst) gewonnen werden, die wiederum auch für die Bestimmung des Anteils der von dem Modul reflektierten solaren Strahlung von Bedeutung ist, welcher auf dem Weg durch die Atmosphäre zum Fernerkundungssensor gestreut oder absorbiert wird.
• Im Allgemeinen wird daher vorgeschlagen: Ein Verfahren zur Kalibrierung eines Fernerkundungssensors zur Fernerkundung einer Planetenoberfläche, wobei der Fernerkundungssensor während einer Fernerkundung eines Kalibrierungsfeldes an der Planetenoberfläche Sensordaten für die Kalibrierung erzeugt, wobei
• • das Kalibrierungsfeld eine Mehrzahl von Fotovoltaikmodulen aufweist, die während ihres Betriebes einfallende elektromagnetische Strahlungsenergie in elektrische Energie umwandeln,
• • während des Betriebes der Fotovoltaikmodule Messwerte zumindest einer physikalischen Messgröße der Fotovoltaikmodule gemessen werden,
• • unter Verwendung der Messwerte der physikalischen Messgröße(n) der Fotovoltaikmodule, von der Mehrzahl von Fotovoltaikmodulen in Richtung des Fernerkundungssensors emittierte und/oder reflektierte elektromagnetische Strahlung berechnet wird,
bei der Auswertung der von dem Fernerkundungssensor erzeugten Sensordaten zum Zwecke der Kalibrierung des Fernerkundungssensors die berechnete elektromagnetische Strahlung berücksichtigt wird.
• Ferner wird vorgeschlagen: Eine Anordnung zur Kalibrierung eines Fernerkundungssensors zur Fernerkundung einer Planetenoberfläche, mit einem an der Planetenoberfläche angeordneten oder anordenbaren Kalibrierungsfeld, wobei
• • das Kalibrierungsfeld eine Mehrzahl von Fotovoltaikmodulen aufweist, die während ihres Betriebes einfallende elektromagnetische Strahlungsenergie in elektrische Energie umwandeln,
• • zumindest eine Messeinrichtung mit dem Kalibrierungsfeld kombiniert ist, wobei die Messeinrichtung ausgestaltet ist, während des Betriebes der Fotovoltaikmodule Messwerte zumindest einer physikalischen Messgröße der Fotovoltaikmodule zu messen,
• • eine Berechnungseinrichtung vorgesehen ist, die ausgestaltet ist, unter Verwendung der Messwerte der physikalischen Messgröße(n) der Fotovoltaikmodule, von der Mehrzahl von Fotovoltaikmodulen in Richtung des Fernerkundungssensors emittierte und/oder reflektierte elektromagnetische Strahlung zu berechnen,
• • eine Auswertungseinrichtung vorgesehen ist, die ausgestaltet ist, bei der Auswertung der von dem Fernerkundungssensor erzeugten Sensordaten zum Zwecke der Kalibrierung des Fernerkundungssensors die berechnete elektromagnetische Strahlung zu berücksichtigen.
• Wenn zuvor von der Berechnung der elektromagnetischen Strahlung die Rede ist, bedeutet dies insbesondere die Berechnung zumindest einer physikalischen Größe, die die von der Mehrzahl von Fotovoltaikmodulen in Richtung des Fernerkundungssensors emittierte und/oder reflektierte elektromagnetische Strahlung beschreibt.
• Wie bereits erwähnt wird es bevorzugt, für die Kalibrierung die von den Fotovoltaikmodulen erzeugte elektrische Energie und/oder elektrische Leistung als physikalische Messgröße(n) zu messen und daraus Information über die Größe von elektromagnetischer Strahlungsenergie und/oder Strahlungsleistung derjenigen Strahlung zu gewinnen, die auf die Fotovoltaikmodule auftrifft und die von den Fotovoltaikmodulen reflektiert wird. Insbesondere variiert die Intensität (insbesondere die Strahlungsflussdichte) der von den Fotovoltaikmodulen reflektierten Strahlung mit der Richtung der auftreffenden Strahlung, mit der Richtung der reflektierten Strahlung und mit der Wellenlänge der Strahlung. Insbesondere wird daher in Kenntnis der entsprechenden optischen Eigenschaften, insbesondere des (Strahlungs-)richtungsabhängigen und/oder wellenlängenabhängigen Reflexionsgrades, aus der gemessenen elektrischen Energie und/oder Leistung die von den Fotovoltaikmodulen reflektierte Strahlung als Funktion der Strahlungsrichtung und/oder der Wellenlänge bestimmt.
• Vorzugsweise wird aus der gemessenen elektrischen Energie und/oder elektrischen Leistung auch Information über die Streuung und/oder Absorption derjenigen Strahlung gewonnen, die von den Fotovoltaikmodulen in Richtung des Fernerkundungssensors reflektiert und/oder emittiert wird. Oben wurde bereits erläutert, warum der Effekt dieser Streuung und/oder Absorption aus der erzeugten elektrischen Leistung und/oder elektrischen Energie bestimmbar ist. Die Bestimmung der Effekte der Atmosphäre auf die von der Sonne auf die Fotovoltaikanlage eingestrahlten Strahlung durch Messung der Messgrößen der Anlage hat den Vorteil, dass lediglich noch die Effekte der Atmosphäre auf die ausgehend von der Fotovoltaikanlage auf den Fernerkundungssensor eingestrahlten Strahlung bestimmt werden müssen. Für diese Effekte steht sogar Information aus der Bestimmung der auf die Anlage auftreffenden Strahlung zur Verfügung. Gegenüber bekannten Verfahren der In-Situ-Kalibrierung ist das Verfahren daher genauer.
• Optional wird bei der Bestimmung der auftreffenden Strahlung und/oder der reflektierten (insbesondere der in Richtung des Fernerkundungssensors reflektierten) Strahlung die Temperaturabhängigkeit der Fotovoltaikmodule berücksichtigt. Insbesondere ist der elektrische Wirkungsgrad und/oder der Reflexionsgrad von der Temperatur abhängig. Bevorzugt wird es daher, dass auch zumindest eine Temperatur zumindest eines Fotovoltaikmoduls als physikalische Messgröße, insbesondere die Temperatur an dessen für den fotoelektrischen Effekt oder die Reflexion wirksamer Oberfläche, gemessen wird und die Messwerte für die Bestimmung der auftreffenden Strahlung und/oder der reflektierten Strahlung verwendet werden.
• Wenn zuvor von der Bestimmung der Strahlung die Rede ist, kann zum Beispiel die physikalische Größe Strahlungsflussdichte bestimmt werden.
• Die Nutzung von Fotovoltaikmodulen hat den Vorteil, dass Fotovoltaikanlagen an einer Vielzahl von Standorten auf der Erdoberfläche vorhanden sind, insbesondere auch in Ländern und auf Kontinenten, wo keine Wüsten oder Salzseen vorhanden sind. Die von einer Fotovoltaikanlage eingenommene Fläche der Erdoberfläche beträgt teilweise mehrere Hektar. Es ist daher möglich, dass ein Fernerkundungssensor über einen wesentlichen Teil oder sogar den gesamten Erfassungsbereich, in dem der Sensor gleichzeitig Strahlung erfassen kann, eine einzige Fotovoltaikanlage beobachtet. Die Anzahl von Fotovoltaikanlagen wird noch weiter zunehmen.
• Allgemein formuliert nutzt die erfindungsgemäße Kalibrierung Informationen über Eigenschaften und Betriebszustände von Fotovoltaikanlagen. Eigenschaften sind insbesondere der bereits erwähnte Reflexionsgrad und der elektrische Wirkungsgrad. Der Betriebszustand wird durch die zumindest eine gemessene physikalische Messgröße bestimmt. Auf diese Weise stehen im Vergleich zu bekannten In-Situ-Kalibrationsverfahren genauere Informationen zur Verfügung, um die während der Aufnahme von Messwerten des zu kalibrierenden Fernerkundungssensors die auf den Sensor auftreffende Strahlung zu bestimmen.
• Der größte Teil der Strahlungsleistung der einfallenden Sonnenstrahlung liegt im kurzwelligen Bereich. Die folgende Gleichung (1) wird daher als kurzwellige Strahlungsbilanz (Qk) bezeichnet: Qk = G – R = D + H – R = (1 – a)*G (1)
• Dabei bedeuten: G = extra-atmosphärische Globalstrahlung, D = direkte Strahlung, H = diffuse Strahlung (oft als Himmelsstrahlung bezeichnet), R = atmosphärische Reflexstrahlung (z. B. durch den Einfluss der Ozonschicht oder von Wolken), a = Albedo Die Erdoberfläche emittiert Wärmestrahlung, d. h. im infraroten Bereich. Diese Strahlung ist langwellig. Die folgende Gleichung (2) beschreibt die langwellige Strahlungsbilanz (QI): QI = AE = AO – AG (2)
• Dabei bedeuten: AE = effektive Ausstrahlung, AO = Ausstrahlung der Erdoberfläche (terrestrische Strahlung), AG = Gegenstrahlung (Einfluss von Atmosphärengasen, Aerosolen, Wolken).
• Aus Gleichung (1) und (2) für die Strahlungsaufnahme und -abgabe, lässt sich die gesamte Strahlungsbilanz (Q) ermitteln: Q = Qk – Ql = G – R – AE (3)
• Im Wesentlichen können zwei Typen von Fotovoltaikanlagen unterschieden werden:
  Zum einen statische Fotovoltaikanlagen, die über keine beweglichen Module verfügen, die entsprechend dem täglichen Gang der Sonne nachgeführt werden, um einen optimalen Elevations- und/oder Azimutwinkel zur Sonne einzustellen. Diese Anlagen verfügen über eine starre Konfiguration und werden so ausgerichtet, dass sie über einen Zeitraum einen möglichst optimalen solaren Strahlungseintrag erhalten. Zum anderen dynamische Fotovoltaikanlagen, die entsprechend dem täglichen Gang der Sonne nachgeführt werden und auf diese Weise möglichst zu jedem Zeitpunkt einen höheren solaren Strahlungseintrag erhalten als die statischen Anlagen.
• Die Anlagen sind üblicher Weise mit Messgeräten ausgerüstet, die Zusatzinformationen z. B. zur Sonneneinstrahlung und -dauer liefern. Diese Informationen können insbesondere die genannten komplementären Informationen zu den zeitgleich aufgezeichneten Fernerkundungsdaten liefern.
• Für die Umwandlung der Sonnenenergie in elektrische Energie wird der fotoelektrische Effekt ausgenutzt. Der elektrische Wirkungsgrad ist das Verhältnis von entnommener elektrischer Energie und eingestrahlter Strahlungsenergie. Der Wirkungsgrad kann für einzelne Systemkomponenten betrachtet werden, nämlich für die einzelne Solarzelle, das Fotovoltaikmodul, die gesamte Fotovoltaikanlage, optional inklusive Wechselrichter, Akkumulator (Energiespeicher) und/oder Laderegler.
• Die elektrische Leistung von Fotovoltaikanlagen ist u. a. von den Eigenschaften der genutzten elektrischen Bauteile, (kann Angaben in Datenblättern entnommen werden), der Modultemperatur während des Betriebes, der Bestrahlungsstärke, Sonnenstrahlungsintensität und der Luftmasse abhängig. Zudem beeinflusst die Verschmutzung der Anlage die elektrische Leistung wesentlich. Daher wird zumindest eine, jede beliebige Kombination und vorzugsweise alle dieser Größen für die Kalibrations mit erfasst.
• Eine Fotovoltaikanlage besteht z. B. aus Modulen, von denen eine Gleichspannung von ca. 30 V DC bei einer Leistung von 190 W–240 W (je nach Typ) erzeugt wird. Werden nun achtzehn bis vierundzwanzig Module in Reihe geschaltet, so ergibt sich in der Praxis eine Spannung zwischen 650 V–800 V. Diese Reihenschaltung wird als String bezeichnet. Die Strings werden elektrisch zusammengeführt und ihr Strom zur Überwachung gemessen. Z. B. werden bis zu achtundvierzig Strings zusammengefasst. Diese Gleichspannung wird einem Wechselrichter zugeführt und dort in eine getaktete Wechselspannung von z. B. ca. 315 V (je nach Wechselrichtertyp) umgewandelt und über eine Induktivität geglättet. Diese Spannung kann mit einem Transformator auf 20 kV hochtransformiert und im Umspannwerk an den Energieversorger übergeben werden, der elektrische Energie z. B. mit 110 kV Spannung in sein Energieversorgungsnetz einspeist.
• Während des Betriebes der Fotovoltaikanlage werden z. B. Umweltmessgrößen gemessen, um die Effizienz der Solaranlage zu überwachen. Die folgend aufgelisteten Umweltmessgrößen können in beliebiger Kombination für die Kalibrierung verwendet werden, da sie die Genauigkeit der bestimmten Strahlung verbessern:
  Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Niederschlag (insbesondere Menge, Dauer, Art wie Regen und Hagel), Luftdruck, relative Feuchte der Umgebungsluft, Globalstrahlung an der Anlage (z. B. durch ein Pyranometer zur Messung der Solarstrahlung im Wellenlängenbereich von 300–2800 nm), Sonneneinstrahlung (insbesondere direkte Strahlung aus Richtung der Sonne), Umgebungstemperatur, Modultemperatur.
• Bei statischen Anlagen kann in Kenntnis des Standortes jederzeit der Sonnenstand berechnet werden. Bei bekannter Geometrie zwischen Sonne, Solaranlage und Sensor sowie einer hypothetischen idealen Atmosphäre ohne Streuung und Absorption von Strahlung kann die ideale von der Anlage reflektierte Strahlung berechnet werden.
• Wird nun zusätzlich eine reale Atmosphäre (aber noch ohne Wolken) berücksichtigt, so kann unter Verwendung der Messergebnisse für die Globalstrahlung und/oder für die direkte Sonneneinstrahlung die Abweichung von der idealen Situation ermittelt werden, z. B. im genannten Wellenlängenintervall 300–2800 nm). Daher kann der Effekt einer realen Atmosphäre auf die Kalibrierung bestimmt werden. Steht gelegentlich eine wolkenfreie Sonneneinstrahlung zur Verfügung, kann der Effekt der realen, wolkenlosen Atmosphäre für eine spätere Simulation der Atmosphäre durch ein Rechenmodell bestimmt werden.
• Wird nun (z. B. durch ein Wolken-Rechenmodell) zusätzlich eine reale Atmosphäre mit Wolken berücksichtigt, so kann in Kenntnis der Situation der wolkenlosen realen Atmosphäre wiederum unter Verwendung der Messergebnisse für die Globalstrahlung und/oder für die direkte Sonneneinstrahlung die Abweichung von der idealen Situation ermittelt werden.
• Für die Nutzung von Solaranlagen zur Kalibration von Fernerkundungssystemen wird eine Flächenausdehnung der Anlage an der Planetenoberfläche bevorzugt, die mindestens 7×7 Pixeln des zu validierenden Sensorsystems entspricht.
• Die folgenden Überlegungen setzen voraus, dass die Betriebsbedingungen der Solaranlage und alle geometrisch relevanten Parameter, wie Sonnenstand und Sensorblickrichtung, bekannt sind. Für die Bestrahlungsstärke E auf der Solaranlagenfläche gilt folgende Integration über die Wellenlänge λ: E = ∫(I_λτ_λ + ζ_λ)·η_λ·dλ
• Wobei bedeuten: I_λ = wellenlängenabhängige spektrale Bestrahlungsstärke der Sonne, τ_λ = Transmissionsgrad der Atmosphäre, ζ_λ = wellenlängenabhängige atmosphärisch gestreute Bestrahlungsstärke, η_λ = wellenlängenabhängige gesamte Effizienz.
• Die Werte für die spektrale Bestrahlungsstärke der Sonne und die gesamte Effizienz sind in der Regel bekannt und die Bestrahlungsstärke E lässt sich aus der gemessenen Leistung der Solaranlage bestimmen. Durch insbesondere näherungsweise Invertierung dieses Integrals erhält man die effektive spektrale Bestrahlungsstärke E_λ: E_λ = I_λτ_λ + ζ_λ
• Somit erhält man eine lineare Gleichung, die die effektiven Atmosphärenparameter Transmissionsgrad der Atmosphäre und atmosphärisch gestreute Bestrahlungsstärke enthält. Ein Fernerkundungssensor, der aus Sicht der Anlage ungefähr in der gleichen Richtung wie die Sonne angeordnet ist, empfängt in einem Spektralkanal als ungefähr die Strahlungsflussdichte

  
• Dabei ist ρ_λ der Reflexionsgrad der Solaranlage und es wird angenommen, dass die atmosphärisch gestreute Bestrahlungsstärke in alle Richtungen in etwa gleich groß ist. Somit liegt eine zweite lineare Gleichung vor und die effektiven Atmosphärenparameter lassen sich für den Spektralkanal bestimmen zu

  

  und ζ_λ = E_λ – I_λτ_λ
• Ist der Fernerkundungssensor bereits kalibriert, kann so die tatsächliche Strahldichte gemessen werden.
• Die extra-atmosphärische Strahlungsenergie ist bekannt. Die Strahlung durchläuft die Atmosphäre bis zur Solaranlage. Dort wird sie spiegelnd (Einfallswinkel = Ausfallswinkel) und/oder diffus reflektiert und nach nochmaligem Durchlaufen der Atmosphäre oder (bei Anordnung des Sensors an einem Flugzeug) eines Teils der Atmosphäre durch den Fernerkundungssensor gemessen. Reflektiert wird die Strahlung insbesondere an der transparenten Abdeckung der fotovoltaischen Schicht. Die durch die Glasabdeckung transmittierte Strahlungsenergie wird bei bekanntem Transmissionsgrad der transparenten Abdeckung, bei bekanntem elektrischem Wirkungsgrad des Moduls oder der Anlage und bei bekanntem Spektralverhalten (d. h. abhängig von der Wellenlänge) der Solarmodule in elektrische Energie umgewandelt. Bei Messung der elektrischen Energie ist daher unter Verwendung der bekannten optischen Eigenschaften (insbesondere des Reflexionsgrades und des Transmissionsgrad der transparenten Abdeckung sowie des Reflexionsgrades der fotoelektrischen Elemente) und des Wirkungsgrades eine Bestimmung der einfallenden Strahlung möglich (d. h. der Strahlung, die von der Sonne durch die Atmosphäre zu den Fotovoltaikmodulen gelangt, insbesondere der am Fotovoltaikmodul wirksamen spektralen Bestrahlungsstärke. Außerdem werden vorzugsweise die Oberflächentemperatur der Abdeckung, die Temperatur der fotoelektrischen Elemente sowie die Umgebungstemperatur (Lufttemperatur) gemessen.
• Ferner kann die Geometrie der Anordnung unter Verwendung des Fernerkundungssensors die Ausrichtung der Module der Fotovoltaikanlage bestimmt werden, indem bei verschiedenen Blickrichtungen durch den Sensor die von den Modulen der Anlage reflektierte Strahlungsflussdichte gemessen wird. Die Richtung mit der maximalen reflektierten Strahlungsflussdichte ist die Richtung senkrecht zur Moduloberfläche. Unter Verwendung der Richtung senkrecht zur Oberfläche der Fotovoltaikmodule und weiterer Information über den Sonnenstand und die Position des Fernerkundungssensor wird dann eine Geometrie des Strahlungsweges der Strahlung von der Sonne durch die Planetenatmosphäre zu den Fotovoltaikmodulen und der reflektierten Strahlung von den Fotovoltaikmodulen durch die Planetenatmosphäre zu dem Fernerkundungssensor berechnet.
• Insbesondere gibt es zwei Möglichkeiten, wie die Information über die auf die Fotovoltaikmodule auftreffende Strahlung und die Information über die Geometrie des Strahlungsweges genutzt werden kann. Zum einen kann z. B. durch ein Rechenmodell der Atmosphäre aus den vorliegenden Informationen über die auf die Fotovoltaikmodule auftreffende Strahlung und über die Geometrie des Strahlungsweges Information über den momentanen Atmosphärenzustand gewonnen werden. Z. B. können Parameter des Rechenmodells bestimmt werden, wie z. B. die meteorologische Sichtweite (englisch: visibility). Hierzu werden z. B. die Parameter des Rechenmodells solange variiert, bis die aus dem Rechenmodell resultierende Strahlung (z. B. die Strahlungsflussdichte) an den Fotovoltaikmodulen der aus den gemessenen Größen bestimmten Strahlung entspricht, d. h. möglichst optimal übereinstimmt. Insbesondere liegen dann Informationen über die Transmission und Streuung der Atmosphäre auf dem Weg der Strahlung von der Sonne bis zu den Fotovoltaikmodulen vor, die wiederum Informationen über die Transmission und Streuung der Atmosphäre auf dem Strahlungsweg von den Fotovoltaikmodulen bis zu dem Fernerkundungssensor enthalten oder sind. Auch lässt sich das Rechenmodell (nicht nur bezüglich der Bestimmung der Parameter) unter Verwendung der oben genannten Eingangsinformationen verbessern. Wesentlicher Gedanke der Erfindung ist aber, dass mit den Eingangsinformationen und dem Rechenmodell die auf den Fernerkundungssensor auftreffende Strahlung bestimmbar ist und durch eine solche Bestimmung die Kalibrierung des Fernerkundungssensors durchgeführt bzw. verbessert werden kann.
• Eine weitere Möglichkeit der Nutzung der oben genannten Eingangsinformationen ist die Behandlung der Atmosphäre auf dem Weg von der Sonne bis zu den Fotovoltaikmodulen als Black-Box, d. h. es wird kein Rechenmodell der Atmosphäre verwendet. Bei dieser Variante der Nutzung wird die Kenntnis über die Strahlungsflussdichte und die spektrale Abhängigkeit (d. h. die Abhängigkeit von der Wellenlänge der Strahlung) der von der Sonne auf die Atmosphäre eingestrahlten Strahlung verwendet. Ferner wird die Kenntnis über die spektrale Abhängigkeit der optischen Eigenschaften der Fotovoltaikmodule und des elektrischen Wirkungsgrades der Fotovoltaikmodule oder der Fotovoltaikanlage optional außerdem in Abhängigkeit von der Temperatur oder mehreren Temperaturen (z. B. Umgebungstemperatur, Oberflächentemperatur der Module und/oder Temperatur der fotoelektrischen Elemente) verwendet. Außerdem wird dabei insbesondere bei statischen Anlagen die Geometrie des Strahlungsweges berücksichtigt. Wieder steht im Ergebnis die auf die Fotovoltaikmodule eingestrahlte Strahlung für die Kalibrierung des Fernerkundungssensors zur Verfügung. Insbesondere bei der Variante der Behandlung der Atmosphäre als Black-Box kann zusätzlich Gebrauch von der Tatsache gemacht werden, dass nur aus derjenigen Strahlungsenergie, die nach dem Hindurchtreten der Strahlung von der Sonne durch die Atmosphäre und durch die Abdeckung der Fotovoltaikmodule an den fotoelektrischen Elementen zur Verfügung steht, elektrische Energie gewonnen werden kann. Wird nun das Sensorsignal des Fernerkundungssensors unter Berücksichtigung der Geometrie des Strahlungsweges von der Sonne zu den Fotovoltaikmodulen und von dort zu dem Sensor ausgewertet, kann Information über die Atmosphäre als Black-Box gewonnen werden, ohne die Atmosphäre mit Hilfe eines Rechenmodells (dessen Parameter variiert werden, um es an den momentanen Zustand der Atmosphäre anzupassen) zu modellieren. Auch im Fall der Behandlung der Atmosphäre als Black-Box kann Information über das spektrale Verhalten der Atmosphäre gewonnen werden. Hierzu ist wie erwähnt die Kenntnis über die spektrale Abhängigkeit der von der Sonne abgestrahlten Strahlung erforderlich.
• Bei Fotovoltaikanlagen, die eine große Fläche der Planetenoberfläche abdecken, kann sich der Fernerkundungssensor an einem Beobachtungsort befinden, an dem er Teile der Fotovoltaikanlage aus einer Richtung senkrecht zu deren Moduloberflächen beobachtet und andere Teile unter einem Winkel ungleich Null gegen die Moduloberflächennormale beobachtet. Aus den Bereichen, die der Sensor senkrecht zu der Moduloberfläche beobachtet, empfängt der Sensor die größte Strahlungsflussdichte pro Raumwinkelbereich. Kann nun davon ausgegangen werden, dass jeder Teilbereich der Fotovoltaikanlage Strahlung von der Sonne mit gleich großer Strahlungsflussdichte empfängt und wird ferner optional in guter Näherung davon ausgegangen, dass planparallele solare Strahlung auf die Fotovoltaikanlage auftrifft, kann die Richtungsabhängigkeit der Reflexion der auf die Fotovoltaikanlage auftreffenden Strahlung von dem Fernerkundungssensor gemessen werden. Wiederum wird dabei die Kenntnis der Geometrie des Strahlungsweges genutzt.
• Wenn nun ähnlich wie oben wieder ein Rechenmodell der Atmosphäre verwendet wird, kann wie folgt vorgegangen werden. Wiederum wird dabei die aus den Messwerten der physikalischen Messgröße(n) der Fotovoltaikmodule und optional der Umweltmessgrößen bestimmte wirksame spektrale Bestrahlungsstärke verwendet sowie die Kenntnis über die Geometrie des Strahlungsweges. Nun wird unter Verwendung des Rechenmodells die Strahlung von der Sonne bis zu der Fotovoltaikanlage simuliert. Dabei werden insbesondere möglichst wenige, aber wichtige Parameter (wie z. B. die meteorologische Sichtweite) variiert, bis die modellierte (vom Modell berechnete) Bestrahlungsstärke mit der aus den Messungen an der Fotovoltaikanlage und optional seiner Umwelt bestimmten Bestrahlungsstärke insbesondere so gut wie möglich übereinstimmt. Wiederum werden auf diese Weise Informationen über die Transmission und Streuung der Strahlung auf dem Weg durch die Atmosphäre bis zum Fernerkundungssensor gewonnen. Außerdem wird die Strahlungsflussdichte am Fernerkundungssensor erhalten, die mit der von dem Sensor gemessenen Strahlungsflussdichte verglichen werden kann. Wie oben erwähnt kann dadurch das Atmosphäremodell verbessert werden und/oder eine Kalibrierung des Sensors durchgeführt werden.
• Insbesondere kann bei beiden zuvor genannten Vorgehensweisen (mit und ohne Rechenmodell der Atmosphäre) auf Messdaten von satellitengestützten Sensoren zurückgegriffen werden, die die Sonne direkt von einem Ort außerhalb der Atmosphäre beobachten. Daraus lässt sich die von der Sonne abgestrahlte Strahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge genau messen und/oder bestimmen.
• Im Gegensatz zu bekannten Verfahren der In-Situ-Kalibrierung von Fernerkundungssensoren, die lediglich annähernd homogene Gebiete auf der Planetenoberfläche wie Wüsten und Salzseen beobachten, können beim Betrieb von Fotovoltaikanlagen kleinere Bereiche der Anlage wie z. B. alle einzelnen Fotovoltaikmodule oder Gruppen von Fotovoltaikmodulen (z. B. vier oder acht oder bis zu zwanzig oder vierundzwanzig Fotovoltaikmodule) durch die Messung der physikalischen Messgrößen (wie oben beschrieben) vermessen werden und optional auch jeweils für diese kleineren Bereiche die Umweltmessgrößen gemessen werden (insbesondere Temperatur und Globalstrahlung). Im Ergebnis kann die von einer Fotovoltaikanlage in Richtung des Fernerkundungssensors reflektierte Strahlung abhängig von dem Teilbereich der Fotovoltaikanlage, von dem die Strahlung reflektiert wird, sehr viel genauer bestimmt werden, als dies bei natürlich vorkommenden annähernd homogenen Objekten der Beobachtung der Fall ist. Kurz zusammengefasst lässt sich die von einer Fotovoltaikanlage in Richtung des Fernerkundungssensors reflektierte Strahlung ortsaufgelöst abhängig vom Ort der Reflexion bestimmen.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
• 1 schematisch eine an der Planetenoberfläche angeordnete Fotovoltaikanlage mit einer Mehrzahl von Fotovoltaikmodulen, wobei die von der Sonne auf die Fotovoltaikanlage eingestrahlte Strahlung spiegelnd in Richtung eines Fernerkundungssensors reflektiert wird,
• 2 eine Darstellung ähnlich der in 1, wobei jedoch die von der Sonne auf die Fotovoltaikanlage eingestrahlte Strahlung diffus in Richtung des Fernerkundungssensors reflektiert wird,
• 3 ein Diagramm, das den Reflexionsgrad von Fotovoltaikmodulen in Abhängigkeit vom Winkel darstellt, um den geneigt gegen die Oberflächennormale Strahlung reflektiert wird,
• 4 schematisch ein Flussdiagramm zur Darstellung einzelner Verfahrensschritte,
• 5 schematisch den Verlauf von solarer Strahlung, die in der Atmosphäre und am Boden eines Planeten in Richtung eines sich außerhalb der Atmosphäre des Planeten befindenden Fernerkundungssensors reflektiert wird, und
• 6 die Wellenlängenabhängigkeit von solarer Strahlung, die an der Erdoberfläche bei dem Atmosphärenzustand AM 1,5 (sogenannte Air Mass 1,5) auftrifft sowie die Wellenlängenabhängigkeit des von Photovoltaikmodulen nutzbaren Spektralanteils.
• Die in 1 dargestellte Anordnung weist eine Fotovoltaikanlage 1 mit einer Mehrzahl von Fotovoltaikmodulen 3 auf einer Planetenoberfläche 2 auf. Die außerhalb der Atmosphäre des Planeten stehende Sonne 5 strahlt unter einem Winkel α gegen die Normale N auf die Oberfläche der Module 3 Strahlung ein. Die Strahlung durchläuft die zwischen der Sonne 5 und der Anlage 1 befindliche Atmosphäre, trifft auf die Oberfläche der Module 3 auf und wird teilweise in Richtung eines Fernerkundungssensors 7 reflektiert. Die reflektierte Strahlung durchläuft wiederum entweder die gesamte Atmosphäre, wenn der Sensor 7 außerhalb der Atmosphäre positioniert ist, oder einen Teil der Atmosphäre, z. B. wenn der Sensor an einem Flugzeug montiert ist. In dem in 1 dargestellten Fall wird die von der Sonne 5 auf die Anlage 1 eingestrahlte Strahlung spiegelnd reflektiert, sodass der Winkel α, um den geneigt gegen die Normale N die Strahlung von der Sonne 5 auf die Module 3 auftrifft, gleich groß ist wie der der Winkel α', um den die reflektierte Strahlung gegen die Normale N geneigt Richtung Fernerkundungssensor 7 verläuft.
• In dem in 2 dargestellten Fall ist diese Reflexion diffus, d. h. Strahlung wird nicht lediglich wie bei der spiegelnden Reflexion in eine Richtung reflektiert. Der Sensor 7 empfängt daher aufgrund der diffusen Reflexion reflektierte Strahlung auch dann, wenn er aus Sicht der Anlage 1 in einer der gleichen oder ungefähr gleichen Richtung (z. B. innerhalb eines Winkelbereichs in Bezug auf die Richtung der Sonne von +–3 Grad) wie die Sonne 5 positioniert ist.
• In der Praxis ist außerdem noch zu berücksichtigen, dass ein wesentlicher Teil der auf die Anlage 1 eingestrahlten solaren Strahlung vor dem Auftreffen auf die Module der Anlage von der Atmosphäre gestreut wurde. Auch diese sogenannte diffuse Strahlung kann von den Modulen 3 in Richtung des Fernerkundungssensors 7 reflektiert werden. Die Kalibrierung von Fernerkundungssensoren wird jedoch vorzugsweise dann durchgeführt, wenn der Anteil der diffusen Einstrahlung auf die Anlage 1 klein ist. Dies ist immer dann der Fall, wenn die Atmosphäre in dem durchstrahlten Bereich wolkenlos ist und kein Dunst vorhanden ist.
• 3 zeigt das Verhalten des Reflexionsgrades eines Fotovoltaikmoduls in Abhängigkeit vom Winkel, um den gegen die Oberflächennormale geneigt Strahlung auf die Moduloberfläche auftrifft. Aufgetragen ist daher der Reflexionsgrad ρ (vertikale Achse) über den Einfallswinkel α gegen die Oberflächennormale. Bei dem Einfallswinkel 0 hat der Reflexionsgrad ρ sein Maximum. Er verhält sich symmetrisch zu der Oberflächennormale, d. h. zu dem Einfallswinkel 0. Dagegen ist die Empfindlichkeit des Sensors lediglich oberhalb eines Mindest-Empfindlichkeitswertes für den Empfang und die Detektion von Strahlung gegeben. Dies ist durch eine waagerechte gestrichelte Linie in 3 dargestellt. Dabei bezieht sich die waagerechte Linie auf eine bestimmte Strahlungsflussdichte der auf die Moduloberfläche auftreffenden Strahlung. Bei einer anderen Strahlungsflussdichte verschiebt sich die Lage der waagerechten entlang der vertikalen Achse.
• Wie bereits erwähnt, sind die Darstellungen in 1 und 2 rein schematisch zu verstehen. Insbesondere schatten sich die einzelnen Fotovoltaikmodule in der Praxis nicht wie dargestellt gegenseitig ab. Auch sind die Weglängen der Strahlungswege nicht maßstäblich dargestellt.
• 4 zeigt ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Verfahrensablaufs bei der Vorbereitung einer Kalibrierung eines Fernerkennungssensors. Im Schritt S1 wird die elektrische Leistung gemessen, die ein Fotovoltaikmodul oder eine Gruppe von Fotovoltaikmodulen einer Fotovoltaikanlage erzeugt/erzeugen.
• Im folgenden Schritt S2 wird aus der gemessenen elektrischen Leistung unter Berücksichtigung der optischen Eigenschaften des Moduls oder der Module (insbesondere des Transmissionsgrades einer transparenten Abdeckung) und des elektrischen Wirkungsgrades des Moduls oder der Module, die auf die Oberfläche des Moduls oder der Module auftreffende Strahlungsflussdichte berechnet. Welche optischen Eigenschaften zusätzlich zu dem elektrischen Wirkungsgrad berücksichtigt werden, hängt von der Definition des elektrischen Wirkungsgrades ab. Z. B. ist es möglich, dass der elektrische Wirkungsgrad bereits die Verluste durch Absorption von Strahlung und Reflexion von Strahlung an der transparenten Abdeckung mit einbezieht. In diesem Fall müssen diese optischen Eigenschaften des Moduls nicht mehr separat berücksichtigt werden. Letztendlich sind sie aber durch den elektrischen Wirkungsgrad berücksichtigt. Insgesamt wird durch die Kenntnis der optischen und elektrischen Eigenschaften des Moduls die Abhängigkeit der erzeugten elektrischen Leistung auch vom Einfallswinkel der Strahlung und der Wellenlänge der Strahlung berücksichtigt. Alternativ wird die Abhängigkeit von der Wellenlänge nicht betrachtet, insbesondere wenn davon ausgegangen werden kann, dass die auf das Fotovoltaikmodul auftreffende Strahlung in allen betrachteten Fällen die gleiche spektrale Verteilung besitzt.
• Im folgenden Schritt S3 wird aus der berechneten einfallenden Strahlung die von dem Modul oder den Modulen reflektierte Strahlung berechnet.
• Im darauf folgenden Schritt S4 wird aus der berechneten reflektierten Strahlung unter Berücksichtigung der Geometrie des Strahlungsweges und optional unter Berücksichtigung von Informationen über den Zustand der Atmosphäre berechnet, mit welcher Strahlungsflussdichte und aus welcher Einfallsrichtung Strahlung auf einen Fernerkundungssensor auftrifft.
• Im folgenden Schritt S5 wird die berechnete auf den Fernerkundungssensor auftreffende Strahlung mit der sich aus den Sensorsignalen des Sensors ergebenden gemessenen Strahlung verglichen.
• In einem optionalen folgenden Schritt S6 werden Parameter des Sensors, die bei der Berechnung der gemessenen Strahlung aus den Sensorsignalen verwendet werden, korrigiert oder eingestellt, sodass die berechnete, auf den Sensor auftreffende Strahlung mit der gemessenen Strahlung übereinstimmt.
• Wenn in Schritt S4 der Zustand der Atmosphäre mit berücksichtigt wird, wird vorzugsweise in Schritt S2 nicht nur die auf das Modul oder die Module auftreffende Strahlung berechnet, sondern auch Information über den momentanen Zustand der Atmosphäre des Planeten ermittelt. Dabei kann insbesondere ein Rechenmodell der Atmosphäre verwendet werden.
• Die von der rechts oben in 5 dargestellten Sonne ausgehende und auf die durch ein Kreissegment dargestellte Grenze der Atmosphäre des Planeten auftreffende solare Strahlung hat die Strahlungsflussdichte E₀. In ihrem weiteren Verlauf wird diese solare Strahlung auf unterschiedlichen Wegen in Richtung des sich ebenfalls außerhalb der Planetenatmosphäre befindenden Fernerkundungssensors DN reflektiert. Die innerhalb der Atmosphäre vorhandenen Gase und Partikel sind durch drei aus Schlangenlinien zusammengesetzten unterbrochenen Linien dargestellt, die in horizontaler Richtung der 5 verlaufen. Durch einen abgewinkelten Pfeil mit der Strahlungsflussdichte L₁ wird der innerhalb der Atmosphäre reflektierte und den Fernerkennungssensor DN erreichende Teil der solaren Strahlung dargestellt. Durch einen abgewinkelten Pfeil mit der Strahlungsflussdichte L₂ an der Pfeilspitze wird die von einem Objekt an der Planetenoberfläche in Richtung des Fernerkundungssensors DN reflektierte solare Strahlung dargestellt. Ferner ist durch einen weiteren abgewinkelten Pfeil mit der Strahlungsflussdichte L₃ in Richtung des Fernerkundungssensors von der Umgebung des Objekts reflektierte solare Strahlung dargestellt. Das Objekt selbst ist durch ein Rechteck und die Planetenoberfläche ist durch eine horizontale Linie unten in 5 dargestellt. Insgesamt erreicht den Fernerkundungssensor DN reflektierte solare Strahlung mit der Strahlungsflussdichte L_tot, die gleich der Summe der drei reflektierten Strahlungsflussdichten L₁, L₂, L₃ ist.
• Ferner gilt: L₂ = τρE_SP/π wobei τ der Transmissionsgrad der Atmosphäre ist, der u. a. von dem Typ des Aerosols in der Atmosphäre, von der optischen Dicke des Aerosols und vom Wasserdampfgehalt der Atmosphäre abhängt. Auch die durch Reflexion innerhalb der Atmosphäre in Richtung des Fernerkundungssensors DN reflektierte solare Strahlung mit der Strahlungsflussdichte L₁ hängt von diesen Einflussfaktoren ab. Ferner bezeichnen in der vorangegangenen Gleichung ρ den Reflexionsgrad des Objekts an der Planetenoberfläche, E_SP die Strahlungsflussdichte der auf das Objekt an der Planetenoberfläche einfallenden solaren Strahlung, einschließlich der nicht direkt von der Sonne, sondern diffus auf das Objekt auftreffenden Strahlung, und π die Kreiszahl Pi.
• Ziel einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens und auch Ziel bekannter Verfahren ist die Überprüfung der Kalibrationskoeffizienten c0 (Offset-Koeffizient) und c1 (Verstärkungsfaktor oder englisch: gain). Es gilt: L_tot = c0 + c1*MS
• Demnach lässt sich aus dem Messsignal MS des Fernerkundungssensors DN durch Multiplikation mit dem Verstärkungsfaktor c1 und anschließende Addition des Offset c0 die Gesamt-Strahlungsflussdichte L_tot berechnen, mit der die reflektierte solare Strahlung auf den Fernerkundungssensor auftrifft.
• Außerdem soll bei Hinweisen auf nicht korrekte Kalibrationskoeffizienten eine Anpassung dieser Koeffizienten stattfinden.
• Wenn es sich um ein im Verhältnis zur örtlichen Auflösung des Fernerkundungssensors großflächiges Objekt an der Planetenoberfläche handelt, kann der von der Umgebung des Objekts reflektierte Beitrag auf Null gesetzt werden, d. h. auch L₃ ist gleich Null. Ferner kann der Reflexionsgrad ρ des Objekts durch eine separate Messung am Objekt festgestellt werden. Ferner kann der Transmissionsgrad τ der Atmosphäre als Summenparameter aus den Bilddaten des Fernerkundungssensors abgeschätzt werden. Die auf das Objekt auftreffende Strahlungsflussdichte E_SP hängt von der Strahlungsflussdichte E₀ außerhalb der Atmosphäre und von den o. g. Einflussfaktoren ab, von denen der Transmissionsgrad der Atmosphäre und die reflektierte Strahlungsflussdichte L₁ ebenfalls abhängen. Die Strahlungsflussdichte E₀ außerhalb der Atmosphäre kann durch Messung festgestellt werden oder ist bekannt. Wenn das Objekt nicht groß gegenüber der örtlichen Auflösung des Fernerkundungssensors ist und daher die Strahlungsflussdichte L₃ nicht auf Null gesetzt werden kann, lässt sich in für sich genommen bekannter Weise die durch Reflexion innerhalb der Atmosphäre auf den Fernerkundungssensor reflektierte solare Strahlung aus den von dem Fernerkundungssensor gelieferten Bilddaten abschätzen. Das gleiche gilt für die anderen beiden Beiträge zur Gesamtstrahlungsflussdichte L_tot, nämlich für L₁ und L₂. Setzt man die beiden zuvor genannten Gleichungen ineinander ein und berücksichtigt, dass sich die Gesamtstrahlungsflussdichte L_tot aus der Summe der drei genannten Strahlungsflussdichten L₁, L₂, L₃ ergibt, führt dies zu der folgenden Gleichung: c0 + c1*DN = L₁ + L₃ + (τρE_g/π)
• Aus dieser Gleichung und den oben genannten Einflussfaktoren des Atmosphärenzustandes folgt, dass zur Bestimmung der Kalibrationskoeffizienten c0 und c1 die entsprechenden Informationen über den Atmosphärenzustand erforderlich sind. Es sind entsprechende Modelle zur Atmosphärenkorrektur bekannt, mit denen die von der Atmosphäre in Richtung des Fernerkundungssensors reflektierte Strahlungsflussdichte L₁ sowie der Transmissionsgrad τ der Atmosphäre abschätzbar sind, sodass sich bei bekanntem Reflektionsgrad der Verstärkungsfaktor c1 berechnet werden kann: c1 = (L₁ + τρE0/π)/MS
• Wenn die Ergebnisse von zwei verschiedenen Messungen A, B vorliegen, können sowohl der Verstärkungsfaktor c1 als auch der Offset c0 ermittelt werden: c1 = (L_tot,A – L_tot,B)/(MS_A – MS_B) und c0 = L_tot,A – c1*MS_A
• Die Güte der Ermittlung hängt wesentlich von der Güte der Bestimmung der atmosphärischen Einflussfaktoren ab, da alle Parameter sowohl von der Wellenlänge der solaren Strahlung als auch von der Geometrie der Anordnung von Sonne, Objekt an der Planetenoberfläche und Fernerkundungssensor abhängen.
• Gemäß der Erfindung wird als Objekt an der Planetenoberfläche das Kalibrierungsfeld mit einer Mehrzahl von Photovoltaikmodulen verwendet. Auf diese Weise steht mit der physikalischen Messgröße der Photovoltaikmodule (insbesondere der von den Photovoltaikmodulen erzeugten elektrischen Leistung, z. B. der elektrischen Leistung pro Flächeneinheit) ein zusätzlicher Messwert zur Verfügung. Es ist auch möglich, von mehreren physikalischen Messgrößen der Photovoltaikmodule zusätzliche Messwerte zu verwenden.
• Die physikalischen Messgröße der Photovoltaikmodule sind insbesondere wie die oben genannten Kalibrationskoeffizienten in dem Ausführungsbeispiel von denselben Einflussfaktoren des Atmosphärenzustandes abhängig. Dies kann dazu genutzt werden, zu einer deutlich genaueren Abschätzung dieser Einflussgrößen zu kommen.
• Insbesondere kann eine Leistungsbilanz der Differenz aus der solaren Strahlungsflussdichte, mit der Strahlung auf die Planetenatmosphäre auftrifft, und der erzeugten elektrischen Leistung der Photovoltaikmodule aufgestellt werden. Dies stellt eine Erweiterung des bekannten Verfahrens dar und bietet die genannten Möglichkeiten zur Steigerung der Genauigkeit insbesondere des Atmosphärenmodells.
• Auch wenn die gemessene elektrische Leistung der Photovoltaikmodule nicht in Abhängigkeit der Wellenlänge der solaren Strahlung vorliegt, lässt diese über den Wellenlängenbereich, für den die Photovoltaikmodule bei der Absorption solarer Strahlung empfindlich sind, dennoch Rückschlüsse auf die wellenlängenabhängigen Absorptions- und Reflexionsprozesse in der Atmosphäre zu, wie im Folgenden erläutert wird.
• Wie 6 zeigt, können Photovoltaikmodule lediglich einen Teil der auf sie auftreffenden solaren Strahlung nutzen. Abhängig von dem jeweiligen Typ der Photovoltaikmodule reicht die Energie der Photonen ab einer Grenzwellenlänge, die in 6 durch ”Bandlücke Si” bei einer Temperatur von 300 K bezeichnet ist, nicht mehr aus, elektrische Leistung zu erzeugen.
• Es gilt somit allgemein, unabhängig von der konkreten Darstellung in 6 für die von den Photovoltaikmodulen erzeugte elektrische Leistung P_solar: P_solar = A*E_SP*η wobei A die Fläche der Photovoltaikmodule ist, die z. B. aus den Herstellerangaben bekannt ist und auf die die solare Strahlung auftrifft, und wobei η der elektrische Wirkungsgrad der Photovoltaikmodule ist.
• Ferner ist die auf die Photovoltaikmodule auftreffende solare Strahlungsflussdichte E_SP abhängig von der solaren Strahlungsflussdichte, mit der solare Strahlung auf die Atmosphäre auftrifft, und abhängig von dem Transmissionsgrad der Atmosphäre, der wiederum von den o. g. Einflussfaktoren des Atmosphärenzustandes abhängt. Der Wirkungsgrad η lässt sich aus den Angaben des Herstellers der Photovoltaikmodule ermitteln, z. B. aus den Angaben zu der elektrischen Leistung der Photovoltaikmodule, die unter Normbedingungen erzielt wird.
• Außerdem ist zu beachten, dass die erzeugte elektrische Leistung der Photovoltaikmodule temperaturabhängig ist. Vorzugsweise wird daher die Temperatur der Photovoltaikmodule wie üblich gemessen und gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung berücksichtigt.
• Aus der zuletzt wiedergegebenen Gleichung für die elektrische Leistung P_solar der Photovoltaikmodule folgt, dass diese Leistung proportional zu der auf die Photovoltaikmodule auftreffenden solaren Strahlungsflussdichte E_SP ist (solange der Wirkungsgrad η nicht aufgrund veränderter Bedingungen variiert). Daher ist die gemessene elektrische Leistung P_solar abhängig von der solaren Einstrahlung und somit wiederum von den Einflussgrößen des Atmosphärenzustandes wie Typ des Aerosols, optische Dicke des Aerosols und Wasserdampfgehalt der Atmosphäre. Dies kann nun wie erwähnt zur Charakterisierung der Atmosphäre genutzt werden und der oben wiedergegebene Ansatz des an sich bekannten Verfahrens zur Bestimmung der Kalibrationskoeffizienten c0 und c1 kann daher verbessert werden, d. h. die Koeffizienten können genauer bestimmt werden.
• Dies stellt einen wesentlichen Vorteil des zuvor beschriebenen Verfahrens dar.

Claims (7)

1. Verfahren zur Kalibrierung eines Fernerkundungssensors (7) zur Fernerkundung einer Planetenoberfläche (2), wobei der Fernerkundungssensor (7) während einer Fernerkundung eines Kalibrierungsfeldes (1) an der Planetenoberfläche (2) Sensordaten für die Kalibrierung erzeugt, wobei • das Kalibrierungsfeld (1) eine Mehrzahl von Fotovoltaikmodulen (3) aufweist, die während ihres Betriebes einfallende elektromagnetische Strahlungsenergie in elektrische Energie umwandeln, • während des Betriebes der Fotovoltaikmodule (3) Messwerte zumindest einer physikalischen Messgröße der Fotovoltaikmodule (3) gemessen werden, • unter Verwendung der Messwerte der physikalischen Messgröße(n) der Fotovoltaikmodule (3), von der Mehrzahl von Fotovoltaikmodulen (3) in Richtung des Fernerkundungssensors (7) emittierte und/oder reflektierte elektromagnetische Strahlung berechnet wird, • bei der Auswertung der von dem Fernerkundungssensor (7) erzeugten Sensordaten zum Zwecke der Kalibrierung des Fernerkundungssensors (7) die berechnete elektromagnetische Strahlung berücksichtigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei von den Fotovoltaikmodulen (3) erzeugte elektrische Energie und/oder elektrischen Leistung gemessen wird und daraus Information über die Größe von elektromagnetischer Strahlungsenergie und/oder Strahlungsleistung derjenigen Strahlung gewonnen wird, die auf die Fotovoltaikmodule (3) auftrifft und von den Fotovoltaikmodulen (3) reflektiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei aus der gemessenen elektrischen Energie und/oder elektrischen Leistung Information über die Streuung und/oder Absorption derjenigen Strahlung gewonnen wird, die von den Fotovoltaikmodulen (3) in Richtung des Fernerkundungssensors (7) reflektiert und/oder emittiert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, wobei eine Temperatur der Fotovoltaikmodule (3) gemessen wird und aus der gemessenen Temperatur unter Berücksichtigung von optischen Eigenschaften der Fotovoltaikmodule (3) Information über die Streuung und/oder Absorption derjenigen Strahlung gewonnen wird, die von den Fotovoltaikmodulen (3) in Richtung des Fernerkundungssensors (7) reflektiert und/oder emittiert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, wobei unter Verwendung des Fernerkundungssensors (7) bei verschiedenen Blickrichtungen durch den Fernerkundungssensor (7) die von den Fotovoltaikmodulen (3) reflektierte Strahlungsflussdichte gemessen wird und die Richtung mit der maximalen reflektierten Strahlungsflussdichte als die Richtung senkrecht zur Oberfläche der Fotovoltaikmodule (3) bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei unter Verwendung der Richtung senkrecht zur Oberfläche der Fotovoltaikmodule (3) und weiterer Information über den Sonnenstand und die Position des Fernerkundungssensor (7) eine Geometrie des Strahlungsweges der Strahlung von der Sonne durch die Planetenatmosphäre zu den Fotovoltaikmodulen (3) und der reflektierten Strahlung von den Fotovoltaikmodulen (3) durch die Planetenatmosphäre zu dem Fernerkundungssensor (7) berechnet wird.
7. Anordnung zur Kalibrierung eines Fernerkundungssensors (7) zur Fernerkundung einer Planetenoberfläche (2), mit einem an der Planetenoberfläche (2) angeordneten oder anordenbaren Kalibrierungsfeld, wobei • das Kalibrierungsfeld eine Mehrzahl von Fotovoltaikmodulen (3) aufweist, die während ihres Betriebes einfallende elektromagnetische Strahlungsenergie in elektrische Energie umwandeln, • zumindest eine Messeinrichtung mit dem Kalibrierungsfeld kombiniert ist, wobei die Messeinrichtung ausgestaltet ist, während des Betriebes der Fotovoltaikmodule (3) Messwerte zumindest einer physikalischen Messgröße der Fotovoltaikmodule (3) zu messen, • eine Berechnungseinrichtung vorgesehen ist, die ausgestaltet ist, unter Verwendung der Messwerte der physikalischen Messgröße(n) der Fotovoltaikmodule, von der Mehrzahl von Fotovoltaikmodulen (3) in Richtung des Fernerkundungssensors (7) emittierte und/oder reflektierte elektromagnetische Strahlung zu berechnen, • eine Auswertungseinrichtung vorgesehen ist, die ausgestaltet ist, bei der Auswertung der von dem Fernerkundungssensor (7) erzeugten Sensordaten zum Zwecke der Kalibrierung des Fernerkundungssensors (7) die berechnete elektromagnetische Strahlung zu berücksichtigen.

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