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    • 专利摘要:
    DieGasanalyse erfolgt durch ein Infrarot-Spektrometer und durch eineInformationen über dieTemperaturen der Flächenanteiledes vom Spektrometer eingesehenen Hintergrundes liefernde Wärmebildkamera.Das vom Spektrometer gesehene Spektrum wird zunächst als über die Messzeitdauer linearzeitabhängiges Spektrumdargestellt, dessen inverse Fourier-Transformation das Spektrometerinterferogrammim Zeitbereich ergibt, das dann in den Frequenzbereich rücktransformiertwird. Die Multiplikation mit der Zeit im Zeitbereich entsprichtim Frequenzbereich der ersten Ableitung des Spektrums dieser Zeitfunktionnach der Frequenz, so dass der Realteil des rücktransformierten Spektrumsden Spektrendurchschnitt währendder Messzeitdauer enthältund der Imaginärteilproportional zur Ableitung der Differenz der zu Messzeitbeginn und-ende auftretenden Spektren ist. Die Spektren zu Messzeitbeginnund -ende werden mit Hilfe des Real- und Imaginärteils des Messergebnissesberechnet, indem der Imaginärteilintegriert wird. Die richtige Lösungwird mittels einer Konstanten ausgewählt, die aus der Differenzder Hintergrundstrahlungsdichte zu Beginn und Ende der Messzeitfür eineim Prinzip beliebig wählbare Wellenzahlgewonnen wird, was wiederum mit Hilfe zweier zu Beginn und Endeder Messzeit aufgenommener Wärmebildererfolgt.Anwendung bei Fern-Gasanalyse mittels IR-Spektroskopie.
    公开号:DE102004001748A1
    申请号:DE200410001748
    申请日:2004-01-12
    公开日:2005-08-18
    发明作者:Hermann Dipl.-Ing. Kick
    申请人:Deutsches Zentrum fur Luft- und Raumfahrt eV；
    IPC主号:G01J3-44
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein Verfahren zum Analysieren von beliebigen,vorzugsweise gasförmigenMedien, wobei durch ein spektral hoch auflösendes Infrarot-Spektrometerin dessen Gesichtsfeld währendeiner Messzeitdauer ermittelte Spektraldaten und durch eine örtlich hochauflösendeund fortlaufend Informationen überdie Temperaturen der verschiedenen Flächenanteile des vom Infrarot-Spektrometereingesehenen Gesichtsfeld-Hintergrundes liefernde Wärmebildkameraermittelte Spektraldaten ausgewertet werden.
    [0002] DasVerfahren nach der Erfindung betrifft insbesondere die Analyse vonGasen mittels Infrarot-Spektroskopie unter speziellen Messbedingungen,wie sie beispielsweise bei luftgestützten Infrarot-Messungen zur Analysevon bei Hochtemperaturereignissen (Brände, Vulkanausbrüche) freiwerdendenGasen auftreten. Dabei interessieren neben der Art der Gase dieGasparameter Druck, Temperatur und Teilchendichte sowie das örtlicheProfil der Gase entlang der Sichtlinie des Spektrometers.
    [0003] DerStrahlungstransfer eines Hintergrund-Strahlungsspektrums I(f,z1) durch die zu analysierenden Gasschichtenhindurch bis zum Messsystem am Ort z2 entlangder Sichtlinie des Spektrometers wird durch die Schwarzschildgleichung
    [0004] Dieinteressierenden Gasparameter sind dann mittels einer Ausgleichsrechnungso zu bestimmen, dass das berechnete Spektrum minimal vom gemessenenSpektrum abweicht. Eine solche Vorgehensweise liegt auch dem Verfahrenzur quantitativen Analyse von Gasvolumina zu Grunde, das in EP 0 959 341 B1 beschriebenist und bei dem ein hochauflösendesSpektrometer zu verwenden ist, das aus technisch unvermeidlichenGründenstets einen endlichen Raumwinkel einsieht, der sich symmetrischzu dessen optischer Achse, also zu dessen Sichtlinie öffnet. Diesesbekannte Verfahren erfordert bestimmte, meist nur hypothetisch herzustellendeMessbedingungen, die insbesondere bei luftgestützten Messungen realer Hochtemperaturereignissenicht vorliegen.
    [0005] Vorallem wird bei diesem bekannten Verfahren davon ausgegangen, dassdie Messungen gegen einen definierten, bekannten und das gesamteGesichtsfeld des Spektrometers ausfüllenden Hintergrund erfolgen,da die Hintergrundstrahlung I(f, z11) entscheidendin die Modellrechnung mit der vorher angegebenen Schwarzschildgleichung(1) eingeht. Diese Hintergrundstrahlung I(f, z1)ist aber nur bekannt, wenn die Messungen gegen die bekannte Atmosphäre odergegen einen das gesamte Gesichtsfeld des Spektrometers ausfüllendenSchwarzen Körper(Black Body) bekannter Temperatur erfolgen.
    [0006] Diesesbekannte und ähnlicheVerfahren sind daher auf Untersuchungen beschränkt, bei denen durch die Artdes Messaufbaus die erwähntenMessbedingungen eingehalten werden können. Hierbei kann es sich z.B.um Messungen an Schornsteinen handeln, bei denen das hoch auflösende Spektrometergegen die Atmosphäregerichtet ist, oder um Messungen an Triebwerken, bei welchen einSchwarzer Körper(Black Body) als Hintergrund dient.
    [0007] Luftgestützte Messungengegen den Erdboden sind demgegenübermit anderen Verhältnissenkonfrontiert.
    [0008] Zumersten setzt sich der vom hochauflösenden Spektrometer-Messsystem eingeseheneHintergrund aus verschiedenen Flächenanteilenunterschiedlicher und im allgemeinen nicht bekannter Temperaturund Emissivitätinhomogen zusammen. Die Hintergrundstrahlung kann daher nicht alsbekannt angenommen werden. 1 und 2 veranschaulichen dieseProblematik. In 1 bewegtsich mit Abstand überdem Boden 1 ein Flugzeug 2, das ein Infrarot-Spektrometerund eine damit kooperierende Wärmebildkameraträgt.Das Spektrometer ist mit seinem Gesichtsfeld 3 zum Boden 1 hingerichtet, genauso wie die Wärmebildkamera, derenAufnahmebildflächedie Abdeckungsflächedes Gesichtsfeldes 3 des Spektrometers überdeckt und deren aufgezeichneteWärmebildpixel 4 in 1 als Bodenraster symbolisiertsind.
    [0009] 2 veranschaulicht in einemBeispiel das Entstehen einer zeitlichen Veränderung des Strahlungsspektrumsdes eingesehenen Hintergrundes auf Grund der Gesichtsfeldverschiebungdurch die Flugbewegung des ein IR-Spektrometer und eine Wärmebildkameratragenden Flugzeuges. Die Flugbewegung ist durch einen Flugbewegungspfeil 5 symbolisiert.Der eingesehene Hintergrund mit dem Strahlungsspektrum I1(f) zu Beginn einer Messung und der eingeseheneHintergrund mit dem Strahlungsspektrum I2(f)zum Ende einer Messung sind durch die beiden Kreise 6 bzw. 7 angedeutet.Die unterschiedlich schraffierten Bodenbereiche 8, 9 und 10 zeigenFlächenanteileunterschiedlicher Temperatur und Emissivität.
    [0010] Zumzweiten wird ein inhomogener Hintergrund im allgemeinen auch unterschiedlichevertikale Profile der darüberliegenden Gasschichten nach sich ziehen, z.B. Flammen, Schwelbrandoder eine verbrannte Fläche.Die verschiedenen im Gesichtsfeld des Spektrometers liegenden vertikalenProfile schlagen sich also im gemessenen Infrarot-Spektrum niederund müssenmit richtiger Wichtung in der Modellrechnung mit der Schwarzschildgleichung(1) berücksichtigtwerden.
    [0011] Zumdritten ändertsich, bedingt durch die Flugbewegung des Spektrometers, der Hintergrundund die eingesehene Szene nicht nur von Messung zu Messung, sondernauch währendder Aufnahme eines Spektrums, also während der Messzeitdauer TM. Dies ist ebenfalls in der Modellrechnungmit der vorher angegebenen Schwarzschildgleichung (1) zuberücksichtigen. 2 verdeutlicht diese Problematik.
    [0012] Aus EP 1 004 861 B1 istbereits ein Verfahren zum Bestimmen von Konzentrations- und Temperaturverteilungenvon Gasen bekannt, bei dem spektral niedrig aufgelöste Bildermittels eines Infrarot-Bildsensors und spektral hochaufgelöste Spektrenmittels eines IR-Spektrometers erfasst werden, dessen Gesichtsfeld vomGesichtsfeld des Bildsensors eingeschlossen und vollständig vonmittels des Bildsensors erfassten Bildpunkten abgedeckt ist.
    [0013] Beidiesem bekannten Verfahren werden gemessene Daten des Bildsensorsund des Spektrometers mittels eines Auswerteverfahrens zusammengeführt undanalysiert. Das hier eingesetzte Auswerteverfahren besteht darin,dass zunächsteine Vor schrift fürdie Bildpunkt-Einteilung und Bildpunkt-Durchnumerierung des überlappendenBereiches von Spektrometer- und Bildsensorgesichtsfeld zusammenmit einer Diskretisierungsvorschrift für das gesuchte Parameterprofilvorgenommen wird. Anschließendwerden die gemessenen Spektren der Bildpunkte des Bildsensors nachihrer spektralen Charakteristik klassifiziert und Bildpunkte einer gleichenKlasse jeweils zu Bildbereichen zusammengefasst.
    [0014] Für jede Klassewird dann unter Annahme eines fürdie jeweilige Klasse angenommenen Parametersatzes zum einen einniedrig aufgelöstesBildspektrum und zum anderen ein hochaufgelöstes Spektrum des Spektrometersmodelliert. Schließlichwerden die Modelle der Spektren der zusammengefassten Bildbereiche unddes Spektrums des Spektrometers im Sinne eines nichtlinearen Least-Squares-Fit-Verfahrensan die entsprechenden gemessenen Spektren unter Berücksichtigungeiner Gewichtungsmatrix simultan bis zur Übereinstimmung angepasst, wobeidann das Ergebnis die Verteilung der Konzentrationen und Temperaturenim untersuchten Medium und die Eigenschaften des Hintergrundes sind.
    [0015] Beidiesem bekannten Verfahren bestehen allerdings Schwierigkeiten beider richtigen Erfassung des Spektrums wegen der sich durch die Flugbewegungdes Spektrometers bedingten Änderungdes Hintergrundes währendder Messzeitdauer.
    [0016] DerErfindung liegt nunmehr die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zurAnalyse von Gasen und vergleichbaren Medien mittels Infrarot-Spektroskopieunter speziellen Messbedingungen zu schaffen, wie sie beispielsweisebei luft- oder satellitengestütztenIR-Messungen zur Analyse der bei Hochtemperaturereignissen freiwerdendenGase auftreten. Bisher bekannte Mess- und Auswerteverfahren sollendurch die Erfindung dahin gehend ergänzt und perfektioniert werden,dass sie ohne allzu großenzusätzlichentechnischen Aufwand auch fürdie Gasanalyse auf Grundlage luft- oder satellitengestützt aufgenommenerMessdaten bei sich währendder Messzeitdauer ändernderHintergrundstrahlung verwendet werden können.
    [0017] Gemäß der Erfindung,die sich auf ein Verfahren der eingangs genannten Art bezieht, wirddiese Aufgabe in vorteilhafter Weise dadurch gelöst, dass das vom Spektrometergesehene Spektrum zunächstals ein überdie Messzeitdauer linear zeitabhängigesSpektrum dargestellt wird, das sich auch als von der momentanenSpiegelverschiebung währendder Messzeitdauer des Spektrometers abhängiges Spektrum darstellen lässt, desseninverse Fourier-Transformation das aufgezeichnete Interferogrammdes Spektrometers im Zeitbereich ergibt, dass das aufgezeichneteInterferogramm in den Frequenzbereich rücktransformiert wird, wobei aufGrund der Fourier-Transformationsgesetze die Multiplikation mitder Zeit im Zeitbereich im Frequenzbereich der ersten Ableitungdes Spektrums dieser Zeitfunktion nach der Frequenz entspricht,so dass in komplexer Schreibweise der Realteil des erhaltenen rücktransformiertenSpektrums den währendder Messzeitdauer auftretenden Durchschnitt der Spektren enthält und derImaginärteilproportional zur Ableitung der Differenz der Spektren ist, die zuBeginn und am Ende der Messzeitdauer auftreten, und dass die reellenSpektren zu Beginn und am Ende der Messzeitdauer mit Hilfe des Real-und des Imaginärteilsdes Messergebnisses berechnet werden, wobei der Imaginärteil integriertwird, was unendlich viele möglicheLösungenergibt, aus denen die richtige mittels einer zusätzlichen Information ausgewählt wird,die in Gestalt einer Konstanten aus dem Wärmebild der Wärmebildkameradurch Differenzbildung des Wärmebildesam Anfang und des Wärmebildesam Ende der Messzeitdauer bei einem Frequenzwert gewonnen wird.
    [0018] Wiebereits erwähntworden ist, erfordert die Messung von IR-Spektren mittels einesFourier-Spektrometers, insbesondere wenn eine hohe spektrale Auflösung erreichtwerden soll, eine Messzeitdauer TM, die typischerweise0,2 bis 1 Sekunde beträgt.Für eineErzielung guter Ergebnisse sollte sich das zu messende Spektrumnicht währenddieser Messzeitdauer ändern.Dies ist jedoch eine Bedingung, die nicht immer gewährleistetwerden kann. Sollen beispielsweise Spektren von einem Flugzeug oderSatelliten aus mit einem abwärtsauf Brändeoder Vulkanschwaden schauenden Fourier-Spektrometer gemessen werden,so ist es unvermeidlich, dass sich das Spektrum im Spektrometer-Gesichtsfeldwährendder Messzeitdauer TM wegen der Geschwindigkeitdes Flugzeugs bzw. Satelliten verändert.
    [0019] ImVorfeld der Erfindung ist deswegen die Auswirkung einer Spektrumsveränderungwährendder Messzeitdauer auf die Messung analytisch geprüft worden.Die dabei erhaltenen Ergebnisse werden nachfolgend dargelegt undzur Lösungder der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgabe in der Fourier-Spektroskopie angewendet.
    [0020] Beider Fourier-Spektroskopie sind Spektren gewöhnlich als eine Strahlungsdichteangegeben, die von der Wellenzahl σ abhängig ist, welche der Kehrwertder Wellenlänge λ ist. Eswird angenommen, dass das Spektrum im Spektrometer-Gesichtsfeldzu Beginn der Messung L1(σ) ist undsich auf L2(σ) am Ende der Messung verändert. Eswird auch angenommen, dass die gesamte Messzeitdauer TM istund dass die Veränderung vonL1(σ)auf L2(σ)zeitlich näherungsweiselinear ist. Das vom Spektrometer gesehene Spektrum kann dann alsein von der Zeit t abhängigesSpektrum dargestellt werden:
    [0021] Dasdurch das Fourier-Interferometer aufgezeichnete Interferogramm istgewöhnlichnicht als eine Funktion der Zeit t angegeben, sondern als eine Funktionder Spiegelverschiebung s, die von
    [0022] Dasvom Spektrometer aufgezeichnete Interferogramm i(s) ist genau dieinverse Fourier-Transformation von Gleichung (3). Dabei ist festzuhalten,dass der Faktor
    [0023] Dieswird in den Frequenzbereich in Anbetracht der Tatsache rücktransformiert,dass gemäß grundsätzlicherFourier-Transformationsgesetze die Multiplikation mit t bzw. s imZeitbereich zur ersten Ableitung der Fourier-Transformation im Frequenzbereichführt.Somit ergibt sich:
    [0024] Demzufolgeist das zeitabhängigeSpektrum als ein "resultierendesSpektrum" geschriebenworden, das nicht mehr von der Zeit abhängig ist. Anders ausgedrückt, einSpektrometer, das ein sich währendder Messung von L1 auf L2 änderndesSpektrum misst, liefert das gleiche Ergebnis, als würde es einstabiles Spektrum gemäß Gleichung(5) messen.
    [0025] Esist nun leicht zu interpretieren, was das Spektrometer "gesehen" hat.
    [0026] DerRealteil des erhaltenen Spektrums ist gerade der Durchschnitt derbeiden Spektren, die am Beginn und am Ende der Messzeitdauer auftraten.
    [0027] DerImaginärteildes erhaltenen Spektrums ist proportional zur Ableitung der Differenzder Spektren, die zu Anfang und am Ende der Messung auftraten.
    [0028] Theoretischist es möglich,die realen Spektren L1 und L2 mitHilfe des Real- und des Imaginärteilsdes Messergebnisses L zu berechnen. Um dies auszuführen, istes jedoch nötig,den Imaginärteilvon L zu integrieren, was unendlich viele mögliche Lösungen ergibt, aus denen dierichtige ausgewähltwerden kann, wenn zusätzlicheInformationen angegeben sind.
    [0029] Nachfolgendwird dieses Ergebnis dazu verwendet, die Auswirkung von sich während derMessung veränderndenSpektren auf das Messergebnis zu prüfen.
    [0030] Sehrhäufigist die einzige währendder Messung stattfindende Veränderungeine Veränderungeiner Hintergrund- oder Schwarzkörpertemperatur.Währendder Strahlungskalibrierung eines Spektrometers z.B. kann die Temperatureines schwarzen Körpersnicht exakt konstant gehalten werden.
    [0031] Esist leicht zu zeigen, z.B. durch Simulation, dass in diesem Fallder Imaginärteilvon Gleichung (5) auf 0 zugeht. Dies ist deswegen so, weil die Ableitungder Differenz zwischen zwei Planck-Kurven im Vergleich zur Planck-Funktionselber sehr klein ist.
    [0032] Infolgedessensieht das Spektrometer in diesem Fall genau das Durchschnittsspektrum.
    [0033] Esist klar, dass der imaginäreTeil von Gleichung (5) größer seinkann, insbesondere im Fall scharfer Emissions- oder Absorptionslinienim Spektrum. Zum Prüfendieses Falles kann ein typisches Brandspektrum mit heißem Hintergrundund CO- und CO2-Emissionslinien genommen werden. Die Hintergrundtemperaturund Gaskonzentration werden währendeiner Messzeitdauer, die mit 0,2 Sekunden angenommen wird, geringfügig verändert. Gleichung(5) besagt nun, dass der Imaginärteilwirklich größer alsim Falle von Planck-Spektren wird, aber er immer noch viel kleinerals der Realteil ist. Wenn die Größe des gemessenen Spektrumsberechnet wird, ist der Einfluss des Imaginärteils vernachlässigbar.
    [0034] DerEinfachheit halber ist angenommen worden, dass sich das zu messendeSpektrum überdie Zeit linear verändert.Dies scheint in vielen Fällengerechtfertigt zu sein, bei denen die Spektrenänderungen während der Messung nicht extremsind und die Messzeitdauer kurz gehalten wird, also beispielsweiseunter 1 Sekunde.
    [0035] Nichtsdestowenigersoll aber in Erfahrung gebracht werden, was dann passiert, wenndiese Annahme nicht realistisch ist. Eine bessere Lösung für L(s,σ) wäre danneine quadratische, die von einem Spektrum
    [0036] Wenndies in den Frequenzbereich rücktransformiertwird, ergibt der quadratische Ausdruck von s die zweite Ableitungvon 2L1 – 4L2 +2L3, multipliziert mit
    [0037] EinFall, bei dem die lineare Lösunggemäß der Gleichung(5) ungünstigist, wärez.B. L2 = L3. Eswird dann das Ergebnis von Gleichung (7) berechnet, wobei in einemFall Schwarzkörperspektrenund im anderen Fall Emissionsspektren genommen werden. In beidenFällenist die Veränderungdes Realteils im Vergleich zum Ergebnis im linearen Fall der Gleichung(5) vernachlässigbar.Es kann daraus geschlossen werden, dass für die große Mehrheit von Fällen dielineare Lösungund die Gleichung (5) als Ergebnis völlig gerechtfertigt sind.
    [0038] Eineandere, jedoch auch auf dem gleichen Grundprinzip beruhende Verfahrensvariantezur Lösung dergestellten Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass das vom Spektrometergesehene Spektrum zunächst alsein überdie Messzeitdauer linear zeitabhängigesSpektrum dargestellt wird, wozu zwei Wärmebilder, die von der Wärmebildkameraam Anfang der Messzeitdauer bzw. am Ende der Messzeitdauer aufgenommen wordensind, aufgezeichnet werden und daraus unter der Annahme einer inder Zeit linearen Änderungdes Spektrums ein durchschnittliches Spektrum über die Messzeitdauer angenähert wird,dessen inverse Fourier-Transformation das aufgezeichnete Interferogrammdes Spektrometers im Zeitbereich ergibt, dass das aufgezeichneteInterferogramm in den Frequenzbereich rücktransformiert wird, wobeiauf Grund der Fourier-Transformationsgesetze die Multiplikationmit der Zeit im Zeitbereich im Frequenzbereich der ersten Ableitungdes Spektrums dieser Zeitfunktion nach der Frequenz entspricht,so dass in komplexer Schreibweise der Realteil des erhaltenen rücktransformiertenSpektrums den währendder Messzeitdauer auftretenden Durchschnitt der Spektren enthält und derImaginärteilproportional zur Ableitung der Differenz der Spektren ist, die zuBeginn und am Ende der Messzeitdauer auftreten, und dass die reellenSpektren zu Beginn und am Ende der Messzeitdauer mit Hilfe des Real-und des Imaginärteilsdes Messergebnisses berechnet werden, indem der Imaginärteil integriertwird, was unendlich viele möglicheLösungenergibt, aus denen die richtige mittels einer zusätzlichen Information ausgewählt wird,die in Gestalt einer Konstanten aus dem Wärmebild der Wärmebildkameradurch Differenzbildung des Wärmebildesam Anfang und des Wärmebildesam Ende der Messzeitdauer bei einem Frequenzwert gewonnen wird.
    [0039] Dievorstehend angegebene Lösungsvarianteist nicht ganz so vorteilhaft und einfach wie die zuerst angegebeneLösung,da bei ersterer immer erst modelliert wird, d.h. es muss immer für das SpektrumL1 die ganze Modellrechnung durchgeführt werdenund dann fürdas Spektrum L2. Dann werden die Linearisierung unddie Umformung in das zeitunabhängigeSpektrum ausgeführt,das dann wieder ausgewertet werden muss.
    [0040] Ausgangspunktfür dieseVerfahrensvariante ist auch hier, ein spektral hochauflösendes Spektrometer inVerbindung mit einer örtlichhochauflösendenWärmebildkamerazu verwenden. Das Wärmebildliefert fortlaufend Informationen über die Temperaturen der verschiedenenFlächenanteiledes vom Spektrometer eingesehenen Hintergrundes. Befinden sich nuni solcher verschiedener Flächenmit ihrer zugehörigenTemperatur Ti, Fläche Ai undEmissivität εi imGesichtsfeld des Spektrometers, so ergibt sich nach dem PlanckschenStrahlungsgesetz das Hintergrundstrahlungsspektrum zu
    [0041] Darüber hinausliefert das WärmebildInformationen darüber,wie viele grundsätzlichverschiedene Szenen im Sichtfeld des Spektrometers liegen, und wieviele unterschiedliche vertikale Gasprofile, z.B. für Feuer,Schwelbrand oder verbrannte Fläche,folglich fürdie Modellrechnung anzunehmen sind. Die Strahlungsspektren, diedurch die einzelnen Teil-Szenen am Spektrometereingang entstehen,könnenso getrennt voneinander mit Hilfe der eingangs angegebenen Schwarzschildgleichung(1) modelliert werden.
    [0042] Dasgesamte am Spektrometer eintreffende modellierte Strahlungsspektrumentsteht durch Addition der richtig gewichteten Teilspektren. DieVerwendung der Wärmebildkameraermöglichtes somit auch, die verschiedenen im Gesichtsfeld des Spektrometersliegenden vertikalen Profile der über den Hochtemperaturereignissenliegenden Gasschichten in der Modellrechnung der Schwarzschildgleichung(1) zu berücksichtigen.
    [0043] Ändern sichnun der Hintergrund und die eingesehene Fläche, insbesondere bedingt durchdie Flugbewegung, nicht nur von Messung zu Messung, sondern auchwährendeiner spektrometrischen Aufnahme eines Spektrums, also während derMesszeitdauer TM, so wird das sich änderndeHintergrundstrahlungsspektrum auch bei dieser Variante zunächst formalals zeitabhängigesSpektrum I(f, t) betrachtet. Durch die Verwendung der Wärmebildkamerakönnenzwei Wärmebilder,nämlichzum Anfang und zum Ende der Messung, aufgenommen werden, aus denenmit Hilfe der Gleichung (8) die Spektren I1(f)zum Beginn und I2(f) zum Ende der Messungerrechnet werden können.Unter der Annahme einer in der Zeit linearen Änderung von I(f, t) kann mitHilfe von I1(f) und I2(f)angenähertwerden:
    [0044] Gleichung(3b) lässtsich durch inverse Fourier-Transformation in den Zeitbereich transformieren,wobei der Faktor
    [0045] Wirdnun die Gleichung (10) wieder zurück in den Frequenzbereich transformiert,so kann laut den Gesetzen der Fourier-Transformation (siehe z.B. H. Marko: "Methoden der Systemtheorie,2. Auflage, Seite 90) die Multiplikation der Zeitfunktion ΔI(t) mitder Zeit t im Frequenzbereich durch die Ableitung des Spektrums von ΔI(t), alsodurch die Ableitung von ΔI(f)nach der Frequenz f, wiedergegeben werden:
    [0046] DieAusdrückeF und F–1 inGleichung (10) bzw. Gleichung (11) bezeichnen die Fourier-Transformation bzw.die inverse Fourier-Transformation.
    [0047] Mitder Gleichung (11) gelingt es demnach, das zeitveränderlicheSpektrum I(f, t) als zeitunabhängiges unddamit in der Modellrechnung nach der Schwarzschildgleichung (1)anwendbares Spektrum I*(f) zu schreiben.Letztlich kann somit fürjedes zeitabhängigeSpektrum ein "resultierendes" zeitunabhängiges Spektrum angegebenwerden.
    [0048] Anschaulichvorstellbar wird dies z.B. anhand einer Schwingung der Frequenzf, deren Amplitude mit einer niedrigeren Frequenz fm moduliertwird. Diese Schwingung kann als Schwingung der Frequenz f mit zeitabhängiger Amplitudebeschrieben werden, oder aber als Überlagerung zweier Frequenzenf + fm und f – fm unddamit in einer von der Zeit unabhängigen Darstellung.
    [0049] Dievorstehend beschriebene und bisher geforderte Voraussetzung, dassdas zeitveränderlicheSpektrum I(f, t) annäherndals lineare Funktion in der Zeit t geschrieben wird, kann zusätzlich abgeschwächt werden,wenn währendder Messzeitdauer TM mit der Wärmebildkameramehrere Wärmebilderaufgenommen werden. Der Verlauf des Spektrums I(f, t) ist dann nichtmehr nur an den Stützstellent = 0 und t = TM bekannt, sondern auch zuZeitpunkten zwischen 0 und TM. Dann lässt sichdas Spektrum als Polynom mit weiteren Gliedern t2,t3, ... (Taylor-Reihe) genauer annähern, wobei diese Glieder beider Rücktransformationin den Frequenzbereich zu entsprechend höheren Ableitungen führen.
    [0050] Eineandere Möglichkeitder Auswertung von Spektren, die gegen einen a priori nicht bekanntenHintergrund aufgenommen werden, besteht prinzipiell darin, die unbekanntenParameter des Hintergrundes, also Flächenanteile, zugehörige Temperaturenund Emissivitäten,im Zuge der Ausgleichsrechnung zusammen mit den interessierendenParametern zu ermitteln. Auch hier kann das Verfahren nach der Erfindungvorteilhaft eingesetzt werden, beispielsweise für die Festlegung sinnvollerStartwerte fürdie Iterationen der Ausgleichsrechnung und zur Bestimmung der erforderlichenAnzahl von Hintergrundparametern, die zu berücksichtigen sind, was sichaus der Anzahl unterscheidbarer Flächenanteile ergibt.
    [0051] Erfolgtdie Auswertung, wie dies häufigzutrifft, in einem schmalen Frequenzfenster, das nur einige Spektrallinienenthält,so ist es nicht erforderlich, alle Hintergrundparameter zu bestimmen.Es kann in diesem Fall angenommen werden, dass die Hintergrundstrahlungsleistung über diesenschmalen Frequenzbereich auf jeden Fall annähernd konstant ist, so dassnur diese Strahlungsleistung als ein einziger weiterer unbekannter Parameterin die Ausgleichsrechnung einbezogen werden muss.
    [0052] Beidieser Betrachtungsweise interessiert also nur die Hintergrundstrahlungsleistungselbst, aber nicht, wie sie zustande kommt. Die zeitliche Änderungdes Spektrums währendder Messung wird hierbei umgangen, da auf diese Weise automatischder Wert des resultierenden zeitunabhängigen Spektrums für den betrachtetenFrequenzbereich erhalten wird. Auch für diese Vorgehensweise lässt sichdas beschriebene Verfahren nach der Erfindung zur Ermittlung einessinnvollen Startwertes fürdie Iterationen einsetzen.
    [0053] DasVerfahren nach der Erfindung behandelt zunächst lediglich, wie ein sichwährendder Messung änderndesHintergrundstrahlungsspektrum in ein resultierendes, zeitlich unabhängiges Hintergrundstrahlungsspektrum übergeführt wird.Tatsächlich ändert sichdas am Spektrometer eintreffende Spektrum aber nicht nur durch diesich änderndeHintergrundstrahlung. Durch die Flugbewegung ändern sich auch die eingesehenenvertikalen Gasprofile währendder Messung, zumindest in deren Gewichtung.
    [0054] DasVerfahren nach der Erfindung ist aber dennoch erfolgreich anwendbar,indem zunächstaus dem Spektrum I1(f) zu Beginn und ausdem Spektrum I2(f) am Ende der Messung diezugehörigen,am Spektrometer eintreffenden Spektren in Abhängigkeit der zu diesen Zeitpunktenangenommenen Gasparameter nach der Schwarzschildgleichung (1) berechnetwerden. Die so ermittelten synthetischen Spektren dienen somit wieder zurErmittlung des ungefährenzeitlichen Verlaufs des währendder Messung am Spektrometer eintreffenden Spektrums, das dann entsprechenddem Verfahren nach der Erfindung wieder in ein resultierendes, zeitlich unabhängiges Spektrum übergeführt werdenkann. Die angenommenen Gasparameter werden im Rahmen einer Ausgleichsrechnungwieder so bestimmt, dass die Abweichung von berechnetem und gemessenemSpektrum minimal wird.
    [0055] VorteilhafteWeiterbildungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den unmittelbaroder mittelbar auf die Patentansprüche 1 und 2 rückbezogenenUnteransprüchenangegeben.
    1 Boden 2 Flugzeug 3 Gesichtsfeld 4 Wärmebildpixel 5 Flugbewegungspfeil 6 EingesehenerHintergrund zu Messzeitanfang 7 EingesehenerHintergrund zu Messzeitende 8,9, 10 Bodenbereiche;Flächenanteileunterschiedlicher Temperaturund Emissivität
    权利要求:
    Claims (6)
    [1] Verfahren zum Analysieren von beliebigen, vorzugsweisegasförmigenMedien, wobei durch ein spektral hoch auflösendes Infrarot-Spektrometerin dessen Gesichtsfeld währendeiner Messzeitdauer ermittelte Spektraldaten und durch eine örtlich hochauflösendeund fortlaufend Informationen überdie Temperaturen der verschiedenen Flächenanteile des vom Infrarot-Spektrometer eingesehenenGesichtsfeld-Hintergrundes liefernde Wärmebildkamera ermittelte Spektraldatenausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Spektrometergesehene Spektrum zunächstals ein überdie Messzeitdauer linear zeitabhängigesSpektrum dargestellt wird, das sich auch als von der momentanenSpiegelverschiebung währendder Messzeitdauer des Spektrometers abhängiges Spektrum darstellenlässt,dessen inverse Fourier-Transformation das aufgezeichnete Interferogrammdes Spektrometers im Zeitbereich ergibt, dass das aufgezeichneteInterferogramm in den Frequenzbereich rücktransformiert wird, wobeiauf Grund der Fourier-Transformationsgesetze die Multiplikationmit der Zeit im Zeitbereich im Frequenzbereich der ersten Ableitungdes Spektrums dieser Zeitfunktion nach der Frequenz entspricht,so dass in komplexer Schreibweise der Realteil des erhaltenen rücktransformierten Spektrumsden währendder Messzeitdauer auftretenden Durchschnitt der Spektren enthält und derImaginärteilproportional zur Ableitung der Differenz der Spektren ist, die zuBeginn und am Ende der Messzeitdauer auftreten, und dass die reellenSpektren zu Beginn und am Ende der Messzeitdauer mit Hilfe des Real-und des Imaginärteilsdes Messergebnisses berechnet werden, indem der Imaginärteil integriertwird, was unendlich viele möglicheLösungenergibt, aus denen die richtige mittels einer zusätzlichen Information ausgewählt wird,die in Gestalt einer Konstanten aus der Differenz der Hintergrundstrahlungsdichtezu Beginn und Ende der Messzeit für ei ne im Prinzip beliebigwählbareWellenzahl gewonnen wird, was wiederum mit Hilfe zweier zu Beginnund Ende der Messzeit aufgenommener Wärmebilder erfolgt.
    [2] Verfahren zum Analysieren von beliebigen, vorzugsweisegasförmigenMedien, wobei durch ein spektral hoch auflösendes Infrarot-Spektrometerin dessen Gesichtsfeld währendeiner Messzeitdauer ermittelte Spektraldaten und durch eine örtlich hochauflösendeund fortlaufend Informationen überdie Temperaturen der verschiedenen Flächenanteile des vom Infrarot-Spektrometer eingesehenenGesichtsfeld-Hintergrundes liefernde Wärmebildkamera ermittelte Spektraldatenausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Spektrometergesehene Spektrum zunächstals ein überdie Messzeitdauer linear zeitabhängigesSpektrum dargestellt wird, wozu zwei Wärmebilder, die von der Wärmebildkameraam Anfang der Messzeitdauer bzw. am Ende der Messzeitdauer aufgenommenworden sind, aufgezeichnet werden und daraus unter der Annahme einerin der Zeit linearen Änderungdes Spektrums ein durchschnittliches Spektrum über die Messzeitdauer angenähert wird,dessen inverse Fourier-Transformation das aufgezeichnete Interferogrammdes Spektrometers im Zeitbereich ergibt, dass das aufgezeichneteInterferogramm in den Frequenzbereich rücktransformiert wird, wobeiauf Grund der Fourier-Transformationsgesetze die Multiplikationmit der Zeit im Zeitbereich im Frequenzbereich der ersten Ableitungdes Spektrums dieser Zeitfunktion nach der Frequenz entspricht,so dass in komplexer Schreibweise der Realteil des erhaltenen rücktransformiertenSpektrums den währendder Messzeitdauer auftretenden Durchschnitt der Spektren enthält und derImaginärteilproportional zur Ableitung der Differenz der Spektren ist, die zuBeginn und am Ende der Messzeitdauer auftreten, und dass die reellenSpektren zu Beginn und am Ende der Messzeitdauer mit Hilfe des Real-und des Imaginärteilsdes Messergebnisses be rechnet werden, indem der Imaginärteil integriertwird, was unendlich viele möglicheLösungenergibt, aus denen die richtige mittels einer zusätzlichen Information ausgewählt wird,die in Gestalt einer Konstanten aus der Differenz der Hintergrundstrahlungsdichtezu Beginn und Ende der Messzeit für eine im Prinzip beliebigwählbareWellenzahl gewonnen wird, was wiederum mit Hilfe zweier zu Beginnund Ende der Messzeit aufgenommener Wärmebilder erfolgt.
    [3] Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,dass währendder Messzeitdauer mehrere Wärmebilderaufgenommen werden, so dass das zeitabhängige Spektrum dann nicht mehrnur am Anfang und am Ende der Messzeitdauer bekannt ist, sondernauch zu Zeiten dazwischen.
    [4] Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die angenommenen Gasparameter im Rahmen einerAusgleichsrechnung so bestimmt werden, dass die Abweichung von berechnetemund gemessenem Spektrum minimal wird.
    [5] Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die unbekannten Parameter des Hintergrundesim Zuge einer Ausgleichsrechnung zusammen mit den interessierendenGasparametern ermittelt werden.
    [6] Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch dieFestlegung sinnvoller Startwerte für die Iterationen der Ausgleichsrechnungund zur Bestimmung der erforderlichen Anzahl von zu berücksichtigendenHintergrundparametern, die sich aus der Anzahl von unterscheidbarenFlächenanteilenergibt.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    DE102004001748B4|2006-04-20|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-08-18| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2006-07-20| 8327| Change in the person/name/address of the patent owner|Owner name: DEUTSCHES ZENTRUM FüR LUFT- UND RAUMFAHRT E.V., 51 |
    2006-10-12| 8364| No opposition during term of opposition|
    2016-08-02| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    DE200410001748|DE102004001748B4|2004-01-12|2004-01-12|Verfahren zum Analysieren von beliebigen, vorzugsweise gasförmigen Medien|DE200410001748| DE102004001748B4|2004-01-12|2004-01-12|Verfahren zum Analysieren von beliebigen, vorzugsweise gasförmigen Medien|
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