DE69426110T2

DE69426110T2 - Gerät und Verfahren zum Bestimmen der Sichtweite und der aktuellen Wetterlage

Info

Publication number: DE69426110T2
Application number: DE69426110T
Authority: DE
Inventors: Jan Lonnqvist
Original assignee: Vaisala Oy
Current assignee: Vaisala Oy
Priority date: 1994-01-11
Filing date: 1994-12-23
Publication date: 2001-05-10
Anticipated expiration: 2014-12-24
Also published as: AU697118B2; JPH07234280A; FI940117A; FI98766B; ATE196950T1; FI940117A0; EP0662619B1; AU1015295A; EP0662619A2; FI98766C; US5880836A; DE69426110D1; JP3545823B2; EP0662619A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß der Präambel von Anspruch 1 für die Messung der Sichtweite und des gegenwärtigen Wetters.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Messen der Sichtweite und des gegenwärtigen Wetters.
Die vertikale Sicht bzw. Sichtweite und die Höhe der Wolkenuntergrenze, ebenfalls Wolkenuntergrenze genannt, werden unter Verwendung einer Vorrichtung gemessen, die als ein optisches Lot von der Art eines Lidars fungiert mit, jedoch, separaten Optiksystemen für die Lichtwege des Sender- und Empfängerabschnittes. Der Senderabschnitt der Vorrichtung stößt Laserpulse kurzer Dauer aus, der Empfängerabschnitt erfaßt und verstärkt die reflektierten und rückgestreuten optischen Signale, die mit dem atmosphärischen Nebel und Regen in Beziehung stehen, und der Informationsverarbeitungsabschnitt digitalisiert das analoge Ausgangssignal des Empfängers in eine Form, die zum Aufzeichnen der Reflexionen geeignet ist, die durch den Laserpuls kurzer Dauer entlang der gesamten Länge des gemessenen Lichtstrahlweges hervorgerufen werden, deren Meßbereich z. B. als 0,2-4 km definiert sein kann, in dem Speicher eines Computers als ein Reflexion/Rückwärtsstreuungsprofil, aus dem eine Wolke mit ihrer Basishöhe mittels konventioneller Computeralgorithmen identifiziert und die vertikale Sichtweite berechnet werden kann für, beispielsweise, Nebel- und Schneesituationen. Die Algorithmen und Berechnungen beruhen hauptsächlich auf der Gestalt des Reflexionsprofils anstatt der absoluten Intensität der empfangenen Signale. In solch einem konventionellen Gerät beginnt der Meßbereich nur ab einer bestimmten Entfernung, bei der sich die Strahlen des Senders und Empfängers hinreichend überlappen, wobei diese minimale Entfernung beispielsweise 0,2 km beträgt, entsprechend dem oben zitierten Meßbereich.
Das Ceilometer bzw. der Wolkenhöhenmesser mit der verbesserten Konstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung enthält ein optisches System, in dem die Strahlen des Senders und Empfängers überlagert werden. Eine reine Überlagerung der Strahlen bewirkt einen kurzreichweitigen Sättigungseffekt, der später im Text in Verbindung mit der Beschreibung von Fig. 3 näher diskutiert werden wird. Indem eine optische Rückkopplungsanordnung verwendet wird, kann der Meßbereich so erweitert werden, daß er unmittelbar vor den Optiksystemen der Vorrichtung beginnt. Dann kann solch eine Vorrichtung mit optischer Rückkopplung typischerweise einen Meßbereich von beispielsweise 0-4 km bereitstellen. Solch ein Gerät ist jedoch nicht dazu in der Lage, verschiedene Arten von Regen zu identifizieren.
Die horizontale Sichtweite wird aus der Streuung des Lichtes gemessen. In einer Ausführungsform nach dem Stand der Technik (dem sogenannten Rückwärtsstreuungsmeßsystem) werden die Streuung und Reflexion des Lichtes im wesentlichen in Rückwärtsrichtung in Bezug auf den ausgestoßenen Strahl mittels einer Vorrichtung gemessen, die dem oben beschriebenen Ceilometer ähnelt, sich jedoch davon dadurch unterscheidet, daß der Empfänger nur die gesamte Rückwärtsstreuung/Reflexion erfaßt und nicht dazu in der Lage ist, die Komponenten, die aus verschiedenen Entfernungen zu dem Empfänger zurückreflektiert werden, voneinander auf dieselbe Weise zu unterscheiden, wie sie von dem oben beschriebenen Ceilometer durchgeführt wird. Ein gut bekanntes Problem dieser Art von Sichtmeßgerät besteht darin, daß, falls die Vorrichtung für präzise Anzeigewerte der Sichtweite in Nebel kalibriert bzw. geeicht wird, sie fälschlicherweise in Regen Anzeigewerte für eine lange Sichtweite und fälschlicherweise Anzeigewerte für eine kurze Sichtweite anzeigt, wenn es schneit.
Eine andere Ausführungsform eines Sichtmeßgerätes (das sogenannte Vorwärtsstreuungsgerät) basiert auf optischer Streuung, wobei der Empfängerstrahl dafür ausgelegt ist, den Senderstrahl in einem Winkel von 20-45º in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung des Senderstrahles zu schneiden. Ein bekanntes Problem solch einer Anordnung besteht darin, daß, falls das Gerät für präzise Anzeigen der Sichtweite in Nebel kalibriert bzw. geeicht ist, es fälschlicherweise Anzeigewerte für eine kurze Sichtweite in Regen und fälschlicherweise Anzeigewerte für eine lange Sichtweite, wenn es schneit, anzeigt. Sogar diese Ausführungsform basiert auf der Messung der vorwärtsgestreuten Intensität allein, und man erhält keine Informationen über das zeitbezogene Profil des empfangenen optischen Signales, das von der Vorwärtsstreuung des ausgesendeten Lichtes herrührt. Ein typischer optischer Sendeleistungspegel in solch einem Meßsystem liegt in der Größenordnung von 5 mW Dauerausgangsleistung.
Eines der ungelösten Hauptprobleme bei der Messung von Wetterdaten und deren Automatisierung ist die automatische Messung des lokalen Wetters (in der Terminologie der Meteorologen das gegenwärtige Wetter genannt). Diese meteorologische Entität umfaßt als eine ihrer Hauptuntergruppen die Erfassung von Regen kombiniert mit der Identifikation des Typs von Regen und der Intensität des Regens (auf einer Skala von leicht/mäßig/schwer).
Eine weitere Unteraufgabe, die die automatische Identifikation der Art des Regens betrifft, ist die Unterscheidung von leichtem, windgetriebenem Schnee (in der Terminologie der Meteorologen Flugschnee) von Schneeniederschlag, das heißt, fallendem Schnee. Dieser Unterschied ist insbesondere wichtig für die Abschätzung des Wasserresourcengleichgewichts und von Frühlingsüberflutungen. Dieses Problem hat auf eine entwicklungsfähige Lösung gewartet.
Störend für das Flugwesen ist insbesondere das Auftreten von Bodennebel in Verbindung damit, daß die Bodenoberfläche mit Reif überzogen wird, während eines Wetters ohne Wind, wodurch lokal messende Vorrichtungen gelegentlich extrem pessimistische Anzeigewerte für die Sichtweite berichten können.
WO86/04435 A offenbart ein Niederschlagsidentifikationssystem, das eine Lichtquelle zum Lenken von gepulstem Licht in Richtung der Niederschlagspartikel umfaßt. Ein Detektor ist bereitgestellt für die Erfassung des vorwärtsgestreuten Lichtes. Signale aufgrund von Umgebungslicht werden mittels eines elektronischen Bandpaßfilters/Verstärkers entfernt.
EP 0583075A, was nur gemäß Art. 54(3) relevant ist, offenbart eine Vorrichtung zum Messen der meteorologischen Sichtweite und Streuung des Lichtes. Die Vorrichtung umfaßt einen Empfänger zum Empfangen von rückwärtsgestreuten Lichtpulsen. Eine Einheit ist mit dem Sender und dem Empfänger verbunden, um die Verzögerung und Intensität des Echopulses zu bestimmen.
EP-A-0358507 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen der atmosphärischen Sichtweite. Ein Lichtpuls kurzer Dauer wird ausgesendet und das rückgestreute Licht wird mittels einer Empfängereinheit empfangen. Die Zeit zwischen der Emission des Pulses und der Rückwärtsstreuung wird elektronisch gemessen und in einer Berechnungseinheit, die Entscheidungen trifft, verwendet.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile der oben beschriebenen Techniken zu überwinden und eine vollständig neuartige Vorrichtung und ein vollständig neuartiges Verfahren für die Messung der Sichtweite und des gegenwärtigen Wetters bereitzustellen.
Das Ziel der Erfindung wird erreicht, indem man die oben beschriebene Art des verbesserten Ceilometers bzw. Wolkenhöhenmessers und eine Vorwärtsstreuungsmeßvorrichtung auf solch eine Weise kombiniert, daß der gepulste Laserstrahl des Ceilometers als die Lichtquelle der Streuungsmeßvorrichtung verwendet wird und die zusätzlichen Informationen über die Art des Regens aus dem Rückwärtsstreuung-gegen-Zeit-Profil des Laserlichtstreuungssignales erhalten werden, das von dem Empfänger erfaßt wird.
Insbesondere wird die Vorrichtung gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, was in dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegeben ist.
Weiterhin wird das Verfahren gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, was in dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 5 angegeben ist.
Die Erfindung bietet beträchtliche Vorteile.
Die Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht eine Struktur mit verbesserter Kosteneffizienz, geringerem Gewicht und kompakterer Größe als durch eine Kombination partieller Ausführungsformen der konventionellen Techniken erreicht werden kann. Zusätzlich zu der Messung der Sichtweite ist solch eine integrierte Vorrichtung dazu in der Lage, auf verläßliche Weise Regen, seine Art und seine Intensität zu erfassen. Mit der Hilfe der Vorrichtung kann ebenfalls Flugschnee von fallendem Schnee unterschieden werden.
Im folgenden wird die Erfindung ausführlicher mit der Hilfe der beispielhaften Ausführungsformen untersucht werden, die in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind, in denen
Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ein schematisches Blockdiagramm einer alternativen Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 3 ein graphischer Vergleich des Eingangssignals einer optisch nicht-rückkopplungskompensierten Vorrichtung mit dem resultierenden Ausgangssignal der Erfassungsschaltungsanordnung; und
Fig. 4 ein schematisches Blockdiagramm der elektronischen Rückkopplungsschaltungsanordnung der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist.
Wie in Fig. 1 zu sehen ist, weist die Vorrichtung einen Lichtpulssender 1 und einen optischen Empfänger 3 auf. Der Schnittpunkt des Sendestrahles 2 des Senders 1 und des Empfangsstrahles 4 des Empfängers 3 bilden ein Abtastvolumen 9.
Der Lichtpulssender 1 weist typischerweise eine Lichtquelle 5 auf, die beispielsweise eine Laserdiode aufweisen kann, kombiniert mit einem Optiksystem 6. Die optische Ausgangsleistung des Senders 1 beträgt typischerweise ungefähr 20 W Spitzenleistung, und das Licht wird in Form kurzer Pulse mit einer Dauer von beispielsweise 100 ns ausgesendet. Die Pulsrate liegt typischerweise in dem Bereich von 0,3-10 kHz. Der Lichtpulssender 5 ist mit einem optischen Empfänger 19 kombiniert, der dasselbe Optiksystem 6 verwendet wie der Senderabschnitt 5. Der Senderkopf umfaßt des weiteren eine Datenverarbeitungseinheit 11 mit einer Hauptaufgabe, die Entfernung der reflektierenden Front (beispielsweise Nebel oder Wolken) auf der Grundlage der Zeitverzögerung zwischen dem ausgesendeten Puls 16 und dem Echopuls 17 zu berechnen.
Entsprechend umfaßt der Vorwärtsstreuungsempfänger 3 ein Empfängeroptiksystem 7 und einen Detektorabschnitt 8 für die Messung des Lichtes, das von den Teilchen 10 gestreut und/oder reflektiert wird, die in dem Abtastvolumen 9 enthalten sind. Im Block 15 wird die Fehlerkomponente, die durch Falschlicht bzw. Streulicht verursacht wird, von dem erfaßten Signal separiert, in Block 14 wird das Signal digitalisiert und im Speicher gespeichert, in Block 13 werden Berechnungsfunktionen durchgeführt, und das Sichtweitesignal, das aus der Berechnung erhalten wird, wird mit Hilfe des Blockes 12 angezeigt.
Die Rückkopplungsanordnung des optischen Signales in solch einem System, das auf einem Strahlteiler 20 basiert, wie in dem Diagramm gezeigt, wird mit der Hilfe einer optischen Faser 23 implementiert, die mit einem Rückkopplungssignaldetektor 21 optisch verbunden ist. Das andere Ende der Faser 23 ist auf der in Bezug auf den Empfänger 19 abgewandten Seite des Strahlteilers 20 angeordnet. Die Länge der Faser 23 wird vorteilhafterweise so ausgewählt, daß die Verzögerung, die durch die Faser bewirkt wird, gleich der Echoverzögerung der stärksten Fehlersignalkomponente ist. Falls die stärkste Fehlersignalkomponente beispielsweise vom Strahlteiler 20 erhalten wird, muß die Verzögerung, die durch die Faser 23 verursacht wird, so angepaßt werden, daß sie gleich der optischen Signalausbreitungsverzögerung zwischen dem Empfänger 19 und dem Strahlteiler 20 ist. Im Gegensatz dazu, falls die stärkste Fehlersignalkomponente zu der fokussierenden Linse 6 (oder einer ähnlichen Linsengruppe) gehört, muß die Verzögerung, die mit der Hilfe der Faser 23 implementiert wird, gleich der Verzögerung zwischen der Linse 6 und dem Strahlteiler 20 multipliziert mit zwei gesetzt werden. Vermöge der Faser 23 können die Photodetektorelemente physisch so nahe wie möglich beieinander angeordnet werden, wodurch diese Elemente unter maximal gleichen Umgebungsbedingungen gehalten werden können. Das Ende der Faser 23 kann dafür ausgelegt sein, beweglich zu sein, wodurch die Fehlersignalkompensation möglich ist, außer durch Anpassen der Detektorvorspannung, durch geeignete Anordnung des freien Endes der Faser 23. In der Praxis findet eine grobe Anpassung der Kompensation durch mechanisches Rotieren des Faserendes statt, während die Feinanpassung elektronisch durchgeführt wird.
Wie in Fig. 2 zu sehen ist, kann das Rückkopplungssignal in einem System, das auf der Verwendung eines Y- Kopplers basiert, mit der Hilfe eines optischen Leistungsteilers 24 angeordnet werden. Das Leistungsteilverhältnis kann beispielsweise als 2 : 2 ausgewählt werden. Um den Rückkopplungseffekt zu optimieren, wird die Signalverzögerung über die optische Rückkopplungsfaser 25, die zwischen dem optischen Leistungsteiler 24 und dem Rückkopplungssignaldetektor 21 angeordnet ist, so angepaßt, daß sie im wesentlichen gleich der Signalverzögerung über die optische Faser 26, die zwischen dem Empfänger 19 und dem optischen Leistungsteiler 24 angeordnet ist, ist.
Wie in Fig. 3 zu sehen ist, ist die Wellenform des optischen Eingangssignales zu einem nicht-rückkopplungskompensierten Empfänger in der oberen graphischen Darstellung gezeigt. Wie man der graphischen Darstellung entnimmt, verursacht das optische Lecken zu Beginn der Kurve einen transienten Puls 34 mit einer Spitzenintensität 35 von ungefähr 1000-1000000 mal dem normalen Eingangssignalpegel. In der unteren graphischen Darstellung, die das elektrische Ausgangssignal des Empfängers darstellt, treibt dieser transiente Puls 34 den Verstärker des Empfängers während des Zeitintervalls 33 in die Sättigung. Während des Zeitintervalls 31 erholt sich der Verstärker von dieser Sättigung, und aufgrund des transienten Überbelastungsdurchschwingers 32 bleibt jedes optische Signal 36, das als Rückstreuung von Nebel empfangen wird, während dieser Zeit am Verstärkerausgang unerfaßt. Ein Meßsignal von, zum Beispiel, einer Wolke oder einem festen Objekt kann frühestens zum Zeitpunkt 37 erhalten werden. Dieses Signal kann immer noch durch den transienten Überbelastungsdurchschwinger 32 verstümmelt sein.
Wie in Fig. 4 gezeigt ist, kann der Überbelastungszustand des Verstärkers eliminiert werden, indem man ein konventionelles Photodetektorelement 41 mit dem Rückkopplungssignaldetektorelement 42 in einer Halbbrückenkonfiguration verbindet. In der in dem Diagramm veranschaulichten Ausführungsform sind beide Photodetektorelemente 41 und 42 Lawinenphotodioden mit Sperrvorspannung. Wenn das Lecken von dem starken Laserpuls den beiden Photodioden 41 und 42 gleichzeitig auferlegt wird, wird das Fehlersignal, das durch solch ein optisches Lecken verursacht wird, fast vollständig kompensiert werden. Die Vorspannung bzw. Bias-Spannung der Halbbrücke kann auf solch eine Weise feinjustiert werden, daß das durch den optischen Leckpuls hervorgerufene transiente Fehlersignal mit der Hilfe der kompensierenden Rückkopplungsphotodiode im wesentlichen vollständig aufgehoben werden kann. Vermöge dieser Anordnung wird die Eingangsüberbelastung des Verstärkers 43 vermieden. Die Vorspannung bzw. Bias-Spannung kann auf eine kontinuierliche Weise gesteuert werden, indem man zuerst das analoge Signal mit der Hilfe eines A/D-Wandlers 45 in eine digitale Form umwandelt und dann dieses digitale Signal in einer Datenverarbeitungseinheit 47 weiterverarbeitet. Der A/D-Wandler 45 ist typischerweise ein schneller, sogenannter FLASH-Wandler mit einem, zum Beispiel, Abtastintervall von 50 ns und einer Auflösung von 8 Bit. Der Ausgang des A/D-Wandlers 45 wird zu einem FIFO(First-In/First-Out)-Abtastpuffer 48 zugeführt, bevor er einem Mikroprozessor 47 zugeführt wird. Die Länge des Puffer 48 kann, zum Beispiel, 512 Abtastungen betragen. Der Mikroprozessor 47 steuert die Abtastoperation über eine Steuerleitung 54, die sowohl zu dem Abtastpuffer 48 als auch dem A/D-Wandler 45 führt. Die Steuerung der Bias-Spannung wird implementiert, indem man ein Steuersignal von der Datenverarbeitungseinheit 47 zu einem Bias-Spannungsregler 44 zuführt, der die Bias-Spannung steuert, die über den Photodioden 41 und 42 anliegt. Diese Bias-Steuerung kann auf eine kontinuierliche Weise implementiert werden, da die Datenverarbeitungseinheit dazu in der Lage ist, die Genauigkeit der Kompensation von dem Meßsignal zu bewerten, und somit die Bias-Spannung mit einer differentiellen Erhöhung oder Erniedrigung beaufschlagen kann, um so eine vollständige Kompensation zu erreichen. In der Praxis wird der Bias-Spannungssteuerschaltkreis mit der Hilfe eines Konstantspannungsreglers 40, der mit der positiven Spannungsschiene verbunden ist, und eines steuerbaren Spannungsreglers 44, der mit der negativen Spannungsschiene verbunden ist, implementiert, wobei das Steuersignal von dem Mikroprozessor 47 über einen D/A-Wandler 48 entlang einer Steuerleitung 56 zu dem letzteren Regler zugeführt wird. Die Halbbrücke 46 wird vorteilhafterweise mit einem Temperaturkompensationsschaltkreis 49 ausgestattet, der mit den Spannungsreglern 40 und 44 verbunden ist. In der Tat kann die Halbbrücke 46, die von den Photodioden 41 und 42 gebildet wird, so betrachtet werden, daß sie einen Subtrahierschaltkreis bildet, in dem die Fehlersignalkomponente von dem Meßsignal abgezogen wird.
Während regenfreier Perioden erfaßt und mißt der Ceilometerabschnitt 1 der in Fig. 1 oder Fig. 2 veranschaulichten Vorrichtung die Höhe der Wolkenuntergrenze, und während Nebelperioden enthält sein Echosignalprofil ebenfalls die Nebelverteilung als eine Funktion der vertikalen Höhe. Der Empfänger 3 ist bei einer Höhe von ungefähr 1 m von der Austrittsöffnung des Ceilometers 1 angeordnet und mißt die Lichtstreuung in einem Vorwärtswinkel von 20-45º, wodurch die Sichtweite in dem oben beschriebenen Abtastvolumen 9 aus dem Empfängerausgangssignal mittels konventioneller Einrichtungen (Blöcke 12- 15) berechnet werden kann. Falls und wenn beide Meßfunktionen für exakte Anzeigewerte der Sichtweite kalibriert worden sind, insbesondere unter Nebelbedingungen, dann werden die Anzeigewerte für die Sichtweite, die mittels der beiden Meßfunktionen der Vorrichtung erhalten werden, unter Nebelbedingungen dieselben sein.
Während Regen wird das Nahbereichssignal der Ceilometerfunktion relativ schwächer (was eine relativ bessere Sicht bzw. Sichtweite darstellt) sein als das Vorwärtsstreuungssignal, das von dem Vorwärtsstreuungsempfänger gemessen wird, wie es aus der obigen Diskussion offensichtlich ist. Somit zeigt diese Situation Regen an.
Während des Schneiens wird das Nahbereichssignal der Ceilometerfunktion relativ stärker (was eine relativ schwächere Sicht bzw. Sichtweite darstellt) sein als das Vorwärtsstreuungssignal, das von dem Vorwärtsstreuungsempfänger gemessen wird, wie es aus der obigen Diskussion offensichtlich ist. Somit zeigt diese Situation fallenden Schnee an.
Vermöge der vorliegenden Erfindung ist die Erfassung von Flugschnee ebenfalls möglich, da das Echosignalprofil der Ceilometerfunktion ebenfalls Informationen über die Schneeverteilung als eine Funktion der vertikalen Höhe enthält. Falls man findet, daß sich das Dichteprofil in größeren Höhen Null annähert, wird der Schnee offensichtlich vom Wind geblasen.
Ein lokaler Bodennebel kann vermöge der Vorrichtung aus der Situation erfaßt werden, daß das vertikale Sichtweitenprofil in diesem Fall eine niedrige Nebelhöhe anzeigt.
Der Rückwärtsstreuungsempfänger besitzt solch eine hohe Zeitauflösung in seinem Echosignal, daß einzelne Regentropfen oder Schneeflocken aus dem Signal erfaßt werden können. In der vorliegenden Erfindung liefert diese Eigenschaft Redundanz auf solch eine Weise, daß, wenn das Signal erfaßt wird, derart, daß es vom Nebel gestreut wird, es möglich ist, eine Qualitätskontrolle durchzuführen, indem man einen Kreuzvergleich von zwei verschiedenen Meßfunktionen durchführt, nämlich die Rückwärtsstreuung gegen die Vorwärtsstreuung, und/oder eine automatische Kalibrierung einer der Meßfunktionen durchzuführen.
Die Vorrichtung kann mit einem Lufttemperatursensor ausgestattet sein, wodurch ihre Verläßlichkeit beim Unterscheiden von Regen von Schnee verbessert wird.
Weiterhin kann die Vorrichtung mit einem Sensor für die relative Feuchtigkeit ausgestattet sein, wodurch es möglich wird, Nebel mit niedriger relativer Feuchtigkeit (Dunst in der Terminologie der Meteorologen), Sandstürme und andere spezielle Bedingungen des gegenwärtigen Wetters, die durch eine niedrige relative Feuchtigkeit gekennzeichnet sind, zu erfassen.
Weiterhin kann die Vorrichtung noch mit einem Windgeschwindigkeitsmeßgerät vervollständigt werden, wodurch die Verläßlichkeit der Erfassung von sowohl Flugschnee als auch lokalem Bodennebel bis zu einem sehr hohen Niveau verbessert werden wird.
Optional kann die Vorrichtung mit einem einfachen Regenmeßelement ausgestattet sein, wodurch die Anzeige einer Flüssigkeitsniederschlagsrate möglich wird. Diese Option liefert mehr Redundanz und Verläßlichkeit für die Messungen.
Eine hohe Senderausgangsleistung ist vorteilhaft für das gesamte Leistungsvermögen der Vorrichtung, da dann maximale Informationen über das gegenwärtige Wetter erhalten werden. Die Verwendung eines Senders mit Lichtpulsen niedriger Leistung ist jedoch ebenfalls durchführbar und erfordert einen Kompromiß in der maximalen Reichweite der Vorrichtung.

Claims

1. Eine Vorrichtung zum Messen der Sichtweite und dem gegenwärtigen Wetter, wobei die Vorrichtung aufweist:

eine gepulste Lichtquelle (1), die dafür geeignet ist, einen Lichtstrahl in Richtung eines Objektes (9), das gemessen werden soll, zu lenken,

einen Detektor (3), der für die Messung von gestreutem Licht geeignet ist, wobei der Detektor dafür ausgelegt ist, Licht zu messen, das von dem Objekt (9), das gemessen werden soll, vorwärtsgestreut wird, und

eine Berechnungseinrichtung (12-15), die dafür ausgelegt ist, ein Signal, daß das vorwärtsgestreute Licht repräsentiert, von einem Signal, das Falschlicht repräsentiert, zu unterscheiden,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Vorrichtung eine Empfangseinrichtung (19) zum Empfangen von direkt rückwärts reflektierten/gestreuten Lichtpulsen umfaßt,

eine Berechnungseinrichtung (11) zum Berechnen der Ausbreitungsverzögerungen der verschiedenen rückwärts reflektierten Komponenten in dem empfangenen pulsförmigen optischen Signal bereitgestellt ist, und

die Vorrichtung Rückkoppelungselemente (21, 23, 25), die in dem Meßsystem zum Messen der Wellenform des Lichtpulses, der während des Ausstoßens des Transmitterausgangspulses erzeugt wird, enthalten sind, wobei die Rückkopplungselemente die Messung auf eine Weise durchführen, die den Effekt von Rückstreulicht ausschließt, das von außerhalb des Meßsystems herrührt; eine Skaliereinrichtung (45, 47, 44) zum Skalieren des gemessenen Signals mit der Hilfe der Rückkopplungselemete (21, 23, 25), um so ein Rückkopplungssignal zu erzeugen, das durch seine Amplitude und Zeitsteuerung in Bezug auf das konkrete Meßsignal geeignet angepaßt ist; und eine Subtrahiereinrichtung (46) zum Subtrahieren des skalierten Rückkopplungssignals von dem Meßsignal auf solche eine Weise, daß Empfängerüberbelastungssituationen vermieden werden, umfaßt.

2. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Subtrahiereinrichtung eine Halbbrücke (46) aufweist, die von Meß- und Rückkopplungsfotodioden (41, 42) gebildet wird, und daß die Skaliereinrichtung einen Regler (44) für die Bias-Spannung der Halbbrücke (46) aufweist.

3. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung einen Strahlteiler (20) zum Führen des optischen Echosignales, das von einer Transmitteroptik (6) gesammelt wird, zu dem Empfänger (19) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine optische Faser (23) umfaßt, die in Bezug auf den Empfänger (19) auf der abgewandten Seite des Strahlteilers (20) zum Messen des in dem Meßsystem erzeugten Lichtpulses mittels eines Rückkopplungssignaldetektors (21), der mit der optischen Faser (23) verbunden ist, angeordnet ist.

4. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung einen Y-Koppler (26) zum Führen des optischen Echosignals, das von einer Transmitteroptik (6) gesammelt wird, zu dem Empfänger (19) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen optischen Leistungsteiler (24) aufweist, der mit einem Rückkopplungssignaldetektor (21) zum Messen des Lichtpulses, der in dem Meßsystem erzeugt wird, verbunden ist.

5. Ein Verfahren zum Messen des gegenwärtigen Wetters, wobei das Verfahren aufweist:

Auftreffenlassen von gepulstem Licht auf einem Objekt (9), das gemessen werden soll,

Messen der Vorwärtsstreuung des Lichtes von dem Objekt (9), das gemessen werden soll, und

Unterscheiden des gestreuten Lichtes von Falschlicht,

dadurch gekennzeichnet, daß

rückwärts reflektierte/gestreute Lichtpulse empfangen werden,

die Rückwärtsausbreitungsverzögerungen der rückwärts reflektierten/gestreuten Komponenten des gepulsten Lichtes berechnet werden, und

in Verbindung mit dem Ausstoßen des Lichtpulses der innerhalb des Meßsystems erzeugte Lichtpuls gemessen und durch ein Rückkopplungssignarrückgekoppelt wird, derart, daß ein optisches Lecken, das von außerhalb des Meßsystems herrührt, ausgeschlossen wird, das Rückkopplungssignal in Bezug auf das konkrete Meßsignal sowohl durch seine Amplitude als auch Zeitsteuerung skaliert wird, so daß auf diese Weise ein skaliertes Rückkopplungssignal erzeugt wird, und das skalierte Rückkopplungssignal von dem Meßsignal subtrahiert wird, um eine Empfängereingangsüberlastung zu verhindern.

6. Ein Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erfaßte Gestalt des Lichtpulses, der im Meßsystem erzeugt wird, durch seine Amplitude in einer Halbbrückenschaltkreisanordnung skaliert wird, die Lawinenfotodioden (41, 42) aufweist, deren Bias-Spannung geregelt wird, um die Rückkopplungssignalamplitude zu skalieren.

7. Ein Verfahren nach Anspruch 5, wobei in dem Verfahren das optische Signal, das von der Optik (6) gesammelt wird, mittels eines Strahlteilers (20) zu dem Empfänger (19) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtpuls, der in dem Meßsystem erzeugt wird, mit der Hilfe einer optischen Faser (23) gemessen wird, die in Bezug auf den Empfänger (19) auf der abgewandten Seite des Strahlteilers (20) angeordnet ist, wobei das andere Ende der optischen Faser mit dem Rückkopplungssignaldetektor (21) verbunden ist.

8. Ein Verfahren nach Anspruch 5, wobei in dem Verfahren das optische Signal, das von der Optik (6) gesammelt wird, mittels eines faseroptischen Y-Kopplers (26) zu dem Empfänger (19) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtpuls, der in dem Meßsystem erzeugt wird, mit der Hilfe eines optischen Leistungsteilers (24) gemessen wird, der in dem Y-Koppler (26) ausgebildet ist, wobei der Ausgang des Leistungsteilers mit dem Rückkopplungssignaldetektor (21) verbunden ist.