DE60204212T2 - Radiometer - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft Radiometer und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich Abbildungsradiometer, passive Echtzeit-Abbildungseinrichtungen für Millimeterwellen sowie passive Abbildungseinrichtungen mit Viertelwellenlängenplättchen für Millimeterwellen.
• Anordnungen aus Radiometer-Abtasteinrichtungen besitzen verschiedene bekannte Konfigurationen, wobei die Größe der Abtasteinrichtung zu berücksichtigen ist.
• Radiometer erfassen elektromagnetische Strahlung mit Funkwellenlänge und besitzen typischerweise eine Antenne, einen Verstärker und einen Detektor. Ein Abbildungsradiometer (oder eine passive Abbildungseinrichtung für Millimeterwellen) besitzt zusätzlich eine Fokussierungsoptik. Alle Komponenten besitzen Verhaltenscharakteristiken, die von der Temperatur abhängig sein können und bei der Antenne von Temperaturdifferenzen über dem Empfängerarray abhängen. Unterschiedliche Temperaturen über ein Mehrkanal-Empfängerarray und ein unterschiedliches Kanaltemperaturverhalten können eine schlechte Bildqualität zur Folge haben.
• Auf Grund der Tatsache, dass die Ausgangssignale des Detektors eines Radiometers in gewissem Umfang von der Temperatur des Radiometers und von Temperaturdifferenzen über dem Radiometer abhängig sind, ist es erforderlich, das Radiometer zu kalibrieren, um die Ausgangssignale von dem Detektor zu kompensieren oder zu modifizieren, um zuverlässigere Bilder einer Szene zu erhalten. Ein Radiometer erhält typischerweise periodisch eine Labor- oder Werks-Hauptkalibrierung, um es zurückzusetzen (z. B. alle vier Monate oder dergleichen). Das enthält typischerweise das Richten der Antenne auf eine warme Quelle mit bekannter Temperatur (z. B. Umgebungs raumtemperatur) und das Richten der Antenne auf eine kalte Quelle mit bekannter Temperatur (z. B. flüssiger Stickstoff). In dem Radiometer enthaltene Software kann dann die wesentliche Grundkalibrierung ausführen, wobei die Verstärkung und die Offset-Spannung eingestellt werden, die auf die Ausgangsspannung des Detektors anzuwenden sind.
• Die Verstärkung und der Offset eines Kanals eines Radiometers schwankt jedoch mit der Temperatur des Radiometers zum Zeitpunkt seiner Verwendung und dieser Effekt kann die Verstärkung um bis zu 30% ändern. Es gibt weitere Faktoren, die die Verstärkung und den Offset ändern können, die Temperatur kann jedoch ein wesentlicher variabler Faktor sein. Änderungen der Umgebungstemperatur können wesentliche Probleme für Abbildungsradiometer bewirken. Noch wichtiger für ein Abbildungsradiometer ist die Tatsache, dass verschiedene Antennenkanäle (oder der gleiche Antennenkanal zu verschiedenen Zeitpunkten) unterschiedliche Temperaturen aufweisen können, was eine Verzerrung der Ausgangsspannung des Detektors bzw. der Detektoren und somit eine Bildverzerrung bewirken kann. Der Verstärker kann ferner verschiedene Temperaturen zu unterschiedlichen Zeitpunkten während des Erfassungsprozesses aufweisen und das wird die Ausgangsspannung des Detektors beeinflussen.
• Es ist bekannt, dass die obigen Probleme auf mehrere Arten gemindert werden können. Eine Möglichkeit besteht darin sich zu bemühen, die Temperatur der temperaturempfindlichen Komponenten des Radiometers während des Betriebs des Radiometers konstant zu halten, so dass lediglich Temperaturänderungen, die der Detektor infolge einfallender Strahlung (d. h. die Millimeterwellen-Strahlung, die erfasst wird) erkennt, eine Änderung der Detektor-Ausgangsspannung bewirken. Diese Lösung funktioniert: Es ist möglich, ein Radiometer in einer Kammer mit gesteuerter Umgebung vorzusehen und das gesamte Radiometer auf einer sorgfältig gesteuerten Temperatur zu halten, z. B. eine stabile erhöhte Temperatur (erhöht im Vergleich zu typischen Umgebungstemperaturen). Die Vorrichtung ist dann jedoch nicht sehr benutzerfreundlich und der externe Heiz- und/oder Kühlmechanismus der Kammer sowie ihre Servosteuereinrichtungen sind komplex und teuer sowie anfällig für mechanische Ausfälle oder Beschädigungen. Die Vorrichtung besitzt außerdem zusätzliches Gewicht und Volumen.
• Eine weitere Lösung besteht darin, die Szenensignale mit einem Referenzsignal zu vergleichen und diese Referenz zu verwenden, um das Radiometer periodisch neu zu kalibrieren. Das Radiometer kann zwischen jedem Rahmen eines Abbildungsradiometers neu kalibriert werden. Das Referenzsignal könnte von einem Pulsformer bereitgestellt werden, das halbiert jedoch typischerweise die Empfindlichkeit der Vorrichtung (da die Detektoren die Hälfte ihrer Zeit brauchen, um den Referenzpulsformer zu verfolgen). Alternativ ist bekannt, ein elektronisches Rauschsignal von einem Widerstand in das Detektorsignal einzuführen und dieses Rauschen als ein Referenzsignal zu verwenden. Die Verstärkung des Verstärkers, der in der Rauschquelle verwendet wird, kann sich jedoch mit der Temperatur ändern und deshalb kann das Referenzsignal nicht in gewünschtem Maße stabil sein.
• Weitere Probleme, die bei Radiometern auftreten, bestehen darin, dass bei Millimeterwellen-Radiometern die Detektor-Feed-Hörner eine endliche Größe besitzen, die eine Begrenzung darstellt, wie eng sie in einem linearen Array beabstandet sein können. Es ist ferner gelegentlich erwünscht, einen größeren Informationsgehalt/eine größere Unterscheidung in dem Signal zwischen fiktiven Pixeln in einer beobachteten Szene zu haben.
• Die Patentschrift US 6.057.799 offenbart ein interferometrisches Höchstfrequenz-Radiometersystem. Das System besitzt eine konische Abtastanordnung und verwendet Antennen, die in Unterarrays angeordnet sind, wobei einzelne Antennenelemente kombiniert sind, um kombinierte Elemente zu bilden, um den Raumbedarf zu verringern. Die Veröffentlichung WO 00/14587 lehrt ein Abtastsystem, das für eine Verwendung bei einem passiven Abbildungssystem für Millimeterwellen geeignet ist, und lehrt die Verwendung von Fokussierungsmitteln und eines Detektor-Array, wobei die Krümmung des Detektor-Array mit den Fokussierungsmitteln zusammenwirken, um das Bild auf dem Array zu fokussieren.
• Es gibt eine Pixelabfragedauer in einem Abtastradiometer: Wenn diese zu lang ist, können die Daten infolge von Änderungen in der beobachteten Szene unzuverlässig sein. Es ist deswegen erwünscht, die Pixelabfragedauer des Radiometerdetektors auf einem geringen Wert zu halten.
• Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein neues Radiometer zu schaffen. Das Radiometer kann wenigstens eine der oben genannten Schwierigkeiten zumindest mindern. Es ist eine Aufgabe einer Ausführungsform der Erfindung, ein Radiometer mit verbesserten Kalibrierungsmerkmalen zu schaffen, um Temperaturschwankungen auszugleichen und wahlweise die Kalibrierung/Kompensation zu erreichen, ohne oder mit wenigen beweglichen Teilen sowie ohne die Masse oder die Größe der Vorrichtung wesentlich zu vergrößern.
• Es ist eine Aufgabe einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die Auflösung und/oder die Bildqualität zu verbessern.
• Offset-Array
• Gemäß der vorliegenden Erfindung gibt es ein Abtastradiometer mit einem Detektor-Array, einer Abtasteinrichtung und einem Steuerprozessor, der so beschaffen ist, dass er Signale von dem Detektor-Array empfängt, wobei das Detektor-Array eine lang gestreckte Ausdehnung oder Krümmung sowie Detektor-Array-Feed-Elemente, die jeweils entsprechende Kanäle speisen, hat, wobei die Feed-Elemente längs der lang gestreckten Ausdehnung oder Krümmung des Array beabstandet sind, und wobei die Abtasteinrichtung im Gebrauch durch den Steuerprozessor gesteuert wird, um Bereiche einer beobachteten Szene über dem Detektor-Array abzutasten, und bei dem das Detektor-Array eine erste Zeile oder Krümmung aus Feed-Elementen, die mit ihren Zentren um einen ersten Abstand beabstandet sind, und eine zweite Zeile oder Krümmung aus Feed-Elementen, die um einen zweiten Abstand beabstandet sind, wobei die Zentren der ersten oder der zweiten Zeile oder Krümmung aus Detektorelementen in der Erstreckungsrichtung der ersten Zeile oder Krümmung zueinander versetzt sind.
• Die Zeilen aus Feed-Elementen müssen nicht gerade sein: Sie können gekrümmt sein.
• Die Krümmungen der gekrümmten Detektor-Arrays können sich angrenzend an geradlinige Arrays oder angrenzend an ringförmige Arrays befinden. Bei geradlinigen Arrays enthält das Abtastmuster in der Abbildungseinrichtung geradlinig verlagerte Kreise und bei ringförmigen Arrays enthält das Abtastmuster ringförmig verlagerte Kreise. Der Vorteil des ringförmigen Arrays besteht darin, dass in der Mitte des Bildes eine größere Anzahl von Abtastwerten aufgenommen wird. Der Vorteil des geradlinigen Arrays besteht darin, dass es einfacher herzustellen ist.
• Die Feed-Elemente einer Zeile oder Krümmung sind gewöhnlich gleichmäßig voneinander beabstandet, wobei das gelegentlich nicht der Fall ist. Der Abstand der Feed-Elemente der ersten Zeile oder Krümmung ist gewöhnlich gleich dem Abstand der Feed-Elemente längs der zweiten Zeile oder Krümmung, wobei das gelegentlich nicht der Fall ist.
• Die zweite Zeile oder Krümmung erstreckt sich vorzugsweise im Allgemeinen parallel zu der ersten Zeile. Die erste und die zweite Zeile oder Krümmung aus Detektor-Feeds sind vorzugsweise einander benachbart, wobei stärker bevorzugt ist, dass sie im Wesentlichen so nahe beieinander angeordnet sind, wie es die Geometrie der Feed-Elemente erlaubt. Die erste Strecke ist vorzugsweise im Wesentlichen so klein, wie es die Geometrie der Feed-Elemente erlaubt. Das erste und das zweite Feed-Element haben vorzugsweise im Wesentlichen die gleiche Größe. Die erste und die zweite Zeile oder Krümmung umfasst vorzugsweise im Wesentlichen identische Feed-Elemente, die im Wesentlichen möglichst nahe zu benachbarten Feed-Elementen in ihrer eigenen Zeile oder Krümmung angeordnet sind, und bei zwei Zeilen oder Krümmungen sind sie im Wesentlichen möglichst nahe zueinander angeordnet mit einem Versatz bei den Relativpositionen der ersten und der zweiten Zeile oder Krümmung in ihrer Erstreckungsrichtung.
• Durch die möglichst nahe Anordnung der Detektorelemente wird die Auflösung der Vorrichtung verbessert.
• Als Ergebnis des Versatzes der Detektorelemente in der zweiten Zeile relativ zu den Detektorelementen in der ersten Zeile, wobei sich die beiden Zeilen nahezu an der gleichen Stelle im Raum befinden, wird effektiv ein Mehrzeilen-Array geschaffen, das einem Einzelzeilen-Array gleichwertig ist, jedoch mit einem geringeren Abstand der Feed-Elemente in der Erstreckungsrichtung des Arrays versehen ist.
• Es gibt eine Grenze, wie nahe beieinander die Zentren von zwei Feed-Elementen sein können. Sie sind typischerweise rechtwinklige Hörner und besitzen eine endliche Größe. Das stellt eine Einschränkung dar, wie nahe beieinander die Hörner in einer Zeile angeordnet sein können, was wiederum eine Einschränkung der Auflösung der Vorrichtung darstellt.
• Das Versetzen der Hörner/Feeds von benachbarten Zeilen aus Hörnern/Feeds reduziert effektiv den Zeilenabstand zwischen den Zentren von zwei Hörnern (die Strecke zwischen den Hornzentren in der Erstreckungsrichtung).
• Der Versatz kann ein Versatz um 1/2 Schrittweite sein. Dadurch wird effektiv der Abstand zwischen den Feeds in der Erstreckungsrichtung halbiert. Alternativ kann ein anderer Versatz verwendet werden (z. B. 1/4 oder 1/3 Schrittweite).
• Es können lediglich zwei Zeilen aus Feed-Elementen vorhanden sein, es ist jedoch nicht notwendig, dass lediglich zwei Zeilen aus Feed-Elementen vorhanden sind; es können mehr als zwei Zeilen aus Feed-Elementen vorgesehen sein, z. B. 3, 4 usw. Wenn n ähnliche Zeilen aus Feed-Elementen vorhanden sind, kann der Feed-Abstand in der geraden Richtung zwischen den Zentren der Feed-Elemente in den Zeilen 1/n der Schrittweite betragen.
• Die Richtung der Abtastung der Szene über dem Detektor-Array kann im Wesentlichen senkrecht zu der Erstreckungsrichtung der Elementzeilen des Detektors sein. Bei nicht geradlinigen Arrays kann die Erstreckungsrichtung eine lokale Erstreckungsrichtung sein, wobei sich die Bezeichnung lokal auf einige wenige oder möglicherweise lediglich zwei Feed-Elemente des Array bezieht. Für zwei beliebige benachbarte Feed-Elemente in einer Zeile (gekrümmten Zeile) aus Feed-Elementen gibt es z. B. eine Linie zwischen ihnen und ein versetztes Feed-Element aus einer anderen Zeile kann bei Betrachtung in der Projektionsrichtung längs der Line der auf die beiden benachbarten Feed-Elemente auftreffenden Strahlung in dieser Lücke angeordnet sein.
• Der Versatz zwischen den Zentren von Feed-Elementen von unterschiedlichen Zeile aus Feed-Elementen kann so sein, dass der effektive Abstand zwischen den Zentren der Feed-Elemente auf den Nyquist-Abstand oder ungefähr auf den Nyquist-Abstand oder besser als der Nyquist-Abstand verringert ist.
• Der Nyquist-Abstand hängt natürlich von der Frequenz der verwendeten Strahlung ab. Es ist vorgesehen, dass die Zentren der Feed-Elemente einer einzelnen Zeile um etwa λFn beabstandet sein könnten und dass der Nyquist-Abstand der interessierenden Strahlung (λ/2)Fn sein könnte, was bedeutet, dass die beiden Zeilen aus Feed-Elementen mit einem Abstand von 1/2 Schrittweite ein System bilden, das etwa den Nyquist-Abstand aufweist (wobei λ die Wellenlänge der Strahlung im freien Raum ist, Fn die F-Zahl der Fokussierungsoptik ist und Fn der Quotient aus der Brennweite und dem Durchmesser der Optik ist.) Das Radiometer ist vorzugsweise ein Abbildungsradiometer.
• Die Fokussierungsoptik umfasst vorteilhaft ein Fokussierungselement, das so beschaffen ist, dass es im Gebrauch Strahlung, die auf dem Detektor auftrifft, fokussiert, und die Abtasteinrichtung umfasst eine Richteinrichtung des Gesichtsfeldes des Detektors mit einer Reflektorplatte, die um eine Drehachse drehbar ist, wobei die Ebene der Reflektorplatte relativ zu der Normalen der Drehachse geneigt ist, und ein Viertelwellenlängenplättchen, das so vorgesehen ist, dass es zwischen der Reflektorplatte und dem Fokussierungselement angeordnet ist; wobei der Detektor ein Detektor-Feed aufweist, das so vorgesehen ist, dass es zwischen dem Fokussierungselement und der Reflektorplatte angeordnet ist.
• Das Fokussierungselement umfasst vorzugsweise außerdem einen Polarisator, der so beschaffen ist, dass er im Gebrauch Strahlung einer Polarisation (z. B. einer ersten Polarisationsebene) durchlässt und Strahlung mit einer hierzu senkrechten Polarisation reflektiert.
• Kalibrierung
• Die Erfindung umfasst ferner vorteilhaft einen Geber für eine absolute Referenztemperatur, wobei die Anordnung derart ist, dass das Radiometer im Gebrauch in eine Kalibrierungsbetriebsart versetzt werden kann, in der die Verstärkung und/oder der Offset, die dem oder wenigstens einem oder jedem Detektorkanal zugeordnet sind, unter Verwendung von Signalen, die von dem Referenztemperatur-Geber abgeleitet werden, zurücksetzt werden.
• Defokussierung
• Die Fokussierungsoptik umfasst vorteilhaft eine Fokussierungseinrichtung, die so beschaffen ist, dass sie im Gebrauch auf das Detektor-Feedarray aus Detektor-Feed-Elementen einfallende Strahlung fokussiert, damit das Radiometer eine normale Abbildungsoperation ausführt, und eine Defokussierungseinrichtung, die so beschaffen ist, dass sie Strahlung von der Szene, die auf das Detektor-Feed oder das Detektor-Feedarray fällt, defokussiert, so dass im Gebrauch auf jedes Feed-Element des Detektors im Wesentlichen die gleiche Strahlung auftrifft.
• Das Defokussierungselement kann dasselbe Element wie die Fokussierungseinrichtung sein. Die Fokussierungseinrichtung kann eine Fokussierungskonfiguration und eine Defokussierungskonfiguration besitzen. Das Fokussierungselement wird vorzugsweise in Winkelrichtung bewegt, um von der Fokussierungskonfiguration zur Defokussierungskonfiguration zu wechseln. Das Fokussierungselement kann zwischen den Konfigurationen in Winkelrichtung um 90° bewegt werden. Das Fokussierungselement umfasst vorzugsweise einen linearen Polarisator. Das Fokussierungselement fokussiert vorzugsweise Strahlung mit einer ersten linearen Polarisation auf das Detektor-Array und keine Strahlung mit einer Polarisation, die um 90° verschoben ist.
• Das Fokussierungselement kann eine Schüssel aus im Allgemeinen parallelen Drähten umfassen. Das Fokussierungselement kann vor dem Detektor-Feedarray in Bezug auf eine die Szene aufnehmende Öffnung des Radiometers angeordnet sein. Ein Reflektor und/oder ein die Polarisation veränderndes Element können vorgesehen sein. Das die Polarisation verändernde Element ist vorzugsweise zwischen dem Reflektor und dem Fokussierungselement vorgesehen. Das die Polarisation verändernde Element kann ein Viertelwellenlängenplättchen sein, wie etwa eine Vorrichtung mit Mäanderlinie.
• Aktive Temperaturstabilisierung
• Die Erfindung umfasst ferner vorteilhaft einen Verstärker, der Signale von dem Detektor empfängt und verstärkte Signale an einen Steuerprozessor bereitstellt; einen oder mehrere Temperatursensoren, die die Temperatur von einem oder mehreren temperaturempfindlichen Komponenten des Radiometers erfassen, z. B. eine oder mehrere Temperaturen des eigentlichen Radiometers, des Detektors, des Verstärkers oder des Detektor-Feeds; sowie Temperatursteuermittel; wobei der Temperatursensor im Gebrauch Temperatursignale des Radiometers an den Steuerprozessor bereitstellt, die die Temperatur von einem oder von mehreren temperaturempfindlichen Komponenten angeben und die Steuereinheit so beschaffen ist, dass sie die Temperatursteuermittel in der Weise steuert, dass sie die Temperatur von einer oder von mehreren temperaturempfindlichen Komponenten im Gebrauch im Wesentlichen konstant hält.
• Dadurch werden übermäßige Schwankungen der Temperatur von Komponenten, deren Temperaturänderung die Verstärkung und/oder den Offset eines Kanals oder zwischen Kanälen beeinflussen würde, vermieden und somit werden übermäßige Auswirkungen der Temperatur vermieden.
• Der Temperatursensor und die Temperatursteuermittel bilden ein Rückführungssystem, um die Steuereinheit zu befähigen, eine geeignete Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten. Die Temperatursteuermittel können thermoelektrische Komponenten, z. B. Komponenten nach dem Peltier-Effekt enthalten, wobei der Steuerprozessor in Reaktion auf die von ihm empfangenen Temperatursignale den elektrischen Strom zu der thermoelektrischen Vorrichtung steuert.
• Einzelne temperaturempfindliche Elemente/Komponenten können ihre eigenen Temperatursteuermittel und/oder Temperatursensoren besitzen.
• 1 zeigt eine Darstellung der Ausgangsspannungen des Detektors als Funktion der Szenentemperatur T_S für Radiometer mit den physikalischen Temperaturen T₁ und T₂;
• die 2A und 2B zeigen Darstellungen der Ausgangsspannungen des Detektors als Funktion der Zeit für ein Radiometer bei zwei unterschiedlichen Temperaturen;
• 3A veranschaulicht schematisch ein Echtzeit-Abtastabbildungsradiometer;
• 3B veranschaulicht das Feed-Array des Radiometers von 3A genauer;
• die 3C bis 3G veranschaulichen schematisch nicht geradlinige Detektor-Arrays;
• 4 veranschaulicht schematisch ein Abbildungsradiometer mit starrendem Array;
• 5A veranschaulicht schematisch die Überlappung von Gesichtsfeldern der verschiedenen Kanäle des Array von 3 bei unterschiedlichen Abtastpositionen der Abtasteinrichtung des Radiometers;
• 5B veranschaulicht schematisch eine Technik zum Kalibrieren oder Ausgleichen von Temperaturänderungen in dem Radiometer von 3;
• die 6 und 7 zeigen weitere Darstellungen von Abtastkegeln über der betrachteten Szene;
• 8 veranschaulicht eine Technik zur selbstständigen Kalibrierung für eine weitere Ausführungsform der Erfindung;
• 9 veranschaulicht ein Echtzeit-Abbildungsradimeter mit konischer Abtastung und Viertelwellenlängenplättchen gemäß der vorliegenden Erfindung;
• 9a veranschaulicht schematisch das Abtasten von verschiedenen Bereichen der beobachteten Szene in unterschiedlichen Detektor-Feeds des Detektor-Feedarrays des Radiometers von 9;
• die 9b und 9c zeigen ein geradliniges Array aus Feed-Elementen und ein zugehöriges Empfindlichkeitsmuster;
• die 9d und 9e zeigen ein ringförmiges Array aus Feed-Elementen und ein zugehöriges Empfindlichkeitsmuster;
• die 10a und 10b zeigen das Radiometer von 9, das zur Kalibrierung konfiguriert ist;
• die 11 bis 13 zeigen ein weiteres Abtastradiometer;
• 14a zeigt ein weiteres Radiometer;
• 14b zeigt die Umwandlung eines kreisförmigen Abtastmusters in ein zweidimensionales Bild, das für eine Darstellung auf einem Monitorbildschirm oder einer Datenspeichereinrichtung geeignet ist; und
• die 15A und 15B zeigen die Veränderung von Verstärkung bzw. Offset mit dem Abtastwinkel θ.
• 1 zeigt schematisch die Ausgangsspannung V eines Detektors eines Radiometers als Funktion der Szenentemperatur und veranschaulicht, dass dann, wenn das Radiometer die Temperatur T besitzt, der Detektor die folgende Beziehung aufweist. V = g1T1S + V01 undV = g2T2S + V02
• Wenn die Vorrichtung auf T₂ ist (wobei T_1S die Szenentemperatur ist, wenn die Vorrichtung auf T₁ ist, g₁ ist die Verstärkung bei T₁ und V₀₁ ist eine Offsetspannung, wenn die Vorrichtung auf T₁ ist, und wobei T_2S die Szenentemperatur ist, wenn die Vorrichtung auf T₂ ist, g₂ ist die Verstärkung bei T_S und V₀₂ ist eine Offsetspannung, wenn die Vorrichtung auf T₂ ist).
• Somit besitzt die Radiometervorrichtung eine Leistungscharakteristik, die temperaturunabhängig ist. Darüber hinaus sind die geradlinigen Darstellungen von 1 grob vereinfacht: Die Empfängerantenne kann ein temperaturunabhängiges Verhalten haben, der Verstärker wird ein temperaturunabhängiges Verhalten haben und der Detektor wird ein temperaturunabhängiges Verhalten haben. Ferner ist es unwahrscheinlich, dass die Temperatur des Radiometers an allen Punkten seines Aufbaus exakt gleich ist, es werden statt dessen thermische Gradienten vorhanden sein.
• Die 2A und 2B zeigen die gleichen Effekte. 2A ist eine Darstellung der Erfassungsspannung als Funktion der Zeit, wenn ein Erfassungskanal die Szene an einem ersten Zeitpunkt beobachtet, wenn der Kanal die Temperatur T₁ besitzt, und 2B ist eine Darstellung der Spannung als Funktion der Zeit zu einem späteren Zeitpunkt, wenn der Kanal die Temperatur T₂ besitzt. In den 2A und 2B sind außerdem die Offsets gezeigt, wobei V₀₁ und V₀₂ die Spannungsoffsets bei T₁ bzw. T₂ sind und g₁ und g₂ die Verstärkungen bei T₁ bzw. T₂ sind.
• Die 3A und 3B zeigen ein Echtzeit-Radiometer 10 zur konischen Abtastung für Millimeterwellen mit Mäanderlinien-Viertelwellenlängenplättchen. Das Echtzeit-Abbildungsradiometer 10 zur passiven Abtastung von Millimeterwellen besitzt eine Abtasteinrichtung 12, eine Fokussierungslinsen-Baueinheit 14, ein Antennen-Feed-Array 16, einen Verstärker 18, einen Detektor 20, einen Mikroprozessor 22, einen Temperatursensor 24 und eine Bildanzeige 26.
• Die Abtasteinrichtung 12 enthält eine ebene oder geringfügig ge krümmte Reflektorplatte 28, die drehbar um eine Achse 30 angebracht ist und um einen Winkel θ (von etwa 5°) zur Normalen der Achse 30 geneigt ist. Die Fokussierungslinsen-Baueinheit 14 enthält eine Viertelwellenlängen-Mäanderlinienplatte 32, die zwischen einer Fokussierungsschüssel 36 und der Reflektorplatte 28 vorgesehen ist. Die Schüssel 36 enthält ein polarisierendes Reflektorelement (z. B. ein Drahtraster).
• Auftreffende Strahlung 5a wird durch die Schüssel/das Raster 36 linear polarisiert, die bzw. das Drähte aufweisen kann, die um 45° zu der Vertikalen geneigt sind, so dass die Komponente der Strahlung mit einer Polarisationsebene von 45° zu der Vertikalen (90° zu der Linie der Drähte in dem Raster) durch das Raster 36 durchgelassen wird. Die linear polarisierte Strahlung, die mit 5b bezeichnet ist, trifft auf die Mäanderlinienplatte 32. Die Richtungsachsen der Mäanderlinien der Platte 32 sind um 45° zu der Richtung der Drähte in dem Raster 36 geneigt (und somit zu der Polarisation der Strahlung 5b). Strahlung 5c, die von der Mäanderlinienplatte 32 ausgeht, ist kreisförmig polarisiert und wird von der Reflektorplatte 28 als Strahlung 5d reflektiert, die im entgegengesetzten Sinn zur Strahlung 5c kreisförmig polarisiert ist. Wenn die Strahlung 5d auf die Mäanderlinienplatte 32 auftrifft, wird sie wieder in linear polarisierte Strahlung, die Strahlung 5e umgesetzt, deren Polarisationsebene im Vergleich zur Strahlung 5b um 90° gedreht ist. Wenn die Strahlung 5e auf das Fokussierungsraster 36 auftrifft, wird sie reflektiert und auf das Feed-Array 15 fokussiert.
• Eine Neigung der Platte 28 um einen Winkel θ bewirkt das Abtasten über einen Winkel von 4θ über der Antenne.
• Die Feed-Array-Antenne 16 besitzt zwei Zeilen, die Zeilen 40 und 42 aus Detektorelementen oder Hörnern 44 (die in 3B am besten gezeigt sind). Jedes Horn umfasst einen Erfassungskanal. Auf jedem einzelnen Detektorelement 44 wird ein kreisförmiges Abtastmuster von der beobachteten Szene markiert, wenn sich die Platte 28 dreht. Da die Detektorelemente einer Zeile aneinander angrenzend liegen, ist das Bild, das von jeder Zeile gebildet wird, eine Reihe von verlagerten Kreisen, wie in 5A gezeigt ist.
• Der Ausgang jedes Horns 44 (der mit 46 bezeichnet ist) wird zu dem Verstärker 18 geleitet. Der Verstärker 18 stellt einen Ausgang an den Detektor 20 bereit (der z. B. ein Schottky-Detektor ist). Der Mikroprozessor 22 empfängt Signale von dem Detektor 20 und dem Temperatursensor 24 und verarbeitet diese Signale, um ein Bild 48 zu erzeugen, das auf der Anzeige 26 angezeigt wird.
• Das Detektor-Array kann ein Feed-Horn, einen Mikrowellen-Wellenleiter, der eine Polarisationsrichtung besitzen kann, sowie einen Empfänger mit monolithischer Mikrowellenschaltung (MMIC) und eine Erfassungsschaltung umfassen. Die Auflösung des Radiometers ist vorzugsweise durch Brechung beschränkt.
• Das Obige ist ein so genanntes konisches Abtastsystem. Es ist besonders kompakt.
• Die 3C bis 3F veranschaulichen, dass die Idee von einer größeren Anzahl von versetzten Feed-Elementen eines Array, um dadurch ihren effektiven Abstand bei Betrachtung längs der Richtung von Strahlung, die auf dem Detektor-Array auftrifft, zu verringern, nicht nur für gerade ebene Arrays, sondern außerdem für gekrümmte Arrays gilt. Es können mehr als zwei Zeilen oder Lagen aus Feed-Elementen vorhanden sein. 3F zeigt ein kreisförmiges Array, das modifiziert wurde, um die vorliegende Erfindung zu verwenden (d. h. zwei Kreise mit versetzten Feed-Elementen). Das Versetzen von Feed-Elementen bei unterschiedlichen Abständen von der Öffnung der Vorrichtung ermöglicht einen größeren Raum für jedes Feed-Element bzw. einen geringeren effektiven Abstand.
• Relative Kalibrierung
• 5A zeigt verschiedene Erfassungswege 50 bis 54, die in einer Szene markiert sind, die durch den Detektor 20 beobachtet wird (oder genauer zeigt die Bereiche einer beobachteten Szene, die infolge der Abtastbewegung der Platte 28 durch den Detektor erfasst werden). Der Kreis 50 ist der ringförmige Bereich der Szene, der auf oder in einen ersten Kanal projiziert wird (z. B. den Kanal 50', der in 3 gezeigt ist). Der Kreis 51 ist der ringförmige Bereich der Szene, der durch den Kanal 51' erfasst wird, wenn die Abtasteinrichtung abtastet, der Kreis 52 ist derjenige, der durch den Kanal 52' erfasst wird, usw. Wenn die Wege 50 bis 54 ausreichend nahe beieinander liegen, kann ein gutes Bild der Szene hergestellt werden. Es ist klar, dass durch das Korrelieren des Zeitpunkts des erfassten Signals mit der Position der Abtasteinrichtung jeder Kreis 50 bis 54 tatsächlich aus diskreten Messungen gebildet wird. Das ist in 5B durch die Pixel 56, 57, 58 repräsentiert.
• 5B zeigt außerdem die Kreuzungspunkte 60 bis 65, an denen sich zwei Kreise schneiden. Unterschiedliche Kreise werden durch unterschiedliche Kanäle erfasst. An einem Kreuzungspunkt erfassen zwei Kanäle in der Szene vom gleichen Punkt im Raum.
• Die benachbarten (oder nicht notwendigerweise benachbarten) Kanäle erfassen von dem gleichen Kreuzungspunkt praktisch gleichzeitig oder wenigstens so dicht aufeinander folgend, dass sich die Temperatur der Vorrichtung nicht wesentlich geändert hat, sowie so dicht aufeinander folgend, dass sich die von diesem Punkt in der Szene ausgesandte Strahlung nicht wesentlich geändert hat (das wird angenommen).
• Es ist klar, dass die unterschiedlichen Kreise durch den gleichen Kanal, jedoch zu verschiedenen Zeitpunkten erfasst werden könnten, wenn das Gesichtsfeld der kreisförmigen Abtastung zwischen Abtastungen durch die Abtasteinrichtung geringfügig geändert wird. Es werden zwei sich schneidende Abtastkreise (oder Wege, die nicht notwendigerweise Kreise sind) erreicht, wobei die Temperatur der Vorrichtung konstant ist (bei einer Abtastung relativ zur anderen) und die beobachtete Szene unverändert ist (oder gewissermaßen unverändert ist).
• Bei zwei Abtastwegen, die unter Verwendung des gleichen Kanals erfasst werden (es wird angenommen, dass der Kreis 50 und der Kreis 51 durch die Abtasteinrichtung in einem Abstand von 40 ms markiert werden), gilt zu einem Zeitpunkt: VDetektor = Verstärkung(Temp.derVorrichtung)(Kanal1) × T(derSzene)(Kanal1) × Voffset (Te mp.derVorrichtung)(Kanal1) mp.derVorrichtung) wobei die Verstärkung und der Offset von der Temperatur der Vorrichtung abhängig sind.
• Wenn zwei Kanäle vorhanden sind, gilt: VDetKanal1 = g1(t) × TSzene + V01(t)und VDetKanal2 = g2(t) × TSzene + V02(t)
• Es gibt zwei Kreuzungspunkte für jedes Paar aus benachbarten (oder relevanten) Kanälen, z. B. die Punkte 60 und 63. Es kann angenommen werden, dass die Temperatur der Szene an diesen beiden Punkten unterschiedlich ist, deshalb erhält man: VDetKanal1PunktA = g1(t) × TSzeneA + V01(t) (Gleichung a) VDetKanal2PunktA = g2(t) × TSzeneA + V02(t) (Gleichung b) VDetKanal1PunktB = g1(t) × TSzeneB + V01(t) (Gleichung c) VDetKanal1PunktB = g2(t) × TSzeneB + V02(t) (Gleichung d)
• Die Temperatur der Szene wird gemessen oder ist auf irgendeine Weise bekannt. Die wesentliche Werkskalibrierung VDetektor = Verstärkung × TSzene + VOffset besitzt z. B. einen nicht temperaturbezogenen Wert für die Verstärkung und V_Offset. V_Erfassung ist bekannt und deswegen kann T_Szene berechnet werden. Das erfolgt für einen der Kanäle, z. B. Kanal 1, der als Hauptreferenzkanal dient, in Bezug auf welchen die relativen Werte von Verstärkung und Offset von verschiedenen Kanälen ermittelt werden. Somit sind die Werte für T_SzeneA und T_SzeneB in den Gleichungen (a) bis (d) bekannt.
• Die vier Gleichungen (a) bis (d) haben jetzt vier unbekannte Variablen und sind für diese Variablen lösbar. Somit werden neue temperaturempfindliche Werte für g₁ und V₀₁ sowie für g₂ und V₀₂ erhalten. Sie sind relativ zueinander zu diesem Zeitpunkt im Gebrauch genauer als die werkseingestellten Basiswerte für g₁ und V₀₁ sowie für g₂ und V₀₂. Das verbessert die Bildqualität und/oder vermeidet eine Betriebsunterbrechung und die Kosten für die Rückführung des Radiometers zu einer entfernten Stelle zur Kalibrierung.
• In ähnlicher Weise können Werte für g₃, V₀₃ erhalten werden, indem entweder die Kanäle 1 und 3 oder die Kanäle 2 und 3 verglichen werden (Vergleichen eines Kanals, der bereits in Bezug auf den Kanal 1 relativ kalibriert wurde, mit einem neuen unkalibrierten Kanal).
• In ähnlicher Weise kreuzt in 5A der Kanal 4 den Kanal 1 (und die Kanäle 2, 3, 5 usw.) und seine Werte für Verstärkung und Offset können relativ kalibriert werden.
• Da die Temperatur an einem Kreuzungspunkt im Wesentlichen gleich ist, kann das System als eine Verfeinerung für sich zwei Temperaturen berechnen, indem die beiden sich kreuzenden Kanäle verwendet werden (und ihre werkseingestellte absolute Kalibrierung verwendet wird). Der Mittelwert der von den Kanälen ermittelten Szenentemperatur kann gebildet und bei der Verarbeitung als Wert TS verwendet werden.
• Es wird angenommen, dass die Temperatur der Array-Antenne 16 der Brennebene für die Bildqualität wichtig ist, oder genauer, dass Veränderungen der Temperatur über die Array-Antenne der Brennebene die Ursache für eine Bildverschlechterung sind und dass eine Kompensation/Kalibrierung derartiger Temperaturänderungen die Bildqualität verbessern kann.
• Die relative Kalibrierung der Kanäle kann periodisch erfolgen, z. B. nach jeweils einer Sekunde oder nach jeweils zehn Sekunden oder dergleichen, wobei die Vorrichtung jeweils nach 40 ms Bilder aufnimmt, oder der Algorithmus der relativen Kalibrierung kann alternativ häufiger ablaufen, möglicherweise beim Aufbau jedes Bildes oder nach jeweils 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20, 30, 40 oder einer größeren Anzahl von Bildern.
• 6 zeigt ein konisches Abtastmuster über einen größeren Winkel. Die Abtasteinrichtung kann die Kegel 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66 usw. nacheinander abtasten. Alternativ könnte sie die Kegel 60, 62, 61, 63, 64, 66, 65, 67 nacheinander abtasten oder jedes weitere Muster abtasten, wobei benachbarte konische Abtastungen zeitlich ausreichend eng aufeinander folgend abgetastet werden, damit sich die aufzunehmende Szene nicht wesentlich geändert hat.
• 7 zeigt ein konisches Abtastmuster, bei dem die untere Reihe von Abtastkegeln die obere Reihe schneidet, wobei jeder Kreis/Kegel der unteren Reihe einen Kreis/Kegel der oberen Reihe an zwei Kreuzungspunkten schneidet. Das ermöglicht eine relative Kalibrierung zwischen den Kreisen der oberen Reihe und den der unteren Reihe (wie später beschrieben wird) und das verbessert die Bildqualität.
• Es wird außerdem angemerkt, dass die Bildabtastung/Dichte der Abtastzeilen in der Mitte des Gesichtsfeldes größer ist als an den Rändern. Bei einer konischen Abtasteinrichtung mit zwei benachbarten geradlinigen Arrays ist die Bildabtastung größer als der Nyquist-Wert am oberen und am unteren Ende des Bildes (in beiden Richtungen). In der Mitte des Bildes ist die Abtastung nahe am Nyquist-Wert (oder etwas darunter) in der horizontalen Richtung und besitzt den Nyquist-Wert in der vertikalen Richtung (definiert durch zeitliche Abtastung).
• Manchmal kann ein System zur Überabtastung fähig sein und man erhält mehr Gleichungen als unbekannte Parameter vorhanden sind und die Gleichungen lassen sich nicht genau lösen (die Parameter ergeben nicht ganz dasselbe in Abhängigkeit davon, welche Gruppe von Gleichungen gelöst werden, um sie zu bestimmen). In diesem Fall können die Parameter (z. B. die Verstärkung und der Offset für einen bestimmten Kanal) in irgendeiner Weise angepasst (z. B. gemittelt oder wenigstens nach dem Verfahren der kleinsten Quadrate angepasst) werden. Ein (wegen der Abtastung) überbestimmtes Problem kann vorteilhaft verwendet werden. Es ist möglich, mehrere Gegenkontrollen auszuführen, um sicherzustellen, dass Lösungen weitgehend abgestimmt und dadurch zuverlässig sind (und wenn eine Gleichung ein anormales Ergebnis liefert, könnte sie bei der Analyse weggelassen werden). Es kann außerdem nützlich sein, wenn eine Redundanz vorhanden ist, falls einer der Kanäle (oder möglicherweise mehrere) ausfällt.
• Es wird angemerkt, dass die Technik am besten funktioniert, wenn die beiden Temperaturen einen großen Temperaturunterschied besitzen, was der Fall sein wird, wenn der oberste Bereich und andererseits der unterste Bereich des Bildes verwendet werden, damit der benachbarte Kanal überlappt. Um davon das Beste zu erhalten, könnte es vorteilhaft sein, die Korrektur gleichzeitig mit drei Kanälen auszuführen, ein zentraler Kanal und die beiden benachbarten Kanäle. Die Wahrscheinlichkeit, dass zwei benachbarte Kanäle ausfallen, ist viel geringer als der Ausfall eines Kanals.
• Es wird anerkannt, dass die beschriebene Architektur mit konischer Abtastung der Echtzeit-Abbildungseinrichtung vortrefflich zu Techniken führt, die die relative Kalibrierung verbessern können. Das ist der Fall, da viele Bereiche in dem Bild mehrmals durch verschiedene Radiometerkanäle gemessen werden. Die Annahme, dass sich die Temperatur in dem Bild zwischen Messungen nicht ändert, ist im Allgemeinen gültig, und falls nicht, kann die Tatsache aus der Prüfung der unkalibrierten Rohdaten von den Radiometern erkannt werden (wobei der Vorrichtung bekannt ist, diese Technik momentan nicht zu verwenden, die Vorrichtung kann statt dessen diese Prüfung als Teil ihrer Operation zur relativen Kalibrierung enthalten). Diese Technik kann außerdem bei alternativen Architekturen von Abbildungseinrichtungen implementiert sein, wie etwa das Muster aus einem kreisförmigen Feed-Array.
• Aus dem Vorhergehenden wird erkannt, dass ein bestimmter Kanal, ein Master-Kanal mit fest kalibrierten Werten für Verstärkung und Offset ausgewählt wird. Bei dem Nachbarkanal würden dann dessen Verstärkung und Offset so modifiziert, dass die Temperaturen, die an den Punkten gemessen werden, an denen sich die Kanäle kreuzen, gleich sind. Bei benachbarten Kanälen gibt es zwei Kreuzungspunkte und wenn die Szenentemperaturen an diesen beiden Punkten unterschiedlich sind (was im Allgemeinen der Fall ist), können die korrigierten Werte für Verstärkung und Offset für den Kanal berechnet werden. Wenn zufällig die Temperaturen an den beiden Punkten sehr ähnlich sind (eine Tatsache, die bestätigt werden kann, wenn die unkorrigierten kalibrierten Daten geprüft werden), sollte das Bild so beschaffen sein, dass eine Szene betrachtet wird, in der sich die Strahlungstemperatur über der Szene um einen großen Betrag ändert. Bei einem Betrieb im Freien wäre eine derartige Richtung die Richtung zum Horizont (Himmel und Erdboden haben unterschiedliche Temperaturen). Auf diese Weise würde sich dieses Kalibrierungsverfahren von einem Kanal zum nächsten bewegen, wobei die Ausführung der relativen Kalibrierung durch eine derartige Technik die Bildqualität stark verbessert.
• Eine Erweiterung der obigen Technik besteht darin, dass andere Kreuzungspunkte verwendet werden könnten und nicht nur diejenigen auf den benachbarten Kanälen. Diese könnten verwendet werden, um das obige Verfahren zu ergänzen, damit sich die Bildqualität weiter verbessert. Ferner könnte der Neigungswinkel der umlaufenden Scheibe der Abbildungseinrichtung geändert werden, damit die Abbildungseinrichtung ihr Gesichtsfeld ändern kann und verschiedene Bereiche einer Szene oder Quellen für Kalibrierungszwecke betrachtet.
• Weitere Möglichkeiten zur relativen Kalibrierung bestehen darin, Korrekturen an Verstärkung und Offset an benachbarten Kanälen auszuführen, indem eine konische Abtastung um 360° verwendet wird, wobei die Temperatur oder Wechselspannungskomponenten der Temperatur gemittelt werden. Dabei wird angenommen, dass die gemittelten Temperaturen oder Wechselspannungskomponenten der Temperaturen bei zwei benachbarten Kanälen gleich sind.
• Typische Frequenzen der Strahlung, die durch das Radiometer erfasst wird, können 35 GHz, 94 GHz, 140 GHz, 220 GHz sein; das sind die atmosphärischen Ausblendbänder für Millimeterwellen.
• Das Radiometer verwendet monolithische integrierte Mikrowellen-Schaltkreise (MMICs) und besitzt ein geringes Volumen.
• 4 zeigt eine starrende Antenne 70 mit einem Raster aus Antennenhörnern 72, einem Temperaturdetektor 74, der die Temperatur des Array erfasst, einem Verstärker 76 und einem Detektor 78.
• Obwohl 4 ein starrendes Array zeigt, führt es trotzdem eine Abtastung für Kalibrierungszwecke aus. Eine Mikroabtastung könnte periodisch ausgeführt werden, um zu bewirken, dass mehr als ein Kanal im Wesentlichen den gleichen Punkt in der Szene im Wesentlichen gleichzeitig (jedoch nicht genau gleichzeitig) betrachtet. Es wird bewirkt, dass sich eine optische Komponente oder eine vollständige Abbildungseinrichtung bei der Operation der Mikroabtastung geringfügig bewegt (z. B. in der Weise, dass ein Kanal die vertikal und/oder horizontal nächsten Nachbarpixel sowie seinen eigenen Pixel misst). Dieses "Dither" ("Zittersignal") erzeugt die gleiche Wirkung der Mehrkanalbetrachtung bei der gleichen Temperatur (der gleiche Punkt an sehr eng aufeinander folgenden Zeitpunkten) und deswegen kann das starrende Array eine relative Kalibrierung zwischen Kanälen ausführen. Es kann natürlich bewirken, dass daran eine absolute Kalibrierung ausgeführt wird.
• Um zwei physikalisch getrennte Teile der durch den gleichen Kanal in einem starrenden Array beobachteten Szene zu erhalten (und dadurch zwei stark unterschiedliche Temperaturen, die beobachtet werden), kann es erforderlich sein, das Gesichtsfeld des Radiometers zu bewegen oder etwas anderes zu tun, um das zu erreichen. Wenn es nicht möglich ist, zwei unterschiedliche Temperaturen mit beiden Kanälen, die relativ kalibriert sind, zu beobachten, kann es erforderlich sein sicherzustellen, dass sich lediglich die Verstärkung oder der Offset mit der Temperatur ändert und das andere davon unverändert ist, wobei eine Kalibrierung erfolgt, indem das eine, von dem angenommen wird, dass es veränderlich ist, verwendet wird. Alternativ kann eine Einzelpunkt-Kalibrierung verwendet werden. Diese Aussagen gelten ebenso für Abtastradiometer.
• Unabhängige Kalibrierung
• Die Verwendung von Kreuzungspunkten bei verschiedenen Abtastungen von verschiedenen Kanälen, um eine relative Kalibrierung zwischen Kanälen auszuführen, hilft beim Kalibrieren eines Kanals relativ zum anderen, es hilft jedoch nicht bei der Einstellung der absoluten Kalibrierung des "Master"-Kanals (oder bei der eigentlichen absoluten Kalibrierung irgendeines Kanals).
• Es ist vorgesehen, dass die Vorrichtung 10 periodisch zu einem Labor oder zum Werk zurückgebracht (z. B. nach jeweils drei oder vier Monaten), um die absolute Kalibrierung der Kanäle neu einzustellen.
• Außerdem oder möglicherweise statt dessen kann die Vorrichtung in der Lage sein, ihre absolute Kalibrierung in der Praxis einzustellen.
• Die Vorrichtung 10 wird in einem Werk oder im Labor vor der Auslieferung an einen Kunden geprüft, wobei sich die Vorrichtung bei einer großen Anzahl von Temperaturen befindet und eine Leistungscharakteristik-Nachschlagtabelle oder ein Algorithmus geschaffen wird, um die Temperatur der Vorrichtung mit der Verstärkung und der Offset-Spannung zu korrelieren. Somit wird für jede Temperatur der Vorrichtung ein entsprechender Wert für Verstärkung und Offset-Spannung für die in Gebrauch befindliche Vorrichtung festgelegt. Das ergibt typischerweise eine Nachschlagtabelle oder einen Algo rithmus im Prozessor 22.
• Diese Technik zum Korrigieren von Verstärkung und Offset der Vorrichtung in Bezug auf die Temperatur der Vorrichtung kann bei Vorrichtungen angewendet werden, die eine relative Kalibrierung zwischen Kanälen aufweisen, und bei denjenigen, die diese nicht aufweisen.
• Es wird anerkannt, dass die Steuerung der Temperatur der vollständigen Vorrichtung in der Weise, dass sie sich auf einer bekannten gleichen Temperatur befindet, und das Einrichten der Vorrichtungsverstärkung und des Offset für die Vorrichtung bei dieser Temperatur grob vereinfacht ist (jedoch besser ist, als zuzulassen, dass sich die Vorrichtungstemperatur in der Praxis ändert). Bei der Verwendung in der Praxis gibt es beim Gebrauch der Vorrichtung wahrscheinlich Temperaturgradienten in der Vorrichtung; ein Kanal kann eine andere Temperatur besitzen als ein entfernter Kanal; der Verstärker kann eine andere Temperatur haben als die Antenne, wobei der Detektor eine weitere unterschiedliche Temperatur aufweist.
• Es wird angenommen, dass die wesentlichen temperaturempfindlichen Komponenten der HF-Verstärker (wobei etwa ¾ der temperaturabhängigen Wirkung von diesem stammt) und der Detektor (wobei etwa ¼ der temperaturabhängigen Wirkung von diesem stammt) sind. In der Praxis ist es möglich, dass der Verstärker und der Detektor so nahe beieinander angeordnet sind, dass lediglich ein Temperatursensor benötigt wird.
• Außerdem ist eine Anordnung möglich, die jedoch möglicherweise schwieriger zu realisieren ist und bei der Temperaturdetektoren an mehr als einer Stelle in der Vorrichtung vorgesehen sind. 3 zeigt lediglich einen Temperatursensor 24, der Verstärker und/oder der Detektor könnten jedoch jeweils einen einzelnen Temperatursensor oder ihre eigenen Temperatursensoren besitzen. Gruppen aus Hörnern oder jedes Horn könnten möglicherweise jeweils einen zugeordneten Temperaturdetektor besitzen. Der Mikroprozessor 22 würde dann mehrere Temperatursignale aus mehreren Bereichen/Abschnitten der Vorrichtung empfangen.
• Der Mikroprozessor 22 könnte eine Matrix/Nachschlagtabelle aufweisen, die die Temperatur des Temperatursensors einer Verstärkung und einem Offset zuordnet oder verschiedene oder alle Kombinationen von Sensortemperaturen und zugeordneten Werten der Verstärkung und des Offset der gesamten Vorrichtung für jeden Kanal zuordnet. Diese müsste natürlich vor dem Gebrauch der Vorrichtung aufgestellt werden, indem die Vorrichtung bei diesen Temperaturkombinationen betrieben wird, um bekannte Szenentemperaturen (wenigstens 2) zu beobachten und die geeigneten Werte für Verstärkung und Offset zu ermitteln und in die Nachschlagtabelle zu laden (oder einen geeigneten Algorithmus erzeugen).
• Eine alternative Lösung besteht darin, die Wirkung oder die Werte von Verstärkung und Offset der Temperaturänderung von einer oder mehreren Komponenten der Vorrichtung (oder Gruppen von Komponenten) zu ermitteln und daraus die Gesamtwerte von Verstärkung und Offset zu erzeugen. Jeder Kanal (oder eine Gruppe von benachbarten Kanälen) kann z. B. im Werk getestet werden, um zu ermitteln, wie sich sein Ausgangssignal (S_Kanal) mit der Temperatur des Kanals (T_C) sowie eine (auf der Grundlage einer Nachschlagtabelle oder eines Algorithmus) erzeugte Funktion S_C(T_C) ändert.
• Es kann ermittelt werden, wie sich die Leistungscharakteristik des Verstärkers (S_A) mit der Verstärkertemperatur (T_A) ändert, um eine Funktion S_A(T_A) zu erzeugen. Der Detektor könnte bei unterschiedlichen Detektortemperaturen bewertet werden, um festzustellen, wie sich die Detektorspannung (V_D) als eine Funktion der Detektortemperatur (T_D) ändert, um V_D(T_D) zu erzeugen. Für die Ausgangsspannung des Detektors wird dann folgende Relation vorhergesagt: VOutputαSC(TC) × SA(TA) × VD(TD)und eine kompensierte Ausgangsspannung (V_kalibriert) kann erhalten werden: Vkalibriert = VOutput ⨍(TC)⨍(TA)⨍(TD)
• In anderer Weise ausgedrückt lauten Verstärkung und Offset-Spannung: Verstärkung(Kanal) = gabsolute Kalibrierung × ⨍(TC)⨍(TA)⨍(TD) und VOffset(Kanal) = VOffset(absolute Kalibrierung) × ⨍(TC)⨍(TA)⨍(TD).
• Die Werte von ⨍(T_C), ⨍(T_A) und ⨍(T_D) werden berechnet/erzeugt, indem die Vorrichtung in einem Bereich von Temperaturen für die Parameter T_C, T_A und T_D unter Verwendung von Referenztemperaturquellen betrieben wird. Es kann möglich sein, einen Wert oder mehrere Werte von ⨍(T_C), ⨍(T_A) und ⨍(T_D) vorherzusagen, ohne die Vorrichtung physikalisch zu testen, um sie zu erzeugen/zu bestimmen.
• Ebenso wie die Ausführungsform von 1 kann die Ausführungsform von 4 mehrere Temperatursensoren besitzen (wiederum möglicherweise einen Temperatursensor für den Verstärker und/oder den Detektor sowie einen für jeden Kanal oder jede Gruppe von Ka nälen).
• Antennenaufbau
• Ein weiteres Merkmal der Ausführungsform von 3 sowie ein Merkmal, das bei anderen Abbildungsradiometern im Millimeterbereich und insbesondere bei der Echtzeit-Abbildung anwendbar ist, ist der Aufbau ihrer Antenne. Eine herkömmliche Antenne hat eine einzelne Zeile von Hörnern und besitzt eine bestimmte Länge (um die gewünschte Größe des abgetasteten Szenenbilds zu erhalten).
• Es ist erkannt worden, dass der gegenwärtige Abstand von Hörnern/Kanälen in einer einzelnen Zeile von Hörnern nicht ausreichend ist, um eine Nyquist-Abtastung in der Bildebene zu erreichen, wodurch die Möglichkeit des Aliasing bei dem konstruierten Bild eingeführt wird: die Kanäle sind nämlich zu weit voneinander beabstandet. Sie müssen jedoch trotzdem eine bestimmte Größe besitzen, um die Strahlung der gewünschten Wellenlänge aufzunehmen.
• Die Lösung dieses Problems besteht darin, dass eine zweite Zeile (oder weitere Zeilen) aus Hörnern/Kanälen im Wesentlichen in der gleichen Ebene wie die erste Zeile vorhanden ist, wobei jedoch die Hörner der zweiten Zeile in der Erstreckungsrichtung der Zeile versetzt oder gestaffelt sind. Das bedeutet dann im Wesentlichen, dass der Abstand der Hörner in der Erstreckungsrichtung halbiert ist (bei zwei Zeilen). In 3 sind die Zentren der Hörner 50' und 51' um eine Strecke D voneinander beabstandet, die Strecke in der Erstreckungsrichtung der Antenne zwischen dem Horn 50 der Zeile 40 und dem Horn 53' der Zeile 42 beträgt jedoch D/2. Dadurch können die Hörner effektiv näher beieinander angeordnet werden und es ist möglich, sich dem Nyquist-Abtastungsabstand zu nähern, wodurch ein Aliasing in dem konstruierten Bild vermieden wird. Es können drei, vier oder mehr Zeilen aus Kanälen/Hörnern verwendet werden, um ihren effektiven Abstand in der Richtung senkrecht zu der Abtastrichtung zu verringern (die Abtasteinrichtung 14 tastet die beobachtete Szene über der Antenne 16 in einer Richtung senkrecht zu der Erstreckungsrichtung der Antenne ab).
• Der Versatz der Detektorkanäle muss nicht eine halbe Periode betragen, dadurch wird jedoch die beste Auflösung erreicht, wenn lediglich zwei Zeilen vorhanden sind. Bei drei Zeilen sollte der Versatz 1/3 Periode betragen (1/n Periode bei n Zeilen).
• 9 zeigt ein weiteres Echtzeit-Abbildungsabtastradiometer 90 in einer Abtasteinrichtung mit Viertelwellenlängenplättchen, z. B. Mäanderlinien-Plättchen. Das Radiometer 90 besitzt ein Brennebenen-Detektorarray 91, ein polarisationsempfindliches, ein wahlweise durchlässiges oder reflektierendes Raster oder eine Schüssel 92, die als ein Fokussierungsreflektor bezeichnet wird (es könnte ein Raster aus parallelen Drähten sein), eine angewinkelte oder geneigte drehende Reflektorplatte oder Scheibe 93 und ein Viertelwellenlängenplättchen 94. Ein Mäanderlinien-Plättchen ist eine bekannte Vorrichtung, die im Wesentlichen ein Viertelwellenlängenplättchen ist und eine Reihe von mäanderförmigen Linien mit sich wiederholenden Komponenten in zueinander senkrechten Richtungen aufweist, die unabhängig von der Polarisationsebene von auftreffender Strahlung und der Orientierung des Mäanderlinien-Plättchens dazu die Wirkung besitzt, die Polarisation von linear auf kreisförmig zu ändern, wenn Strahlung durch das Mäanderlinien-Plättchen 94 verläuft. Das Viertelwellenlängenplättchen 94 dient dem normalen Abbildungsbe trieb und ist so angeordnet, dass seine Fast Axis unter einem Winkel von 45° zu der Polarisationsebene der Strahlung angeordnet ist, die es vom Raster 92 erreicht (45° zu der Polarisationsebene der Strahlung 96a, die in 9 gezeigt ist). Das Viertelwellenlängenplättchen 94 und die Drehscheibe 93 wirken gemeinsam als ein Drehreflektor, der ermöglicht, dass das Element 92 ankommende Strahlung 96 fokussiert, wobei eine konische Abtastung des Bildes geschaffen wird.
• Bei der Verwendung zur normalen Abbildung, die in 9 gezeigt ist, tritt Wärmestrahlung 96 von einer beobachteten Szene in das Radiometer ein und verläuft durch das Raster aus parallelen Drähten, die den Reflektor 92 bilden, wenn die Strahlung so polarisiert ist, dass ihr elektrischer Feldvektor senkrecht zu der Richtung der Drähte verläuft. Strahlung, die so polarisiert ist, dass ihr elektrischer Feldvektor parallel zu der Richtung der Drähte verläuft, wird reflektiert.
• Die polarisierte Komponente der ankommenden Strahlung 96 ist mit 96a bezeichnet. Die linear polarisierte Strahlung 96a geht durch das Viertelwellenlängenplättchen 94 und wird in die Strahlung 96b mit rechtsläufig kreisförmiger Polarisation (RHC) umgewandelt. Das erfolgt lediglich dann, wenn die Fast Axis (oder die Slow Axis) des Mäanderlinien-Plättchens oder des Viertelwellenlängenplättchens um 45° zu der Polarisationsebene der Strahlung 96a geneigt ist (wie oben erwähnt wurde). Die RHC-Strahlung wird dann von dem Plättchen 93 weg reflektiert und wird zu Strahlung mit linksläufig kreisförmiger Polarisation (LHC) und bewegt sich zurück durch das Viertelwellenlängenplättchen 94 und wird von der LHC-Strahlung in linear polarisierte Strahlung 96c umgesetzt, deren Polarisationsebene jedoch unter einem Winkel von 90° zu der Polarisationsebene der Strahlung 96a verläuft. Das heißt, die Strahlung 96c ist nun senkrecht polari siert in Bezug auf die Strahlung 96a und auf die Schüssel 92.
• Die Strahlung 96c wird dann weg von der gekrümmten Reflektorschüssel 92 reflektiert (da ihre Polarisationsebene nun unter einem Winkel von 90° zu der Polarisationsebene verläuft, die sie ursprünglich hatte) und wird auf das Brennebenen-Detektorarray 91 fokussiert. Das ist der normale Abbildungsbetrieb. Es wird daran erinnert, dass die Empfänger-Feed-Hörner des Arrays 91 eine Polarisationsebene besitzen, die nach der oben erläuterten Optik parallel zu der Polarisationsebene der empfangenen Strahlung verläuft.
• Das Brennebenen-Array 91 könnte ein geradliniges oder gekrümmtes oder ein ringförmiges Array aus Detektor-Feed-Elementen/Radiometerempfängern sein.
• 9b zeigt ein geradliniges Array aus Empfänger-Feed-Elementen oder Kanälen in einer Bildebene. 9c zeigt, dass das Array von 9b geradlinig versetzte Kreise der Empfindlichkeit in einem Gesichtfeld der Abbildungseinrichtung ergibt.
• 9d zeigt ein ringförmiges Array aus Empfänger-Feed-Elementen oder Kanälen in der Brennebene, das eine ringförmig versetzte Menge von Kreisen der Empfindlichkeit in dem Gesichtfeld der Abbildungseinrichtung, das in 9e gezeigt ist, ergibt. Die Zentren der Kreise der Empfindlichkeit des Gesichtfelds der Abbildungseinrichtung, die in den 9c und 9e gezeigt sind, sind entweder in einer Linie oder in einem Kreis angeordnet, in Abhängigkeit davon, ob sie dem geradlinigen Array von 9b oder dem ringförmigen Array von 9c zugeordnet sind.
• Das Radiometer besitzt außerdem eine Defokussierungsbetriebsart. Wenn der Schüsselreflektor 92 im Vergleich zu seiner Orientierung in der obigen Erläuterung um 90° gedreht wird, ist die Strahlung, die in das Detektor-Array 91 eintritt, nicht fokussiert und ist deswegen im Wesentlichen für alle Kanäle in dem Detektorhorn-Array 91 gleich. Das ist der Fall, da bei dieser Konfiguration die Strahlung mit der Polarisation, auf die das Detektorhorn-Array empfindlich ist, sich direkt durch das Raster 92 bewegen kann, ohne dass sie durch eine Abtastungsoptik (die Komponenten 94 und 93) verlaufen muss und dadurch fokussiert wird.
• In 10a sind eine Wärmestrahlungsquelle 99a, die eine heiße Quelle darstellt, und eine weitere Wärmestrahlungsquelle 99b, die eine kalte Quelle darstellt, diametral gegenüberliegend am Umfang eines Detektor-Arrays 91 angeordnet. Diese Quellen können für die Zwecke der Kalibrierung verwendet werden. Wie später beschrieben wird, bewirkt eine Drehung des Viertelwellenlängenplättchens 94 um 45° (aus der normalen Abbildungsbetriebsart), dass Strahlung von diesen Quellen in die Kanäle des Array 91 eintritt. Die Fast Axis (oder die Slow Axis) des Viertelwellenlängenplättchens ist nun parallel zu der Richtung der Drähte im Raster 92. Bei dieser Kalibrierungskonfiguration wird dann, wenn sich die Scheibe 93 dreht, ein ringförmiges Bild des Detektor-Array 91 auf der Brennebene markiert. Das bedeutet, dass jeder Detektorkanal abwechselnd die Emission von der heißen und von der kalten Kalibrierungsquelle misst.
• In 10a wird Strahlung durch eine Quelle 99a oder 99b ausgesendet. Linear polarisierte Strahlung 110b wird von der Schüssel 92 reflektiert (wobei orthogonal polarisierte Strahlung sich durch die Schüssel bewegt), wobei die Polarisationsebene der Strahlung 100b parallel zu der Fast Axis oder der Slow Axis der Mäanderlinie des Viertelwellenlängenplättchens 94 verläuft und die Strahlung sich hindurch bewegt, wobei sie noch linear polarisiert ist und von der Drehscheibe 93 als Strahlung 100c reflektiert wird (noch linear polarisiert), erneut auf die Schüssel 92 trifft und durch die Schüssel 92 reflektiert und (als Strahlung 100d) auf einen Punkt 102 am Umfang des Array 91 fokussiert wird. Aus 10a wird erkannt, dass die Strahlung 100a, die von der Schüssel 92 reflektiert wird, ein fast paralleler Strahl ist (da sich die Quellen 99a und 99b dicht am Brennpunkt der Schüssel 92 befinden), und dass die Wärmeemissionen aus einem recht großen Winkelbereich durch die Schüssel 92 gesammelt werden, wenn sich die Scheibe 93 dreht. Es wird außerdem erkannt, dass die Wirkung der Anordnung von 10a darin besteht, dass die äußersten zwei (und möglicherweise mehr) Kanäle 103a und 103b des Array eine bekannte Temperatur, die Temperatur der Wärmequelle erfassen und dass diese für die absolute Kalibrierung dieser Kanäle verwendet werden kann, die als ein Referenzkanal oder als Referenzkanäle für die relative Kalibrierung der anderen Kanäle verwendet werden können.
• Ein relevanter Faktor beim Betrieb des Radiometers in einer Defokussierungsbetriebsart ist die relative Orientierung der Drähte in dem Rasterpolarisator 92 in Bezug auf die Polarisationsebene, auf die die Array-Detektoren empfindlich sind. Ein Drehen des Rasterpolarisators 92 um 90° (aus seiner normalen Betriebsart der Abbildungseinrichtung) verändert das System von einem System, das fokussiert, zu einem System, das nicht fokussierte Strahlung empfängt.
• Die Drehung der geneigten Scheibe 93 bewirkt, dass der an das Brennebenen-Array angrenzende Punkt auf das Array 91 fokussiert wird, um die Ringe 91a mit veränderlichen Durchmessern in der Brennebene zu markieren.
• Die Wärmequelle 98 kann anfangs eine heiße oder eine kalte Masse sein, die angrenzend an das Array 91 angeordnet ist, wobei sie in einer zweiten Kalibrierungsoperation das andere der heißen oder kalten Masse ist. Es kann eine einzige Wärmequelle möglicherweise mit veränderlicher Temperatur oder es können zwei Quellen mit unterschiedlichen Temperaturen vorgesehen sein, wie in den 10a und b gezeigt ist.
• Die thermische Masse könnte eine echte thermische Masse sein, wobei die Emission der Wärmestrahlung von Wärmeabsorbern bei den beiden unterschiedlichen Temperaturen erfolgt. Die Temperatur der Wärmequelle 99a oder 99b könnte die Temperatur von flüssigem Stickstoff oder eine andere definierte Temperatur sein. Sie könnten in einem Bereich von einigen hundert Kelvin liegen. Es ist am besten, wenn die Temperatur der Quelle 98 bekannt ist. Es kann ein Temperatursensor, z. B. ein Thermistor vorhanden sein, um die Temperatur der Wärmequelle 99a oder 99b zu messen, oder sie kann auf irgendeine andere Art bekannt sein (z. B. ist der Siedepunkt von flüssigem Stickstoff bei Atmosphärendruck bekannt).
• Die Wärmequelle kann manuell montierbar und/oder demontierbar sein oder sie kann eine Aufnahme umfassen, die benachbart zu dem Brennebenen-Array vorgesehen ist und eine Quelle mit heißer oder kalter Masse halten kann.
• Die heiße und die kalte Masse könnten alternativ durch thermoelektrische Quellen, z. B. Festkörperquellen, wie etwa Peltier-Effekt- Vorrichtungen, erzeugt werden.
• Es wird anerkannt, dass die Fähigkeit zum Präsentieren einer Quellentemperatur an mehr als einen Kanal in dem Array 91 eine relative Kanalkalibrierung ermöglicht, wie oben erläutert wurde (entweder durch Defokussieren und Verwenden der Szene als eine konstante Temperatur oder indem das unter Verwendung der Quelle 98 als die gleiche konstante Temperatur erfolgt).
• Außerdem kann dann, wenn die absolute Temperatur der Quelle 99 mit ausreichender Genauigkeit (z. B. 1 K oder dergleichen) bekannt ist, diese Kenntnis verwendet werden, um die absolute Kalibrierung eines Kanals und aller Kanäle des gesamten Systems auszuführen. Das System des Radiometers 90 könnte z. B. eine absolute Kalibrierung mit einer einzelnen Quelle 99 mit bekannter Temperatur oder mit zwei bekannten (aber verschiedenen) Quellentemperaturen periodisch, z. B. täglich, wöchentlich oder monatlich erhalten. Das System könnte dann eine relative Kalibrierung häufiger ausführen (z. B. in der Größenordnung von einigen Sekunden oder in der oben erläuterten Weise). Die Quelle 99 oder die Quellen 99 sind in der Ausführungsform von 9 in jedem Kanal des Systems dargestellt.
• Die in den 9 und 10 gezeigte Konfiguration der Abtasteinrichtung besitzt geringe optische Verluste, die in dem Beispiel bei etwa 0,5 dB liegen. Das ist gut im Vergleich zu den Verlusten der Abtasteinrichtung in der UK-Patentanmeldung Nr. 9707654.1, die Verluste von etwa 4 dB aufweist. Somit ist das System der 9 und 10 wenigstens doppelt so empfindlich wie das von GB 9707654.1.
• Es wird angemerkt, dass in der Anordnung, die in 10b gezeigt ist, die Kanäle des Detektor-Array eine elektronische Verbindung mit dem Prozessor oder mit der Steuereinheit benötigen, der bzw. die ihre Signale verarbeiten, und diese ist durch elektrische Kabel 104 hergestellt, die sich längs eines Durchmessers der Vorrichtung erstrecken. Dadurch verdecken die Kabel einen Teil der auf die Vorrichtung auftreffenden Strahlung. Durch das Hinzufügen der heißen und der kalten Quelle 99a und 99b auf der gleichen Linie wie die Austrittsbereiche der Kabel des Array wird im Wesentlichen kein größerer Abschnitt des Betriebsbereichs der Abbildungseinrichtung verdeckt als bereits durch die Kabel 104 verdeckt wird. Somit verringert sich die optische Leistungscharakteristik der Vorrichtung durch das Einführen der Quelle 99 nicht wesentlich.
• Ein weiterer Vorteil dieses Systems besteht darin, dass die gewünschte Strahlungsbandbreite nicht durch das Ferrit wie in der Abtasteinrichtung von GB 9707654.1 beschränkt ist, die eine Abtasteinrichtung auf Ferritbasis ist. Das bedeutet, die Bandbreite um 30 GHz kann im Bereich von 26 GHz bis 40 GHz liegen. Das ist eine 3fach größere Bandbreite als die der Abtasteinrichtung von GB 9707654.1 , die lediglich 5 GHz beträgt. Das ergibt einen Faktor Wurzel drei von etwa 1,7 bei der Verbesserung der Empfindlichkeit. Dieses System könnte ferner bei dem 94 GHz-Fenster verwendet werden. Es könnte außerdem bei höheren Frequenzen von 140 GHz, 220 GHz und darüber hinaus verwendet werden, bei denen es schwierig sein wird, ein geeignetes Ferrit zu finden. Es hat einen viel flexibleren Betriebsbereich von Frequenzen.
• Es wird außerdem anerkannt, dass die Winkelbewegung des Reflektors 92 und/oder des Mäanderlinien-Plättchens 94 manuell bewirkt werden könnte oder das Radiometer könnte Motoren aufweisen, um das unter der Steuerung einer Steuereinheit zu bewirken. Der Anwender könnte die Kalibrierungsoperation auslösen, indem er einen Befehl eingibt.
• 11 zeigt eine weitere Abtasteinrichtung 110 mit konischer Abbildung, die eine Cassegrain-Konfiguration aufweist. Ein Primärreflektor 112 reflektiert und fokussiert Strahlung auf einen Unterreflektor 114, der reflektiert und bei der Fokussierung der Strahlung in ein Horn 116 oder in ein Brennebenen-Hornarray (das dem in 3 gezeigten Array ähnlich ist) hilft.
• Wenn das Horn ein Horn mit rechtwinkligem Wellenleiter ist, ist die Vorrichtung wegen des rechtwinkligen Horns und des Wellenleiters inhärent linear polarisiert.
• Es ist möglich, die Polarisationsempfindlichkeit des Systems einzustellen, indem ein linearer Polarisator in dem Weg der Strahlung z. B. vor dem Horn 116 oder vor der gesamten Abbildungsabtasteinrichtung (möglicherweise als ein Teil der Abtasteinrichtung) angeordnet wird. Der lineare Polarisator könnte ein Halbwellenlängenplättchen sein. Wenn es vor dem Horn angeordnet wird, kann es physikalisch klein sein, wenn es sich dagegen an einer Stelle befindet, bevor die Strahlung den Primärreflektor 112 erreicht, muss es größer sein.
• 12 zeigt ein Halbwellenlängenplättchen 118. Es lenkt die Polarisationsebene von ankommender linear polarisierter Strahlung 119 über einen Winkel, der doppelt so groß ist wie der Winkel zwischen der E-Richtung des rechtwinkligen Horns und der optischen Achse des Halbwellenlängenplättchens. Wenn ϕ 45° beträgt, dreht somit das Halbwellenlängenplättchen die Polarisationsebene um 90°. 12 zeigt das Horn 116, das eine vertikale Polarisation besitzt, und ankommende horizontal polarisierte Strahlung 119.
• Es ist somit durch Drehen des Halbwellenlängenplättchens 118 (das entweder unmittelbar vor dem Horn oder anderswo angeordnet ist) möglich, die in das Horn eintretende Strahlung zu verändern. In 12 kann das Plättchen 118 externe Strahlung, die in den Wellenleiter, der dem Horn zugeordnet ist, eintritt, effektiv abgeschaltet werden (da das Horn eine Polarisationsrichtung besitzt und das Plättchen senkrecht dazu angeordnet werden kann). In 13 kann eine Winkelverlagerung des Plättchens bewirken, dass die Fokussierungswirkung der fokussierenden Schüssel 119 verloren geht, wodurch die Vorrichtung effektiv defokussiert wird.
• 14a zeigt eine Anordnung für eine absolute Kalibrierung, in der ein Radiometer 140 einen Detektor 141, einen Hohlraum 142, einen Schalter 143 und eine Antenne 144 umfasst. Wenn der Schalter in einer geöffneten Position ist, breitet sich Strahlung aus der Umgebung direkt durch den Hohlraum 142 und in den Radiometerkörper aus, und wird durch den Detektor 141 erfasst. Das ist die normale Abbildungsanordnung. Das Radiometer besitzt außerdem eine Kalibrierungskonfiguration oder -betriebsart, in der der Schalter 143 geschlossen ist und die Strahlung, die in den Radiometerkörper eintritt, die Strahlung von dem Hohlraum ist. Da die Temperatur des Hohlraums gemessen werden kann (die Vorrichtung besitzt einen Temperatursensor 145), wird ein bekanntes Temperaturprofil der Wärmestrahlung auf den Detektor auftreffen.
• Die Architektur dieses Systems kann auf den ersten Blick der Architektur des Dicke-Radiometers ähnlich erscheinen, das einen Schalter darstellte, um Änderungen der Rauschtemperatur zu kompensieren, das vorliegende System besitzt jedoch einen langsameren Schalter, um Schwankungen der Vorrichtungstemperatur des Radiometers zu kalibrieren (nicht die Rauschtemperatur), um die Verstärkung und/oder die Offset-Spannung zu korrigieren. Der Hohlraum 142 könnte ein Abschnitt eines verlustarmen Wellenleiters sein. Der Schalter 143 kann eine Pin-Diode sein.
• Ein Teil des Radiometers kann durch Isolierung und/oder ein Heiz/Kühlsystem temperaturstabilisiert sein. Die Eingangsstufe (Antenne 144, Schalter 143 und Wellenleiterhohlraum 142) kann z. B. temperaturstabilisiert sein.
• Als eine Alternative zu einem echten Signal einer alternativen Wärmequelle (z. B. von dem Hohlraum 143) ist es möglich, andere Referenz-Temperatursignale bereitzustellen, indem wahlweise ein geeigneter Schalter verwendet wird. Derartige Signale alternativer Quellen könnten Signale mit bekannter Größe sein (z. B. von einer HF-Quelle). Signale von alternativen Quellen mit zwei unterschiedlichen Pegeln würden gewöhnlich zu verschiedenen Zeitpunkten bereitgestellt, damit sowohl Verstärkung als auch Offset bewertet werden können. Ein einziger Pegel könnte verwendet werden, wenn Verstärkung und Offset auf einen einzigen Parameter, z. B. die Temperatur beschränkt werden können.
• Aktive Temperaturstabilisierung
• Eine alternative Lösung, um im Gebrauch Temperaturänderungen in der Abbildungsvorrichtung zu kompensieren, besteht darin, keine Änderungen der Temperatur der Vorrichtung zuzulassen (oder we nigstens nicht zuzulassen, dass sich die Temperatur von einer oder von mehreren kritischen Komponenten ändert). Temperatursteuereinrichtungen zum Heizen/Kühlen (z. B. thermoelektrische Vorrichtungen nach dem Peltier-Effekt) können verwendet werden, um die Temperatur von einigen oder mehreren oder allen temperaturempfindlichen Komponenten der Abbildungseinrichtung aufrechtzuerhalten.
• Der Aufbau der Abbildungseinrichtung kann derart sein, dass temperaturempfindliche Komponenten mit Wärmereservoirs mit großer Wärmekapazität verbunden sind, so dass sich ihre Temperatur nicht rasch ändert. Der Detektor oder das Detektor-Array können z. B. an einem großen Metallblock angebracht sein.
• Abtasten/starrendes Array
• Es ist vorzuziehen, eine Abtastabbildungseinrichtung an Stelle eines starrenden Array zu verwenden, da ein starrendes Array teurer ist. Wenn sich die Kostendifferenz verringert oder wenn es sich lohnt, kann ein starrendes Array bevorzugt werden. Bei einem starrenden Array besteht der Vorteil darin, dass man Pixel länger betrachten kann und dadurch wird das Rauschen geringer und das kann vorteilhaft sein. Es gibt jedoch einige Nachteile der starrenden Arrays und diese bestehen darin, dass sie keine Nyquist-Abtastung erreichen können, es sein denn, es wird eine Mikroabtastung ausgeführt, wobei zwischen Pixeln abgetastet wird. Ferner kann dann, wenn Abtasten begonnen wird, außerdem eine relative Kalibrierung erreicht werden, deswegen ist das Abtasten tatsächlich nicht so schlecht und trotz der Tatsache, dass das Rauschen stärker ist, wenn man nicht jedes Pixel während einer sehr langen Zeit betrachtet, ist es für viele Anwendungen ausreichend gut.
• Ein System mit einer Menge von Verstärkungs- und Offset-Koeffizienten für jeden Punkt in der Abtastung ist vorgesehen. Das könnte wiederum aufgebaut werden, indem die Vorrichtung im Werk getestet wird.
• Defokussierung
• Eine weitere Technik, die bei den oben beschriebenen Ausführungsformen und außerdem bei weiteren Vorrichtungen anwendbar ist, ist die der Defokussierung der beobachteten Szene, um das von jedem Kanal empfangene Signal zu homogenisieren.
• Es kann erwünscht sein, das aus mehreren Gründen auszuführen. Ein Grund besteht darin, dass dann, wenn eine absolute Kalibrierung der Kanäle ausgeführt wird, wobei eine heiße und eine kalte Quelle mit bekannten Strahlungstemperaturen verwendet werden, eine bessere Kalibrierung der mehreren Kanäle erreicht wird, wenn die Kanäle ein Signal der gleichen Stärke empfangen. Durch das Defokussieren können die bei der empfangenen Strahlung vorhandenen Unterschiede in der empfangenen Strahlungsstärke zwischen verschiedenen Kanälen während des Prozesses der absoluten Kalibrierung minimal gemacht oder vermieden werden.
• Das Defokussieren von Strahlung, die von Kanälen empfangen wird, hat einen Sinn bei der relativen Kalibrierung. Als Teil der erläuterten Technik zur relativen Kalibrierung ist ein Vergleich von zwei Kanälen an ihren Kreuzungspunkten erläutert worden, da die Kanäle an diesem Punkt die gleiche Temperatur aufweisen. Defokussieren be deutet ebenfalls, dass jeder Kanal im Wesentlichen die gleiche Temperatur erfasst. Deswegen besitzen das Defokussieren der Kanäle und das anschließende Durchführen der relativen Kalibrierung zwischen Kanälen Vorteile. Es ermöglicht außerdem eine relative Kalibrierung von Systemen, die keine Kreuzungspunkte aufweisen (d. h. starrende Arrays). Ein Defokussieren zum Erreichen der gleichen Szenentemperatur für jeden Kanal für eine relative Kalibrierung kann an Stelle oder ebenso wie der Kreuzungspunkt-Vergleich ausgeführt werden.
• Das Bild wird natürlich für den Prozess der Bilddatensammlung defokussiert.
• In den Echtzeit-Abbildungseinrichtungen für Millimeterwellen, die hauptsächlich betroffen sind, gibt es eine besonders angenehme Weise zum Erreichen der Defokussierung. Die empfangene Strahlung ist typischerweise polarisiert und das ermöglicht die Verwendung von Polarisationseffekten, um die Vorrichtung vom Fokussieren zum Defokussieren zu verändern.
• Wenn z. B. bei der Ausführungsform von 3 der konischen Abtasteinrichtung mit Ferrit das Polarisationsraster 32 von seiner Fokussierungsposition, die in 3 gezeigt ist, um 90° gedreht wird, so dass der Strahl 5d nicht reflektiert, sondern durchgelassen wird, wird die Abtasteinrichtung an Stelle eines fokussierenden Reflektors einfach ein Reflektor.
• Es ist mechanisch einfach, ein ebenes Element um 90° zu drehen, z. B. das Polarisationsraster 32, das an seinem Umfang an einer tragenden Schüssel angebracht ist.
• Alternativ oder zusätzlich könnte das Raster 36 gedreht werden, um eine Defokussierung zu erreichen. Das kann mechanisch schwieriger sein, ist aber trotzdem machbar. Sowohl das Raster 32 als auch das Raster 36 können gedreht werden, um die gleiche Wirkung zu erreichen (z. B. jeweils um 45°). Es muss eine Änderung der relativen Orientierung der Polarisation des Rasters 32 und des Rasters 36 vorhanden sein, wobei der Wert 90° am besten ist.
• Es wird anerkannt, dass die Defokussierungstechnik bei einer konischen Ferrit-Abtasteinrichtung und bei einer konischen Mäanderlinien-Abtasteinrichtung funktionieren wird, indem das den Empfänger-Feedhörnern zugewandte Polarisationsraster gedreht wird. Das kann außerdem durch einen Polarisationsschalter in dem Horn-Feed durch Umschalten der Empfangs-Polarisation um 90° erreicht werden.
• Nachdem die Vorrichtung defokussiert wurde, wird angenommen, dass alle Kanäle die gleiche Temperatur messen. Alle Radiometer in dem Array können dann verwendet werden, um die Temperatur zu messen und anschließend die mittlere Temperatur der defokussierten gleichförmigen Szene zu berechnen. Auf diese Weise würde sichergestellt werden, dass die Unsicherheit über den absoluten Pegel der Temperatur minimal gemacht wird. Das kann für eine absolute Kalibrierung wichtig sein.
• In einigen Fällen kann es nicht vollständig richtig sein, dass die Strahlungstemperatur über der gesamten gleichförmigen Szene gleich ist. Das kann bei Anwendungen der Sicherheitsabbildung der Fall sein, wenn die Objekte sehr nahe an der Abbildungseinrichtung sind.
• In diesem Fall kann die Annahme gemacht werden, dass benachbarte Kanäle die gleiche Temperatur messen. Deshalb ist es in der Erläuterung, die angibt, dass zwei Kanäle den gleichen Punkt in der Szene beobachten können, ebenfalls vorgesehen, die Beobachtung von fast dem gleichen Punkt ausreichend eng abzudecken, so dass es vernünftig ist anzunehmen, dass die Kanäle die gleiche Temperatur oder nahezu die gleiche Temperatur beobachten.
• Es kann außerdem möglich sein, geringfügig zu defokussieren, indem die "Optik" in der axialen Richtung bewegt wird (eine Relativbewegung zwischen der Fokussierungsschüssel und dem Horn-Array). In diesem Fall kann ebenfalls die Annahme gemacht werden, dass benachbarte Kanäle die gleiche Temperatur messen.
• Um die Kalibrierung unter Verwendung einer einzigen Szenentemperatur auszuführen, könnte man die 4 Gleichungen für die 4 Unbekannten lösen, indem die Defokussierungstechnik bei zwei unterschiedlichen Strahlungstemperaturen ausgeführt wird.
• Eine Redundanz bei Erfassungskanälen, die zu einem Bild beitragen, kann sehr hilfreich sein.
• Aufrundungsfehler können durch gemittelte Werte minimal gemacht werden und das ermöglicht außerdem, dass das System ausgefallene Detektoren kompensiert (z. B. durch die Verwendung von Signalen von funktionierenden Detektoren). Das ermöglicht außerdem den Vergleich der bewerteten Temperatur, wenn sie durch mehr als einen Kanal bewertet wurde, um wesentlich unterschiedliche geschätzte Temperaturen und somit möglicherweise ausgefallene Detektoren und/oder Kanäle zu identifizieren.
• Da viele Abbildungssysteme für Millimeterwellen polarisationsempfindlich sind, kann eine Defokussierung außerdem durch die Verwendung eines Polarisationsschalters erreicht werden. Wenn ein Polarisationsschalter direkt vor dem Detektor vorgesehen wird, wäre die erfasste Strahlung nicht fokussiert. Der Polarisator könnte eine Mäanderlinien-Anordnung oder ein Ferrit im Basiswellenleiter in dem Feed sein. 12 veranschaulicht diese Idee.
• Ein weiteres Merkmal, das bereitgestellt werden kann, ist die Fähigkeit eine Änderung der Polarisation (oder einen anderen Schaltermechanismus) zu verwenden, um auf das Empfänger-Feed-Array der Brennebene auftreffende Signale von Signalen, die von der beobachteten Szene stammen, zu Signalen, die von einer Referenz-Kalibrierungsszene stammen, umzuschalten. Die Drehung des Mäanderlinienplättchens, die in Bezug auf 10 erläutert wurde, ist ein Beispiel dafür.
• Einzelpunkt-Kalibrierung
• Eine weitere Technik, die verwendet werden kann, ist die relative Einzelpunkt-Kalibrierung. Sie ist bei Techniken der absoluten Kalibrierung und der relativen Kalibrierung anwendbar. Es ist herkömmlich erforderlich, zwei Kanäle in Bezug auf Verstärkung und Offset zu kalibrieren, indem zwei Temperaturquellen bei zwei unterschiedlichen bekannten Temperaturen betrachtet werden. Wenn die Temperatur der Vorrichtung bekannt ist oder abgeschätzt wird, gibt es in der Kalibrierungsgleichung effektiv nur eine Unbekannte an Stelle von zwei. Das bedeutet, dass bei der Vorgabe einer absoluten Kalibrierung (werksintern), relative Kalibrierungen zwischen Kanälen un ter Verwendung von Emissionen von einer einzelnen Quelle mit bekannter Temperatur ausgeführt werden können.
• Bei der Einzelpunkt-Kalibrierung soll eine relative Kalibrierung erhalten werden, wenn den Kanälen lediglich eine einzige Temperatur angeboten werden kann. Wenn lediglich eine einzige Temperatur vorhanden ist, dann gibt es lediglich zwei Gleichungen für vier Unbekannte. Die Einzelpunkt-Kalibrierung verwendet die Annahme, die aussagt, dass die beiden Unbekannten, die Verstärkung und der Offset nicht wahrhaft unabhängig sind. Es besteht tatsächlich eine Verknüpfung. Wenn das vorausgesetzt wird, gibt es tatsächlich lediglich eine Unbekannte für einen einzelnen Kanal. Die Annahme besteht darin zu sagen, dass Verstärkung und Offset durch die Temperatur des Systems verknüpft sind. Das ist natürlich eine Annahme, aber eine vernünftige Annahme. Das ist der Fall, weil die meisten Änderungen an Verstärkung und Offset infolge von Temperaturänderungen erfolgen. Das bedeutet, man muss lediglich die Temperatur des Systems messen. Dann ist die Temperatur, die Verknüpfung zwischen Verstärkung und Offset, bekannt und es ist möglich, die Beziehung von Verstärkung und Offset nachzuschlagen, und es gibt keine Unbekannte mehr. Deswegen gibt es bei der einzelnen Temperatur zwei Gleichungen und zwei Unbekannte.
• Um die Einzelpunkt-Kalibrierung zu verwenden, muss man sicher sein, dass zwei benachbarte Kanäle im Wesentlichen den gleiche Eingang besitzen. Eine Möglichkeit, um das sicherzustellen, ist das Defokussieren.
• Diese Technik der Einzelpunkt-Kalibrierung kann mit der oben erläuterte Defokussierungstechnik oder ohne diese verwendet werden.
• Die Technik der Einzelpunkt-Kalibrierung könnte z. B. mit dem Himmel (oder mit dem Erdboden) als einzelne Quelle verwendet werden.
• Die Vorrichtung kann einen speziellen Kanal besitzen, der auf die einzelne Quelle gerichtet ist. Dadurch kann vermieden werden, dass die gesamte Vorrichtung auf die Referenzquelle gerichtet werden muss. 4 zeigt z. B. ein spezielles Horn 79, das auf den Himmel gerichtet ist. Das Detektor-Array nicht auf die Referenz-Kalibrierungsquelle richten zu müssen bedeutet, dass es möglich ist, häufig zu kalibrieren, z. B. für jedes Bild oder periodisch nach jeweils einigen Bildern oder einigen zehn Bildern.
• Es wird anerkannt, dass die Kalibrierung des Radiometers vorwiegend durch Software erfolgt. Das bedeutet, dass der Aufbau der Radiometer-Hardware robust und einfach gehalten werden kann, wobei die Software aktualisiert werden kann, wenn modernere Verbesserungen entwickelt werden.
• Kalibrieren jedes Pixels in einem Bild, das durch einen Kanal erhalten wurde
• 14 zeigt schematisch eine Szene 140, die theoretisch in Pixel 142 aufgelöst wurde. Das ringförmige Abtastmuster 144 ist der Teil der Szene, der zeitlich abschnittsweise auf ein Einzelkanal-Feed in dem Radiometer von 9 projiziert wird, wenn sich die geneigte Scheibe 93 dreht. Das ringförmige Abtastmuster 146 ist der Teil der beobachteten Szene, der nacheinander auf einen zweiten Kanal-Feed in dem Radiometer von 9 projiziert wird (und wie in 9a gezeigt ist). Jedes Pixel in dem Abtastweg 142 kann infolge von geometrischen Wirkungen des Instruments für den gleichen Kanal unter schiedliche Werte für Verstärkung und Offset besitzen, die ihm zugeordnet sind. Obwohl oben ein einzelner Kanal erläutert wurde, der in jedem Fall einzelne Werte für Verstärkung und Offset mit Temperaturabhängigkeiten besitzt und das in einer sehr guten Näherung tatsächlich wahr ist, kann es deswegen auf einer genaueren Stufe eine Änderung von Verstärkung und Offset für einen Kanal mit dem Abtastwinkel, dem Winkel θ um die Abtastung, geben.
• Die 15a und 15b zeigen das. Es gibt tatsächlich zwei wesentliche "Markierungen" in den Profilen von Verstärkung und Offset bei einem Winkel um die Abtastung (θ), die um etwa 180° beabstandet sind. Das kann mit der Grundplatte in Zusammenhang stehen, die die Detektoren und zu dem Detektor-Array führende elektrische Leitungen 104 trägt, die sich an um 180° beabstandeten, diametral gegenüberliegenden Positionen befinden.
• Um diesen Effekt zu kompensieren, kann jeder Winkel um die Abtastung, der Abtastwinkel θ, seine eigenen Werte für Verstärkung und Offset für jeden Kanal besitzen. Das kann eine Werkseinstellung sein (und wird tatsächlich gewöhnlich im Werk eingestellt). Wie oben erläutert wurde, sind jedoch Verstärkung und Offset von der Temperatur des Instruments abhängig. Die Werte für Verstärkung und Offset für jeden Abtastwinkel werden ebenfalls in einem gewissen Grad temperaturabhängig sein. Deswegen gilt für eine konische Abtasteinrichtung: Vm = g(θ, T) + V0(θ, T)wobei θ der Winkel um die Abtastung ist und T ist die Temperatur des Radiometers (oder wenigstens die Temperatur einer kritischen temperaturabhängigen Komponente).
• Die absolute Kalibrierung der Verstärkung und/oder des Offset eines Kanals unter einem Abtastwinkel θ kann geschaffen werden. Mehrere absolute Kalibrierungen der Verstärkungen und/oder Offsets eines Kanals bei unterschiedlichen Abtastwinkeln θ können geschaffen werden. Es wird vorzugsweise eine absolute Kalibrierung bei im Wesentlichen allen Werten von θ wird geschaffen.
• Es wird anerkannt, dass das Erfassen und das Kompensieren von Änderungen an Verstärkung und Offset eines Kanals mit θ durch eine zeitliche Tastung des erfassten Signals erreicht werden kann, so dass sich ein "Fenster" elektronisch öffnet, wenn der Abtastwinkel einen bestimmten Wert θ besitzt, so dass der Detektor unter einem Winkel θ im Wesentlichen lediglich eine Szeneninformation erkennt. Eine Veränderung des zeitlichen Ablaufs der Tastung relativ zu dem obersten Punkt der Abtastung ändert den beobachteten Abtastwinkel θ.
• Es ist außerdem erwünscht, eine relative Kalibrierung zwischen zwei Kanälen auszuführen, wobei Änderungen von Verstärkung und Offset mit dem Abtastwinkel θ um die Abtastung zulässig sind. Das kann an Kreuzungspunkten schwierig sein, da der Abtastwinkel für einen Kanal am Kreuzungspunkt θ₁ sein kann, der Abtastwinkel am Kreuzungspunkt/Bereich für den anderen Kanal wird jedoch mit θ₂ ein anderer Winkel sein.
• Eine Lösung besteht darin, die Änderung von Verstärkung und Offset mit dem Abtastwinkel im Werk/Labor für jeden Kanal zu bestimmen und die Werkseinstellungen mit den Werten der relativen Verstärkung und des relativen Offset, die vor Ort beim Gebrauch des Radiometers ermittelt wurden, zu modifizieren, wobei die relative Ver stärkung und der relative Offset Änderungen mit der Temperatur innerhalb des Kanals kompensieren, die vom Abtastwinkel abhängen, d. h. die gleiche relative Kanalkompensation für eine Temperaturänderung unabhängig vom Abtastwinkel, die jedoch auf die Temperatur des Instruments empfindlich ist.
• Eine Alternative ist die umgekehrte Vorgehensweise: Es wird verwendet, was zuvor in Bezug auf die relative Kalibrierung (oder selbstständige Kalibrierung oder absolute Kalibrierung) erläutert wurde und Verstärkung und Offset werden mit einer Modifikation überlagert, die von dem Abtastwinkel abhängig ist, aber für jeden Kanal gleich ist, d. h. Verstärkung (g) → Verstärkung + g(θ) und V Offset → V Offset + V0(θ).
• Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine Menge von winkelunabhängigen Modifikationen für Verstärkung und Offset für jeden Kanal aufzustellen, wobei jede Modifikation für jeden Kanal temperaturabhängig und bekannt ist.
• Anwenden von mehr als einer Kalibrierungstechnik
• Es ist vorgesehen, dass in einer Ausführungsform eine selbstständige Kalibrierung und/oder eine absolute Kalibrierung und/oder eine relative Kalibrierung in einer beliebigen Kombination und möglicherweise in einer Kombination aller drei Verfahren verwendet werden könnten. Eine selbstständige Kalibrierung kann vor einer relativen Kalibrierung verwendet werden. Die Häufigkeit der relativen Kalibrierung der Kanäle kann gleich, größer oder kleiner sein als die Häufig keit der selbstständigen Kalibrierung der Kanäle.
• Änderung des Neigungswinkels einer konischen Abtasteinrichtung
• In einer Abtasteinrichtung der in 9 gezeigten Art, bei der eine Reflektorplatte, die relativ zur Normalen ihrer Drehachse geneigt ist, vorgesehen ist, können Vorteile vorhanden sein, wenn der Neigungswinkel oder Kippwinkel der Reflektorplatte verändert werden kann.
• Es wird anerkannt, dass der Winkel ϕ steuert, wie groß das Abtastmuster der Abbildungseinrichtung ist (für einen Kippwinkel ϕ beträgt die vollständige Öffnung des Winkels des Abtastungskegels 4ϕ).
• Wenn Informationen über einen Mittellinienbereich in der beobachteten Szene gesammelt werden sollen (z. B. Einzelheiten längs eines Horizonts oder in zentralen Bereichen des Bildes) und dort eine größere Empfindlichkeit gefordert ist, könnte der Kippwinkel verkleinert werden, wodurch der Winkel der konischen Abtastung verkleinert wird. Das würde die Menge der Daten, die längs einer Mittellinie in dem Bild gesammelt werden, vergrößern und den Signalabstand in diesem Teil des Bildes vergrößern.
• Wenn umgekehrt ein breiteres Gesichtsfeld gefordert ist, würde eine Vergrößerung des Kippwinkels ϕ den Abtastwinkel auf Kosten einer verringerten Empfindlichkeit vergrößern.
• Innenbeschichtung
• Es ist vorgesehen, dass die inneren Oberflächen des Radiometers mit einer Energie absorbierenden Beschichtung (die wenigstens die Wel lenlängen absorbiert, die in dem Radiometer für die Abbildung/Erfassung verwendet werden) beschichtet werden. Das verhindert Störstrahlung, die die Beziehung zwischen der auftreffenden Szenestrahlung und der durch das Detektor-Array erfassten Strahlung verschlechtert. Das hilft außerdem, die Änderung von Verstärkung und Offset in Bezug auf den Abtastwinkel zu verringern.
• Pixel-Integration
• Bei einem normalen Betrieb der Abbildungseinrichtung für Millimeterwellen von 9 arbeitet das Radiometer bei 25 Hz (d. h. 25 "konstruierte" Rahmen pro Sekunde von der Szene, die aus konischen Abtastwegen aufgebaut werden, die im Wesentlichen den Bereich der beobachteten Szene ausfüllen).
• Um den Signalabstand zu vergrößern, wenn nach einem bestimmten Objekt in der Szene gesucht wird oder wenn ein bestimmter Bereich der beobachteten Szene betrachtet wird, der durch das Gesichtsfeld des Radiometers überdeckt ist, könnte die Integrationszeit für bestimmte ausgewählte Pixel der beobachteten Szene vergrößert werden, z. B. von einigen zehn Mikrosekunden auf Sekunden.
• Das wird normalerweise dann ausgeführt, wenn bekannt ist oder möglicherweise durch den Steuerprozessor ermittelt wird, dass sich das Objekt nicht relativ zu der Szene (wenigstens nicht seitlich oder vertikal) bewegt.
• Der Bereich der Szene, der länger betrachtet wird (größere Integrationszeit) könnte durch eine Bedienperson oder alternativ durch Software festgelegt werden (eine Software zur Mustererkennung könnte z. B. ein bekanntes Objekt oder ein verdächtiges Objekt identifizieren und der Steuerprozessor könnte die Integrationszeit der Pixel im Bereich des Objekts vergrößern). Der Grad der Vergrößerung der Pixelintegration kann vom Anwender oder vom Computer gesteuert werden, z. B. über einen Bereich von einigen zehn Mikrosekunden bis Sekunden.
• Es wird zugegeben werden, dass die verschiedenen Erfindungen, die offenbart wurden, in beliebiger Weise miteinander kombiniert verwendet werden können, wobei die Untermerkmale einer Erfindung mit den anderen Erfindungen verwendet werden können. Der Patentschutz für derartige Kombinationen wird beantragt.

Claims (14)

1. Abtastradiometer (10), das ein Gesichtsfeld, eine Fokussierungsoptik (14), eine Abtasteinrichtung (12), ein Detektor-Array (16) und einen Steuerprozessor (22), der von dem Detektor-Array Signale empfangen kann, umfasst, wobei das Detektor-Array (16) eine lang gestreckte Ausdehnung hat und Feed-Elemente (44) besitzt, wovon jedes entsprechende Kanäle speist, wobei die Feed-Elemente längs einer lang gestreckten Ausdehnung oder Krümmung in der Brennebene oder -fläche der Fokussierungsoptik (14) beabstandet sind, und wobei die Abtasteinrichtung im Gebrauch durch den Steuerprozessor so gesteuert wird, dass sie Bereiche einer beobachteten Szene über dem Detektor-Array (16) abtastet, und wobei das Detektor-Array eine erste Zeile (40) aus beabstandeten Feed-Elementen und eine zweite Zeile (42) aus beabstandeten Feed-Elementen umfasst, wobei die Feed-Elemente (40) der ersten und der zweiten Zeile in der Erstreckungsrichtung der Ausdehnung oder Krümmung zueinander versetzt sind.
2. Abtastradiometer nach Anspruch 1, bei dem sich die zweite Zeile oder Krümmung im Allgemeinen benachbart zu der ersten Zeile oder Krümmung erstreckt.
3. Abtastradiometer nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, das so beschaffen ist, dass es das Detektor-Array in dem Abbildungseinrichtungs-Gesichtsfeld konisch abtastet.
4. Abtastradiometer nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Feed-Elemente auf jeder der Krümmungen oder Ausdehnungen einander benachbart sind und im Wesentlichen so nahe beieinander angeordnet sind, wie es die Geometrie der Feed-Elemente erlaubt.
5. Abtastradiometer nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem mehr als zwei Zeilen von Feed-Elementen vorhanden sind.
6. Abtastradiometer nach einem vorhergehenden Anspruch, das so beschaffen ist, dass es eine Strahlung in einem vorgegebenen Wellenlängenband erfasst, und bei dem für das untere Ende des Bandes der Offset zwischen Zentren der Feed-Elemente unterschiedlicher Zeilen von Feed-Elementen derart ist, dass der effektive Abstand zwischen den Zentren der Feed-Elemente in der Längsrichtung im schlimmsten Fall auf den Nyquist-Abstand oder ungefähr auf den Nyquist-Abstand verringert ist.
7. Abtastradiometer nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Fokussierungsoptik ein Fokussierungselement (36) umfasst, das so beschaffen ist, dass es im Gebrauch die Strahlung auf den Detektor fokussiert, und eine optische Achse besitzt, und die Abtasteinrichtung eine Detektorgesichtsfeld-Ausrichteinrichtung umfasst, die eine drehbare, geneigte Reflektorplatte (28), deren Normale sich unter einem Neigungswinkel zu der optischen Achse drehen kann, und ein Viertelwellenlängenplättchen (32), das zwischen der Reflektorplatte und dem Fokussierungselement vorgesehen ist, umfasst; und bei dem das Detektor-Array zwischen dem Fokussierungselement und der Reflektorplatte angeordnet ist.
8. Abtastradiometer nach Anspruch 7, bei dem das Fokussierungselement außerdem einen Polarisator (36) umfasst, der so beschaffen ist, dass er im Gebrauch Strahlung einer Polarisation durchlässt und Strahlung mit einer hierzu senkrechten Polarisation reflektiert.
9. Abtastradiometer nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Fokussierungsoptik eine Fokussierungseinrichtung (92) umfasst, die so beschaffen ist, dass sie im Gebrauch einfallende Strahlung auf das Detektor-Feedarray (91) aus Detektor-Feed-Elementen fokussiert, damit das Radiometer eine normale Abbildungsoperation ausführt, und eine Entfokussierungseinrichtung (92) umfasst, die so beschaffen ist, dass sie Strahlung von der Szene, die auf das Detektor-Feed oder das Detektor-Feedarray fällt, defokussiert, so dass im Gebrauch auf jedes Feed-Element des Detektors im Wesentlichen die gleiche Strahlung auftrifft.
10. Abtastradiometer nach Anspruch 9, bei dem das Defokussierungselement dasselbe Element wie die Fokussierungseinrichtung ist, wobei die Fokussierungseinrichtung (92) eine Fokussierungskonfiguration und eine Defokussierungskonfiguration besitzt.
11. Abtastradiometer nach einem vorhergehenden Anspruch, das ferner einen Verstärker, der von dem Detektor Signale empfängt und für den Steuerprozessor verstärkte Signale bereitstellt; einen oder mehrere Temperatursensoren, die die Temperatur des Radiometers oder von einer oder von mehreren temperaturempfindlichen Komponenten des Radiometers erfassen, sowie Temperatursteuermittel umfasst; wobei der Temperatursensor im Gebrauch Temperatursignale des Radiometers für den Steuerprozessor bereitstellt, die die Temperatur des Radiometers oder von einer oder von mehreren temperaturempfindlichen Komponenten angeben, und die Steuereinheit so beschaffen ist, dass sie die Temperatursteuermittel in der Weise steuert, dass sie die Temperatur des Radiometers oder von einer oder von mehreren temperaturempfindlichen Komponenten im Gebrauch im Wesentlichen konstant halten.
12. Abtastradiometer nach Anspruch 11, bei dem die Temperatursteuermittel wenigstens eine thermoelektrische Vorrichtung umfassen und der Steuerprozessor in Reaktion auf die von ihm empfangenen Temperatursignale den elektrischen Strom zu der oder jeder thermoelektrischen Vorrichtung steuert.
13. Abtastradiometer nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, bei dem einzelne temperaturempfindliche Elemente ihre eigenen Temperatursteuermittel und/oder Temperatursensoren besitzen.
14. Abtastradiometer nach einem vorhergehenden Anspruch, das einen Geber für eine absolute Referenztemperatur besitzt, wobei die Anordnung derart ist, dass das Radiometer im Gebrauch in eine Kalibrierungsbetriebsart versetzt werden kann, in der es die Verstärkung und/oder den Offset, die dem oder wenigstens einem oder jedem Detektorkanal zugeordnet sind, unter Verwendung von Signalen, die von dem Referenztemperatur-Geber abgeleitet werden, zurücksetzt.