DE102020102597A1

DE102020102597A1 - Verfahren zur thermo-optischen Analyse von Schnee- und Eisschichtungen und thermo-optisches Analysesystem

Info

Publication number: DE102020102597A1
Application number: DE102020102597.1A
Authority: DE
Inventors: Martin Koßagk; Tino Schmiel; Martin Tajmar
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2020-02-03
Filing date: 2020-02-03
Publication date: 2021-08-05

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Messverfahren und der Umwelttechnik und betrifft ein Verfahren zur thermo-optischen Analyse von Schnee- und Eisschichtungen sowie ein thermo-optisches Analysesystem.Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Analyse von Schnee- und Eisschichtungen und ein Analysesystem bereitzustellen, mit dem einfach und kostengünstig die Analyse von Schnee- und Eisschichtungen durch mehrere Schichtungen von Schnee oder Eis mit hoher Genauigkeit der Analyseergebnisse durchführbar ist.Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren, bei dem eine fokussierte thermische Energiequelle eingesetzt wird, mit der in Schnee- und/oder Eisschichtungen ein Kanal durch Schmelzen oder Sublimation des Schnees oder Eises eingebracht wird, während gleichzeitig durch eine optische Messeinrichtung die Tiefe des entstehenden Kanals und damit die Schmelzgeschwindigkeit kontinuierlich gemessen wird.Das thermo-optische Analyseverfahren und thermo-optische Analysesystem kann zur stationären oder mobilen Bestimmung des Schichtaufbaues von Schnee- und Eisschichtungen in alpinen Gebieten eingesetzt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Messverfahren und der Umwelttechnik und betrifft ein Verfahren zur thermo-optischen Analyse von Schnee- und Eisschichtungen sowie ein thermo-optisches Analysesystem. Das erfindungsgemäße thermo-optische Analyseverfahren und das erfindungsgemäße thermo-optische Analysesystem können beispielsweise zur stationären oder mobilen Bestimmung des Schichtaufbaues und der Schichtzusammensetzung von Schnee- und Eisschichtungen in alpinen Gebieten eingesetzt werden.
In vorwiegend alpinen Gebieten können schneebeladene Hänge aus unterschiedlichen Schnee- oder Eisschichten aufgebaut sein, die sich in ihrem strukturellen Aufbau, der Schnee- oder Eishöhe und Mächtigkeit, der Dichte und durch den Zusammenhalt der überlagerten Schichten voneinander unterscheiden.
Für die Bestimmung der Festigkeit der Schnee- oder Eisschichtungen sowie ihrer Mächtigkeit werden bekanntermaßen auf Referenzflächen nahe von Wetterstationen die Neuschneemengen und Wetterbedingungen bestimmt und mithilfe der ermittelten Daten die im Schnee ablaufenden Umwandlungsprozesse simuliert, wodurch ein Schichtprofil für jeden Hang des alpinen Gebietes simuliert und berechnet werden kann. Zur Überprüfung der Simulationsergebnisse auf ihre Richtigkeit werden regelmäßig an repräsentativen Orten Untersuchungen an der Schneedecke durchgeführt.
Zur Durchführung der Untersuchungen an Schneeschichtungen sind aus dem Stand der Technik händische, aber auch technische Messverfahren unter Einsatz verschiedener Technologien bekannt.
Als händisches Verfahren ist beispielsweise der Rutschblocktest bekannt, bei dem ein Block von 2 × 1,5 × 3 m³ Kantenlänge aus dem Schnee ausgegraben wird. Die Hangneigung muss dabei mindestens 30° betragen. Nach einem Handprofiltest wird durch unterschiedlich starke Belastungen auf den Block versucht, ein Abgleiten der Schichten zu provozieren. Dieser Test hat die höchste Vorhersagegenauigkeit und wird von Lawinenwarndiensten regelmäßig durchgeführt.
Bekannt sind auch Rammtechnologien und der Rammprofiltest, bei dem das Schneeprofil indirekt über die Messung der Schneefestigkeit mit einer Rammsondierung bestimmt wird. Hierbei wird der Widerstand des Schnees gegenüber dem Einrammen einer Rammstange für bestimmte Tiefenbereiche bestimmt. Die Spitze der Rammsonde hat hierbei einen Durchmesser von 4 cm, wodurch die Tiefenauflösung sehr begrenzt ist. Der Einsatz eines sogenannten SnowMicroPen beim Rammprofiltest besitzt eine wesentlich schlankere Spitze und wird mit konstanter Geschwindigkeit in den Schnee getrieben, wobei der Spitzendruck und der Mantelreibungswiderstand aufgenommen werden. Hierdurch wird eine wesentlich bessere Tiefenauflösung erzielt. Innerhalb von 2 Minuten kann eine Bohrtiefe von 1,25 m erreicht werden. Die Tiefe der Bohrungen ist allerdings durch die Länge des Gestänges beschränkt.
In der DE 19 503 017 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung des Schichtaufbaus einer Schneedecke, eine sogenannte Schneeprofilmesssonde, beschrieben. Die Sonde weist einen stabförmigen Trägerkörper auf, der in eine Schneeschicht einführbar ist. Mit einer Positionsbestimmungseinrichtung kann die Eindringtiefe des Trägerkörpers in einer Schneedecke bestimmt werden. An einem Ende des Trägerkörpers ist eine Messeinrichtung vorgesehen, mit der die Messung des Schneeprofils durchgeführt wird.
Aus der DE 10 2009 039 716 B3 ist ein zerstörungsfreies Messverfahren zur Bestimmung des Schneedeckenaufbaus, insbesondere zur Detektion von Schwachschichten zur Lawinenvorhersage ohne Personenanwesenheit, bekannt, mit dem die Schwachschichten als Diskontinuitäten der physikalischen Parameter mit einem aufwärts schauenden Bodenradar von unterhalb der Schneeschichtung vermessen werden. Dabei werden ausschließlich elektromagnetische Signale unter einem senkrechten Einfallswinkel zur Oberfläche verwendet. Bei dem aktiven Messverfahren wird jeder Messpunkt in jeder Schichtgrenze zusätzlich mit einem akustischen Signal vermessen. Weiterhin wird jeder Messpunkt auch unter unterschiedlichen Einfallswinkeln der Sendesignale vermessen, um die Winkelabhängigkeit der relevanten physikalischen Parameter der Schneeschichtung zu erfassen. Dazu weisen Sender und Empfänger, die entweder einzeln oder kombiniert angeordnet sein können, zumindest einen ersten Abstand zueinander auf. Die Kopplung der elektromagnetischen und akustischen Daten mit den für die Schneeschichtung relevanten physikalischen Parametern, insbesondere der Dichte, erfolgt über ein mathematisches Inversionsverfahren.
Aus der DE 10 2016 104 270 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen eines schichtweisen Aufbaus einer Schneedecke bekannt, umfassend die Schritte des Bereitstellens wenigstens eines optischen Anregungssignals, das an einem in Tiefenrichtung der Schneedecke einstellbaren Einstrahlpunkt in der Schneedecke eingestrahlt wird, des Erfassens wenigstens einer optischen Messgröße, die auf einen von der Schneedecke innerhalb einer vorgegebenen Messumgebung des Einstrahlpunkts remittierten Anteil des optischen Anregungssignals hinweist, und des Bereitstellens der wenigstens einen erfassten optischen Messgröße zum Bestimmen wenigstens eines auf den Aufbau der Schneedecke hinweisenden optischen Parameters.
Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist es, dass die Analyse der Schnee- und Eisschichtungen durch Personen an Messstandorten durchgeführt werden, die sich außerhalb des alpinen Gefahrengebietes befinden. Im direkten Lawinengefahrgebiet ist die Analyse durch Personen durch die hohe Gefährdung jedoch nicht möglich. Nachteilig ist außerdem, dass bekannte Analysesysteme nur bei geringen Schichtdicken einsetzbar und die simulierten Ergebnisse ungenau sind. Und nachteilig ist auch, dass bekannte Verfahren zur Analyse von Schnee- und Eisschichtungen zeit- und kostenaufwendig sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Analyse von Schnee- und Eisschichtungen und ein Analysesystem bereitzustellen, mit dem in einfacher und kostengünstiger Art und Weise die Analyse von Schnee- und Eisschichtungen durch mehrere Schichtungen von Schnee oder Eis mit hoher Genauigkeit der Analyseergebnisse durchführbar ist. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es zudem, die Gefährdung von Personen bei der Messung der Schnee- und Eisschichtungen zu reduzieren.
Die Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen enthaltenen Merkmalen gelöst, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen abhängigen Patentansprüche im Sinne einer UND-Verknüpfung einschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Verfahren zur thermo-optischen Analyse von Schnee- und Eisschichtungen, bei dem mittels einer fokussierten thermischen Energiequelle in Schnee- und/oder Eisschichtungen ein Schmelzkanal durch Schmelz- und/oder Sublimationsprozesse erzeugt wird und dabei unter Einsatz einer optischen Messeinrichtung, die kollinear zur thermischen Energiequelle ausgerichtet ist, im direkten Bereich der stattfindenden Schmelz- oder Sublimationsprozesse kontinuierlich die Tiefe des Schmelzkanals zur Ermittlung der Schmelzgeschwindigkeit gemessen wird, wobei die Messwerte der optischen Messeinrichtung an eine computergestützte Recheneinheit weitergeleitet und gespeichert werden, und nachfolgend materialspezifische Kennwerte der Schnee- und/oder Eisschichten berechnet und Informationen zu den jeweiligen Schnee- und/oder Eisschichten zur Verfügung gestellt werden.Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Vorteilhafterweise wird als fokussierte thermische Energiequelle ein CW-Laser und/oder ein gepulster Laser eingesetzt.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird der Kanal durch Sublimation des Schnees oder Eises unter Einsatz eines gepulsten Lasers erzeugt, wobei besonders vorteilhaft als fokussierte thermische Energiequelle ein Laser mit einer Leistung von 0,1 W bis 300W und einer Wellenlänge von 100nm bis 50µm eingesetzt wird.
Weiterhin ist vorteilhaft, wenn eine fokussierte nichtmonochromatische Energiequelle, besonders vorteilhaft eine LED-basierte oder Infrarot-basierte Energiequelle eingesetzt wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die optische Messung der Tiefe des Schmelzkanals über ein TOF-Verfahren und/oder mittels ausgesandter Intensitätswellen realisiert, wobei ganz besonders vorteilhaft die optische Messung der Tiefe des Schmelzkanals mit einer Wellenlänge von 100nm bis 5cm erfolgt.
Vorteilhaft ist es, wenn der fokussierte thermische Energieeintrag in einem Winkel von 10° bis 90° zur Schnee- oder Eisoberfläche erfolgt.
Weiterhin vorteilhafterweise werden als Messwerte die Schmelzgeschwindigkeit und die Kanaltiefe an eine computergestützte Recheneinheit weitergeleitet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden als Informationen zu den Schnee- und Eisschichtungen die jeweilige Schichtdichte, die Schichthöhe und/oder die Schichtart zur Verfügung gestellt.
Vorteilhaft ist es auch, wenn zur Ermittlung der Information zu den Schnee- und Eisschichten Korrelationstabellen eingesetzt werden.
Ebenfalls vorteilhafterweise werden die Informationen zu den jeweiligen Schnee- und/oder Eisschichten mittels drahtloser Funkverbindung an eine Ausgabeeinheit übertragen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch ein thermo-optisches Analysesystem gelöst, das eine thermische Energiequelle zum Erzeugen eines fokussierten thermischen Energieeintrages in eine Schnee- und/oder Eisschichtung, eine optische Messeinrichtung zur Erzeugung eines optischen Messsignales zum Messen örtlicher Parameter, wobei das optische Messsignal kollinear zur thermischen Ausbreitungsrichtung der thermischen Energiequelle ausgerichtet ist, und eine computergestützte Recheneinheit mindestens zur Erfassung von Messwerten der optischen Messeinrichtung enthält.
Vorteilhaft ist, wenn die kollineare Ausrichtung der thermischen Energiequelle und der optischen Messeinrichtung durch dichromatische Spiegel, optischer Gitter, optisches Prisma, Strahlungsteiler und/oder Polarisationsfilter realisiert ist.
Auch ist vorteilhaft, wenn die Richtung des fokussierten thermischen Energieeintrages der thermischen Energiequelle variabel einstellbar ist, wobei ganz besonders vorteilhaft ist, wenn die Richtungen des fokussierten thermischen Energieeintrages der thermischen Energiequelle und des optischen Messsignals der optischen Messeinrichtung in einem Winkel 10° bis 90° zur Schnee- oder Eisoberfläche einstellbar sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind mit der computergestützten Recheneinheit zusätzlich die materialspezifischen Kennwerte berechenbar und/oder die Informationen zu den jeweiligen Schnee- und/oder Eisschichten an eine Ausgabeeinheit übertragbar, wobei besonders vorteilhaft zur Übertragung der Informationen an die Ausgabeeinheit mindestens eine drahtlose Funkeinrichtung vorhanden ist.
Ebenso vorteilhafterweise ist das thermo-optische Analysesystem als manuelles, stationäres oder mobiles Analysesystem ausgebildet.
Und ebenso vorteilhafterweise ist das thermo-optische Analysesystem Bestandteil einer Drohne, eines Flugobjektes oder eines Fahrzeuges ist.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird erstmalig ein Verfahren und ein Analysesystem zur Untersuchung von Schnee- und Eisschichtungen bereitgestellt, mit dem in einfacher und kostengünstiger Weise beispielsweise im direkten Lawinengefahrgebiet die Analyse von Schnee- und Eisschichtungen ohne den Einsatz von Personen durch große Schichtdicken durchführbar ist. Durch das neue Verfahren und das neue Analysesystem wird es erstmals möglich, Vorhersagen mit hoher Genauigkeit zur Lawinengefahr in alpinen Gebieten ohne Personengefährdung zu treffen. Zudem wird mit dem erfindunsemäßen thermo-optischen Analyseverfahren und dem Analysesystem eine flexible örtliche Einsatzmöglichkeit für die Bestimmung von Schnee- oder Eisprofilen geschaffen.
Erreicht wird dies durch ein Verfahren, bei dem eine fokussierte thermische Energiequelle eingesetzt wird, mit der in Schnee- und/oder Eisschichtungen ein Kanal durch Schmelzen oder Sublimation des Schnees oder Eises eingebracht wird. Während der Schmelz- oder Sublimationsvorgänge wird gleichzeitig durch eine optische Messeinrichtung die Tiefe des entstehenden Kanals und damit die Schmelzgeschwindigkeit kontinuierlich gemessen. Je nach Schnee- oder Eiseigenschaften und Strahlungsintensität der fokussierten thermischen Energiequelle können unterschiedliche Schmelzgeschwindigkeiten oder Sublimationsgeschwindigkeiten erreicht werden.
Die Schmelz- oder Sublimationsgeschwindigkeiten repräsentieren dabei jeweils eine bestimmte Zusammensetzung und Schneedichte der Schnee- oder Eischicht und ermöglichen beispielsweise konkrete Aussagen über die Dichte und Größe der Schnee- oder Eisschicht, aus denen sich die Gefahr von Lawinen ableiten lässt.
Für die Vermessung der Schmelzkanaltiefe wird eine optische Messeinrichtung in den Strahlengang der thermischen Energiequelle eingebracht, wobei der thermische Strahl der fokussierten thermischen Energiequelle und der optische Strahl der optischen Messeinrichtung kollinear ausgerichtet sind. Die kollineare Ausrichtung des fokussierten thermischen und optischen Strahls kann beispielsweise durch Strahlenteiler, dichromatische Filter oder Polarisationsfilter erfolgen, die eine sehr genaue Ausrichtung und Überlagerung der beiden Strahlenarten ermöglichen.
Im Rahmen der Erfindung soll unter einer fokussierten thermischen Energiequelle eine Einrichtung verstanden werden, mit der eine gerichtete thermische Energiestrahlung erzeugt wird, die gezielt in einem definierten örtlichen Bereich Schmelz- oder Sublimationsprozesse im Eis oder Schnee realisiert, wodurch ein Schmelzkanal in den Schnee- oder Eisschichtungen erzeugt wird.
Von Bedeutung für eine genaue Ermittlung des Schmelzfortschrittes ist dabei, dass die optische Messung der Schmelzkanaltiefe an der tiefsten Stelle des Schmelzkanals in dem Bereich erfolgt, in dem direkt die Schmelz- oder Sublimationsprozesse stattfinden. Durch das gleichzeitige Schmelzen oder Sublimieren des Schnees oder Eises und das stetige Messen der Schmelzkanaltiefe wird ein hoch aufgelöstes Profil der Schnee- oder Eisschichtungen über eine Weg-Zeit-Funktion erzeugt. Änderungen in der Schmelz- oder Sublimationsgeschwindigkeit, die über die Geschwindigkeit des Fortschreitens der Schmelzkanaltiefe repräsentiert werden, kennzeichnen hierbei den Anfang beziehungsweise das Ende einer Schnee- oder Eisschicht mit einer bestimmten Dichte.
Für das Erzeugen des Schmelzkanals wird in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens und des Analysesystems als fokussierte thermische Energiequelle ein Laser mit kontinuierlich erzeugten Laserstrahl („continuous wave laser“ oder CW-Laser) oder ein gepulster Laser eingesetzt. Der Einsatz eines gepulsten Lasers bietet insbesondere bei der Erzeugung eines Schmelzkanals in Eis den Vorteil, dass aufgrund des kurzzeitigen hohen thermischen Energieeintrages der Schnee oder das Eis nicht schmilzt, sondern direkt vom festen Aggregatzustand in den gasförmigen Aggregatzustand sublimiert wird. Dadurch werden Schmelzwasseransammlungen im tiefsten Punkt des Schmelzkanals bei einer im wesentlichen senkrechten Erzeugen des Schmelzkanals vermieden, was zu einem genaueren Messergebnis der Schmelzkanaltiefe und somit zu einer genaueren Analyse der Schnee- oder Eisschichtungen führt. Eine Korrektur des ungenauen Messergebnisses der Schmelzkanaltiefe durch angesammeltes Schmelzwasser im tiefsten Punkt des Schmelzkanals wird so vermieden.
Bei der Messung von Schneeschichten versickert während der Schmelzkanaleinbringung das Schmelzwasser im Schnee. Hierdurch wird die Tiefenmessung nicht wesentlich beeinflusst. Durch das Einsickern von Schmelzwasser in den Schnee wird dessen Eigenschaft verändert und kurz darauf die veränderte Eigenschaft gemessen. Dies ist wiederum nachteilig und wird erfindungsgemäß dadurch vermieden, indem die gravitationsbedingte Ausbreitungsrichtung des Schmelzwassers von der Ausbreitungsrichtung des Schmelzkanals und damit des Lasers verschieden ist. So erfolgt in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der fokussierte thermische Energieeintrag in die Schnee- oder Eisschichtungen in einem Winkel von 10° bis 90° zur Schnee- oder Eisoberfläche.
Durch den fokussierten thermischen Energieeintrag in einem Winkel von 10° bis 90° zur Schnee oder Eisoberfläche wird aufgrund der Gravitationskraft des geschmolzenen Schnees oder Eises eine Ansammlung von Schmelzwasser im tiefsten Punkt des Schmelzkanals vermieden, wodurch eine genauere Messung der Tiefe des Schmelzkanals ermöglicht wird. Von Bedeutung ist aber dabei wiederum, dass sowohl die fokussierte thermische Energiequelle als auch die optische Messeinheit kollinear ausgerichtet sind, was bedingt, dass die optische Messung der Schmelzkanaltiefe ebenfalls in einem Winkel von 10° bis 90° zur Schnee- oder Eisoberfläche erfolgt.
Erfindungsgemäß wird die durch die optische Messeinrichtung ermittelte Schmelzkanaltiefe in Abhängigkeit vom zeitlichen Fortschritt der Tiefe des Schmelzkanals als Messwerte an eine computergestützte Recheneinheit weitergeleitet und gespeichert.
Für die kontinuierliche Messung der Tiefe des Schmelzkanals kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung das optische Time of Flight (TOF) Verfahren oder ein optisches Verfahren mittels Intensitätswellen eingesetzt werden, bei dem Pulse ausgesandt und deren Rücklaufzeit gemessen wird.
Die optische Messung der Tiefe des Schmelzkanals erfolgt mit einer Wellenlänge von 100nm bis 5cm, wobei vorteilhafterweise die Auswahl der Wellenlänge der optischen Messung so gewählt ist, dass die Wellenlänge der optischen Messung kleiner als der Durchmesser des Schmelzkanals ist.
Die Auswahl einer geringeren Wellenlänge gegenüber dem Durchmesser des Schmelzkanals hat die technische Wirkung, dass die Welle zur Messung der Tiefe des Schmelzkanals in den Schmelzkanal eindringt und nicht am Eintritt des Schmelzkanals reflektiert wird.
Die computergestützte Recheneinheit kann dabei in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ein Bestandteil des Analysesystems sein, in dem nachfolgend die materialspezifischen Kennwerte der Schnee- oder Eisschichten berechnet und Informationen zu den jeweiligen Schnee- und Eisschichten zur Verfügung gestellt werden. Möglich ist aber auch, dass die Messwerte von der optischen Messeinrichtung erfasst und direkt über eine drahtlose Funkverbindung zu einer vom Analysesystem entfernten computergestützten Recheneinheit weitergeleitet und dort die materialspezifischen Kennwerte der Schnee- oder Eisschichten berechnet und Informationen zu den jeweiligen Schnee- und Eisschichten zur Verfügung gestellt werden.
Das erfindungsgemäße thermo-optische Analysesystem kann vorteilhafterweise als manuelles Analysesystem in Form eines Handgerätes, stationär angeordnetes Analysesystem oder besonders vorteilhaft als mobiles Analysesystem ausgebildet sein.
Insbesondere ist es möglich, dass das mobile Analysesystem ein Bestandteil einer Drohne (UAV - Unmanned Aerial Vehicel) oder eines anderen funkgesteuerten fahrerlosen Fahrzeuges oder Luftfahrzeuges ist.
Durch die mobile Ausgestaltung des thermo-optischen Analysesystems wird ermöglicht, dass keinerlei Infrastruktur zur stationären Befestigung des Analysesystems benötigt wird. Ein wesentlicher Vorteil eines mobilen Analysesystems besteht außerdem darin, dass sich das Bedienpersonal außerhalb des lawinengefährdeten Gebietes aufhalten kann und trotzdem Messungen an Schnee- oder Eisschichtungen im lawinengefährdeten Gebiet durchführen kann.
Das erfindungsgemäße thermo-optische Analysesystem bietet zudem den Vorteil, dass es klein, kompakt und leicht ist. Dadurch wird insbesondere ein sehr kostengünstiges Analysesystem bereitgestellt, dass einfach in der Herstellung ist und flexibel in unterschiedlichen alpinen Gebieten einsetzbar ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt

1 - eine schematische Darstellung eines thermo-optischen Analysesystems,
2 - eine schematische Darstellung eines drohnengestützten thermo-optischen Analysesystems,
3 - Prinzipskizze eines thermo-optischen Analysesystems,
4 - einen beispielhaften Schmelztiefe-Zeit-Verlauf eines Schmelzkanals durch 4 unterschiedliche Schneeschichten,
5 - einen Schmelzgeschwindigkeit-Tiefe-Verlauf eines Schmelzkanals durch 4 unterschiedliche Schneeschichten,
6 - ein Schneedichteprofil, das über die Tiefe der Schneeschichtung aufgetragen ist und als materialspezifischer Kennwert berechnet wurde, und
7 - die Schneedicken, die aus einem Schneetiefe-Zeit-Diagramm als Information zur jeweiligen Schneeschicht bereitgestellt wurden.

Die 1 zeigt den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen thermo-optischen Analysesystems. 2 zeigt ein mobiles Analysesystem, das Bestandteil einer Drohne ist, wobei die Drohne auf einem schneebedeckten Hang mit insgesamt 4 verschiedenen Schneeschichten die Analyse der Schneeschichten durchführt.
Nach 1 ist in einem Gehäuse, dass das Analysesystem vor Umwelteinflüssen schützt und Bestandteil des thermo-optischen Analysesystems ist, ein thermischer Laser als CW-Laser angeordnet, der einen kontinuierlichen Laserstrahl mit einer konstanten Leistung von 10W erzeugt und über einen Spiegel abgelenkt und in die Schneeschichten 1 - 4 in einem Winkel von 30° zur Senkrechten eingeleitet wird. Der CW-Laser schmilzt dabei einen Schmelzkanal in die Schneeschichtungen. Mit einem zweiten optischen Laser wird mittels Laserentfernungsmessung fortlaufend die Tiefe des Schmelzkanals gemessen, wobei der Laserstrahl des zweiten optischen Lasers durch einen dichromatischen Spiegel umgelenkt wird und sich so kollinear zum Laserstrahl des CW-Lasers ausbreitet. Über den zweiten optischen Laser werden Messwerte für die Erstellung eines Weg-Zeit-Diagrammes der Schmelztiefe erhalten und aufgenommen.
Während der Durchschmelzung aller vier Schichten wird ein Schmelztiefe-Zeit-Verlauf gemäß 3 aufgezeichnet. Aus diesem werden die Schmelzgeschwindigkeiten gemäß 4 berechnet und die materialspezifischen Kennwerte der Schneedichte in den unterschiedlichen Schneetiefen gemäß 5 sowie die Mächtigkeit der einzelnen Schneeschichten gemäß 6 abgeleitet.
Als Informationen für die Schneeschichtungen wird nun bereitgestellt, dass die Schneeschicht 1 eine Dicke von 20 cm und eine Dichte von 50 kg/m³ aufweist. Hieraus ist darauf zu schließen, dass es sich bei der ersten Schneeschicht um Neuschnee handelt. Die Schneeschicht 2 weist eine Dicke von 10 cm und eine Dichte von 200 kg/m³ auf. Hierbei handelt es sich um stark windgepackten Schnee. Die Schneeschicht 3 weist eine Dicke von 20 cm und eine Dichte von 150 kg/m³ auf, weshalb es sich um eine gefährliche Schwimmschneeschicht handelt. Diese ist instabil und kann zum Abgleiten der darüberlegenden Schneeschichten 1 und 2 führen. Die Schneeschicht 4 weist eine Dicke von 5 cm und eine Dichte von 300 kg/m³ auf und besteht aus einem trocken gesetzten Altschnee.
Durch die ermittelten Schneeprofile der Schneeschichtungen lassen auch unter Berücksichtigung von bisherigen Erkenntnissen und Korrelationstabellen sichere Vorhersagen über die Lawinengefahr im betreffenden alpinen Gebiet treffen.
Bezugszeichenliste

1: Spiegel
2: Fokussierter thermischer Strahl
3: Dichromatischer Spiegel
4: Optischer Strahl des Entfernungsmesssystems
5: Fokussierte thermische Energiequelle
6: Optisches Laserentfernungsmesssystem
7: Schneeschicht 1
8: Schneeschicht 2
9: Schneeschicht 3
10: Schneeschicht 4
11: Schmelzkanal
12: Gehäuse
13: Drohne
14: Drohnengestütztes thermo-optisches Analysesystem
15: Kollinear ausgerichtete Strahlen des optischen Entfernungsmesssystems und des ausgerichteten fokussierten thermischen Strahlers

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19503017 A1 [0007]
DE 102009039716 B3 [0008]
DE 102016104270 A1 [0009]

Claims

Verfahren zur thermo-optischen Analyse von Schnee- und Eisschichtungen, bei dem mittels einer fokussierten thermischen Energiequelle in Schnee- und/oder Eisschichtungen ein Schmelzkanal durch Schmelz- und/oder Sublimationsprozesse erzeugt wird und dabei unter Einsatz einer optischen Messeinrichtung, die kollinear zur thermischen Energiequelle ausgerichtet ist, im direkten Bereich der stattfindenden Schmelz- oder Sublimationsprozesse kontinuierlich die Tiefe des Schmelzkanals zur Ermittlung der Schmelzgeschwindigkeit gemessen wird, wobei die Messwerte der optischen Messeinrichtung an eine computergestützte Recheneinheit weitergeleitet und gespeichert werden, und nachfolgend materialspezifische Kennwerte der Schnee- und/oder Eisschichten berechnet und Informationen zu den jeweiligen Schnee- und/oder Eisschichten zur Verfügung gestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als fokussierte thermische Energiequelle ein CW-Laser und/oder ein gepulster Laser eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Kanal durch Sublimation des Schnees oder Eises unter Einsatz eines gepulsten Lasers erzeugt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als fokussierte thermische Energiequelle ein Laser mit einer Leistung von 0,1 W bis 300W und einer Wellenlänge von 100nm bis 50µm eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem eine fokussierte nichtmonochromatische Energiequelle, besonders vorteilhaft eine LED-basierte oder Infrarot-basierte Energiequelle eingesetzt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die optische Messung der Tiefe des Schmelzkanals über ein TOF-Verfahren und/oder mittels ausgesandter Intensitätswellen realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die optische Messung der Tiefe des Schmelzkanals mit einer Wellenlänge von 100nm bis 5cm erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der fokussierte thermische Energieeintrag in einem Winkel von 10° bis 90° zur Schnee- oder Eisoberfläche erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Messwerte die Schmelzgeschwindigkeit und die Kanaltiefe an eine computergestützte Recheneinheit weitergeleitet werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Informationen zu den Schnee- und Eisschichtungen die jeweilige Schichtdichte, die Schichthöhe und/oder die Schichtart zur Verfügung gestellt werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Ermittlung der Information zu den Schnee- und Eisschichten Korrelationstabellen eingesetzt werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Informationen zu den jeweiligen Schnee- und/oder Eisschichten mittels drahtloser Funkverbindung an eine Ausgabeeinheit übertragen werden.
Thermo-optisches Analysesystem, enthaltend eine thermische Energiequelle zum Erzeugen eines fokussierten thermischen Energieeintrages in eine Schnee- und/oder Eisschichtung, eine optische Messeinrichtung zur Erzeugung eines optischen Messsignales zum Messen örtlicher Parameter, wobei das optische Messsignal kollinear zur thermischen Ausbreitungsrichtung der thermischen Energiequelle ausgerichtet ist, und eine computergestützte Recheneinheit mindestens zum Erfassen von Messwerten der optischen Messeinrichtung.
Thermo-optisches Analysesystem nach Anspruch 13, bei dem die kollineare Ausrichtung der thermischen Energiequelle und der optischen Messeinrichtung durch dichromatische Spiegel, optischer Gitter, optisches Prisma, Strahlungsteiler und/oder Polarisationsfilter realisiert ist.
Thermo-optisches Analysesystem nach Anspruch 13, bei dem die Richtung des fokussierten thermischen Energieeintrages der thermischen Energiequelle variabel einstellbar ist.
Thermo-optisches Analysesystem nach Anspruch 15, bei dem die Richtungen des fokussierten thermischen Energieeintrages der thermischen Energiequelle und des optischen Messsignals der optischen Messeinrichtung in einem Winkel 10° bis 90° zur Schnee- oder Eisoberfläche einstellbar sind.
Thermo-optisches Analysesystem nach Anspruch 13, bei dem mit der computergestützten Recheneinheit zusätzlich die materialspezifischen Kennwerte berechenbar und/oder die Informationen zu den jeweiligen Schnee- und/oder Eisschichten an eine Ausgabeeinheit übertragbar sind.
Thermo-optisches Analysesystem nach Anspruch 17, bei dem zur Übertragung der Informationen an die Ausgabeeinheit mindestens eine drahtlose Funkeinrichtung vorhanden ist.
Thermo-optisches Analysesystem nach Anspruch 13, das als manuelles, stationäres oder mobiles Analysesystem ausgebildet ist.
Thermo-optisches Analysesystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 19, das Bestandteil einer Drohne, eines Flugobjektes oder eines Fahrzeuges ist.