DK151728B - Fremgangsmaade til maaling af synsvidde og skyhoejde - Google Patents

Description

DK 151728 B

i

Opfindelsen vedrører en fremgangsmåde af den i kravets indledning angivne art.

Med den stadigt større trafiktæthed til lands og i luften og med en stadig voksende hastighed er det ofte 5 af livsvigtig betydning at give besked om de herskende synsviddeforhold. Som et eksempel kan anføres tågevar-sel på motorveje. På steder, hvor der erfaringsmæssigt let dannes tåge, kan der anbringes synsviddemålende apparater til styring af færdselsstrømmen i afhængig-10 hed af synsvidden.

Tåge i lufthavne har gennem mange år vanskeliggjort eller umuliggjort starter og landinger. Til dette formål er det særligt vigtigt på forhånd at kende synsviddeforholdene langs start og landingsbanerne. Tekniske 15 hjælpemidler til dette formål har hidtil bestået af transmissionsmålere og lystæthedsmålere, som er anbragt ved jorden, hvorved den såkaldte Runway Visual Range (RVR) kan findes. Endvidere burde man også bestemme synsvidde forholdene langs selve indflyvningsbanen, hvil-20 ket betegnes Slant Visual Range (SVR).

På tegningens fig. 1 er vist nogle geometriske betingelser under indflyvning. En flyvemaskine, som befinder sig under indflyvning langs indflyvningsbanen gennemfly-ver på hinanden følgende, vandrette sigtbarhedslag V^, 25 VN1 og V^· Fra lufthavnen kan piloten kun modtage information om de vandrette sigtbarhedsforhold V^. F°r den ansvarlige pilot er det for at udføre en sikker landing imidlertid vigtigere at have kendskab til sigtbarheds-forholdene langs indflyvningsbanen.

30 Ved gennemflyvning af skyer (f.eks. V^ < V^q og V^< V^) har højden af skyundergrænsen og skylagets tykkelse interesse.

DK 151728 B

2

Denne bestemmelse opnås ved hjælp af et ceilometer eller en skyhøjdemåler. I tilfælde af jordtåge skal tågens øvre højdegrænse og den optiske homogenitet kendes, og i sådanne situationer er det meget vanskeligt på 5 grundlag af yderligere information, baseret f.eks. på ballonopsendelse og erfaring, at danne sig en nøjagtig viden med hensyn til, om piloten kan regne med at få landingsbanen i sigte fra det kritiske punkt (fig. 1), om han skal regne med muligheden af en fejlindflyvning, 10 eller om sigtbarhedsforholdene ikke tillader en landing.

Under sådanne kritiske vejrsituationer, som desværre ikke er sjældne, ville en løbende, instrumentel overvågning af sigtbarheden være en stor fordel.

Sigtbarhedsforholdene kan foruden ved hjælp af trans-15 missionsmålere også bestemmes ved hjælp af apparater, som måler en spredningskoefficient. Til bestemmelse af sigtbarhedsforholdene langs en skrå linie kan der teoretisk set etableres en transmissionsmålestrækning langs indflyvningsbanen. Dette indebærer imidlertid 20 anbringelse af tårne, som er til fare for flytrafikken.

Til dette formål er fjernmåleapparater herunder laser-radar- eller lidarapparater hensigtmæssige.

Ved denne fremgangsmåde opnås et billede af et karakteristisk forløb for den fra aerosolpartikler tilbagestrå-25 lede energi i afhængighed af laserimpulsernes løbetid.

Ved hjælp af det modtagne signal kan aerosolens egenskaber, såsom dens tykkelse, bestemmes langs laserstrålens bane. Hvis man, for at forenkle problemet, antager en stykvis homogen atmosfære, hvor der til hvert stykke 30 svarer en konstant tilbagespredning, er den tilhørende del af lidarsignalerne proportional med extinktionen og omvendt proportional med kvadratet på afstanden.

På grundlag af en kendt sammenhæng mellem synsvidde og extinktion kan synsvidden langs laserstrålens bane 3

DK 151728B

bestemmes på grundlag af en eksakt analyse af lidar-signalerne. Fordelen ved fjernmåleteknikken er, at den er uafhængig af måleretningen, således at den f.eks. også kan bruges langs den på fig. 1 punkterede linie 5 (SUR).

Den hidtil kendte, mest nøjagtige målemetode, den såkaldte slope-metode (Applied Optics 14 (1975), side 2878-2882), forudsætter et omfattende elektronisk udstyr til signallagring og signalberegning af det af-10 standskorrigerede signalforløb. Derved kan hældningen for kurven bestemmes, hvorved extinktionen direkte angives. Denne metode er ikke indført i praksis i større udstrækning på grund af behovet for personale og kostbart apparatur og på grund af kravet om, at den skal 15 kunne dække hele synsviddeområdet fra 50 m til 100 km.

Når man indskrænker kravet til kun at omfatte de inden for luftfarten farlige synsvidder under 2000 m, er det mere hensigtsmæssigt at anvende den for en praktisk udførelse velegnede metode, der er beskrevet i det af 20 Deutsche Forschungs- und Versuchanstalt flir Luft- und

Raumfahrt for udstillingen "Laser 1979" publicerede trykskrift "Lidar fur Umu/eltschutzaufgaben", fordi der til denne 2-punkt-metode kræves væsentlig mindre elektronisk udstyr. Ued denne fremgangsmåde kræves der som 25 andet støttepunkt en måleværdi, som muliggør et udsagn om størrelsen af tilbagespredningen i modtagerens umiddelbare nærhed. Det hertil nødvendige elektroniske udstyr til lagring af en spændingsværdi og dennes sammenregning med signalets rækkevidde er forholdsvis beske-30 dent i sammenligning med den bekostelige Slope-metode.

Opfindelsen bygger på den erkendelse, at der ved 2-punkt-metodens praktiske anvendelse kan opstå det problem, at uhomogeniteter i signalforløbet mellem det første og det andet støttepunkt kan medføre fejlfortolkninger.

4

DK 151728B

For en simplere fremgangsmåde, hvorved prisproblemerne løses, er det nødvendigt med en yderligere, uafhængig synsviddemåling. Ved den såkaldte rækkeviddemetode (tysk patentskrift nr. 26 06 318) benyttes laserstrålens de-5 tekterbarhedsgrænse som kriterium. Den derved opnåede rækkevidde for signalet kan ved god sigt, d.v.s. med ringe aerosolindhold og dermed ringe tilbagestråling blive lig med signalets rækkevidde i tåge, hvor denne rækkevidde opnås som følge af den kraftigere extinktion.

10 En korrekt måling kan derfor først opnås, når der foretages -en yderligere måling af synsviddeforholdene.

Det er opfindelsens formål at tilvejebringe en fremgangsmåde af den i kravets indledning angivne art, ved hvilken fejlfortolkninger i tilfælde af uhomogen lagde-15 ling vidtgående undgås. Dette formål opnås ved den i kravets kendetegnende del angivne foranstaltning.

Er ved en måling under to elevationsvinkler de to måleresultater forskellige, foreligger der lagdeling. En sådan lagdelings forløb kan da beregnes efter den kendte 20 inversionsmetode ud fra målingerne under forskellige vinkler.

Opfindelsen vil blive nærmere forklaret ved den følgende beskrivelse af en udførelsesform, idet der henvises til tegningen, hvor 25 fig. 1 er en grafisk fremstilling af forholdene under indflyvning, fig. 2 er en graf til forklaring af fremgangsmåden ifølge opfindelsen, hvor fig. 2a angiver et lineært, og fig. 2b angiver et logaritmisk forstærket signal, 30 fig. 3 er et logisk rutediagram til belysning af frem- 5

DK 151728B

gangsmåden ifølge opfindelsen, og fig. 4 et blokdiagram over et signalbehandlingskredsløb .

Ved den kendte 2-punkt-metode benyttes som nævnt en 5 kombination med det formål at forenkle den eksakte me tode (slope-metoden). For den homogene lagdeling kan man nøjes med to støttepunkter. Det første støttepunkt er laserpulsens rækkevidde i tåge. Det andet støttepunkt er et udsagn om størrelsen af tilbagespredningen 10 i umiddelbar nærhed af modtageren, f.eks. signalspændin gen Ug ved R = Rg på 100 meter. Man vil i praksis vælge den vilkårlige værdi U = Ug således, at den er uafhængig af en eventuel forstærkningsindstilling. Dette opnås, hvis man antager, at U = Ug svarer til et signal/støj-15 forhold på 1, hvor signalet forsvinder i modtagerstøj.

I det følgende vil nøjagtighedsgrænsen for topunktfrem-gangsmåden blive nærmere forklaret i forbindelse med en inhomogen lagdeling af den virkelige atmosfære.

Fig. 2a viser til anskueliggørelse af topunkts-fremgangs-20 måden et signal, således som det vil fremkomme, når der benyttes lineær forstærkning pr. laserimpuls.' 2

Afhængigheden U/R kan tydeligt erkendes. Analogt med slope-metoden kan der udtages to punkter, for hvilke der gælder følgende ligning: R - β T2

p2 . rMR

R R

ub = b=-|- -'ηβΙ*

R B

25 hvor ^MR, ^MB er den af stedet afhængige tilbagespred- 6

DK 151728B

ningskoefficient og 1ΓΏ, ^"0, 7~' er de stedbestemte transom K r\ d missioner (% ) medens K er en konstant

Under den antagelse, at

(%R = ^MB = "P

5 ^MR = °"MB - 0~ for homogen lagdeling, og hvor '^p, er den af ste det afhængige spredningskoefficient af partiklerne M, fås følgende relation for den skrå normsigt K = e-^R - Rb) 2 brb 1 BRji - V ·ln (A) 7.82 · (Rr - Rr) N lnBRg - lnARj^ hvor Ug er målespændingen ved afstanden Rg, og Up er 10 målespændingen ved afstanden Rp.

Tager man nu rækkeviddemetoden tillige med Up som støjspændingsværdi, mangler der kun at bestemme to målestørrelser, nemlig målespændingen Ug ved den fast indstillede afstand Rg og måleafstanden Rp, som svarer til den 15 kendte støjspænding UD· Denne støjspændingsværdi er Π den eneste forskel fra Slope-metoden, hvor der blev taget en eller anden spændingsværdi ved afstanden R. Måleproblemet består i at måle afstanden Rp. Hertil er en logaritmisk forstærker i forbindelse med en sluse-20 kreds velegnet. Fig. 2b viser det logaritmisk forstærke de signal. På grund af den samme forstærkning for positive og negative spændinger vil det logaritmisk forstærke

DK 151728B

7 de signal udvise en nulgennemgang, når støj spændingen nås. Målingen af støjafstanden er således reduceret til en afstandsmåling af den art, hvor en optælling startes og stoppes.

5 Beregnede modellagdelinger angiver grænsen for række viddemetoden . Fejlfortolkninger kan elimineres ved hjælp af en supplerende måling under forskellige elevationsvinkler. 2-punkt-metoden forudsætter nemlig en homogen atmosfære. Kun da vil ovenstående relation (A) være 10 gyldig. Ved den som oftest eksisterende uhomogene lag deling i atmosfæren kan lagdelingen konstateres ved Lidar-signalets forløb og svarende hertil synsvidden beregnes afsnitsvis ved hjælp af Slope-metoden. For at man med 2-punkt-metodens forenklede udstyr allige-15 vel også i disse tilfælde kan få udsagn, skal den even tuelle lagdeling konstateres ved måling under forskellige elevationsvinkler. Er ved måling under to vinkler de to måleresultater efter ligningen (A) forskellig, foreligger der lagdeling. En sådan lagdelings forløb 20 kan da efter den kendte inversionsmetode beregnes ud fra målingerne under forskellige vinkler. Fig. 3 viser et foretrukket princip for et udførelseseksempel.

Normalt udføres målingen under to forskellige vinkler, måleværdierne midies, synsvidderne henholdsvis \l ^ og 25 bestemmes og værdierne sammenlignes. Hvis man ikke er interesseret i en lagdeling, opnås en værdi med den tilsvarende omregning (flergangsspredning, bølgelængde), hvilken værdi vises på skærmen.

Hvis man vil angive en lagdeling, skal M ^ være forskel-30 lig fra V^g, og der gennemføres målinger op til 90°, hvorefter der bestemmes et maximum for Rp og inversions-højden tillige med den korrigerede sigtbarhedsværdi efter den ønskede vinkel vises på skærmen. Angivelse 8

DK 151728B

af den sande, skrå synsvidde, som piloter er interesseret i, afhænger dog yderligere af luftlys (path radiance).

Fig. 4 viser et diagram over signalbehandlingen. Lidar-signalet kan benyttes til skyhøjdemålingen af den kendte 5 afstandsmåledel. Startsignalet modtages fra lasertrigge- ren, og stopsignalet frembringes af skyekkoet. Ued hjælp af en tidskreds er det muligt at måle anden eller tredje skylag.

Til målingen af den skrå sigtbarhed benyttes den samme 10 afstandsmåling, hvor stoppesignalet er et signal ved nulgennemgang. Endvidere lagres en værdi for Lidar-sig-nalerne svarende til en via tidskredsløbet forindstillelig afstand RR. Alt efter driftsmetoden modtager regnemaskinen værdierne for skyhøjde eller værdierne RR 15 og UD. Endvidere stilles information om målevinkelen

D

til rådighed.

Claims (1)

1. DK 151728B Fremgangsmåde til måling af synsvidde, skråsynsvidde og skyhøjde, ved hvilken der som sender anvendes en impulslaser og som modtager for de fra aerosolpartikler diffust reflekterede laserimpulser anvendes et mod-5 tagerapparat med fotodetektor, hvor man måler en af aerosolernes egenskaber afhængig signalstøjspænding (Up) fra modtagne laserimpulser og desuden måler den fra laserimpulsernes vandringstid beregnede tilsvarende afstand, der anvendes som første støttepunkt, og 10 hvor der til bestemmelse af laserstrålens rækkevidde måles signalspændingen (Ug) ved en fast indstillelig afstand (Rg) af et andet støttepunkt, og disse data lagres i en datamat til yderligere evaluering (2-punkt-metode), kendetegnet ved, at der til bestem-15 melse af skråsynsvidden foretages en supplerende måling under forskellige elevationsvinkler til beregning af skråsynsvidden for den ønskede vinkel efter den i og for sig kendte inversionsmetode.