DE3902015C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 3.

Die gattungsgemäßen Maßnahmen sind in der physikalischen Meßtechnik vielfältig bekannt. So offenbart die DE-OS 28 23 832 eine Meßeinrichtung für den Transparenzwert der Luft, wobei ein Teil des aus einer Quelle ausgesandten Lichts unmittelbar über einen Lichtleiter auf eine Bezugsfotozelle für den Betrieb einer Meßfotozelle geleitet wird, um über eine Gegenkopplungsschaltung die Intensität der Lichtquelle so zu variieren, daß ein empfangsseitig vorgegebener Bezugswert erreicht wird. Der dabei auftretende Gegenkopplungsstrom ist eine Information über den Transparenzwert der Luft.

Zur Bestimmung des Vorliegens bestimmter Gase in Luft ist es aus der US-PS 44 25 503 bekannt, einen gepulsten Laserstrahl in einen Meßanteil und einen Referenzanteil zu trennen. Ein Impulsvergleich für unterschiedliche Laser-Wellenlängen gibt Aufschluß über die Gegenwart unterschiedlicher Gasanteile im Übertragungsweg des Meß- Teilstrahles.

Aus der Arbeit "Atmospheric pressure monitoring of trace gases using tunable diode lasers" von Cassidy und Reid (Applied Optics vom 01. 04. 1982, Vol. 21, No. 7, Seiten 1185-1189) beschreibt eine Infra­ rot-Absorptionsmeßmethode in Luft unter atmosphärischem Druck, die mit einem Retro-Reflektor am Ende der Meßstrecke arbeitet, um den Sender und den hinsichtlich seiner Lock-In-Verstärker zu synchronisierenden Empfänger am selben Ort betreiben zu können. Als Referenzinformation dient ein vor der Meßstrecke abgezweigter Teil des Sendestrahles. Zur Messung mit unterschiedlichen Wellenlängen wird ein abstimmbarer Laser eingesetzt.

Nicht um Freifeldmessungen, sondern um die Analyse einer Gasprobe in einer White-Zelle, handelt es sich bei dem Bericht "Optical-fibre network system for airpollution monitoring over a wide area by optical absorption method" von Inaba u. a. in Electronics Letters vom 08. 11. 1979 (Vol. 15, Nr. 23, Seiten 749-751). Dort werden zwei Aus­ gangswellenlängen eines Mehrlinienlasers über einen Lichtleiter in die Meßzelle gesandt und die vom zu messenden Gas darin beeinflußte Strahlung dann über einen weiteren Lichtleiter an ein Spektrometer geleitet, hinter dem die beiden Testwellenlängen zueinander ins Verhältnis gesetzt werden. Die Testwellenlängen aus der Laserquelle werden so ausgewählt, daß bezüglich eines vorgegebenen, hinsichtlich seiner Konzentration interessierenden, Gases wenigstens eine Wellen­ länge gerade innerhalb und wenigstens eine weitere Wellenlänge gerade außerhalb der dieses Gas repräsentierenden Absorptionslinie liegt.

Für die Freifeld-Messung ist es aus der Notiz "Messung der Luft­ verunreinigung mit Laser-Lichtquellen" in Funkschau 1973 (Seite 262 in Heft 8 bzw. Seite 782 im Jahrgang 45) bekannt, für Auswertung mehrerer Wellenlängen mehrere Lichtquellen zur Verfügung zu stellen, etwa durch Betrieb von Halbleiterdioden-Lasern mit unterschiedlich eingeprägten Strömen. Auch die Möglichkeit qualitativer Auswertungen durch Realisierung des Lidar-Prinzipes bei Einsatz durchstimmbarer Laser zur Spektralanalyse wird angedeutet, was den Vorteil hat, die Rückstreuinformation am Sendeort auswerten zu können, wo eine unverfälschte Referenzinformation direkt aus dem Sendesignal abgeleitet werden kann.

Zur Gewinnung von Referenzinformationen für die Auswertung der in der Teststrecke beeinflußten Laserenergie, ist für eine Vorrichtung mit Retro-Reflektor am Ende der Meßstrecke, in der Arbeit "A diode laser system for long-path, automatic monitoring of SO₂" von Max und Eng in Optical and Quantum Electronics 1979 (Vol. 11, Heft 1, Seiten 97-101) der Einsatz empfangsseitiger separater Referenzzellen vorgesehen; vgl. auch "Improved sensitivity of tunable-diode-laser open-path trace gas monitoring system" von Eng, Mantz und Todd in Applied Optics vom 15. 10. 1979 (Vol. 18, Nr. 20, Seiten 3438-3442).

Der Aufatz "Blue-green pulsed propagation through fog." von Mooradian u. a. in Applied Optics vom 15. 02. 1979 (Vol. 18, Nr. 4, Seiten 429-441) erwähnt für ein Reflektions-Meßsystem den Einsatz eines Strahlenexpanders vor dem Aussenden der Laserenergie in die Teststrecke. Mit einem modulierten Dauerstrich-Sender beschäftigt sich D. Kreid in "Atmospheric visibility measurement by a modulated cw lidar", Applied Optics vom Juli 1976 (Vol. 15, Nr. 7, Seiten 1823-1831).

Nur im vorerwähnten Falle der Lichtleiter-Kopplung einer Labor-Meßzelle an einen Mehrlinienlaser erfolgt die gleichzeitige Bestrahlung eines Testvolumens mit unterschiedlichen Wellenlängen. Die Unterschiede sind aber gering und eignen sich daher nur zur Konzentrationsbestimmung eines vorbestimmten Gases. Der Erfindung dagegen liegt die Aufgabe zugrunde, gemäß den gattungsbildenden Maßnahmen Freifeldmessungen durchzuführen, aber dabei mit vergleichbar geringem apparativem Mehraufwand eine wesentlich größere Informationsvielfalt über die atmosphärischen Gegebenenheiten zu erzielen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 3 dasselbe durch einen einzigen Laserstrahl bestimmte Freifeld-Testvolumen mit voneinander sehr verschiedenen, in unterschiedlichen Transmissions­ bereichen der Atmosphäre liegenden Wellenlängenbereichen bestrahlt wird; wofür unterschiedliche Laserquellen zur Verfügung gestellt werden, deren Ausgangsstrahlung in einem sozusagen umgekehrt betriebenen optischen Brechungselement (Prisma oder Gitter) zeitlich und räumlich zu dem einen Meß-Laserstrahl überlagert werden. Die frequenzabhängigen Anteile der Empfangsinformation werden zueinander ins Verhältnis gesetzt, um Informationen über aktuell wirksame ausbreitungs­ abhängige Atmosphäreneinflüsse zu erzielen.

Wenn auch die als solche bekannte Phasen-Absolut-Auswertung der einzelnen Empfangsfrequenzanteile erfolgen soll, aber der Empfänger nicht über einen Reflektor am Ende der Teststrecke und somit in räumlicher Nähe des Senders betrieben werden kann, dann wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, die auch von selbständig-schutzwürdiger Bedeutung angesehen wird, eine Laufzeit-Referenzinformation in einem ganz anderen Bereich des elektromagnetischen Spektrums, nämlich über eine Richtfunkstrecke somit ungestört hinsichtlich der atmosphärischen Einflüsse auf die Laserstrahlausbreitung, an den Empfänger übertragen. Eine gegebenenfalls wünschenswerte Übertragung von Trägerimpulsen für die Synchronisierung der empfangsseitigen Datenverarbeitung kann zusätzlich zum erwähnten Referenzsignal über die Richtfunkstrecke übermittelt werden, oder aber als zusätzliche Modulation eines Dauerstrichlasers bzw. infolge des Betriebes eines Impulslasers im Sender.

So ist mit auf dem Gebiete der Lasertechnologie problemlos verfügbaren Komponenten ein auf der gleichzeitigen zeitauflösenden Vermessung atmosphärischer Gegenheiten wie Dichteschwankungen oder Verunreinigungen beruhendes Meßprinzip eröffnet, das ein breites Informationsspektrum erbringt, da es gleichzeitig in unterschiedlichen Bereichen der atmosphärischen Laser-Durchlässigkeit über große Frei­ felddistanzen (in der Größenordnung von 5-10 Kilometern) arbeiten kann, ohne die Meßergebnisse durch zeitabhängige und ortsabhängige Schwankungen der Übertragungsgegebenheiten zu verfälschen. Beispielsweise werden Festfrequenzlaser für die atmosphärischen Durchlässigkeits­ bereiche um 0,5. . . 1,0 µm, für 3 . . . 5 µm und für 8 . . . 15 µm eingesetzt, deren Ausgangsstrahlen für die Meßdistanz parallelisiert und wellenlängenspezifisch unter gegenseitiger Durchdringung zum einen Meß- oder Hauptstrahl überlagert werden, wodurch sie auf dem Ausbreitungsweg stets gleichzeitig das gleiche Schicksal hinsichtlich des atmosphärischen Übertragungseinflusses erleiden.

Als Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung eine entsprechende Meß-Vorrichtung schematisch dargestellt, die nachstehend näher beschrieben ist. Es zeigt:

Fig. 1 in schematischer Darstellung die wesentlichen optischen und elektronischen Einzelheiten des Senders und eines von diesem räumlich getrennt betriebenen Empfängers der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 im vereinfachten einpoligen Blockschaltbild die wesentlichen elektronischen Komponenten des Senders und des Empfängers nach Fig. 1 und

Fig. 3 in Prinzipdarstellung die räumliche Vereinigung von Sender und Empfänger bei Anordnung eines Retro-Reflektors hinter der Meßstrecke.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 10 zum Gewinnen atmosphärenabhängiger Informationen, die einen Sender 12 und einen Empfänger 14 aufweist. Mit Hilfe dieser Vorrichtung ist beispielsweise eine Bestimmung wellenlängenabhängiger Atmosphärenparameter wie zeitliche Brechungsindexschwankungen, die Bestimmung von Schadstoffen od. dgl. möglich. Der Sender 12 weist drei Hochenergie-Laser 16 mit voneinander verschiedenen Wellenlängenbereichen auf. Jedem Hochenergie-Laser ist ein Modulator 18 und eine Divergenzanpassungsoptikeinrichtung 20 vorgeschaltet. Die durch dünne strichpunktierte Linien angedeuteten Laserstrahlen 22, 24 und 26 unterschiedlicher Frequenz bzw. Wellenlänge werden in einer Vereinigungseinrichtung 28 zu einem Hauptstrahl 30 vereinigt. Angedeutet ist als Verunreinigungseinrichtung 28 ein Prisma. Mit der Bezugsziffer 32 ist eine Senderoptikeinrichtung schematisch angedeutet. Der aus der Senderoptikeinrichtung 32 austretende Hauptstrahl 30 wird gegen den Empfänger 14 ausgerichtet. Der Hauptstrahl 30 ist in Fig. 1 aus Platzgründen zickzackförmig abgewinkelt angedeutet.

Der Empfänger 14 ist mit einer Sammeloptikeinrichtung 34 ausgestattet, der ein Detektor 36 nachgeschaltet ist. Der Detektor 36 ist mit einer Elektronikeinrichtung 38 zusammengeschaltet, was durch den Pfeil 40 zwischen dem Detektor 36 und der Elektronikeinrichtung 38 angedeutet ist. Die Sammeloptikeinrichtung 34 ist beispielsweise mit einem Linsensystem 42 und einer Lochblende 44 ausgestattet.

Aus Fig. 2 ist in einer schematischen Blockdarstellung der Sender 12 und der vom Sender 12 räumlich getrennte Empfänger 14 ersichtlich. Den einzelnen Hochenergie-Lasern 16 des Senders 12 sind die Modulatoren 18 und die Divergenzanpassungsoptikeinrichtungen 20 vorgeschaltet. Die Divergenzanpassungsoptikeinrichtungen 20 sind mit einem Multiplexer 46 verbunden, der mit der Senderoptikeinrichtung 32 zusammengeschaltet ist. Mit der Bezugsziffer 30 ist auch in dieser Figur der Laserhauptstrahl bezeichnet, der zickzackförmig angedeutet ist. Selbstverständlich verläuft der Laserhauptstrahl 30 zwischen dem Sender 12 und dem Empfänger 14 geradlinig. Der Sender 12 weist einen Referenzsignalgenerator 48 sowie einen Triggerimpulsgenerator 50 auf. Der Triggerimpulsgenerator 50 dient zur Synchronisierung der verschiedenen Komponenten des Senders 12 und des Empfängers 14, d. h. zur Synchronisation der Komponenten der Vorrichtung 10. Die Synchronisation der Komponenten des Senders 12 ist durch den vom Triggerimpulsgenerator 50 ausgehenden kurzen Pfeil 52 schematisch angedeutet. Die Synchronisation der Komponenten des Empfängers 14 ist durch den vom Triggerimpulsgenerator 50 ausgehenden Pfeil 54 angedeutet, der vom Sender 12 zum Empfänger 14 gerichtet ist. Auf demselben Weg wie die Übertragung des Triggerimpulses vom Sender 12 zum Empfänger 14 kann das Referenzsignal vom Referenzsignalgenerator zum Empfänger 14 übertragen werden. Das ist durch den Pfeil 56 angedeutet. Die Pfeile 54 und 56 sind zwischen dem Sender 12 und dem Empfänger 14 nebeneinander parallel verlaufend dargestellt, wodurch eine Richtfunkstrecke 58 bzw. eine Glasfaserkabelstrecke angedeutet werden soll.

Auf der Seite des Empfängers 14 ist mit der Bezugsziffer 36 der Detektor bezeichnet, der mit Lock-in-Verstärkern 60 verbunden ist. Die Verbindung zwischen dem Detektor 36 und den Lock-in-Verstärkern 60 ist durch die Pfeile 62 angedeutet. Die Referenzfrequenz erhalten die Lock-in- Verstärker 60 aus dem Empfangssignal der Richtfunkstrecke bzw. der Glasfaserkabelstrecke 58. Die Lock-in-Verstärker 60 sind mit einem Multiplexer 64 verbunden, der mit einem Mikrocomputer 66 verbunden ist. Am Ausgang des Mikrocomputers 66 ist beispielsweise eine Bandspeichereinrichtung 68 und/oder ein Drucker 70 vorgesehen. Die Ausgangssignale der Lock-in- Verstärker 60 sind zu Schwankungen des Brechungsindexes der zwischen dem Sender 12 und dem Empfänger 14 vorhandenen Luftatmosphäre proportional, wobei die Ausgangssignale analog oder digital weiterverarbeitet werden können. Zu diesem Zweck sind der Multiplexer 64 und der Mikrocomputer 66 vorgesehen.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Vorrichtung 10 schematisch angedeutet, bei welcher der Sender 12 und der Empfänger 14 voneinander räumlich getrennt sind. Demgegenüber ist in Fig. 3 eine Vorrichtung 10 schematisch angedeutet, bei der der Sender 12 und der Empfänger 14 in einem gemeinsamen Gehäuse 72 vorgesehen sind. Mit der Bezugsziffer 30 ist auch in dieser Figur der Laserhauptstrahl angedeutet, der aus dem Sender 12 austritt und an einem Reflektor 74 zum Empfänger 14 zurückreflektiert wird.

Anstelle analoger Lock-in-Verstärker 60 können auch digitale Lock-in-Algorithmen angewandt werden, die in einem Rechner vorgesehen sind. Hierzu sind schnelle A/D-Wandler, schnelle Multiplikationsalgorithmen und eine entsprechende Rechner- Hardware erforderlich.

Claims (6)

1. Verfahren zum Gewinnen von atmosphärenabhängigen Informationen durch Auswerten atmosphärisch beeinflußter Laserstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß Strahlen aus Laserquellen unterschiedlicher Wellenlängenbereiche wellenlängenspezifisch parallelisiert und über eine umgekehrt betriebene Strahlteilung zu einem einzigen in die Teststrecke auszusendenden Hauptstrahl vereinigt werden.

2. Verfahren insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum Hauptstrahl eine Referenzinformation über Richtfunk an einen nicht beim Sender betriebenen Empfänger übermittelt wird.

3. Vorrichtung zum Gewinnen von atmosphärenabhängigen Informationen durch Auswerten atmosphärisch beeinflußter Laserstrahlen von einem Sender (12) in einem frequenzempfindlich arbeitenden Empfänger (14), dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (12) Laser (16) für Laserstrahlen (22, 24, 26) in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen aufweist, in deren Strahlenwegen Divergenzanpassungseinrichtungen (20) und eine als umgekehrt betriebener Strahlteiler auslegbare Vereinigungseinrichtung (28) zum Aussenden der zu einem einzigen Strahl (30) einander durchdrungenen Quell-Strahlen (22, 24, 26) angeordnet ist, mit frequenzabhängig arbeitendem Empfangs-Detektor (36).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlenwegen (22, 24, 26) vor ihrer Vereinigung zum Hauptstrahl (30) getrennt ansteuerbare Modulatoren (18) ange­ ordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptstrahl (30) aus wenigstens einem der Einzelstrahlen (22, 24, 26) mit einer Triggerinformation moduliert ist.

6. Vorrichtung insbesondere nach einem der Ansprüche 3 bis 5, zum Ausüben des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (12) zusätzlich über eine Richtfunkstrecke (58) ein Referenzsignal (54) für die Empfangsauswertung an den Empfänger (14) übermittelt.