DE2726999A1

DE2726999A1 - Verfahren zur wolkenhoehenmessung und langlebiger augensicherer wolkenhoehenmesser nach dem laufzeitprinzip

Info

Publication number: DE2726999A1
Application number: DE19772726999
Authority: DE
Inventors: Nichtnennung Beantragt
Original assignee: Impulsphysik GmbH
Current assignee: Hagenuk 24118 Kiel De GmbH
Priority date: 1977-06-15
Filing date: 1977-06-15
Publication date: 1978-12-21
Also published as: GB2000411A; JPS6114470B2; FR2394816A1; FR2394816B3; DE2726999C2; CA1103790A; JPS547368A

Description

Verfahren zur V/olkenhöhenmessung und Langlebiger augensicherer Ί/olkenhöhenmesser nach dom Laufzeitprinzip

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wolkenhöhenmessung durch periodisches Aussenden leistungsstarker Laserimpulse in das zu messende Luftvolumen und Empfang der Reflexion dieser Impulse in einem dem Impulssender benachbart angeordneten und mit Integrationsschaltung versehenen Empfänger v/elcherin Abhängigkeit von einer sendergesteuerten Zeittorschaltung periodisch entsprechend gewünschten unterschiedlichen Impulslaufzeiten bzw. Entfernungsabstufungen ein- und ausgeschaltet wird.

der In der Anfangszeit der Laser-Technik war man sich^augenschädigenden Wirkung der Laser-Strahlung noch nicht bewußt. Es war daher einfach, mit großer Spitzenleistung sogenannte Lidar-Anlagen zur Wolkenhöhenmessung zu benutzen. Schwierigkeiten machte aber auch damals schon die Lebensdauer, denn von einem im Feld stehenden Wolkenhöhenmesser verlangt man monatelanges sicheres Arbeiten ohne jeden Wartungsdienst. Bei einfachen Wolkenhöhenmessern nach dem Laufzeitprinzip stellte sich alsbald ein

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zusätzlicher Nachteil gegenüber konventionellen vv'olkenhöhenmessern heraus, die bekanntlich nach geometrischem Prinzip ähnlich einem Theodoliten arbeiten und den Winkel zwischen Boden und Wolkenreflex messen. Wenn nämlich Sender und Empfänger unmittelbar nebeneinanderstehen und gar koaxial angeordnet sind, ist der Winkel zwischen ausgehendem Impulsstrahl und empfangenen reflektiertem Strahl außerordentlich klein . Die Intensität der Rückstreuung von atmosphärischen Aerosolen ist annäherungsweise jedoch umgekehrt proportional der 4. Potenz dieses Winkels. Daher erhält man bei solchen Laufzeitmeßgeräten bereits intensive Reflexe von dünnen Dunstschichten, z.B. auch Inversionsschichtgrenzen, die von einem nach dem konventionellen Winkelmeßprinzip zwischen ausgesandtem und empfangenen Strahl aufgrund der großen Meßbasislänge sehr groß ist. Daher haben sogenannte Lidar-Anlagen zu zahlreichen Konstruktionen von Wolkenhöhenmessern in der Welt geführt, die aber, insbesondere auf Flughafen, sich nicht in breiterem Umfang einbürgern konnten, weil häufig eine tiefe Wolkenschicht registriert wird, die u.U. zum Aussprechen eines Landeverbots führt, wobei jedoch der anfliegende Pilot diese Schicht als ausreichend transparent bezeichnete und keinen Grund für das Landeverbot erkennen konnte. Die vorliegende Erfindung beseitigt die oben genannten Mißstände in überraschend einfacher Weise. Es ist eine Kombination mehrerer Maßnahmen.

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1. Maßnahme: Wenn man die Abtastung der reflektierten Signale nach dem an sich bekannten Prinzip der zeitlichen Verschiebung eines Stromtors und Integration der Signale durchführt, erhält man bekanntlich auch bei recht schwacher Spitzenleistung der ausgesandten Laser-Strahlungsimpulse infolge der Vielfachintegration ein ausreichendes Signal, wenn die eingestellte Zeit des Tores mit der Laufzeit des Signals bis zur Wolke und zurück übereinstimmt. Um aber nun die unliebsamen Reflexe von tiefer liegenden Dunstschichten auszuschaltsi, wird das Stromtor stets oder zumindest intermittierend zeitlich nicht von Null in Richtung der maximalen Wolkenhöhe bewegt, sondern genau umgekehrt. Bei einem Gerät, das z.B. einen Meßbereich von 3 000 m, entsprechend etwa 20 yU Laufzeit, hat, fängt erfindungsgemäß die Messung bei einer eingestellten Zeit von 20 /us an und bewegt sich mit der durch internationale Bestimmungen, z.B. auf 15 s festgelegten Zeit von 20 μ s gegen Null. Hierbei werden zuerst die allerhöchsten noch erfassbaren Reflexe aufgezeichnet, danach die zweithöchsten usw. Man kann sinnvollerweise nach dem Empfang zweier Reflexschichten die Meßfolge bereits abbrechen, denn, wenn aus einer großen Höhe noch Reflexe empfangen werden, so 1st dieses nur deshalb möglich, weil alle darunterliegenden d. h. tieferen Dunst- ader Wolkenschichten eine so starke Transparenz haben, daß die schwache Laser-Strahlung kaum wesentlich geschwächt wird. Somit sind die darunterliegenden Schichten auch für das

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menschliche Auge als ausreichend transparent anzusehen und kein Sichthindernis für den Piloten. Wenn aber für meteorologische Beobachtungszwecke darüber hinaus auch die Erfassung eines leichten Bodennebels z. B. für erforderlich gehalten wird, kann man wechselseitig die erste Messung von 20 us nach Null gehend und die darauffolgende Messung von Null auf Richtung 20 /us schreitend automatisch durchführen. Dieses Verfahren hat sogar noch gemäß Fig. 1 folgenden Vorteil: Wenn nach Fig. ein als rechteckig betrachtetes V/olkenreflexsignal S bei der Zeit t_s-| stehen mag und von der Zeit t_x z. B. 20 us in Pfeilrichtung A sich das elektronische Zeittor T bewegt, würde zuerst eine Überschneidung der zeitlichen Kante K-j mit der Signalkante K₃ erfolgen. Man würde bei großen Wolkenhö'hen beim Beginnen der Überschneidung noch kein Signal wahrnehmen, da erst bei voller Überdeckung von t_si mit trj, genügend Photonen empfangen werden. Bei tieferen Wolken jedoch in der Nachbarschaft des Bodens mit der Zeit Null würde bereits eine schwache Überdeckung zu einem Signal führen und damit würde mit V/ahrscheinlichkeit eine Verfälschung der Wolkenhöhenmesser gerade bei den sehr kritischen tiefen Wolken möglich sein, indem z.B. bei einer Wolkenhöhe von Null mit einer Signaldurchdringung von z.B. 50 m in diesen Bodennebel hinein nach diesem Meßprinzip zweifellos als Wolkenschicht eine Höhe von etwa 50 m zusätzlich zu der Fußbreite t_si von S angezeigt wird. Wenn t_si z.B. 100 ns lang ist, entsprechend 15 m Hin- und Rücklauf des

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Lichtes, so würde die angezeigte Wolkenhöhe 50 + 15 = 65 m sein, obwohl es sich um einen Bodennebel mit einer inneren Sichtweite von nur 50 ra handelt, einem typischen Wert für Regenwolken. Die Antwort hätte hier zu lauten, daO die Wolkenhöhe Null ist.

\!enn man dagegen wechselseitig zuerst in Pfeilrichturig A misst und dann umgekehrt in Pfeilrichtung B von Null nach oberen Wolken hin, würde genau das umgekehrte passieren, nämlich es würde bei der Zeit t_S£ und das Signaltor T, das sich jetzt in Pfeilrichtung B bewegt, bei Überschneidung der beiden Kanten zwischen Signal und Zeittor eine zu kleine Wolkenhöhe anzeigen. Auf einem Recorder sieht man dann beide Vorgänge deutlich und es wird nach dem Zeitmeßpr-inzip in Pfeilrichtung A etwa die vertikale Sichtweite durch den Bodennebel angezeigt; die Antwort bei der Messung in Pfeilrichtung B würde auf den Recorder als Wolkenhöhe Null registriert werden. Dabei bleibt außerdem der eingangs geschilderte Vorteil der Registrierung hoher Wolken nach dem Meßprinzip in Pfeilrichtung A voll aufrecht erhalten. Bei dem geschilderten Meßverfahren sind somit sowohl meteorologische Belange, wie auch die Anforderungen der Flugsicherung berücksichtigt . Nun ergibt sich aufgrund von internationalen Sicherheitsbestimmungen für die Augensicherheit aller Laser-Meßgeräte die Anforderung, daß einer Person, die direkt in den Laser-Strahl hineinschaut, kein Augenschaden zugefügt wird. Diese Anforderung ist sehr streng und hat bisher dazu geführt, daß man Laser-Y/olkenhöhenmesser in augensicherer Bauform nur mit einer sehr

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kleinen Impulsleistung, jedoch hoher Wiederholungsfrequenz

Impulsen herstellte, z.B. mit 10 ¥ und 5 000^pro Sekunde bei etwa 200 ns Impulsbreite. Die Integration erfolgt durch Aufsummieren von etwa 100 000 Impulsen während der Öffnungszeit des elektronischen Zeittores. Damit gelingt es notfalls, Wolkenhöhen bis etwa 1 000 m bei klarer Luft zu erfassen. Bei Erhöhung der Laser-Leistung hielt man es für unmöglich, die Geräte augensicher zu gestalten. Unter Anwendung der international festgelegten Formeln (s. Anlage) kann man jedoch zwei Wege gehen.

1. Man verringert durch Anwendung einer vergleichsweise sehr großen senderseitigen Optik, z.B. einer Linse oder eines Spiegels von 40 cm Durchmesser die flächenspezifische Leistungsdichte der Strahlung und verwendet zweckmäßig auch auf der Empfängerseite eine ähnlich große Optik, um möglichst vJä.e von der Wolke reflektierte Photonen zu erfassen.

2. Man muß die Impulsfrequenz so verringern, daß man im Rahmen der Sicherheitsbestimmungen bleibt. Dieses bedeutet jedoch einen Verzicht auf rasches Messen, wi(el man dann zum Abtasten eines vollständigen Wolkenhöhenbildes unter Umständen Minuten benötigt, während nur 15 Sekunden zur Zeit international gestattet sind (4 Messungen pro Minute).

Nach einer Hilfsmaßnahme der vorliegenden Erfindung wird nun die Meßfrequenz automatisch mit der Meßhöhe verändert etwa

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derart, daß bei 3 000 m Wolkenhöhe mit 10 kHz Impulsfolge gearbeitet wird, bei 1500 m jedoch nur noch mit etwa 2000/s und bei niedrigen Wolken nur noch mit einigen 100 Hz, denn bei Wolken von z.B. 300 - 500 m Höhe reichen 1-2 Impulse schon aus, um einen ausreichend hohen Signal-Integralwert sicherzustellen. Man kann die Frequenz stärker, als dem quadratischen Abstand sge setz entsprechend, verringern, da außer dem bekannten quadratischen Abstandsgesetz noch die Luftabsorption unvermeidbar ist. Daher kann man bei halber Meßhöhe mit einer wesentlich kleineren Impulsfolgefrequenz als 1/4 operieren usw. Man kann in Erweiterung des Erfindungsgedankens auch so verfahren, daß man die für den Flugverkehr uninteressanten hohen Wolken z.B. nur einmal alle 5 Minuten abtastet und die tieferen Wolken z.B. unterhalb von 500 m alle 15 Sekunden. Damit ist die mittlere pro Minute ausgesandte Laser-Energie, die auf das Auge eines Beobachters treffen würde, außerordentlich drastisch gemindert, obwohl trotzdem die Belange der Flugsicherung voll erfüllt werden.

Nunleine weitere, bisher für unvermeidbar gehaltene Forderung ist, daß die Verstärkung des zugeordneten Impulslichtempfängers quadratisch mit dem Abstand ausgebildet wird. Dieses führt zu einer höheren Anzahl von elektronischen Bauelementen und damit zu einer Verringerung der sogenannten MTBF (meantime between failures). Ein hoher MTBF-Wert ist jedoch für alle Flugsicherungsgeräte eine unabdingbare Forderung. Die weitere Ausbildung der Erfindung bewirkt eine extreme Verminderung der elektronischen Komponenten zur Kompensation der Notwendigkeit der

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Empfindlichkeitsregelung proportional dem Abstand durch zwei gleichzeitig angewandten Maßnahmen, nämlich 1. der o. a. Minderung der Impulsfolgefrequenz bei der Messung kleinerer Wolkenhöhen und 2. durch einfache schwach fehl.justierte Anordnung der optischen Achsen von Sender und Empfänger, d.h. eine schwache Exzentrizität der Strahldiagramme, erreicht man es, daß Sender- und Empfängerstrahl, die von Natur aus schwach divergent, also korisch sind, sich bereits in z.B. 10 m Höhe zu überschneiden beginnen und mit wachsenden Abstand sich mehr und mehr überdecken, so daß in einer Entfernung von z.B. 300 - 500 m eine völlige Überdeckung gewährleistet ist. Die Querschnitte der gegenseitigen Strahlüberdeckung zweier sich überschneidender Konen ist proportional dem Quadrat des Abstandes. So erreicht man rein optisch die quadratisch mit der Meßhöhe anwachsende Empfindlichkeit. Vom Zeitpunkt der gegenseitigen vollen Überdeckung an ist die eingangs geschilderte Impulsfolgefrequenz , die mindestens mit dem Quadrat des Mindestabständes wächst, ein ausreichendes Regulativ. Bei sehr kleinen Wolkenhöhen nämlich würde man bei ausschließlicher Anwendung der Regelung durch Impulsfolgefrequenz zu so langsamen Impulsfolgen kommen, daß die Meßgeschwindigkeit wiederum nicht ausreicht: Man müßte nämlich bei einem Meßbereich von 3000 m bis 30 m herab die Impulsfolgefrequenz von 10 bis 1/sec verringern, was unbrauchbar langsam wäre.

Je nach den Qualitätsanforderungen an Wolkenhöhenmessern, entsprechend der Aufgabenstellung z.B. nach den ICAO-Be-

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Stimmungen Kat. I, II, IHa oder ausschließlicher Verwendung als v/olkensensor im Rahmen von automatischen Wetterstationen, können alle geschilderten Maßnahmen der Erfindung gleichzeitig oder auch willkürlich kombiniert oder verehfacht angewandt werden.

Als elektronische Ausführung des Gerätes hat sich gemäß Fig. 2 nachfolgende verbal geschilderte Technologie bewährt: Sin sog. GaAs-oder GaAlAs-Diode Array mit möglichst quadratischem Aufbau und einer zulässigen Leistung von z.B. 400 ^l,i wird mit nur 200 ^T» Spitzenleistung und einer Impulsdauer von 70 - 90 ns betrieben. Die Größe eines solchen Arrays ist etwa 3 x 3 nun. Es muß in jedem Falle etwas größer sein, als der sogenannte Fehlerkreis der angewandten Optik. Durch die geschilderte Unterbelastung und - sehr wesentlich - Unterschreitung der zulässigen Impulsdauer von 200 ns vermeidet man die sog. Periot-Fabry-Erosion an den Kanten jeder einzelnen Laser-Diode. Außerdem wird man zweckmäßig dafür sorgen, daß dieses Array eine gewisse Mindesttemperatur, z.B. 20° C hat, damit die eingegebenen elektrischen Impulse das Array nicht zerstören, was bei tiefen Temperaturen aufgrund des dann anwachsenden Wirkungsgrads das Arrays sonst leicht möglich wäre. In Ausbildung der Erfindung kühlt man also nicht das Laser-Array, sondern sorgt für eine Mindesttemperatur, z.B. durch elektronisch gesteuerte Heizung. Die elektronische Erzeugung der Impulse kann in an sich bekannter Weise durch eine Thyristor- oder Transistor-Steuerung erfolgen unter Anwendung einer Laufzeitkette, so daß eine sehr steile Anstiegs- und ebenfalls steile Abfallzeit

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des möglichst rechteckigen Impulses sichergestellt ist. Da aber solche Thyristor-Schaltungen außerordentlich starke elektronische Störungen aussenden, wird erfindungsgemäß die gesamte Schaltung in einem aus einem weichmagnetischen Material bestehenden Gehäuse untergebracht, das die ausgesandten hohen ilagnetfeldspitzen total abschirmt. Gleichzeitig ,jedoch muß eine Seite eines solchen quaderförmigen Gehäuses aus einer Kupferoder Aluminium-Platte ausreichender Dicke bestehen, auf der die hitzeproduzierenden elektronischen Komponenten montiert sind, so daß die Wärme konduktiv von außen abgekühlt werden kann. Das ganze Gehäuse muß zur Vermeidung des Austritts hochfrequenter elektrischer Felder völlig abgeschirmt sein, z.B. durch Anwendung von sog. Kontaktmetall (bürstenähnliches, scharfkantiges Kupfergeflecht) an der Verbindungsstelle der Gehäuseteile. Damit erreicht man es, daß keinerlei meßbare elektrische Störfelder vom Laser-Sender in den extrem empfindlichen Empfänger übertreten. Die Maßnahme ist besonders erforderlich bei Erfassung sehr niedriger Wolken, da anderenfalls noch ausschwingende Störimpulse diesen bereits nach einigen NanoSekunden eintreffenden Wolkenreflexsignalgen überlagert wären. Das würde dann zur ständigen Anzeige von Bodennebel führen.

Auf der Empfängerseite bedient man sich zweckmäßig entweder einer Silizium-Avalanche-Diode oder einer einfachen Schottky-Barrier-Diode zum Signalempfang, wobei wiederum die Größe der wirksamen Fläche größer sein muß, als der Fehlerkreis der angewendeten Optik. Nach Vorverstärkung des Signals, z.B. durch einen rausch-

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armen MOS Fet, gibt man das Signal in eine sogenannte Sampling-Brücke, die in Zeitstufen, wie eingangs geschildert, von langen Zeiten zu kurzen hin und umgekehrt , z.B. in Intervallen entsprechend 5 m Stufen der Entfernung, geöffnet wird. Nur während der aufgetasteten Sampling-Brücke können Signale in nachfolgende elektronische Signalverarbeitung gelangen. Sie werden daher zuerst nochmals verstärkt und dann in einen Integrator gegeben, wobei in an sich bekannter Weise auch Signale erfaßt werden können, die innerhalb des Eigenrauschens der Schaltung verborgen sind. Übersteigen die Signalamplituden am Integrator deutlich das Rauschen, so wird der korrespondierende Zeitwert injein Speicherglied gegeben und in üblicherweise digital angezeigt, solange bis ein erneuter Meßzyklus gleiche oder neue Vierte liefert, wobei der letzte Speicherwert gelöscht und durch den neuen Meßwert ersetzt wird.

Man kann sich hierbei auch eines Microprocessors bedienen, dem man zusätzlich weitere nützliche Aufgaben einprogrammieren kann. Eine solche baulich mit dem Gerät vereinigte Microprocessor-Schaltung erlaubt z.B. die Aussage, in wieviel Prozent der Zeit der letzten 30 Minuten Wolken in einem hohen Bereich von 100 - 200 m, 200 - 400 m, 400 - 800 m usw. vorhanden waren. Danach ist durch Abfrage der so gespeicherten Werte über eine festgelegte Zeit eine Information erhältlich über den über dem Gerät vorhandenen Wolkenbedeckungsgrad des Himmels - ein Wert, der z.B. für Flugberatung von Sportflugzeugen oder auch für automatische Wetterstationen oft erwünscht ist. Mt dem gleichen Microprocessor läßt sich auch eine automatische Einsteilung der Detektorschwelle vor-

nehmen, derart, daß bei mehr oder weniger starkem Rauschen der Signale hinter der Sampling-Brücke auch der sogenannte threshold, d.h. die Anspirchschwelle sinnvoll mit verändert wird, so daß immer dann, wo Signale registriert werden, sie nach der durchgeführten Vielfachintegration etv/as über den Wert des Rauschens liegen, ganz gleich, ob diese Rauschamplitude groß oder klein ist. Die Hauptursache dieses Rauschens ist nämlich der durch das Tageslicht verursachte hohe Gleichstromwert, der den Signalimpulsen in der Photodiode überlagert ist.

Hinsichtlich der Grundfunktion der hier beschriebenen Geräte sei auf die der F₅g. 3 der DT-AS 2 150 969 entsprechende Fig. 3 verwiesen, die eine Vorrichtung zum Erfassen meteorologischer Zustände zeigt, deren zugehörige Beschreibung als Photokopie Anlage A beiliegt. Der Hauptunterschied der hier angewendeten Schaltung liegt in der oben ausgeführten anderen zeitlichen Steuerung, sowie in der Tatsache, daß in vorliegendem Falle auch ohne angeschlossenen Schreiber gearbeitet

werden kann, so daß anstelle des vom Schreiber gesteuerten Potentiometers 21 die erfindungsgemäße reine elektronische Steuerung erfolgt. Geräte nach der Erfindung wird man zweckmäßig mit einer Selbstprüfschaltung versehen, die ununterbrochen bei jedem Meßzyklus das sichere Funktionieren der gesamten Schaltung überprüft. Diese Überprüfung geschieht nach der Erfindung in folgender V/eise:

Im ausgesandten Laser-Strahl ist das Ende eines Lichtleiters angeordnet, der einen winzigen Teil der ausgesandten Strahlung

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aufnimmt. Innerhalb des Empfängergehäuses beispielsweise endet das andere Ende des LichtMters und beaufschlagt dort eine Fhotodiode. Diese liefert einen ggf. verstärkten Impuls in eine elektronische Verzögerungsschaltung von z.B. 20,1 jus . Am Ausgang der Verzögerungsschaltung liegt eine infra-rot LED mit dem gleichen V/ellenlängenbereich, den die Strahlung des Laser-Dioden-Arrays hat. Somit würde ununterbrochen zusätzlich zu dem Meßbereich von 20 yüs bis Null noch ein weiteres ständig anwesendes Signal bei 20,1 yus Vorhandensein. Dieses macht sich z.B. bei einem angeschalteten Recorder gemäß Anlage Ξ an der rechten Schriebkante als überstehender kleiner Strich bemerkbar. Der Recorderschrieb überdeckt linear einen heßbereich von 0 - 7500 Fuß und man erkennt deutlich als eine 50 Fuß-Stufe der '.Wolkenhöhe die Schreibbreite übergreifende kleine Testimpulse dieser Selbstprüfanordnung, wenn diese nicht erkennbar sind, weiß man , daß während der betreffenden Periode das Gerät entweder abgeschaltet war oder ein Defekt vorlag.

Bekanntlich neigen Laser-Dioden dazu, bei zunehmender Erwärmung ebenfalls die ausgesandte Wellenlänge zu vergrößern. Dieses hat ,jedoch zur Folge, daß man das zum Schutz gegen weißes Tageslicht erforderliche optische Schmalbandfilter an der Empfängerdiode unnötig breitbandig machen muß. Um ein schmalbandiges Filter zu verwenden, muß man daher mit erheblichem Aufwand mittels eines elektronischgesteuerten Peltier-Elements das Laser-Dioden- Array sowohl kühlen, als auch bei zu tiefer Temperatur heizen , so daß es thermisch in hohem Maße stabilisiert ist. Um diesen Aufwand in kosfitruktiver Ausbildung der Erfindung zu

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vermeiden, bedient man sich zweckmäßig eines Arrays, das aus sogenanntem Multi Hetero-Structure GaAs- oder GaAlAs-Haterial besteht. Dieses Material ändert seine ausgestrahlte wellenlänge nur gering mit der Temperatur, so daß eine zusätzliche Kühlung unterbleiben kann. Es reicht aus, bei heißen Sommertagen mittels eines gut wärmeleitenden Stabes das Umgebungsgehäuse der Laser-Strahlungsquelle mit dem metallischen Boden des Gerätes zu verbinden, der infolge der Bodennähe ausreichend kühl ist.

Ergänzend mag noch erwähnt werden, daß bei der Ausbildung der Erfindung anstelle einer mit dem Quadrat des Abstandes oder stärker ab- und zunehmender Impulsfolgefrequenz auch derart gearbeitet werden kann, daß die zeitliche Bewegungsgeschwindigkeit der elektronischen Torschaltung bei hohen Meßhöhen langsam und nach Null hingehend immer schneller verändert wird, so daß immer weniger Impulse bei abnehmender Heßhöhe in den Integrator gelangen. Wenn z.B. alle 15 see nur eine Messung gefordert wird, wird man zweckmäßig eine Betriebspause nach erfolgter Messung und Füllung der Speicher einlegen bis zum nächsten Meßvorgang. Im Rahmen der Augensicherheitsvorschrift wird dabei wiederum über die Zeit gemittelte Laser-Leistung in gleicher Weise gemindert wie bei quadratisch oder stärker abnehmender Laser-Impulsfolgefrequenz.

Anlage A Auszug DT-AS 2 150 969

" B Expose Augensicherheit des Laser-Wolkenhöhenmessers ¹¹ C Berechnung der Exzentrizität der Strahlüberdeckung

in englischer Sprache «0985 1/0394 " D deutsche Übersetzung zu C

" E Wolkenhöhen-Aufzeichnungsblatt, Zeitskala (vertikal) 1 cm = 30 min, Höhenskala (horizontal)1cm = 750 Fuß

-to-

1- ο e r s ο i I e

Claims

Paten Lansprüche

(iJ Verfahren zur ¥olkenhöhenmessun£ durch periodisches Aussenden leistungsstarker Laseritnpuloe in das zu messende Luftvolumen und Empfang der reflexion dieser Impulse in einem dem Impulssender benachbart angeordneten und mit Integrationscchaltung versehenen Empfänger, welcher in Abhängigkeit von einer sendergesteuerton Zeittorschaltung periodisch entsprechend gewünschten unterschiedlichen Impulslaufzeiten bzw. Entfernungsabstufungen ein- und ausgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, da" die . ;e.'.!'höhe Mindestens intermittierend von holier. . ol^enschichten men liull gehend, abgetastet v/ird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßreihen jeweils nach Empfang von ein oder zwei das Vorhandensein von Wolkenschichten signalisierenden Reflexionen abgebrochen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß alternierend zusätzlich auch Meßreihen mit der Entfernung ilull begonnen v/erden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß alternierend durchgeführte Meßreihen gemeinsam angezeigt und/oder registriert werden.

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5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks i'.inderung der geraittelten emittierten Leistung die in die Laserstrahlungsquelle eingegebene Impulsfolgefrermen:: Mindestens mit den Uuadrat der ?Iei3 entfernung abnehmend von großer nach kleiner i'ießhöhe gehend verringert wird.

6. Verfahren nach anspruch 1 bis 5, dadurch ge;:ennzeichnet, daß automatisch niedere ',/olkenhöhen bis z.il 60C ΙΛ Höhe alle 15 Sekunden abgetastet v/erden, hohe jedoch mit einer langsameren Zeitfolge durch nach regelmäßigen Mei'intervallen zeitlich verlängerte Abtastzeit.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch, gekennzeichnet, daO zeitlich etwas .jenseits der höchsten iie.jentfernung des Gerätes ein automatischer elektrooptischer Hilfsimpuls erzeugt wird, der von jedem ausgesandten Laser-Impuls getriggert elektronisch verzögert, eine LIi-D speist, die in Blickrichtung der. Empfängers angeordnet ist derart, daü ständig eine zur überprüfung dienende fiktive v/olkenschicht registriert wird,

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dafi zur gleichzeitigen Sta^egerung von Lebensdauer und Augensicherheit die Laser-otrahlungs-09 b 5 1 /0 ir$i£lle mit stark verringerter Leistung und zugleich stark gegenüber dem zulässigen V/ert geminderter Irapuls-

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- Vf-

dauer betrieben wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle einer mit abnehmender Entfernung abnehmenden Impulsfrequenz mit konstanter Impulsfrequenz und zunehmender zeitlicher Bewegungsgeschwindigkeit mit Laufzeitabtastung gearbeitet wird und bis zur erforderlichen Heumessung eine Betriebspause eingelegt wird.

10. Augensicherer Uolkenhöhenmesser zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulssender eine aus hintereinander geschalteten Kinzellaserdioden bestehende Diodenanordnung aufweist, der Lichtimpulse mit einer mittleren Leistung von etwa 0,01 bis 0,1 V/ und einer Spitzenleistung von 100 bis 1000 V/, einer Impulsbreite von unter 100 Ilano Sekunden und einer Impulsfrequenz von 100 bis 10 OOO/sec. aussendet.

11. Wolkenhöhenmesser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Sender- und Empfängeroptik schwach exzentrisch bzw. dejustiert derart zueinander angeordnet ist, daß der Überschneidungsquerschnitt von Sender- und Empfängerstrahl quadratisch mit der Höhe im Ilahbereich zunimmt.

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1,°. . olkenhöhenmesscr nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Torsteuerun^ mittels einer sogenannten ^araplin.^-Drücke erfolgt.

13. wolkenhohenmesser nach Einspruch 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß, wie das Laser-Dioden-Array, die gesamte elektronische Schaltung in einem aus v/eichmagnetischem Material bestehenden Gehäuse untergebracht ist, bei dem zusätzliche, mindestens eine Seite aus vergleichsweise dickem thermisch gutleitendem Metall (Aluminium oder Kupfer) besteht, auf dem die IVärme produzierenden Komponenten innerhalb des Gehäuses montiert sind (Ladetransistoren, Thyristoren).

14. V.'olkenhöhenmesser nach Anspruch 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Schaltungssystem ein Microprocessor angeordnet ist, der die Signalansprechschwelle hinter dem Integrator rauschabhängig verändert.

15. Wolkenhöhenmesser nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Schaltungssystem baulich vereinigt ein Microprocessor angeordnet ist, der über eine vorgegebene Zeit das prozentuale Vorhandensein

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von Wolkenschichten in vorgegebenen riiveau-Bereichen erfaßt, speichert und abrufbar macht.

16. Ivolkenhöhenmesr.er nach Anspruch 10 b.i.r 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser-Jtrahlunrcquelle aus einem sogenannten Hulti-iietero-^tructure GaAs-iiaterirvl besteht.

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