DE1946264B2

DE1946264B2 - Geraet zur messung der sichtweite bei nebel

Info

Publication number: DE1946264B2
Application number: DE19691946264
Authority: DE
Inventors: Paul Adelbert Tenafly N.J. Noxon (V.St.A.)
Original assignee: Thorn Electrical Components Ltd., London
Priority date: 1968-09-13
Filing date: 1969-09-12
Publication date: 1973-05-10
Also published as: DE1946264A1; US3650627A; BE738848A; GB1286455A; FR2018088A1

Description

25

30

35

40

45 Γ,, = Albedo für Nebe! für die M-ßstrahlung.

Z _w, = e I"^viJa mit fix) Intensität ais Funktion der Entfernung.
Φ = Elevationswinkel.
K = Konstante.

8. Gerät nach Anspruch 5. 6 oder 7. dadurch gekennzeichnet, daß die Koordinaten der Flugzeugposition an der Bezugsschaltung anliegen mit '<-) als Winkel der Gleit- oder Anflugbahn und D al.s Entfernung von dem Gerät, bei dem die Anfiugbahn die Landebahn schneidet, und daß die Bezugsschal'ung die Sichtweite wie folgt bestimmt:

D tg (■) ~ (sin Φ - tg (-) cos Φ )

9. Gerät nach Anspruch 8. dadurch gekennzeichnet, daß die riugzeughöhc h an der Bezugsschaltung anliegt, die die Sichtweite χ = /i/sin Φ bestimmt.

10. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Sender-Empfänger-Einheiten mit einem zentralen Rechner verbunden sind.

11. Gerät zum Messen der Intensität einer durch Nebel reflektierten Strahlung mit einem Sender zum Aussenden eines parallelen Strahlenbündels, einem Empfanger für die im Nebel reflektierte Strahlung. Integriervorrichtungen für die reflektierte Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender ein gepulstes Parallelstrahlenbündel aussendet, daß der Empfänger die längs des gleichen Pfades durch den Nebel reflektierte Strahlung aufnimmt und daß die Integriervorrichtungen nach Aussendung jedes Impulses wirksam sind, um die Intensität der empfangenen Strahlung bezüglich der Zeit über eine Zeitdauer zu integrieren, die ein Mehrfaches der Impulsdauer beträgt, so daß der augenblickliche Integrationswert L_n das mathematische Integral der Intensität ist. und die Vorrichtungen zum Berechnen der Nebcldichte fix) bei verschiedenen Entfernungen .v aus dem Augenblickswert /_R der Strahlungsintensität am Empfänger und dem Integrationswert L_R im Augenblick des Empfangs der reflektierten Strahlung aus der Entfernung χ gemäß der Formel

AU·)- , ,. ^Ir ..
I j I-_mvp - 2L_R

vorgesehen sind, wobei I₁- die Strahlungsintensität am Sender. F₁₁₁ das Albedo des Nebels für die Mcßslrahlung. c die Geschwindigkeit der Meßstrahlung und ρ die Impulsdauer ist.

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Messen der Intensität einer durch Nebel reflektierten Strahlung mit einem Sender zum Aussenden eines parallelen

Strahlenbündels, einem Empfänger tür die im Nebel reflektierte Strahlung. Iniegriervorrichtungen für die reflektierte Sirahlung.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 159 181 ist ein Gerät zur fortlaufenden Messung der Intensität einer Sirahlung bei Nebel bekannt, bei dem ein kontinuierlicher paralleler Lichtstrahl ausgesandl wird, dei von einem Spiegel empfangen und auf eine Fotozelle gerichtet wird. Von hier aus gelangt das Signal zu einem Kondensator, eier eine Spannung speichert. die der Amplitude bzw. der mittleren Intensität des auf den Spiegel fallenden reflektierten Lichtes entspricht. Hin sich in diesem Strahlengang befindendes Prisma wird in eine zweite Stellung geschaltet, in der es einen Bezugsstrahl durch ein Dämpfungsmittel ,5 auf die Fotozelle leitet. Die empfangene Strahlung wird wieder in einem Kondensator gespeichert und die beiden gespeicherten Werte schließlich in einer Schaltung verglichen und der Vergleichswcrt als ein Maß für das durch den Nebel reflektierte Licht \erwendet. Das bekannte Ssstem gestattet lediglich eine allgemeine Angabe über die Nebeldichte. Es ist jedoch nicht möglich, mit ihm unter Berücksichtigung der sich mit der Entfernung vom Boden sehr wesentlich ändernden Dichte des Nebels den tatsächlichen Sichtbereich zu bestimmen.

Eine andere gegenwärtig für die Messung der Nebeldichte auf Flugplätzen verwendete Ausrüstung besieht aus einer Normlichtquelle und einem von der Quell·; 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 Sichtweite unmittelbar über der Landebahn. Die Quelle und den Empfänger über der Landebahn erhöhl anzubringen, ist unmöglich, da diese von dem Flugzeug benötigten Luftraum einnehmen würden. Es wurden bereits einige Untersuchunger, für die Verwendung der Rückstreuung von einem ausgesandten Strahlenbündel durchgeführt, um die Nebeidichte zu bestimmen (vgl. den Aufsatz »Backscatter Signature Studies for Horizontal and Slant Range Visibility«. Sperry Rand Research Centc. Sudbury. Massachusetts. USA. Mai 1967). jedoch bisher ohne merkbaren Erfolg.

Die vorliegende Erfindung entspringt einer Analyse der die Sichtweite im Nebel bestimmenden Faktoren. Im weiteren Text sollen die nachfolgenden Literalurstellen mit Nummern versehen werden:

1. »Contrast Thresholds of the Human Eye« "

Blackwell. Journal of the Optical Society of America November 1946.

2. »A Method for Creating a Fog Illusion for In-Flighl Training«. P. A. Noxon. .ΛΙΛΑ Paper No". 67-386. Juni 1967.

Es wurde allgemein erkannt, daß die Möglichkeit, einen bestimmten Gegenstand zu sehen, von drei Parametern abhängt, nämlich

1. dem Winkel, unter dem man das Objekt sieht (angular size).

2. der Anpassungsheiligkeit (adaptation brightness) und

1. dem Konlrasiverhältnisldelinieit als die Diflerenz der Gegenstands- oder Objekthelligkei! und der Helligkeit des Hintergrundes dividiert durcli die Hintergrundhelligkeit).

Dieses Thema wird im einzelnen in der Literatursteile Nr. I diskutiert.

Die Gegenwart von Nebel in der Sichtlinie beeinflußt sowohl die sich ergebende Objekthelligkeit. und zwar durch [Dämpfung, als auch die Hintergrundheiligkeil, nämlich durch die Reflexion des Tageslichts und anderen Umgebungslichts durch die Nehelteilchen (Rückstreuung!.

Die Beziehung der Parameter bei Tageslicht \>i iieueben durch die Gleichung:

1 ■

- Ά

I»Q -

wobei

V = Kontrastverhältnis.

/„ -- Umgebungslichtintensiläl.

/., = Helligkeit des Objektes (das als selbstleuchtend angenommen wird),

0 = Albedo- oder Spiegelung^faktor (Reflexionsvermögen) der Umgebung (z. B. Gras) des Objektes.

F — Albedo- oder Spiegelungsfaktor (Reflexionsvermögen) des Nebels.

.v = Entfernung längs der Sichtlinie zwischen Auge und Objekt gemessen in Fuß.

a = Nebeldichte-Koeffizient.

Diese Gleichung wird bei Weiterführung der mathematischen Analyse gemäß Literaturstelle Nr. 2 erhalten. Die Gleichungen (10) und (11) dieser Literat'irstelle sind:

I₀ = I₀Qc-" + I₀(I -e-'").

Bei diesen Gleichungen ist ein Reflexionsvermögen von I für den Nebel angenommen: ist dieses Reflexionsvermögen F. dann ergibt sich

und ein ähnlicher Ausdruck für 1_K. hi das Objekt selbstleuchtend, dann ist die Intensität /_s des vom Objekt empfangenen Lichtes gegeben durch

/,· = /,e ■■■'* -l· /,,F(I -e "^x).
Das Kontrastverhältnis

V --■

I — / ¹ υ ' s

wobei sich nach entsprechendem Einsetzen ergibt:

I₀Qc "^v + /₀/·(1 - e "■") - r,e " I₀Qc ^nx + I_nF(I -c

LQ +

Wie /Λινοί' erwähnt, hängt der Schwellen- oder Auslöschwcrt ViMi V von der Objektgröße und ilerAilaplalionsleuchtdichte ab (wahrscheinlich sehr gut tlargcslellt durch /,, in der Gleichung 11. lis ist wahrscheinlich nicht bekannt, welches talsächlich tier s Schwellenwert für die Situation lies Piloten ist. Hr hat nicht ein einziges bekanntes Objekt unter Tcstbcdingimgen zu erkennen, sondern aus einer sichtbaren Szene eine verläßliche I.cilinformation abzuleiten. Dies muH natürlich noch weiter untersucht werden, aber man kann nur annehmen, dall für einen gegebenen Flugplatz ein gewisser definierter Wert bei einem gegebenen Wert von /„ existiert, der gemessen werden kann. Dieser spezifische Wert von Γ muß auch /wangläufig die wirklieh zutreffenden Werte von Q einschließen sowie die Anordnung und die relative Helligkeit der Landebahnlichter.

Der Neheldichte-Koeffizient </. der sowohl bei den Dämpfungs- als auch bei den Rüekstrcubercchnungcn erscheint (vgl. Gleichungen 4 und 5 der Literatutstellc Nr. 2). stellt die äquivalente proji/ierte Fläche der Nebelteilchen pro Flächeneinheit pro I.inearfuß längs der Sichllinie dar. Bei einer homogenen Ncbelzusammenset/ung ist α eine Konstante; es kann jedoch auch eine llcNiblcre Behandlung vorgenommen werden. In I iteraturstelle Nr. 2 wird gezeigt, daß man α als irgendeine Funktion von χ ansehen kann, nämlich (/ -- /Iv).

Die bei der lösung tier »rniullegenden Differentialgleichung notwendige Integralion kann an Stelle ihrer Durchführung angegeben werden als Ausdruck

_c...v _{T= e}/nxKH

Gleiehuim I heißt dann:

t -

I₀Q f- /,,/·" (c/"^vlllv - I) '

(2)

Es ist dann nicht erforderlich, die Einzelheiten der Nebelzusanimensctzung längs tier Sichtlinic zu wissen, wenn eine der Nebelglcichungen einschließlich der Gleichung 2 ausgewertet werden sollen, sondern es muß nur der Wert des Gesamtintcgra's J / ix)dx bekannt sein. Dies ist ein grundlegendes Prinzip, das in dem zu beschreibenden System angewendet werden soll.

Berechnung für den Schwellenwert von J/(\)dx
Die Auflösung der Gleichung 2 für e /nxid* ergibt

VI₀Q 4 KZ₁₁Fe /"*"■* - V I₀F = I₀Q - /, .

Dies ist tier Werl von J/(.v)d.v. der den Auslöschungswcrl für V für einen bestimmten Flugplatz, für bestimmte Bedingungen ties IJmge'iungslichtes usw. hervorruft.

Fs ist die Aufgabe des Ncbel-Meßck:mentes des Systems, diesen Ausdruck auszuwerten, ί /(.v|d.\ ist eine Funktion tier Strahlungsintensität am Hmpfiingcr, integriert über tier Zeit nach Ausscndung eines kurzen Impulses. / (v) kimti aus dem Augenblickswert tier Helligkeit und der integrierten Strahlungsintensität während einer Zeit erhalten werden, die der Laufzeit des Impulses über die Entfernung χ und zurück entspricht. Somit kann die Sichtweite entweder direkt aus der integrierten Strahlungsintensität oder indirekt durch Integration der Ncbeldichle / (v) längs der Sichtlinic bestimmt werden.

Frfindungsgcmäß wird dies dadurch erreicht, daß der Sender ein gepulstes Parallelstrahlenbündel aussendet, daß der Empfänger die längs des gleichen Pfades durch den Nebel reflektierte Strahlung aufnimmt und daß die Inlegricrvomehtungen nach Aussendung jedes Impulses wirksam sind, um die Intensität der empfangenen Strahlung bezüglich tier Zeit über eine Zeitdauer zu integrieren, die ein Mehrfaches der Impulfüvuer beträgt, so daß der augenblickliche Intcgralionswert das mathematische Integral der Intensität ist. und daß Vorrichtungen vorgesehen sind, die die den Sichtbcreich angebende Zeil bestimmen, die nach Aussendung eines Impulses vergeht, bis der Integrationswert einen eingestellten Wert erreicht hai.

Die Aufgabe wird auch gelöst bei einem Gerät zum Messen der Intensität einer durch Nebel rcflckiierten Strahlung mit einem Sender zum Aussenden eines parallelen Strahlenbündel, einem Empfänger Tür die im Nebel reflektierte Strahlung. Integriervorrichtungen für die reflektierte Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender ein gepulstes Parallelslrahlenhiindcl aussendet, daß der Empfänger die längs ties gleichen Pfades durch den Nebel reflektierte Strahlung aufnimmt und daß die Integriervorrichlungcn nach Aussendung jedes Impulses wirksam sind, um die Intensität der empfangenen Strahlung bezüglich der Zeit über eine Zeitdauer zu integrieren, die ein Mehrfaches der Impulsdauer beträgt, so daß der augenblickliche Integrationswert L_R das mathematische Integral der Intensität ist, und Vorrichtungen zum Berechnen der NeBeldichte / (x) bei verschiedenen Er. fernungen χ aus dem Augenblickswert /_K der Strahlungsintensität am Empfänger und dem Integrationswert L_R im Augenblick des Empfangs der reflektierten Strahlung aus der Entfernung χ gemäß der Formel

'0

F '

Für jede gegebene Situation sind die Werte auf der rechten Seile der Gleichung 3 bekannt oder sie können direkt gemessen werden: somit läßt sich ein Schwellenwert von

und damit J /(.v)dx bestimmen. Faßt man diese Ausdrücke zusammen und bezeichnet sie Z_!im so ist

7 _ ρ f Mxldx
'-'Um — ^e '

/Iv)=
^/ΙΛΙ

l_TF

vp-2L_R

(4)

vorgesehen sind, wobei I_T die Strahlungsintensität am Sender. F_m das Albedo des Nebels für die Meßstrahlung, ν die Geschwindigkeit der Meßstrahlung und ρ die Impulsdauer ist.

Der eingestellte Pegel ist eine Funktion mehrerer Parameter, von denen einige für einen gegebenen Ort konstant sind, während andere mit den Nebelbedingungen variieren und eigens oder getrennt gemessen werden müssen. Diese Parameter sind der Schv.cüen- oder Auslöschwert des Kontrastverhältnisses f, der Albedo- oder Reflektanzfaktor Q der Umgebung eines Objektes, der Albedowerl F des Nebels, die Helligkeit I₄ des Objekts, der Umgebungslichtintensität /_n.

ler Albedo des Nebel:, für die Meßstrahlung /■'„,. die Strahlungsintensität /·,■ des Senders und die Impulsbreite 17». Der Schwellenwert von I. das ist der Wen. bei dem das Objekt nicht mehr vom Beobachter gesehen wiv.l, ist abhängig von der Größe des Objekts und dei Anpassung oder Adaptation des Auges des Beobachters an das Umgebimgslichi. Bei der Anwendung der Erfindung auf die Messung \on Nehelhedingungen auf Flugplatzlandehahiien ist es auch erforderlich, die Tatsache in Betracht zu ziehen, daß der Flugzeugführer nicht nur ein Testobjekt zu sehen wünscht, sondern aus den Objekten, die er am Erdboden sehen kann, eine verläßliche I.citinformation ableiten kann. Deshalb kann der talsächliche Schwellenwert von V höher scm. Unter gegebenen Hinge- '5 bungslichlbcdingungen kann ein geeigneter Schwellenwert von V in dem System eingestellt werden, und zwar, falls erforderlich, durch die Verwendung von empirisch bestimmten Werten

Andererseits können die Vorrichtungen zum Messen der Sichtbarkeit oder Sichtweile aus Vorrichtungen zur Berechnung der Nebcldichtc / (.v) bei verschiedenen Entfernungen ν aus den Aiigcnblickswertcn der Strahlungsintensität und der integrierten Strahlungsintensität für eine Zeit bestehen, die dem Empfang der rellektieilcn Strahlung aus der Entfernung χ entspricht. Wenn die Ncbeldichle in drei Dimensionen durch Verwendung mehrerer Sender-Empfänger-Einlioiicn bestimmt v.orden ist. kann die Sichtweite durch das Gerät für jede beliebige Beobachtungslinic durch Berechnen des J /(x)dx und Vergleichen desselben dann ist mit dem Schwellenwert log,./,;,,, bestimmt werden, welch letzterer abhängig ist 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 . /7

Licht verwendet, da dies die Erzeugung eines kolli- "^K ~ micrten Bündels erleicntert. jedoch ist auch die beispielswcise Verwendung eines Radarbündels möglich.

Die Verwendung eines Strahles von weißem Lieht /

ist für die Messung wünschenswert, da dies am genaue- ^r ⁼ ~ sten mit den tatsächlichen Bedingungen der Beobachtung übereinstimmt, und zwar besser als die Verwcndung einer Strahlung mit einer einzigen Frequenz. Die Impulse sollten sehr kurz und mit einer Impuls-Drehe von einer Größenordnung von lOnano-sec tein.

Es wird nun die Beziehung zwischen |/(x)dx und dem Zeitintegral der empfangenen Strahlungsintensität für ein System gezeigt, das einen kolliniierten Strahl für Sendung und Empfang verwendet und nur eine einzige Reflexion von den Nebel teilchen in Betracht zieht.

Es sei

Helligkeit oder Leuchtdichte eines Ncbel-

elemenis nach Reflexion.

I_H --■ Helligkeit oiler Leuchtdichte beim Empfänger.
/',„ ^: Albedo oder Reflcklanz von Nebel für die

Meßstrahlimg.
./(.Vi) ■■; Nebeldichtekoeffizient.

Nun isl

I_K ---- I₂ e '"^v'^llU - /₂

Dies ist die Augenblickamplitude des empfangenen Impulses. Bezeichnet man L_K als Zeitintcgral des Echos oder

f. (9)

oiler (10)

(H)

Da aber

so ist f t)df =

2L_R

ν =

f =

ρ =

vp =

x, =

Lichtgeschwindigkeit,

Zeil.

Impulsbreite.

Impulsbreite,

Entfernung längs des koüimierten Strahles.

60

= 4 log, ±——

, y, wobei f die Zeit der Ankunft des reflektierten Impulses ist,

l_T = Helligkeit oder Leuchtdichte des Senders.

/, = Helligkeit oder Leuchtdichte eines Nebelelements.

Da i_T und vp Konsiante für das System sind, ergib sich noch einfacher

j/(.v,)dx, = -log,

• ÜJ)

Wird nun das System so ausgebildet, daß der von dem Instrument angewendete optische Pfad der gleiche ist wie die Sichllinic des Piloten, d. h.. wenn sie nun

I /'(.Y₁HLv₁ ---· m.vld.v.

so können die rechten Seiten der Gleichungen 4 und 13 gleichgesetzt werden

= log_cZ„,„. (I4|

zL -

Z₁,,,, -I- jy

i-'jy-L- η

115) mit dem Winkel (-> belindet. die die Landebahn bei einem Kntfemungspunkt I) von dem Cjerät schnciilet. so kann gezeigt werden, daß .v ist gleich

Die Ausdrücke auf der rechten Seile tier Gleichung 15 sind entweder Konstante für eine bestimmte Situalion oder andere meßbare Parameter und können somit in dem Gerät eingestellt werden. Sobald L_H den durch die Gleichung 15 dargestellten Wert erreicht. Stellt die Zeit f. über die die empfangene Strahlungsintensität integriert worden ist. die Zeit dar. die das Licht benötigte, um zu der Grenze des sichtbaren Bereichs zu gelangen und zurückzukehren: sie ist somit ein direktes Maß fiir 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 Strahlungsintensität den eingestellten Pegel erreicht. Das Gatter wird zweckmäßigerweise durch ein Differcnzsignal gesteuert, das durch Vergleichen der integrierten Strahlungsintensität mit dem eingestellten Pegel abgeleitet wird, wobei der letzlere Änderungen unterworfen ist. etwa durch Änderungen des Umgebungslichtes und anderer Bedingungen. Die Zeit 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. aufweiche Entfernung der Pilot längs der Landebahn für verschiedene Höhen des Flugzeugs auf der schrägen Anflugbahn noch sehen kann. Wenn die Sichtweite χ vom Gerät gemessen wird, wenn dieses unter einem Winkel Φ aufwärts gerichtet ist, dann kann ein Flugzeug, das diese Koordinaten relativ zum Gerät hat, gerade denjenigen Teil der Landebahn sehen, auf dem das Gerät aufgestellt ist. Die Flugzeughöhe /1 ist gleich χ Sinus Φ, und die Landebahnsichtweite V. R. ist gleich χ Cosinus Φ Wenn das Flugzeug sich auf einer schrägen Anflugbahn

I) tg H

(sin '/' ■·- tg (-1 cos

(IM

Wird nun Φ verändert, so kann die Gleichung tür die gemessenen Werte von .v und /1 erfüllt werden, und V.R. kann bei Auflösung nach ν bestimmt werden.

Werden somit eine Anzahl von Geräten eines derartigen Systems in Abständen längs der Landebahn aufgestellt, dann kann an verschiedenen Punkten längs der Anfltigbahn eine Information über die Höhe und den Sichtbereich erhalten werden.

Praktische Ausführungsbcispiele der Erfindung werden nun an Hand der Zeichnungen beschrieben: es zeigt

Fig. I Ein Diagramm der Sender-Empfänger-! m hcit.

F i g. 2 die Anbringung der Sendcr-Fmpfängei-I in heil und ein Block-Schaltbild eines Datenrechners für die Bestimmung der 1 lugzcughöhe/1 und ilci Landebahiisichlwcite V.R..

F i g. } ein Diagramm zur Veranschaulichung d'.'i Anwendung einer vertikal gerichteten Sender-!· mp (angcr-Einheil und der Auflösung längs der Sichilim·· in einem geschichteten Nebel.

F i g. 4 ein Bloekdiagramm eines Datenreelinr· der die in F' 1 g. 3 veranschaulichte Auflösimgstcch' ■ anwendet.

Fig. 5 ein Blockdiagramm eines Dateniecln
für die Bestimmung von / l.v).

Fig. 6 ein Blockdiagramm für einen Rechnet
Berechnung der I andcbahnsichtweite.

In der in Fig. I gezeigten Einheit er/eugi
Laser 10 einen gepulsten Strahl, der durch en·
Spiegel 11 und Linsen 12 und 13 in ein brc
Parallelbündel umgeformt wird, das in den Nebel ; sandt wird Ein Strahlenteiler 14 ist so angcordi¹ daß er die längs des Aussendungspfades reflektu
Strahlung empfängt und diese mittels einer Line ^!? auf einen Photoverviclfacher 16 lenkt, dessen Au^:.¹ :■; dem Datenrechner zugeführt wird.

In Fig. 2 ist die Einheit der Fig. I mit 17 i" zeichnet und auf einer horizontalen Welle 18 ausbracht, die von nicht gezeigten Zapfen gehalten \\n\; Die Welle 18 ist drehbar durch ein Getriebe 19 mittel eines Motors 20. der ein Eingangssingal von einen Servoverstärker 21 erhält und die\vinkelstellung de Einheit 17 entsprechend einstellt. Diese Winkel position Φ wird von einem Wandler 22 auf de Welle 18 gemessen, der ein Signal entsprechend den Winkei Φ an den Datenrechner liefert. Letzterer emp fängt auch das Ausgangssignal I_R des Photoverviel fachers 16 der Einheit 17. Ein Resolver 23 auf de Welle 18 empfängt ein Signal, das χ darstellt und er zeugt χ cos Φ = V.R.. und χ sin Φ = h.

Der Datenrechner besitzt ein Gatter 24. durch da das Signal I_R zu einem Integrator 25 läuft. Das Aus gangssignal L_R des Integrators wird mit dem Ausdrucl

durch einen Vergleicher 26 verglichen, und das ent stehende Differenj^ignal wird mittels einer Gatter

946

cniersehalUing 27 /ur Schließung des Clatters 24 vcrwendet, wenn die DilTcren/ zu Null wird. Die Gaitersteuerschaltung legt ein Signal I₁. das die Zeit der Gatlcrsehließung darstellt, an eine Vervielfacherschaltung 28, die ein Ausgangssignal erzeugt, das die Sicht-

weite χ -,'längs der Sichtlinie der Scnder-Emp-

fängcr-FJnhcit 17 darstellt.

Fine Schaltung 29 berechnet einen Wert von ν gemaß der Glcicluing Id aus den vorangestellten Werten von I) und <■) und dem Augcnblickswerl von Φ vom Wandler 22. Hin Vergleichet-30 leitet ein Diffcrcnzsignal von den Ausgängen der beiden Schallungen 28 und 29 ab, das durch den Verstärker 21 an den Motor 20 gelegt wird, um sie derart zu verstellen, bis der Wert x, der die Sichtweite von der F.inheit 17 darstellt. den geometrischen Bedingungen für ein Flugzeug auf cincr bestimmten Anflug- oder Gleitbahn entspricht Die Ausgangssignale des Resolvers 23 geben dann eine I lohe des Flugzeugs und einen entsprechenden landehahnsichlbcrcich (Sichtweite) an.

Dm eine Information über die Sichtweite bei einer konstanten Höhe zu erhalten, wird der Auszug

sin '/'

2s

ersetzt durch (ilcichung Id. und die Blockschaltuni· tür die Urzeugung von \ aus den geometrischen Wcdinguugcn wird derart verändert, daß an die Stelle -_t0 '.on I) und (-) ein vorangestellter Eingangswort /i tritt Durch Andern von Λ erhall man laufend Informationen über einen Bereich von verschiedenen Hohen.

Bei dem bisher beschriebenen SWem wurde die \nnahme gemacht, dali die /ur Messung verwendete Strahlungsenergie längs der Sichtlinic des Piloten genchtcl war. Sie würde direkt in seine Augen fallen. I,ills er in dichtung des lirdgerätcs schauen würde. und zwar in demjenigen Augenblick, in dem letzteres -.eine Höhe ausfindig macht Während dies tragbar ■varc. wenn ein nicht gefährlicher Teil des Spektrums. beispielsweise das K-Band verwendet wird, ergeben >ich ernste Beschränkungen bei der Verwendung siehtbaren I ichles. welches aus anderen Gründen wün-Nchenswcrt ist. da ein 1 aser. der genügend stark ist. um die erforderliche Fn-I'ernung zu durchdringen, in manchen Fällen das Augenlicht des Piloten zerstören könnte.

Glücklicherweise besteht jedoch die Möglichkeit. diesen Schwierigkeiten dadurch aus dem Weg zu gehen. _so daß der Meßstrahl jederzeit senkrecht nach oben gerichtet werden kann und eine Auflösungstcchnik zur Bestimmung der erforderlichen Daten angewendet wird. Diese Ausrichtung des Strahles ist wesentlich weniger gefährlich, da es praktisch unmöglich ist. unter normalen Umständen von einem Flugzeug senkrecht nach unten zu sehen.

Aus diesem Grunde muß angenommen werden, daß der Nebel in horizontaler Richtung isotrop ist. während er in vertikaler Richtung eine beliebige Struktür aufweisen kann, d.h.. er muß genau geschichtet sein. Eine derartige Anordnung ist jedoch in der Natur mit guter Annäherung vorhanden, insbesondere während niedrigen Nebels.

Es wird nun F i g. 3 betrachtet.

Gemäß der bisher verwendeten Bezeichnungsweise ist x_t die Entfernung längs der Meßlinie, in diesem Falle der vertikalen Linie, und χ die Entfernung längs der

Sich t linie. Der vertikale Aufbau desNcbclssoll beliebig sein. d.h. wie schon zuvor betrachtet, daß d der Dichtekocffizicnl eine Funktion von .X₁ in, ιidcr

"—./Ui)-

(17)

Nun ist

^sm

λ ■ —
^Λ

sin'Λ

Gemäß der Ani.ahnien. daß der Ncbeldichtckoeffizient </für jeden entsprechenden Punkt von .v, und χ der gleiche ist. sind auch die entsprechenden Flächenelemente proportional zu dem obengenannten Verhältnis. /um Beispiel ist

"^llv=

</d.v,

und so ist

sin Φ ' " ''

Idd.v - J /'(.ν) dx (Fläche aurx) (20)
« =/(x,).

. ...
^n; ''-^mscl/cP

(Mache auf X₁) (21)

I /(.v)d.v — f/(x,)dx, (22)

J ^sln ''' J

Es zeigt sich somit, da(j die Messungen in senkrechter Richtung durchgeführt und nach der Sichtlinie des Piloten aufgelöst werden können. Das Ergebnis ist insoweit mit einem Fehler behaftet, als der Nebel von einer isotropen Struktur abweicht. Da j 'loch, wie schon zuvor erwähnt, die meisten Nebel diese Form sehr gut annähern und sowieso eine Anzahl von McB-elementen über den Flugplatz verteilt angewendet werden, scheint es wirklich zweckmäßig, diese Annäherung in Kauf zu nehmen, da sie viele Vorteile aufweist. Fs sollte noch berücksichtigt werden, daß dai. messende Licht im allgemeinen nur eine kürzere EntTerming zurückzulegen hat. so daß eine geringere Leistung genügen wird oder, umgekehrt, daß man bei der gleichen Leistung eine bessere Auflösung erhält.

Gleichung ι !7) besagt nun. daß

^λ - ^j

_<Jt

ebenso Gleichung (22)

(f(x)dx = ' |/(x)dx

J ' sin Φ J ' ''

und Gleichung (4)

Γ
J fix) dx = iog_c Z,_im

. · J /(X₁) dx, - an Φ log, Z_lim .

(23)

Schreibt man Gleichung 14 um
längs A₁). dann ist

log,.

Mn '/■

Zt,,,. sin

,,.1Zr₁₁₁₁ sin '/'
Zr₁,,. sin Φ Κ

neu ersielh wird, wie es von einem Piloten \or der Landung mit größter Wahrscheinlichkeit angetioüen wird.

Es wird nun. gezeigt, dall die Sendr.T-F.mpfangerhinheii 17 zur Bestimmung der unsachlichen Werte der Nebeluidue / ι.νι verwendet werden kann: durch Verwendung mehrerer Einheiten, die über den Flugplatz veru-ifl und vertikal nach oben gerichtet .sind, im es miiülich. eine Karle der Fiugdichteverieilunj: in drei Dimension,.·;! aufzustellen. Es ist dann nicht mehr notwendig. <icn auf Annahmen wie die Schichtung des Nebels bei der Berechnung der Sichtweilen zu -tützen. da / i.vld ν für jede beliebige Sichtlinie berechnei werden kann.

HieiTur wird die Gleichung (S) im Ausdrücken der Entfernung ν wie folgt beschrieben:

Der Auflösiingswinkel Φ wird nun durch einen Wert dargestellt, der irgendwo in dem Rechner gespeichert ist. und nicht durch die physikalische Laue ,· eine;^: Etwas. Der Einfachheit halber sei dieser Winkel /« = /, / ,,.ι/'.? Ul e ~₍-| als unabhängige Variable betrachtet. Beginnt man mit 20 Φ = 90'.so ist L_Rl = Lflin Gleichung 15. da sin Φ = 1. Somit Dieser Wert wird wie zuvor mit dem Schwellenwert gemäß Gleichung 15 verglichen und. falls er im- r r , ί , , . zureichend ist, wird Φ fur einen kleineren Wert pro- L„ = I I _Rdx = I_TI^: _mrp j / Iv) e - i''^xKx grammiert. Es ist nun erforderlich, den Schwellenwert 25 Γι Π von L_Kt mittels der Gleichung 26 ständig neu zu berechnen. Schließlich findet man einen Punkt, bei dem der gemessene Wert von L_R und der berechnete

(2X)

Betrachtet man Gleichung 27

Wert für den Wert von Φ gleich sind. VR. und Ii können dann, wie schon zuvor gezeigt, ausgelesen werden.

Eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung der Berechnung ist in F i g. 4 gezeigt, die eine Schemazeichnung ähnlich der F i g. 2 ist. bei der jedoch Veränderungen vorgenommen wurden, die notwendig sind für die Durchführung der Auflösung der Messungen längs einer Beobachtungslinie bei einem Winkel Φ zur Horizontalen.

Teile der F i g. 2. die denjenigen der F i g. 4 gleichen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht weiter beschrieben. Die Einheit 17 ist

nicht mehr schwenkbar angeordnet, sondern lest y y _e

vertikal nach oben gerichtet. Das Ausganessiunal des ' '"

Vergleichers 30 steuert deshalb nicht mehr die Position der Einheit 17, sondern wird an einen Integrator 31 45 und substituiert, so ist angelegt, der ein Signal erzeugt, das den Winkel Φ darstellt. Dieses Signal bildet das Eingangssignal für die Schaltung 29, das in F i g. 2 von dem Wandler 22 abgeleitet wurde. Das genannte Signal bildet auch ein Eingangssignal für eine logische Einheil 32. die den 50 Ausdruck

., -J/IvId V

⁽²⁹⁾

L₁₁ = _Y /;■/·",„ 17' -

_f(x)

2fix)

Nach / (.ν) aufgelöst ist

/■",„(Ζ?,,,, sin Φ - 1)
Z- sin '/> K

(30)

(311

zum Vergleich im Verglcichcr 26 mit dem gemessenen Wert von L_Kl berechnet. Der Wert von Φ wird automatisch verstellt, bis er mit den geometrischen Bedingungen in Einklang ist. und die Werte der Höhe/1 und der Landebahnsichtweile V.R. werden durch die logischen Einheiten 33 bzw. 34 erzeugt, die ν sin Φ bzw. ν cos Φ berechnen.

Die Vorrichtung nach F i g. 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 aul'gcstelll. damit ein dreidimensionales Bild der Nebelkondiiio-Somit ist die Nebeldiehte in einer Entfernung v von der Sender-Empianger-F.ipheit bestimmbar aus der empfangenen Intensität I₁, zu dem Zeitpunkt, der dem Empfang der von aus dieser Entfernung reflektierten Strahlung entspricht, und aus dem integrierten Wert L_K dieser Intensität zum gleichen Zeitpunkt. Durch Bestimmung von fix) für verschiedene Entfernungen ist es möglich, ein Bild der vertikalen Verleilung der Nebeldiehte über einer vertikal gerichteten Sender-Empfängcr-Einheil aufzustellen. Somit kann (.lurch die Verwendung einer Anordnung mehrerer vertikal gerichteter Einheiten die Gesaml-Nebelverteilung bestimmt werden.

F i g. 5 zeigt den Daienrechner. der einer von einer Anordnung von Einheiten zugeordnet ist und der mit einem zentralen Rechner verbunden ist. de^r Abfragewerte von / (x) von den verschiedenen Einheiten empfangt und die Gesamtverteilung aufbaut. Das Ausgangssignal I_R von der Einheil 17 läuft wie zuvor durch das Gatter 24 zu dem Integrator 25. Das Gatter wird durch die Gattersteuerschaltung 27 gesteuert, die in diesem Falle Abfragesignale von dem zentralen Rechner empfängt, die einen bestimmten Wen von χ darstellen. Das Gatter wird somit zu einem entsprechenden Zeitpunkt r, geschlossen und gibt einen Wert von LrUi ) ^anl Ausgang des Integrators 25 und einen V-'ert von /RIf₁) am Ausgang des Gatters 24 ab. Diese Werte laufen durch eine logische Einheit 35. die auch \oreingestelhe Werte von I₁-. ir> und F,„ empfangt und /(χ) für die Abgabe an den Rechner berechnet.

Die Daten können auf verschiedene Weise durch Rechner verarbeitet werden, um die Landebahnsichtv >eite für irgendeine Position eines Flugzeugs zu erhalten. Es ist z. B. möglich, daß der Rechner Daten speichert, die repräsentativ für die Nebekliehteverteilung sind und aus denen /(x)d.v für jede gegebene Sichtlinie bestimmt werden kann. Dann kann für jede gegebene Höhe auf einem bestimmten Gleitanflug /(x)dx für Sichtlinien unter verschiedenen Winkeln berechnet und mit log,.Z_;,,„ verglichen werden, um die Landebahnsichtweite oder den Sichtbereich zu finden.

F i ti. 6 zeigt ein Alisführungsbeispiel eines logischen B'.ockdiagramms für einen Rechner zur Berechnung der Landebahnsichtweite V.R. für verschiedene Hohen H auf einer Anflugbahn aus Informationen, wie z. B. die Nebeldichtc. 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 Z₁(X). J\(x) ■■■ jj-^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 "ittels eines Interpolators 36 und eines Integrators 37. Der Ausdruck wird dann für die Sichtlinie durch Multiplikation mit _sj^-j in den Block 38 aufgelöst, wobei der Winkel A zwischen der gewählten Sichtlinie und der Vertikalen liegt. Der Ausgang vom Block 38 wird an eine Differenzschaltung 39 angelegt, die auch den Wert 1Og₁₁Z,,,,, empfängt und ein Differenzsignal erzeugt, welches an eine Schaltung 40 gelegt wird, urr A so lange 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 ar eine zweite Multiplizierschaltung41 angelegt, wodurcr eine angegebene Höhe H in die entsprechende Lande bahnsichtweite V.:<. für die vorherrschenden Nebel dichtebedingungen umgewandelt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

üCiieben ist durch Patentansprüche·

1. Gerat zum Messen der Intensität einei durch Nebel reflektierten Strahlung mit einem Sender zum Aussenden eines parallelen Strahlenbündels, einem Empfänger für die im Nebel reflektierte Slrahlu. Integriervorrichtungen für die reflektierte Strahlung, dadurch ge ken η ze ich- ,₀ net. daß der Sender ein gepulstes Parnllelstrahlenbündel aussendet, daß der Empfänger die längs des gleichen Pfades durch den Nebel reflektierte Strahlung aufnimmt und daß die Integriervorrichtungen nach Aussendung jedes Impulses wirk- is sam sind, um die Intensität der empfangenen Strahlung bezüglich der Zeit über eine Zeildauer zu integri-· en. die ein Mehrfaches der Impulsdauer beträgt, so daß der augenblickliche Integrationswert das mathematische Integral der Intensität ist, und daß Vorrichtungen vorgesehen sind, die die den Sichtbereich angebende Zeit bestimmen, die nach Aussendung eines Impulses vergeht, bis der Integrations-vert einen eingestellten Wert erreicht hat.

2. Gerät nach Anspruch 1. gekennzeichnet durch ein Gatter, das die Integriervorrichtungen mit dem Empfänger koppelt, durch eine Gatter-Steuerschaltung und einen Vergleicher, der den Ausgang der Integric'vorrk'.Hingen mit dem eingestellten Wert vergleicht und ein Differenzsignal an die Gattersteuerschaltung nlegt. so daß diese das Gatter schließt, wenn der eingestellte Wert Oder Pegel erreicht ist, und ein Ausgangssignal erzeugt, das die Zeit der Gatterschließuns darstellt.

3. Gerät nach Anspruch 2. gekennzeichnet durch einen zweiten Vergleicher, der das Ausfangssignal der Gatlersteuerschaltung mit einem Bezugssignal von einer Bezugsschaltung vergleicht. das eine Funktion einer Flugzeugposition und des Elevationswinkels Φ der Beobachtungslinie ist Und der Ausgang des zweiten Vergleichers zur Variation von Φ dient, bis die Beobachtungslinie mit der Sichtlinie des Flugzjugs übereinstimmt.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sender-Empfänger-Einheit zur Einstellung des Elevationswinkels um eine horizontale Achse mittels eines Servomotors schwenkbar ist, an dem das Ausgangssignal des zweiten Vergleichers anliegt.

5. Gerät nach Anspruch I oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Sender-Empfänger-Einheit derart angebracht ist. daß sie in einer vertikalen Richtung wirkt und der eingestellte Wert oder Pegel eine Funktion des Elevationswinkels '/'einer gewünschten Beobachtungslinie ist.

6. Gerät nach Anspruch 3. dadurch gekenn-Ssichnct, daß die Sender-Empfänger-Einheil derart eingebracht ist. daß sie in einer vertikalen Richtung Wirkt und das Ausgangssignal des zweiten Vcr-Jeichers integriert wird, um ein Signal zu erzeugen, JS eine Änderung von Φ darstellt und an die Bezugsschaltung und an eine Regelschaltung an-

f;lcgl wird, die ein Signal für den eingeschalteten (>i egcl erzeugt.

7. Gerät nach Anspruch 5 oder 6. dadurch gekennzeichnet, daß der eingestellte Wert oder Pegel

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