DE1623422B2 - Lichtelektrischer messverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein lichtelektrisches Meßverfahren zur Ermittlung des Volumenrückstreukoeffizienten und/oder des Extinktionskoeffizienten eines Mediums, insbesondere zur Messung der atmosphärischen Sichtweite, der Schrägsichtweite und/oder der Wolkenhöhe unter Verwendung eines Laser-Senders und eines am Ort dieses Senders befindlichen Laser-Empfängers.

Laser-Systeme haben bereits bei einer Reihe von Problemen innerhalb der optischen Meßtechnik, der Funkmeßtechnik oder der Nachrichtentechnik mannigfaltige Anwendung gefunden. Beispielsweise ist ein Laser-Entfernungsmeßgerät bekannt, das im Prinzip auf der Laufzeitmessung der von einem Sender gelieferten kurzen Laser-Impulse (z. B. ein MW Spitzenleistung) beruht. Die von einem anzumessenden Ziel reflektierten bzw. remittierten Echo-Impulse gelangen dabei zu einem Empfänger mit einer lichtstarken Empfangsoptik zurück, durch die nur Lichtsignale aus solchen Richtungen empfangen werden, die innerhalb eines Empfangskegels mit kleinem Öffnungswinkel liegen.

Nach Ausfiltern unerwünschter Wellenlängen werden die durch das Filter hindurchgelassenen Laser-Echo-Impulse von einem Fotomultiplier mit nachgeschaltetem Verstärker aufgenommen. Die verstärkten Echo-Signale werden schließlich einer Auswerteelektronik zugeführt, die das Meßergebnis, nämlich die Entfernung, digital ausgibt.

Es hat sich gezeigt, daß die mit Hilfe derartiger Laser-Entfernungsmeßgeräte gewonnenen Meßergebnisse hinsichtlich Genauigkeit in vielen Fällen weitaus besser sind als die mit herkömmlichen optischen Entfernungsmessern oder Radargeräten erzielbaren bzw. erzielten Ergebnisse.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich nun mit der Aufgabe, eine weitere vorteilhafte Anwendung eines Laser-Systems zu bieten.

Die Erfindung besteht bei dem eingangs erwähnten Verfahren darin, daß der zeitliche Verlauf der zum Laser-Empfänger zurückgestreuten Sendeleistung ermittel und zur quantitativen Bestimmung der Meßgrößen verwendet wird.

Gemäß einem weiteren ausgestaltenden Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur laufenden Überprüfung der Stetigkeit der ermittelten Meßkurve die erste Ableitung der Empfangsleistung nach der Zeit gebildet und die Stetigkeit dieser Ableitung untersucht. Diese Methode erlaubt es — wie später noch im einzelnen erläutert wird —, sehr genaue Rückschlüsse auf die optische Homogenität des zu vermessenden Mediums zu ziehen und insbesondere die optischen Materialkonstanten, wie Rückstreukoeffizient und Extinktionskoeffizient, des Mediums zu bestimmen.

In vorteilhafter Weise macht das erfindungsgemäße Meßverfahren von einem Riesenimpuls-Laser als Sender Gebrauch, mit dem sich in bekannter Weise Laser-Impulse hoher Spitzenleistung und kurzer Impulsdauer erzeugen lassen.

Für die Meßverfahren der echten Unteransprüche wird Patentschutz nur in Verbindung mit dem Hauptanspruch begehrt. ·

Strahlt man den Impuls eines Q-geschalteten Riesenimpuls-Lasers in ein streuendes Medium ein, so ist die zurückgestreute Empfangsleistung unter anderem von folgenden Größen abhängig: der Senderleistung; dem Streuungsvolumenelement, das sich aus der Impulsdauer des Sendesignals und der Sendestrahldivergenz ergibt; dem Abstand zwischen Sender und dem Streuungsvolumenelement; dem Volumenrückstreuungskoeffizienten, der ortsabhängig sein kann; dem Extinktionskoeffizienten, der ebenfalls ortsabhängig sein kann.

Außerdem besteht die Beziehung, daß sich der Abstand vom Sender zum Streuungsvolumenelement aus dem Produkt von Lichtgeschwindigkeit und der Zeitkoordinate ergibt.

Unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nun möglich, daß durch die Messung der zeitabhängigen bezogenen Empfangsleistung im Verhältnis zur Senderleistung eine Aussage über den Rückstreuungskoeffizienten gemacht werden kann. Dabei sind folgende Fälle zu unterscheiden:

Fall a: Es herrscht eine homogene Atmosphäre, und Rückstreuungskoeffizient sowie Extinktionskoeffizient sind ortsunabhängig.

Aus dem zeitlichen Verlauf der Empfangsleistung läßt sich ohne weiteres der Extinktionskoeffizient und damit die Sichtweite bestimmen. Zur laufenden Überprüfung der Stetigkeit der erhaltenen Meßkurve wird die erste Ableitung der gemessenen Empfangsleistung nach der Zeit gebildet und die Stetigkeit dieser Ableitung untersucht. Infolgedessen kann festgestellt werden, ob die Werte für Rückstreuungskoeffizient und/oder Extinktionskoeffizient konstant sind.

Fall b: Es herrscht inhomogene Atmosphäre, und Rückstreuungskoeffizient sowie Extinktionskoeffizient sind ortsabhängig.

Hat die Prüfung des zeitlichen Verlaufs der zeitabhängigen Empfangsleistungsfunktion ergeben, daß keine reine Exponentialfunktion vorliegt, so handelt es sich vorzugsweise um eine Unstetigkeit des Rück-

Streuungskoeffizienten. Diese Unstetigkeit kann durch eine Wolkenuntergrenze und/oder eine Wolkenobergrenze bedingt sein. Durch Messung der aufeinanderfolgenden Zeitpunkte, zu denen Unstetigkeiten auftreten, ergibt sich die Höhe der Unter- bzw. Obergrenze und die Schichtdicke der Wolke.

Treten keine ausgeprägten Unstetigkeiten im Verlauf der zeitabhängigen Empfangsleistungsfunktion auf und handelt es sich andererseits um keine reine Exponentialfunktion, so ändern sich der Rückstreuungskoeffizient bzw. der Extinktionskoeffizient nur langsam. Durch stückweise Analyse der Empfangsleistungsfunktion läßt sich in diesem Fall gemäß der oben unter Fall a beschriebenen Methode der örtliche Verlauf des Extinktionskoeffizienten näherungsweise bestimmen.

Bei der Messung der Schrägsichtweite interessieren nur kleinere Meßbereiche, z. B. von 0 bis 500 m, d. h. also kurze Impulslaufzeiten.

Als Ergebnis der weiteren Auswertung ist eine Aussage über den Rückstreukoeffizienten und den Extinktionskoeffizienten möglich.

Claims (5)

Patentanspruch:

1. Lichtelektrisches Meßverfahren zur Ermittlung des Volumen-Rückstreukoeffizienten und/ oder des Extinktionskoeffizienten eines Mediums insbesondere zur Messung der atmosphärischen Sichtweite, der Schrägsichtweite und/oder der Wolkenhöhe unter Verwendung eines Lasersenders und eines am gleichen Ort befindlichen Laserempfängers, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Verlauf der zum Laserempfänger zurückgestreuten Sendeleistung ermittelt und zur quantitativen Bestimmung der Meßgrößen verwendet wird.

2. Meßverfahren nach Anspruch I₅ dadurch gekennzeichnet, daß zur laufenden Überprüfung <er Stetigkeit der ermittelten Meßkurve die erste Ableitung der Empfangsleistung nach der Zeit gebildet und die Stetigkeit dieser Ableitung untersucht wird.

3. Meßverfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitpunkte des Auftretens von Unstetigkeiten bestimmt werden.

4. Meßverfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine stückweise Analyse der Meßkurve vorgenommen wird.

5. Meßverfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Sender ein Riesenimpulslaser dient.