Brevet FR2675256A1 — publié le 19921016

PROCEDE POUR LA MESURE DU RAYONNEMENT THERMIQUE ET DISPOSITIF POUR LA REALISATION DU PROCEDE L'invention concerne un procédé pour la mesure du rayonnement thermique à partir de petits angles spatiaux selon la méthode de la lumière alternée et un dispositif pour la réalisation du procédé. On effectue des mesures du rayonnement thermique à partir de petits angles spatiaux pour déterminer par exemple la température de surfaces naturelles ou artificielles comme par exemple celle de la surface terrestre ou maritime ou celle des surfaces de métaux, matières synthétiques etc Ceci peut s'effectuer de façon stationnaire, mais souvent également à partir de véhicules terrestres, maritimes et aériens ainsi qu'à partir de satellites artificiels. Pour ce faire, on utilise de préférence des radio- mètres qui fonctionnent selon le procédé de la lumière alternée Dans ce cas, on module alors, la plupart du temps au moyen d'un disque modulateur, le rayonnement se produi- sant sur un détecteur de rayonnement à faible inertie de façon à produire une alternance constante entre un rayonne- ment à mesurer et un rayonnement comparatif Les signaux de lumière alternée arrivant ainsi sur le détecteur sont con- vertis en tensions ou courants alternés qui sont amplifiés et pour finir redressés Les tensions ou courants ainsi obtenus sont proportionnels dans sensiblement la différence entre le rayonnement de mesure et le rayonnement comparatif. Des radiomètres du type précité sont par exemple décrits dans les documents DE 23 06 449 et DE 20 47 284 ainsi que dans le document DE 25 03 259 Dans les deux premiers documents, on fait appel à des éléments en rotation pour la modulation; dans le document cité en dernier, on fait appel à un miroir oscillateur A titre d'exemple de ces appareils, on va décrire brièvement ci-après un radio- mètre selon le document DE 23 06 449 en se référant à la figure 3 Dans le radiomètre connu, un disque modulateur MO réfléchissant à pales multiples, lequel dans le document porte également la désignation de vibrateur de rayonnement, est en rotation devant un caisson A stabilisé en température sur le côté avant duquel est prévu un système de lentilles convergentes O et sur le côté arrière duquel est monté un détecteur D Sur le détecteur D parvient en alternance constante un rayonnement de mesure et le rayonnement propre du système optique O ou système de lentilles de convergence réfléchi par le disque modulateur réfléchissant MO et par le caisson A en tant que rayonnement de référence Etant donné que ces parties ont une température constante, sous réserve d'une amplification électrique constante -, le signal obtenu ne dépendrait que de la différence de rayon- nement entre un objet de mesure et le caisson A avec le système optique O si les ailes du disque modulateur MO possédaient un pouvoir de réflection de r = 1 Etant donné que ceci ne peut être obtenu, leur émission et partant, leur température entrent dans une certaine proportion dans les valeurs de mesure Or, cette influence est d'une importance telle à empêcher l'obtention de mesures de haute précision de cette manière Pour cette raison, le document DE 23 06 449 traite d'une possibilité de compensation; il ne s'agit toutefois que d'un compromis qui ne peut être considéré que comme un expédient et dans la pratique cette possibilité ne s'est ni confirmée, ni imposée. De plus, comme cela a déjà été mentionné dans le signal de mesure, entre l'amplification électrique laquelle par exemple varie en fonction des influences de la tempéra- ture et qui par conséquent exerce une incidence supplémen- taire sur le résultat des mesures Dans la proposition de solution selon le document DE 23 06 449, ce phénomène n'est pas pris en compte. Pour supprimer ces inconvénients, différents systè- mes de mesure ont été proposés, systèmes de mesure qui hormis le rayonnement de l'objet de mesure d'ailleurs en d'autres temps mesurent le rayonnement d'au moins un émetteur de rayonnement supplémentaire de température connu et permettent ainsi un recalibrage pendant le fonctionnement du radiomètre (voir par exemple les documents DE 31 08 153, DE 31 49 523 et DE 23 24 852) Etant donné que ces calibra- ges et naturellement aussi les permutations entre le rayon- nement de mesure et le rayonnement de calibrage exigent un certain temps, ces portions de temps font défaut pour le rayonnement de mesure Ceci constitue un inconvénient, notamment dans les mesures à partir d'engins aériens. Le but de la présente invention est par conséquent de proposer un procédé pour la mesure du rayonnement thermi- que à partir de petits angles spatiaux et un dispositif pour la réalisation du procédé en évitant les inconvénients précités des radiomètres connus et d'obtenir un rayonnement mesuré non faussé et de grande précision. Selon l'invention, ceci est obtenu dans un procédé de mesure du rayonnement thermique à partir de petits angles spatiaux selon le procédé de la lumière alternée et en mesurant, hormis un rayonnement de mesure en synchronisation avec le procédé de lumière alternée, en plus le rayonnement d'au moins deux émetteurs de rayonnement de calibrage. Dans un dispositif pour la réalisation du procédé selon l'invention, on fait appel en tant que modulateur à un miroir de renvoi agencé sous un angle déterminé, prédéfini de façon fixe Pour cela, le miroir de renvoi est soumis à une rotation autour de l'axe optique de façon continue à partir d'une position dans laquelle le rayonnement de mesure est renvoyé sur le détecteur, dans des positions dans lesquelles le rayonnement de calibrage est renvoyé sur le détecteur de façon que le miroir de renvoi demeure immobi- lisé un certain temps dans les différentes positions De cette manière, on peut, à partir des signaux du détecteur pour ces temps d'immobilisation déterminer la différence de rayonnement entre le rayonnement de mesure et le rayonnement de calibrage ainsi qu'entre les deux rayonnements de cali- brage. Lorsque par conséquent les deux rayonnements de calibrage sont connus, on obtient de cette manière un calibrage pour chacune des différentes périodes de mesure, c'est-à-dire un calibrage inhérent Dans la mesure o à l'intérieur d'un cycle de rotation du miroir, il ne se produit ni modification du coefficient d'émission et de la température du miroir, ni modification de l'amplification et des rayonnements de calibrage, le résultat de mesure ne sera fonction ni du rayonnement émis par le miroir, ni de l'amplification électrique Le résultat des mesures sera en revanche déterminé par les deux rayonnements de calibrage et le rapport entre les tensions de mesure lors du calibrage et lors de la mesure proprement dite. On va expliquer ceci plus en détail au moyen des équations suivantes Dans les équations, les deux rayonne- ments de calibrage sont désignés par S Kl et SM 2, le rayonnement à mesurer par SMESS, la capacité d'émission par E 6 et la température du modulateur par TD et l'amplifica- tion électrique par R La tension résultant lors de la mesure de la différence du rayonnement de mesure par rapport au rayonnement de calibrage, s'obtient alors comme suit: UMESS = R ( 1 EMO)SKAL 1 + MO S(T Mo D) ( 1 E Mo)SM Es S S 5 (T) Mo S(T Mo) = R( 1 O)(SKAL 1 SMESS) ( 1) La tension pour la mesure de différence des deux émetteurs de rayonnement de calibrage s'obtient alors de la manière suivante: UKAL =R l ( 1 EMO)SKAL 2 + 'Mo S(TMOD) ( MO)SKAL 1 F Mo S(TMOD) l _ %t M 1 KL b KAL 1 t = e MO'>KAL 2 'KALI) ( 2) Par une formation de quotient de Ut Eel/UKA Dr C'est-à- dire des équations ( 1) et ( 2) on peut déterminer le rayonne- ment de mesure comme étant: SMESS SKAL 1 ME (SKAL 2 SKAL 1) ( 3) Dans l'équation ( 3), pour déterminer le rayonnement à mesurer SMESS ne sont nécessaires que les rayonnements de calibrage Sx LI et SKXL 2 et le rapport UM Ess/UL. On va maintenant décrire l'invention plus en détail à la lumière de modes de réalisation préférés en se référant au dessin d'accompagnement dans lequel: la figure 1 est une représentation en perspective schématisée et partiellement en coupe d'un mode de réalisa- tion préféré d'un dispositif pour la réalisation du procédé selon l'invention; la figure 2 est une représentation schématique de l'allure d'un signal de tension alternative amplifiée qui est obtenue avec le dispositif de l'invention montré à la figure 2, et la figure 3 est une représentation en perspective schématisée, partiellement en coupe d'un système de mesure traditionnel fonctionnant selon le procédé de la lumière alternée. La figure 1 représente un mode de réalisation préféré d'un dispositif pour la réalisation du procédé selon l'invention, dans lequel contrairement à celui de la figure 3 le disque modulateur réfléchissant a été supprimé Dans le mode de réalisation selon la figure 1, le miroir rotatif DS servant de miroir de renvoi est utilisé comme modulateur. Ce miroir tourne en continu autour d'un axe optique OA de façon à être immobilisé régulièrement pendant une certaine durée dans des positions correspondantes, positions dans lesquelles le rayonnement de mesure ou un rayonnement de calibrage sont renvoyés sur le détecteur D De préférence, le miroir DS est entrainé par un moteur fonctionnant en pas- à-pas non représenté en détail, de façon à l'amener dans les différentes positions en pas-à-pas et à l'immobiliser dans ces positions pendant la durée nécessaire pour la réalisation du processus de mesure. Sur la figure 1, la modulation s'effectue par le miroir rotatif DS De cette manière, on obtient alors une allure de signal représentée schématiquement sur la figure 2, allure de signal à partir de laquelle on peut déterminer pour l'analyse selon l'équation ( 3) les tensions UMESS et Usé. Les rayonnements de calibrage SALA et S Ku 2 peuvent être déterminés à partir de la température des émetteurs de rayonnement lorsque ceux-ci sont par exemple conçus sous la forme d'émetteurs de rayonnement de corps noirs ou d'espace vide. De cette manière, à partir des signaux du détecteur obtenus pendant ces temps d'immobilisation du miroir rota- tif, on peut déterminer la différence de rayonnement entre un rayonnement de mesure et un rayonnement de calibrage et entre les deux rayonnements de calibrage De cette manière, pour chacune des différentes périodes de mesure on obtient un calibrage propre lorsque les rayonnements des deux émet- teurs de rayonnement de calibrage KAL 1 et KAL 2 sont connus. Le résultat des mesures est par conséquent uniquement déterminé par les deux rayonnements de calibrage et par le rapport des tensions de mesure lors d'un calibrage et lors d'un processus de mesure. REVENDICATIONS 1 Procédé pour la mesure de rayonnement thermique à partir de petits angles spatiaux selon le procdé de la lumière alternée, caractérisé en ce que l'on mesure aussi bien le rayonnement de mesure (MESS) que le rayonnement d'au moins deux émetteurs de rayonnement de calibrage (KAL 1, KAL 2) en synchronisation avec le procédé de la lumière alternée. 2 Dispositif pour la réalisation du procédé selon la revendication 1, avec un système à lentilles de conver- gence ou système optique ( 0) prévu sur le côté avant d'un caisson et un détecteur (D) disposé à l'intérieur du caisson sur son côté arrière, dispositif caractérisé en ce que le rayonnement de mesure (MESS) et le rayonnement d'au moins deux émetteurs de calibrage (KAL 1, KAL 2) sont guidés par un miroir rotatif (DS) disposé devant le système optique ( 0), miroir qui est rotatif autour de l'axe optique (AO) du système formé par le système optique (O) et le détecteur (D) d'un radiomètre et qui (DS) est disposé à angle déterminé par rapport à l'axe optique (AO), et en ce que le miroir (DS) est constamment entrainé en un mouvement rotatif permettant l'immobilisation pendant une certaine durée prédéterminée dans la direction de mesure et lors de l'alignement ou pointage sur le(s) émetteurs(s) de rayonne- ment de calibrage (KAL 1, KAL 2). 3 Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par un système de traitement des signaux qui procède au traitement des signaux de façon que pour les positions du miroir rotatif (DS), positions dans lesquelles consécutivement le rayonnement des deux émetteurs de rayonnement de calibrage (Ska,1 et Sk,12) et le rayonnement de mesure (S Mess) sont incidents sur un objet de mesure, sont formées les différences U Mess = R ( 1-EMO) (Ska 1-S Mess) ou R ( 1- EMO) ( S Ka 2-SM) et U Kal = R ( 1 EMO) (S Ka 12-S Ka,11) après avoir chaque fois atteint une hauteur de signal pleine.