DE1798438C3

DE1798438C3 - Device for determining the volume backscatter or extinction coefficient for visibility and cloud height measurement

Info

Publication number: DE1798438C3
Application number: DE19681798438
Authority: DE
Inventors: Walther Dipl.-Ing. Dr. 6901 Dilsberg Heß
Original assignee: Ausscheidung aus: 16 23 422 Eltro GmbH, Gesellschaft für Strahlungstechnik, 6900 Heidelberg
Filing date: 1968-06-25
Publication date: 1976-11-18

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Ermittlung des Volumen-Rückstreukoeffizienten bzw. des Extinktionskoeffizienten zur Messung der atmosphärischen Sichtweite, der Schrägweite und der Wolkenhöhe unter Verwendung eines Laser-Senders, eines Laserecho-Empfängers mit Sekundärelektronenvervielfacher und »inp« die interessierenden Meßgrößen aus dem zeitlichen Verlauf der vom Laserecho-Empfänger aufgenommenen Streustrahlung ermittelnden Datenverarbeitungsgerätes, die dergestalt zu einer Gerätebaueinheit zusammengefaßt sind, daß die optischen Achsen von Laser-Sender und Laserecho-Empfänger gemeinsam in Elevationsrichtung verschwenkbar sind, wobei das Datenverarbeitungsgerät die untere und die obere Grenze der Wolkenschicht, den Extinktionskoeffizienten, die Sichtweite und die erste Ableitung der Empfangsleitung nach der Zeit ermittelt.The invention relates to a device for determining the volume backscatter coefficient or the extinction coefficient for measuring the atmospheric visibility, the slope and the cloud height below Use of a laser transmitter, a laser echo receiver with a secondary electron multiplier and »Inp« the relevant measurands from the the data processing device determining the scattered radiation recorded by the laser echo receiver over time, which are combined to form a unit that the optical axes of the laser transmitter and laser echo receiver are jointly pivotable in the elevation direction, the data processing device the lower and the upper limit of the cloud layer, the extinction coefficient, the visual range and the first derivative of the Receiving line determined according to the time.

Aus »Bulletin American Meteorological Society«, 1966, Seiten 695 bis 701, ist eine im wesentlichen gattungsgemäfte Einrichtung bekannt, bei der entsprechend der einander benachbarten Anordnung von Sende- und Empfangseinheit auch die optische Achse des Sendestrahls neben derjenigen des Empfangskanals liegt, was zu Ungenauigkeiten führen kann. Darüber hinaus mangelt es dem bekannten Datenverarbeitungsgerät im Hinblick auf die vielen Parameter Hj^ die From "Bulletin American Meteorological Society", 1966, pages 695-701, one is essentially Generic device known in the corresponding to the adjacent arrangement of Transmitting and receiving unit also has the optical axis of the transmitting beam in addition to that of the receiving channel which can lead to inaccuracies. In addition, the known data processing device lacks the many parameters Hj ^ die

zo Witterung bestimmen, an einer entsprechenden differenzierten Ausbildung, was sich ebenfalls im Meßergebnis nachteilig niederschlägt.zo determine the weather, at an appropriate differentiated Training, which is also reflected in the measurement result disadvantageously.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird daher ir> einer Verbesserung von bekannten Einrichtungen zur Ermittlung des Volumen-Rückstreu- bzw. Extinktionskoeffizienten, insbesondere hinsichtlich der Genauigkeit, gesehen, mit der solche Einrichtungen arbeiten. Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Einrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in an sich bekannter Weise der Laser-Sendestrahl in der optischen Achse des Laserecho-Empfängers ausgestrahlt wird und daß sich das Datenverarbeitungsgerät aus folgenden zusätzlichen Teilen zusammensetzt: The object on which the invention is based is therefore ir> an improvement of known devices for determining the volume backscatter or Extinction coefficients, especially with regard to the accuracy, seen with which such devices work. This object is achieved according to the invention in the device mentioned at the outset by that in a known manner the laser transmission beam in the optical axis of the laser echo receiver is broadcast and that the data processing device consists of the following additional parts:

a) Breitbandverstärker, der die elektrischen Signale vom Sekundärelektronenvervielfacher des Laserecho-Empfängers erhält,a) Broadband amplifier, which receives the electrical signals from the secondary electron multiplier of the laser echo receiver receives,

b) Rechenve-stärker für die erste Ableitung der Empfangsleistung nach der Zeit, der hinter den Breitbandverstärker geschaltet ist,b) arithmetic stronger for the first derivative of the Received power according to the time that is connected behind the broadband amplifier,

c) logarithmischer Verstärker, der das Empfangssignal auf den Inhalt einer Exponentialfunktion überprüft,c) Logarithmic amplifier, which applies the received signal to the content of an exponential function checked,

d) Differenzierglied, das die Extinktionskoeffizienten ermittelt,d) differentiator that determines the extinction coefficients,

e) Rechenverstärker, in dem die Sichtweite errechnet wird,e) Computing amplifier, in which the visual range is calculated,

f) Anzeige- und Registriergerät für die Sichtweite,f) display and recording device for the visual range,

g) elektronischer Zähler, der außer der Höhe der unteren und der oberen Grenze einer Wolkenschicht auch deren Dicke bestimmt,g) electronic counter, except for the height of the lower and upper boundaries of a cloud layer also determines its thickness,

h) Gatter mit logarithmischem Verstärker, das die Sichtweite vor und hinter der Wolkenschicht bestimmt,h) Gate with logarithmic amplifier, which shows the range of vision in front of and behind the cloud layer definitely,

i) Differenzierglied für die Sichtweitenbestimmung,
k) Anzeigegerät für die Wolkenhöhe und Wolkendikke. i) Differentiator for determining the visibility,
k) Display device for the cloud height and cloud height.

Diese Maßnahmen sind insgesamt auf den Erhalt möglichst zuverlässiger Mefkrgebnisse abgestellt. Dabei werden einmal durch das Zusammenlegen der optischen Achsen von Laser-Sendestrahl und Laserecho-Empfangssystem Parallaxenfehler infolge der kleinen objektseitigen Bildwinkel vermieden, wie an sich bekannt ist (FR-PS 15 24 918). Zum anderen gewährleistet erst ein Datenverarbeitungsgerät mit diesen optoelektronischen Komponenten einwandfreie Messungen mit einem relativ hohen Grad an Zuverlässigkeit. Overall, these measures are aimed at obtaining the most reliable measurement results possible. Included are achieved by merging the optical axes of the laser transmission beam and the laser echo receiving system Parallax errors due to the small object-side angle of view avoided, as on is known (FR-PS 15 24 918). On the other hand, only a data processing device guarantees these optoelectronic components make perfect measurements with a relatively high degree of reliability.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Einrichtung auch kontrolliert werden kann. Die Kontrolle wird mit Hilfe eines eingebauten Transmissometers bei einem horizontal gerichtete optische Achsen voraussetzenden Meßwinkel der Einrichtung durchgeführtAn advantageous further development of the invention provides that the device can also be checked. The control is carried out with the help of a built-in transmissometer with a horizontally oriented optical axes presupposed measuring angle of the device carried out

In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Einrichtung zur Messung der optischen Parameter der Atmosphäre, besonders zur Ermittlung der Schrägsichtweite, beschrieben. Es zeigtIn the drawing is an exemplary embodiment of the Invention a device for measuring the optical parameters of the atmosphere, especially for determination the oblique sight range, described. It shows

F i g. 1 ein Scherr.a einer optischen Meßanordnung mit Laser-Sender und Laserecho-Empfänger zur Durchführung einer »Schrägsichtmessung«,F i g. 1 a Scherr.a of an optical measuring arrangement with laser transmitter and laser echo receiver to carry out an "oblique view measurement",

Fig.2 eine schematische Gesamtübersicht über eine zur Messung, Auswertung und Anzeige dienende Anlage,2 shows a schematic overall overview of a system used for measurement, evaluation and display,

F i g. 3 und 4 schematische Beispiele zweier Meßkurven der Empfangssignalleistung Pt{t), die zwei verschiedenen atmosphärischen Bedingungen zugeordnet sind undF i g. 3 and 4 are schematic examples of two measurement curves of the received signal power Pt (t), which are assigned to two different atmospheric conditions and

F i g. 5 ein Blockschaltbild des zur Auswertung dienenden Datenverarbeitungssystems (Analysator und Rechengerat).F i g. 5 a block diagram of the data processing system used for evaluation (analyzer and Calculator).

Bei der Ermittlung der Schragsiehtweite interessieren nur kleinere Meßbereiche, z. B. von 0 bis 500 m, d. h. also kurze Impuls-Laufzeiten.You are interested in determining the oblique visual range only smaller measuring ranges, e.g. From 0 to 500 m, d. H. so short impulse transit times.

Die optische Meßeinrichtung, die im hier erörterten Ausführungsbeispiel für die Ermittlung der Schrägsichtweite dienen soll, besteht gemäß F i g. 1 aus einem Laser-Sende-System 1 mit einer Sendeoptik Γ und einem Laserecho-Empfangssystem 2 mit einem Empfangsobjektiv 8. Mit Hilfe zweier Umlenkspiegel 3 und 4 wird bewirkt, daß Sende- und Empfangsoptik konzentrisch sind, so daß der Laser-Sendestrahl 5 praktisch genau in der optischen Achse des Laserecho-Empfangssystems 2 ausgestrahlt wird. Dadurch ist sichergestellt, daß keine Parallaxenfehler infolge der kleinen objektseitigcn Bildwinkel auftreten können.The optical measuring device used in the exemplary embodiment discussed here for determining the oblique visual range is to serve, according to FIG. 1 from a laser transmission system 1 with transmission optics Γ and a laser echo receiving system 2 with a receiving lens 8. With the help of two deflecting mirrors 3 and 4 causes the transmission and reception optics to be concentric, so that the laser transmission beam 5 is practical is emitted exactly in the optical axis of the laser echo receiving system 2. This ensures that no parallax errors can occur as a result of the small object-side image angles.

Das streuende Medium ist mit 6 bezeichnet. Die von diesem zum Laserecho-Empfangssystem 2 zurückgestreu'e Energie tritt durch das Empfangsobjektiv 8 in das Innere der Meßvorrichtung ein. Eine dem Empfangsobjektiv 8 nachfolgende Blende 9 dient zur Bildfeldbegrenzung. Eine Linse 10 bündelt die einfallende Streulichtstrahlung auf den Sekundärelektronenvervielfacher 12. Das zwischen diesem und der Linse 10 angebrachte Spektralfilter 11 unterdrückt unerwünschte Hintergrundstrahlung. Die vom Sekundärelektronenvervielfacher 12 aufgenommene Empfangsleistung wird schließlich nach Umwandlung in ein entsprechendes Signal durch einen Breitbandverstärker verstärkt und einem Datenverarbeitungssystem zur Auswertung zugeleitet. Wie aus der F i g. 2 zu ersehen ist, können die aus Sender und Empfänger bestehende optische Meßvorrichtung, der Breitbandverstärker und das alsThe scattering medium is denoted by 6. The backscattered from this to the laser echo receiving system 2 Energy passes through the receiving lens 8 into the interior of the measuring device. A dem The aperture 9 following the receiving lens 8 serves to limit the image field. A lens 10 focuses the incident Scattered light radiation on the secondary electron multiplier 12. That between the latter and the lens 10 Attached spectral filter 11 suppresses unwanted background radiation. The one from the secondary electron multiplier 12 received power is finally converted into a corresponding Signal amplified by a broadband amplifier and sent to a data processing system for evaluation. As shown in FIG. 2 can be seen, the optical transmitter and receiver can be used Measuring device, the broadband amplifier and the as

ίο »Analysator und Rechengerät« bezeichnete Datenverarbeitungssystem miteinander vereinigt sein. An das Datenverarbeilungssystem ist eine zentrale Überwachungsstation angeschlossen, zu der die digital gewonnenen Meßergebnisse übertragen werden.ίο Data processing system called “analyzer and computing device” be united with each other. A central monitoring station is attached to the data processing system connected, to which the digitally obtained measurement results are transmitted.

Für die Messung der Schrägsichtweite ist noch von Bedeutung, daß die optische Achse der Meßvorrichtung — wie in der F i g. 1 gezeigt ist — einen definierten Meßwinkel χ mit der horizonialen Richtung H (λ = Ο) hat. Dieser Meßwinkel λ kann für verschiedene Messungen beliebig variiert werden.For the measurement of the oblique visual range it is also important that the optical axis of the measuring device - as in FIG. 1 is shown - has a defined measuring angle χ with the horizontal direction H (λ = Ο). This measurement angle λ can be varied as required for different measurements.

Die gesamte Meßvorrichtung kann im übrigen ohne weiteres fernbedient und der Meßwinkel λ dabei automatisch variiert werden.The entire measuring device can, moreover, easily be remote-controlled and the measuring angle λ at the same time can be varied automatically.

Eine Kontrolle der Meßvorrichtung für den Fall einer horizontal gerichteten optischen Achse, d. h. für einen Meßwinkel <x = 0, ist mit Hilfe eines »Transmissometers« möglich.A control of the measuring device in the case of a horizontally directed optical axis, i.e. H. for one Measuring angle <x = 0 is possible with the help of a "transmissometer".

Das Datenverarbeitungsgerät besteht gemäß F i g. 5 aus einem die elektrischen Signale von einem Sekundärelektronenvervielfacher erhaltenden Breitbandverstärker, einem hinter diesen geschalteten und die erste zeitliche Ableitung der Empfaiigssignalleistung bildenden Rechenverstärker, einem logarithmischen Verstärker zum Überprüfen des Empfangssignals auf eine Exponentialfunktion, einem Differenzierglied zur Ermittlung des Extinktionskoeffizienten, einem die Sichtweite errechnenden Rechenverstärker, einem Anzeige- und Registriergerät, einem die Höhen der unteren und der oberen Grenze einer Wolkenschicht sowie die Dicke der Wolkenschicht bestimmenden elektronischen Zähler, einem Gatter mit logarilhmischem Verstärker zur Bestimmung der Sichtweite vor bzw. hinter der Wolkenschicht, einem weiteren Differenzierglied sowie einem die Wolkenhöhe bzw. Wolkendicke darstellenden Anzeigegerät.The data processing device consists according to FIG. 5 from one the electrical signals from one Secondary electron multiplier receiving broadband amplifier, one behind them and the first time derivative of the receiver signal power forming the processing amplifier, a logarithmic amplifier for checking the received signal an exponential function, a differentiator for determining the extinction coefficient, a die Visual range calculating computer amplifier, a display and recording device, the heights of the the lower and the upper limit of a cloud layer as well as the thickness of the cloud layer electronic counter, a gate with logarithmic Amplifier for determining the visibility in front of or behind the cloud layer, another Differentiator and a display device representing the cloud height or cloud thickness.

Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings

Claims

■> $, claims:

φ-φ-

X Device for determining J ^ s volume backscatter coefficient or the extinction coefficient for measuring the atmospheric visibility, the Oblique vision range, oblique vision range and cloud height using a laser transmitter, a laser echo receiver with a secondary electron multiplier and one of the measured variables of interest from the time course of the scattered radiation picked up by the laser echo receiver ascertaining data processing device, which is combined in this way to form a device unit are that the optical axes of the laser transmitter and laser echo receiver are common in the direction of elevation are pivotable, the data processing device the lower and the upper limit the cloud layer, the extinction coefficient, the Visibility and the first derivative of the received power according to the time determined, characterized in that, that in a known manner, the laser transmission beam (5) in the optical axis of the Laser echo receiver (2) is emitted and that the data processing device (20 to 29) from the following additional parts:

a) Broadband amplifier (20), which receives the electrical signals from the secondary electron multiplier (12) of the laser echo receiver (2) receives,

b) arithmetic amplifier (2t) for the first derivative of the received power Pe (t) according to the time that is connected after the broadband amplifier (20),

c) logarithmic amplifier (22), the received signal! checked for the content of an exponential function,

d) differentiator (25), which the extinction coefficient determined

e) computing amplifier (26). in which the visibility is calculated.

f) Display and recording device (28) for the visual range

g) electronic counter (23) which, in addition to the level of the lower and the upper limit of a Cloud layer also determines its thickness,

h) Gate with logarithmic amplifier (24), which shows the range of vision in front of and behind the cloud layer definitely,

i) differentiator (27) for determining the visibility,
k) display device (29) for the cloud height and cloud thickness.

2. Device according to claim 1, characterized by the installation of a transmissometer with the the device with a measuring angle presupposing horizontally directed optical axes (λ = 0) is controllable.