DE2207331A1 - Verfahren zur messung der schraegund horizontalsicht - Google Patents

Description

• VERFAHREN ZUR MESSUNG DER SCHRÄG- UND HORIZONTALSICH Zu dem Thema dieser Patentanmeldung exis deren bereits zahlreiche Vorschlage und Veröffentlichungen¹). Allen diesen Vorschlägen ist ge meinsam, daß sie in die zu messende Atmosphäre einen Impulslichtstrahl konstanter Amplitude emittieren und das zurückgetstreute Bei einem Verstärker zuführen, dessen Verstärirnng mit dem Quadrat de Abstandes von der Lichtquelle zunimmt une be dem die Menge des zurückgestreuten Lichtes über die Entfernung entweder in Entfernungsscheiben oder stetig integriert wird Die Verfahren benötigen aufwendige Mittel. Entweder ist eine weiße I Lichtquelle von nur 10 ns Dauer erforderlich, was sich mit hinreichender Intensität nicht realisIeren läßt, oder es sind mehrfarbige Laser erforderlich, da monochromatische Laser mit nur einer Wellenlänge durch die mögliche Resonanz von Tröpfchengrößen mit del Laserwellenlänge zu zu viel Messungen führen würde. Ferner ist allen bisher bekannten Verfahren gemeinsam, daß sich die Regelung mit dem Quadrat des Abstandes über außerordentlich große Bereiche vellziehen muß.
• Beispiel Wenn die Reichweite be 10 m beginnend und bis 1500 m endend sich erstrecken soll, wird ein Bereich von 1 :150 umfaßt, und die Regelung entsprechend dem Quadrat dieser Zahlen muß 1: 23 000 überdecken. Ersichtlich ist, daß die in den bisherigen Publikationen und Schutzrechten dargestellten Verfahren recht aufwendig sind.
• Bei genauer Lektüre findet man fernerhin, daß allen bisher bekannten Verfahren ein Fehler anhaftet, an den offenbar die Erfinder nicht gedacht haben : Zum Empfang der reflektierten Laserstrahlung aus den Zonen von z. B. 1000 m benötigt man unter allen Umständen eine großflächige Empfangsoptik, beispielsweise ein Cassegrain-System mit z. B. 60 cm Spiegeldurchmesser und einer Brennweite von beispielsweise 2 m. Wenn man dasselbe Cassegrain-System jedoch zum Empfang einer Strahlung, die aus 10 bis 100 m zurückkommt, verwenden will, stößt man bei der Realisierung dieser Erfindung auf unüberwincliche Schwierigkeiten, denn eine Optik liefert nur dann scharfe Bilder im Brennpunkt, wenn das abzubildende Objekt mindestens 100 bis 200 1) siehe Anlage mal so weit entfernt ist als die Brennweite. Bei einem Cassegrain-System von z. B. 2 m Brennweite müßte man daher mit der Messung erst bei 200 bis 400 m Distanz beginnen. Wenn man atmosphärische Zonen aus näheren Entfernungen abbilden will, ist das mit dieser Optik schlechterdings unmöglich, zumal sich solche Optiken nur auf eine der Achse sehr benachbarte Bildzone korrigieren lassen. Den Einfluß dieser Grundgesetze der geometrischen Optik hat bisher keine der untengenannten Vorveröffentlichungen berücksichtigt.
• Die Erfindung geht nun davon aus, daß als Zielsetzung eine auch in der Praxis fertigbare einfache Anordnung resultieren soll, die sich konventioneller optischer Mittel bedient. Es kann gezeigt werden, daß bei einer vorgegebenen Wahl der Zeitabhängigkeit der Empfänger durch das zurückgestreute integrierte Signal ein direktes Maß der Transmission als Ausgangswert liefert, unabhängig von der räumlichen Verteilung der streuenden atmosphärischen Volumenelemente. Es gibt für jeden Abstand nur einen einzigen exakt richtigen Exponenten, der im Gegensatz zur Lehre der Literatur stets größer als 2 ist. Dieser läßt sich in der Praxis aufgrund der Vielfalt der eingehenden Parameter besser experimentell durch Eichung an einem Langbasistransmissometer ein für allemal festlegen, zumal die an sich mögliche Berechnung ohnehin durch die Messung kontrolliert werden muß. Bei Serienfertigung ist die gefundene Messung naturgemäß für alle Stücke gültig.
• Der Erfindung liegen folgende lapidaren Grund erkenntnisse zugrunde, die in dieser Kombination noch nicht bekannt sind.
• a) Es ist möglich, Impulsstrahlungsquellen mit quasi kontinuierlichem Spitzenspektrum zwischen 280 und 420 nm bei 20 bis 50 ns Impulsdauer und mit konstanter Amplitude herzustellen, deren Lichtintensität ausreicht, um eine brauchbare Rückstreuung z.B. bis zu 100 m Entfernung.
• noch zu bekommen. Die Intensität reicht jedoch nicht aus, um einen Entfernungsbereich bis zu 1500 m zu überdecken, da die verwendete elektrische Impulsenergie nur im Bereich zwischen 10 2 und 10 Ws liegt.
• b) Für einen Entfernun,sbereich von z.B. 100 bis 1500 m benötigt man infolge abnehmende r Genauigkeitsanforderungen keineswegs Strahlungsimpulse einer so enormen Kürze. Es reicht ii: diesem Falle aus, Lichtimpulse mit 1/4 µs Dauer zu verwenden, jedoch mit einer Intensität, die um den Faktor 100 bis 1000 stärker ist als die der erstgenannten lcurzzeitig-en Lichtquelle für die kurzen Entfernungsabschnitte. Die Energie wählt man pro Impuls zweckmäßig zu 2 bis 20 Ws.
• c) Da der Strahl in der Atmosphäre nicht stark divergieren soll, -man strebt Winkelbereiche zwischen 1/2 # 1, 30 an - muß das leuchtende Plasma des Funkens möglichst punktförmig sein. Es muß entweder nur bei Atmosphärendruck mit kleinem Elektrodenabstand oder, für den große ren Entfernungsbereich - mit hohem Druck im Entladungsgefäß gearbeitet werden, so dass trotz hoher Spannung der Funke klein ist d) Für Entfernungen bis 100 m kann man sich einer konventionellen nicht starken Optik mit sehr kurzer Brennweite bedienen, z. B. einer Optik mit einer Lichtstärke f/0, 9 und nur 50 mm Brennweite. Für diese ist bereits eine Entfernung von 200 f entsprechend 1 0 m übereinstimmend mit der Unendlich-Einstellung, so daß man den Entfernungsbereich von 10 m bis unendlich , d.h. entsprechend der erstgenannten Kurzzeitlichtquelle bis etwa 100 m mit einer solchen lichtstarken Optik ohne weiteres erfassen kann. Im Brennpunkt dieser Optik liegt in bekannte. Weise eine Photodiode oder ein Multiplier, der durch eine vorgelegte Maske nur den wirksamen Impuls strahl in der Atmosphäre, jedoch keinen unnötigen Hintergrund "sieht".
• e) Für den Entfernungsbereich von 100 bis 1500 ni kann man eine Cassegrain-Optik ohne weiteres konstruieren, deren Lichtstärke geringer ist, z. B. f/5 und deren Unendlich-Einstellung bei etwa 100-facher Brennweite hinreichend scharfe Bilder liefert. Man wird daher eine vergleichsweise lichtschwache Cassegrain-Optik zu benutzen haben, die etwa 1 m Brennweite hat und die den Entfernungsbereich von 100 bis 1500 m brennpunktscharf auf der Photodiode oder dem Multiplier abbildet. Dieser Cassegrain-Optik wäre dann der vergleichsweise langsame aber sehr leistungsstarke weiße UV-impulse zugeordnet mit etwa 0,25 µs Dauer.
• f) Wie aus a) bis e) ersichtlich, geht die Erfindung grundsätzlich davon aus, daß zwei ullteinander synchron laufende Verfahren verwendet werden, von denen die eine Lichtquelle mit zugeordneter Optik den Nahbereich, die andere Lichtquelle mit zugeordneter Optik den Fernbereich erfaßt.
• Beide Geräte können baulich vereinigt so aufeinander abgeglichen werden, daß sich die Meßresultate zügig aneinander anreihen, so daß keine Sprungstelle entsteht. Hierfür gibt es einfache Abgleichmethoden.
• g) Wegen der Tröpfchenvielfalt wurde in der Literatur die Anwendung eines Mehrfarbenlasers gefordert oder eine kontinuierlich strahlende, d. h. weiße Lichtquelle, die aber bei hoher Energie nur 0, 25 µs Dauer haben solli:e Erfindungsgemäß ist diese Lichtquelle als mit Löschfunkenstrecke versehene Funkenentladungs kammer mit einer Kondensatorentladungsspannung von mindestens 8 kV ausgebildet, wobei die Löschfunkenstrecke mit Wasserstoff. zu füllen ist und die Funkenkammer mit einer Mischung von etwa 10 bar Meon oder 40 bar Helium mit einem Zusatz von etwa 20 % Wasserstoff, Hierdurch erreicht man gegenüber dem zu lange nachleuchtenden Argon eine wesentlich schnellere Abklingdauer. Durch die erfindungsgemäße Anwendung hohen Druckes wird der Funke sehr klein, seine Temperatur extrem hoch, beispielsweise 200 0000, und bei Aufhören der elektrischen Entladung erhält man eine intensive Strahlungskühlung, so daß die Strahlung nach Beendigung der elektrischen Entladung nahezu abrupt dem Nullpunkt zustrebt. Die restlichen Ionisation wird durch das beigemischte Wasserstoffgas kompensiert, das als positives Wasserstoffion mit den negativen Neonionen sofort rekombiniert und ein ionisiertes Molekül bildet Ne H , das späterhin unter Aussendung eines infraroten Quants wieder zerfällt. Das Neon+-Ion entspricht dabei chemisch gesehen dem Fluorgas, ist sehr aggressiv und verbindet sich mit dem Wasserstoff bereits bei einer Entladungskanaltemperatur von ungefähr 30000, so daß auch das an sich schwache Nachleuchten, als "afterglow-tailZbekannt, unterbleibt.
• h) Das Abklingen der Leuchterscheinung eines elektriscllen Funken geht im allgemeinen nach einer Exponentialfunktion vor sich. Hierbei würde aber der langwelligere Spektralanteil des visuell weißen Lichten trotz der Maßnahme des vorgenannten Gedankens noch zu langsam abklingen. Es wird daher gefordert, daß die Messung in dem Gebiet des nahen Ultraviolett bis hineinragend in das Violett erfolgt. Hierbei erreicht man ausreichend "weißes" Spektrum, d.h. eine Polychromasie derart, daß man in dem Wellenbereich von etwa 20 bis 420 nm arbeitut, was einem Ä\ ellenlän genverhä.ltnls von 1 : 1, r3 entspricht ei diesem. Bereich, der einer halben Oktave entspricht, überdeckt man hinreichend gut sämtliche vorkommenden Tröpfchendurchmesser durch eine. entsprechende Vielfalt der Wellenlängen, so daß keine tropfengrößenabhängigen Resonanzen zu befürchten sind.
• Man erhält durch die obigen Maßnahmen zusätzliche Vorteile 1. Dieser Wellenlängenbereich ist für das menschliche Auge unschädlich und wenig sichtbar, da er fast ganz außerhalb der Sichtbarkeit liegt.
• 2. Der Wellenlängenbereich liefert meßtechnisch bei Sichtweften unter halb von etwa 1500 m Meßwerte, die identisch mit sichtbarem Licht sind. Nebel ist "weiß".
• 3. Bei Wahl dieses Wellenlängenbereiches kann man mit strahlungsgekühlten Hochstrom-Funkenentladungen arbeiten, die punktförmig sind, wobei die optische Impuls strahlung des Funkens in einer ausreichend kurzen Zeit von etwa 0, 25 µs Null errelcht. Es ist also stets hoher Fülldruck kombiniert mit einem Edelgas kleinen Atomgewichts mit Wasserstoffbeimengung zu verwenden und zugleich Filterung des gestrahlten Lichtes durch ein Filter, daß das nahe Ultraviolett durchläßt, jedoch das Sichtbare und insbesondere das Infrarote total blokkiert.
• Bei der Durchsicht marktgängiger breitbandiger Ultraviolett-Filter, fällt auf, daß viele noch ein Nebenmaximum der Transparenz im Infraroten haben. Man wird also gemäß der Erfindung die enipfangende Photodiode oder Multiplier mit einem zweiten Schutzfilter versehen, das das Auftreffen infraroter schädlicher Strahlung, da zeitlich zu langsam abklingend, unterbindet Nach der Erfindung hat jeder der beiden aufeinander abgestimmten und zueinander zugeordneten Empfangs-und Meßeinrichtungen einen nur beschränkten entfernungsmäßigen Wirkungsbereich. Daher kann nach der erfindung der der Pfunz der Entfernung mit einfachen Regelverfahren überdeckt werden. Für das kurzer Verfahren, das von 10 bis 100 m nur reicht, wird ein Regelbereich von 1 : 200 bis 1 : 500 ausreichen, für das "lange" entsprechend dem Entfernungsbereich von 100 bis 1500 m ein Umfang zwischen etwa 1 : 500 und 1 : 1500, wobei die UV-Extinktion der Luft berücksichtigt ist und auch das Faktum, daß erfahrungsgemäß handelsübliche Optiken niemals ideal sind. Nach der Erfindung ist daher stets mit einem Regelzeit-Exponenten über 2 zu arbeiten, z. B. VNt2>5.
• In weiterer Ausbildung der Erfindung wird man von ein und demselben Impulsgenerator sowohl die nur aus Funkenstrecke und Kondensator bestehende extrem niederinduktive Impuls strahlungsquelle mit 20 bis 50 ns Dauer für den Nahbereich als auch die mit Löschfunkenstrecke arbeitende Funkenstrecke mit 0, 25 ,us Dauer und großer Energie für den Fernbereich synchron betreiben, so daß beide Blitze zu genau gleicher Zeit stattfinden. Die Induktivität des Nahbereichs-Funkenkreises sollte unter 3 nH liegen, um die erforderliche zeitliche Kürze sicherzustellen.
• Man kann aber auch die Blitze im Wechseltakt derart stattfinden lassen, daß zimmer dann, wenn eine Meßpause des großen Meßbereichs stattfindet, eine Impulsmessung mit dem kleinen Meßbereich durchgeführt wird.
• Wenn man z. B. die große intensive Lichtquelle im 1 000 Hz-Rhythmus arbeiten läßt, würde man die kleine ebenfalls mit 1 000 Hz arbeiten lassen, jedoch immer während der Impulsintervalle.
• In jedem Falle wird man bestrebt sein, ohne die in der Literatur beschriebenen erforderlichen Hilfsvorrichtungen zur Kompensation der Schwankung der Lichtamplituden der Lichtquellen auszukommen, indem man Lichtquellen benutzt, die von vornherein einen konstanten Amplitudencharakter gewährleisten. Wo dies nicht möglich ist, muß man durch eingebaute optronisch gesteuerte feed-back-Schaltungen für automatische Konstanz der ausgesandten Impulsamplituden sorgen.
• Eine weitere Erkenntnis der Erfindung liegt in folgendem: Bisher bestand die Ansicht, daß für Lidar-Geräte und auch für Geräte für die Messung der Schrä ~sicht sowohl Sender wie auch Empfänger sehr hochwertige und damit teuere optische Systeme zu haben hätten. Es hat sich aber gezeigt, daß es ausreicht, entweder nur auf der Senderseite oder nur auf der Empfängerseite ein c4ertiges Spiegel- oder Linsensystem zu verwenden. Das Strahlu'isdiagramm des jeweils anderen Geräteteils muß lediglich breiter sein als das erfaßte scharfe Diagramm des hochwertigen optischen Systems. Vorwiegend wird man zur Minderung des optischen Rauschens infolge der Aufnahme dliYusen Togeslichtes den Empfänger mit einer genau dem atmosphärischen Meßstrahl entsprechenden nochrertigen Optik ausrüsten und vor die zugeordnete Photodiode oder den Photomultiplier ein ultraviolettes Breitbandfilter setzen, das unerwünschtes Tageslicht im roten bis blauen Bereich möglichst vollständig unterdrückt.
• Erfindungsgemäß kann bei Verwendung eines ungeregelten Strahlung empfängers die für die Messung erforderliche zeitlich variable Verstärkung optoelektronisch geregelt werden. Das rückgestreute Licht wird von einer Photodiode aufgenommen, die mit einem ladungsempfindlichen Verstärker kombiniert ist. Es gibt Schaltungskombinationen, deren Verstärkung mit zunehmendem Photostrom der Photodiode sinkt. Zur Regelung der zeitabhängigen Verstärkung wird erfindungsgemäß diese Photodiode mit einer Lumineszenzdiode veränderlicher Strahlung beleuchtet. Wenn die Lumineszenzdiode durch einen elektrischen Hilfsentladungskreis derart gespeist wird, daß ihr Leuchten mit vorgegebenem Zeitverlauf abklingt, wächst mit abnehmendem PhQtodiodenstrom die Verstärkung. Die beleuchtende, die regelungsbewirkende Lumineszenzdiode muß stets auf der Photodiode oder Photokathode einen etwas höheren Strahlungsfluß bzw. Photostrom gewährleisten als das durch das UV-Filter auftreffende restliche Hirnmelslicht, Das Verfahren läßt sich gut mit vorhandenen Computer-Programmen rechnen, z. B. auf Lampensicht, der sog. SVR (Slant Visual Range) Umformer, d. h. der Entfernung, aus der der Pilot anstelle terrestrischer Objekte die Landebahnlampen sieht. Hierbei geht die Umfeldhelligkeit der Piste und die Lampenintensität zusätzlich ein. Das Rechenverfahren ist an sich aus der Berechnung der RVR (Runway Visual Range) bekannt, die gleichen Programme sind hier anwendbar.
• Eine skizzierte Realisierung der Erfindung ergibt sich aus den nachfolgenden Zeichnungen. Es zeigen Fig. la, b eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung zur Ermittlung der Schrägsichtweite auf Flugplätzen, Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Verstärkungsregelung des Meßempfängers, Fig. 3 ein schematisches Schaltbild eines mit Photovervielfacher ausgerüsteten Empfängers, Fig. 4 ein Block-Diagramm eines Meßempfängers mit optoelektronisch geregeltem Verstärker und Fig. 5a, b erläuternde Diagramme zu Fig, 4.
• Bei dem an Hand der Fig. la erläuterten Schrägsichtweiten-Meßverfahren auf Flugplätzen sendet eine Funkenlichtquelle la über eine zugehörige vergleichsweise einfache Optik 2a Strahlungsimpulse aus. 'Im Falle der Strahlungsquelle für den längeren Meßbereich wird zweckmäßig die Edelgas -Hochdruckfunkenstrecke mittels der Löschfunkenstrecke lb durch die Kondensatorentladungen aus lc beaufschlagt, wobei der Kondensator lc in üblicher Weise rasch genug durch das Stromversorgungsgerät 1d aufgeladen wird. Die Aufladung kann auch mittels eines eingebauten Impulstransformators derart erfolgen, daß gemäß Fig. Ib periodisch, z. B. 1000/s, mittels transformierter Spannungsstöße der Kondensator ld durch die Sekundärwicklung des Transformators le über den Gleichrichter lf geladen wird und die Gegenrichtung mittels des Gleichrichters 1 g die einfache Funkenstreckenanordnung kurzer Entla -dungsdauer 1h mit dem Kondensator li im Wechseltakt zur Entladung bringt. Die zugehörige Linsenoptik ist 2b, die Strahlrichtung ist 5b.
• Die primärseitige Einspeisung des Transformators kann beispielsweise durch thyristorgesteuerte Transformatorentladungen aus 1k über 1 1 erfolgen, die Steuerimpulse treten bei lm ein. Die Optik 2a ist so ausgebildet, daß der Senderstrahl einen Winkel von nicht mehr als etwa 1/2 bis 1, 5° Strahlbreite hat. Auf diese Weise wird verhindert, daß die Strahlleistung ein unnötig großes Luftvolumen beaufschlagt. In unmittelbarer Nähe-befindet sich der zugehörige Strahlungsempfänger 3, welcher die durch meteorologische Trübung oder Nebel zurückgestreute Strahlung empfängt. Vor dem Empfängern bei dem es sich vorzugs?eise um einen Photovervielfacher mit nur wenigen, jedoch geregelten Stufen handelt, befindet sich eine Cassegrain-Anordnung 4 oder, für den :Nahbereich eine äquivalente hochwerüge Linsenoptik, die es erinöglicht, den - verglichen mit dem ausgesendeten Impulsstrahl5b - weniger stark divergenten Empfangswinkel 6 meßtechnisch zu erfassen. Dem Empfänger 3 ist ein nachfolgend noch näher zu erläuternder Operationsverstärker 7 zugeordnet, falls das mit mehr als dem Quadrat des Abstandes anwachsende Multiplier-Signal zu schwach ist oder ohne Regelung, z. B. bei Verwendung einer Photodiode gearbeitet werden soll.
• Die Ausgangssignale des Empfängers erreichen dann nach entsprechend geregelter Verstärkung einen Integrator 8 und können dann schließlich ein Anzeigegerät 9 betätigen, das die Sichtweite vorzugsweise als gestuften Digitalwert zur Schau stellt.
• Bei dem zugeordneten Meßempfänger kann man eine Schaltung gemäß Fig. 3 verwenden. Das einfallende Licht 20 trifft auf die Photokathode 21 eines Photovervielfachers 22 mit UV-Empfindlichkeit durch ein optisches UV-Bandfilter. Die Verstärkung dies es Photovervielfachers 22 wird durch Regelung der Spannung seiner Vervielfacher-Elektroden zeitlich so verändert, daß sie mit dem Quadrat der LichtlaufzeitXoder einer noch höheren Potenz zunimmt. Diese Verstärkung erfolgt bei der Schaltung gemäß Fig. 5 wie folgt. Der zuvor in nicht näher dargestellter Weise aufgeladene Kondensator 23 lädt bei Schliel3en des Schalters 24 über den Widerstand 25 den Kondensator 26 auf. Mit zunehmender Spannung am Kondensator 26 steigen die Stufen- und Totalverstärkung des Vervielfachers. Die Regelfunktion ist beliebig bestimmbar durch die Stufenzahl, die geregelt wird. Je Stufe ist eine Regelung von 0 ... 5 möglich, so daß sich bei drei Stufen bereits ein Regelbereich von 0 125 ergibt. Auch können zur Kurvenkorrektur einzelne Dynoden zusätzliche R-C-Glieder haben.
• Wenn gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ein elektronischer Schalter 27 vorgesehen ist, bei beispielsweise nach 10 ps, entsprechend 1500 m Meßdistanz den Kondensator 26 kurzschließt, ergibt sich eine Verstärkerregelung, wie es das Diagramm der Fig. 2 zeight. In dieser X)Für den Nahbereich reicht die quadratische Regelung meist aus, da die Absorption der reinen Luft noch nicht stört.
• Figur sind für drei Arbeitsfolgen die Anderung der Verstärkung nach der Zeit aufgetragen. Die die Verstärkung angebende Ordinate des Diagrammes ist logarithmisch geteilt. Der Anodenausgang des Photovervielfachers 22 speist, wie bereits zuvor erläutert, wiederum über einen Integrierkreis 28 eine Anzeigevorrichtung 29.
• Um den Zeitpunkt des Beginns der Regelung zu fixieren, verfährt man so, daß man eine untere sinnvolle Meßgrenze, z. B. 10 m für den Nahbereich und 100 m für den Fernbereich festlegt, unterhalb derer die Verstärkung praktisch Null ist, d. h. keine Messungen erfolgen.
• Die'Regelmethode durch Anwendung der Lumineszenzdiode ist schematisch in der Fig. 4 gezeigt. Der Meßempfänger enthält eine Photodiode 30 mit nachfolgendem logarithmisch geregeltem Operationsverstärker 31. Der Ausgang des Verstärkers 31 speist hier wiederum über einen Integrierkreis ein Anzeigegerät. Der Verstärker 31 läßt sich mit handelsüblichen integrierten Schaltungen so aufbauen, daß er die gewünschte Verstärkungsregelung vornimmt. Vorzuziehen ist jedoch erfindungsgemäß eine mögliche opto-elektronische Variante der Verstärkerregelung. Die Photodiode 30 mit nachgeschaltetem Ladungsverstärker 31 und vorzugsweise logarithmischer Charakteristik kann so ausgelegt werden, daß der Verstärkungsfaktor umgekehrt proportional dem durch die Photodiode 30 fließenden Gleichstrom ist. Wenn man nun die empfangende Photodiode 30 mit der Fluoreszenzdiode 32 hell beleuchtet, ist die Verstärkung klein. Der Stromkreisversorgungsteil 33 der Lumineszenzdiode 32 wird nun synchronisiert von dem Impuls des Senders 34 so gesteuert, daß der durch die Lumineszenzdiode 32 fließende Strom z.B. nach einer e-Funktion zeitlich abfällt. Geschieht dies, sinkt ihre Lichtemission entsprechend ab, die Verstärkung steigt an. In ausreichendem Umfang entspricht das logarithmische Abfallen der erforderlichen Parabel 2, 3 ... 3. Ordnung, zumal Sichtmessungen Fehlertoleranzen von etwa + 20 % entsprechend der naturgegebenen Streubreite visueller Schätzungen zulassen. Die e-funktionell abfallende Stromkurve ist aber technisch wesentlich einfacher als ein genauer parabolischer Abfall höherer Ordnung zu realisieren. Zur Erläuterung der Schaltung der Fig. 4 zeigt Fig. 5a das Abfallen der Lichtemission in Abhängigkeit von der Zeit und Fig. 5b das Ansteigen der Verstärkung während der gleichen Zeit.
• Um die Strahlung ungehindert aus-treten zu lassen, kann man entweder eiii UV-durchlässiges Speziaiglas verwenden, das genügend druckfest ist, oder einen druckfesten, ggf. glasfiber-bewehrten oder niit einer 5 Idr a htspirale druckmäßig gesicherten Quarzzylinder, denn kalter Quarz ist spröde. Zum Angleich des Elektrodenabstandes an den hohen Fülldruck macht man bei der intensiven Blitzlampe für den Fernbereich den Abstand zweckmäßig durch eine druckdichte Mechanik von außen veränderlich. Statt Glas oder Quarz können auch hinreichend UV-transparente Kunststoffe verwendet werden.
• Naturgemäß kann man die erfindungsgemäße UV-Sichtmeßanlage winkel-und ortsmäßig beliebig einsetzen, auch etwa zur Bestimmung der horizontalen Sichtweite ohne Verwendung einer Gegenstation oder der "Tragweite" der Befeuerung eines Leuchtturmes oder transportabel. Sie unterliegt im Gegensatz zu bekannten TE;inrichtungen keinerlei Beschränkungen, da sie 1. kaum bzw. kein sichtbares Licht benutzt, das mit anderen Signallichtern interferiert; 2. im Gegensatz zu Lasern keine Gefährdung für das Auge darstellt.
• Modifiziert mit entsprechend höheren Regelexponenten und kürzeren Laufzeiten läßt sie sich auch für Sichtmeßaufgaben unter Wasser, z. B.
• imsitu-Betrieb in der Oceanographie anwenden.
• Letztlich ist daran zu denker, daß bei größeren Verkehrsflugzeugen das Gerät als Bordanlage eingebaut wird, da es ohne Unterschied gleichgut auch von oben nach unten mißt.

Claims (21)

Patentansprüche

1. Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Schräg- und Horizontalsicht, gekennzeichnet durch gemeinsame Anwendung der nachstehenden Merkmale a) Es wird als Strahlungsquelle eine rasche Folge von optischen Strahlungsimpulsem verwendet, deren jeder nach längstens 1/4 s beendet ist.

b) Als zugeordneter Empfänger dient eine elektro-optische Vorrichtung, deren Verstärkung schneller als mit dem Quadrat der Laufzeit anwächst.

c) Das gewonnene Ausgangssignal des Empfängers wird stetig oder in Stufen integriert und elektronisch zur Sichtanzeige (digital oder analog) verarbeitet.

2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage aus zwei verschiedenartigen Teilanlagen besteht, von denen die eine den Nahbereich bis etwa 100 m Abstand und die andere den Fernbereich bis etwa 1500 m erfaßt.

3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsdauer der Strahlungsquelle für den Nahbereich kürzer als die Impulsdauer der Strahlungsquelle für den Fernbereich ist, vorzugsweise kürzer als 0, 05 cers.

4. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als wirksamer Spektralbereich mittels optischer Filterung das Ultraviolett und nahe Violett im Wellenlängenbereich von etwa 280 bis 420 nm benutzt wird, derart, daß sich die kürzeste zu der längsten Wellenlänge mindestens 1:1, 5 verhält.

5. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsquelle für den kleinen Meßbereich eine ungesteuerte Funkenlichtquelle Verwendung findet, die eine konstruktive Einheit eines koaxialen Kondensators mit Funkenstrecke bei 1 bis 3 nH Gesamtinduktivität ist.

6. Verfahren und Vorrichtun nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle für den wettern Meßbereich ein Überdruck-Funkenentladungssystem ist, das aus einem Kondensator über eine Löschfunkenstrecke gespeist wird.

7. Verfahren und Vorrichtung rach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Löschfunkenstrecke mit Wasserstoffgas gefüllt ist und der Funkenentladungsraum mit einer Mischung eines Edelgases mit Wasserstoffzusatz.

8. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasfüllung aus einer Mischung von Neon mit Wasserstoff besteht, wobei der Partialdruck des Neon zwischen 5 und 15 Atmosphären und der des Wasserstoffs 1/5 bis 1/3 des Neondrucks beträgt.

9. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung der Funkenentladungskanimer aus einem UV-durchlässigen zugleich hochdruckfesten Zylinder besteht und daß der Funkenabstand durch von außen einstellbare mechanische Glieder, die zugleich druckdicht sind, willkürlich verändert werden kann.

10. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System oder die optischen Systeme im Falle der Anwendung von einer Mehrzahl von Systemen für Nah- und Fernbereich aus jeweils einer hochwertigen Empfängeroptik mit exakt begrenztem Aufnahmewinkel und einer weniger präzisen Spiegel- oder Linsenoptik für den Impulsstrahlungserzeuger ausgerüstet sind.

11. . Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger für den Nahbereich eine lichtstarke kurzbrennweitige Spiegel oder Linsenoptik ist, in dessen Brennpunktbereich hilfsweise zwischen dem elektro-optischen Detektor (Photomultiplier oder Photodiode eine der Sfraiabbildung entsprechende Maske angeordnet ist, die nur das Abbild eines Teiles der axialen Senderstrahlung durchläßt und daß die Empfangs optik für den Fernbereich aus einem optisch hochwertigen Parabolspiegel einer Cassegrain-Anordnung besteht, deren Brennweite kleiner als 1/100 des kleinsten zu messenden Abstandsintervalls ist und deren Strahlbild ebenfalls durch eine Abblendmaske definiert ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodetektor eine Photodiode (30) ist (Fig. 4) und daß der Photodiode (30) eine Lumineszenzdiode (32) zugeordnet ist, von deren Licht sie derart beaufschlagt wird, daß mit abnehmendem Photodiodenstrom die Verstärkung zunimmt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Lumineszenzdiode (32) derart gespeist wird, daß ihre Lichtemission nach einer Exponentialfunktion innerhalb von etwa 10 M5 auf Null abklingt, um die Verstärkung voll wirksam zu machen.

14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger aus einem Photodetektor (3), einem zeitabhängigen geregelten Operationsverstärker (7), dessen Verstärkung mehr als mit dem Quadrat der Lichtlaufzeit zunimmt und nach einer vorbestimmten Zeit (z. B. 10 ps) wieder auf den Anfangswert zurückfällt, einem Integrierkreis (8) und einem Anzeigegerät (9) besteht.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Photodetektor und zeitabhängig geregelter Verstärker ein Photovervielfacher (22) mit optischem UV-Bandfilter dient, dessen Verstärkung durch Regelung der Stufenspannung mindestens eines Teiles der Dynoden verändert wird (Fig. 3).

16. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltmittel vorgesehen sind, die die Verstärkungseigenschaft der Impuls-Iaichtempfänger nach einer vorgegebenen Zeit, entsprechend der Tragweite des Gerätes, abschaltet und erst wieder beim nächsten Impuls auf Bereitschaft schaltet.

7. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung für den Nahbereich und die für den Fernbereich gegenseitig im Wechseltakt derart arbeiten, daß niemals beide Strahlungsimpulse zugleich allsgesandt werden.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren beider Strahlungsquellen von einem Transformator gespeist werden, der primärseitig unter 1000 Volt durch eine Thyristorschaltung mit Stromimpulsen erregt wird.

19. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwert des Empfänger aus ganges einem Computer als Eingangsparameter zugeführt wird, in dem zusätzlich die Lampenhelligkeit der Befeuerung der Landepiste und deren Umfeldhelligkeit von zugeordneten Sensoren eingegeben werden, derart, daß als Ausgangswert die Schrägsichtweite der Befeuerungslampeu anfäl t.

20. Verfahren und Vorrichtung rach Anspruch 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung vom Luftfahrzeug aus durchgeführt wird mit schräg nach unten geneigter Strahlrichtung.

21. Verfahren und Vorrichtung nach Ansprucn 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer gekurzten Meßzeit und maßstäblich verkleinerten Optiken die Trübung von Wasser erfaßt wird, vorzugsweise im in situ-Betrieb.