DE3102879C2

DE3102879C2 - Verfahren und Einrichtung zur Ermittlung des Atmosphäreneinflusses auf radiometrische Fernmessungen

Info

Publication number: DE3102879C2
Application number: DE3102879A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr. 8126 Hohenpeißenberg Lorenz
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt Fuer Luft und Raumfahrt EV 5000 Koeln; Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1981-01-29
Filing date: 1981-01-29
Publication date: 1983-07-21
Also published as: DE3102879A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Atmosphäreneinflusses auf radiometrische Fernmessungen von Gegenständen bzw. Hilfsgrößen hierzu. Bei diesem Verfahren wird die von einem Ausschnitt dieses Gegenstands ausgehende Strahlung kontinuierlich über einen bestimmten Winkelbereich gemessen. Die sich ergebenden kontinuierlichen Meßwerte können zu einer Extrapolation auf den Atmosphäreneinfluß 0 benutzt werden. Ferner kann die kontinuierliche Messung während eines Überflugs erfolgen. Die Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens enthält ein Radiometer, mit dem die Messung des Ausschnitts des Gegenstands kontinuierlich über einen bestimmten Winkelbereich durchführbar ist. Die Gewinnung der für das Verfahren notwendigen Meßwerte kann mit der Kalibrierung eines Abtasters während des Betriebs kombiniert werden.

Description

Die Erfindung betrifft sin Verfahren und eine Einrichtung zur Ermittlung des Atmosphäreneinflusses auf radiometrische Fernmessung von Gegenständen bzw. Hilfsgrößen hierzu, um eine Korrektur des von der Atmosphäre verursachten Einflusses auf die Messungen zu ermöglichen.

Bei der Auswertung von Messungen, die beispielsweise im thermalen infrarotbereich mit Zeilenabtastern von der Erdoberfläche und/oder der über ihr liegenden Wolken von Luft· und Raumfahrzeugen aus gewonnen werden, kommt es vielfach nicht auf die im Flugniveau zu erfassenden Strahlungsströme an, sondern auf die von den Gegenständen tatsächlich remittierten oder emittiertet) Strahlungsströme. Dies hat zur Folge, daß die Auswirkungen von Absorption, Emission und Streuung in der Atmosphäre zwischen Gegenstand und Meßgeräteträger durch eine Korrektur eliminiert werden müssen.

Solche Korrekturen werden heute bereits routinemä' Big durch Berechnungen ermittelt. Eine der Anwendungen solcher Korrekturen liegt bei der Bestimmung der Wasseroberflächentemperatur aus Strahlungsmessungen im thermalen Infrarot z. B. von einem Wettersatelliten aus. Die Eingangsdaten für diese Korrekturberechnungen müssen allerdings meist von externen Systemen wie Radiosonden ermittelt werden.

Bei Wasseroberflächen hängen diese Korrekturen vor allem von der Lufttemperatur-, Aerosol- und der Wasserdampfverteilung in der Atmosphäre, von der Weglänge des Meßstrahls in der Atmosphäre und von dem Winkel ab, unter dem die Strahlung emittiert wird. Es ist bereits ein Verfahren zur Ermittlung der Korrektur bei radiometrischen Oberflächentemperaturmessungen bekannt, bei dem man ohne externe Daten auskommt (J. Geophys. Res. 72, 4109—4117 (1967)). Dabei werden Messungen unter bestimmten Nadirwinkeln (0° und nahe 60°) ausgeführt, bei denen sich die

ίο Korrekturen um den Faktor 2 unterscheiden, so daß die Differenz zwischen den Messungen unter diesen beiden Nadirwinkeln die Korrektur für die Nadirmessung ergibt Dies setzt allerdings voraus, daß sich entsprechende Messungen auf ein und dasselbe Wasseroberflächenelement beziehen.

Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens ist, daß der Nadirwinkel, unter dem der Faktor 2 für die Korrektur erreicht wird, nicht konstant ist Da es sich bei dem Atmosphäreneinfluß auf die Strahlung um Absorption und Emission in der Atmosphäre handelt, bewirkt die Verdoppelung der optischen Weglänge nicht ohne weiteres eine Verdoppelung der Fehlereinflüsse. Somit ist im Einzelfall nur eine angenäherte Bestimmung der Korrektur mit diesem Verfahren möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Korrektur von Strahlungsmessungen zu entwickeln, sowie eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, die eine möglichst einfache und sichere Gewinnung der dazu notwendigen Meßwerte gewährleistet Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung und eine Einrichtung zur Durchführung des

Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Während bei dem erwähnten bekannten Verfahren zwei Messungen unter bestimmten Nadirwinkeln ausgeführt werden, erfolgt bei dein Verfahren gemäß der Erfindung eine kontinuierliche Messung der von einem Ausschnitt des Gegenstands (z. B. Wasseroberfläche) ausgehenden Strahlung für einen bestimmten Winkelbereich. Auf diese Weise ergibt sich eine Meßkurve, die kontinuierlich die Abhängigkeit des Meßwerts von der Weglänge des Meßstrahls in der Atmosphäre und der Winkelabhängigkeit der emittierten Strahlung zeigt Wird diese Meßkurve, die für den Nadirwinkel 0° den Einfluß der Atmosphäre bei der Luftmasse 1 zeigt, mit mathematischen Verfahren, z. B. einer Polynomentwicklung oder einer Spline-Kurve auf den Wert der Luftmasse 0 extrapoliert, so ergibt sich damit die von der Wasseroberfläche emittierte Strahlung ohne die Einflüsse atmosphärischer Absorption und Emission und Streuung.
Ein wesentlicher mit der Erfindung erzielbarer

Vorteil ist, daß die Gewinnung der für das Verfahren

notwendigen Meßwerte mit der Kalibrierung eines

Abtasters während des Betriebs kombiniert werden

kann.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens,

F i g. 2 eine schematische perspektivische Darstellung eines Anwendungsbeispiels,

Fig.3 eine Schemazeichnung zur Erläuterung des Verfahrens,

F i g. 4 eine grafische Darstellung zur Bestimmung der Betriebs-Eichkurve,

Fig.5 und 7 schematische Darstellungen von Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens,

F i g, 6,8 und 9 schematische perspektivische Darstellungen von Anwendungsbeispielen und

F i g. 10 eine Aufsicht auf eine von dem Zeilenabtaster und dem zusätzlichen Radiometer erfaßte Fläche eines Gegenstands.

F i g. 1 zeigt eine Radiometeranordnung, die sich für die Durchrdhrung des Verfahrens eignet und die auch für die Kalibrierung eines Abtasters während des Betriebs geeignet ist Vor dem Radiometer R rotiert um eine horizontale, senkrecht zur Flugrichtung angeordnete Achse ein Drehspiegel DS, der bei einem Umlauf nacheinander sowohl einen Bodenstreifen parallel zur Flugrichtung als auch Eichstrahler ESX und ES 2 in das Radiometer R einspiegelt

Die Abfolge des Meßverfahrens geht aus Fig.2 hervor. Hierin sind die Positionen des Geräteträgers mit der Kalibrierungs-Radiometeranordnung KR von F i g. 1 und «inem Zeilenabtaster ZA für die Zeitpunkte fi, i₂ und C₃ durch die Punkte P₁, P₂ und P₃ dargestellt Zur Zeit U wird das Flächenelement Fund P\ unter dem Winkel φ = — gw erfaßt von Pt unter φ = 0 und von P₃ unter φ = +φ,η». d. h. die Fortbewegungsgeschwindigkeit des Geräteträgere und die Drehgeschwindigkeit des Drehspiegels DS sind so aufeinander abgestimmt daß jeweils das gleiche Flächenelement F der Oberfläche des Gegenstands, beispielsweise einer Wasseroberfläche erfaßt wird Damit ergibt sich die verfahrensgemäß geforderte kontinuierliche Messung j₀ über den Winkelbereich —φmn ... 0 ... +φ^_x. Voraussetzung für korrekte Messungen ist daß sich die Atmosphärenparameter im Bereich zwischen P\ und P₃ und im Zeitraum ^... {3 im Rahmen der Meßgenauigkeit nicht ändern. Sind in der Umgebung des Flächenelemems F Änderungen der ausgehenden Strahlungsströme zu erwarten, so kann es zu einer Verfälschung der Messungen kommen, weil sich die Größe des Flächenelements F mit dem Abstand ändert Durch geeignete Maßnahmen, beispielsweise durch kontinuierliche Anderungen der Brennweite der Radiometeroptik oder der Empfängerfläche des Radiometerdetektors läßt sich dies jedoch vermeiden.

Wie bereits erwähnt wurde, ist ein wesentlicher mit der Erfindung erzietbarer Vorteil darin zu sehen, daß die v, Gewinnung der für das beschriebene Verfahren notwendigen Meßwerte mit der Kalibrierung eines Abtasters während des Betriebs kombiniert werden kann. Im folgenden scU deshalb näher erläutert werden, wie mit Hilfe der beschriebenen Einrichtung eine ;<> Kalibrierung des gesamten Abtasters unter Einschluß des optischen Systems möglich ist

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung kann auf den Einbau von Eiciistrahlern in den Abtaster A verzichtet werden, da die Kalibrierung während des Betriebs mit r, einem zusätzlichen, absolut kalibrierten Radiometer (Kalibrierungs-Radiometer) R erfolgt wie dies in F i g. 3 gezeigt ist Das Radiometer R kann z. B. so ausgerichtet werden, daß es den in Fig.3 schraffierten Ausschnitt RFdes von dem Abtaster A abgetasteten Gegenstands- <,ö streifen ST erfaßt. Aus der Messung des absolut kalibrierten Radiometers R ergibt sich für den Gegenstandsausschnitt RF der Strahlungswert S(RF). Der Abtaster 4 liefert für RF den Spannungswert < U (RF). Mit diesem Wertepaar S(RF)ZU(RF) kann, t>', wie Fi g. 4 zeigt, ein Punkt der Betriebs-Eichkurve des Abtasters bestimmt und die Differenz zur Labor-Eichkurve ermittelt werden. Da sich für jede neue Zeile des Abtasters ein neues Wertepaar S(RFyU(RF) ergibt und diese sich in der Regel voneinander unterscheiden, können diese Vergleiche an einer ganzen Anzahl von verschiedenen Stellen der Eichkurve ausgeführt werden.

Das Meßfeld RFdes Kalibrierungs-Radiometers muß nicht notwendigerweise mit dem des Abtasters übereinstimmen. Ist es größer als das des Abtasters, so muß für die Bestimmung von U(RF) über die entsprechende Anzahl der Meßwerte des Abtasters gemittelt werden, die innerhalb von ftFliegen.

Das Kalibrierungsverfahren gemäß der Erfindung entbindet in der Regel nicht von einer Absolut-Kalibrierung des Kalibrierungs-Radiometers während des Betriebs, z. B. mit eingebauten Eichstrahlern, doch ist diese bei dem Kalibrierungs-Radiometer einfacher als bei dem Abtaster durchzuführen. In manchen Fällen ist sie überhaupt nur bei dem Kalibriemngs-Radiometer möglich.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß mit dem zusätzlich.-^, absolut kalibrierten Radiometer eine Unabhängigkeit vcn den technischen Gegebenheiten der Abtaster erzielbar ist, was insbesondere bei Zeilenabtastern praktisch bedeutsam ist Dadurch kann eine absolute Kalibrierung des Abtasters während des Betriebs vorgenommen werden, die auch Einflüsse berücksichtigt die vom optischen System des Abtasters ausgehen, selbst wenn es sich um große optische Systeme handelt

Das zusätzliche Radiometer kann im Vergleich zum Abtaster klein sein, insbesondere wenn die optische Auflösung des Radiometers geringer als die des zu kalibrierenden Systems ist Das Radiometer kann intern während des Betriebs absolut kalibriert werden, wozu sich relativ kleine Eicbstrahler verwenden lassen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das zusätzliche Radiometer fest ausgerichtet sein kann. Durch die Ausrüstung des bzw. der Radiometer mit zusätzlichen Spektralkanälen, die der Zeilenabtaster nicht enthält lassen sich zusätzliche Aufgaben lösen, für die Meßdaten benötigt werden, die keine oder nur eine eingeschränkte flächenmäßige Abtastung oder nur eine geringe flächenmäßige Auflösung erfordern. Dies ist z. B. bei Messungen von Parametern der Strahlungsbilanz der Fall.

Das in F i g. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt ein zusätzliches Radiometer R, das für eine Kalibrierung eines Zeilenabtasters vorgesehen und mit dem Zeilenabtaster so verbunden ist, daß die Lage seines Gesichtsfelds im Vergleich zu der des Zeilenabtasters bekannt ist Vor dem Radiometer R ist eine drehbare Lochscheibe LS angeordnet, durch die das Radiometer wechselweise die Meßstrahlung durch die öffnungen fv.S und die Strahlung der beiden Eichstrahler ES 1 und £52 mißt Mit der Eichstrahlung wird das Radiometer selbst intern absolut kalibriert Diese Meßütrahlung wird mit der Meßstrahlung verglichen, die der Zeilenabtaster vom gleichen Gegenstandsausschnitt aufnimmt. Eine kontinuierliche Bewegung der Lochscheibe bringt insbesondere im Weltraum Vorteile, da sie keine Zusätzbeschleunigungen bewirkt.

Fig.6 zeigt den Abtaststreifen de-. Zeilenabtasters ZA mit einer eingezeichneten Zeile Z und die Eichsptir ESP des Kalibrierungs-Radiometers KR. Die Eichspur ist unterbrochen weil in den Zwischenzeiten das Radiometer die Eichstrahlung für die interne Kalibrierung mißt

Bei dem in F i g. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel in F i g. 5

ein Drehspiegel D5 vorgesehen, der vordem Radiometer R rotiert. Auch dadurch werden wechselweise die Meßstrahlung und die Eichstrahlung von den Eichstrahlern £51 und £52 dem Radiometer zugeführt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Drehspiegel als zweiflächiges 45°-Spiegelprisma ausgebildet. Bei einer einmaligen Umdrehung des Drehspiegels werden die Meßstrahlung und die zwei Eichstrahlungen dem Radiometer je zweimal zugeführt. Je nach Erfordernissen können auch ein-, drei- und mehrflächige Drehspiegel verwendet werden. Mit dieser Ausführungsform kann im Unterschied zu der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform auch eine Abtastung in Streifenform vorgenommen werden, wobei die Zahl der Spiegelflächen des Drehspiegels die Ausdehnung des Abtastbereichs bestimmt. Im Prinzip kann eine Abtastung auch mit der in Fig. 5 dargestellten Einrichtung erfolgen, wenn diese quer zur Flugrichtung hin- und hergeschwenkt werden kann. Wegen der dabei auftretenden Beschleunigungen empfiehlt sich dieses Verfahren jedoch nicht für den Einsatz im Weltraum.

In Fig.8 ist der von dem Zeilenabtaster ZA erfaßte Gegenstandsstreifen dargestellt, mit einer Abtastzeile Z und mit dem in diese Zeile fallenden Abtastbereich des Radiometers, welcher dem nicht schraffierten Teil der Zeile entspricht. Wird der Drehspiegel so ausgelegt, daß mit dem zusätzlichen Radiometer die gesamte Zeilenbreite abgetastet werden kann, so läßt sich auf diese Weise eine an sich bekannte optoelektronische Kamera (Bildmessung und Luftbildwesen 47, 33—40 (1979)) kalibrieren.

Fig. 9 zeigt die Kalibrierung für den Fall eines bekannten Stereo-Zeilenabtasters (DE-OS 28 33 808). Die Achse des in Fig. 7 dargestellten Drehspiegels DS verläuft hier horizontal und senkrecht zur Flugrichtung, so daß die Abtastung des zusätzlichen Radiometers in Flugrichtung erfolgt. Auf diese Weise können sowohl Kalibrierungen für die nach vorn als auch für die nach hinten gerichteten Abtastebenen ZVund ZR vorgenommen werden. Die schraffierten Teile der Abtastspur deuten an, daß bei den entsprechenden Stellungen des Drehspiegels interne Kalibrierungen mit den eingebauten Eichstrahlern möglich sind.

ίο Fig. 10 zeigt einen Ausschnitt aus einer von einem Zeilenabtaster erfaßten Fläche mit den einzelnen vermessenen Flächenelen.enten (als kleine Quadrate dargestellt) und schraffiert die Meßfläche eine zusätzlichen Radiometers mit wesentlich geringerer

π Auflösung. Diese gestattet, ein im Vergleich zu dem eines hoch auflösenden Zeilenabtasters viel kleineres optisches System zu verwenden. Damit reduziert sich auch die Größe der Eichstrahler und dementsprechend der dafür erforderliche Aufwand. Bei der Kalibrierung des Zeilenabtasters mit dem zusätzlichen Radiometer wird dann der Mittelwert aller Meßwerte von den in dem schraffierten Feld liegenden Flächenelenienten genutzt, gegebenenfalls mit entsprechender Wichtung der in den Randbereichen des Radiometers nur teilweise

»5 erfaßten Flächenelemente. Eine genaue Kenntnis der von dem zusätzlichen Radiometer erfaßten Fläche ist erforderlich.

Unterschiedliche Spektralkanäle des Zeilenabtasters können entweder mit mehreren Spektralkanälen in

ίο einem einzigen zusätzlichen Radiometer kalibriert werden, oder mit mehreren zusätzlichen Radiometern, die jeweils einen oder mehrere, jedoch nicht alle Spektralkanäle aufweisen.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Ermittlung des Atmosphäreneinflusses auf radiometrische Fernmessungen von Gegenständen bzw. HilfsgröBen hierzu, dadurch gekennzeichnet, daß die von einem Ausschnitt dieses Gegenstands ausgehende Strahlung kontinuierlich Ober einen bestimmten Winkelbereich gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich ergebenden kontinuierlichen Meßwerte zu einer Extrapolation auf den Atmosphäreneinnuß Null benutzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kontinuierliche Messung während eines Überflugs erfolgt.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Ermittlung des Atmosphäreneinflusses auf radiometrische Feinmessungen von Gegenständen bzw. Hilfsgrößen hierzu nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein derartiges Radiometer (R) vorgesehen ist, daß die Messung des Ausschnitts des Gegenstands kontinuierlich über einen bestimmten Winkelbereich durchführbar ist

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, durch die die Größe des Meßfelds während der Messungen über den gesamten Winkelbereich konstant bleibt

6. Einrichtung m»ch Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rcdiomel.-r ein Kalibrierungs-Radiometer ist.

7. Einrichtung nach Anspruch ö, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Kalibrierungs-Radiometer vorgesehen sind, die mit Eichstrahlern intern absolut kalibrierbar sind.