Radiometru

Radiometru.

Un radiometru este un dispozitiv ( senzor pasiv) utilizat în radiometrie pentru a măsura fluxul radiației electromagnetice emise de o suprafață sau de un obiect datorită temperaturii sau strălucirii sale. Deși termenul este adesea folosit pentru dispozitivele care măsoară radiația infraroșie , acesta poate fi folosit și pentru orice detector care funcționează la orice lungime de undă a spectrului electromagnetic ; un dispozitiv care măsoară o bandă specifică a spectrului electromagnetic se numește spectroradiometru . De exemplu, un radiometru cu microunde funcționează în domeniul microundelor .

Descriere

În descrierea unui radiometru, caracteristicile principale sunt:

lățimea de bandă
sensibilitatea spectrală
câmpul vizual și rezoluția spațială
răspuns direcțional

Radiometrele pot utiliza diferite tipuri de detectoare. Unii detectează radiațiile electromagnetice transformându-le în căldură și apoi într-un semnal, alții detectează fotoni printr-o fotodiodă cu o eficiență cuantică specifică. În cele mai frecvente aplicații, detectorul de radiații este un bolometru care transformă absorbția radiației în căldură, care poate fi măsurată printr-un termometru. Creșterea temperaturii poate fi legată de puterea radiației incidente.

Unul dintre primii radiometri care funcționează în câmpul radiațiilor vizibile a fost radiometrul Crookes . Un dispozitiv mai eficient cu diferite principii de bază este radiometrul Nichols .

Principii fizice

Radiometrul își bazează funcționarea pe legile emisiilor termo-electromagnetice ale corpurilor cenușii și pe cele două legi care derivă din acesta, și anume legea lui Wien și legea lui Stefan-Boltzmann . Orice corp peste zero absolut (0 K), deci tot, emite radiații electromagnetice a căror intensitate este în funcție de temperatura corpului. În special, temperatura unui corp este conectată direct la puterea electromagnetică emisă conform legii Stefan-Boltzmann, deci prin măsurarea fluxului de energie recepționat în unitatea de timp dintr-o porțiune a suprafeței, sau chiar forma exactă a întregul spectru electromagnetic emis, este posibil să se urmărească temperatura porțiunii suprafeței de interes.

Caracteristici

Radiometrul poate fi montat pe sateliți orbitanți sau în aer ca instrument pentru detectarea la distanță a Pământului. Spre deosebire de radarul care trimite puterea electromagnetică prin captarea puterii retrodifuzate din obiecte și suprafețe și, prin urmare, este un instrument „activ” (senzor), radiometrul este în schimb un instrument pur pasiv sau un simplu detector electromagnetic fără nicio emisie de putere electromagnetică. Un radiometru în domeniul vizibil poate fi fie un „radar optic pasiv“ , care surprinde vizibile radiații împușcat înapoi de la obiect (prin urmare, funcționează numai în prezența luminii) sau un radiometru care capteaza emisia termică întotdeauna în vizibilă a obiect.obiect în sine.

Aplicații

Radiometrele au aplicații tipice în teledetecția mediului a Pământului din spațiu. De exemplu, radiometrele sunt prezente pe sateliții meteorologici Meteosat ca instrumente pentru observarea meteorologică a Pământului atât în câmpul vizibil (retrodifuzare optică a suprafeței numai în timpul zilei), cât și în infraroșu pentru detectarea vaporilor de apă și a norilor (în timpul zi și noapte)

Probleme conexe

Radiația pe care o primește radiometrul nu este doar radiația emisă de obiectul observat, adică temperatura aparentă medie cu directivitatea antenei ( temperatura antenei obținută prin integrarea temperaturii aparente pe întregul unghi solid și mediată de directivitatea antenei), dar la aceasta trebuie adăugată temperatura de zgomot produsă de sistemul de recepție sau de antenă, receptor și ghidul de undă care conectează receptorul la antenă: un set de dispozitive care sunt zgomotoase la rândul lor și, prin urmare, introduc zgomot. Prin urmare, este clar că, comparativ cu un receptor convențional care funcționează în general pe o bandă foarte îngustă și, în acest fel, este capabil să facă raportul semnal-zgomot (S / N) acceptabil și să primească semnalul care îl diferențiază de zgomotul de fond, în cazul radiometrului care trebuie să observe radiația incoerentă emisă de un obiect sau o suprafață și, în general, extinsă pe întregul spectru electromagnetic (cu caracteristici asemănătoare cu zgomotul alb ) este mai dificil să se distingă semnalul pur din zgomot.

Atmosfera care este mediul de transmisie la rândul său generează / introduce zgomot din punctul de vedere al semnalului informațional, aici în schimb acest zgomot (emis de mediul natural), vrem să-l captăm, vrem să-l primim și din acest zgomot de asemenea, dorim să obținem informații legate de dimensiunea geofizică luată în considerare. Se înțelege apoi cum aceste receptoare radiometrice trebuie să fie foarte sensibile și, mai presus de toate, lățimea de bandă trebuie evaluată în mod corespunzător, deoarece fiind un semnal foarte scăzut, cu cât banda este mai largă, cu atât sosește mai multă putere, prin urmare, cu cât receptorul trebuie să fie mai puțin sensibil, mai puțin critică sensibilitatea.receptor. Deci, în teledetecție , va trebui să folosim o bandă suficient de largă pentru a avea semnalul la un nivel de putere acceptabil sau măsurabil, ținând cont în același timp că lățimea de bandă nu trebuie să fie prea mare pentru a masca interacțiunea dintre radiația electromagnetică și geofizică. parametru care trebuie respectat, adică încercarea de a menține selectivitatea frecvenței.

De exemplu, dacă observăm atmosfera pentru a estima conținutul de vapori de apă (frecvența în jurul valorii de 22 GHz), trebuie să folosim o lățime de bandă care să ne ofere un semnal suficient de puternic pentru a o putea măsura, dar nu prea larg pentru a evita influența. apa pierzând informațiile căutate. Prin urmare, este necesar să acționăm ținând cont de aceste nevoi conflictuale. Receptorul radiometric trebuie să funcționeze la o bandă largă fără a masca selectivitatea măsurătorii pe care dorim să o facem și întrucât puterea în general este foarte mică, trebuie luată în considerare o sensibilitate ridicată.

Performanța unui radiometru este evaluată în termeni de calibrare și sensibilitate de măsurare.

Calibrarea radiometrului este procedura necesară pentru a lega cantitatea de ieșire a instrumentului, care este o tensiune electrică, cu cauza care generează puterea electromagnetică care intră în instrument, adică temperatura antenei (Ta). Aceste două mărimi sunt legate de un „coeficient de câștig” G sau de o relație de proporționalitate: sistemul primește un Ta multiplicat cu un anumit câștig G la care se adaugă un termen de polarizare a semnalului (polarizare). Precizia se calculează luând două valori cunoscute ale lui Ta, măsurând ieșirea, adică nivelul de tensiune și trasând în final linia de calibrare a cărei pantă reprezintă câștigul G în timp ce interceptarea este polarizarea.
Sensibilitatea sau rezoluția radiometrică este variația minimă a semnalului, în termeni de temperatură de intrare, capabilă să producă o variație de tensiune detectabilă la ieșire: toate cele mai mici variații ale rezoluției radiometrice sunt fluctuații ale semnalului care nu sunt detectate.

Deoarece, în general, atât semnalul pur, cât și zgomotul asociat acestuia fluctuează foarte mult, de obicei în aval de receptor există un filtru de trecere joasă sau un „integrator” care aplatizează semnalul prin scăderea fluctuațiilor care altfel ar tinde să-l mascheze. Rezoluția radiometrică va depinde de timpul mediu (timpul de integrare al semnalului de ieșire) și de tipul de schemă radiometrică utilizată. Schema radiometrică este aleasă pe baza aplicației dorite.