DE1946264A1 - Messung der Sichtweite bei Nebel - Google Patents
Messung der Sichtweite bei NebelInfo
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- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
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- G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
- G01N21/49—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid
- G01N21/53—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid within a flowing fluid, e.g. smoke
- G01N21/538—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid within a flowing fluid, e.g. smoke for determining atmospheric attenuation and visibility
Description
Messung der Sichtweite bei Nebel
Die Erfindung betrifft die Messung der Sichtweite bei Nebel
und ist insbesondere anwendbar für die Erzeugung von Informationen
für Piloten, die auf Plugplatzlandebahnen bei Nebel landen.
Die gegenwärtig für die Messung der Nebeldichte auf Flugplätzen verwendete Ausrüstung besteht aus einer Normlichtquelle
und einem von der Quelle entfernt angeordneten Empfänger, der das von der Quelle empfangene Licht empfängt und es mit
dem Licht vergleicht, das bei Nebelfreiheit empfangen würde. _
Diese Anordnung erlaubt jedoch nur eine Messung ders Sichtweite
unmittelbar über der Landebahn. Die Quelle und den Empfänger über der Landebahn erhöht anzubringen, ist unmöglich, da
diese von dem Flugzeug benötigten Luftraum einnehmen würden. Es wurden bereits einige Untersuchungen für die Verwendung
der Rückstreuung vonjeinem ausgesandten Strahlenbündel durchgeführt,
um die Nebeldichte zu bestimmen (vergl. den Aufsatz
η η 9 ο 12 /13 o 1
1146264
"Baokscatter Signature Studies for Horizontal and Slant
Range Visibility", Sperry Rand Research Center, Sudbury,
Massachusetts, USA, Hal 196?}, Jedoch bisher ohne merkbaren
Erfolg.
Die vorliegende Erfindung entspringt einer Analyse der die
Sichtweite im Nebel bestimmenden Faktoren. Ia Kelteren Text
sollen die nachfolgenden Literatlirstellen ait Nummern versehen Werdens
1» Aufsatz "Backscatter Signature Studies for Horizontal and
Slant Range Visibility1* - Sperry HistSResearch Center«
Sudburry, Massachusetts - Mal 19&J.
2. "Contrast Thresholds of the Human Bye" - Blackwell,
J. "Theory of Fog Simulation8 - P.A. Noxon, Engineering
Report, 26. Februar 1963 - The Bendix Corporation, Navigation and Control Division, Teterboro, New Jersey,
BSA.
4. *A Method for Creating a Fog Illusion for In-Flight
Training1* - P.A. Noxon, AIAA Paper, Juni 1967.
Es wurde allgemein erkannt, daß die Möglichkeit, einen bestimmten Gegenstand zu sehen, von drei Parametern abhängt,
nämlich 1. den Winkel, unter dem man das Objekt sieht (angular size), 2. der Anpassungshelligkeit (adaptation i
brightness) und 3. dem Kontrastverhältnis (definiert als die
Differenz der Gegenstands- oder Objekthelligkeit und der
Helligkeit des Hintergrundes dividiert durch die. Hintergrundsheiligkeit). Dieses Thema wird im einzelnen in der Literatursteile Nr. 2 diskutiert.
009812/1301
Die Gegenwart von Hebel In der Siohtlinie beeinflußt sowohl
die sich ergebende Objekthelligkeit, und zwar durch Dttapfung,
als auch die Hintergründshelligkeit, nMalioh durch die Rtf lexion
des Tageslichts und anderen Ungebungsllohts durch die Nebeltellohen (Rückstreuung).
In der Literaturstelle Kr<>>
wurde eine Gleichung aufgestellt, die die Besiehung der Parameter bei. Tageslicht uafaßt (Gleichung
23 der Literaturstelle Mr. >).
V- (1)
V m Kontrastverhiltnis
I = uagebungBliohtwert
™ Λ · -
XA- Helligkeit des Objekts (das als selbstleuehteod angenossien wird)
Q χ Albedo- oder Spiegelungefaktor (fteflexions-▼enrfgen) der Üagebung (β.B. Uras) des Objekts
F - Albedo- oder Spiegelungefaktor (Reflexions-▼ensbgen) des Hebels
χ s Entfernung lHngs der Sichtlinie zwischen Auge
und Otsjekt geaessen in FuS
a = Hebeldichte-Koefflzient
0098-12/130-1
-'J t
3 - 3
1 - "» ^t S
ι. JI-) -S-
1 " Λ
1146204
Wie luvor erwähnt, hängt der Schwellen« oder Auslttschwert
von V von der Objektgröße und der Adaptations leuchtdichte
ab (wahrscheinlich, sehr gut dargestellt durch IQ in Gleichung
(I)). Es 1st wahrscheinlich nicht bekannt, welches tatsächlich der Schwellenwert für die Situation des Piloten ist.
Sr hat nicht ein einsiges bekanntes Objekt unter Testbe*
eingingen au erkennen, sondern aus einer sichtbaren Scene eine yerläflliohe Leitinformation abzuleiten. Dies muß natürlich noch welter untersuoht werden, aber man kann nur an·
nennen, dafi für einen gegebenen Flugplatz ein gewisser definierter Wert bei einem gegebenen Wert von lo existiert«
der gesessen Werden kann. Dieser speslfIsche Wert von V
suß auoh zwangsläufig die wirklich zutreffenden Werte von Q einschließen sowie die Anordnung und die relative Helligkeit der Landebahnlichter.
Der Xebeldlchte-Koeffizient a, der sowohl bei den Dlünpfung·-
als auch bei den Büokstreuberechnungen erscheint (vergl.
Gleichungen 4 und 5 *sr Literaturetelle Hr. ?), stellt die
äquivalente projlsierte Fläche der Mebelteilchen pro Flächen·
einheit pro Linearfufi längs der Sichtlinie dsr« Während
in der Literaturstelle Xr. 3 nur ein« homogene Xebelxutammen«
Setzung betrachtet wurde, bei der a eine Konstante let, kann
auch eine flexiblere Behandlung vorgenommen werden {vergl · Idteraturstell* *r. 4). In de« letzteren Aufeati wird geseilt, daß man a als irgendeine Funktion von χ ansehen kann,
nämlich a » f (x).
Die%bei der Lösung der grundlegenden Differentialgleichung
notwendige Integration kann, ans teile ihrer Durchführung auge·'
geben werden als Ausdruck
.ax
009812/1301
BAD ORIGINAL
1»46284
* 1A
(2)
Bs ist dann nicht erforderlich, die Einzelheiten der Nebelzusammensetzung längs der Siohtlinie zu wissen, wenn eine
der Nebelgleichungen einschließlich der Q14chung Kr. 2
ausgewertet werden sollen» sondern es nuß nur der Wert des
Gesamtintegrals /f(x)dx bekannt sein. Dies ist ein grundlegendes Prinzip» das in dem zu beschreibenden System angewendet werden soll.
/f(x)dx
VJ0Pe
/f(x)dx
/f(x)dx Λ I,
Für jede gegebene Situation sind die Werte auf der rechten
Seite der Gleichung > bekannt oder sie können direkt gemessen
werden; somit läßt sich ein Schwellenwert von
und damit /f(x)dx bestimmen. Faßt man diese Auedrücke zusammen
009812/1301
ORIGINAL '
— O. ->
und | bezeichnet sie \ | 2IlI | .k so is | |
i ■ | ||||
Zlim r | e | - |
oder
Jt(
Dies ist der Wert von /f (x)cbc der die Auslöschimg für einen
bestimmten Flugplatz, für bestimmte Bedingungen des ünigebungsliohtes
usw. hervorruft! es ist die Aufgabe des Nebel-Meßeleraentes
dee Systems, diesen Ausdruck-auszuwerten.
Essoll gezeigt werden, was daraus zu folgern ist, daß
/f(x)dx eine Funktion der Helligkeit am Empfänger integriert über der Zeit nach Aussendlang eines kurzen Impulses ist. Ferner
kann f(x) aus dem Augenblickswert der Helligkeit und der
integrierten Helligkeit während einer Zeit zu bestimmen, die der Laufzeit des Impulses ütow die Entfernung χ und zurück
enfc$>richt. Somit kann die Sichtweite entweder direkt aus der
Integrierten Helligkeit ender indirekt durch Integration der
Nebeldichte f(x) längs der Sichtlinie bestimmt werden».
Gemäß der Bf indung wird ^om#% ein Gerät zur Messung der
Sichtweite bei Nebel geschaffen, das gekennzeichnet 1st durch einen Sender zum Aussenden eines gepuldten parallelen Strahlenbündele,
durch einen Empfänger zur Messung der längs des gleichen
Pfades durch den Nebel ziarückreflektierten Strahlung,
duroh Vorrichtungen zum Integrieren der empfangenen Helligkeit über der Zelt und Vorrichtungen zürn Ableitet! eines Mäßea
für die Sichtbarkeit oder Sichtweite aus dei» integrierten
Helligkeit.
Die Vorrichtungen zum Ableiten eines Maßes dir Sichtbarkeit
oder Sichtweite können aus Vorrichtungen zvm Bestimmen der
Zeit bestehen, die benötigt wird, bis di« integrierte Helligkeit naoh Auseendung eines Impulses einen *iBge«i5ellten Pegel■..:
00081271301
c« · erf tr t '
t 9 * ν t ** ί ΐ t ί * ί
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tr* *r it t.._- f
»* ft ι (t (Ml ti ti . ;
7. 19W264 ■!
erreicht. Die Sichtweite *ird dann duroh die halbe Entfernung
dargestellt« die von der gemessenen Strahlung in der genannten Zeit durchlaufen wurde·
Der eingestellte Pegel ist eine Funktion mehrerer Parameter, von denen einige für einen gegebenen Ort konstant sind, während
andere mit den Nebelbedingungen variieren und β Jpns oder getrennt genessen Herden nüssen· Diese Parameter sind der
Schwellen- oder Auslusohwert des Kohtraatverhältnisses V, der
Albedo-oder Reflektanzfaktor Q der Umgebung eines Objektes« ~
der Albedowert F des Hebele« die Helligkeit IA des Objekts«
der Umgebungsliohtwert IQ, der Albedo des Nebels für die Meßstrahlung P-, die Helligkeit oder Leuohtdiohte I^ des Senders
-and die Iopülsbrelte V£. Der SohwellertWert von V« das ist der
Wert bei den das Objekt nicht mehr vom Beobachter gesehen wird« ist abhängig von der OrtSfie des Objekte und der Anpassung- oder
Adaptation des Auges des Beobachter» an das Umgebungslicht.
Bei der Anwendung der Erfindung auf die Messung von Nebelbedingungen auf Flugplatzlandebahnen 1st es auch erforderlich«
die Tatsache in Betracht zu sieben« daß der Flugzeugführer nicht nur ein Testobjekt su sehen wünscht, sondern aus den
Objekten« die er" *a« Krdboden sehen kann« eine vetÄasliche Leitinformation ableiten kann. Deshalb kattn der tatsächliche '
Sohwellemwert von V höher aein. Unter gegebenen tiwßebungeliohtbedingungen keim ein geeigneter Schwellenwert von V in dem ' '
System eingeiellt werden« uod zwar falls erforderlich« durch
die Verwendung von'empirisch bestimmten Werten·
Andererseits können die Vorrichtungen sum Hessen der Sichtbarkeit oder Sichtweite aus Vorrichtungen zur Berechnung der Ne-*
ϋβ!dichte f (x) bei verschiedenen Entfernungen χ aus den Augen-
^ ickswerten der Helligkeit und der integrierten Helligkeit
für eine Zeit bestehen« die dem Empfang der reflektierten
Äfcrfchlung aus der Entfernung χ entspricht· Wenn die Nebeldlohte
in drei Dimensionen durch Verwendung mehrerer Sender/BmpfXnger«*
einheit en bestimmt worden ist, kann die Sichtweite durch das.
00 9812/1301
SAD ORIGiNAL
Gerät für jede beileibe Beobachtungslinie durch Berechnen
des /f (x)dx und Vergleichen desselben mit dem Schwellenwert
logeZllra bestimmt werden, welch letzterer abhängig 1st von
den oben angegebenen Parametern»
Das Strahlenbündel kann eine Frequenz haben, die für den besonderen Fall gerade am geeignetsten ist· Als Beispiel
wird bei der vorliegenden Beschreibung ein Gerät angegeben,
das durch einen Laser erzeugtes Licht verwendet, da dies die
Erzeugung eines kollimiSrten Bündels erleichtert, jedoch ist
auch die beispielsweise Verwendung eines Radarbündels möglich.
Die Verwendung eines Stahles von weißem Licht ist für die
Messung wünschenswert, da dies am genaues ten mit den tatsächlichen Bedingungen der Beobachtung übereinstimmt und zwar
besser als die Verwendung einer Strahlung mit einer einzigen , Frequenz· Die Impulse sollten sehr kurz und mit einer IrnpJLsbreite
von einer Größenordnung von 10 nano-sec, sein.
Es wird nun die Beziehung zwischen /f(x)dx und dem Zeit·*
integral der empfangenen Helligkeit für ein System gezeigt,
das einen kollimierten Strahl für Sendung und Empfang verwendet
und nur eine einzige Reflexion von den Nebelteilchen in Betracht zieht.
Es sei
ν ■;«*■ Lichtgeschwindigkeit
t ■ ■- Zeit ' .■■■..;.■' -ν" .':'- ^ -■ _
ρ = Impulsbreite
vp : .=»■ Impulsbreite
X1 = Entfernung längs des kollimierten Strahles
X| = ^ wobei t die Zeit der Ankunft des reflek
tierten Impulses ist ^
I^ m Helligkeit oder Leuchtdichte des Senders
I1 = Helligkeit oder Leuchtdichte eines Nebel-
. elements
009812/1301
I2 s Helligkeit oder Leuchtdichte eines Hebel
elements nach Reflexion
IR s Helligkeit oder Leuchtdichte beim Empfänger
Fm m Albedo oder Reflektanz von Hebel für die Meßstrahlung
f (X1) » Hebeldichkoeffizient
Nun ist:
I2 - I1F^(X1)Vp (6)
-/fßt)dt VP β
ßt)dt
f(ffe)" (7)
-2/f(vt)dx „
V'4) (8)
Dies ist die Augenblickamplitude des empfangenen Impulses·
t/* Bezeichnet man LR als Zeltintegral des Echos oder ^
dann ist
I* -2/fCjt)dt
-2/f(|t)dt
L = (1 - e )
2
oder
oder
-2/f(|t)dt 2LR
Da aber
/f(|t)dt =/f(x1)dx1
so ist
000812/130!'"' BADORIQINAL
1945264
If(X1 )d*i
Da I^ und vp Konstante für das System sind, ergibt sich noch
einfacher
i loe«
in
Wird nun das System so ausgebildet« daß der von dem Instrument
angewendete optische Pfad der gleiche ist, wie die Sichtlinie des Piloten, d.h. wenn sie nun
-' /f(x)dx
so können die rechten Seiten der Gleichungen 4 und 13 gleich·
gesetzt werden:
310.:' lo*ezlim
Γ '■■■ ¥ 1
j-i « KGJi) J
Z2
lim Γ 1 - "K(Tl)- I
52 ilrt;:-! Z2i^Kf»^*«i
Ä-.i>
Iff * t « C
Die Ausdrucke auf der rechten Seite der Gleichung 15 sind
entweder Konstante für eine bestimmte Situation oder andere meßbare Parameter und können somit in dem Gerät ein«
gestellt werden. Sobald L^ den durch die Gleichung 15 dargestellten Wert erreicht» stellt die Zelt t über die
die empfangene Leuchtdichte oder Helligkeit integriert worden 1st, die Zeit dar, die das Licht benötigte, um zu
der Grenze des sichtbaren Bereichs zu gelangen und zurückzukehren; sie ist somit ein direktes MaS für die Sichtweite
oder den sichtbaren Bereich·
Das Gerät,kann mit einem Gatter ausgestattet sein, das derart einstellbar ist, daß es zu verschiedenen Zeiten relativ zu dem ausgesandten Impuls wirksam wird und das Echosignal abschneidet, wenn die Integrierte Helligkeit oder
Leuchtdichte den eingestellten Pegel erreicht. Das Gatter
wird zweckmäßigerweise durch ein Differenzsignal gesteuert, das durch Vergleichen der integrierten Leuchtdichte oder
Helligkeit mit dem eingestellten Pegel abgeleitet wird, wobei der Letztere Änderungen unterworfen ist, etwa durch Änderungen des Umgebungslichtes und anderer Bedingungen· Die
Zelt der Wirksamkeit des Gatters stellt dann kontinuierlich den sichtbaren Bereich oder die Sichtweite dar.
Das Gerät wird am Boden aufgestellt und kann die Sichtweite
in Jeder beliebigen Richtung messen, in die es eingestellt
wird. Auf einem Flugplatz ist es erforderlich vorherzusagen, welches die Sichtweite auf der Landebahn sein wird, d.h. auf
welche Entfernung der Pilot längs der Landebahn für verschiedene Höhen des Flugzeugs auf der schrägen Anflügbahn
noch sehen kann. Venn die Sichweite χ vom Gerät' gemessen
0098 12/130 1 " ~
8AD ORlGiNAL
5 ϊ ■ ' ""■■-' ' - t %
ι J» % ί 1 >
* it
1S46264 ,
wird j, wenn dieses unter* einem Winkel 0 aufwar tsgeriohtet
1st« dann kann ein Flugzeug* dasdiese Koordinaten relativ
zum Gerät hat:, gerade denjenigen ?eil der landebahn itehen,
auf dem das Oerlt Ättfgeetelit ist* Die Flugzeughöhe h ist
gleich χ Sinus 0 und die Landebahneichtweite V.R. 1st gleich
jf Cosinus |ί. Wenn das Flugzeug sich auf einer schragen An»
flugbahn mit dem Winkel Q befindet« die die Landebahn bei
einem Sntfernungspunkt B von dem Gerät schneidet* so kann
gezeigt werden« daß χ ist gleich
DtgÖ ■■■,: ;
(ein 0 .-- tg «ö cos 0)
(16)
Wird nun $- verMndert, eo kann die Gleichung für die gemessenen Werte von χ und h erfüllt werden und V»R. kann bei
Auflösung nach χ bestitnmt werden·
Werden somit eine Anzahl von Geräten eines derartigen Systems
in Abständen IMngs der Landebahn aufgestellt« dann kann an
verschiedenen Punkten lunge der Anflugbahn eine Inforwation
über die Höhe und den Sichtbereich erhalten werden.
Praktische Aueftfiirungsbelspiele der Erfindung werden nun
anhand der Zeichnungen beschrieb«!; es zeigen
Pig. 2 die Anbringung der Transa&fcter/EmpfItagereinheit und
ein Block-Schaltbild eines Datenreehners für die
Bestiinaung der Flugzeughöhe h und der Landebahnsichtweite V.R.
Fig. 5 ein Diagraam zur Veranschollichung der Anwendung einer
vertikal gerichteten Tranemi tter/EnspfMngerelnhelt und
der Auflösung längs der Sichtlinie in einem gesendeten
Rebel
009812/1301
, 8AD
Fig, 4 ein Biookdiagraram einesDatenreohners, der die in
Fig. 3 veranschaulicht· AufXösungstechnik anwendet
Fig. 5 ein Blockdiagraram eines Datenreohners für die Bestimmung
von f(ac).
Fi^. 6 ein Blookdiagramm für einen Rechner.
Xn der in Fig. 1 gezeigten Einheit erzeugt ein Laser Io einen gepulsten Strahl« der durch einen Spiegel 11 und
Linsen 12 und 13 in ein breites Parallelbündel umgeformt
Wirdj das in den Nebel gesandt wird. Ein Strahlenteller
ist so angeordnet, daß er die längs des Aussendungspfades
reflektierte Strahlung empfängt und. diese mittels einer Linse 15 auf einen Fotovervielfacher 16 lenkt, dessen Ausgang
dem Datenrechner zugeführt wird.
In Fig. 2 ist die Einheit der Fig. 1 mit 17 bezeichnet und
auf einer horizontalen Welle 18 angebracht, die von nicht gezeigten Zapfen gehalten wird. Die Welle 18 1st drehbar
durch ein Getriebe 19 mittels eines Motors 2o, der ein Eingangssignal
von einem Servoverstärker 21 erhält und die
Winkelstellung der Einheit 17 entsprechend einstellt. Diese Winkelposition 0 wird von einem Wandler 22 auf der Welle
gemessen, der ein Signal entsprechend dem Winkel 0 an den
Datenrechner liefert. Letzterer empfängt auch das Ausgangssignal IR des Photovervielfachers 16 der Einheit 17. Ein
Resolver 23 auf der Welle 18 empfängt ein Signal, das χ
darstellt und erzeugt χ cos&hw 0 = V.R. und χ sinus- 0 » h.
Der Datenrechnen.; besitzt ein Gatter 24, durch das das Signal
Ir, zu einem Integrator ?51äuft. Das Ausgangssignal Ln des
η
■ I? /ge «· 11 η
Integrators wird mit dem Ausdruck nr lim durch einen
'Vergleicher 26 verglichen und das entstehende Differenzsignal
wird mittels einer Gattersteuerechaltung 27 zur Schließung des
Gatters 24 verwendet, wenn die Differenz zu null wird. Die
Gattersteuersohaltung legt ein Signal t^, das die Zeit der
Gattersohliefiung darstellt.an eine Vervielfacherschaltung 26,
009812/1301 BAD ORIGINAL - 14 «
4946264
die ein Ausgangssignal erzeugt« das die Sichtweite χ =
längs der Sichtlinie der Sender/fempfSngereinheit 17 dar
stellt. -■■■■' ■'"■■. : - . -ν.., ;. .' ■-".;■,.-■
Eine Schaltung 29 berechnet einen Wert von χ gemäs der
Gleichung 16 aus ä@n vor<Ingestellten Werten von D und ö
und dem Augenbllekswert von 0 vom Wandler 22. Ein Vergleichet
3o leitet ein ^Afferenzsignal von den Ausgängen der beiden
Schaltungen 28 und 29 ab, das durch den Verstärker 21 an
den Motor 2o gelegt wird, um sie derart zu verstellen, bis
der Wert x der die Sichtweite von der Einheit 17 darstellt,
den geometrischen Bedingungen für ein Flugzeug auf einer bestimmten Anflug- oder Gleitbahn entspricht. Die
Ausgangssignale des Resolvers 25 geben dann eine Höhe des
Flugzeugs und einen entsprechenden Landebahnsichtbereich
(Sichtweite) an.
Um eine Information über die Sichtweite bei einer konstanten
Höhe zu erhalten, wird der Auszug χ = ■' ersetzt durch
sin 0
Gleichung 16 und die Blockschaltung für die Erzeugung von χ
aus den geometrischen Bedingungen wird derart verändert, daß
an die Stelle von D und 9 ein voreingestellter Eingangswert h
tritt· Durch Ändern von h erhält man laufend Informationen über einen. Bereich von verschiedenen Höhen.
Bei dem bisher beschrieben^System wurde die Annahme gemacht,
daß die zur Messung verwendete Strahlungsenergie längs der
Sichtlinie-- des PiIptens gerichtet war. Sie würde direkt in
seine Augen fallen« falls er in Richtung des Erdgerätes
schauen würde,und zwar in demjenigen Augenblick, indem
Letzteres seine Höhe ausfindig macht» Während dies tragbar
wäre, wenn ein nicht gefährlicher Teil des Spektrums, beispielsweise das K-Band verwendet wird, ergeben sich ernste
0 0 9 8 1 2/1301 BAD
Beschränkungen bei der Verwendung sichtbaren Lichtes« welches aus anderen Gründen wünschenswert ist« da ein Lader«
der genügend stärk 1st« um die erforderliche Entfernung zu durchdringen« in manchenFällten das Augenlicht des Piloten
zerstören könnte«
OlUoklloherweise besteht jedoch die Möglichkeit, diesen
Schwierigkeiten dadurch aus den Weg zu gehen« daß der Meßstrahl jederzeit senkrecht nach oben gerlohtet werden
kann und eine Auflösungetechnik zur ■#*· Bestimmung der erforderlichen Daten angewendet wird. Biese Ausrichtung des
Strahles ist wesentlich weniger gefährlich, da es praktisch unmöglich ist« unter normalen ÜmstXnden von einem Flugzeug
senkrecht nach unten zu sehen.
Aus diesem Grunde maß angenommen werden« daß der Nebel In
horizontaler Richtung isotrop ist« während er in vertikaler Richtung eine beliebige Struktur aufweisen kann« d.h. er
Miß genau geschichtet sein. Sine derartige Anordnung 1st jedoch in der Natur mit guter Annäherung vorhanden« insbesondere während niedrigen Nebele. Be wird nun Fig. 3 betrachtet. .
Oemäß der bisher verwendeten Bezeiehnungswelse ist X1 die
.Entfernung längs der Meßllnie« in diesem Falle der vertikalen
Linie« und χ die Entfernung längs der Sichtlinie· Der vertikale Aufbau des Nebels soll beliebig sein« d.h. wie schon
zuvor betrachtet« daß a der dichte Koeffizient eine Funktion
von Xj ist« oder
*-f(xl>
(17)
Nun ist Xt
sin 0
, _Üi— (ie)
sin 0
■
009812/1301 - 16 -
194626A
CtemHß der Annahmen, daß der Nebeldichtekoeffizient a
für Jeden entsprechenden Punkt von X1 uijd χ der gleiche
ist, sind auch die entsprechenden Flächenelemente proportional zu dem obengenannten Verhältnis. Zum Beispiel
ist. adx.
sin ff
da · . ; -" : ■■-■■'■■. -.■--./
Jadx^/f(x)dx (Fläche auf χ) (2o)
und a * f(xj)
so ist .% Jf (x1)dx1 - JaOx1 (Fläche auf X1) (21)
nach Einsetzen ,
1 .
sifa ^
Es zeigt SlOh somit» daS die Messungen in senkrechter Richtung durchgeführt und nach der Sichtlinie des Piloten auf«·
gelöst werden können. Das Ergebnis ist Insoweit mit einem Fehler behaftet, als der Bebel von einer isotropen Struktur
abweicht. Da Jedoch, wie schon zuvor erwähnt, die meisten Nebel diese Form sehr gut annähern und sowieso eine Anzahl von
Meßelementen über den Plugplatz verteilt angewendet werden,
scheint es wirklich zwecknäßig, diese Annäherung in Kauf zu
nehmen, da sie viele Vorteile aufweist· Bs sollte noch
berücksichtigt werden, daß das eeßende Licht im allgemeinen
nur eine kürzere Entfernung zurückzulegen hat, eodafl eine
geringere Leistung genügen wird oder umgekehrt, dafl man
bei der gleichen Leistung eine bessere Auflösung erhält.
0 0 9 8 12 /1 3 01 BAD
- 17 - ■■-. '- ■"'■
Xl
sin 0
ebenso Gleichung (22)
(f(x)dx"
sin 0
und Gleichung (4)
.'.Jf(X. | (24) | , )dx, => sin 0 ι- ■·· ... |
Γι- | Moge | 1 | ?Um | (23) |
man Schreibt/oTeichung (14) um |
V ~ τ . - , - -
• '" " "2 "- ΊΓ £ |
(es sei L^1' | 2 g· ι 0 | sx - K_ | •tr | längs X | j) dann ist |
1 1( | lim | Z2 ain 0 4 I lim |
1 | ||||
β Γ" 1 Vt | 2/1301 '■ | D | j^si: | π 0 IQg6Z111n | |||
sin 0 u | |||||||
1 - * - Ί | (25) | ||||||
00 98 1 | (26) | ||||||
- 18 - | |||||||
BAD ORIGINAL | |||||||
Der Aüflösungswinkel 0 wird nun durch einen Wert dargestellt,
der irgendwo in dem Rechner gespeichert ist und nicht durch die physikalische Lage e,eines Etwas, Der Einfachheit^·
halber sei dieser Winkel als unabhängige» Variable betrachtet. Beginnt man mit 0 = 9o°, so ist LR β lr j.n
Gleichung 15 da sin 0 =1. Dieser Wert wird wie zuvor mit dem
Schwellenwert gejmäjB GJleJ^chung; -1/5 verglichen und falls er un- ι
zureichend ist, wird 0 für einen kleineren Wert programmiert.
Es ist nun erforderlich, den Schwellenwert von Ln
mittels der Gleichung 26 ständig neu zu berechnen. Schließlich
findet man einen Punkt, bei dem der gemessene Wert von Ln
und der berechnete Wert für den Wert von 0 gleich sind, V.R.
und h können dann wie schon zuvor gezeigt, ausgelesen werden.
Eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung der Berechnung
ist in Fig. 4 gezeigt, die eine Schemazeichnung ähnlich der
Pig. 2 ist, bei der jedoch Veränderungen vorgenommen wurden, die notwendig sind, für die Durchführung der Auflösung
der Meßungen längs einer Beobachtungslinie bei einem Winkel
0 zur Horizontalen. '
Teile der Pig. 2;die denjenigen der Fig. 4 gleichen, sind mit
den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht weiter beschrieben. Die Einheit 17 ist nicht mehr schwenkbar angeordnet, sondern fest vertikal nach oben gerichtet. Das Ausgangssignal
des Vergleichers 5osteuert deshalb nicht mehr die Position der_ Einheit 17, sondern wird an einen 'Integrator 31,.
angelegt, der ein Signal erzeugt, das den Winkel 0 darstellt.
Dieses Signal bildet das Eingangssignal für die Schaltung 29,
das in Fig. 2 von dem Wandler 22 abgeleitet wurde. Das genannte
Signal bildet auch ein Eingangssignal für eine logische
Einheit 32, die den Ausdruck
0098 12/1301
BAD ORIGJNAl
2βΐη 0 ,
IIm m Λ
zum Vergleich im Vergleioher 26 mit dem gemessenen Wert von
L11 berechnet. Der Wert von 0 wird automatisch verstellt
bis er mit den geometrischen Bedingungen in Einklang ist und die Werte der Höhe h und der Landebahnsichtweite V.R.
werden durch die logischen Einheiten 33 bzw. 34 erzeugt,
die χ sin 0 bzw. χ cos 0 berechnen.
Die Vorrichtung nach Fig. 4 kann in Ähnlicher Weise wie in
Fig. 2 modifiziert werden, daß die Messungen bei eingestellten Höhen durchgeführt werden. Wie zuvor werden eine Anzahl derartiger
Vorrichtungen über dem Flugplatz verteilt aufgestellt,
damit tin dreidimensionales Bild der Nebelkonditionen erstellt wird, wie es von einem Piloten vor der
Landung mit größter Wahrscheinlichkeit angetroffen wird.
Es wird nun gezeigt, daß die Sender/EapfMngereinheit 17
zur Bestimmung 'der tatsächlichen Werte der Nebeldichte f (x) verwendet werden kann; durch Verwendung mehrerer Einheiten,
die über den Flugplatz verteilt und vertikal nach oben
gerichtet sind, ist es möglich, eine Karte der Plugdichteverteilung
in drei Dimensionen aufzustellen. Es ist dann nicht mehr notwendig, sich auf .Annahmen wie die Schichtung
des Nebels bei der Berechnung der Sichtweiten zu stützen, da f (x)dx für jede beliebige Siohtlinle berechnet werden
kann. '
Hierfür wird die Gleichung (8) im Ausdrücken der Entfernung χ
wie folgt beschrieben: fx ■
_2I f(x)dx si
f <*)« J°
(27)
009812/1301
8omit
und euttbituiert, so ist
Z τ m '.: rt*i-\
(5o)
Somit ist die Nebeldichte in einer Entfernung χ von der Sender/
EmpfMngereinheit bestimmbar &u& der empfangenen Helligkeit
oder Leuchtdichteί IR zu dejn zeitpunkt| der dem Empfang der von
aus dieser Entfernung reflektierten Strahlung entspricht und aus dem integrierten Wert L- dieser Helligkeit oder Leuchtdichte zum gleichen Zeitpunkt. Durch Bestimmung von f(x) für
verschiedene Entfernungen 1st es möglich, ein Bild der vertikalen Verteilung der Nebeldichte Über einer vertikal gerich- .
^ 0098ia/13D1 ^, - 21 -
BAD
-η - '■■■ ' .. ■
teten Sender/Empfängereinheit aufzustellen. Somit kann durch
die Verwendung einer Anordnung mehrerer vertikal gerichteter Einheiten die Qesamt-Nebelverteilung bestimmt werden.
Fig. 5 zeigt den Daten¥«preehner, der einer/einerAnordnung von
Einheiten zugeordnet ist und der mit einem zentralen Rechner verbunden ist, der -eha-efc·, Abfrage^jrerte von f(x) von den verschiedenen Einheiten empfängt und die Gesamtverteilung aufbaut. Das Ausgangssignal IR von der Einheit 17 läuft wie zuvor duroh das Gatter 24 zu dem Integrator 25· Das Oatter
wird durch die Gattersteuerschaltung 27 gesteuert, die in diesem Falle Abfragesignale von dem zentralen Rechner
empfängt, die einen bestimmten Wert von χ darstellen. Das Gatter wird somit zu einem entsprechenden Zeitpunkt t^ geschlossen und gibt einen Wert von L^t,)am Ausgang des Integrators 25 und einen Wert von IR(t.) am Ausgang des Gat-.
ters 24 ab. Diese Werte laufen durch eine logische Einheit
55* die auch voreingestellte Werte von 1^, vp und F ■ ■
empfängt und f(x) für die Abgabe an den Rechner berechnet*
Die Daten können auf verschiedene Welse duroh Rechner verarbeitet werden, um die Landebahnsichtweite für irgend eine
Position eines Flugzeugs zu erhalten. Es 1st z.B. möglich, daß der Rechner Daten speichert, die representativ für die
Nebeldichteverteilung sind und aus denen f(x)dx für Jede
gegebene Sichtlinie bestimmt werden kann. Dann kann für jede gegebene Höhe auf einem bestimmten Gleitanflug f(x)dx
für Sichtlinien unter verschiedenen Winkeln berechnet und mit lo8e ziim verglichen werden, um die Landebahnaichtweit·
oder den Sichtbereich zu. finden.
0098 12/1301
FIg, 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines logischen Blockdiagramms für einen Rechner zur Berechnung der Landebahn-Sichtweite
V. R. für verschiedene Höhen H auf einer Anflugbahn
aus Informationen, wie z. B. die Nebeldichte, die von
mehreren voneinander in gleichen Abständen unter der Anflugbahn
längs des Erdbodens angeordneten Einheiten empfangen werden· Die Ausgangssignale der verschiedenen Einheiten werden
dargestellt durch f^ (x), f2 (x) ....* fn (x). Die Entfernung
längs des Erdbodens zwischen den Einheiten wird mit
R bezeichnet. Die integrierte Nebeldichte in horizontaler Richtung wird angenähert durch den Ausdruck
Diesen Ausdruck erhält man mittels eines Interpolators 36
und eines Integrators 37. Der Ausdruck wird dann für die Sicht·
linie durch Multiplikation mit g-jjjj *n den Block 38 aufgelöst,
wobei der Winkel A zwischen der gewählten Sichtlinie
und der Vertikalen liegt· Der Ausgang vom Block 2& wird an
eine Differenzschaltung 39 angelegt, die auch den Wert
tog Zt j» empfängt und ein Differenzsignal erzeugt, welches
an eine Schaltung 40 gelegt wird, um A solange zu verstellen,
bis die Differenz zu Null wird. Das Ausgangssignal der Schaltung
40 stellt den Winkel A dar und wird sowohl an den Block 38 als auch an eine zweite Multiplizier schaltung 41 angelegt,
wodurch eine angegtoene Höhe H in die entsprechende Landebahnsichtweite V. R. für die vorherrschenden Nebeldichtebedingungen
umgewandelt wird·
■·■■'■■ ■ ■■■-■'. ■.",..* ; ■■■■/..
- 22 009ai2/1301
Claims (1)
- P a.t en tansprUchei. Gerät zum wessen der Sichtweite oder des Sichtbereichs bei Nebel» gekennzeich net durch einen Sender zur Aussendung eines gepulsten parallelen Strah« lenbündels, einen Empfänger zum Messen der längs des gleichen Pfades durch den Nebel reflektierten Strahlung« Vorrichtungen zum Integrieren der empfangenen Leuchtdichte (Helligkeit) über der Zeit und Vorrichtungen zum Ableiten eines Maßes für die Sicht (Sichtweite) aus der integrierten Leuchtdichte.2« Gerät nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß die Vorrichtungen zum Ableiten eines Maßes für die Sichtweite aus Vorrichtungen zum Bestimmen der Zeit bestehen» die nach der Aussendung eines Impulses vergeht, bis die integrierte Leuchtdichte einen eingestellten Wert erreichtΐ5. Oerät nach Anspruch 2, g e kennzeic h η e t durch f-:* ein Gatter, das die Integriervorrichtungen mit dem Empfänger koppelt, durch eine. Gattersteuerschaltung und einen Vergleicher» der den Ausgang der Integriervorrichtungen mit dem eingestellten Wert vergleicht und ' ein Differenzsignal an die Gattersteuerschaltung anlegt, " sodafi diese das Gatter schließt, wenn/eingestelite. - Wert oder Pegel erreicht ist und ein Ausgangssignal erzeugt, das die Zeit der Gatterschließung darstellt.4. Gerät nach Anspruch 3« gekennzeichnet durch einen zweiten Vergteicher, der das Ausgangssignal der- 23.-098127130VBAD ORIGINALin ι ι ι -Gattersteuersohaltung mit einem Bezugssignal von einer Bezugsschaltung vergleicht« wobei das Bezugssignal eine Funktion der Flugzeugposition und des Eievationswlnkels 0 der Beobachtungelinie angibt und der Ausgang des zweiten Vergleichers zur Variation von 0 dient« bis die Beobachtungslinie mit der Sichtlinie des Flugzeuge übereinetimet.5· Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet« daß die Sender/Empfingereinheit um eine horizontale Achse mittels eines Servomotors schwenkbar ist,um den Elevationswinkel einzustellen« wobei das Ausgangseignal des zweiten Vergleichere an den Servomotor angelegt wird.6. OerKt nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet« daß die Sender/Empfängereinheit derart angebracht ist« daß sie in einer vertikalen Richtung wirkt und der eingestellte Wert oder Pegel eine Funktion des Elevationswinkels 0 einer gewünschten Beobachtungslinie ist.7· Gerät nachAnapruch 4« dadurch gekennzeichnet« daß die Sender/Empfängereinheit derart angebracht let« daß sie in einer vertikalen Richtung wirkt und das Auegangesignal des zweiten Vergleichere integriert wird« um ein Signal zu erzeugen« das eine Änderung von 0 darstellt und das an die Bezugsschaltung und an eine Pegelsohaltung angelegt wird« die ein Signal für den eingeschalteten Pegel erzeugt.8. Gerät nach Anspruch 6 oder 7* dadurch gekennzeichnet« daß der eingestellte Wert oder Pegel gegeben ist durchF fz2 sin & i\ ■r lim ~ ■ 'Z2 sin 0 z lim009812/1301Gerät nach Anspruch 4, 5 oder 7* dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsschaltung ait Koordinaten der Flugzeugposition beschickt wird« wobei θ den Winkel der Gleit- oder Anflugbahn und E> die Entfernung von de» GerUtfbei de» die Anflugbahn die Landebahn schneidet, und das die Bezugsschaltung die Sichtweite wie folgt bestineatD tg #(sin 0 - tg Ö cos 0· Gerät nach Anspruch 4, 5 oder 7, dadurch g e k e η η -zei e h η β t, dad die Bezugsschaltung «it der Flug«· zeughöhe h beschickt wird und die Sichtweite x«h/sin 0 bestimmt.Xl* Gerät nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet,daß die Vorrichtung zum Ableiten eines Nil·» der Sichtweite aus Vorrichtungen zum Berechnen der Hebeldichte f (x) bei verschiedenen Werten χ aus dem Augenblickswert der Leuchtdichte IR und der integrierten Leuchtdichte I^ zu einem Zeitpunkt bestehen, der dem Empfang der reflektierten Strahlung aus einer Entfernung χ gemSß der Formel ist;gleich12. Gerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzei ohne t, dag eine Vielzahl ron - Sender/EwpfMngereinheiten mit einem zentralen Rechner verbunden Bind.ßAD00*112/1*0/1LeerseHe
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