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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Wasserstands eines Gewässers sowie ein entsprechendes Mess-System.
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Die Messung von Wasserständen von künstlichen und natürlichen Gewässern, wie z. B. Flüssen, Seen und Süßwasserspeichern, ist heutzutage zur Überwachung sowohl von Gegenden mit Überschwemmungsgefahr als auch von Gebieten mit zunehmender Wasserknappheit von besonderer Bedeutung.
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In der Regel werden Wasserstande von Gewässern an örtlich verteilten Pegelstationen am Boden durch menschliches Personal abgelesen bzw. durch die Pegelstationen elektronisch gemessen und an zentrale Auswertezentren übermittelt. Solche Pegelstationen enthalten bewegliche Mechanik oder aktive Elektronik und sind daher störanfällig. Besonders bei Überschwemmungen werden Pegelstationen leicht beschädigt bzw. zerstört und stehen daher nicht mehr für die gerade bei Überschwemmungen sehr wichtige Wasserstandsüberwachung zur Verfügung.
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In den Druckschriften [1] und [2] wird ein Verfahren beschrieben, bei dem interferometrisch mittels SAR-Radar (SAR = Synthetic Aperture Radar) großflächig relative Wasserstandshöhen im Gebiet der Everglades (Florida) ermittelt werden können. Die in diesen Dokumenten beschriebene Wasserstandsmessung erfordert spezielle Wasserpflanzen, die aus der Wasseroberfläche ragen und Radarwellen reflektieren. Solche Pflanzen kommen weltweit nur selten vor. Darüber hinaus liefert das Verfahren nur relative Messwerte und keinen absoluten Wasserstand. Es wird somit weiterhin eine Pegelstation benötigt.
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Die Druckschrift [3] beschreibt die Reflexion von Radarstrahlung an über einer Wasseroberfläche befindlichen Objekte, wobei die Mehrwege-Propagation der Radarstrahlung, welche durch Streuungen an der Wasseroberfläche hervorgerufen wird, analysiert wird.
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In dem Dokument [4] wird die Ermittlung der Höhe einer Brücke gegenüber einer Wasseroberfläche basierend auf der Laufzeitdifferenz von Radarstrahlung beschrieben, welche an der Brücke verschieden gestreut wurde.
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Die Druckschrift [5] betrifft ein Verfahren zur Detektion von Schiffen auf einer Wasseroberfläche, wobei die Schiffe als helle Lichtpunkte aufgrund von Doppelstreuungen erscheinen.
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In der Druckschrift [6] ist die Ermittlung des Wasserstands in einem Bassin beschrieben, wobei hierzu an einem Reflektor reflektierte Radarstrahlung analysiert wird. Das Messprinzip beruht dabei auf einer Intensitätsmessung der reflektierten Radarstrahlung. Die Druckschriften [7], [8] und [9] zeigen verschiedene Arten von Radarreflektoren bzw. Winkelreflektoren.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die Messung des Wasserstands eines Gewässers einfach und zuverlässig ohne die Verwendung von Pegelstationen zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. das Mess-System gemäß Patentanspruch 13 bzw. die Verwendung eines Reflektors gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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In dem erfindungsgemäßen Messverfahren wird ein Reflektor verwendet, der eine Anzahl (d. h. mindestens eine) von Reflexionsflächen zur Reflexion von elektromagnetischer Strahlung in einem vorbestimmten Wellenbereich umfasst und in oder an dem Gewässer bereitgestellt ist, dessen Wasserstand zu messen ist. Der Begriff des Gewässers ist dabei weit zu verstehen und umfasst jede Art von künstlichem bzw. natürlichem Gewässer, insbesondere Flüsse, Seen, Feuchtgebiete, Stauseen, Meeresgebiete, Wasserspeicher und Wasserbecken. Der Reflektor ist dabei derart in oder an dem Gewässer (beispielsweise am Rand bzw. am Ufer des Gewässers) angeordnet, dass durch die Wasseroberfläche des Gewässers und eine oder mehrere Reflexionsflächen des Reflektors ein Winkelreflektor gebildet wird. Das heißt, die Reflexionsfläche bzw. Reflexionsflächen und die Wasseroberfläche, welche den Winkelreflektor bilden, stehen alle im Wesentlichen senkrecht aufeinander.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird elektromagnetische Strahlung in dem vorbestimmten Wellenbereich von einer oberhalb des Gewässers befindlichen Strahleinrichtung ausgesendet. Diese Strahlung fällt derart auf den Reflektor, dass diese Strahlung an den durch die Reflexionsfläche bzw. Reflexionsflächen und der Wasseroberfläche gebildeten Winkelreflektor basierend auf einer Mehrfachreflexion unter Einbeziehung der Wasseroberfläche rückreflektiert wird. Unter Rückreflexion, welche auch als Retroreflexion bezeichnet wird, versteht man, dass die einfallende Strahlung im Wesentlichen in die gleiche Richtung zurück reflektiert wird, in welche sie auf den Winkelreflektor fällt. Erfindungsgemäß sind somit der Strahlungseinfall der Strahleinrichtung und der Winkelreflektor derart ausgerichtet, dass diese Retroreflexion auftritt.
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Erfindungsgemäß wird schließlich der Wasserstand des Gewässers ermittelt. Hierzu wird zunächst der Abstand zwischen Strahleinrichtung und Streu- bzw. Reflexionszentrum des Winkelreflektors ermittelt. Dieses Reflexionszentrum, dessen Ort proportional mit dem Wasserstand zusammenhängt, wird durch den Schnittpunkt bzw. die Schnittkante zwischen der oder den Reflexionsflächen des Reflektors und der Wasseroberfläche gebildet. Der Schnittpunkt bzw. die Schnittkante können gegebenenfalls auch ein gedachter Punkt bzw. eine gedachte Kante sein, die sich als Schnitt zwischen Verlängerungen der Reflexionsfläche bzw. Reflexionsflächen des Reflektor und der Wasseroberfläche ergeben. Ein gedachter Schnittpunkt bzw. eine gedachte Schnittkante treten insbesondere bei Ausführungsformen auf, bei denen der Reflektor am Rand bzw. am Ufer des Gewässers positioniert ist. Die Abstandsmessung erfolgt über eine Laufzeitmessung der von der Strahleinrichtung ausgesendeten und nach Rückreflexion am Winkelreflektor wieder am Ort der Strahleinrichtung empfangenen Strahlung. Über diese Laufzeit kann mittels der Lichtgeschwindigkeit auf einfache Weise der Abstand zwischen Strahleinrichtung und Winkelreflektor bestimmt werden. Zur Ermittlung des Wasserstands aus diesem gemessenen Abstand wird erfindungsgemäß eine dreidimensionale Position der Strahleinrichtung und eine zweidimensionale, die Lage des Reflektors in Draufsicht auf die Erdoberfläche beschreibende Position berücksichtigt, welche vorbekannt sind bzw. im Rahmen des Verfahrens bestimmt werden. Unter Berücksichtigung von entsprechenden Positionsdaten betreffend die Position der Strahleinrichtung und des Reflektors kann somit der Wasserstand bestimmt werden, wie beispielhaft in der detaillierten Beschreibung anhand von 1 erläutert wird. Die dreidimensionale und die zweidimensionale Position werden insbesondere in Bezug auf das gleiche Referenzkoordinatensystem bestimmt. Die Position der Strahleinrichtung kann dabei über GPS (GPS = Global Positioning System) bestimmt sein bzw. im Rahmen des Verfahrens bestimmt werden. Ebenso kann die zweidimensionale Position des Reflektors über GPS bestimmt werden bzw. bereits als GPS-Koordinaten vorliegen.
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Die von der Strahleinrichtung ausgesendete elektromagnetische Strahlung kann verschiedene Wellenlängen aufweisen bzw. in verschiedenen Wellenlängenbereichen liegen. Vorzugsweise werden als Strahlung hochfrequente Funkwellen mit einer Frequenz im Bereich zwischen 1 GHz und 30 GHz, insbesondere von 10 GHz und größer, verwendet. Der Einfallswinkel der von der Strahleinrichtung ausgesendeten Strahlung kann in verschiedenen Winkelbereichen liegen, insbesondere fällt die Strahlung in einem Winkel zwischen 20° und 50° gegenüber der Vertikalen auf den Winkelreflektor.
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Je nach Anwendungsfall bzw. Wellenlänge der einfallenden Strahlung variiert die Größe der Reflexionsflächen des Reflektors. Vorzugsweise liegt die Größe des Reflektors zwischen 30 cm und 3 m, insbesondere zwischen 30 cm und 2 m bzw. 30 cm und 50 cm. Bei einer rechteckigen Ausgestaltung der einzelnen Reflexionsflächen liegt somit die Kantenlänge der jeweiligen Reflexionsflächen in dieser Größenordnung. Zur Erreichung einer ausreichenden Reflexionswirkung sind die Reflexionsfläche bzw. Reflexionsflächen des Reflektors vorzugsweise metallisch, insbesondere aus Aluminium und/oder Edelstahl.
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Um den Reflektor in Bezug auf die Wasseroberfläche des Gewässers geeignet zu fixieren, ist der Reflektor insbesondere über eine geeignete Verankerung im oder am Gewässer befestigt, beispielsweise in den Boden eingerammt bzw. einbetoniert. Entscheidend ist dabei lediglich, dass sich zumindest ein Teil der Reflexionsflächen oberhalb der Wasseroberfläche befinden und senkrecht auf dieser stehen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Abstandsmessung über Radar und insbesondere über Mikrowellen-Radar, d. h. mittels Strahlung im Gigahertz-Bereich. Die auf den Reflektor fallende Strahlung wird somit durch einen Radarsensor ausgesendet, wobei hierfür insbesondere ein hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannter SAR-Radarsensor, z. B. TerraSAR-X, verwendet wird, der hochgenaue Messungen ermöglicht. Neben dem Aussenden der Strahlung übernimmt der Radarsensor auch die Messung bzw. Detektion der rückreflektierten Strahlung. Hieraus kann die Laufzeit der Strahlung ermittelt werden, aus der wiederum der Wasserstand bestimmt werden kann.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die auf den Reflektor bzw. Winkelreflektor gerichtete Strahlung von einer Strahleinrichtung ausgesendet, welche sich auf einem bewegenden Flugobjekt befindet, insbesondere auf einem Satelliten oder einem Flugzeug oder einem Helikopter. Auf diese Weise können durch Überfliegen eines großflächigen Gebiets auch die Wasserstände von größeren Gewässern punktweise an verschiedenen Stellen über entsprechend bereitgestellte Reflektoren erfasst werden.
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Der im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Reflektor kann verschieden ausgestaltet sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der Reflektor zumindest ein Paar aus zwei senkrecht aufeinander stehenden, d. h. einen rechten Winkel miteinander bildenden Reflexionsflächen, wobei die Wasseroberfläche senkrecht auf jeder Reflexionsfläche des zumindest einen Paars steht. In dieser Variante wird somit durch die Wasseroberfläche und den Reflektor ein Dreifach-Winkelreflektor gebildet, bei dem die Retroreflexion über eine dreifache Reflexion am Winkelreflektor unter Einbeziehung der Wasseroberfläche erfolgt. Gegebenenfalls besteht auch die Möglichkeit, dass der Reflektor nur eine Reflexionsfläche aufweist, welche im Gewässer oder in der Nähe des Gewässers angeordnet ist. In diesem Fall wird durch die Reflexionsfläche und die Wasseroberfläche ein Zweifach-Winkelreflektor gebildet, bei dem die Retroreflexion durch eine Reflexion an der Reflexionsfläche und der Wasseroberfläche erfolgt. Bei Aufstellung eines solchen Reflektors am Rand des Gewässers überbrückt die bei der Reflexion zwischen Reflexionsfläche und Wasseroberfläche verlaufende Strahlung somit den Uferbereich zwischen Reflektor und Gewässeranfang.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des obigen Reflektors beinhaltet der Reflektor zwei Paare von Reflexionsflächen, wobei die Reflexionsflächen eines jeweiligen Paars senkrecht aufeinander stehen und die Paare in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sind, so dass eine Wasserstandsmessung aus zwei Richtungen bzw. Winkelbereichen von einfallender Strahlung erfolgen kann. In einer Variante können die Paare von Reflexionsflächen beispielsweise um 180° gegeneinander verdreht sein, so dass eine jeweilige Reflexionsfläche des einen Paars im Wesentlichen senkrecht auf einer Reflexionsfläche des anderen Paars steht und zur anderen Reflexionsfläche des anderen Paars parallel verläuft. In dieser Variante werden vorzugsweise auch durch die Rückseiten der jeweiligen Reflexionsflächen weitere Reflexionsflächen gebildet, so dass der Winkelreflektor vier, um 90° zueinander verdrehte Paare von Reflexionsflächen umfasst. Auf diese Weise kann eine Wasserstandsmessung aus beliebigen Richtungen von einfallender Strahlung erfolgen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist jedes Paar von Reflexionsflächen auf eine aufsteigende bzw. absteigende Bahn eines um die Erde kreisenden Satelliten ausgerichtet, beispielsweise auf eine polare bzw. polarnahe Bahn eines Satelliten. In dieser Variante wird die auf den Winkelreflektor fallende Strahlung durch eine Strahleinrichtung auf dem Satelliten erzeugt, wobei diese Strahleinrichtung vorzugsweise einen Radarsensor umfasst.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Reflektor eingesetzt, der eine Dämpfungseinrichtung zur Dämpfung von Wasserwellen des Gewässers in der Umgebung des Reflektors umfasst. Hierdurch kann eine geeignete Wasserstandsmessung auch bei starkem Wellengang mit ausreichender Genauigkeit durchgeführt werden. In einer einfachen Ausgestaltung umfasst die Dämpfungseinrichtung einen oder mehrere, für elektromagnetische Strahlung im vorbestimmten Wellenbereich transparente Schirme, beispielsweise ein oder mehrere Plexiglasscheiben. Hierdurch kann die Wasseroberfläche im Bereich des Reflektors gut gegen Wellenbewegungen abgeschirmt werden.
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Für die oben beschriebene Ausführungsform eines Reflektors mit zumindest einem Paar von Reflexionsflächen erstreckt sich ein jeweiliger Schirm zwischen den Reflexionsflächen eines Paars von Reflexionsflächen, insbesondere zwischen solchen Kanten von Reflexionsflächen, welche entfernt von dem zwischen den Reflexionsflächen des Paars gebildeten rechten Winkel liegen.
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Die Dämpfungseinrichtung kann gegebenenfalls auch derart gebildet sein, dass ein Hohlraum mit zumindest einer Ausgleichsöffnung oder zumindest einem Ausgleichsventil im Bereich der Reflexionsflächen vorgesehen ist, wobei die zumindest eine Ausgleichsöffnung oder das zumindest eine Ausgleichsventil zur Durchströmung von Luft und/oder Wasser dient. Der Hohlraum kann somit entweder ein Lufthohlraum über der Wasseroberfläche oder ein mit Wasser des Gewässers gefüllter Hohlraum unter der Wasseroberfläche sein. In beiden Fällen wird durch eine entsprechende Öffnung bzw. ein Ventil pneumatisch oder hydraulisch eine Dämpfung von Wellenbewegungen erreicht. Vorzugsweise ist die zumindest eine Ausgleichsöffnung bzw. das zumindest eine Ausgleichsventil in zumindest einem den Hohlraum abschließenden Deckel vorgesehen, der vorzugsweise für die elektromagnetische Strahlung der Strahleinrichtung transparent ist. Dabei ist der Deckel bei Durchströmung der Öffnung bzw. des Ventils mit Wasser des Gewässers unterhalb der Wasseroberfläche und bei Durchströmung der Öffnung bzw. des Ventils mit Luft oberhalb der Wasseroberfläche angeordnet. Die soeben beschriebene Variante einer Dämpfungseinrichtung wird vorzugsweise mit der oben beschriebenen Ausführungsform eines transparenten Schirms kombiniert. Dabei ist der Hohlraum durch den zumindest einen Deckel, eine oder mehrere Reflexionsflächen des Reflektors und zumindest einem transparenten Schirm gebildet.
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Um die Messgenauigkeit des Verfahrens zu erhöhen, ist in einer weiteren Variante der Erfindung zur Ermittlung des Wasserstands des Gewässers ein Referenz-Winkelreflektor, dessen Reflexionsflächen nicht die Wasseroberfläche des Gewässers umfassen, mit einer vorgegebenen Referenzposition im oder am Gewässer bereitgestellt, wobei über die Laufzeit der von der Strahleinrichtung ausgesendeten und am Referenz-Winkelreflektor rückreflektierten Strahlung der Abstand zwischen der Referenz-Strahleinrichtung und dem Reflexionszentrum des Winkelreflektors gemessen wird. Da der tatsächliche Abstand aufgrund der vorbekannten Referenzposition des Referenz-Winkelreflektors bekannt ist, kann somit mit geeigneten Verfahren eine Fehlerkompensation der Abstandsmessung in Bezug auf den anderen, im oder am Gewässer befindlichen Reflektor erfolgen.
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Neben dem oben beschriebenen Messverfahren umfasst die Erfindung ferner ein Mess-System zur Messung des Wasserstands eines Gewässers. Dieses Mess-System umfasst einen Reflektor, der eine Anzahl (d. h. zumindest eine) von Reflexionsflächen zur Reflexion von elektromagnetischer Strahlung in einem vorbestimmten Wellenbereich umfasst und derart in oder an dem Gewässer angeordnet ist, dass durch die Wasseroberfläche des Gewässers und eine oder mehrere Reflexionsflächen des Reflektors ein Winkelreflektor gebildet wird. Das Mess-System beinhaltet ferner eine oberhalb des Gewässers befindliche Strahleinrichtung zum Aussenden von elektromagnetischer Strahlung in dem vorbestimmten Wellenbereich, so dass die ausgesendete Strahlung derart auf den Reflektor fällt, dass die einfallende Strahlung an dem Winkelreflektor basierend auf einer Mehrfachreflexion unter Einbeziehung der Wasseroberfläche rückreflektiert wird. Das Mess-System beinhaltet auch eine Messeinrichtung zur Messung des Abstands zwischen Strahleinrichtung und Reflexionszentrum des Winkelreflektors über die Laufzeit der ausgesendeten und rückreflektierten Strahlung. Darüber hinaus ist eine Auswerteeinrichtung zum Ermitteln des Wasserstands des Gewässers basierend auf dem gemessenen Abstand vorgesehen, wobei bei der Ermittlung des Wasserstands des Gewässers eine dreidimensionale Position der Strahleinrichtung und eine zweidimensionale, die Lage des Reflektors in Draufsicht auf die Erdoberfläche beschreibende Position berücksichtigt werden. In diesem Mess-System können alle, in Bezug auf das obige Verfahren beschriebenen gegenständlichen Ausgestaltungen realisiert sein. Insbesondere kann der Reflektor als Reflektor mit zumindest einem Paar von Reflexionsflächen ausgestaltet sein. Ebenso kann der Reflektor die oben beschriebene Dämpfungseinrichtung umfassen. Zur Messung kann insbesondere auch ein Radarsensor verwendet werden, wobei in diesem Fall die Strahleinrichtung und die Messeinrichtung in diesem Radarsensor integriert sind. Die Auswerteeinrichtung kann an einem beliebigen Ort angeordnet sein. Insbesondere kann eine zentrale Auswerteeinrichtung vorgesehen sein, an welche die von der Messeinrichtung erfassten Messdaten übermittelt werden und dort zur Bestimmung des Wasserstands ausgewertet werden. Die Erfindung betrifft darüber hinaus die Verwendung eines Reflektors umfassend eine oder mehrere Reflexionsflächen zur Reflexion von elektromagnetischer Strahlung in einem vorbestimmten Wellenbereich in dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren bzw. dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Mess-System. Der Reflektor kann jedes der in Bezug auf Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschriebenen und den Reflektor betreffenden Merkmale umfassen. Insbesondere kann der Reflektor als ein Reflektor mit zumindest einem Paar von Reflexionsflächen ausgestaltet sein sowie gegebenenfalls eine Dämpfungseinrichtung umfassen.
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Ein Reflektor, der zur Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren bzw. erfindungsgemäßen Mess-System besonders geeignet ist, umfasst eine oder mehrere Reflexionsflächen zur Reflexion von elektromagnetischer Strahlung in einem vorbestimmten Wellenbereich und zeichnet sich dadurch aus, dass er ferner eine Dämpfungseinrichtung zur Dämpfung von Wasserwellen des Gewässers in der Umgebung des Reflektors und/oder zwei Paare von Reflexionsflächen umfasst, wobei die Reflexionsflächen eines jeweiligen Paars senkrecht aufeinander stehen und die Paare in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sind. Mit einem solchen Reflektor kann eine Wasserstandsmessung bei stärkerem Wellengang bzw. aus mehreren Strahlrichtungen von einfallender elektromagnetischer Strahlung erfolgen. Dieser Reflektor kann auch alle weiteren, im Vorangegangenen beschriebenen Merkmale betreffend Ausgestaltungen des Reflektors beinhalten.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mess-Systems zur Messung des Wasserstands eines Gewässers;
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2 eine erste Ausführungsform eines in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Reflektors;
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3 eine zweite Ausführungsform eines in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Reflektors;
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4 eine dritte Ausführungsform eines in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Reflektors;
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5 eine vierte Ausführungsform eines in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Reflektors;
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6 eine fünfte Ausführungsform eines in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Reflektors; und
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7 eine sechste Ausführungsform eines in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Reflektors.
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1 zeigt eine Messanordnung zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit der Messanordnung wird der Wasserstand eines Gewässers bestimmt, dessen Wasseroberfläche in 1 durch eine horizontale Linie W angedeutet ist. Der Wasserstand wird dabei in Bezug auf ein Referenzkoordinatensystem gemessen, dessen Koordinatenursprung mit O bezeichnet ist und welches die horizontalen Koordinatenachsen x, y und die vertikale Koordinatenachse h umfasst. Die Darstellung der 1 zeigt vereinfacht eine ebene Erdoberflächengeometrie. Die nachfolgende Berechnung wird basierend auf dieser vereinfachten Geometrie beschrieben. Die Berechnung kann jedoch analog auch auf eine gekrümmte Erdgeoid-Oberfläche angewendet werden. In diesem Fall ist die Berechnung etwas komplizierter, aber sinngemäß gleich und exakt möglich. Die Übertragung der Berechnung von einer ebenen Erdoberflächengeometrie auf gekrümmte Geometrien liegt dabei im Rahmen von gängigem Fachwissen.
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Zur Messung der Höhe Hw des Wasserstands wird gemäß 1 die Retroreflexion der von einem Satelliten ausgesendeten Radarstrahlung an einem Reflektor 1 mit senkrecht aufeinander stehenden Reflexionsflächen 1a und 1b genutzt. Der Satellit ist dabei in 1 schematisch wiedergegeben und mit Bezugszeichen 2 bezeichnet. Ebenso zeigt 1 in schematischer Darstellung einen auf dem Satelliten befindlichen Radarssensor 3 (insbesondere ein SAR-Radar), der die Radarstrahlung hin zur Wasseroberfläche W aussendet. Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Reflektor 1 derart im Gewässer befestigt, dass die beiden Reflexionsflächen 1a und 1b senkrecht auf der Wasseroberfläche W stehen. Die Befestigung des Reflektors kann dabei durch eine geeignete Verankerung am Gewässerboden, beispielsweise durch Einbetonnieren oder Einrammen, erreicht werden. Der Reflektor ist ferner in Bezug auf die vorbekannte und mit dem Pfeil P angedeutete Satellitenbahn derart ausgerichtet, dass die Radarstrahlung des Radars 3 derart auf den Reflektor fällt, dass eine Retroreflexion der Strahlung durch eine Mehrfachreflexion an den beiden Reflexionsflächen 1a und 1b sowie der Wasseroberfläche W erfolgt. Durch den Reflektor 1 wird somit zusammen mit der Wasseroberfläche W ein Dreifach-Winkelreflektor zur Reflexion der Radarstrahlung gebildet.
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Mit dem Radarsensor 3 wird nunmehr über eine Laufzeitmessung der vom Radarsensor ausgesendeten und an dem Reflektor 1 rückreflektierten Strahlung der mit R bezeichnete Abstand zwischen dem Satelliten 2 und dem Reflektor 1 gemessen. Dieser Abstand hängt von der Höhe Hw des Wasserpegels ab, da bei der Retroreflexion die Wasseroberfläche als Reflexionsfläche einbezogen ist und somit der gemessene Abstand R umso größer ist, je niedriger der Wasserstand ist. Mit anderen Worten wird über die Retroreflexion der Abstand R zwischen der durch die Wasseroberfläche W und den Reflektor 1 gebildeten Ecke und dem Radarsensor gemessen, wobei die Position dieser Ecke von der Höhe des Wasserpegels abhängt.
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In der Messanordnung der
1 ist ferner die Position des Satelliten
2 über der Erdoberfläche im Referenzkoordinatensystem bekannt. Aus Einfachkeitsgründen wird davon ausgegangen, dass sich der Satellit
2 gerade über der x-Achse des Koordinatensystems an der Position x
S befindet. Darüber hinaus ist die feste Aufstellposition des Reflektors
1 in Bezug auf die Erdoberfläche bekannt, wobei diese Position in dem Szenario der
1 aus Einfachkeitsgründen auch entlang der x-Achse des Referenzkoordinatensystems liegt und durch die Koordinate x
R gegeben ist. Ferner ist die Höhe H
Sat des Satelliten in Bezug auf die durch die x-Achse und y-Achse des Referenzkoordinatensystems aufgespannte Referenzebene bekannt. Aus dem gemessenen Abstand R, der Differenz Δx = |x
R – x
S| sowie der Höhe H
Sat des Satelliten kann auf einfache Weise der Wasserstand H
w in Bezug auf die Lage der x-Achse des Referenzkoordinatensystems wie folgt ermittelt werden:
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Zur Bestimmung des Wasserstands wird somit die aktuelle Position des Satelliten benötigt, welche aus der vorbekannten Satellitenbahn ermittelt werden kann. Die (zweidimensionale) Position des Reflektors ist dabei ebenfalls vorbekannt und beispielsweise in GPS-Koordinaten gegeben. Die Messgenauigkeit der Wasserstandsmessung hängt von dem Fehler der Satellitenbahnbestimmung und der laufzeitbasierten Bestimmung des Abstands R sowie dem Einfallswinkel der Radarstrahlung auf den Reflektor 1 ab, wobei dieser Einfallswinkel in 1 mit θ bezeichnet ist. Mit modernen Satellitensystemen können derzeit absolute Fehler bis hin zu ca. 6 cm bei einem Einfallswinkel der Radarstrahlung von 45° erreicht werden. Die Genauigkeit der Wasserstandsmessung kann dabei in einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter dadurch verbessert werden, dass ein zweiter, in drei Achsen genau vermessener herkömmlicher Winkelreflektor (nicht gezeigt) in der Nähe des Gewässers, dessen Wasserstand zu messen ist, beispielsweise an dessen Ufer, positioniert ist. Von diesem Winkelreflektor, der nunmehr drei zueinander senkrecht stehende Reflexionsflächen umfasst, ist seine dreidimensionale Position genau bekannt. Auch dieser Reflektor reflektiert die Radarstrahlung zurück zu Radarsensor 3. Somit kann auch basierend auf der von diesem zweiten Winkelreflektor reflektierten Strahlung über eine Laufzeitmessung der Abstand zwischen diesem Reflektor und dem Sensor 3 gemessen werden und als Vergleichswert herangezogen werden. Hierdurch kann der Fehler in der Messung des Abstands R weitestgehend kompensiert werden und sogar Genauigkeiten bei der Bestimmung des Wasserstands im Sub-Zentimeterbereich erreicht werden.
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Das in Bezug auf 1 beschriebene Messverfahren dient zur Wasserstandsbestimmung von beliebigen Gewässern, wie z. B. großflächigen Feuchtgeweben oder entlegenen Wasserflächen. Ebenso können die Pegel von Stauseen und Flüssen überwacht werden. Allgemein können mit dem anhand von 1 beschriebenen Verfahren beliebige, sowohl künstliche als auch natürliche Gewässer, gegebenenfalls auch künstlich angelegte Wasserbecken, vermessen werden. Die Beschreibung der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von 1 ist lediglich beispielhaft und es sind geeignete Abwandlungen zur Bestimmung des Wasserstands eines Gewässers denkbar. Insbesondere kann der zur Abstandsmessung verwendete Radarsensor auch durch einen Sensor ersetzt werden, der die Laufzeit basierend auf elektromagnetischer Strahlung in einem anderen Wellenbereich als Radarstrahlung aussendet. Darüber hinaus muss der Sensor nicht auf einem Satelliten vorgesehen sein, sondern er kann auch auf einem Flugzeug angeordnet sein, welches das zu vermessende Gewässer überfliegt. In diesem Fall muss bei der Durchführung der Messung die Position des Flugzeugs bekannt sein, wobei diese Position beispielsweise über GPS ermittelt werden kann. Ebenso besteht gegebenenfalls die Möglichkeit, dass eine stationäre Vermessung des Gewässers durchgeführt wird, indem der Sensor an einer festen, vorab genau bestimmten Position über der Wasseroberfläche angeordnet ist.
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Das Prinzip der Erfindung wurde anhand von 1 basierend auf einem Reflektor 1 beschrieben, der zwei Reflexionsflächen 1a und 1b umfasst, wobei durch den Reflektor bei Anordnung im Gewässer ein Dreifach-Winkelreflektor durch Einbeziehung der Wasseroberfläche als Reflexionsfläche gebildet wird. Gegebenenfalls besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass der Reflektor eine einzelne reflektierende Wand bildet, welche derart im Gewässer oder am Ufer des Gewässers angeordnet ist, dass durch die reflektierende Wand und die Wasseroberfläche ein Zweifach-Winkelreflektor gebildet wird, der geeignet einfallende Strahlung durch eine Reflexion an der Wand und der Wasseroberfläche in gleicher Richtung wie die einfallende Strahlung rückreflektiert.
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Im Folgenden werden besonders bevorzugte Ausführungsformen der in dem erfindungsgemäßen Messverfahren verwendbaren Reflektoren beschrieben. 2 zeigt eine erste Ausführungsform eines Reflektors 1, der dem Reflektor in der Messanordnung der 1 entspricht. Der Reflektor ist in 2 und auch in den weiteren 3 bis 7 in der für die Messung vorgesehenen Position im Gewässer wiedergegeben, wobei die Wasseroberfläche W perspektivisch als gepunktete Fläche angedeutet ist. Der unter der Wasseroberfläche liegende Teil des Reflektors ist durch gestrichelte Linien wiedergegeben. Man erkennt in 2 insbesondere die rechtwinklige Anordnung der beiden Reflexionsflächen 1a und 1b sowie der Wasseroberfläche W, was durch die drei dargestellten 90°-Winkel wiedergegeben ist. Es wird somit durch die Wasseroberfläche W sowie die beiden aus der Wasseroberfläche hervorstehenden Abschnitte der Reflexionsflächen 1a und 1b ein Winkelreflektor gebildet. Der Reflektor 1 besitzt dabei keine beweglichen Teile und reflektiert im Zusammenspiel mit der Wasseroberfläche in einem relativ weiten Winkelbereich, so dass er aus verschiedenen Positionen im Weltraum bzw. aus der Luft beobachtet werden kann.
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Damit ein im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeter Reflektor auch aus mehreren Richtungen beobachtbar ist, kann der Reflektor gegebenenfalls auch doppelseitig aufgebaut werden, wobei ein solcher doppelseitiger Aufbau in der Ausführungsform gemäß 3 gezeigt ist. Der dort wiedergegebene Winkelreflektor 101 umfasst neben den rechteckigen Reflexionsflächen 1a und 1b, welche den Reflexionsflächen des Reflektors der 2 entsprechen, zwei weitere Reflexionsflächen 1c und 1d, von denen in 3 nur deren Rückseite sichtbar ist. Die Reflexionsfläche 1c ist dabei eine Verlängerung der Reflexionsfläche 1b und steht senkrecht auf der Reflexionsfläche 1a. Demgegenüber stellt die Reflexionsfläche 1d eine Verlängerung der Reflexionsfläche 1a dar und steht senkrecht auf der Reflexionsfläche 1b. Dieser Reflektor ist bei der Durchführung der erfindungsgemäßen Messung wiederum derart im Gewässer angeordnet, dass alle Reflexionsflächen 1a bis 1d senkrecht auf der Wasseroberfläche W stehen. Durch den Reflektor 101 wird somit eine Retroreflexion aus zwei Winkelbereichen erreicht, nämlich aus einem Winkelbereich, der auf die Reflexionsflächen 1a und 1b gerichtet ist, und aus einem Winkelbereich, der auf die Reflexionsflächen 1c und 1d gerichtet ist. Da mit dem Reflektor der 2 Strahlung von zwei Seiten erfasst werden kann, eignet sich diese Ausführungsform insbesondere zur Auswertung von Radarsignalen von aufsteigenden und absteigenden Bahnen polarer Erderkundungssatelliten. Gegebenenfalls besteht auch die Möglichkeit, dass die Rückseiten der jeweiligen Reflexionsflächen 1a bis 1d auch reflektierend ausgestaltet sind und somit weitere Reflexionsflächen bilden. Hierdurch wird ein Reflektor mit vier Paaren von Reflexionsflächen geschaffen, der einfallende Strahlung aus im Wesentlichen allen Richtungen rückreflektiert.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reflektors, der mit Bezugszeichen 201 bezeichnet ist. Dieser Reflektor ermöglicht im Bereich der Reflexionsflächen 1a und 1b eine Dämpfung von horizontalen Wellenbewegungen, welche die Messung der rückreflektierten Strahlung erschweren. Die Dämpfung wird dabei durch einen für die einfallende Strahlung transparenten dielektrischen Wasserwellenschirm 4 erreicht, der in dem dargestellten Reflektor zwischen den Kanten K der Reflexionsflächen 1a und 1b angeordnet ist. In Analogie zu den Reflexionsflächen 1a und 1b ist der unterhalb der Wasseroberfläche liegende Teil des Wasserwellenschirms 4 durch gestrichelte Linien angedeutet. Der Wellenschirm bzw. das Wellenschild kann in einer bevorzugten Variante durch eine Plexiglasscheibe gebildet sein.
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5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des Reflektors gemäß 4. Dieser Wellenreflektor ist mit Bezugszeichen 301 bezeichnet und entspricht im Aufbau im Wesentlichen dem Reflektor der 4. Jedoch wird mit der Ausführungsform der 5 auch eine Dämpfung von Wasserdruckwellen erreicht, welche von unten über die durch die Reflexionsflächen 1a und 1b und den Schirm 4 gebildete Öffnung eindringen. Diese Druckwellen können sich an der Wasseroberfläche im Bereich der Reflexionsflächen 1a und 1b abbilden und somit das Messergebnis verfälschen. Die Dämpfung der von unten eindringenden Druckwellen wird gemäß 5 über einen auf der Oberseite des Reflektors vorgesehenen Deckel 5 mit einer entsprechenden, durch ein Öffnungsrohr realisierten Öffnung 6 erreicht, wodurch ein Lufthohlraum gebildet wird, der nur eine langsame Durchströmung von Luft aber die Öffnung 6 ermöglicht. Hierdurch wird eine in den Hohlraum eindringende Druckwelle ausgeglichen. Es bildet sich somit im Reflektor ein ungestörter mittlerer Wasserstand aus, der unempfindlich gegen kurzfristige Schwankungen des Wasserpegels ist.
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6 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform der 5. Auch dieser, mit Bezugszeichen 401 bezeichnete Reflektor ermöglicht eine Dämpfung von Wasserwellenbewegungen in dem durch die Reflexionsflächen 1a und 1b und den Schirm 4 gebildeten Hohlraum. Im Unterschied zur Ausführungsform der 5 wird hierzu ein unterhalb der Wasseroberfläche angeordneter Deckel 7 mit einer über ein Öffnungsrohr realisierten Öffnung 8 verwendet. Aufgrund der geringen Durchflussmenge des Wassers durch die Öffnung 8 ist dieser Reflektor auch unempfindlich gegen von unten eindringende Druckwellen, so dass sich wiederum in dem durch die Reflexionsflächen 1a und 1b und dem Schirm 4 gebildeten Raum ein mittlerer konstanter Wasserstand ausbildet.
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Verschiedene der im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen können auch in geeigneter Weise kombiniert werden. 7 zeigt dabei beispielhaft eine Ausführungsform eines Reflektors 501, der analog zu dem Reflektor der 3 vier senkrecht aufeinander stehende Reflexionsflächen 1a bis 1d umfasst. Dabei ist zwischen den Vorderkanten der Reflexionsflächen 1a und 1b analog zur Ausführungsform der 4 ein transparenter Schirm 4 angeordnet. Ferner ist in Analogie zur Ausführungsform der 5 ein auf der Oberseite des Reflektors vorgesehener Deckel 5 mit Öffnung 6 vorgesehen, sowie in Analogie zur Ausführungsform der 6 ein unter der Wasseroberfläche liegender Deckel 7 mit Öffnung 8. Mit der Ausführungsform der 7 wird für den durch die Reflexionsflächen 1a und 1b gebildeten Winkelreflektor eine besonders gute Dämpfung gegenüber Wellenbewegungen erreicht. Gegebenenfalls kann dabei der durch die Reflexionsflächen 1c und 1d gebildete hintere Winkelreflektor analog zum vorderen Winkelreflektor ausgebildet sein, d. h. er kann ebenfalls einen Schirm 4 und entsprechende Deckel 5 bzw. 7 mit Öffnungen 6 bzw. 8 umfassen.
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Das im Vorangegangenen beschriebene erfindungsgemäße Messverfahren weist eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere können die Wasserstände von nur schwer zugänglichen Gewässern vermessen werden, ohne dass hierfür Pegelstationen mit menschlicher oder elektronischer Ablesung vor Ort vorgesehen sein müssen. Es ist lediglich einmalig ein entsprechender Reflektor mit vorbekannter Position im bzw. am Gewässer anzubringen, und anschließend kann über die Retroreflexion von Strahlung am Reflektor der Wasserstand ermittelt werden. Dabei können zur Ermittlung des Wasserstands bereits in Verwendung befindliche Radarsensoren, insbesondere satellitengetragene Radarsensoren, eingesetzt werden, welche mit entsprechenden Kalibrierungen sehr hohe Entfernungsgenauigkeiten bis im Bereich einiger Zentimeter erreichen können. Die Genauigkeit kann dabei durch die Verwendung eines Referenz-Winkelreflektors mit genauer Vermessung und Position noch weiter erhöht werden kann. Die Radarstrahlen, welche von dem im oder am Gewässer befindlichen Reflektor rückreflektiert werden, erscheinen als heller Bildpunkt im Radarbild. Aus der Position dieses Bildpunkts ergibt sich die Schrägentfernung zwischen dem Radarsensor und dem Winkeleck zwischen den Reflexionsflächen des Reflektors und der Wasseroberfläche. Über die (vorbekannte) horizontale Position des Reflektors kann dann aus der Schrägentfernung der Wasserstand mit hoher Genauigkeit abgeleitet werden.
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Literaturverzeichnis
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