DE3002791A1

DE3002791A1 - Verfahren und laser-massgeraet zur messung der sichtweite, schraegsichtweite und wolkenhoehe

Info

Publication number: DE3002791A1
Application number: DE19803002791
Authority: DE
Inventors: Michael 8031 Puchheim Klier; Dipl.-Phys. Christian 8000 München Werner
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt Fuer Luft und Raumfahrt EV 5000 Koeln; Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1980-01-26
Filing date: 1980-01-26
Publication date: 1981-07-30
Also published as: DK30681A; US4502782A; EP0033870A3; DK151728C; DK151728B; EP0033870B1; DE3002791C2; CA1184999A; EP0033870A2

Description

Anmelder: Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft-

und Raumfahrt e.V.

Verfahren und Laser-Meßgerät zur Messung der Sichtweite, Schrägsichtweite und Wolkenhöhe

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Sichtweite, Schrägsichtweite und Wolkenhöhe entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Laser-Meßgerät zur Durchführung des Verfahrens.

Bei der immer mehr zunehmenden Verkehrsdichte auf dem Land und in der Luft, und den immer größer werdenden Geschwindigkeiten, ist es oft von lebenswichtiger Bedeutung, über die herrschenden SichtVerhältnisse Bescheid zu wissen. Als Beispiel sei hierfür die Nebelwarnüng auf der Autobahn angeführt. An Stellen, an denen sich bekanntermaßen leicht Nebel bildet, kann man Sichtmeßgeräte fest installieren, die den Verkehrsfluß abhängig von der Sichtweite steuern können.

Die Luftfahrt leidet Jahr für Jahr darunter, daß Nebel an den Flughäfen die Starts und Landungen erschwert oder unmöglich macht. In dieser Situation ist es besonders wichtig, die längs der Start- und Landewege herrschenden Sichtverhältnisse zu kennen und vorauszusehen. Technische Hilfsmittel dafür sind bisher üblicherweise Transmissometer und Leuchtdichtmeßgeräte am Boden, mit deren Hilfe die sogenannte Runway Visual Range (RVR) ermittelt wird. Zusätzlich müßte man eigentlich den Sichtverlauf längs des Gleitpfades überwachen und die sogenannte Slang Visual Range(SVR)be-

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stimmen.

Fig. 1 verdeutlicht die geometrischen Bedingungen beim Landeanflug. Ein sich im Anflug auf dem Gleitpfad befindliches Flugzeug durchfliegt nacheinander die Horizontalsichtstufen V * V und

ο 1

V_M . Vom Flughaffen aus kann dem Piloten nur die Horizontalsicht

2 ' ■ ■ ·

V über der Landebahn gemeldet werden, die mit einem Transmissometer zwischen den Punkten T₁ und T₂ gemessen wird. Für den Piloten, der verantwortlich für die sichere Landung ist, ist es in jedem Fall wichtiger, die Sicht entlang des Gleitpfades zu kennen.

Bei einem Anflug durch Wölken (z.B. V_x, < V„ und V ^^- VL₁ ) ist

ζ ^N1 ^No ^ΝΛ 2

die Höhe der Wolkenuntergren^fe und die Dicke dieser Wolkenschicht interessant. Die Bestimmung wird mit Ceilometern oder Wolkenhöhenmessern durchgeführt. Für den Fall des Bodennebels (V_w <C V_M , V ) muß wiederum die Höhe der Nebe lober grenze und die optische Homogenität bekannt sein, und in derartigen Situationen ist es für die Verantwortlichen außerordentlich schwierig, anhand von Zusatζinformationen, z.B. aus Ballonaufstiegen und einschlägiger Erfahrung, eine präzise Auskunft darüber zu geben, ob der anfliegende Pilot am kritischen Punkt (Fig. 1) mit Landebahnsicht rechnen kann, ob er auf ein Fehlanflugverfahren gefaßt sein muß oder ob die SichtVerhältnisse eine Landung sicher nicht zulassen. In derart kritischen Wettersituationen, die leider nicht selten sind, wäre eine laufende instrumenteHe überwachung der Schrägsichtweite von großem Vorteil.

Die Sichtweite läßt sich außer mit Transmissometern auch mit Geräten bestimmen, die nur den Streukoeffizienten messen. Für die Bestimmung der schrägen Normsicht kann man theoretisch Transmiss ome te rs trecken auf dem Gleitpfad erstellen. Die dabei notwendig werdenden Türme im Anflugbereich stellen aber in jedem Falle Gefahrenquellen dar. Der Einsatz' von Fernmeßgeräten und hierbei äer Laser-Radar- oder Lidar-Geräte erscheint hierbei zweckmäßig.

Bei diesem Verfahren ergibt die von den Aerosolteilchen zurückgestreute Energie einen charakteristischen Verlauf in Abhängigkeit von der Laufzeit des Laserpulses. Im empfangenen Signal sind die Eigenschaften der Aerosole, wie gum leigpigl degen.

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entlang des Laserstrahls charakterisiert. Setzt man verein t^mi sine etisäseHWf-Pi !»e» Mne«pMi*p mm* m* ütLt einer konstanten Rückstreuung auf den entsprechenden Strecken verbunden wäre, ist der Kurventeil des Lidar-Signals durch das Produkt aus reziproker Entfernung im Quadrat und der Extinktion verursacht. Wegen der bekannten Beziehung von Sichtweite und Extinktion kann die Sichtweite entlang des Laserstrahls durch exakte Analyse des Lidar-Signals erhalten werden. Der Vorteil der Fernmeßtechnik ist die Unabhängigkeit von einer Meßrichtung; man kann auch entlang der in Fig. 1 gestrichelten Linie messen (SVR) .

Die bisher bekannte genaueste Auswertemethode, die sogenannte Slope-Methode (Applied Optics 14 (1975), S. 2878-2882) erfordert einen großen elektronischen Aufwand der Signalspeicherung und der rechnerischen Bestimmung der Ausgleichs gerade η aus dem entfernungskorrigierten Signalverlauf. Damit wird die Neigung der Kurve bestimmt, die direkt die Extinktion angibt. Die praktische Einführung der Methode scheiterte an den notwendigen Personal- und Gerätekosten.

Ein weiteres Verfahren, welches die Kostenprobleme löst, ist dagegen nur mit einer zusätzlichen unabhängigen Sichtmessung eindeutig. Die sogenannte Reichweitenmethode (DE-PS 26 06 318) benutzt das Erreichen der Detektierbarkeitsgrenze des Laserstrahls als Kriterium. Diese Reichweite des Signals kann bei guter Sicht, also geringem Aerosolgehalt und damit geringer Rückstreuung gleich sein der Reichweite des Signals bei Nebel, wo diese Reichweite durch die stärkere Extinktion erreicht wird. Die Unterscheidung kann dann nur durch eine weitere, unabhängige Messung der Sicht e,rfolgen. Insbesondere ist.dieses bekannte Verfahren auf Sichtweiten unter 1,4 km begrenzt, wenn man die Rauschgrenze auf

10 relativer Einheiten beschränkt. In der Praxis verwendbare

— 10 — 11

Detektoren weisen jedoch Werte um 10 - 10 relativer Einheiten auf, so daß mit der reinen Reichweiten^jmethode keine eindeutigen Aussagen gewonnen werden können.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein vereinfachtes Verfahren für die Bestimmung der Schrägsichtweite und ein Laser^-Meßgerät zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, wofür ein

BAD ORlGlMAL

geringerer elektronischen Aufwand erforderlich ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß der Erfindung wird deshalb ein zweiter Stützpunkt des Lidar-Signals benötigt, ein Meßwert, der eine Aussage über die Größe der Rückstreuung in unmittelbarer Nähe des Empfängers ermöglicht. Der elektronische Aufwand der Speicherung eines Spannungswertes und dessen Verrechnung mit der Reichweite des Signals ist gering im Vergleich zur aufwendigen Slope-Methode. Der mögliche verbleibende Nachteil, daß Inhomogenitäten im Signalverlauf zwischen dem ersten und zweiten Stützpunkt zu Fehlinterpretationen führen können, wird gemäß der Erfindung durch, die Messung unter einem weiteren Erhebungswinkel ausgeschaltet.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Bedingungen beim Landeanflug;

Fig. 2 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Verfahrens gemäß der Erfindung, wobei Fig. 2a ein linear und Fig. 2b ein logarithmisch verstärktes Signal betrifft;

Fig. 3 einen Logiklaufplan zur Erläuterung des Verfahrens gemäß der Erfindung;

Fig. 4 ein Blockschaltbild der Signalverarbeitung; Fig. 5 eine graphische Darstellung von Meßergebnissen; und

Fig. 6 ein Schaltbild für ein Meßgerät zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.

Während die bisher bekannten Lösungsmöglichkeiten zur Bestimmung der schrägen Normsicht aus dem Lidar-Signal entweder mit großem elektronischen Aufwand verbunden oder nur in Zusammenhang mit einer weiteren Sichtbeobachtung eindeutig waren,wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung eine Kombination mit dem Ziel verwandt, den Aufwand der exakten Lösungsmethode (Slope-Methode) zu reduzieren. Für die homogene Schichtung kommt man mit zwei Stütz-

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punkten aus. Als 2. Stützpunkt benötigt man eine Aussage über die Größe der Rückstreuung in unmittelbarer Nähe des Empfängers, zum Beispiel die Signalspannung U_n bei R = R^ in 100 nu Man wird praktischerweise den willkürlichen Wert U = U_ so wählen, daß er unabhängig von einer möglichen Verstärkungseinstellung wird. Dies erreicht man, wenn man annimmt, daß.bei U = U-. das Signal/ Rauschverhältnis 1 wird, daß also das Signal im Empfängerrauschen verschwindet.

Lm folgenden Sollen die Ctenäüigiteitsgreiizen des ,fcwei-Punkt-Verfahrens auch für inhomogene Schichtungen der realen Atmosphäre erläutert werden.

Fig. 2a zeigt zur Verdeutlichung des Zwei-Punkt-Verfahrens ein Signal, wie man es bei Benutzung linearer Verstärkung pro Laserpuls erhält.

Die I/R -Abhängigkeit ist deutlich zu erkennen. Man kann sich analog zur Slope-Methode zweijPunkte herausgreifen und erhält bei Benutzung der folgenden Gleichungen

Μ η Κ . 2
U_R = A = -2- - ß_{MR Tr}

^RR

I/O -

^{= B =} -"- * ^ßMB ^TB

unter'der Annahme, daß

^ßMR ^{= 3}MB ⁼ *■

homogene Schichtung

MR - ^ÜMB ^{= σ} . " ' .

eine Beziehung

^nrvD ~9ηίΰ _ R \

— — C f\ 0

BRf

rv	7	1	In	• In	^BRi
W V	1	.82 ·	1	. - III	AR_R
^VN		^nBRB "	AR_R
		300 BAD	31/0337 ORIGINAL

die 4 Meßgrößen enthält: die Meßspannung U_n bei der Entfernung Rg und die Meßspannung U bei der Entfernung R_R.

Nimmt man nun die Reichweitenmethode hinzu mit U-, als Rausch-

Xv

spannungswert, so hat man nur noch zwei Meßgrößen zu bestimmen: die Meßspannung U_n bei der fest eingestellten Entfernung R^ und die Rauschentfernung R_R bei bekannter. Rauschspannung U_n. Dieser Rauschspannungswert ist der einzige Unterschied zur Slope-Methode, wo irgendein Spannungswert bei der Entfernung R genommen wurde. Das Meßproblem bleibt die Messung der. Entfernung R . Hierfür ist ein logarithmischer Verstärker in Abwandlung zu einer Torschaltung geeignet. Fig. 2b zeigt das logarithmisch verstärkte Signal. Bewirkt durch die gleiche Verstärkung für positive wie negative Spannungen wird bei Erreichen der Rauschspannung ein Nulldurchgang beim logarithmisch verstärkten Signal erfolgen. Die Messung der Rauschentfernung reduziert sich so zu einer bei Entfernungsmessern bekannten Start-Stop Zählung.

Berechnete Modellschichtungen zeigen die Grenzen der Reichweitenmethode. Mit einer Zusatzmessung unter weiteren Winkeln können Fehlinterpretationen ausgeschaltet werden, Fig. 3 zeigt ein bevorzugtes Aus führungsbei spiel eines Logiklaufplans.

Im Normalfall wird die Messung unter zwei Winkeln ausgeführt, die Meßwerte werden gemittelt, eine Sichtweite V„ beziehungsweise V₁₀ wird bestimmt und beide Werte werden verglichen. Ist man nicht an einer Schichtung interessiert, reicht ein Wert V mit der ent-

_ » Ji .

sprechenden Umrechnung (Mehrfachstreuung, Wellenlänge) zum Display.

Will man eine Schichtung anzeigen, muß V₂ ungleich V₁₀ sein, wird noch Messungen bis 90 durchführen, ein Maximum von R_n bestimmen und die inversionshöhe zusätzlich zum korrigierten Sichtweitenwert unter dem interessierenden Winkel anzeigen. Die Angabe der wahren Schrägsichtweite für den Piloten hängt dann noch vom Luftlicht ab (path radiance).

Als Wolkenhöhen- und Schrägsichtmeßgerät ist ein kleines Nd-Glas-Lidar geeignet, das beispielsweise folgende technische Daten aufweist:

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Laser:

Nd-Glas-Laser 1.064 pm (Fa. Zeiss)

Ausgangsleistung 3 MWatt

Ausgangsenergie 150 mJoule

Pulsdauer 20 ns

maximale Schußfolge 1 Hz

Empfänger:

Spiegeldurchmesser 13.4 cm

Detektor YAG 444 Photodiode

log-Verstärker American Astrionics

Fig. 4 zeigt das Blockschaltbild der Signalverarbeitung. Das Lidar-Signal kann für die Wolkenhöhenmessung mit dem bekannten Entfernungsmeßteil benutzt werden. Das Startsignal wird vom Laser-Trigger und das Stop-Signal wird vom Wolkenecho geliefert. Durch einen Zeitschalter ist es möglich, die 2. oder 3. Wolkenschicht anzumessen.

Für die Schrägsichtmessung wird die gleiche Entfernungsmessung mit dem Stop-Signal als Signal bei Null-Durchgang benutzt. Zusätzlich wird ein Wert des Lidar-Signals bei der über Zeitschalter vorwählbaren Entfernung R gespeichert.Je nach Betriebsart werden dem Rechner die Werte der Wolkenhöhe oder die Werte R und ü_ gegeben. Zusätzlich wird der Meßwinkel als Information zur Verfügung gestellt. .

Fig. 5 zeigt den vertikalen Verlauf der bei einem Versuch ermittelten Werte fif .Wenn man homogene Verteilung annimmt, kann man die Slope-Funktion aus der dargestellten Mittelkurve bestimmen und erhält eine Sichtweite V^_n =5.4 km.

Slope

Die Reichweitenmethode ergab folgende Werte für R_R:

925, 948, 1063, 894, 897, 975, 942, 960, 933, 960 m.

Mit den gemittelten Anfangswerten R_ ■= 250 m, U_n = 0.17 V, U_R = 0,005 V und der mittleren Reichweite R_R = 950 m ergibt sich eine Sichtweite von 5.9 km. Da keine Information über den Verlauf der Wertej3T in den untersten 250 m vorliegt, ist die geringe Abweichung möglicherweise auf die Abweichungen von der gestrichelt dargestellten Kurve In Fig. 5 zurückzuführen.

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Das in Fig. 6 dargestellte Schaltbild betrifft ein Meßgerät zur Durchführung des Verfahren gemäß der Erfindung. Die Schaltung enthält einen Oszillator 1, der zur Erzeugung der Zählfrequenz zur Bestimmung der Wolkenhöhe , der Schrägsichtweite und der Entfernung erforderlich ist. An dem Oszillator 1 ist ein Zeitschalter 2 angeschlossen, mit dem insbesondere zweite oder dritte Echos angemessen werden können und zu der eingestellten Zeit der betreffende Meßwert gespeichert werden kann.

Ein Verstärker für die Signalaufberietung des Laserstrahls zur Bestimmung der Reichweite R₀ enthält einen elektronischen Schalter 3, eine Verstärkerschaltung 4,5 und eine Komparatorschaltung 6. Mit einer Flip-Flopschaltung 7 wird ein Analogsignal in ein Digitalsignal umgewandelt, das Flip-Flopschaltungen 8,9 zugeführt wird, an die ein Dekadenzähler 10 zur Ansteuerung einer optischen Anzeigeeinrichtung 11 angeschlossen ist.

An dem Signaleingang sind ferner zwei Verstärkereinheiten 12,13 angeschlossen zur Messung der Spannung U_, deren Ausgang mit einem Analog-Digitalwandler 14 in Verbindung steht, an dem ebenfalls ein Dekadenzähler 15 mit einer Anzeigeeinrichtung 16 angeschlossen ist.

Bei Auslösung eines Laserimpulses wird zunächst ein Triggerimpuls erzeugt, der alle Zählerstände auf Null setzt. Gleichzeitig wird dadurch der Startimpuls für die Zähler erzeugt. Das am Signaleingang anliegende Echo wird über den Verstärker 6 verstärkt. In den Flip-Flopschaltungen 7,9 erfolgt eine.Digitalisierung und das Ausgangssignal wird dem Dekadenzähler 10 zugeführt. In dem Komparator 6 wird nach Unterschreitung der Spannung U_n das Stoppsignal erzeugt. Danach kann man an der Anzeigeeinrichtung 11 den Meßwert der Reichweite R_ ablesen. Gleichzeitig wird an der Anzeigeeinrichtung 16 der Wert U_ß angezeigt, z.B. die Signalspannung U bei R = R_ in 100 m.

Die beiden Meßwerte U_n und R_. werden gemeinsam mit den Winkeldaten über einen IEEE 488 Bus dem Rechner zur weiteren Verarbeitung zugeführt.

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Leerseite

Claims

ί 1.} Verfahren zur Messung der Sichtweite, Schrägsichtweite und Wolkenhöhe, bei dem als Sender ein Impulslaser und als Empfänger eine Empfangsvorrichtung mit Fotodetektor benutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Feichweitenbestimmung des Laserstrahls ein zweiter Punkt im Nahbereich (R<200 m) gespeichert wird, und daß unter verschiedenen Elevationswinkeln gemessen wird.
2. Laser-Meßgerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß es einen Laser-Entfernungsmesser enthält.
3. Laser-Meßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung zur Speicherung eines Spannungswertes vorgesehen ist, die einen schnellen A/D-Wandler mit einem nachfolgenden Speicherbaustein enthält.

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