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Verfahren und Meßanordnung zur Bestimmung
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des Konzentrationsprofils von Luftverunreinigungen oder natürlichen
Bestandteilen in der Atmosphäre Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Bestimmung des vertikalen Konzentrationsprofils von Luftverunreinigungen oder natürlichen
Bestandteilen der Atmosphäre von einem Flugkörper aus, wobei nach dem Meßprinzip
der vergleichenden Absorptionsmessung mehrere kollineare Strahlungsbündel zur Erdoberfläche
gerichtet werden und die an der Erdoberfläche diffus reflektierte Strahlung in der
Nähe des Senders empfangen wird; die Leistungen der von den verschiedenen Strahlungsbündeln
stammenden reflr-ktierten Strahlungen
werden verglichen, woraus
dann die Konzentration der zu bestimmenden Bestandteile ermittelt wird. Meßanordnungen
zur Durchführung dieses Verfahrens sind ebenfalls Gegenstand der Erfindung.
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Derartige Fernanalyseverfahren dienen z.B. zur Feststellung und Beurteilung
von Luftverunreinigungen in der bodennahen Luftschicht, zur Entwicklung und Justierung
von Ausbreitungsmodellen, zur Erforschung, Feststellung und Beurteilung des Transportes
und der großräumigen Verteilung von Luftverunreinigungen im regionalen und überregionalen
Bereich sowie zur frühzeitigen Feststellung der globalen Entwicklung der Luftverunreinigung
und ihrer möglichen Auswirkung auf das Klima der Erde. Diese Aufgaben können nur
dann befriedigend erfüllt werden, wenn das Meßverfahren eine gute vertikale und
horizontale Auflösung ermöglicht sowie eine hohe Nachweisempfindlichkeit bei großer
Reichweite besitzt.
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Zur quantitativen Bestimmung von Luftverunreinigungen sind bereits
mehrere auf Laseranwendung beruhende Verfahren bekannt, die jedoch stark unterschiedliche
Leistungsfähigkeit aufweisen. Zur schnellen und weiträumigen Untersuchung der Luft
auf Verunreinigungen in sehr geringer Konzentration ( zu 1 ppm) ist das Verfahren
der vergleichenden Absorptionsmessung besonders leistungsfähig. Hierzu werden von
einem
Flugkörper aus zwei kollineare Laserbündel verschiedener Wellenlänge
auf die Erdoberfläche gerichtet und deren diffus reflektierte Strahlungen am Sendeort
wieder empfangen. Die Wellenlänge des einen Laserbündels stimmt spektral mit einer
Absorptionslinie der zu messenden Verunreinigung überein, während die andere Wellenlänge
nicht absorbiert wird. Durchtritt die Laserstrahlung eine Schadstoffwolke, so wird
das eine Laserbündel infolge selektiver Absorption geschwächt.
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Diese Schwächung ist ein Maß für die mittlere Konzentration des absorbierenden
Gases. Die überlagernden Einflüsse, hervorgerufen durch den veränderlichen Reflektionsgrad
der Erde und durch die Streuverluste in der Atmosphäre> lassen sich eliminieren,
wenn man eine Vergleichsmessung mit dem zweiten Laserbündel, das keine Absorption
erfährt, durchführt.
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Das vorgenannte bekannte Meßverfahren gestattet die Angabe der integralen
Teilchendichte bzw, der mittleren Konzentration an Verunreinigungen entlang des
gesamten Strahlweges.
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Eine IIöhenauflösung des Konzentrationsprofils ist jedoch nicht möglich
Insbesondere für Zwecke des Umweltschutzes ist die IIöhenauflösung Jedoch von großer
Bedeutung. Sie ist neben der Peichweite und der Nachweisempfindlichkeit das wichtigste
Kriterium, das die Leistungsfahigloelt elnes VerXttlllrerss kennzeichnet /1/.
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Von R.T Menzies /2/ ist eine Modifikation des Verfahrens der vergleichenden
Absorptionsmessung vorgeschlagen worden die eine Ilöhenbestimmung der Luftverunreinigung
ermöglichen soll (US Patent 3766 380) Dieses Verfahren macht sich die Druckabhängigkeit
der spektralen Breite von Absorptionslinien zunutze. Dabei soll durch Abtastung
des spektralen Absorptionslinienprofils eine Aussage uber den vorliegenden Druck
gewonnen werden, der seinerseits über die barometrische Ilöhenformel ein Maß für
die höhe über dem Erdboden darstellt.
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Bei Anwendung dieses Verfahrens ergeben sich jedoch eine feihe prinzipieller
und praktischer Schwierigkeiten. hierzu zählt insbesondere die Notwendigkeit, a
priori Annahmen über die Temperatur- und Druckprofile in der Atmosphäre über den
jeweils überflogenen Gebieten zu treffen /3/. Da genaue Daten hierüber i.a. nicht
vorliegen, ist dieses bekannte Verfahren mit großen prinzipiellen Meßfehlern behaftet.
hinzu kommt eine weitere Schwierigkeit. Um eine Absorptionslinie abtasten zu können,
ist ein spektraler Mehrkanalanalysator im rEmpfangssystem erforderlich Problematisch
ist dabei die Ans teuerung der Kanäle. Eine gleichzeitige Ansteuerung scheitert
an dem erforderlichen kaum realisierbaren Aufwand im Sendesystem da in diesem Fall
die Zahl der Sendelaser gleich der Zahl der Meßkanäle sein müßte. Erfolgt die Ansteuerung
der einzelnen Kanäle zeitlich nacheinander, so reicht zwar im Prinzip ein abstimmbarer
Laser aus, jedoch resultiert daraus ein erheblicher
Meßfehler und
eine empfindliche Einbuße an Horizontalauflösung, da zur Gewinnung eines Meßpunktes
(1 Kanal) eine Zeit von ca. 0,1 - 1 s erforderlich ist. Während dieser Zeit bewegt
sich der Flugkörper weiter und die Messungen für die einzelnen Kanäle erfolgen somit
an weit auseinanderliegenden Stellen in der Atmosphäre.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen
Nachteile der bekannten Methoden zu überwinden und ein technisch einfach durchzuführendes
Verfahren anzugeben, das bei großer Reichweite und hoher Empfindlichkeit eine einfacke
Höhenauflösung ermöglicht, ohne dabei die Ilorizontalauflösung wesentlich zu vermindern.
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Es hat sich nun gezeigt, daß diese Aufgabe durch ein Verfahren der
eingangs genannten Art gelöst werden kann, wenn erfindungsgemäß mindestens zwei,
jeweils aus mehreren kollinearen Strahlungsbündeln bestehende Ortungsstrahlen unter
einem bestimmten Neigungswinkel, der eine Komponente in Flugrichtung besitzt, auf
die Erdoberfläche gerichtet werden und die reflektierte Strahlung der verschiedenen
Ortungsstrahlen getrennt voneinander empfangen wird und wenn aus dem zeitlichen
Verlauf der Ortungssignale unter Berücksichtigung der Fluggeschwindigkeit, Flughöhe,
des Neigungswinkels und der Zeitdifferenz zwischen dem Erfassen der Bestandteile
durch
die Ortungsstrahlen das vertikale Konzentrationsprofil der
Bestandteile ermittelt wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung werden die
Ortungsstrahlen zusätzlich quer zur Flugrichtung periodisch abgelenkt, wodurch dann
bei einmaligem Überfliegen ein breiter Streifen flächenmäßig abgetastet wird.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Meßanordnung
günstig, bei der als Strahlungsquelle zur Erzeugung der Ortungsstrahlen ein oder
mehrere Impulslaser oder kontinuierlich betriebene Laser vorgesehen sind. Die diffus
reflektierte Strahlung wird dann entweder, vor allem bei Verwendung von Impulslaser,
mit Direkt empfang oder kontinuierlich mit optischem Uberlagerungsempfang nachgewiesen.
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Die Strahlungsbündel können bei der Meßanordnung nach der Erfindung
jeweils eine Laserlinie enthalten, wobei zur Erzeugung der verschiedenen Laserlinien
entweder ein einziger oder mehrere Laser verwendet werden. Mehrere Ortungsstrahlen
lassen sich mit einem einzigen Laser gleichzeitig erzeugen, wenn dieser mit einem
Strahlungsteiler versehen wird.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung
gehen aus der folgenden Beschreibung weiterer Einzelheiten
anhand
der beigefügten Zeichnungen hervor.
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Es zeigt Figur 1 schematisch vereinfacht das Prinzip des erfindungsgemäßen
Meßverfahrens und Figur 2 schematisch eine Meßanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Nach Figur 1 werden von dem Meßsystem 1, das sich in einem Flugkörper
2, d.h. einem Luft- oder Raumfahrzeug, befindet, zwei oder noch mehr Ortungsstrahlen
3,4 ausgesandt. Die Ortungsstrahlen sind unter dem Winkel 2 X gegeneinander geneigt;
«liegt hier in der Flugrichtung des Flugkörpers 2 oder symbolisiert die in dieser
Flugrichtung liegende Komponente des Neigungswinkels zwischen den beiden Ortungsstrahlen.
Diese Strahlen treffen nun auf die Erdoberfläche 5 auf und werden dort reflektiert.
In dem Flugkörper 2 sitzen zwei oder mehr Empfängersysteme (Teleskope mit Detektoren),
die derart angeordnet sind, daß sich die empfangenden Signale gegenseitig nicht
beeinflussen können; die Gesichtsfeldwinkel der Empfängersysteme sind nämlich durch
Blenden oder andere optische Hilfsmittel so begrenzt, daß immer nur das von einem
Ortungsstrahl herrührende diffus reflektierte Licht auf einen Detektor gelangen
kann.
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Uberquert nun der Flugkörper 2 eine Schadstoffwolke 6, so wird deren
Front von den beiden Ortungsstrahlen 3,4 zu verschiedenen Zeitpunkten erfaßt. Diese
Zeitdifferenz beträgt d T = L/v, wobei v die Fluggeschwindigkeit darstellt. Die
Strecke L ist von der Höhe h der Schadstoffwolke über dem Erdboden 5, der Flughöhe
EI und dem Winkel 2Oc zwischen den beiden Ortungsstrahlen abhängig gemäß der Beziehung
1 = 2 (H-h) tan Daraus ergibt sich die gesuchte Höhe h der Schadstoffwolke 6 über
dem Erdboden h = II - v b T ctgcc Da II, v und X bekannt sind, kann aus dem zeitlichen
Verlauf der Ortungssignale auf die Höhe der georteten Schadstoffwolke 6 geschlossen
werden Durch geeignete Wahl des Winkels läßt sich sogar die gewünschte IIöhenauslösung
entsprechend der vorgegebenen Flughöhe II und der Fluggeschwindigkeit v optimal
einstellen.
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Ohne besondere Vorkehrungen überstreichen die Ortungsstrahlen 3,4
auf dem Erdboden 5 eine Linie, die durch die Vorwärtsbewegung des Flugkörpers 2
gegeben ist. Werden sie zusätzlich senkrecht zur Flugrichtung periodisch abgelenkt
(Scanner), so können innerhalb des überstrichenen Luftraums dreidimensionale
Konzentrationsprofile
von Luftverunreinigungen erfaßt werden. Durch Verwendung von mehr als zwei Ortungsstrahlen
läßt sich die räumliche Auflösung noch weiter verbessern.
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Die Auswertung der Ortungssignale, insbesondere die Ermittlung der
entsprechenden Korrelationszeiten, übernimmt am besten ein Rechner.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist anwendbar für alle Methoden der
vergleichenden Absorptionsmessung, bei denen sonst nur die integrale Konzentration
über die gesamte optische Weglänge gemessen wird. Dazu gehören sowohl die passiven
radiometrischen Verfahren, als auch die aktiven Verfahren mit einem abstimmbaren
Laser als optischem Sender. Es spielt dabei keine Rolle, ob der Laser gepulst oder
kontinuierlich arbeitet.
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Wie dargelegt, sind zur Anwendung des Meßverfahrens mindestens zwei
räumlich getrennte Ortungsstrahlen 3,4 erforderlich. Um eine vergleichende Absorptionsmessung
durchführen zu können, muß jeder Ortungsstrahl aus zwei kollinearen Strahlungs-,
vorzugsweise Laserbündeln mit unterschiedlicher Wellenlänge bestehen, von denen
die eine von einer bestimmten Gassorte selektiv absorbiert wird, während die andere
keine Absorption erfährt (Referenzwellenlänge). Die insgesamt vier Strahlungsbündel
lassen sich z.B. mit vier Lasergeräten erzeugen. Der Aufwand im Flugkörper 2 kann
jedoch wesentlich
verringert werden, wenn man nur zwei Lasergeräte
verwendet und mit Hilfe eines 50%igen Strahlteilers die beiden gleichartigen Ortungsstrahlen
3,4 erzeugt. Dies ist umso vorteilhafter, da ohnehin einen StrahLteiler vorzusehen
ist, um die beiden Laserbündel mit den unterschiedlichen Wellenlängen kollinear
zu machen.
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Die in Figur 2 gezeigte Meßanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist in einem Flugkörper untergebracht, Das Meßsystem besteht aus zwei
spektral abstimmbaren kontinuierlich emittierenden Lasern 7,8 (z.B. C02-Laser, CO-Laser)
und zwei identischen optischen Systemen zur Realisierung des optischen Heterodynempfangs.
Die beiden Laser 7,8 mit einer Ausgangsleistung zwischen 1 und 10 W sind auf unterschiedliche
Wellenlängen spektral abgestimmt und zwar so, daß die Wellenlänge A1 des einen Lasers
durch das zu messende Gas selektiv absorbiert wird, während die Wellenlänge t 2
des anderen Lasers keine Absorption erfährt. Solche spektralen Koinzidenzen zwischen
Laserlinien und Absorptionslinien sind für zahlreiche interessierende Gase bekannt
/4/.
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Die beiden Laserbündel werden von einem Chopper 9 mit unterschiedlichen
Frequenzen f1 und f2 moduliert und über Spiegel 10,11 und einen Strahlteiler 12
kollinear gemacht. Dadurch entstehen zwei gleichartige Ortungsstrahlen 3,4, die
unter dem Winkelict gegeneinander geneigt sind und jeweils Laserlicht
mit
den beiden Wellenlängen Ä 1 und 2 enthalten. Die beiden Ortungsstrahlen werden über
die Teleskope 13,14 gebündelt und auf die Erde gerichtet. Es ist sinnvoll, die Richtung
der beiden Ortungsstrahlen so zu wählen, daß die von ihnen aufgespannte Ebene parallel
zum Vektor der Fluggeschwindigkeit ist.
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Die beiden Ortungsstrahlen werden hier senkrecht zur Flugrichtung
periodisch abgelenkt. Dies kann mit Hilfe eines beweglichen ebenen Spiegels vor
der Teleskopöffnung, durch Verkippen des Teleskop-Sekundärspiegels oder mit IIilfe
anderer gängiger Scantechniken erreicht werden. Auf diese Weise wird ein Streifen
auf der Erdoberfläche flächenmäßig abgetastet, dessen Breite durch den Scanwinkel
(z.B. + 100) und die Flughöhe vorgegeben ist.
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Das an der Erdoberfläche reflektierte Laserlicht wird im vorliegenden
Ausführungsbeispiel von denselben Teleskopen 13,14 wieder empfangen und über die
Strahlteiler 15,16 auf die Signaldetektoren 17,18 gerichtet. Der Nachweis erfolgt
hier mit Hilfe des optischen Heterodynempfangs. Hierzu wird vom ausgehenden Primärlicht
der beiden Ortungsstrahlen 3,4 an den Strahlteilern 15,16 jeweils ein Teil abgezweigt
und mit Hilfe der Spiegel 19,20 ebenfalls auf die Signaldetektoren 17,18 gerichtet.
Diese Teilbündel dienen als Referenzwellen
des lokalen Oszillators
und überlagern sich auf den Detektoren kohärent mit dem empfangenen Meßlicht. Durch
die Neigung der beiden Ortungsstrahlen gegen das Lot auf den Erdboden erfährt das
zuruckgestreute Laserlicht infolge des Dopplereffekts eine Frequenzverschiebung.
Auf diese Weise ist es möglich, durch Überlagerung des Laser-Primärlichtes mit dem
zurückgestreuten frequenzverschobenen Meßlicht ein echtes IIeterodynsignal mit einer
definierten Zwischenfrequenz zu erzeugen, ohne daß ein zusätzlicher Laser als lokaler
Oszillator erforderlich wäre.
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Die von den Detektoren 17,18 abgegebenen Signale werden von der Signalelektronik
21,22 verstärkt und weiter verarbeitet.
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Die Trennung der beiden spektralen Kanäle 21 1 und A 2 erfolgt elektronisch
mit frequenzselektiven Verstärkern unter Ausnutzung der unterschiedlichen Modulationsfrequenzen
f1 und f2" Die so aufbereiteten Signale werden in eine Auswerteelektronik 23 eingespeist,
die den zeitlichen Verlauf der Signale der beiden Ortungsstrahlen analysiert. Daraus
läßt sich bei bekannter Flughöhe II und Fluggeschwindigkeit v wie oben beschrieben
die IIöhe h des absorbierenden Stoffes über dem Erdboden ermitteln. Zusammen mit
der flächenmäßigen Abtastung infolge der Scanbewegung kann somit das dreidimensionale
Konzentrationsprofil von interessierenden atmosphärischen
Spurengasen
von einem Luft- oder Raumfahrzeug aus mit hoher Nachweisempfindlichkeit und vergleichsweise
geringem Aufwand gemessen werden.
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/1/ Von Lersner, Gutachten des Umweltbundesamtes an das BMFT (1975)
/2/ R.T. Menzies US Patent 3. 766. 380 vom 16. Oktober 1973 /3/ R.R. Menzies, M.
T. Menzies, M.T. Chakine, Appl. Opt. 13. 2840 (1974) /4/ W. Englisch, K. Gürs, H.
Wetter: Messung von Luftverunreinigungen und natürlichen Bestandteilen der Atmosphäre
durch Laser-Satelliten-Fernanalyse. Bericht für Gesellschaft für Weltraumforschung.
Vertragsnr.: RV 11 - V 47/73(7) - TL 30 (1973)
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