DE1946264A1 - Messung der Sichtweite bei Nebel - Google Patents

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 der_s 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

T.Won 0821/330433 Tel.gr.-Adr.: EtPATENT PoiHdi.oVkonto MGnchan 80510

η η 9 ο 12 /13 o 1

Deutidie Bonk Augsburg Kto. 08

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,

Journal of the Optical Society of America - November 1946.

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. >).

Diese Gleichung lautett

V- (1)

V m Kontrastverhiltnis I = uagebungBliohtwert

™ Λ · -

X_A- 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

BAD ORIGSNÄL

-'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 I_Q 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 l_o 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

Qleichungfl") heißt dann ι

* 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.

Berechnung für den Schwellenwert von (t(x)dx

/f(x)dx

Die Auflösung der Gleichung 2 für e ergibt

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

if ίί; '. t * ' t Kt - ' ΐ

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 I_A des Objekts« der Umgebungsliohtwert I_Q, 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 log_eZ_llra 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

I_R s Helligkeit oder Leuchtdichte beim Empfänger

F_m 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 L_R als Zeltintegral des Echos oder ^ dann ist

I* -²/^fCjt)dt

-2/f(|t)dt

_L = (1 - e )

2
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*e^zlim

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

Fig. ι lin Diagramm der Sender/Enpfangereinheit

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 I_R 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 L_n 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 -

BAD QRlQlNAL

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 .

Jf(x)dx - Xf(X₁JdX₁ (22)

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 - ■■-. '- ■"'■

Gleichung (17) besagt nun, daß

^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 L_R ^{β l}r 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 L_n

mittels der Gleichung 26 ständig neu zu berechnen. Schließlich findet man einen Punkt, bei dem der gemessene Wert von L_n

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

Betrachtet man Oleichung(27)

und euttbituiert, so ist

Z τ m '.: rt*i-\ (5o)

Nach f(x) aufgelöst 1st

Somit ist die Nebeldichte in einer Entfernung χ von der Sender/ EmpfMngereinheit bestimmbar &u& der empfangenen Helligkeit oder Leuchtdichteί I_{R zu dejn} z_eitpunkt| 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 I_R 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 I_R(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 ^lo8_e ^zii_m 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) ....* f_n (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)

1. P a.t en tansprUche

   i. 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 erreichtΐ

   5. 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.-

   098127130V

   BAD ORIGINAL

   in 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 durch

   F fz^{2 sin} & i\ ■r lim ~ ■ '

   _Z2 sin 0 ^z lim

   009812/1301

   Gerät 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 bestineat

   D 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 I_R und der integrierten Leuchtdichte I^ zu einem Zeitpunkt bestehen, der dem Empfang der reflektierten Strahlung aus einer Entfernung χ gemSß der Formel ist_;gleich

   12. Gerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzei ohne t, dag eine Vielzahl ron - Sender/EwpfMngereinheiten mit einem zentralen Rechner verbunden Bind.

   ßAD

   00*112/1*0/1

   LeerseHe