DE2150969C3 - Vorrichtung zum Erfassen meteorologischer Zustände - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen meteorologischer Zustände, insbesondere zum Nachweis von Nebelbanken auf See zur Messung der Reflexion von in das zu messende Luftvolumen ausgesendeten leistungsstarken Lichtimpulsen, mit einem Spannungserzeuger, dessen Spannungskurve sich in vorbestimmter Weise ändert, zur Steuerung eines Steuersignale abgebenden Lichtimpulsempfängers und eines Lichtimpulssendcrs, der einen aus hintereinander geschalteten Einzcllaserdioden, insbesondere Galliumarsenidlaser-Dioden bestehenden Düsenanordnung aufweist, der Lichtimpulse mit einer mittleren Leistung von etwa 0,01 bis 0,1 W und einer Spitzenleistung von 100 bis 1000 W, einer Impulsbreite von etwa 100 Nanosekunden und einer

Impulsfrequenz von 100 bis 1000/sec aussendet und wobei durch Vielfachintegration die Signale von Störungen bereinigt werden.

Alle bisher in der Technik üblkhen optischen Meßhilfen zum Erfassen von Wolken oder Nebelbänken bedienen sich entweder leistungsstarker Laser-Impulse, die für das menschliche Auge außerordentlich gefährlich sind, oder sie arbeiten mit sehr hellen Funkenlichtimpulsen nach dem trigonometrischen Verfahren, also mit bewegten Elementen, oder sie arbeiten mit Funkenlichtimpulsen, die zeitlich sehr kurz sind, dafür aber nur Meßdistanzen bis zu etwa 500 m sicher erfassen. Außerdem sind alle bekannten Anordnungen mit Ausnahme des Neodym-Lasers, der zwar im Infrarot arbeitet, aber für das Auge gefährlich ist, optisch sichtbar und sind dementsprechend mit Navigationsfeuern verwechselbar, wenn man sie z. B. horizontal an der Küste zur Erfassung von Nebelbänken arbeiten iäßt. An ein modernes Gerät ist daher die Forderung nach Unsichtbarkeit und der Vermeidung jeglicher wartungsempfindücher beweglicher Elemente sowie vollkommene Unschädlichkeit gegenüber dem menschlichen Auge zu stellen.

Aus der USA.-Patentschrift 3 365 717 sind Wege bekannt, wie man schaltungsmäOig zwischen zwei Punkten mittels kleiner Leistung durch Phasen-Modulation Signale übertragen kann und die Distanz messen kann. Diese Anordnung ist jedoch nur für Objekte mit scharf definierten Oberflächen anwendbar, wohingegen atmosphärische Objekte, wie Nebelbänkc oder Wolkendiffuse Profile haben, so daß ein Phasenvergleichsverfahren mangels definierter reflektierender Oberflächen nicht anwendbar ist.

Aus der USA.-Patentschrift 3 527 949 ist ein Gerät bekannt, das für die automatische Erfassung und Verfolgung scharf definierter Ziele, vorwiegend militärischen Charakters, ausgebildet ist. Daher setzt die Empfängerseile eine Diode mit Avelanche-Elfekt voraus, die nur einige Zehntel Millimeter groß sind, hingegen ähnliche Eigenschaften wie ein Foto-Mnltiplicr hat. Empfangsorgane mit so kleinen Flächen können für atmosphärische Objekte nicht angewendet werden, da man damit eine MikroStruktur, z. B. einer Nebelbank oder Wolke, messen würde, die durch das außerordentlich schlanke Strahlenbündel einer nahezu punktförmigen Abmessung entspricht. Bei der vorliegenden Erfindung wird von diesem an sich bekannten Weg abgegangen und eine Anordnung konzipiert, die sich nicht für die Erfassung kleiner definierter Flächen eignet, hingegen optimiert ist für die laufende Registrierdarstcliung der Distanz und Durchsichtigkeit von Nebeln oder Wolken, also solchen Objekten, die durch ihre Natur keine definierte Oberfläche haben und bei denen man sogar daran interessiert ist, die Sichtweite innerhalb des Objektes registriert zu erhalten, was mittels einer Digital-Anzeige nicht möglich ist.

Schließlich sind in der deutschen Offenlegungsschrift 1 946 264 Verfahren dargestellt, wie man die Sichtweite in Nebel messen kann. Jedoch eignen sich die Ideen dieser Schrift nicht, entferntere Objekte, his zu denen hin klare Sicht herrscht, sichtmäßig zu vermessen und speziell auch nicht den Abstand zu einem solchen schwach transparenten Objekt, wie einer Nebelbank oder Wolke, zu registrieren.

Aus der deutschen OfTenlegungsschrift 1911 172 ist ein Oeriit bek-innt, das ein terrestrisches oder sonstiges bewegliches, jedoch hinsichtlich seiner Oberfläche exakt definiertes Ziel, automatisch entfernungsmäßig und winkelmäßig zu verfolgen erlaubt. Die in dieser Offenlegungsschrift offenbarten Schaltungseinzelheiten können unter Anwendung erfinderischer Überlegungen höchstens in wenigen Einzelfällen auf eine Einrichtung nach der Erfindung angewendet werden. Ohne weitgehende Modifizierungen in der Zusammenschaltung lassen sich aber die Schaltungseinzelheiten nicht zur Erfassung von Zielen mit diffuser Oberfläche verwenden.

Es sei noch erwähnt, daß die auch beim Erfindungsgegenstand zur Anwendung kommende Vielfachintegration zur Rauschunterdrückung bzw. zur Beseitigung von Störungen in Steuersignalen an sich bekannt ist (Internationale Elektronische Rundschau 1970/51).

Bekannt ist auch die Verwendung einer Galliumarsenid-Diode, deren an einer Nebelwand rückgestreute Strahlung von etwa 9000 A von einem parallel ausgerichteten Infrarot-Detektor empfangen wird, um eine Warneinrichtung zu betätigen. Hierbei hat man auch bereits den Diodenstrom moduliert und den Detektor allein auf die modulierte Frequenz

^a5 ansprechbar gemacht, um Störstrahlungen auszuschalten und die Empfindlichkeit zu vergrößern (britische Patentschrift 1 026 911).

Die erfindungsgemäße Vorrichtung sorgt daher für das Senden und Empfangen unsichtbarer optischer

Impulse ohne bewegte Komponenten und unterscheidet sich von den Lidar-Geräten, die mit Laser-Wellenlängen arbeiten, dadurch, daß hier nur mit sehr schwachen mittleren Leistungen gearbeitet wird, die dem Auge ein gefahrloses Hineinschauen gestat-

ten, auch wenn das Auge mit einem Fernrohr ausgestattet ist, das üblicherweise bei Lasern die Gefahrendistanz im Verhältnis des Linsendurchmessers zum Pupillendurchmesser des menschlichen Auges vergrößert. Des weiteren vermeidet die Einrichtung nach der Erfindung jegliche Irritierung der Schiffahrt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß ausschließlich Halbleiter verwendet werden, so daß von der physikalischen Seite her keine lebensdauermäßige Begrenzung vorliegt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der ohne Gefährdung des menschlichen Auges Entfernungen zu diffusen Oberflächen gemessen werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-

^s° löst, daß die Vielfachintegration hinsichtlich ihres zeitlichen Aufnahmefensters von einem in Relation zur Spannungskurve des Spannungserzeugers mit einem synchron zur erzeugten Spannung laufenden Schreibwerk ausgewertet wird, wobei der Fotodiode

ein Verstärker nachgeschaltet ist, der über einen vom Spannungserzeuger gesteuerten Integrator mit einem die Steuersignale abgebenden Schwellwertdetektor verbunden ist.

In der Gesamtanordnung werden also vorteilhaft

^βο kombiniert:

I) Es wird mit einer Anordnung von Laserdioden, die vorzugsweise Galliumarsenid-Dioden sind, in an sich bekannter Weise mit einer Impulsfolgefrequenz von etwa 1000/s und mit einer Impulsbreite von etwa 100 ns und einer Spitzenleistung der Gesamtanordnung zwischen 100 und lOOOW gearbeitet bei einer minieren Leistung zwischen

0,1 und 1W, wobei diese Strahlungsimpulse mittels eines optischen Systems an sich bekannter Art schwach divergent ausgesandt werden, z. B. mit einer Divergenz zwischen 5 und 20mrad. Im Falle der Aufgabenstellung der Erfassung von Ncbelbänken über See wird der Strahl parallel zur Wasseroberfläche von der Küstenstation ausgesandt.

II) Eitle lichtstarke Empfangsoplik, z. B. ein großer Parabolspiegel mit Casscgrain-Anordnung, mit einer Fotodiode im Brennpunkt mit einem vorgeschalteten Schmalbandfiltcr, das auf die Frequenz der ausgesandten Wellenlänge abgestimmt ist, ermöglicht die von der Ncbclbank zurückkommenden Signale zu empfangen, wobei bei üblichen Distanzen von z. B. i bis 5 km am Tage damit zu rechnen ist, daß die Signale unter oder nur in der Größenordnung von 1 °/o des Rauschens liegen, das eine Fotodiode auf Grund der Tageslichtbeleuchtung in dem durchgelassenen Spektralband erzeugt.

III) Die empfangenen im Rauschen liegenden reflektierten Signale werden von dem Rauschen in an sich bekannter Weise (»SAICOR SIGNALS«, SIGNAL ANALYSIS INDUSTRIES COR-PORATION/595 OLD WILLETS PATH/ HAUPPAUGE, NEW YORK 11787/(516) 234—5700 vom April 1970) dadurch bereinigt, daß sie mittels eines elektronisch gesteuerten Zeittores vielfach, z. B. 100- bis 400fach integriert werden, wobei mit zunehmender Integrationsanzahl das Rauschen immer mehr nach Null konvergiert, das Signal dagegen anfangs linear, später einem Sättigungswert zustrebend als Nutzspannung anfällt.

IV) Das der zeitlichen Abtastung dienende elektronisch gesteuerte zeitliche Tor ist mit einem elektronischen Spannungserzeuger gekoppelt, der laufzeitmäßig von kleiner Distanz bis zu der größten Nutzdistanz, z. B. bei Entfernungen von 10 km entsprechend 30 /is Laufzeit, hin und zurück also 60 /<s Laufzeit, langsam das Zeittor von 0—60 /<s und zurück oder auch sprunghaft zurückschaltend entlangschiebt. Dieses Schieben geschieht so langsam, daß in jedem interessierenden Entfernungsbereich die gewünschte große Integrationszeit etwa vorhandener, im Rauschen versteckter Signale ausgenutzt wird.

Die höchste Empfindlichkeit würde also in der langsamsten Arbeitsgeschwindigkeit zu erreichen sein, wie folgendes numerisches Beispiel zeigt: Der Sender liefere. Impulse von 1000/s bei einer Impulsbreite von 100 ns. Der Empfänger sei so gestaltet, daß jeder lOOns-Bereich lOOmal statistisch integriert wird, d. h., daß man bei 1000 Impulsen/s 10 Bereiche zu je 100 ns, gesamt also 1//s/s, entsprechend 160 m hin und zurück abtastet. Für eine Entfernung von 1600 m Meßentfernung würde also die Prozedur bei voller Empfindlichkeit 10 s benötigen, bei 8 km Entfernung 50 s. Man kann diese Zeit erhöhen durch Erniedrigung der Impulsfolge der Laserdiodenanordnung oder verkürzen durch entsprechende Beaufschlagung mit Impulsfolgen bis zu 10000/s, was technisch auch heute bereits möglich ist.

Wenn die Aufgabenstellung nur darin liegt, eine Alarmvorrichtung beim Vorhandensein von Ncbelliänkcn auszulösen, ohne wissen zu wollen, in welcher Hntfcrnung die Nebelbank liegt, reicht es aus, wenn das Zeittor von Null beginnend zum Empfang der ersten starken Nebelsignale durchgefahren wird und dann sofort wieder auf Null zurüekliihrt und den Alarmzustand solange aufrechterhält, wie überhaupt bei jeglichem Durchlauf Alarmsignale anfallen. Dadurch sind in der Nähe befindliche Nebelbänke sehr

ίο häufig, z. B. 1 mal's anmeßbar, weiter entfernte nur sehr langsam auf Grund der dann längeren Abtastdauer. Dieses Verfahren ist besonders nützlich, wenn man die Anlage vertikal zur Erfassung von Wolken arbeiten läßt, denn dadurch können lür den Flugverkehr gefährliche niedrige Wolken mit hoher Abtastgeschwindigkeit vermessen und registriert werden, solche von großer Höhe, bei denen keine hohe MeIifolge erforderlich ist, jedoch auch noch mit Sicherheit mit langsamer Mcügeschwindigkcit erfaßt werden. Wenn man an einer zeitlichen Registrierung, d. h. Erfassung der Entfernung der Ncbelbank oder einer Wolke interessiert ist, kann man zugleich synchron mit dem Spannungserzeuger, der das zeitlieh elektronisch gesteuerte Tor von Null bis zur

»5 Maximalzeit hin und herschiebt, einen Schreiber arbeiten lassen, dessen Ausführung so gestaltet sein kann, daß er linear zu der Spannung die Feder führt und beim Empfang von Signalen z. B. Punkte schreibt, oder man kann auch den Schreiber selbst,

z. H. einen handelsüblichen Kompcnsographcn, mechanisch hin und herlaufen lassen und durch ihn ein Potentiometer mitdrehen lassen, das die gewünschte Spannung zur Erzeugung der zeitlich sich hin und hcrschicbcnd elektronischen Torstufc betätigt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unleransprüchen. In der Beschreibung und den Zeichnungen wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielsweise dargestellt. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 einen Küstenstreifen und eine in Küstennahe liegende Nebclbank,

Fig. 2 eine schcmatisclic Darstellung eines Schreibwerks mit einem auf die Zcigcrachsc aufgesetzten Potentiometer und

Fig. 3 eine schematische Darstellung von Sender, Empfänger und angeschlossenem Schreibwerk.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem Scndcrtcil 1, einem Empfängerteil 2 und einem Aufzeichnungsteil 3. Beim Senderteil 1 ist eine Laserdiode 4 im Brennpunkt eines Spiegels 5 angeordnet. Die Laserdiode 4 erhält ihre Energie aus einem Energieteil 6, der mit einem Frequenzteil 7 zusammenarbeitet. Im Frequenzteil 7 kann die Sendefrequenz der ausgesendeten Strahlen 8 zwischen 100 und 1000/sec geändert werden.

Der Empfängerteil 2 hat zum Empfang der reflektierten Strahlen 9 einen Parabolspiegel 10, in dessen Brennpunkt ein hyperbolischer Spiegel 11 angeordnet ist. Dieser faßt die reflektierten Strahlen 9 zu einem schmalen Bündel 12 zusammen, das durch eine Öffnung 13 im Parabolspiegel 10 auf eine außerhalb des Parabolspiegels 10 angeordnete Fotodiode 14 gelenkt wird. Vor dem Auftreffen auf die Fotodiode

14 passiert das schmale Strahlenbündel 12 einen Interferenzfilter 15, in dem ein großer Anteil störenden Lichts ausgefiltert wird. Da das Interferenzfilter

15 im Bereich schmaler Strahlenführung liegt, kann ein hoch aktives Schmalbandfilter eingesetzt werden.

7 8

Die die I olodiode 14 verlassenden elektrischen im Strahlengang angeordnet. Diese Anordnung im

Impulse werden in einem Verstärker 16 veisliitkt. In Bereich der schmalen Strahlcnfiilming des lnng-

einnn Inlciiratoi 17 worden Stüreinllüsse untcrdiüekt. bicnnweitigen hyperbolischen Spiegels 11 hat große

AuIh.in und Wiil-ungswci .c des lntegratin ■; 17 wer- Vorteile gegenüber einer Anordnung des Filters 15

den inn b /Ii hcsdiicibcn sein. 5 im Brennpunkt des Parabolspiegels 10. Durch die

Dei Aul/eicliuungsteil 3 besteht aus einem Schreib- schmale Strahlführung wird verhindert, daß seitlich

wcik IiI. das das/cicho-npapier 19 an einem/eichen- sehr steil einfallende Strahlen auf das Filter 15

still 20 entlang ttansportieit. Der Zeichenslift 20 ist (reiten. Infolge der direkten Durchstrahlung wird

lv\w rliih Mir dein /eklicnpapier 19 angcoidnct und eine gute F⁷ilterwirkung eines gegebenen r^:ilters er-

Luiii Ivi Hi'dail ;nis dor abgehobenen Stellung in die io reicht. F.s wird ein gutes Filter benutzt. Dieses unter-

Schrcibstcllung gebracht werden. Mechanisch fest drückt einen wesentlichen Teil des auf (irund des

gekoppelt mit dem Antrieb des Zeiehenstifles 20 ist aulgefangenen Tageslichtes entstehenden Rauschens,

ein Potentiometer 21, das eine symmetrische Gleich- das die Signali|ualilät der reflektierten Laserstrahlen 9

spannungskurve, /.. B. eine Sägezahnkurve erzeugt, sehr verschlechtert. Um eine gute Fillcrwirkung im

deren Spannungswerte beispielsweise von 0 bis K)OV 15 Interferenzfilter 15 zu erhalten, kommt es also darauf

gleichmäßig anwachsen und dann wieder auf OV an, ihn im Strahlengang eines lang brcnnweiligen

zurückspringen. Da das Potentiometer 21 synchron Spiegels 11 anzuordnen. Besonders günstig ist ein

mit dem Zeichenslift 20 bewegt wird, entspricht Cassegrain-Spiegel, mit dem Brennweiten von 1

jedem einzelnen Punkt der Maßskala ein bestimmter bis 2 Meter erreicht werden. Mit dieser Anordnung

Spannungswert. *o kann das F.mpfängergchäuse klein gehalten werden.

Der Antrieb des Zeichenstiftes 20, mit dem dieser Hine Vergoldung der Spiegelfläche verbessert zusätzin die Schrcibstcllung auf das Zeichenpapier 19 ge- lieh die Wirkung gegenüber einer Aluminiumobcrdrückt wird, wird über ein nicht dargestelltes Relais däche.

von einem Schwellwcrtdelcktoi 22 gesteuert. Dieser Die aus dem Interferenzfilter 15 austretenden

ist mit dem Integrator 17 verbunden und gibt zur as Lichtstrahlen werden in der Fotodiode 14 in elek-

Steuerung des Zeichenstiftes 20 immer dann ein irische Impulse umgewandelt. Günstigerweise wird

Nutzsignal ab, wenn der von dem Integrator 17 ab- eine Siliciumfotodiode von etwa H mm Durchmesser

gegebene elektrische Impuls oberhalb einer vor- gewählt,

gegebenen Schwelle liegt. Die elektrischen Impulse, die noch einen hohen

Das Potentiometer 21 steuert entsprechend den 30 Rauschanteil haben, werden im Verstärker 16 ver-

von ihm erzeugten Spannungswcrten den Fnergie- stärkt und auf den Integrator 17 gegeben. Dieser

teil 6. Damit wird die Signalslart/.eit der Laserdiode 4 besteht im wesentlichen aus einer Zeittoranordnung,

von dem jeweiligen Spannungswert des Detektors 22 in der das im Rauschen enthaltene schwache Signal

abhängig gemacht. Da die Spannungswerte wegen des rellckticrten Lichtes verstärkt wird. Die Öffnung

der mechanischen Kopplung zwischen Detektor 22 35 des Zeittors wird entsprechend der Laufzeit des

und Zeichenstift 20 Punkten der Meßskala des Liehtimpulses vom Sender zum Empfänger gestcu-

Schreibwerkes 18 entsprechen, ist damit gleichzeitig crt. Fs öfTnet nur für die Dauer des Lascrimpulscs,

jedem einzelnen Punkt der Meßskala eine ganz bc- z. B. 0,1 Mikrosckunde. Auf diese Weise wird das

stimmte Signallaufzeit der Lascrdiodensignale und Rauschen, das außerhalb dieser Öffnungszeit liegt,

damit ein Weiten- oder Höhcnmeßwerl zugeordnet. 40 ausgeschaltet.

Außerdem ist das Potentiometer 21 über ein Steuer- Zur Verstärkung des schwachen Reflcxsignals, das

organ 23, dessen Funktion weiter unten besehrieben auch nach Durchlaufen des Zeittores noch mit dem

werden wird, mit dem Integrator 17 verbunden. Rauschen während der Öffnungszeit des Zeittores

Das Schreibwerk 18 wird zunächst mit abgehobc- konkurriert, bleibt das Zeittor während einer geeignem Zeichenstift 19 in Betrieb gesetzt. Da gleich- 45 neten Vcrwcilzcit von z. B. 10 Mikrosckunden an zeitig das mit dem Antrieb des Zeichenstiftes 20 einer bestimmten Stelle stehen. Entsprechend häufig festgekoppelte Potentiometer 21 anläuft, wird der passiert das reflektierte Signal das Zeittor, also 7. B. F.ncrgictcil 6 entsprechend den Spannungswerten des lOOmal. Dabei wächst das kleine Rcflcxsignal linear Potentiometers 21 gesteuert. Der Encrgictcil 6 er- an, während das Rauschen durch die Integration klcizcugt Impulse von 100 Nano-Sckundcn (nS). Diese 5° ncr wird und gegen Null konvergiert. Jc nach Bedarf haben eine Spitzenleistung bis zu 1000 Watt. Bei kann die Integration 40()mal wiederholt werden. In einer vom Frequenzteil 7 eingehaltenen Frequenz der Praxis hat sich eine hundcrtmalige Integration von 1000 Impulsen pro Sekunde beträgt die von der als günstig erwiesen. Wenn der Impuls groß genug Laserdiode 4 abgestrahlte mittlere Energie Vm W, die geworden ist, wird über den Schwcllwertdctektor 22 für das menschliche Auge unschädlich ist. 55 ein Nutzsignal abgegeben. Dieses steuert über ein

Die von der Laserdiode 4 ausgesandten Strahlen 8 nicht dargestelltes Relais den Zeichenstift 20 in die

werden von dem Spiegel 5 abgestrahlt. Solange kein Schreibsteilung. Auf diese Weise entsteht auf dem

Nebel oder keine Wolken vorhanden sind, werden über das Schreibwerk 18 transportierten Zeichen- |

keine Strahlen reflektiert. Im Empfängerteil 2 wird papier 19 ein Strich oder Punkt für die Dauer des

also kein reflektiertes Licht empfangen. Sobald aber ^6o Signals. Auf dem Zeichenpapier 19 entsteht ein Bild

eine Ncbclbank 24 im Strahlengang des an der Küste der Struktur der Wolken- oder Nebclbank. Wenn

25 in einer automatischen Wetterstation 26 aufge- die Vorrichtung als Wolkcnmcsser eingesetzt wird,

stellten Scndcteils 1 auftaucht, wird ein Teil der aus- können bei einer Intensität von etwa 300 Watt auf

gesendeten Strahlen 8 reflektiert. Sie treffen auf den der Laserdiode Wolkcnhöhen bis etwa 1500 m cr-

Parabolspicgcl 10, der sie entweder direkt oder über ⁶5 reicht werden. Entsprechend der für die Integration

den hyperbolischen Spiegel 11 auf die Fotodiode 14 notwendigen Vcrwcilzcit muß das Potentiometer 21

lenkt. und damit die Bewegung des Zeichenstiftes 20 gc-

V(H der Fotodiode 14 wird das Interferenzfilter 15 steuert werden. Die Schreibgcschwindigkcil des

Zeichensliflcs 20 muli so bemessen sein, chili für das Schaltung vorgesehen sein, hei der in Bereitschalts-

Zeitlor die notwendige Zeit/ur Integration des NuI/- stellung das Sehreihwerk 18 abgeschaltet ist. IJei

signals zur Verfügung sieht. dieser Schaltung arbeitet die Vorrichtung in Bereit-

Dahei stellt sich allerdings heraus, dall bei lech- sehaftsstellung mit einem vom Schreibwerk 18 abge-

nisch vernünftigen Schreibgeschwindigkei!.·!! die /eil 5 koppelten Potentiometer. lirst beim r.rscheinen der

für eine hinreichende Integration /iir Verfügung ersten Reflexionssignale wird das mit dem Schieib-

·.tehi. Die Schreibgeschwiiidigkeit des Zeichenstiftes werk 18 fest gekoppelte Potentiometer 21 einge-

20 kann also ausschließlich nach ilen Bedürfnissen schaltet, bei dem jedem Spannungswert eine he-

i-ines ausreichenden Auflösungsvermögens gewählt stimmte Zeigerstellung zugeordnet ist.

weiden Ι»: den Metenrolouen bei tiellieuenden io Darüber hinaus kann mit dem Anfahrpolcntiome-

Wolken eine feine Struktur besonders interessiert, ter auch eine automatische Warnanlage verbunden

was bei hoch liegenden Wolken nicht notwendig ist, sein, die beim Auftauchen der ersten Rellexions-

werden die Geschwindigkeiten vorn Schreibwerk 18 signale in Betrieb gesetzt wird. Diese Warnanlage,

und dem Antrieb des Zeichensliftes 20 abhängig von die /.. B. als Nebelhorn ausgebildet sein kann, meldet

der Wolkenhöhe geregelt. Die für liefe Wolken er- 15 z. U. der Küstenschiffahrt das Auftauchen von Ncbel-

wünschte feine Struktur wird im schnellschreibenden biinkcn. Sie wird unabhängig von der Entfernung

Gang, die grobe Struktur für hohe Wolken im lang- der Nebelbänke von der Küste ausgelöst,

sam schreibenden Gang aufgezeichnet. Dabei kann Senderteil 1 und I-'mpfiingcrtcil 2 können in einem

die Umschaltung vom Schnellgang in den Langsam- gemeinsamen Gehäuse angoerdnet werden. Dabei

gang abhängig von der Wolkenhöhe und damit den ao wird die koaxiale Anordnung bevorzugt. In der

Lichtimpulslaufzeiten automatisch gesteuert werden. Lichleiniritts- und -austrittsölfnung des Gehäuses

Darüber hinaus kann die Vorrichtung mit einem kann eine Blende angeordnet sein, die im Querschnitt

Bereitschaftsgang ausgerüstet werden. Dieser stellt wie eine Honigwabe aufgebaut ist. Die auf diese

eine besonders langsame Gangschaltung dar, die so- Weise entstehenden, parallel laufenden Lichleiniritts-

lange eingeschaltet ist, als die Vorrichtung ohne as schächte verhindern den Eintritt von seitlich ein-

Uellexionssignale in Bereilschaltsstellung betrieben fallendem Streulicht auf die .Spiegelanordnungen,

wird. Sobald die ersten Rellexionssignale empfangen Insbesondere bei verschmutzten Lichteintriltsgläsern

werden, wird die Vorrichtung in einen schnelleren entstehendes Streulicht wird dadurch vom Hinfall

Gang geschaltet, je nachdem ob es sich um hohe oder auf die Spiegel ausgeschlossen.

liefe Wolken bzw. nahe oder entleinte Nebelbänke 3° Statt eines Potentiometers 21 kann jeder vergleichhandelt, bare Spannungserzeuger, z. B. ein Kippsehwingungs-

I Mitsprechend kann die Folge der ausgesendeten erzeuger, benutzt werden. Die Verbindung zwischen

Impulse gesteuert werden. In dem der Bereitschafls- dem Spannungserzeuger und dem Senderleil 1 einer-

stellung entsprechende Langsamgang reicht beispiels- seits bzw. dem Empfüngerteil 2 andererseits kann

weise eine Impulsfolge von 100/s aus, während sie 35 über übliche Telefonleitungen hergestellt werden,

im Schnellgang bis auf 1000/s gesteigert werden kann. Für Senderteil 1 und Empfängerteil 2 können

Bei kleineren Impulsfolgen ist auch die Verweilzeit beliebige Spiegel verwendet werden. Allerdings wird

auf einem Zeittorfenster größer als bei großen Im- dann bei angestrebten Brennweiten von 1 bis 2 m

pulsfolgen. Infolgedessen wird auch der Integrator auf der Empfängerseite das Gehäuse sehr groß, so

17 über ein Steuerorgan 23 abhängig von der Dreh- 4° daß die vorgeschlagenen Cassegrain-Spiegelanord-

zahl des Potentiometers 21 gesteuert. Bei einer Im- nung zu bevorzugen ist.

pulsfolge von l()()/s kann eine Verweilzeit von 1 s Als Sender hat sieh besonders eine Laserdiodenangenommen werden. anordnung bewährt, bei der eine Vielzahl von klei-

Die vom Frequenzteil 7 gesteuerte Impulsfolge ncn Laserdioden mit etwa 20 Watt Spitzenleistung kann bei tiefen Wolken bis auf K)OOHz gesteigert 45 in einer Fläche hintercinandergeschaltet sind. Bei

werden. Bei dieser einer hohen Abtastgeschwindig- Anordnung von 50 Stück ergeben sich die angestreb-

keit entsprechenden Impulsfolge muß für eine ausrei- ten 1000 Walt Spitzenleistung. Die Strahlung der

chende Kühlung der Laserdiode 4 gesorgt werden. Diodenunordnung wird durch eine kleine vorge-

Die Kühlung würde eine große installierte Leistung schaltete Linse zu einem Strahl mit einem Winkel erfordern, wenn sie dauernd eingeschaltet wäre. Da 5° von etwa 30" gebündelt. Dieser Strahl von einem

aber bei automatischen Weiterstationen ein kleiner kleinen Parabolspiegel 5 von etwa 200 mm Brenn-

Leistungsbedarf angestrebt wird, werden zur Kühlung weite und 200 mm Durchmesser ist auf die anzu-

der Laserdiode 4 Halbleiterkühlelemente benutzt. messende Nebelbank gerichtet, auf der ein kleines

Diese unter dem Namen Peltier-Elemente bekannten Pünktchen abgebildet wird. Durch Zuschalten eines Kühlelementc erzeugen auf elektrothermischem Wege 55 Hochfreciuenzverstärkers und Verwendung nicdcr-

die Kühlleistung, die an der Warmlötstelle abgenom- ohmiger Transistoren werden Senderimpulse mit

men wird. Sie arbeiten mit einem guten Wirkungs- steilen Flanken erzeugt. Bei ihnen sind die thermt-

grad, weil die elektrische Energie unmittelbar in sehen Verluste außerhalb des Scheitels eines Impulses

Wärmeenergie umgesetzt wird, und sie erzeugen eine am geringsten.

Kühlleistung bis zu einigen hundert Watt. ⁶" Zur übersichtlichen Darstellung der aufgenomme-

Die Kühlung kann frei|iien/abhängig gesteuert nen Meßwerte kann ein logarithmischer Verlauf der

werden. Bei niedrigen Frequenzen ist sie ausgeschal- vom Spannungserzeuger erzeugten Spannung gewählt

tet und wird erst bei hohen Frequenzen eingeschaltet. werden. Diesem logarit'nmischem Spannungsverlauf,

Bei voller Kühlung kann die Laserdiode, für die be- der durch entsprechende Drehzahlsteuerung des

vor/ugt ein Gallium-Arsenid-Laser verwendet wird, 65 Spannungserzeugers erzeugt wird, wird jin logarith-

noch bis zu 5000 Hz betrieben werden, ohne daß sie misch geteiltes Zeichenpapier 19 zugeordnet. Im Bc-

unzulässig heiß wird. reich der niedrigen Wolkenhöhen sind die Weiten

Zur weiteren Einsparung von Energie kann eine auf dem Zeichenpapiirr 19 gedehnt, während sie im

Bereich der weniger interessanten größeren Höhen enger sind. Entsprechend läuft am Anfang der Skala der Spannungserzeuger langsam und am linde schneller.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (20)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Erfassen meteorologischer Zustände, insbesondere zum Nachweis von Nebelbänken auf See zur Messung der Reflexion von in das zu messende Luftvolumen ausgesendeten leistungsstarken Lichtimpulsen, mit einem Spannungserzeuger, dessen Spannungskurve sich in voi bestimmter Weise ändert, zur Steuerung eines Steuersignale abgebenden Lichtimpulsempfängers und eines Lichtimpulssenders, der eine aus hintereinandergeschalteten Einzellaserdioden, insbesondere Galliumarsenidlaser-Dioden bestehende Diodenanordnung aufweist, die Lichtimpulse mit einer mittleren Leistung von etwa 0,01 bis 0,1 W und einer Spitzenleistung von 100 bis 1000 W, einer Impulsbreite von etwa 100 Nanosekunden und einer Impulsfrequenz von 100 ao bis 1000/sec aussendet und wobei durch Vielfachintegration die Signale von Störungen bereinigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielfachintegration hinsichtlich ihres zeitlichen Aufnahmefensters von einem in Relation zur Spannungskurve des Spannungserzeugers (21) mit einem synchron zur erzeugten Spannung laufenden Schreibwerk (18, 20) ausgewertet wird, wobei der Fotodiode (14) ein Verstärker nachgeschaltet ist, der über einen vom Spannungserzeuger (21) gesteuerten Integrator (17) mit einem die Steuersignale abgebenden Schwellwertdetektor (22) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schreibwerk (18, 20) automatisch bei tiefliegenden Wolken auf einen Schnellgang und bei hochliegenden Wolken auf einen Langsamgang umschaltbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotodiode (14) als Siliziumdiode mit einem Durchmesser von 8 mm ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik und der Lichtimpulssender (1) eine der Größe des von der Fotodiode (14) einfangbaren Bildes angepaßte Auslegung aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Senderteil (1) und Empfängerteil (2) in einem gemeinsamen Ge- j₀ häuse angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Senderteil (1) und Empfängerteil (2) koaxial im gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Eintritt des Lichtes in das Gehäuse ein die Strahlenrichtung ordnendes Wabengitter angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für Schönwetterbetrieb eine Bereitschaftsstellung mit einer Impulsfolge von 100 Hz und für Schlechtwetterbetrieb eine Einsatzstellung mit einer Impulsfolge von 1000 Hz bei einer Verweilzeit von I see vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine automatische Umschaltung zwischen Einsatzstellung und Bereitschaftsstellung vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Impulsfolge bis zu 5000 Hz einschaltbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Diodenkühlung vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Diodenkühlung bei hohen Impulsfrequenzen automatisch einschaltbar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Diodenkühlung eine elektrische Halbleiterkühlung nach Art eines Peltier-Elementes vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Schreibwerk (18, 20) eine der Abtastgeschwindigkeit des Senderteils (1) entsprechende Verweilzeit von 10 Mikrosekunden aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Schreibwerk (18) eine der eingeschalteten Impulsfrequenz entsprechende Papiervorschub-Umschaltung aufweist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Papiervorschub der jeweiligen Wolkenhöhe entsprechend automatisch umschaltbar ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Wolkenhöhe ein logarithmischer Spannungsverlauf des Spannungserzeugers (21) angepaßt ist und das Aufzeichenpapier (19) logarithmisch geteilt ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine von dem Steuersignal betätigte Alarmvorrichtung vorgesehen ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Alarmvorrichtung automatisch einschaltbar ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Spannungserzeuger vorgesehen sind, von denen der eine in Bereitschaftsstellung ohne Schreibwerk (18, 20) und der andere (21) in Einsatzstellung mit Schreibwerk (18, 20) einschaltbar ist.