DE2322210A1

DE2322210A1 - IMPULSE-OPTICAL CLOUD HEIGHT GAUGE INCREASED REACH

Info

Publication number: DE2322210A1
Application number: DE2322210A
Authority: DE
Inventors: Beantragt Nichtnennung
Original assignee: Impulsphysik GmbH
Current assignee: Impulsphysik GmbH
Priority date: 1973-05-03
Filing date: 1973-05-03
Publication date: 1974-11-14
Also published as: CH566013A5; DE2322210B2; DE2322210C3; FR2228225A1; FR2228225B3; IT1010362B

Description

Patentanmeldung Patent application

Pulse-optical cloud altimeter with increased range.

Die Erfindung betrifft die Verbesserung der Reichweite von impulsoptischen Wolkenhöhenmessern, die nach dem trigonometrischen Meßprinzip arbeiten. Hierbei wird von einem im allgemeinen mit Funkenlicht oder auch augenunschädlichem Laserlicht gespeisten Projektor Impulslicht gegen die Wolken geworfen und von einem Empfänger trigonometrisch der Winkel von Null bis 90° oder auch ein beschränkter Winkelbereich abgetastet, wobei ein Recorder synchron mitläuft und die Winkel registriert, aus denen Lichtimpulse aufgrund der Rückstreuung der Wolken empfangen werden. Im Gegensatz zum Laufzeitverfahren erhält man hierbei eine Registrierung der Eindringtiefe der Lichtsignale in die Wolke und somit eine Aussage über die Transparenz der Wolken bzw. der Sichtweite durch die Wolken.The invention relates to improving the range of pulse optics Cloud altimeters that work according to the trigonometric measuring principle. In this case, a person generally uses spark light or is not harmful to the eyes Laser light fed by a projector thrown pulsed light against the clouds and trigonometrically the angle of a receiver Zero to 90 ° or a limited angular range is scanned, with a recorder running synchronously and registering the angles from which light pulses are generated due to the backscattering of the clouds. In contrast to the runtime procedure, you get a registration of the Penetration depth of the light signals in the cloud and thus a statement about the transparency of the clouds or the visibility through the clouds.

Der Nachteil dieses Verfahrens ist, daß zwischen zwei Lichtimpulsen der zugeordnete Empfänger mehr oder weniger starke Rauschsignale aufgrund der am Tage sehr hell beleuchteten Wolken erhält, wobei diese Rauschsignale, wenn der Empfänger hochempfindlich eingestellt ist, sporadische Impulse verursachen, die den Registrierschrieb verderben. Der Erfin-. dung liegt folgender Gedanke zugrunde : Ein impulsoptischer Wolkenhöhenmesser des beschriebenen Arbeitsprinzips benutzt im allgemeinen 1 bis 5 Impulse pro Sekunde von etwa 0, 5 bis 1 Msec Dauer. Die zu messende Wolkenhöhe im Flugsicherheitsbetrieb ist im allgemeinen nur auf max. 1500 m beschränkt. Das Licht benötigt somit 10 μβεο, während welcher Zeit der Empfänger aufnahmebereit sein muß. Die übrige Zeit zur Aussendung des nächsten Lichtinapulses, mithin 200 000 bis 1 Million MikroSekunden ist nicht nützlich. Nach der Erfindung wird daher das sog. Gating-Prinzip verwendet derart, daß das empfängerseitige Verstärkungssystem durch ein elektronisches Tor nur für die Dauer von beispielsweise 10 μββο geöffnet ist. Diese Maßnahme allein jedoch führt nicht zum Erfolg. Zwischen Sender und Empfänger liegt eine Strecke von z.B. 50 m, die söge-· nannte Meßbasis, deren Länge entsprechend dem Tangens des Empfangswinkels die Wolkenhöhe auf dem Registrierpapier des Schreibgerätes gedruckt ist. Da nun die Geschwindigkeit eines elektrischen Impulses ent-The disadvantage of this method is that between two light pulses the assigned receiver receives more or less strong noise signals due to the very brightly illuminated clouds during the day, these noise signals, if the receiver is set to be highly sensitive, cause sporadic impulses that spoil the registration. The inventor. The following idea is based on the calculation: An impulse-optical cloud altimeter of the working principle described generally uses 1 to 5 Pulses per second of about 0.5 to 1 msec duration. The height of the cloud to be measured in flight safety operations is generally limited to a maximum of 1500 m. The light therefore needs 10 μβεο, during which time the Receiver must be ready to receive. The remaining time for the emission of the next light inapulse is 200,000 to 1 million microseconds not useful. According to the invention, the so-called. Gating principle is used in such a way that the receiver-side amplification system through an electronic gate is only opened for a period of, for example, 10 μββο is. However, this measure alone does not lead to success. There is a distance of e.g. 50 m between the transmitter and receiver, which called the measuring base, the length of which corresponds to the tangent of the reception angle and the height of the cloud is printed on the recording paper of the writing instrument is. Since the speed of an electrical impulse

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lang eines Kabels geringer ist als -die Laufzeit in Luft, würde es bei Abnahme des Hilfsimpulses bei Aussendung des Lichtimpulses auf der Senderseite und Übertragung dieses Impulses zum Empfänger zu spät sein, den Empfänger nunmehr zu öffnen, denn in der Zwischenzeit kann bereits von tiefliegenden Wolken in z. B. 30 m Höhe Licht empfangen worden sein, ohne daß der Empfänger bereits geöffnet ist. Die Erfindung ist daher nur im Zusammenhang mit einer zweiten Maßnahme nützlich, nämlich derart, daß das empfangene Lichtsignal beim Empfänger entweder a) über eine Verzögerungsleitung derart verzögert wird, daß inzwischen das Stromtor geöffnet ist oder b) derart, daß der Empfänger mit einer Integrationsstufe ausgerüstet ist, die den jeweils empfangenen Lichtimpuls in seiner Gesamtdauer als Lichtmenge bzw. hinter der Photodiode als Coulombbetrag integriert und das Integral in einem Speicherkondensator festhält. Nachdem inzwischen das elektronische Tor geöffnet und nach 10 μββο wieder geschlos-" sen wird, wird jedesmal somit nur abgefragt, ob in der fraglichen Zeit ein Lichtimpuls auftrat oder nicht. Beide Maßnahmen a) und b) führen zum gleichen Erfolg. Bei der Maßnahme a) benutzt man zweckmäßig zum Empfang die Lichtspitze des empfangenen Lichtsignals, bei der Maßnahme b) wird der Gesamtkörper des Impulses erfaßt, was bei sehr diffusen Wolken vorteilhaft sein kann, da das Signal bei solchen Wolken sehr stark verschleift, d. h. zeitlich gedehnt ist, die steile Impulsspitze des Senderlichtes dabei verliert, so daß die Integrierung des gesamten Signals eine höhere Empfindlichkeit ergibt.length of a cable is less than the running time in air, it would be Decrease in the auxiliary pulse when the light pulse is transmitted on the The transmitter side and the transmission of this impulse to the receiver will be too late to open the receiver now, because in the meantime can already from low-lying clouds in z. B. 30 m height light have been received without the receiver is already open. the The invention is therefore only useful in connection with a second measure, namely such that the received light signal when Receiver either a) is delayed via a delay line in such a way that the power gate is open in the meantime or b) in such a way, that the receiver is equipped with an integration stage, which each received light pulse in its total duration as a quantity of light or integrated behind the photodiode as a coulomb amount and the integral is held in a storage capacitor. After meanwhile the electronic gate opened and closed again after 10 μββο- " sen, it is only queried each time whether a light pulse occurred or not during the time in question. Both measures a) and b) lead to the same success. In measure a), the light tip of the received light signal is expediently used for receiving Measure b) the entire body of the pulse is recorded, which can be advantageous in the case of very diffuse clouds, since the signal in such Clouds are very blurred, d. H. is stretched in time, the steep pulse peak of the transmitter light is lost, so that the integration of the entire signal results in a higher sensitivity.

Hilfsweise wird nun zur Auslösung der Torstufe im Empfängerverstärker ein elektrischer Impuls von der Senderseite benötigt, der in demselben Augenblick zu liefern ist, indem der Lichtimpuls den Sender verläßt. Im einfachsten Falle ist hierbei zu denken an die Verwendung einer Photodiode, die einen energetisch kleinen Teil des Lichtimpulses "sieht" und einen analogen Impuls über ein koaxiales Verbindungskabel zu dem Empfänger, der in der Meßbasis entfernt aufgestellt ist, liefert. Photodioden sind jedoch kostspieliger als einfache Rogowski-Spulen.As an alternative, it is now used to trigger the gate stage in the receiver amplifier an electrical impulse is required from the transmitter side, which is to be delivered at the same instant when the light pulse hits the transmitter leaves. In the simplest case one should think of the use of a photodiode, which is an energetically small part of the light pulse "sees" and an analog impulse via a coaxial connection cable to the receiver located remotely in the measurement base. However, photodiodes are more expensive than simple Rogowski coils.

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Erfindungsgemäß wird daher der Impuls derart gewonnen, daß um eine der Entladungsleitungen des Kondensators zu der Funkenimpulslampe eine Rogowski-Spule herumgelegt wird, die ein gewöhnliches Verbindungskabel, z.B. ein zweiadriges Netzkabel oder auch ein Koaxialkabel speist. In dem Augenblick, in dem der Stromanstieg in der Entladungslampe des Senders seine höchste Steilheit hat, was im allgemeinen kurz nach Beginn des Funkendurchbruchs der Fall ist, wird eine Spannungsspitze erzeugt. Man hat bei dieserMaßnahme noch zusätzlich den Vorteil, daß eine völlige galvanische Trennung des Impulskreises von den sonstigen Stromkreisen gegeben ist. Wenn nicht mit Funkenlicht, sondern mit einem periodisch blitzenden Laser-Impulssender gearbeitet wird, kann man die Rogowski-Spule um die Zuleitung des Impulserzeugers für den Güteschalter (Q-switch) herumlegen derart, daß bei Betätigung der Kerr- oder der Pockelszelle, die normalerweise als Q-switch benutzt wird, der steile Stromanstieg beim Aufladen der Kapazität der Zelle in der Rogowski-Spule den Spannungsimpuls erzeugt. Unbenommen bleibt auch die Möglichkeit, auch hier wieder eine Photodiode als Empfänger zu verwenden, falls der Aufwand das rechtfertigt.According to the invention, therefore, the pulse is obtained in such a way that by one a Rogowski coil is placed around the discharge lines of the capacitor to the spark pulse lamp, which is an ordinary connecting cable, e.g. feeds a two-core power cable or a coaxial cable. At the moment when the current rise in the discharge lamp of the transmitter has its highest steepness, which is generally the case shortly after the start of the spark breakdown generates a voltage spike. This measure has the additional advantage that a complete galvanic separation of the pulse circuit is given by the other circuits. If not with spark light, but with a periodically flashing laser pulse transmitter is being worked, you can put the Rogowski coil around the lead of the pulse generator for the Q-switch such that when the Kerr or Pockels cell, which is normally used as a Q-switch, is actuated, the current rise is steep when the capacity of the cell is charged in the Rogowski coil, the voltage pulse is generated. The possibility also remains unaffected again to use a photodiode as a receiver, if the effort justifies it.

Die Erfindung sei anhand von Figuren weiter erläutert. Die Funkenlichtimpulslampe 1 mit den Elektroden 2 und dem Funkenort 3 wird aus der Kondensatorentladung 4 gespeist, wobei der Kondensator durch die Leitung 5 mit der Lampe 2-3 verbunden ist. Die Entladungsleitung ist durch die Rogowski-Spule 14 umschlossen, die ihren Impuls über das Verbindungskabel 15 zum Empfänger liefert. Üblicherweise wird der Kondensator mit dem Gehäuse 6 über Ladewiderstände 7 aus einem anderen Kondensator 8 über einen Gleichrichter 9 von einem Hochspannungs-Transformator 10 aufgeladen, der vom Netz gespeist wird. Empfängerseitig wird der über das Kabel 15 übertragene Impuls der Rogowski-Spule auf einen zweiten Transformator 16 geleitet, der hilfsweise über einen Gleichrichter 17 das elektronische Tor 18 im Verstärker öffnet. Als Kabel kann gewöhnliches Niederspannungsnetzkabel benutzt werden. Die Lichtsignale werden senderseitigThe invention will be explained further with reference to figures. The spark light pulse lamp 1 with the electrodes 2 and the spark location 3 is fed from the capacitor discharge 4, the capacitor connected by line 5 to lamp 2-3. The discharge line is enclosed by the Rogowski coil 14, which has its pulse via the connecting cable 15 to the receiver. The capacitor is usually connected to the housing 6 via charging resistors 7 charged from another capacitor 8 via a rectifier 9 from a high-voltage transformer 10, which is connected to the network is fed. At the receiver end, the information transmitted via cable 15 is transmitted Pulse of the Rogowski coil passed to a second transformer 16, the auxiliary via a rectifier 17 the electronic Gate 18 in the amplifier opens. An ordinary low-voltage power cord can be used as the cable to be used. The light signals are on the transmitter side

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in skizzierter Strahlrichtung 12a über den Hohlspiegel 13 etwa parallel zur Wolke nach oben geleitet. Die von der Wolke reflektierten Impulse sind in Pfeilrichtung 12b dargestellt., sie werden durch eine Optik 21 auf die Photodiode oder Photozelle 24 gebündelt, die üblicherweise aus einer Stromquelle 23 und einem Arbeitswiderstand 24 die Lichtimpulse in elektronische Impulse umwandelt, welche wiederum hilfsweise über Kondensatoren 25 in den Vorverstärker 19 gelangen. Dieser kann auch ein Ladungsverstärker mit einem Integrator sein, was eingangs ausgeführt wurde. Desgleichen kann man dem elektronischen Tor 18 (gate) einen weiteren Verstärker 26 nachschalten, der aus den schwachen Spannungsimpulsen leistungsstarke Schreibimpulse liefert zur Betätigung des Relais oder der Schreibfeder des Recorders mit dem Registrierpapier 27, das sich in Pfeilrichtung 27a bewegt. Die Nadel 29 wird üblicherweise synchron mit der Bewegung in Pfeilrichtung 20 in Drehrichtung des Empfängers 21-22 hin und herlaufen, wobei in bekannter Weise über die Leitung 30 hilfsweise Synchronisierungsimpulse für die Koordinierung beider Bewegungen übertragen werden. Will man, wie in der Einleitung erwähnt, mit einer Laser-Impulsstrahlung arbeiten, ist die empfohlene Schaltungstechnik der Figur 2 zu entnehmen. Der Laserstab 31 zwischen den Rückkopplungsspiegeln 33a und 33b wird durch die Blitzlampe 32 gepumpt. Der Güteschalter, eine Kerr- oder Pockels-Zelle 34, wird durch die Funkenstrecke 35 mittels der Steuerelektrode 36 gespeist, wobei jedesmal ein Hilfskondensator 37 sich spontan in die Zelle 34 entlädt. Dieser steile Impuls wird wiederum durch die Rogowski-Spule 14 abgenommen und über die Verbindungsleitung 15 zum Empfänger geleitet. Die Hochspannung für die Kerr- oder Pockels-Zelle wird einer Quelle 38 entnommen.approximately parallel in the sketched beam direction 12a across the concave mirror 13 headed up to the cloud. The pulses reflected by the cloud are shown in the direction of arrow 12b bundled on the photodiode or photocell 24, which usually consists of a power source 23 and a load resistor 24, the light pulses is converted into electronic pulses, which in turn reach the preamplifier 19 via capacitors 25. This can also be a charge amplifier with an integrator, which was stated at the beginning. The same can be done with the electronic gate 18 (gate) connect a further amplifier 26 downstream, which supplies powerful write pulses for actuation from the weak voltage pulses of the relay or the pen of the recorder with the recording paper 27 moving in the direction of the arrow 27a. The needle 29 will usually run back and forth synchronously with the movement in the direction of arrow 20 in the direction of rotation of the receiver 21-22, in known Way synchronization pulses for coordinating both movements are transmitted via line 30. Do you want as mentioned in the introduction, work with a laser impulse radiation, the recommended circuit technology can be found in FIG. The laser rod 31 between the feedback mirrors 33a and 33b becomes pumped by the flashlamp 32. The Q-switch, a Kerr or Pockels cell 34, is activated by the spark gap 35 by means of the control electrode 36 fed, each time an auxiliary capacitor 37 discharges spontaneously into the cell 34. This steep impulse will turn removed by the Rogowski coil 14 and passed via the connecting line 15 to the receiver. The high voltage for the Kerr or Pockels cell is taken from a source 38.

Durch die geschilderte Maßnahme ist jeweils der Empfänger nur während der Laufzeit geöffnet, die für die geforderte Meßhöhe der höchsten Wolken - im Falle von 1500 m 10 μεεο - nützlich ist. Die Festlegung dieser Zeit kann in elektronisch üblicher Weise in dem Block 18 eingebaut werden.Due to the measure described, the recipient is only during the running time, which is useful for the required measurement height of the highest clouds - in the case of 1500 m 10 μεεο. The definition this time can be built into the block 18 in the usual electronic manner.

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Wenn anstelle eines Integrationsverstärkers ein amplitudenempfindlicher Verstärker verwendet werden soll, wie eingangsferwähnt, wird man die punktiert gezeichnete Verzögerung 19a vorsehen zwischen 19 und 18. In Figur la ist hilfsweise dargestellt, daß das Verzögerungselement 19a in konventioneller Weise aus Verzögerungsspulen 19b mit Kondensatoren 19c in Form eines Laufzeitgliedes ausgeführt werden kann, wobei dieses Ersatzschaltbild auch auf kommerzielle Laufzeitkabel zutrifft, die eine Länge konstanter Induktivität und Kapazität pro Längeneinheit haben. Da der Laufzeitunterschied zwischen dem kürzesten empfangenen Lichtimpuls über die Atmosphäre und der Reisezeit des Impulses entlang eines Erdkabels meist unter 1 μεβο beträgt, tritt eine nur unwesentliche Dämpfung des Signals im Kabel 19a ein.If instead of an integration amplifier an amplitude-sensitive one Amplifier should be used, as mentioned in the introduction the delay 19a shown in dotted lines is provided between 19 and 18. In FIG Capacitors 19c can be designed in the form of a delay element, this equivalent circuit also being applied to commercial delay cables applies, which have a length of constant inductance and capacitance per unit length. Since the runtime difference between the shortest light pulse received via the atmosphere and the travel time of the pulse along an underground cable is usually less than 1 μεβο, only insignificant attenuation of the signal occurs in cable 19a.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahme steigerte bei Wolkenhöhenmessern in den Tropen bei hellem Mittagslicht die erreichbare Meßhöhe von 600 auf über 1500 Meter.The application of the measure according to the invention increased in the case of cloud altimeters in the tropics in bright midday light the attainable measuring height of 600 to over 1500 meters.

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Claims

Sponsorship claims

X. Device for increasing the measuring height of pulse-optical cloud altimeters according to the trigonometric measuring principle, characterized in that the light pulses picked up by a pivotable receiver and scattered back by clouds are fed via an electronic delay to an electronic current gate which is opened for the duration of the light transit time according to the measuring height, wherein the opening pulse for this power gate is generated by the light pulse transmitter and passed through a connecting cable.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the delay device consists of an integrator, which stores the volume of the received light pulse in terms of current sum, in such a way, that the opening of the power gate after completion of this integration process he follows.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the delay device consists of a delay chain, alternatively of a delay cable, so that the delayed pulse the Electricity gate happens after it has already been opened.

4. Apparatus according to claim 1-3, characterized in that for

Generation of the auxiliary voltage pulse on the transmitter side, which is fed into the connection cable fed to the receiver, a Rogowski coil is used around one of the discharge lines of the transmitter Pulse capacitor, which feeds the pulse spark gap, is looped.

5. Apparatus according to claim 1-3, characterized in that when using a laser light source with Q switch, the transmitter side Auxiliary voltage pulse is generated by using a Rogowski coil looped around one of the feed lines of the Kerr or Pockels cell is.

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6. Apparatus according to claim 1-3, characterized in that the Auxiliary voltage pulse generated on the transmitter side by means of a photodiode to which part of the transmitter light is fed.

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