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Einfaches Meßgerät der Schragsichtweite.
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Die Messung der Schrägsichtweite insbesondere an Flugplätzen zur Bestimmung
des Punktes bei der Annäherung eines Flugzeuges an die Piste, von dem aus der Pilot
Lampensicht hat, ist ein Problem, das auf verschiedene Weise bereits gelöst worden
ist. Das "Stanford"-Verfahren ist wohl das bekannteste. Dieses Verfahren geht von
einer stückweise homogen geschichteten Atmosphäre aus und berechnet die Sichtweite
durch stückweise Bestimmung der DxLinktion. Problematisch bei dieser Methode ist,
daß 1. die Atmosphäre nicht homogen geschichtet ist, so daß z. B. bei Vorliegen
einer Nebelbank negative (!) Sichtweiten gemessen werden; 2. bei geringen Sichtweiten
( / 500 m) das Signal durch Vielfachstreuung verfälscht wird. Das bedeutet, daß
dieseserfahren gerade bei schlechten Sichtbedingungen, wo der Pilot Instrumentenhilfe
braucht, unzuverlässig ist.
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Ein anderes Prinzip, die Methode der aufgespaltenen Strahlen geht
wieder von einer stückweisen homogenen Schichtung der Atmosphäre aus.
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Dieses Verfahren weist ähnliche Mängel wie das Stanford-Verfahren
auf: Durch die wirklichkeitsfremde Annahme einer homogenen Schichtung und durch
Mehrfachstreuung bei geringen Sichtweiten kommt es zwangsläufig zu Fehlmessungen.
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Ferner sei auf die Lösungsmöglichkeit hingewiesen, die in der Offenlegungsschrift
2 207 331 beschrieben ist. In dieser Schrift wurde ein Verfahren mit sehr kurzen
polychromatischen Lichtblitzen beschrieben.
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Das Problem besteht im wesentlichen darin, senderseitig auf der Bodenseite
eine Lichtquelle zu benutzen, die für das Auge des Piloten unschädlich ist. Es kommen
somit sehr kurzzeitige polychromatische Lichtblitze; z. B. Funkenentladungen in
besonderen Gasgemischen als Lichtquelle in Frage. Man kann bekanntlich auch einen
Laserstrahl in
einem Spektralgebiet benutzen, der für das Auge völlig
unschädlich ist.
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In Frage kommt z. B. der sog. Erbium-Laser, der langwellig bei 1,
56 jim Wellenlänge emittiert, einer^Wellenlänge, für die der Glaskörper des Auges
nicht mehr durchlässig ist. Auch Ultraviolett-Laser sind ungefährlich, denn eine
Augenschädigungsgefahr ist nicht gegeben, weil das Auge des Piloten stets durch
das Fenster des Cockpits schaut, das für kurzwelligeres Ultraviolett nicht transparent
ist.
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Der Erfindung liegt nun ein überaus einfacher Gedanke zugrunde, der
es gestattet, das Schrägsichtmeßverfahren stark zu vereinfachen und handlich zu
gestalten. Eine periodisch pulsende Strahlung (erzeugt von einem Erbium-Laser oder
einer Funkenlampe mit einer weit unterhalb 1 ,us liegenden Impulsdauer) wird in
Anflugrichtung ausgesendet. Der Empfänger detektiert das reflektierte Licht aus
einem Überschneidungsraum von ca. 100 m bis 3000 m. Durch Strahlteilung werden zwei
gleichartige Empfänger mit dem Empfangsimpuls beaufschlagt. Beide Empfangs schaltungen
haben erfindungsgemäß ein zeitlich über die Meßstrecke gleitendes Zeittor (gate).
Das gate des einen Empfängers ist jedoch viel breiter, z. B. doppelt so breit wie
das des anderen. Die Signale hinter beiden Empfängern werden durch eine Differenzschaltung
verglichen. Bei zeitlichen Abständen, die kleiner als die Schrägsichtweite sind,
liefert der Empfänger mit dem breiteren Zeittor ein größeres Ausgangssignal als
der andere. Bei Erreichen der Schrägsichtweite jedoch führt eine Verbreiterung des
Zeittors nicht mehr zu einer Erhöhung des Signales.
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Der Einfluß des quadratischen Abstandsgesetzes kann zwar in bekannter
Weise schon an der Eingangsschaltung ausgeregelt werden, dieses ist jedoch häufig
unnötig infolge der hier geschilderten Differenzbildung aufgrund der digitalen Auswertung
des Differenzsignales.
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Das Hintergrundrauschen wird mit einem Hilfsverstärker unmittelbar
von der Photodiode abgenommen und ebenfalls in die digitale Auswertestufe funktionell
eingegeben (eingebauter Minicomputer).
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Es ist auch eine stufenweise Lösung für die Realisierung des Erfindungsgedankens
möglich: Man teilt die Meßstrecke anhand der Laufzeit in bestimmte Teilstrecken
(z. B. 20 m Länge) auf. Die aus diesen Teilstrecken erhaltenen Signale werden gespeichert
und evtl. über mehrere Messungen integriert bzw.
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gemittelt. Die Sichtweite entspricht dem zeitlich letzten Speicher,
der noch ein entsprechend über dem Hintergrundrauschen liegendes Signal (Bemessungsbasis
ist das menschliche Auge) aufweist.
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Das Verfahren nach der Erfindung kann aber auch mit nur einem Empfänger
gehandhabt werden, ggf. kombiniert mit der skizzierten stufenweisen Lösung. Man
verfährt dann wie folgt. Das Zeittor sei z. B. auf einen Entfernungsbereich von
100 bis 150 m eingestellt. Sobald der Lichtimpuls aus dem Sender gestrahlt wird,
läuft die Verzögerungszeit von 2/3 ,us, entsprechend einer Laufzeit von 100 m hin
und zurück an, und das Zeittor wird für 1/3 ,us entsprechend dem reflektierten Bereich
aus 50 m Streuvolumen geöffnet. Dieses Zeittor wird nun von Impuls zu Impuls variiert
und gemessen, ob das empfangene Nutzsignal sich bei Vergrößerung des Zeittores erhöht.
Der zweite Impuls würde also den gleichen Mechanismus elektronisch auslösen, jedoch
mit einem Zeittor, das anstelle von 1/3 ,us z.B. auf 2/3 ,us eingestellt ist. Elektronisch
wird das erste Signal mit dem zweiten Signal verglichen. Hat das zweite Signal einen
erhöhten Betrag gegenüber dem ersten Signal, so wird bei dem nächstfolgenden Impuls
der Entfernungsbereich von 2/3 ,us z.B. auf 4/3 ,us, entsprechend 200 m Abstand
geschaltet, und das Spiel beginnt von neuem. Das Spiel wird erst beendet, wenn bei
Verlängerung des Empfangsimpulses durch längere Öffnungszeit des Tores kein Zuwachs
am Signal mehr beobachtbar wird. Die Tageslichtkompensation kann in gleicher Weise
wie oben angegeben erfolgen durch eine Hilfseingabe des Rauschens, das aus einem
getrennten Operationsverstärker abgenommen wird.
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Das ganze Meßverfahren besteht nun darin, daß man in ununterbrochener
Folge, den senderseitig ausgesandten Impulsen zugeordnet, das zeitliche Fenster
von null bis zu einer solchen-Entfernung verschiebt, das eine Verdoppelung bzw.
anderweitige zeitliche Verlängerung des Durchlasses keinen zusätzlichen Beitrag
mehr liefert. Wenn man kontrollhalber das zeitliche Fenster zurückdreht, muß wieder
durch Erhöhung der Impulsbreite ein zusätzlicher Beitrag des Empfangssignales entstehen,
und die Schrägsichtweite ist somit größer als die eingestellte, dieser Zeit entsprechende
Entfernung.
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Man bewegt sich hierbei stets innerhalb gute Sicherheitsmargen, da
bekanntlich die Definition der Sichtweite einer Kontrastschwelle von 5% entspricht.
Da aber das Meßlicht auf Hin- und Rückweg diese 95 %ige Extinktion, entsprechend
der Sichtweite mit 5 % Kontrastschwelle durchlaufen muß, würde bei dieser 5 %igen
Kontrasts chwelle eine Zunahme des Signals durch Verlängerung des zeitlichen Fensters
von maximal 1/20 x 20 = 1/400 = 2, 5 % entsprechen. Man muß also empfangsseitig
quantitativ sehr exakt messen. Da man 2, 5 % Amplitudenzunahme häufig nicht mehr
wird sicher erfassen können, hingegen sicher 0, 5 - 1 %, wird die nach dem Verfahren
gemessene Schrägsichtweite meist um ein geringes kleiner sein als die wirkliche,
d. h. man wird eine Sicherheitsreserve im Interesse der Luftverkehrssicherheit haben.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung kann durch Anwendung der Digitaltechnik
zugleich vereinfachende konstruktive Verbesserung erreicht werden, z. B. mißt ein
Digital-Voltmeter auf viele Dezimalstellen genau, wenn digitale Dliferenzmessung
der beiden Signale erfolgt, kann man von null beginnend das Zeittor bis z. B. zu
einer Laufzeitdauer von 20 tjs entsprechend 3000 m Schrägsicht manuell oder automatisch
schieben. Man kann aber auch, falls dieses technologisch mit den vorgesehenen fabrikatorischen
Mitteln einplanbar ist, vor dieser Summationsstelle nach dem Stromtor in üblicher
Weise eine Kompensationsschaltung verwenden, die entsprechend dem Quadrat des Abstandes
die Verstärkung erhöht bzw.
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mit einer etwas höheren Potenz zur Berücksichtigung des Strahlungsverlustes
bei
der Rayleigh-Streuung vorschalten, z. B. V = at ' wobei V die Verstärkung, a eine
apparative Konstante und t die Laufzeit ist.
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Bei Verwendung einer polychromatischen Funkenlichtquelle als Sender
ist die Messung der Schrägsicht innerhalb eines Bruchteils einer Sekunde möglich,
da Funkenlichtquellen bekannt sind, die mit 1000 und mehr Blitzen/s mit sehr hoher
Konstanz der Amplitude arbeiten.
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An Fig. la möge das Verfahren nach der Erfindung schematisch dargestellt
werden. Eine Impulslichtquelle 1 sendet einzelne oder periodische Impulse oder Impulszüge
in Pfeilrichtung 2 aus, wobei gemäß Pos. 3 diese Impulse tunlichst kürzer als 1/4
,us sein sollen. Die Impulse sind in ihrem optischen Strahldiagramm so geformt,
daß ein Öffnungswinkel 4 entsteht, welcher in jedem Falle mit dem empfangsseitigen
Öffnungswinkel 5 zu einem Überschneidungsvolumen 6 führt, das ohne Bewegung der
Instrumente mindestens von etwa 200 bis 2000 m Abstand von der Strahlungsquelle
1 reicht. Die aus dem Überschneidungsvolumen in Pfeilrichtung 7 aufgrund der Sichtweite
und der damit verbundenen Luftstreuung in Richtung des Empfängers 8 auftreffenden
Lichtquanten werden in einer Optik, z. B. im Spiegel 8 gesammelt und über beispielsweise
zwei Hilfsspiegel 9a und 9b in zwei Empfänger 10a und 10b geleitet. Der Empfänger
10a möge eine beispielsweise Toröffnungszeit von 0, 1 ps haben, der Empfänger 10b
eine längere, z. B. eine solche von 0, 2 s. Die während dieser Zeit angefallene
Strahlungsmenge wird normalerweise bei 10b aufgrund der größeren Öffnungszeit nicht
ganz doppelt so groß wie bei 10a sein, weil ja infolge der größeren Torzeit eine
etwas weitere Meßentfernung anliegt, so daß das Signal geschwächt ist. Die beiden
Signalsummen aus 10a und 10b werden nun einem Differenzbildner 11 zugeführt. Die
Differenz wird z. B. in dem Digital-Voltmeter 12 unter einer anderen Anzeigevorrichtung
sichtbar gemacht. Der Abstand des Meßimpulses im Verhältnis zur Aussendung des Impulses
3 aus der Lichtquelle 1 ist nun automatisch oder manuell variabel. Er beginnt z.
B. bei null und endet bei 20 iris, entsprechend einer Lichtlaufzeit
von
2 x 3000 m. Ist die Schrägsichtweite gegeben, z. B. zu 2000 m, so wird man bis kurz
zum Erreichen der Entfernung beobachten, daß das Signal aus dem Empfänger 10b mit
der größeren Torzeit eine Kleinigkeit größer ist als das aus 10a. Wenn aber keine
Differenz mehr feststellbar ist, d. h. daß die größere Torzeit keinen echten Beitrag
zur Strahlungsmengenmessung liefert, ist zweifellos die Sichtweite erreicht, und
man wird das Verfahren stoppen und die gemessene Distanz aufgrund der Laufzeit als
Schrägsichtweite angeben.
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Das Verfahren kann nun in vieler Weise variiert werden, z. B. kann
man an Stelle des Strahlteilers 9a und 9b zwei getrennte Optiken 8 mit je einem
Empfänger verwenden. Man kann aber auch mit nur einem Empfänger arbeiten und diesen
wechselseitig auf 0, 1 und 0, 2 ,us Impulsdauer umschalten und jedes Zwischenergebnis
zu einem "Gedächtnis" leiten, das den Vergleich durchführt oder sich der sonstigen
heute üblichen elektronischen Mittel der Digitaltechnik bedienen. Auch kann man
gemäß Fig. lb z. B. eine in vier Teile unterteilte Photodiode mit den Quadranten
10c, d, e, f im Brennpunkt von 8 benutzen und von diesen Quadranten z. B. 10c zur
Messung des Gleichlichts, die parallelgeschalteten Quadranten 10d, e zur Messung
mit der kurzen Torzeit und Quadrant 10f für die doppelte Quadrantzeit benutzen.
Infolge der doppelten Fläche von lOd+e gegenüber 10f würden beide photoelektrischen
Meßeinheiten innerhalb des Schrägsichtabstandes nahezu gleiche Ausgangswerte liefern.
Auch kann man einen Summenvergleich derart durchführen, daß man die empfangene Strahlungsmenge
von null bis zum Stoppzeichen insgesamt''mißt und dann einen kleinen Betrag dt hinzufügt
um festzustellen, ob ein weiterer Beitrag dadurch erfolgt. Dieser letztere Weg ist
jedoch weniger vorteilhaft, da die gemessene Differenz immer kleiner wird, je größer
die Torzeit ist. Schließlich kann man die Photodioden-Quadranten 1 die gegen 10f
differenzbildend schalten und einem Digital-Voltmeter zuleiten. Dabei wird automatisch
das Gleichlicht kompensiert.
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Fig. 2 möge an einem Zeitschema das Beispiel veranschaulichen. Die
Zeitachse
läuft durchweg von links nach rechts. Es sind zwei Meßzeiten A und B entsprechend
einer Entfernung bei A innerhalb der Schrägsichtweite und B gerade am Rande der
Schrägsichtweite betrachtet. Die Öffnungszeit des ersten Empfängers ist mit tl angegeben,
die des zweiten Empfängers mit t2. In der Zeitachse a und b sind dann die zu erwartenden
Amplituden bzw. die elektrischen Strommengen schematisch dargestellt, die an den
Ausgängen der beiden Photodioden, Photodioden-Quadranten bzw. nachgeschalteten Verstärkern
zu finden sein werden, wobei der Abfall gemäß dem quadratischen Abstandsgesetz aus
Übersichtlichkeitsgründen hier nicht gezeigt ist. Entsprechend der Darstellung auf
den Achsen c und d wird nun am Integrator eine Elektrizitätsmenge bzw. -spannung
Q1 bzw. Q2 zu finden sein, die innerhalb der Sichtweite derart ist, daß Q2 (bei
gleichgroßen Photodiodenflächen) stets größer als Q1 ist, dagegen im Falle B Q1
und Q2 fast gleich groß, da ein Hinzufügen der weiteren Meßzeit entsprechend der
Meßzeit t2 keinen Beitrag mehr liefert. In der Zeichnung ist ein sehr geringer Beitrag
aus Übersichtlichkeitsgründen bei Q2 an Stelle B noch dargestellt. Die Achse E zeigt
nun, wie die Differenz aus beiden Elektrizitätsmengen gebildet wird, indem sie z.B.
gegeneinandergeschaltet werden. Schließlich ist in der Achse F dargestellt, wie
das endgültige Signal aussehen wird. Man sieht, daß es im Falle B nahezu verschwindet,
d. h. daß dieser Fall dicht an der Schrägsichtweitengrenze liegt.
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Zum Eichen eines solchen Gerätes nach der Erfindung macht man die
gesamte Vorrichtung aus Sender und Empfänger bestehend sowie der Haltevorrichtung
zweckmäßig schwenkbar. Schwenkt man die Einrichtung in die Horizontale, so ist es
möglich, mit einem Langbasis-Doppeltransmissometer mit zwei Basislängen mit etwa
400 und 2000 m, das zweckmäßig ebenfalls mit Impulslicht betrieben wird und einen
Meßbereich von etwa 200 bis 10 000 tn Sichtweite hat, die sog. Normsichtweite auch
bei inhomogener bodennaher Atmosphäre zu messen und die Anzeige des Schrägsichtmeßgerätes
mit der Anzeige des Transmissometers für Kalibrierungszwecke zu vergleichen. Auch
kann man eine künstliche inhomogene Sicht innerhalb der Transmissometermeßstrecke
erzeugen,
um unter erschwerenden Bedingungen zu testen, indem man z.B. zwei rauch- oder nebelerzeugende
Hindernisse innerhalb der Meßstrecke in verschiedenen Abständen aufbaut. Auch dann
muß die richtige Anzeige gewährleistet sein. Die härteste Prüfung und zugleich Kalibrierung
eines S chrägsictmeßgerätes erfolgt in Ausrichtung auf den Zenit und Anmessung der
Wolken, wobei die Anzeige mit einem Wolkenhöhenmesser überprüft wird.
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Für Routinezwecke der Kalibrierung und Überprüfung der inneren Genauigkeit
betreffend Intensität des Senders und Empfindlichkeit des Empfängers kann man sich
der gleichen Meßmethodik bedienen, wie in der Deutschen Patentschrift 1 905 016.
Hierbei wird ein kleiner Teil des Lichtes der Impuls strahlungs quelle 1 unter Zwischenschaltung
einer Schwächungsvorrichtung einem Glasfiberstrang zugeleitet, der mit einem optischen
Verschluß versehen ist und einen durch die Länge des Glasfibers weiterhin geschwächtenvTeil
den photoelektrischen Empfänger (1Oa, b) zugänglich macht, wobei sowohl manuell
wie auch in regelmäßigen Abständen automatisch dieser Glasfiberlichtleiter in Funktion
gesetzt wird.
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Es ist nicht immer nötig, das zeitlich gesteuerte Stromtor kontinuierlich
von null bis zum Maximum der Meßentfernung sich bewegen zu lassen. Vielmehr reicht
es oft aus, eine feste Anzahl von Stufen, im allgemeinen normalerweise mindestens
20, derart vorzusehen, daß jede Stufe eine bestimmte Meßentfernung hat, z. B. die
erste Stufe entsprechend der Schrägsichtweite 200-250 m, die 2 Stufe 250-300 m usw.
Die höheren Stufen sollten größere Intervalle überdecken, z. B.
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1800-2000 m. In diesem Falle kann man vereinfachend fest eingestellte
Verzögerungsglied er benutzen, wobei elektronisch die Stromtorvergleichsschaltung
immer dann weitergeschaltet wird, sobald eine Differenzbildung durch Erweiterung
des zeitlichen Aufnahmebereiches noch ein meßbares Ergebnis liefert. Bei Verwendung
eines Erbium- oder ähnlichen Impulslasergerätes als Strahlungsquelle ist der Empfänger
mittels Schmalbandfilter gegen Tageslicht ausreichend geschützt.
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Um den Einfluß des Tageslichtes auszuschalten, der insbesondere bei
Verwendung von weißen Funkenlichtquellen mit "weißem", d. h. polychromatischem Charakter
störend ist, weil sich hier kein monochromatisches Schmalbandfilter anwenden läßt,
empfiehlt es sich, abwechselnd einmal ohne Sendung eines linpulses durch die Strahlungsquelle
1 nur den Empfänger aufzutasten und damit in einem elektronischen Speicher die Spannung
festzuhalten, die der Helligkeit bzw.
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Leuchtdichte des Horizonts bzw. des diffus strahlenden Himmels zugeordnet
ist und danach einen Impuls mit Messung, abwechselnd, vorzusehen. Man kann dann
in nützlicher Weise die jeweils erhaltene Tageslicht-Hilfsamplitude sowohl von den
Ergebnissen des Empfängers 10a sowie auch von denen des Empfängers 10b analog abziehen.
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Bei doppelter Torzeit dürfte der Wert ebenfalls der doppelte sein,
da die doppelte Menge von Photonen in die optronische Empfangsvorrichtung bei diffusem
Himmelslicht gelangt sind, es sei denn, daß man für die doppelte Torzeit nur die
halbe Photodiodenfläche gern. Fig. la verwendet. Es wäre dann in folgender Zeitfolge
zu erfahren: zuerst an beliebiger zeitlicher Stellung der Empfangsschalttore 10a
und lOb Ermittlung des Streulichtbetrages des Himmels, alsdann Inbetriebsetzung
der Impulsstrahlungsquelle 1 und zeitlicher Start der Stromtore kurz/lang von null
bis etwa 20 ,us, entsprechend 3000 m Meßweite.
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Da man zweckmäßigerweise insbesondere bei Messung größerer Schrägsichtweiten
mit sehr schwachen Intensitäten zu rechnen hat und möglichst viele Photonen aus
der Impuls str ahlungs quelle braucht, damit das Stör/Nutzverhältnis möglichst hoch
wird, wird man für jeden einzelnen Meßschritt unter Umständen mehrere, vielleicht
5 Impulse in der Strahlungsquelle benutzen und immer dann weiterschalten, wenn sich
eine ausreichend deutliche Differenz ergeben hat. Der Konstrukteur hat diese Maßnahme
analog zu der geforderten größten Schrägsicht-Meßentfernung anzuwenden.
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In Ausgestaltung der Erfindung hat man auch die Möglichkeit, das
laufzeitabhängige
Stromtor integrierend stets bei z. B. 200 m Abstand (der kleinsten geforderten Meßentfernung)
Signalamplituden messend aufzutasten und nur den Schluß des Meßzeitpunktes nach
größeren Entfernungen hin zu variieren, sodaß z. B. das eine Tor nach 1000 m, das
andere nach 1100 m Laufzeit schließt. Auch hier kann man meist direkt subtraktiv
beide Ergebnisse gegeneinander vergleichen. Stets muß man aber darauf bedacht sein,
daß der volle Meßraum bis z. B.
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3000 m zeitlich durchfahren wird, da gerade dort z. B. eine Wolkenbank
die Schrägsicht begrenzen kann, die bis zu dieser sehr gut sein kann.
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Während die vorliegende Beschreibung praktische Wege offenbart hat,
die Schrägsichtweite zu messen, bleibt als Hauptgedanke bestehen, eine Empfängereinrichtung
zu schaffen, die feststellt, aus welcher größtmöglichen Entfernung noch rückgestreute
-Signale empfangen werden. Die gewünschte zu messende Schrägsichtweite wird dann
mindestens gleich oder größer als diese längste Rückstreuentfernung sein.
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Patentansprüche