DE2822323A1

DE2822323A1 - Anordnung zur messung der wolkenhoehe

Info

Publication number: DE2822323A1
Application number: DE19782822323
Authority: DE
Inventors: Bernt Dipl Ing Ling
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1977-06-03
Filing date: 1978-05-22
Publication date: 1978-12-07
Also published as: US4208125A; JPS543584A; FR2393321B1; FR2393321A1; SE417755B; GB1598860A; SE7706529L

Description

ASEA Aktiebolag Västeras/Schweden

Anordnung zur Messung der Wolkenhöhe

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Wolkenhöhe gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Eine solche Anordnung ist bekannt aus der DE-OS 27 06 309.

In der DE-OS 27 06 309 wird eine Anordnung zur Messung der Wolkenhöhe beschrieben, mittels welcher die Messung der Wolkenhöhe stufenweise in Abständen von einer bestimmten Anzahl Metern pro Stufe geschieht. Für jede Meßstufe sendet der Sender eine Lichtimpulsfolge aus. Der Empfänger enthält zwei Integrationsglieder, von denen jedes während einer bestimmten Zeitspanne (Zeitlücke), die eine bestimmte Zeit T₁ bzw. T₂ nach jeder ausgesandten Lichtimpulsfolge beginnt, Signale empfangen kann, deren Größe den einfallenden Echosignalen sowie dem vorhandenen Rauschen (Störpegel) entspricht. Da die beiden Zeiten T₁ und T₂ verschieden lang sind, werden die Integrationsglieder Echosignale von der niedrigeren der beiden Höhen empfangen, die zum Kessen der Höhe zur Wolke dienen. Das andere Glied, das während des Messens Echosignale aus größerer Höhe empfängt, wird dann zur Indizierung des vorhandenen Rauschens benutzt. Die beiden Signale werden einem Summierungsglied zugeführt, in welchem die Differenz

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aus der Summe der ersten und der Summe der zweiten Signale einer Lichtimpulsfolge bestimmt wird. Wenn dieser Unterschied einen bestimmten einstellbaren Wert übersteigt, wird das Vorhandensein von Wolken registriert. Nach jeder Messung einer Impulsfolge werden die Integrationsglieder auf Null gestellt, und eine neue Impulsfolge wird in einer neuen Meßstufe ausgesandt.

Die Messung erfolgt stufenweise bis zu einer bestimmten Höhe, die beispielsweise,1500 m betragen kann. Wenn sich Wolken in niedrigerer Höhe befinden, wild dieses angezeigt, wobei eine neue Messung von der Mindesthöhe des Meßgerätes aus beginnt. Wenn bis zu der normalen Meßhöhe hin, die hier mit N bezeichnet wird, keine Wolken angezeigt werden, so wird das stufenweise Messen nach oben hin unterbrochen und mit einer Messung, wie vorstehend beschrieben, begonnen. Die genannte normale Meßhöhe wird so gewählt, daß man eine sichere Anzeige erhält, ob Wolken bis zu dieser Höhe auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebene Anordnung derart weiterzuentwickeln, daß ihr Meßbereich wesentlich ausgedehnt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, die erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.

Gemäß der Erfindung dienen die Integrations- und Summierungsglieder dazu, mehrere aufeinanderfolgende Impulsfolgen zu behandeln, bevor die Anzeigeglieder betätigt werden. Die Messung wird nicht unterbrochen, wenn bis zu der normalen Meßhöhe N keine Wolken registriert werden. Stattdessen wird das stufenweise Messen mit derselben Stufenlänge wie früher, beispielsweise 5 m, fortgesetzt. Im Gegensatz zu früher basiert jeder Meßwert nicht auf einer einzigen Meßstufe, sondern in derselben Messung werden mehrere aufeinanderfolgende Meßstufen ausgewertet. Wenn ideale Verhältnisse herrschen und bei derselben Messung beispielsweise 16 Stufen integriert werden, wobei der Meßabstand um 16 · 5 = 80 zunimmt, erhält man pro Messung 16 · η Impulse statt der früheren η Impulse.

Die Reichweite der Anordnung zur Messung der Wolkenhöhe ist ungefähr der vierten Wurzel aus der Anzahl der in jeder Integration erfaßten Impulse proportional. Die Reichweite ist nämlich · der Quadratwurzel aus dem Verhältnis Signal/Rauschen proportional, jedoch ist dieses Verhältnis seinerseits der Quadratwurzel aus der Anzahl Impulse proportional, die während der Messung integriert werden. Unter normalen Verhältnissen mit einer Messung für jede

Stufe, die η Impulse enthält, wird die Reichweite somit ungefähr 4

"Vn¹ proportional. Bei einer Messung nach der Erfindung auf

größerem Abstand und mit 16 Stufen pro Messung wird die Reich-4 . j 4

weite ~V 16 · η = 2 "Vn proportional. Die Reichweite würde so-

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mit auf nahezu das Doppelte ansteigen. In der Praxis erhält man jedoch eine kleinere Reichweite, was dadurch bedingt ist, daß das Licht in die Wolke eindringt und nicht während der ganzen Messung eine Reflexion an der Wolkenkante erfolgt, daß ein gewisser Ladungsverlust in den Integrationsgliedern auftritt usw. Die Anzahl Stufen pro Messung hängt u.a. von der Dichte der Wolke ab. Eine kompakte Wolke erfordert eine geringere Anzahl Stufen, da die Lichtimpulse dabei schnell in der Wolke absorbiert werden. Gemäß der Erfindung ist es also möglich, den Meßbereich bei gleichbleibender Wahrscheinlichkeit des Ausschlusses falscher Echos über das Normale hinaus zu verlängern. Die Wolkenhöhe kann bestimmt werden, wenn die Messung so lange fortgesetzt wird, bis das Integrationsglied für die Wolkenechosignale einen bedeutend größeren Inhalt hat als das Glied für die Rauschsignale,

Anhand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung gemäß der Erfindung, bei der die Echosignale einer Anzahl ausgesandter LichtimpulEfolgen summiert werden und anschließend die Integrationsglieder auf Null gestellt werden,

Fig. 2 eine Anordnung gemäß der Erfindung, bei der die Messung Stufe für Stufe erfolgt, jedoch das Resultat erst nach einer Anzahl von Meßstufen gespeichert und angezeigt wird,

Fig. 3 eine Abwandlung der Anordnung gemäß Fig. 2, bei der die Anzeige stufenweise erfolgt, aber jede Stufe

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mehrere Meßstufen umfaßt,

Pig. 4a - 4d die bei der Integration und Auswertung Stufe für Stufe gemäß der bekannten Anordnung auftretenden Signale,

Pig. 5a - 5c die bei einer Integration über mehrere' Meßstufen auftretenden Signale.

In den Figuren 1 bis 3 gehört zu den Anordnungen zur Messung der Wolkenhöhe ein 'Sender 1, der eine Reihe von Laser-Lichtimpulsen 2 aussendet. Ein Empfänger 3 empfängt eine Reihe von Echosignalen 4 sowie vorhandenes Rauschen und wandelt die Lichtsignale in elektrische Signale um. Die Signale werden dem einen Eingang zweier UND-Glieder 5, 6 zugeführt, deren Ausgänge an je ein Integrationsglied 7, 8 angeschlossen sind. Die Ausgänge der Integrationsglieder sind an je einen Eingang eines Summierungsgliedes 9 angeschlossen, und zwar das Integrationsglied 7 an den positiven Eingang und das Integrationsglied 8 an den negativen Eingang. Dies bedeutet, daß am Ausgang des Summierungsgliedes ein Signal auftritt, das der Differenz der Ausgangssignale der beiden Integrationsglieder entspricht.

Die Punktionen des Meßgerätes werden von einem logischen Steuerglied 10 gesteuert. Über einen Ausgang 11 wird die Aussendung von Lichtimpulsfolgen durch den Sender 1 mit einer bestimmten Impulsanzahl pro Impulsfolge gesteuert. Über einen Ausgang 12 werden Steuerimpulse an zwei Zeitverzögerungsglieder 20 und 21 gegeben, welche die Steuerimpulse mit einer bestimmten Zeit-

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verzögerung T₁ bzw. Tp ^aui* ^den zweiten Eingang des UND-Gliedes 5 bzw. 6 geben, so daß diese UND-Glieder durchgeschaltet werden und die Signale vom Empfänger 3 dem entsprechenden Integrationsglied 7 bzw. 8 zugeführt werden können. Da derselbe Steuerimpuls vom Steuerglied 10 beiden UND-Gliedern zugeführt wird, sind die UND-Glieder jeweils für die gleiche Zeitdauer t durchlässig geschaltet. Da jedoch T^T₂, öffnet das UND-Glied früher, so daß Echosignale von niedrigerer Höhe passieren können als durch das UND-Glied 6. Die Zeitdauer t wird Zeitlücke genannt, und der Unterschied zwischen T₁ und Tp ^m^ größer als die Zeitlücke sein. Die beiden Integrationsglieder dürfen somit keine Signale gleichzeitig empfangen. Die Zeiten T₁ bzw. Tp entsprechen der Laufzeit eines Lichtimpulses vom Sender zu einem Reflexionspunkt und zurück zum Empfänger. Die dem halben Wert von T₁ entsprechende Strecke ist der vorgegebene Meßabstand, so daß das Vorhandensein von Wolken in dieser Höhe angezeigt wird, wenn das Integrationsglied 7 ein Echosignal von einer Wolke erhält.

Die stufenweise Messung schreitet zweckmäßigerweise von niedrigen zu höheren Höhen fort. Dies bedeutet, daß, wenn Wolken im Weg des ausgesandten Lichtstrahles vorkommen, das Integrationsglied 8 zuerst das Wolkenechosignal empfangen wird. Da jedoch das Ausgangssignal dieses Integrationsgliedes am negativen Eingang des Summierungsgliedes liegt, erscheint kein positives Ausgangssignal am Summierungsglied 9· Pur jede nachfolgende Meß stufe nehmen die Zeiten T₁ und T₂ um einen Betrag zu, welcher dem doppelten Wert der Stufenlänge entspricht. Wenn der Meßabstand so groß geworden ist, daß T₁ der Wolkenhöhe entspricht, treten am Integrationsglied 7 Echosignale auf, und das Summierungsglied erhält

für jeden Meßimpuls positive Ladungszuschüsse. Bei dieser Meß-, ,..„£09849/0732

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stufe empfängt das Integrationsglied 8 Echosignale von einem Punkt in oder hinter einer Wolke. Diese Echos werden in der Wolke gedämpft und haben meistens niedrige V/erte. Beide Integrationsglieder empfangen Rauschsignale; da diese jedoch im wesentlichen für beide Integrationsglieder gleich stark sind und dem Summierungsglied mit entgegengesetzten Vorzeichen zugeführt werden, wird ihr Einfluß auf das Ausgangssignal des Summierungsgliedes eliminierte

Zu Beginn der Messung gibt das logische Steuerglied 10 einen Impuls an ein Zeitverzögerungsglied 23, das nach der Zeit T. einen Steuerimpuls an ein niveauabtastendes Signalauswertungsglied 30 abgibt, in dem die Ausgangsgröße des Summierungsgliedes 9 unter Berücksichtigung eines in dem Signalauswertungsglied eingestellten Wertes ausgewertet wird, wodurch die während der Messung erhaltenen Echosignale ausgewertet werden. Wenn der im Glied 30 eingestellte Wert vom Inhalt des Summierungsgliedes 9 überschritten wird, wird ein Ausgangssignal 31 abgegeben, welches das Vorhandensein von V/olken anzeigt. Die Zeit T. ist so lang, "daß alle Lichtimpulsfolgen in einer Messung ausgesandt und die entsprechenden Echosignale in den Integrations- und Summierungsgliedern verarbeitet werden können.

Wenn die Auswertung im Glied 30 beendet ist, werden die Integrationsglieder durch einen Steuerimpuls von einem Zeitverzögerungsglied 22 auf Null gestellt. Dieser Steuerimpuls ist um die Zeit T-. gegenüber dem Beginn der Messung verzögert. Für die zwei letzt-

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genannten Steuerimpulse gilt, daß T,^> T,. Nachdem die Integrationsglieder auf Null gestellt sind, kann mit einer neuen Messungbegonnen werden.

Die Meßanordnung gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen im wesentlichen nur durch eine etwas andere Signalbehandlung. Das während einer Meßstufe im Sumnierungsglied 9 gespeicherte Signal wird einem Analog-Digital-Wandler zugeführt, dessen digitales Ausgangssignal mittels eines Steuerimpulses von einem Zeitverzögerungsglied 25 einem Akkumulator 33 (Addierer) zugeführt wird. Nachdem das Signal in den Akkumulator eingespeist ist, werden die Integrationsglieder durch einen Steuerimpuls vom Zeitverzögerungsglied 24 auf Null gestellt, worauf eine neue Impulsfolge ausgesandt wird. Hier ist die Verzögerungszeit Tg des Steuerimpulses für den Akkumulator kurzer als die Verzögerungszeit T^ für den Steuerimpuls, der die Integrationsglieder auf Null stellt. Dem Akkumulator 33 wird also für jede ausgesandte Meßimpulsfolge während des Messens ein vorgegebenes Signal zugeführt. Wenn der ganze Meßvorgang beendet is":, '.virc der Inhalt des Akkumulators ausgewertet, indem ein Steuerimpuls mit der Verzögerungszeit T₇ vom Zeitverzögerungsglied 26 das Signalauswertungsglied 30 aktiviert. Wenn der Inhalt des Akkumulators dabei einen im Signalauswertungsglied eingestellten Wert erreicht hat, wird das Ausgangssignal 31 abgegeben und das Vorkommen von Wolken angezeigt. Danach ist die Anordnung für eine neue Messung bereit.

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Bei der ließ anordnung gemäß Pig. 3 ist ein Schieberegister 34 mit seinem Eingang an den Ausgang des Analog-Digital-Wandlerε 32 angeschlossen. Der positive Eingang eines Akkumulators 35, der einen positiven und einen negativen Eingang hat, ist an den Eingang des Schieberegisters angeschlossen,und der negative Eingang ist an den Ausgang des Schieberegisters angeschlossen. Das Schieberegister wird von einem Steuerglied 28 gesteuert. Nachdem eine Meßfolge beendet ist, wird das Ausgangssignal des Summierungsgliedes 9 über den Analog-Digital-Wandler einerseits dem Schieberegister und andererseits dem positiven Eingang des Akkumulators 35 zugeführt. Wenn das Schieberegister voll besetzt ist, erfolgt mit jeder Eingabe einer Zahl am Eingang des Schieberegisters die Abgabe einer Zahl am Ausgang des Schieberegisters, die auf den negativen Eingang des Akkumulators gegeben wird. Der Inhalt des Akkumulators entspricht somit dem Unterschied zwischen den Zahlen, die in das Schieberegister eingespeist wurden,und denen, die aus dem Schieberegister herausgeschoben wurden. Die Einspeisung in das Schieberegister geschieht nach dem Ende jeder Meß stufe, was zur Folge hat, άεΐ-die Integrationsglieder nach jeder Meßstufe auf Null gestellt werden, sobald deren Resultat eingespeist worden ist. Nach jeder Meßstufe wird der Inhalt des Akkumulators in bereits beschriebener Weise durch ein von einem Zeitverzögerungsglied 29 gesteuertes Signalauswertungsglied 30 ausgewertet, und ein Ausgangssignal 31 wird abgegeben, wenn der genannte Inhalt einen vorgegebenen Wert übersteigt. Durch die Anordnung erhält man somit eine laufende Anzeige über das Vorhandensein von Wolken.

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Bei der Beschreibung von Pig. 2 wurde angenommen, daß die Integration und Nullstellung der Integrationsglieder stufenweise mit jeder auBgesandten Impulsfolge geschieht. Natürlich kann diese Betriebsart so modifiziert werden, daß eine Messung zwei oder mehrere Meßstufen umfaßt, bevor die Integration beendet wird und die Integrationsglieder auf Null gestellt werden.

Anhand der Figuren 4a — 4d und 5a - 5e sollen die Vorteile erläutert werden, die beim Messen mit einer Anordnung nach der Erfindung erzielt werden. Fig. 4a zeigt ein perfektes Signal ohne Störung beim Messen an einer Wolke gemäß der bekannten Methode, mit Auswertung für jede Meßstufe s. Die Amplitude für jede Meßstufe gibt die Größe des für jede Meßstufe erhaltenen Signals an. Fig. 4b zeigt das Signal, das am Ausgang des Inte— grationsgliedes 8 auftritt und das, wie bereits beschrieben, dem Rauschsignal zur Zeit Tp entspricht. Fig. 4c zeigt das Signal, das während jeder Meßstufe am Integrationsglied 7 auftritt und das das Meßsignal und das Rauschen enthält, die zur Zeit T^ auftreten. Fig. 4d zeigt das Signal, das am Ausgang des Summierungsgliedes 9 auftritt und d#s, wie bereits erklärt, gleich der Differenz der Signale in Fig. 4c und Fig. 4b ist. Aus diesen Figuren geht hervor, daß das Kauschsignal bei schwachen Wolkenechosignalen so stark sein kann, daß das Wolkenecho ganz verschwindet.

Fig. 5a zeigt das am Integrationsglied 8 gezeigte Rauschsignal während einer Messung, die 16 Meß stufen umfaßt, wobei der Meß-

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abstand nach jeder Stufe geändert wird, so wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Den für jede einzelne Meßstufe auftretenden Signalen ensprechen die Signale in Pig. 4b. Fig. 5b zeigt das Integral der Summe aus Echosignal und Rauschen im Integrationsglied 7, wobei die einzelnen Meßwerte dieselben wie in Fig. 4c sind. Fig. 5c zeigt das gesamte integrierte Signal, das am Ausgang des Summierungsgliedes 9 auftritt. Die gestrichelte Kurve in Fig. 5c zeigt das perfekte Echosignal gemäß Fig. 4a bei einer langen Integration über 16 Meßstufen. Fig. 5c zeigt, daß die beiden Kurven ziemlich gut übereinstimmen und daß das bei hintereinanderfolgender Integration über mehrere Meßstufen erhaltene Signal bedeutend stärker und eindeutiger ist als das Signal in Fig. 4d bei stufenweiser Integration und Auswertung.

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Leerseife

Claims

Patentansprüche;

1. Anordnung zur Messung der Wolkenhöhe mit stufenweiser Messung unter Änderung des Meßabstandes mit einem im voraus festgelegten Wert für jede Meßstufe, mit einem Sender zum Aussenden einer Lichtimpulsfolge in jeder Meßstufe, mit einem Empfänger zum Empfang von einerseits Echosignalen, die von den ausgesandten Lichtimpulsen bei der Reflexion auf einen Gegenstand erzeugt werden, und andererseits vorhandenem Bauschen (Störpegel), mit zwei Integrationsgliedern zur jeweiligen Integration von in zwei getrennten Zeitspannen (Zeitlücken) empfangenen Echosignalen plus Bauschen und alleinigem Rauschen, mit einem Summierungsglied zur Bildung der Differenz aus den beiden integrierten Summen von Echosignalen plus Rauschen und alleinigem Rauschen, mit einem steuerbaren niveauabtastenden Signalauswertungsglied zur Bildung und Abgabe eines Signals, wenn die genannte Differenz einen im voraus festgelegten Wert übersteigt, und mit Anordnungen zur Nullstellung der Integrationsglieder, dadurch gekennzeichnet, daß das Signalauswertungsglied (30) derart steuerbar ist, daß es ein Anzeigesignal (31) erst abgibt, nachdem die Integrations- und Summierungsglieder die Echosignale und das Rauschen von mehreren aufeinanderfolgenden Meßstufen verarbeitet haben.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrationsglieder (7, 8) derart steuerbar sind, daß sie Echosignale und Rauschen von mehreren aufeinanderfolgenden Meß stufen

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integrieren, bevor ihre Nullstellung erfolgt. Zoll ο 13

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Integrationsglieder derart steuerbar sind, daß sie Echosignale und Rauschen von mindestens einer Meßstufe zur Zeit integrieren, wobei eine Nullstellung der Integrationsglieder nach jeder solchen Messung von mindestens einer Meßstufe geschieht, daß ein Analog-Digital-Wandler (32) an den Ausgang des Summierungsgliedes (9) angeschlossen ist, der für jede Messung das digitale Ausgangssignal einem Akkumulator (33) zuführt, und daß Anordnungen (30) vorhanden sind, die den Inhalt des Akkumulators nach einer vorausbestimmten Anzahl Meßstufen auswerten und ein Signal (31) abgeben, wenn der genannte Inhalt dabei einen im voraus festgelegten Wert übersteigt.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrationsglieder derart steuerbar sind, daß sie Echosignale und Rauschen von einer Meßstufe zur Zeit integrieren, wobei eine Nullstellung der Integrationsglieder nach jeder ließ stufe erfolgt, daß ein Schieberegister (34) mit seinem Eingang über einen Analog-Digital-Wandler (32) an den Ausgang des Summiergliedes (9) angeschlossen ist, daß ein Akkumulator (35) mit seinem einen Eingang am Eingang des Schieberegisters liegt und daß ein von einem Zeitverzögerungsglied (29) gesteuertes niveauabtastendes Signalauswertungsglied (30) an den Akkumulator angeschlossen und so steuerbar ist, daß es den Inhalt des Akkumulators nach jeder Meßstufe auswertet und ein Signal (3I) abgibt, wenn der genannte Inhalt dabei einen im voraus festgelegten Wert übersteigt.

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