Brevet FR2206501A1 — publié le 19740607

La présente invention concerne diverses améliorations apportées à la mesure du rayonnement dlune source émis- slve notamment dans le domaine infra-rouge. Elle concerne aussi un procédé et des dispositifs permettant la mesure de la température de surface d1un corps gris. Elle concerne plus particulièrement des dispositifs permettant d'appliquer ledit procédé lorsque la température à mesurer est voisine de la température ambiante, qu'elle soit inférieure ou supérieure à celle-ci. L'invention est adaptée aux mesures de température à partir d'un satellite artificiel, dlun avion, dlun bateau ou de tout poste d t observation. BTAT DE LA TECHNIQUE AVANT LiINVENTION. On sait, depuis les travaux des physiciens à la fin du XIXème siècle, que tous les corps, dès qu'ils quittent le zéro absolu, rayonnent de ltdnergie sous forme d'ondes électromagnétiques. Pour un corps noir, la loi de STEFAN indique que cette puissance rayonnée augmente comme la puissance quatrième de la température absolue WCN = a T4 Dans cette formule WCN est l'énergie émise par le corps noir porté à la température absolue T, et a est la constante de STEFAN. La loi de PlNCK précise, toujours pour un corps noir, la distribution spectrale de cette énergie. On peut donc déduire la température dlun corps noir de lTénergie qulil rayon ne,soit dans ensemble du spectre, soit dans un intervalle spec tral déterminé. Lorsque l'objet à observer est porté à une température voisine de la température ambiante, on effectue généralement les mesures dans le domaine spectral des longueurs tonde comprises entre 4 et 20 microns. Cette zone correspond, en effet, au voisinage du maximum de la fonction de PLANCK. Dans cette zone, on sélectionne, de préférence, un intervalle de longueur d'onde correspondant 2 une fenetre de transmission atmosphérique. PRINCIPE DES RADIOMETRES ACTUELLEI!ENT WONIX-S Le rayonnement émis par 11 objet à observer, ou source, collecté par un système optique, est comparé au rayonnement d'un corps de référence, (généralement un corps noir), au moyen d'un modulateur qui envoie alternativement sur un détecteur approprié le rayonnement issu de la source et celui issu du corps de référence. Le détecteur émet alors un signal électrique qui est amplifié et enregistré. On peut déterminer l'intervalle spectral dans lequel s'effectuera la mesure en ajoutant un filtre, généralement placé entre le détecteur et le modulateur. Les radiomètres infrarouges connus dans l'état actuel de la technique utilisent comme corps de référence un corps noir maintenu à température constante : l'énergie émise par la source est comparée à celle du corps noir à l'aide dtun modulateur optique. La température apparente du corps à étudier est obtenue en se rapportant à l'étalonnage effectué à laide dtun corps noir auxiliaire. CAUSES DtERREWRS INSTRUMENTALES. Les deux principales causes d'erreur instrumen- tales sont la non-fiabilité du détecteur et les variations de température des divers composants optiques du dispositif. a) Erreur due à la non-fiabilité du détecteur La sensibilité du détecteur varie au cours du temps. L'erreur en température AT sur la mesure provenant d'une variation #K de la sensibilité K du détecteur est ot TCN est la température du corps noir, Ts est la température de la source. Pour réduire l'effet de cette variation de sen sibilité, on est contraint de procéder à de fréquents étalon nagea de l'appareil. b) Erreur due aux variations de température des divers composants du système optique Un système optique comprend des miroirs dont le coefficient de réflexion est inférieur à 1 et (ou) des len tilles dont le coefficient de transmission est inférieur à'l. Le détecteur reçoit, de ce fait, un rayonnement para site variable avec la température de ces éléments optiques. Généralementf on apprécie empiriquement les erreurs dues à ce rayonnement parasite en effectuant une correction globale en fonction de la température de l'enceinte de I1appareil. CAUSES D'ERREURS DUES AU MILIEU EXTERIEUR A L'APPAREIL. Un problème particulier qui se pose fréquemment est la mesure de la température de surface de certains corps ayant une forte réflexion spéculaire et notamment des liquides tels que l'eau, llhuile, etc I1 existe, notamment, une cause d'erreur inhérente aux propriétés physiques de la source, à savoir Llerreur due à la réflexion du rayonnement du milieu environnant sur la surface de la source (objet observé). De plus, ces sources que lton examine dans la pratique ne sont pas des corps noirs mais des "corps gris, ils émettent plus ou moins d'énergie électromagnétique et ceci de façon variable suivant la longueur d'onde et la température à mesurer. L'énergie reçue du corps gris par le détecteur dépend alors, non seulement de sa température, mais aussi de son émissivité. Dans ce cas, le détecteur recevra en plus, en provenance du milieu environnant, l'énergie que le corps gris est susceptible de réfléchir. AVANTAGES DE L'INVENTION. la sente invention pallie à ces inconvénients gênants. Elle augmente la fiabilité du dispositif car elle permet d'éviter les fréquents étalonnages indispensables dans les appareils connus à ce jour. Elle permet une mesure radiométrique et sans étalonnage de toute température apparente. Dans de nombreux cas, elle permet encore de réduire dans de notables proportions l'erreur due à la réflexion du rayonnement sur la surface de la source à étudier. DéFINITION SUINTE DE L'INVFYNTION Le procédé est essentiellement caractérisé par le fait que la température du corps noir de référence est positivement contrôlée, de telle manière que, dans la gamme des longueurs d'onde utilisées, l1énergiereçue par le détecteur et issue du corps noir de référence soit constamment égale à l'énergie reçue par le détecteur et issue de la source. La mesure de la température apparente de la source se ramène alors à la mesure de la température vraie du corps noir de référence. Une autre caractéristique de llinvention est que l'on supprime terreur due aux variations de températures de divers composants du système optique en s'arrangeant pour que les trajets optiques corps noirs de référence-détecteur et source à étudier- détecteur, soient semblables. On diminue, en outre, terreur de réflexion sur la mesure de la température du corps gris dont la surface présen- te un caractère polarisant par réflexion, par l'adjonction d'un polariseur sur le trajet optique détecteur-source à mesurer. Un dispositif particulièrement avantageux, permettant d'appliquer le procédé défini ci-dessus est caractérisé par le fait que l'on emploie des batteries PELTIER associées à un corps noir de référence permettant d'asservir llinten- sité du rayonnement émis par ce dernier à celle de la source et d'en déduire sa température, cet asservissement étant réalisé par une chaine d'asservissement par exemple électronique, comprenant - un détecteur infrarouge recevant le rayonnement provenant alternativement de la source et de la référence, et délivrant unsignal électrique proportionnel à leur différence d'éner gie. - un système amplificateur-régulateur de préférence du type proportionnel, intégrateur, dérivateur (P.I.D.) qui permet de modifier les propriétés dynamiques du système asservi afin d'obtenir le temps de réponse et la précision désirés, - une alimentation qui fournit l'énergie nécessaire aux variations de température du corps de référence, permettant d'égaliser en permanence l'intensité des rayonnements provenant de la source et du corps de référence et reçus alternativement par le détecteur. Mais il est bien évident que tout autre système thermostatique à circulation de fluide (liquide ou gaz), par exemple, peut être adapté au contrôle de la température du corps noir de référence sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Plus précisément, le rayonnement issu de la source et celui issu du corps de référence sont amenés sur le détecteur par un moyen réfléchissant, orienteur de faisceaux optiques, le temps pendant lequel le détecteur vise le corps noir de référence et le temps pendant lequel le détecteur vise la source étant relativement longs par rapport au temps de réponse du détecteur. Le moyen orienteur de faisceau peut être notamment - un miroir mince à deux faces réfléchissantes pivotant toujours dans le même sens, ou bien, - un miroir réfléchissant, pivotant dans les deux sens,ou encore, - un miroir constitué par deux faces d'un prisme animé d'un mouvement de va-et-vient. On peut ajouter un polariseur, placé entre la source à mesurer et le détecteur, permettant, avantageusement, deux mesures suivant deux positions de l'axe du polariseur par rapport au plan d'incidence - soit dans le cas où l'axe privilégié du polariseur est dans le plan d'incidence, en réduisant notablement la contribution du terme réfléchi par la source, - soit dans le cas où l'axe privilégié du polariseur est dans le plan perpendiculaire au plan d'incidence, en maximisant la contribution du terme réfléchi par la source, ensemble de ces deux mesures permettant, par différence,dévaluer le terme réfléchi avec une bonne précision. Il est avantageux de placer le polariseur entre le détecteur et le dispositif modulateur. La description ci-après donne quelques exemples non limitatifs des dispositifs objets de l'invention qui sont illustrés dans les dessins annexés dans lesquels La figure 1 est une vue schématique dXensemble d'un dispositif selon l'invention. Les figures 2 et 3 sont des schémas d'un dispositif où le rayonnement issu de la source et du corps de référence sont réfléchis par un miroir pivotant à une face réfléchissante. Les figures 4, 5, 6, et 7 sont des vues, dans des phases successives du dispositif envoyant le rayonnement issu de la source du corps de référence sur le modulateur à lXaiBe d'un miroir mince à deux Rces-réfléchissantes. Les figures 8 et 9 sont des vues schématiques dans deux phases successives du dispositif envoyant le rayonnement issu de la source et du corps de référence sur le modulateur à laide dlun prisme, animé d'un mouvement de va-et-vient. La figure 10 est un schéma synoptique d'une réali satin de la chaîne électronique. La figure 11 est un schéma par blocs de la chaîne principale. La figure 12 est un schéma par blocs d'un régulateur à action proportionnelle. La figure 13 représente lXalimentation en courant, La figure 14 est un schéma de l'ensemble corps noir-système thermostatique à effet PELTIER. la figure 15 est un graphique représentant typiquement le facteur de diminution dlerreur (en ordonnée) en fonction de ltangle de visée du radiomètre par rapport à la source dans le cas où l'on utilise un polariseur. a) Description de l'appareil Le principe retenu est de comparer par modulation optique, lgénergie émise par la surface de la source à étudier 6 à celle émise par un corps de référence 1 (en l'espèce, c'est un corps noir, mais ce ntest pas limitatif), (figure 1), le rayonnement est reçu sur un détecteur infrarouge 2 et est transformé en un signal électrique dont ltampli- tude est proportionnelle à la différence entre 11 énergie émise par la source et l'énergie émise par le corps noir. Le signal est amplifié en 3 et commande la température du corps noir de référence 1 par 11 intermédiaire d'un régulateur à action proportionnelle, intégrale et dérivée (P.I.D.) 4, d'une alimentation en courant et d'une batterie à effet PELTIER 5. Les caractéristiques du régulateur P.I.D. 4 sont choisies de façon t ce que lténergie émise par le corps noir 1 tend à être toujours égale à l'énergie émise par la source 6. La température du corps noir est mesurée en 10. Pour minimiser autant que possible les erreurs dues aux cdsrficients de réflexion des miroirs on s'arrangera à avoir des trajets similaires comportant un meme nombre de réflexions pour les rayonnements émis par le corps noir de référence, et par la surface à étudier. Un modulateur 7 constitué par un dispositif réflé chissant (figures 2, 3, 4, 5, 6 > 7, 8 > 9) permet au détecteur 2 de viser soit le rayonnement provenant de la source 6, soit le rayonnement provenant du corps de référence 1. Le détecteur 2 reçoit alternativement les deux rayonnements à une fréquence choisie, et délivre un signal alternatif dont l'amplitude est proportionnelle à la diffé rence des énergies de ces deux rayonnements. Un filtre 8 est placé devant le détecteur et sa transmission intervient aussi bien pour le rayonnement en provenance du corps noir de référence 1 que pour celui de la source à mesurer 6, et pour mesurer la température de surface d'une source, on peut introduire aussi un polari seur 9. b) Optique On a les memes réflexions sur les deux trajets optiques corps noir-détecteur et source à étudier-détecteurJ de façon à faire intervenir les memes erreurs éventuelles de part et dlautre Le modulateur 7 à miroir peut avoir différentes constitutions qui sont représentées aux figures 2 à 7. Aux figures 2 et 3 on a représenté un modulateur à miroir 11 à une seule face réfléchissante qui tourne dans les deux sens. A la figure 2 > le miroir 11 est orienté pour que le détecteur 2 vise la source 6. A la figure 3 le miroir 11 ou modulateur est orienté pour que le détecteur 2 vise le corps de révérence 1. Aux figures 4 à 7, le miroir mince 12 comporte deux faces réfléchissantes et tourne toujours dans le meme sens. H la figure 4, le miroir 12 est orienté pour que le rayonnement de la source 6 soit dirigé sur le détecteur 2. A la figure 5, le miroir 12 est orienté pour que le rayonnement du corps noir der = ) ence # soit orienté sur le détecteur A la figure 6, le rayonnement est orienté de la même façon que la figure 4, mais avec vautre face du miroir 12. A la figure 7, le rayonnement du corps noir 1 est présenté comme à la figure 5, mais avec l'autre face du miroir 12. Une autre façon de réaliser le modulateur est décrite aux figures 8 et 9, ctest-d-dire que le modulateur 7 est composé d'un prisme 13 à deux faces réfléchissantes qui est animé par un mouvement alternatif 0 A la figure 8, ctest la face supérieure du prisme 13 qui renvoie le rayonnement du corps noir 1 vers le détecteur 2, tandis qu'à la figure 9, c'est la face inférieure du prisme 13 qui envoie le rayonnement venant de la source 6 vers le détecteur 2. c) Corps noir de référence Le problème est d'obtenir une référence de rayonnement à laquelle on compare en permanence par modulation le rayonnement étudié. Ceci nécessite - que ce corps noir soit aussi parfait que possible, c'est-à-dire ait une émissivité aussi voisine que possible de l'unité afin que son rayonnement ne dépende que de sa température, - que terreur sur cette température soit inférieure à 0,01 degré par exemple, si l'on veut que terreur introduite sur la mesure soit inférieure à cette valeur comme il est sou haitable dans la pratique. Pour des raisons de commodité (facilité de réalisation), on a adopté pour le corps noir une forme cylindrique. De plus, le calcul du coefficient d'émissivité montre que celuici est plus voisin de ltunité pour une forme cylindrique que pour une forme conique. Ce cylindre 14 est percé dans un bloc d'aluminium, bon conducteur thermique. Le fond 15 du cylindre est taillé à 45 . Une batterie à effet PESTIER 16 est placée à ltex- tremitd du cylindre, permettant, commodément, de chauffer ou de refroidir le corps noir. Un thermistance 17 placée pres du fond du cylindre permet d'effectuer le contrôle de la tempéra- ture du corps noir. Ltensemble est isolé thermiquement (18) de l'exté- rieur. Seule la face 19 avant du cylindre portant l'ouverture qui permet de viser le corps noir est directement acçessible à l'air ambiant. Dans une réalisation qui a donné toute satisfaction, la cavité cylindrique constituant le corps noir a un rapport lier supérieur à 5 et est recouverte intérieurement, par exemple, de peinture 3 M 101 C 10 démissivité propre = 0,98. d) Schéma synoptique de la chaîne d'asservissement Le schéma de principe de la chaîne représenté à la figure 10 comporte les éléments suivants 10/ La chaine principale 20 (figure 11) constituée par - un transformateur d'adaptation 21, - un préamplificateur faible bruit 22, - un intégrateur 25, - un amplificateur à détection synchrone 24, - un intégrateur adaptateur 25. Cette channe principale délivre un signal continu proportionnel à lssécart en température entre le corps noir et la surface de la source en grandeur et en signe. Sa transmittance opérationnelle est 2 / Un régulateur à action proportionnelle, intégrale et dérivée 26 (figure 12) constitué par - un amplificateur 27, - un dérivateur 28, - un adaptateur 29, - un intégrateur 30, - un adaptateur 31. I1 permet de modifier les propriété dynamiques du système asservi afin dtobtenir le temps de réponse et la précision désirées. Sa transmittance opérationnelle est: 3 / Une alimentation en courant 32 (figure 13) constituée par - un ensemble de redressement et filtrage 33, - un régulateur de courant 34, - un système amplificateur d'écart 35, - un shunt de contrôle 36. Elle sert à commander le courant traversant l'élément PELTIER 37. Sa transmittance opérationnelle est W3 (p) = k3 40/ Un ensemble corps noir-module à effet PELTIER 38 (figure 14), constitué par - un corps noir en aluminium isolé thermiquement 14, - un module à effet PELTIER 16, - un radiateur 39. I1 assure l'égalité de l'émission de rayonnement infrarouge du corps noir avec celle de la source à étudier. Sa transmittance opérationnelle est Dans ces formules, p est l'opérateur de LAPLACE, E1, K2, K3, K4, sont des facteurs d'amplifications et #21, #22, #4, sont des constantes de temps. KI, Ti,K3, K4, sont donnés et K2, Tll,t22 sont choisis en fonction des performances désirées. f) Principe du radiomètre polarisant En application à la mesure de la température de surface d'un corps gris présentant des propriétés polari santes par réflexion, on traitera, ici, le cas où la source corps gris est la surface de l'eau, mais ce n'est pas limi tatif. Le radiomètre décrit précédemment est généralement étalonné en mesurant le rayonnement I émis par un corps noir à la température T dans un domaine spectral où la fonc tion filtre du radiomètre est TA ; on appellera IX(T) la luminance monochromatique énergique du corps noir à la tempé rature T Une surface émissive est un corps noir imparfait et a une émissivité À(i) et un coefficient de réflexion rX (i) = 1 - Le rayonnement émis par la surface à la température T et dans la direction dtobservation i est en réalité où Ihs (i) est la luminance énergique monochromatique du rayonnement émis par le ciel et reçu à la surface. Le rayonnement reçu par 11 appareil est donc La mesure de I'(T) conduit en se rapportant à l'étalonnage effectué à l'aide d'un corps noir, a une température radiometrique apparente de surface Trad définie par I'(T) = I(Trad). L'erreur est #Tref = Trad - T. En utilisant un développement limité au ler ordre au voisinage de T, on obtient On en déduit facilement que On conçoit que la connaissance de ATref(i) soit indispensable pour déterminer la température de la surface de la source de façon précise.La connaissance de ATref(i) qui revient à la mesure de exige une mesure annexe de I(T) - IXs (i) cette mesure doit etre effectuée à plaide dsun radiomètre auxiliaire qui mesure la différence entre le rayonnement émis par la source et le rayonnement émis par le ciel. Il est important dlannuler ou tout au moins de réduire ATrer comme 11 emploi d'un polariseur va le permettre. C'est ce que lXexpérience a montré, d'ailleurs, on peut s'en convaincre comme suit On supposera le rayonnement du ciel non polarisé. Si un radiomètre muni dlun polariseur vise la surface plane de la source à mesurer sous un angle i, toutes les équations établies ci-dessus restent valables en décomposant la vibration en ses deux composantes parallèle et perpendiculaire au plan d'incidencé pour lesquelles le coefficient de réflexion est respectivement rXQ et r Wr . su on suppose le polariseur parfait ne transmettant que la vibration dans le plain d'incidence, l'erreur sur la mesure est On peut alors définir un facteur de diminution d'erreur qui sera où #Tref(o) est l'erreur sur la mesure commise lorsque le radiomètre non polarisant vise la surface de la source sous une incidence normale A::titre exemple non limitatif, on a effectué le calcul de Fl pour une surface d1eau plane, en considérant le cas d'un radiomètre ayant une fonction filtre T = 1 pour 8 m 13, 6 m Les résultats sont donnés à la figure 15. Cette figure montre que l'erreur sur la mesure de la température dXune surface d'eau parfaitement plane est diminuée lorsque l'on utilise un radiomètre polarisant. Cette erreur était de l'ordre de 0,50C lorsque l'on travaillait sous une incidence normale avec un radiomètre non polarisant.Pour une incidence de 500, on constate quelle n'est plus que de l'ordre de 0,04 C, si on utilise un radiomètre à polariseur0 Une caractéristique supplèmentaire très avantageuse du radiomètre polarisant est qu'il permet de s'affranchir de l'emploi d'un radiomètre auxiliaire pour évaluer le terme I#(T) - IXs(i) nécessaire pour évaluer le terme #Tlref (i) . En effet, deux mesures, successives du rayonnement ment émis par lXeau lorsque le polariseur transmet la vibration dans le plan perpendiculaire au plan d'incidence puis lorsque le polariseur tranmet la vibration dans le plan d'incidence permettant d'évaluer le terme Connaissant r#l(1) et rXr(i), on pourra en déduireI(T) - I#s(i) et donc évaluer le terme ce qui permet de connaître #Trefl(i) R E V E N D I C I T I 0 N S 1 / Procédé permettant de mesurer, avec précision, la puissance des ondes électromagnétiques transportées par un faisceau lumineux à étudier caractérisé en ce que lton compare ladite puissance tondes électromagnétiques à celle reçue d'un corps noir de référence, qu'on règle la température dudit corps noir de telle façon que la puissance des ondes électromagnétiques émises par ledit corps noir soit substantiellement égale à la puis sanve des ondes électromagnétiques transportée par ledit faisceau étudier, dans un intervalle spectral prédéterminé, et qu'on mesure la température dudit corps noir. 2 i Procédé tel que défini dans la revendication 1, carac- t é r i s é ,,en outre, par le fait que lXintervalle spectral choisi est celui des radiations infrarouges de longueurs d'onde supérieures à 4 microns et que, en conséquence, la température du corps noir est voisine de la température ambiante. 3 / Procédé, tel que défini dans les revendications 1 ou 2, c a r a c t é r i s é par le fait mulon supprime terreur due aux variatipns de température des divers composants du système optique en s'arrangeant pour que les trajets optiques suivis par les deux faisceaux d'ondes électromagnétiques à comparer soient rigoureusement semblables. 40/ Procédé tel que défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 5, c a r acté r i s é par le fait qu'on interpose au moins un polariseur en au moins un point en amont du detecteur de radiations électromagnétiques. 5 / Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, c a r a c t é r i s é en ce que les ondes électromagnétiques transportées par le faisceau lumineux à étudier sont celles issues dtune cible dont on veut mesurer la température apparente, et que la température vraie du corps noir de référence est prise comme étant la mesure de ladite température apparente. 60/ Dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé décrit dans les revendications 1 et 5 comportant un premier système optique destiné à capter le faisceau lumineux à étudier, un deuxième système optique destiné à capter le flux lumineux émis par une source de référence, un corps noir réglable en température destiné à servir de source de référence/ un modulateur destiné à orienter alternativement vers un détecteur commun les radiations du faisceau lumineux à étudier et du corps noir de rt5férence, un dispositif d'asservissement de la température du corps noir de référence commandé par le signal de sortie du détecteur, et un dispositif de mesure de la température du corps noir, caractérisé en ce que la température du corps noir est constamment maintenue à une valeur telle que les flux lumineux issus du faisceau à étudier et du corps noir de référence, au niveau du détecteur, soient rendus aussi voisins que possible en énergie. 70/ Dispositif selon la revendication 6, c a r a c t é r i s é en ce que les trajets optiques définis par le premier système optique et le deuxième système optique sont substantiellement identiques, et que la température de ensemble est aussi uniforme que possible. 80/ Dispositif selon la revendication 6 ou 7, c a r a c t é r i s 6 'en ce que le dispositif d'asservissement de la température comporte une batterie à effet PELTIER permettant, à volonté, de -chauffer ou refroidir le corps noir de référence. J/ Dispositif selon les revendications 6 à 8, c a r a c t é r i s é en ce que le système régulateur est du type P.I.D. (proportionnel intégrateur-dérivateur). 100/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, c a r a c t é r i s é en ce que le modulateur est du type à miroir susceptible de tourner autour d'un axe perpendicu.e laire à la direction des faisceaux. 110/ Dispositif selon l1une quelconque aes revendications 6 à 10, c a r a c t é r i s é en ce que le modulateur est du type à prisme animé dtun mouvement de va-et-vient. 12 / Dispositif mettant en oeuvre le procédé défini en revendication 4 et conforme d'autre part aux prescriptions de l'une quelconque des revendications 6 à 11, c a r a c t é r i s é en ce que lton interpose sur le trajet des faisceaux lumineux en au moins un point, au moins un polariseur orientable, permettant d'obtenir une ou plusieurs mesures de température en relation avec la puissance du faisceau lumineux à étudier, fonctions de l'orientation du plan de polarisation de la lumière transmise au détecteur. 130/ Dispositif conforme à la revendication 12, mettant en oeuvre le procédé décrit en revendication 5, c a r a c t é r i s é en ce que un seul polariseur est disposé entre le modulateur et le détecteur, et que l'on effectue deux mesures de température apparente de la cible, pour deux orientations différentes du polariseur.