DE3002791C2 - Verfahren zur Messung der Sichtweite, Schrägsichtweite und Wolkenhöhe - Google Patents
Verfahren zur Messung der Sichtweite, Schrägsichtweite und WolkenhöheInfo
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Description
30
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Sichtweite, Schrägsichtweite und Wolkenhöhe entsprechend
dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
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 Nebelwarnung 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 Leuchtdichtmeßgerate
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) bestimmen.
F i g. 1 verdeutlicht die geometrischen Bedingungen beim Landeanflug. Ein sich im Anflug auf dem Gleitpfad
befindliches Flugzeug durchfliegt nacheinander die Horizontalsichtstufen VW0, VW, und VW2. Vom Flughafen
aus kann dem Piloten nur die Horizontalsicht VW2 über der Landebahn gemeldet werden, die mit einem
Transmissometer zwischen den Punkten Γι 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 Wolken (z. B. VWi
< VW0 und VW, < VW2) in die Höhe der Wolkenuntergrenze und die
Dicke dieser Wolkenschicht interessant. Die Bestimmung wird mit Ceilometem oder Wolkenhöhenmessern
durchgeführt Für den Fall des Bodennebels (Vs2 < VW.,
VW0) muß wiederum die Höhe der Nebelobergrenze und die optische Homogenität bekannt sein, und in
derartigen Situationen ist es für die Verantwortlichen außerordentlich schwierig, anhand von Zusatzinformationen,
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 instrumenteile 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 Transmissometerstrecken
auf dem Gleitpfad erstellen. Die dabei notwendig werdenden Türme im Anflugbereich stellen
aber in jedem Falle Gefahrenquellen dar. Der Einsatz von Fernmeßgeräten und hierbei der Laser-Radar- oder
Lidar-G?räte 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 zum Beispiel deren Dichte, entlang des Laserstrahls charakterisiert Setzt man vereinfachend
eine streckenweise homogene Atmosphäre voraus, was mit 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 F i g. 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 Ausgleichsgeraden 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 und an dem Anspruch, für den gesamten
Sichtweitenbereich von 50 m bis 100 km gültig zu sein. Wenn man sich auf die für die Luftfahrt gefährlichen
Sichtweiten unter 2000 m beschränkt, ist es zweckmäßiger, das für eine praktische Durchführung gut geeignete
Verfahren der eingangs genannten Art (Firmen-Druckschrift der DFVLR »Lidar für Umweltschutzaufgaben«,
Ausgabe für Ausstellung »Laser 1979«) zu verwenden, weil bei diesen 2-Punkt-Verfahren ein erheblich
geringerer elektronischer Aufwand erforderlich ist. Bei diesem Verfahren wird als zweiter Stützpunkt ein
Meßwert benötigt, der eine Aussage über die Größe der Rückstreuung in unmittelbarer Nähe des Empfängers
ermöglicht. Der dabei erforderliche elektronische Aufwand zur Speicherung eines Spannungswerts und
dessen Verrechnung mit der Reichweite des Signals ist im Vergleich zu der aufwendigen Slope-Methode
verhältnismäßig gering. Der Erfindung liegt demgegen-
über die Erkenntnis zugrunde, daß bei der praktischen Anwendung des 2-Punkt-Verfahrens die Schwierigkeit
auftreten kann, daß Inhomogenitäten im Signalverlauf zwischen dem ersten und zweiten Stützpunkt zu
Fehlinterpretationen führen können.
Ein weiteres Verfahren, welches die Kostenprobleme löst, ist dagegen nur mit einer zusätzlichen unabhängigen
Sichtmessung eindeutig. Die sogenannte Reichweiienmethode (DE-PS 26 06 318) benutzt das Erreichen
der Detektierbarkeitsgrenze des Laserstrahls als Krite- |0
rium. 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 Räichweite durch die stärkere Extinktion erreicht wird. Die Unterscheidung kann dann
nur durch eine weitere, unabhängige Messung der Sicht erfolgen.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für die Bestimmung der Schrägsichtweite zu schaffen,
wofür einerseits geringerer elektronische/ Aufwand erforderlich ist als bei der Slope-Methode, und bei dem
andererseits Fehlinterpretationen bei inhomogener Schichtung möglichst weitgehend vermieden werden
sollen.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch den
Gegenstand des Patentanspruchs gelöst
Sind bei einer Messung unter zwei Elevationswinkeln die beiden Meßergebnisse verschieden, liegt eine
Schichtung vor. Der Verlauf einer solchen Schichtung kann dann durch die bekannten Inversionsverfahren aus
den Messungen unter verschiedenen Winkeln errechnet werden.
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise
näher erläutert werden. Es zeigt
F i g. 1 eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Bedingungen beim Landeanflug;
F i g. 2 eine grafische Darstellung zur Erläuterung des 2-Punkt-Verfahrens, wobei Fig.2a ein linear und
F i g. 2b ein logarithmisch verstärktes Signal betrifft;
Fig.3 einen Logiklaufplan zur Erläuterung des Verfahrens bei Messung unter verschiedenen Winkeln
gemäß der Erfindung; und
F i g. 4 ein Blockschaltbild der Signalverarbeitung. Wie bereits erwähnt wurde, wird bei dem bekannten 2-Punkt-Verfahren eine Kombination mit dem Ziel verwendet, den Aufwand der exakten Lösungsmethode (Slope-Methode) zu reduzieren. Für die homogene Schichtung kommt man mit zwei Stützpunkten aus. Als 2. Stützpunkt benötigt man eine Aussage über die Größe der Rückstreuung in unmittelbarer Nähe des Empfängers, z. B. die Signalspannung Ub bei R=Rb in 100 m. Man wird praktischerweise den willkürlichen Wert U= Ur so wählen, daß er unabhängig von einer möglichen Verstärkungseinstellung wird. Dies erreicht man, wenn man annimmt, daß bei U=Ur das Signal/Rauschverhältnis 1 wird, daß also das Signal im Empfängerrauschen verschwindet.
F i g. 4 ein Blockschaltbild der Signalverarbeitung. Wie bereits erwähnt wurde, wird bei dem bekannten 2-Punkt-Verfahren eine Kombination mit dem Ziel verwendet, den Aufwand der exakten Lösungsmethode (Slope-Methode) zu reduzieren. Für die homogene Schichtung kommt man mit zwei Stützpunkten aus. Als 2. Stützpunkt benötigt man eine Aussage über die Größe der Rückstreuung in unmittelbarer Nähe des Empfängers, z. B. die Signalspannung Ub bei R=Rb in 100 m. Man wird praktischerweise den willkürlichen Wert U= Ur so wählen, daß er unabhängig von einer möglichen Verstärkungseinstellung wird. Dies erreicht man, wenn man annimmt, daß bei U=Ur das Signal/Rauschverhältnis 1 wird, daß also das Signal im Empfängerrauschen verschwindet.
Im folgenden sollen die Genauigkeitsgrenzen des 2-Punkt-Verfahrens für inhomogene Schichtungen der
realen Atmosphäre erläutert werden.
F i g. 2a zeigt zur Verdeutlichung des 2-Punkt-Verfahrens ein Signal, wie man es bei Benutzung linearer
Verstärkung pro Laserpuls erhält.
Die U/R ^Abhängigkeit ist deutlich zu erkennen.
Man kann sich analog zur Slope-Methode zwei Punkte herausgreifen und erhält bei Benutzung der folgenden
Gleichungen
Kg
als ortsabhängige RückstreukocfDzienten
und
'an, 7jt als ortsabhängige Transmissionen (r = e'aK)
K = Konstante
Unter der Annahme, daß
Unter der Annahme, daß
ßm
=
ßm = ß
für homogene Schichtung mit O101, alm als ortsabhängige
Streukoeffizienten der Partikel if ergibt sich eine Beziehung für die schräge Nonnsicht:
In
2(Rr-R,)
7.82 ·
(Rr
-
Rt)
l-\iiARr
(A)
die 4 Meßgrößen enthält: die Meßspannung Ub bei der
Entfernung Rb und die Meßspannung Ur bei der
Entfernung Rr.
Nimmt man nun die Reichweitenmethode hinzu mit Ur als Rauschspannungswert, so hat man nur noch zwei
Meßgrößen zu bestimmen: die Meßspannung t/ebei der
fest eingestellten Entfernung Rb und die Rauschentfernung
Rr bei bekannter Rauschspannung Ur. 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 Rr. Hierfür ist ein logarithmischer Verstärker in Abwandlung zu einer
Torschaltung geeignet. F i g. 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 verschiedenen Elevationswinkeln können Fehlinterpretationen erfindungsgemäß ausgeschaltet werden.
Das 2-Punkt-Verfahren setzt nämüch eine homogene Atmosphäre voraus. Nur dann ist die obige
Beziehung (A) gültig. Bei der meist vorhandenen inhomogenen Schichtung der Atmosphäre kann man an
dem Verlauf des Lidar-Signals die Schichtung erkennen und dementsprechend die Sichtweite abschnittsweise
berechnen. Dies ist mit der Slope-Methode möglich. Um mit dem verringerten Aufwand des 2-Punkt-Verfahrens
trotzJsm auch für diese Fälle Aussagen zu erhalten, muß
die möglicherweise vorhandene Schichtung durch Messung unter verschiedenen Erhebungswinkeln erfaßt
werden. Sind bei Messung unter zwei Winkeln die
beiden Meßergebnisse nach Gleichung (A) verschieden, liegt eine Schichtung vor. Der Verlauf einer solchen
Schichtung kann dann durch die bekannten Inversionsverfahren aus den Messungen unter verschiedenen
Winkeln errechnet werden. F i g. 3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Logiklaufplans.
Im Normalfall wird die Messung unter zwei Winkeln ausgeführt, die Meßwerte werden gemittelt, eine
Sichtweite V2 beziehungsweise V]0 wird bestimmt und
beide Werte werden verglichen. Ist man nicht an einer ι ο Schichtung interessiert, reicht ein Wert Vx mit der
entsprechenden Umrechnung (Mehrfachstreuung, Wellenlänge) zum Display.
Will man eine Schichtung anzeigen, muß V2 ungleich
V10 sein, man wird noch Messungen bis 90° durchführen,
ein Maximum von Rr bestimmen und die Inversior.shöhe
zusätzlich zum korrigierten Sichtweitenwert unter dem interessierenden Winkel anzeigen. Die Angabe der
wahren Schrägsichtweite für den geforderten Winkel wird über eine Inversionsrechnung aus den Messungen
unter verschiedenen Winkeln bestimmt. Sie hängt für den Piloten dann noch vom Luftlicht ab (path radiance).
F i g. 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 Ra gespeichert. Je nach Betriebsart werden
dem Rechner die Werte der Wolkenhöhe oder die Werte Rr und Üb gegeben. Zusätzlich wird der
Meßwinkel als Information zur Verfügung gestellt.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Verfahren zur Messung der Sichtweite, Schrägsichtweite und Wolkenhöhe, bei dem als Sender ein Impulslaser und als Empfänger für die an den Aerosolen rückgestreuten Laserimpulse eine Empfangsvorrichtung mit Fotodetektor benutzt wird, bei dem eine von den Eigenschaften der Aerosole abhängige Signalspannung (Ur) von empfangenen Laserimpulsen und die aus der Laufzeit der Laserimpulse ermittelte zugehörige Entfernung gemessen und als erster Stützpunkt verwendet wird, und bei dem zur Bestimmung der Reichweite des Laserstrahls Signalspannung (Ub) und zugehörige Entfernung (Rb) eines zweiten Stützpunkts im Nahbereich gemessen und in einem Rechner zur weiteren Auswertung gespeichert werden (2-Punkt-Verfahren), dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Schrägsichtweite eine Zusatz- messung unter verschiedenen Elevationswinkeln erfolgt, um die möglicherweise vorhandene Schichtung der Atmosphäre zu erfassen und die Schrägsichtweite für den geforderten Winkel nach dem an sich bekannten Inversionsverfahren berechnen zu können.
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