CN101509983A - 光学气象传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光学气象传感器，具有作为光束源的激光器(1)和用于消光测量的传感器(2)，用于同时确定粒子谱和光密度以确定降水和起雾。为了能够可靠地探测起雾，本发明提出的光学气象传感器还具有用于前向散射测量的传感器(3)，其中将两个所述的传感器(2、3)设计成同时且连续地接收测量值。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学气象传感器，用于同时确定粒子谱(Partikelspektrum)和光密度以确定降水和起雾，所述光学气象传感器具有作为光束源的激光器和用于消光测量(Extinktionsmessung)的传感器。
背景技术
确定天气的状况在世界范围内具有重要意义。它在农林经济、机场、建筑技术、气象业务、航海局和灾难防护以及出于技术目的的控制和调节中是必要的。确定降水要求确定以毛毛雨、雨、冰雹、雪、软雹或冰芯等多种形式出现的降水的强度、容积、直径大小和速度分布。此外气象传感器还必须确定降雨时的气象光学视距(MOR)和起雾，这对于机场来说尤其具有显著的意义。
气象传感器用于并行地确定多种气象因素并代替单项测量仪器。这些气象传感器用作为确定粒子大小和粒子速度的雨滴谱仪以及用作为烟雾传感器和视距测量仪。一种已知的雨滴谱仪是本申请人的雨滴谱仪
，这种雨滴谱仪利用由激光器产生的大小为160mm×1mm×30mm的矩形光带以及利用48cm2消光测量表面来进行测量。使用这种已知的仪器可以检测到直径在0.2mm至25mm范围内且速度在0.1m/s至20m/s范围内的空中水气凝结物。空中水气凝结物穿过矩形的光带，并根据其直径及其下落速度产生对传感器所接收的信号的削弱(衰减)。根据信号削弱的峰值大小和峰值基本宽度(Peakbasisbreite)可以推断出空中水气凝结物的直径和速度，其中光削弱的程度相当于(
)粒子大小，峰值基本宽度相当于粒子速度。但这种已知的雨滴谱仪并不能可靠地探测出起雾，由此在确定MOR视距时会产生问题。空气中浮动的小雾滴(Nebelteilchen)导致恒定的静态干扰，即导致信号持续减弱。这种减弱既无法区别于现有的测量窗或过滤器的污染，也无法区别于激光器的功率减弱。
为了避免这些缺点，其它已知的仪器使用前向散射(forward scattering)技术，其中由测量设备发出的光通过位于测量体积(Messvolumen)中的空中水气凝结物散射并且通过接收器接收散射光。因此雾导致保持为相同的散射信号，且可以可靠地被识别。这种仪器在EP 1 798 541 A1中有所描述。由散射光的性质可知，该测量原理在没有空中水气凝结物或测量路径被完全阻塞的情况下会导致无测量信号或者测量信号严重消逝，使得低粒子浓度以及由此的高MOR视距不能区别于光学系统中的仪器故障或问题。另外，不利的是，无法直接确定粒子大小和粒子速度，而是其实必须进行合理性判断(
)，以便纠正边缘效应、多重液滴(Mehrfachtropfen)和误测，为此将根据经验来使用在光密度及其时间变化之间的不完全可靠的相互关系。
因此需要采用前向散射原理工作的光学仪器、附加的并由此易受干扰的传感器，特别是温度传感器或电容式传感器，用于确定相对于典型降水情况(Niederschlagstypisierung)的降水的水含量。所述文献提出，在散射光-视距测量仪中为了功能检查而设置光转向单元，该光转向单元使得射出光束转向，并使得射出光束能够馈入到与光接收器对准的接收光束中且能够被测量。这意味着，在使用同一个光源和同一个探测器的情况下，已知的散射光-视距测量仪时间程序可控地(zeitprogrammgesteuert)并且周期性地进行消光测量以确保质量。尽管探测器因此必须具有很大的动态范围，但是仍然希望针对不同的测量原理使用同一个光学组件，以便一方面易于保持该光学系统，另一方面始终只需检查用于实际测量的光学组件的功能能力。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种光学气象传感器，其能够可靠地同时识别和确定出粒子大小和粒子速度以及视距和起雾，并且提出一种用于这种确定模式的方法。
实现上述目的的该装置通过如下措施得以实现，即光学气象传感器额外还具有用于前向散射测量的传感器，其中两个传感器构造成同时且连续地接收测量信号。相比于开始部分所述的两种已知的测量仪器，对光学系统的复杂化允许非常有利地将粒子谱可靠地确定为由粒子大小和粒子速度以及光密度构成的二维光谱，进而确定出降水、起雾或视距。在此特别有利的是，可以冗余地采用两种测量方法来确定视距，因为无论前向散射还是消光测量都能够确定光密度进而确定视距。此外本发明的测量仪器允许有利地使用实际的测量信号以控制消光测量的功能能力。由此可以冗余地确定起雾：在同时存在前向散射信号的情况下可以可靠地将消光测量信号的静态减弱识别为并量化为起雾事件。激光器的功率削弱或者光学系统的污染可以作为诱因而被可靠地排除。这样就有利地省略了现有技术中所记载的复杂的并且构成潜在误差源的光路转换。
在一种本发明的设计中，本发明的光学气象传感器具有至少一个挡板(Blende)，该挡板竖立(vertikal)倾斜地设置和/或具有空留(frei)的下边缘，该边缘特别地具有圆形的内凹。采用这种设计避免了对挡板的污染，因为可能附着上的雪等能够自由地向下落到地上，并且该边缘不具有随着时间的推移用于使污染物从下面堆起来的附着物表面(
)。这种竖立倾斜在此特别地以如下方式实现，即挡板的下边缘与壳体边缘的间距比挡板的上边缘与壳体边缘的间距大。
如果用于前向散射测量的传感器相对于消光测量的光轴倾斜设置，则使得传感器构造成接收来自大于300m3、特别为600m3的测量体积的散射光，其中测量体积大致设置在激光器和用于消光测量的传感器之间的中间位置，这样就可以极有利地实现具有相应大小的信号强度的较大的测量体积。较大的测量体积可以实现精确的测量，因为很少由于在中间的单个较大的液滴产生歪曲作用。
本发明的目的还在于，提供一种用于同时光学地确定粒子大小和粒子速度以及视距和起雾的方法，其中激光器发射出具有矩形横截面的光束，并且用于消光测量的传感器接收可能被测量体削弱的光束，该目的通过如下措施得以实现，即用于前向散射测量的传感器同时接收光束的通过测量体在测量体积中前向散射的部分。该方法继续具有上述优点。
在本发明的方法的一种改进中，分析单元对两个传感器接收的测量信号进行分析，并在视距测量的情况下对两个传感器进行冗余分析，并且分析单元通过对传感器的测量值进行相互比较来确定出对光学系统的干扰。
附图说明
下面参照唯一的附图详细说明本发明，该附图以非限制的形式示出了本发明的实施例。
在此图1示出了本发明的气象传感器的纵向剖视图。
具体实施方式
在具有固定装置10的两臂式的支架9上相互对置地设有两个向下开口的壳体11，壳体11的开口的端侧面12彼此相对。左边的壳体11包含激光器1，该激光器产生具有开始部分所述尺寸的矩形光束13。所述矩形光束13在挡板4的下方射出壳体11，该挡板竖立倾斜地设置。在两个壳体11之间的区域中，空中水气凝结物或小雾滴会使得光束13削弱或散射。削弱的且有时还散射的光束13、13′穿过第二挡板4射入到右侧的壳体11中，在那里所述光束射到用于消光测量的传感器2和用于散射光测量的传感器3上。分析单元8分析两个传感器2、3的信号，并通过如粒子大小和粒子速度或粒子谱可靠且精确地得知是否起雾。在视距测量的情况下，分析单元8冗余地从两个测量信号中求得相应的值，从而本发明的装置具有装置特有的质量保证。
附图标记列表
1 激光器
2 传感器
3 传感器
4 挡板
5 下边缘
6 内凹
7 测量体积
8 分析单元
9 支架
10 固定装置
11 壳体
12 端侧面
13 光束
13′ 散射的光束
Claims (6)
1.一种光学气象传感器，用于同时确定粒子谱和光密度以确定降水和起雾，所述光学气象传感器具有作为光束源的激光器(1)和用于消光测量的传感器(2)，其特征在于，所述光学气象传感器具有用于前向散射测量的传感器(3)，其中两个传感器(2、3)设计成同时且连续地接收测量值。
2.如权利要求1所述的光学气象传感器，其特征在于，所述光学气象传感器具有至少一个挡板(4)，所述挡板竖立倾斜地设置和/或具有空留的下边缘(5)，所述下边缘特别地具有圆形的内凹(6)。
3.如权利要求1或2所述的光学气象传感器，其特征在于，所述用于前向散射测量的传感器(3)相对于消光测量的光轴倾斜设置，从而所述用于前向散射测量的传感器被设计成接收来自大于300m3、特别是600m3的测量体积(7)的散射光，其中所述测量体积(7)大致位于所述激光器(1)和所述用于消光测量的传感器(2)之间的中间位置。
4.一种用于同时光学地确定粒子大小和粒子速度以及视距和起雾的方法，其中由激光器(1)发射出具有矩形横截面的光束，并且由用于消光测量的传感器(2)接收有时被测量体削弱的该光束，其特征在于，由用于前向散射测量的传感器(3)同时接收该光束的通过测量体在测量体积(7)中前向散射的部分。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，由分析单元(8)对两个所述的传感器(2、3)所接收的测量信号进行分析，并在视距测量的情况下对两个所述的传感器(2、3)进行冗余分析。
6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述分析单元(8)通过对所述传感器(2、3)的测量值进行相互比较来确定出光学系统的干扰。
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