EP2531822A2 - Verfahren zur messung des wasserstands eines gewässers - Google Patents

Verfahren zur messung des wasserstands eines gewässers

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EP2531822A2
EP2531822A2 EP11701634A EP11701634A EP2531822A2 EP 2531822 A2 EP2531822 A2 EP 2531822A2 EP 11701634 A EP11701634 A EP 11701634A EP 11701634 A EP11701634 A EP 11701634A EP 2531822 A2 EP2531822 A2 EP 2531822A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reflector
water
radiation
reflection
emitted
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11701634A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Eineder
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Publication of EP2531822A2 publication Critical patent/EP2531822A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/225—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles used in level-measurement devices, e.g. for level gauge measurement
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
    • H01Q1/28—Adaptation for use in or on aircraft, missiles, satellites, or balloons
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    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
    • H01Q1/34—Adaptation for use in or on ships, submarines, buoys or torpedoes
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/14—Reflecting surfaces; Equivalent structures
    • H01Q15/18—Reflecting surfaces; Equivalent structures comprising plurality of mutually inclined plane surfaces, e.g. corner reflector

Definitions

  • the invention relates to a method for measuring the water level of a body of water and to a corresponding measuring system.
  • the measurement of water levels of artificial and natural waters, e.g. Rivers, lakes and freshwater reservoirs are of particular importance today for monitoring both flood risk areas and areas of increasing water scarcity.
  • water levels of bodies of water at locally distributed level stations on the ground are read by human personnel or electronically measured by the level stations and transmitted to central evaluation centers.
  • Such gauges contain moving mechanics or active electronics and are therefore prone to failure.
  • gauge stations are easily damaged or destroyed and are therefore no longer available for the very important water level monitoring during flooding.
  • SAR Synthetic Aperture Radar
  • the water level measurement described in these documents requires specific aquatic plants that protrude from the water surface and reflect radar waves. Such plants are rare worldwide.
  • the method provides only relative readings and no absolute water level. Thus, a level station is still needed.
  • the object of the invention is therefore to enable the measurement of the water level of a body of water easily and reliably without the use of level stations. This object is achieved by the method according to claim 1 or the measuring system according to claim 14 or the use of a reflector according to claim 16 or the reflector according to claim 17.
  • a reflector which comprises a number (ie, at least one) of reflection surfaces for reflecting electromagnetic radiation in a predetermined wavelength range and provided in or on the body of water whose water level is to be measured.
  • water body is to be understood broadly and includes any type of artificial or natural waters, in particular rivers, lakes, wetlands, reservoirs, marine areas, water reservoirs and reservoirs.
  • the reflector is arranged in or on the body of water (for example on the edge or on the bank of the body of water) that an angle reflector is formed by the water surface of the body of water and one or more reflection surfaces of the reflector. That is, the reflection surface or reflection surfaces and the water surface, which form the angle reflector, are all substantially perpendicular to one another.
  • electromagnetic radiation in the predetermined wave range is emitted by a jet device located above the water body.
  • This radiation is incident on the reflector in such a way that this radiation is reflected back to the angle reflector formed by the reflection surfaces and the water surface, based on a multiple reflection involving the water surface.
  • back reflection also referred to as retroreflection, it is meant that the incident radiation is reflected back substantially in the same direction as it falls on the angular reflector. According to the invention thus the radiation incidence the jet device and the angle reflector aligned so that this retro-reflection occurs.
  • the water level of the water body is determined.
  • This reflection center whose location is proportional to the water level, is formed by the intersection or cut edge between the reflective surface (s) of the reflector and the water surface.
  • the point of intersection or the cut edge can also be an imaginary point or an imaginary edge, which result as a section between extensions of the reflection surface or reflection surfaces of the reflector and the water surface.
  • An imaginary point of intersection or an imaginary cutting edge occur in particular in embodiments in which the reflector is positioned on the edge or on the bank of the watercourse.
  • the distance measurement takes place via a transit time measurement of the radiation emitted by the jet device and, after back reflection at the angle reflector, received again at the location of the jet device. Over this period can be determined by the speed of light in a simple way, the distance between the jet and angle reflector. Taking account of corresponding position data relating to the position of the blasting device and the reflector, the water level can then be determined, as will be explained by way of example in the detailed description with reference to FIG. 1.
  • the electromagnetic radiation emitted by the beam device can have different wavelengths or lie in different wavelength ranges.
  • Radio-frequency radio waves having a frequency in the range between 1 GHz and 30 GHz, in particular 10 GHz and larger, are preferably used as the radiation.
  • the angle of incidence of the radiation emitted by the radiation device can be in different angular ranges, in particular the radiation is incident on the angle reflector at an angle between 20 ° and 50 ° with respect to the vertical.
  • the size of Refiexionsfizzen the reflector is between 30 cm and 3 m, in particular between 30 cm and 2 m or 30 cm and 50 cm.
  • the edge length of the respective reflection surfaces thus lies in this order of magnitude.
  • the reflection surface or reflection surfaces of the reflector are preferably metallic, in particular of aluminum and / or stainless steel.
  • the reflector is fastened in particular by means of a suitable anchoring in or on the water, for example driven into the ground or embedded in concrete.
  • a suitable anchoring in or on the water for example driven into the ground or embedded in concrete.
  • the distance measurement is performed by radar and in particular by microwave radar, i. by means of radiation in the gigahertz range.
  • the radiation incident on the reflector is thus emitted by a radar sensor, for which purpose a SAR radar sensor, for example, well-known from the prior art, e.g. TerraSAR-X, which allows highly accurate measurements.
  • the radar sensor also takes over the measurement or detection of the backreflected radiation. From this, the duration of the radiation can be determined, from which, in turn, the water level can be determined.
  • the radiation directed onto the reflector or angle reflector is emitted by a radiation device which is located on a moving flying object, in particular on a satellite or an aircraft or a helicopter.
  • a radiation device which is located on a moving flying object, in particular on a satellite or an aircraft or a helicopter. In this way, by flying over a large area, the water levels of larger watering point by point at various points on appropriately provided reflectors are detected.
  • the reflector used in the method according to the invention can be configured differently.
  • the reflector comprises at least one pair of two mutually perpendicular, i. a right angle with each other forming reflection surfaces, wherein the water surface is perpendicular to each reflection surface of the at least one pair.
  • a triple-angle reflector is formed by the water surface and the reflector, in which the retroreflection takes place via a threefold reflection at the angle reflector, including the water surface.
  • the reflector has only one reflection surface, which is arranged in the water or in the vicinity of the water body.
  • a double-angle reflector is formed by the reflection surface and the water surface, in which the retroreflection is effected by a reflection at the reflection surface and the water surface.
  • the reflector includes two pairs of reflecting surfaces, wherein the reflecting surfaces of a respective pair are perpendicular to each other and the pairs are aligned in different directions, so that a water level measurement can be made from two directions or angular ranges of incident radiation.
  • the pairs of reflection surfaces may, for example, be rotated by 180 ° relative to each other so that a respective reflection surface of the one pair is substantially perpendicular to a reflection surface of the other pair and parallel to the other reflection surface of the other pair.
  • further reflection surfaces are preferably formed by the backs of the respective reflection surfaces, so that the angle reflector four, by 90 ° to each other twisted pairs of reflective surfaces.
  • each pair of reflective surfaces is aligned with an ascending or descending trajectory of a satellite orbiting around the earth, for example, on a polar or near-polar orbit of a satellite.
  • the radiation incident on the angle reflector is generated by a jet device on the satellite, wherein this beam device preferably comprises a radar sensor.
  • a reflector is used, which comprises a damping device for damping water waves of the water body in the vicinity of the reflector. In this way, a suitable level measurement can be performed with sufficient accuracy even in heavy waves.
  • the damping device comprises one or more screens transparent to electromagnetic radiation in the predetermined wave range, for example one or more Plexiglas panes.
  • the water surface can be well shielded in the area of the reflector against wave motion.
  • a respective screen extends between the reflecting surfaces of a pair of reflecting surfaces, especially between those edges of reflecting surfaces which are remote from the right angle formed between the reflecting surfaces of the pair.
  • the damping device may also be formed in such a way that a cavity with at least one compensation opening or at least one compensation valve is provided in the region of the reflection surfaces, wherein the at least one compensation opening or the at least one compensation valve serves for the passage of air and / or water.
  • the cavity can thus either an air cavity above the water surface or filled with water of the water Cavity below the water surface.
  • pneumatic or hydraulic damping of shaft movements is achieved by a corresponding opening or a valve.
  • the at least one compensation opening or the at least one compensation valve is provided in at least one cover closing the cavity, which is preferably transparent to the electromagnetic radiation of the jet device.
  • the cover is arranged in the flow through the opening or the valve with water of the water below the water surface and in flowing through the opening or the valve with air above the water surface.
  • a damping device is preferably combined with the above-described embodiment of a transparent screen.
  • the cavity is formed by the at least one cover, one or more reflection surfaces of the reflector and at least one transparent screen.
  • a three-dimensional position of the jet device and a two-dimensional position describing the position of the reflector in plan view of the earth surface are considered in a preferred variant, which are previously known or determined within the scope of the method .
  • the three-dimensional and the two-dimensional position are determined in particular with respect to the same reference coordinate system.
  • the two-dimensional position of the reflector can be determined via GPS or already present as GPS coordinates.
  • a reference angle reflector for determining the water level of the water body, a reference angle reflector, the reflection surfaces of which do not comprise the water surface of the water, provided with a predetermined reference position in or on the body of water Duration of the emitted by the jet and At the reference angle reflector reflected radiation, the distance between the reference beam and the center of reflection of the angle reflector is measured. Since the actual distance is known on the basis of the previously known reference position of the reference angle reflector, an error compensation of the distance measurement with respect to the other reflector located in or on the water can thus take place with suitable methods.
  • the invention further comprises a measuring system for measuring the water level of a body of water.
  • This measuring system comprises a reflector comprising a number (ie, at least one) of reflection surfaces for reflecting electromagnetic radiation in a predetermined wave range and disposed in or on the body of water through the water surface of the body of water and one or more Reflection surfaces of the reflector, an angle reflector is formed.
  • the measuring system further includes a radiation device located above the water body for emitting electromagnetic radiation in the predetermined wavelength range, so that the emitted radiation falls onto the reflector in such a way that the incident radiation is reflected back at the angle reflector based on a multiple reflection including the water surface ,
  • the measuring system also includes a measuring device for measuring the distance between the beam device and the reflection center of the angle reflector over the duration of the emitted and reflected back radiation.
  • an evaluation device for determining the water level of the water body is provided based on the measured distance.
  • the reflector can be designed as a reflector with at least one pair of reflection surfaces.
  • the reflector may comprise the damping device described above.
  • a radar sensor can also be used for the measurement, in which case the jet device and the measuring device are integrated in this radar sensor.
  • the evaluation device can be arranged at any location.
  • a central evaluation device can be provided on which the measured data recorded by the measuring device are transmitted and evaluated there for determining the water level.
  • the invention further relates to the use of a reflector comprising one or more reflecting surfaces for the reflection of electromagnetic radiation in a predetermined wave range in the method according to the invention described above or the measuring system according to the invention described above.
  • the reflector may comprise any of the features described with respect to embodiments of the method according to the invention and the reflector.
  • the reflector can be designed as a reflector with at least one pair of reflection surfaces and optionally comprise a damping device.
  • the invention furthermore relates to a reflector which is particularly suitable for use in the method according to the invention or the measuring system according to the invention.
  • This reflector which comprises one or more reflection surfaces for the reflection of electromagnetic radiation in a predetermined wave range, is characterized in that it further comprises a damping device for damping water waves of the water in the vicinity of the reflector and / or two pairs of reflection surfaces, wherein the reflection surfaces of a respective pair are perpendicular to each other and the pairs are aligned in different directions.
  • a water level measurement can be carried out with stronger waves or from multiple beam directions of incident electromagnetic radiation.
  • This reflector may also contain all other features described above relating to refinements of the reflector.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of a measuring system according to the invention for measuring the water level of a body of water
  • FIG. 2 shows a first embodiment of a reflector used in the method according to the invention
  • FIG. 3 shows a second embodiment of a reflector used in the method according to the invention
  • FIG. 4 shows a third embodiment of a reflector used in the method according to the invention.
  • FIG. 5 shows a fourth embodiment of a reflector used in the method according to the invention.
  • FIG. 6 shows a fifth embodiment of a reflector used in the method according to the invention
  • Fig. 7 shows a sixth embodiment of a reflector used in the method according to the invention.
  • Fig. 1 shows a measuring arrangement for carrying out an embodiment of the method according to the invention.
  • the water level of a body of water is determined whose water surface is indicated in Fig. 1 by a horizontal line W.
  • the water level is measured with respect to a reference coordinate system whose coordinate origin is denoted by O and which encompasses the horizontal coordinate axes x, y and the vertical coordinate axis h.
  • the representation of FIG. 1 shows in simplified form a planar Erdober lakegeometrie.
  • the following calculation will be described based on this simplified geometry. However, the calculation can also be applied analogously to a curved earth oid surface are applied. In this case, the calculation is a little more complicated, but the same and exactly possible.
  • the transfer of the calculation of a planar Erdober perennialgeometrie on curved geometries is within the scope of common expertise.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a radar sensor 3 located on the satellite (in particular a SAR radar), which emits the radar radiation towards the water surface W.
  • the reflector 1 is fixed in the water such that the two reflection surfaces 1a and 1b are perpendicular to the water surface W.
  • the attachment of the reflector can be achieved by a suitable anchoring on the bottom of the water, for example, by Einbetonnieren or ramming.
  • the reflector is further aligned with respect to the previously known and indicated by the arrow P satellite orbit such that the radar radiation of the radar 3 so falls on the reflector that a retroreflection of the radiation by a multiple reflection at the two reflection surfaces la and lb and the water surface W he follows.
  • the reflector 1 thus forms, together with the water surface W, a triple-angle reflector for reflecting the radar radiation.
  • the distance between the satellite 2 and the reflector 1, denoted by R, is measured over a transit time measurement of the radiation emitted by the radar sensor and reflected back on the reflector 1. This distance depends on the height H w of the water level, since in the retroreflection the water surface is included as a reflection surface and thus the measured distance R is greater, the lower the water level. In other words, via the retroreflection, the distance R between the water surface W and the reflector 1 formed corner and the radar sensor measured, the position of this corner depends on the height of the water level.
  • the position of the satellite 2 above the earth's surface in the reference coordinate system is also known.
  • the satellite 2 is just above the x-axis of the coordinate system at the position x s .
  • the fixed installation position of the reflector 1 with respect to the earth's surface is known, and in the scenario of FIG. 1 this position also lies along the x-axis of the reference coordinate system and is given by the coordinate XR for reasons of simplicity.
  • the satellite's altitude H Sat is known with respect to the reference plane spanned by the x-axis and y-axis of the reference coordinate system.
  • the water level H w with respect to the position of the x-axis of the reference coordinate system can be determined in a simple manner as follows:
  • the current position of the satellite is needed, which can be determined from the previously known satellite orbit.
  • the (two-dimensional) position of the reflector is also previously known and given for example in GPS coordinates.
  • the measurement accuracy of the water level measurement depends on the error of the satellite orbit determination and the term-based determination of the distance R and the angle of incidence of the radar radiation on the reflector 1, wherein this angle of incidence is designated in Fig. 1 with ⁇ .
  • Absolute errors can now be achieved with modern satellite systems up to approx. 6 cm with an angle of incidence of the radar radiation of 45 °.
  • the accuracy of the water level measurement can be further improved in a variant of the method according to the invention by a second, in three axes exactly measured conventional angle reflector (not shown) in the vicinity of the water whose water level is to be measured, for example, on the bank, positioned is. From this angle reflector, which now comprises three mutually perpendicular reflection surfaces, its three-dimensional position is precisely known. This reflector also reflects the radar radiation back to the radar sensor 3. Thus, based on the radiation reflected by this second angle reflector, the distance between this reflector and the sensor 3 can also be measured over a propagation time measurement and used as a comparison value. As a result, the error in the measurement of the distance R can be largely compensated and even accuracies in the determination of the water level in the sub-centimeter range can be achieved.
  • the measuring method described with reference to FIG. 1 is used for determining the water level of any waters, such as large-area moist tissues or remote water surfaces. Likewise, the levels of reservoirs and rivers can be monitored. In general, arbitrary, both artificial and natural waters, possibly also artificially created pools, can be measured with the method described with reference to FIG.
  • the description of the embodiment of the method according to the invention with reference to FIG. 1 is merely exemplary and suitable modifications for determining the water level of a body of water are conceivable.
  • the radar sensor used for the distance measurement can also be replaced by a sensor which emits the transit time based on electromagnetic radiation in a different wavelength range than radar radiation.
  • the senor does not have to be provided on a satellite, but it can also be arranged on an aircraft which overflies the water to be measured. In this case, when performing the measurement, the position of the aircraft must be known, and this position can be determined, for example, via GPS. Likewise, there is possibly the possibility that a stationary measurement of the water body is carried out by the sensor is arranged at a fixed, pre-determined position above the water surface.
  • a reflector 1 which comprises two reflection surfaces 1a and 1b, wherein a triple-angle reflector is formed by reflection of the water surface as Refiexionsfiambae by the reflector when placed in the water.
  • the reflector forms a single reflective wall, which is arranged in the water or on the bank of the water, that a double-angle reflector is formed by the reflective wall and the water surface, the suitable incident radiation through a reflection on the wall and the water surface in the same direction as the incident radiation strictlyfiekt.
  • FIG. 2 shows a first embodiment of a reflector 1, which corresponds to the reflector in the measuring arrangement of FIG. 1.
  • the reflector is shown in Fig. 2 and also in the other Fig. 3 to 7 in the intended position for the measurement in the water, the water surface W is indicated in perspective as a dotted area.
  • the subsurface part of the reflector is shown by dashed lines. 2 shows in particular the right-angled arrangement of the two reflection surfaces 1a and 1b and the water surface W, which is represented by the three 90 ° angles illustrated.
  • an angle reflector is formed by the water surface W and the two sections of the reflection surfaces 1a and 1b projecting from the water surface.
  • the reflector 1 has no moving parts and reflects in interaction with the water surface in a relatively wide angular range, so that it can be observed from different positions in space or from the air.
  • the reflector can optionally also be constructed on both sides, such a double-sided structure being shown in the embodiment according to FIG.
  • the angle reflector 101 reproduced there comprises 2 the two reflection surfaces 1c and 1d, of which only the rear side thereof is visible in FIG. 3, are represented by the rectangular reflection surfaces 1a and 1b, which correspond to the reflection surfaces of the reflector of FIG.
  • the reflection surface 1c is an extension of the reflection surface 1b and is perpendicular to the reflection surface 1a.
  • the reflection surface ld is an extension of the reflection surface la and is perpendicular to the reflection surface lb.
  • this reflector is again arranged in the water such that all reflection surfaces 1a to 1d are perpendicular to the water surface W.
  • the reflector 101 thus achieves retroreflection from two angular ranges, namely from an angular range which is directed to the reflection surfaces 1a and 1b, and from an angular range which is directed to the reflection surfaces 1c and 1d. Since radiation from two sides can be detected with the reflector of FIG. 2, this embodiment is particularly suitable for evaluating radar signals from ascending and descending orbits of polar exploration satellites.
  • the rear sides of the respective reflection surfaces 1a to 1d are also designed to be reflective and thus form further reflection surfaces.
  • a reflector with four pairs of reflection surfaces is provided, which reflects back incident radiation from essentially all directions.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a reflector according to the invention, which is designated by reference numeral 201.
  • This reflector allows in the region of Refiexionsfizzen la and lb an attenuation of horizontal wave movements, which complicate the measurement of the back-reflected radiation.
  • the attenuation is achieved by a dielectric water wave screen 4 which is transparent to the incident radiation and which is arranged in the illustrated reflector between the edges K of the reflection surfaces 1a and 1b.
  • the part of the water wave screen 4 lying below the water surface is indicated by dashed lines.
  • the wave shield or the wave shield can, in a preferred variant, be formed by a Plexiglas disk.
  • FIG. 5 shows a modified embodiment of the reflector according to FIG.
  • This wave reflector is designated by reference numeral 301 and substantially corresponds in structure to the reflector of FIG. 4.
  • the embodiment of FIG. 5 also achieves a damping of water pressure waves. which penetrate from below over the opening formed by the reflection surfaces la and lb and the screen 4. These pressure waves can be reflected on the water surface in the region of the reflection surfaces 1a and 1b and thus falsify the measurement result.
  • the attenuation of the pressure waves penetrating from below is achieved in accordance with FIG. 5 via a cover 5 provided on the upper side of the reflector with a corresponding opening 6 realized through an opening pipe, whereby an air cavity is formed which only allows a slow flow of air over the opening 6 allows.
  • a penetrating into the cavity pressure wave is compensated. It thus forms in the reflector an undisturbed mean water level, which is insensitive to short-term fluctuations in the water level.
  • Fig. 6 shows a modification of the embodiment of Fig. 5.
  • this, designated by reference numeral 401 reflector allows damping of water wave movements in the cavity formed by the reflection surfaces la and lb and the screen 4.
  • a cover 7 arranged below the water surface is used for this purpose with an opening 8 realized via an opening pipe. Due to the low flow rate of the water through the opening 8, this reflector is also insensitive to pressure waves penetrating from below, so that again a mean constant water level is formed in the space formed by the reflection surfaces 1a and 1b and the screen 4.
  • FIG. 7 shows by way of example an embodiment of a reflector 501 which, analogous to the reflector of FIG. 3, comprises four mutually perpendicular reflection surfaces 1a to 1d. It should be- see the leading edges of the reflection surfaces la and lb analogous to the embodiment of Fig. 4, a transparent screen 4 is arranged. Furthermore, in analogy to the embodiment of FIG. 5, a cover 5 provided with opening 6 is provided on the upper side of the reflector and, analogous to the embodiment of FIG. 6, a cover 7 with opening 8 located below the water surface. With the embodiment of FIG. 7, an especially good damping against shaft movements is achieved for the angle reflector formed by the reflection surfaces 1a and 1b.
  • the rear angle reflector formed by the reflection surfaces 1c and 1d may be analogous to the front angle reflector, ie it may also comprise a screen 4 and corresponding covers 5 and 7 with openings 6 and 8, respectively.
  • the measuring method according to the invention described above has a number of advantages.
  • the water levels of hard to reach waters can be measured without having to provide level stations with human or electronic reading on site. It is only once to install a corresponding reflector with known position in or on the water, and then can be determined by the retroreflection of radiation at the reflector, the water level.
  • Radar sensors already in use in particular satellite-supported radar sensors, can be used to determine the water level, which can achieve very high distance accuracies of up to a few centimeters with corresponding calibrations. The accuracy can be further increased by the use of a reference angle reflector with accurate measurement and position.
  • the radar beams which are reflected back from the reflector located in or on the water, appear as a bright pixel in the radar image. From the position of this pixel results in the oblique distance between the radar sensor and the Winkeleck between the reflecting surfaces of the reflector and the water surface. The (previously known) horizontal position of the reflector can then be derived from the oblique distance of the water level with high accuracy.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Wasserstands eines Gewässers. Dabei wird ein Reflektor (1, 101, 201, 301, 401, 501) verwendet, der eine Anzahl von Re flexions flächen (1a, 1b) zur Reflexion von elektromagnetischer Strahlung in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich umfasst und in oder an dem Gewässer derart bereitgestellt ist, dass durch die Wasseroberfläche (W) des Gewässers und eine oder mehrere Re flexions flächen (1a, 1b) des Reflektors (1, 101, 201, 301, 401, 501) ein Winkelreflektor gebildet wird. Im Rahmen des Verfahrens fällt elekt- romagnetische Strahlung in dem vorbestimmten Wellenlängenbereich, welche von einer oberhalb des Gewässers befindlichen Strahleinrichtung (3) ausgesendet wird, derart auf den Reflektor (1, 101, 201, 301, 401, 501), dass die einfallende Strahlung an dem Winkelreflektor basierend auf einer Mehrfachreflexion unter Einbeziehung der Wasseroberfläche (W) rückreflektiert wird. Über die Laufzeit der ausgesendeten und rückreflektierten Strahlung wird der Abstand zwischen Strahleinrichtung (2) und Reflexionszentrum des Winkelreflektors gemessen und hieraus der Wasserstand (W) des Gewässers ermittelt.

Description

VERFAHREN ZUR MESSUNG DES WASSERSTANDS EINES GEWÄSSERS
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Wasserstands eines Gewässers sowie ein entsprechendes Mess-System. Die Messung von Wasserständen von künstlichen und natürlichen Gewässern, wie z.B. Flüssen, Seen und Süßwasserspeichern, ist heutzutage zur Überwachung sowohl von Gegenden mit Überschwemmungsgefahr als auch von Gebieten mit zunehmender Wasserknappheit von besonderer Bedeutung. In der Regel werden Wasserstände von Gewässern an örtlich verteilten Pegelstationen am Boden durch menschliches Personal abgelesen bzw. durch die Pegelstationen elektronisch gemessen und an zentrale Auswertezentren übermittelt. Solche Pegelstationen enthalten bewegliche Mechanik oder aktive Elektronik und sind daher störanfällig. Besonders bei Überschwemmungen werden Pegelstationen leicht beschädigt bzw. zerstört und stehen daher nicht mehr für die gerade bei Überschwemmungen sehr wichtige Wasserstandsüberwachung zur Verfügung.
In den Druckschriften [1] und [2] wird ein Verfahren beschrieben, bei dem interfe- rometrisch mittels SAR-Radar (SAR = Synthetic Aperture Radar) großflächig relati- ve Wasserstandshöhen im Gebiet der Everglades (Florida) ermittelt werden können. Die in diesen Dokumenten beschriebene Wasserstandsmessung erfordert spezielle Wasserpflanzen, die aus der Wasseroberfläche ragen und Radarwellen reflektieren. Solche Pflanzen kommen weltweit nur selten vor. Darüber hinaus liefert das Verfahren nur relative Messwerte und keinen absoluten Wasserstand. Es wird somit weiter- hin eine Pegelstation benötigt. Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die Messung des Wasserstands eines Gewässers einfach und zuverlässig ohne die Verwendung von Pegelstationen zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. das Mess- System gemäß Patentanspruch 14 bzw. die Verwendung eines Reflektors gemäß Patentanspruch 16 bzw. den Reflektor gemäß Patentanspruch 17 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. In dem erfindungsgemäßen Messverfahren wird ein Reflektor verwendet, der eine Anzahl (d.h. mindestens eine) von Refiexionsflächen zur Reflexion von elektromagnetischer Strahlung in einem vorbestimmten Wellenbereich umfasst und in oder an dem Gewässer bereitgestellt ist, dessen Wasserstand zu messen ist. Der Begriff des Gewässers ist dabei weit zu verstehen und umfasst jede Art von künstlichem bzw. natürlichem Gewässer, insbesondere Flüsse, Seen, Feuchtgebiete, Stauseen, Meeresgebiete, Wasserspeicher und Wasserbecken. Der Reflektor ist dabei derart in oder an dem Gewässer (beispielsweise am Rand bzw. am Ufer des Gewässers) angeordnet, dass durch die Wasseroberfläche des Gewässers und eine oder mehrere Refiexionsflächen des Reflektors ein Winkelrefiektor gebildet wird. Das heißt, die Reflexions- fläche bzw. Refiexionsflächen und die Wasseroberfläche, welche den Winkelreflektor bilden, stehen alle im Wesentlichen senkrecht aufeinander.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird elektromagnetische Strahlung in dem vorbestimmten Wellenbereich von einer oberhalb des Gewässers befindlichen Strahleinrichtung ausgesendet. Diese Strahlung fällt derart auf den Reflektor, dass diese Strahlung an den durch die Refiexionsfiäche bzw. Refiexionsflächen und der Wasseroberfläche gebildeten Winkelrefiektor basierend auf einer Mehrfachreflexion unter Einbeziehung der Wasseroberfläche rückreflektiert wird. Unter Rückrefiexion, welche auch als Retrorefiexion bezeichnet wird, versteht man, dass die einfallende Strahlung im Wesentlichen in die gleiche Richtung zurück reflektiert wird, in welche sie auf den Winkelrefiektor fällt. Erfindungsgemäß sind somit der Strahlungseinfall der Strahleinrichtung und der Winkelreflektor derart ausgerichtet, dass diese Retro- reflexion auftritt.
Erfindungsgemäß wird schließlich der Wasserstand des Gewässers ermittelt. Hierzu wird zunächst der Abstand zwischen Strahleinrichtung und Streu- bzw. Reflexions- zentrum des Winkelreflektors ermittelt. Dieses Reflexionszentrum, dessen Ort proportional mit dem Wasserstand zusammenhängt, wird durch den Schnittpunkt bzw. die Schnittkante zwischen der oder den Reflexionsflächen des Reflektors und der Wasseroberfläche gebildet. Der Schnittpunkt bzw. die Schnittkante können gegebe- nenfalls auch ein gedachter Punkt bzw. eine gedachte Kante sein, die sich als Schnitt zwischen Verlängerungen der Reflexionsfläche bzw. Reflexionsflächen des Reflektor und der Wasseroberfläche ergeben. Ein gedachter Schnittpunkt bzw. eine gedachte Schnittkante treten insbesondere bei Ausführungsformen auf, bei denen der Reflektor am Rand bzw. am Ufer des Gewässers positioniert ist. Die Abstandsmessung erfolgt über eine Laufzeitmessung der von der Strahleinrichtung ausgesendeten und nach Rückreflexion am Winkelreflektor wieder am Ort der Strahleinrichtung empfangenen Strahlung. Über diese Laufzeit kann mittels der Lichtgeschwindigkeit auf einfache Weise der Abstand zwischen Strahleinrichtung und Winkelreflektor bestimmt werden. Unter Berücksichtigung von entsprechenden Positionsdaten betref- fend die Position der Strahleinrichtung und des Reflektors kann dann der Wasserstand bestimmt werden, wie beispielhaft in der detaillierten Beschreibung anhand von Fig. 1 erläutert wird.
Die von der Strahleinrichtung ausgesendete elektromagnetische Strahlung kann ver- schiedene Wellenlängen aufweisen bzw. in verschiedenen Wellenlängenbereichen liegen. Vorzugsweise werden als Strahlung hochfrequente Funkwellen mit einer Frequenz im Bereich zwischen 1 GHz und 30 GHz, insbesondere von 10 GHz und größer, verwendet. Der Einfallswinkel der von der Strahleinrichtung ausgesendeten Strahlung kann in verschiedenen Winkelbereichen liegen, insbesondere fällt die Strahlung in einem Winkel zwischen 20° und 50° gegenüber der Vertikalen auf den Winkelreflektor. Je nach Anwendungsfall bzw. Wellenlänge der einfallenden Strahlung variiert die Größe der Refiexionsfiächen des Reflektors. Vorzugsweise liegt die Größe des Reflektors zwischen 30 cm und 3 m, insbesondere zwischen 30 cm und 2 m bzw. 30 cm und 50 cm. Bei einer rechteckigen Ausgestaltung der einzelnen Refiexionsfiächen liegt somit die Kantenlänge der jeweiligen Refiexionsfiächen in dieser Größenordnung. Zur Erreichung einer ausreichenden Reflexionswirkung sind die Reflexionsfläche bzw. Refiexionsfiächen des Reflektors vorzugsweise metallisch, insbesondere aus Aluminium und/oder Edelstahl.
Um den Reflektor in Bezug auf die Wasseroberfläche des Gewässers geeignet zu fixieren, ist der Reflektor insbesondere über eine geeignete Verankerung im oder am Gewässer befestigt, beispielsweise in den Boden eingerammt bzw. einbetoniert. Entscheidend ist dabei lediglich, dass sich zumindest ein Teil der Refiexionsfiächen oberhalb der Wasseroberfläche befinden und senkrecht auf dieser stehen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Abstandsmessung über Radar und insbesondere über Mikrowellen-Radar, d.h. mittels Strahlung im Gigahertz-Bereich. Die auf den Reflektor fallende Strahlung wird somit durch einen Ra- darsensor ausgesendet, wobei hierfür insbesondere ein hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannter SAR-Radarsensor, z.B. TerraSAR-X, verwendet wird, der hochgenaue Messungen ermöglicht. Neben dem Aussenden der Strahlung übernimmt der Radarsensor auch die Messung bzw. Detektion der rückrefiektierten Strahlung. Hieraus kann die Laufzeit der Strahlung ermittelt werden, aus der wiederum der Wasser- stand bestimmt werden kann.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die auf den Reflektor bzw. Winkelreflektor gerichtete Strahlung von einer Strahleinrichtung ausgesendet, welche sich auf einem bewegenden Flugobjekt befindet, insbesondere auf einem Satelli- ten oder einem Flugzeug oder einem Helikopter. Auf diese Weise können durch Überfliegen eines großflächigen Gebiets auch die Wasserstände von größeren Ge- wässern punktweise an verschiedenen Stellen über entsprechend bereitgestellte Reflektoren erfasst werden.
Der im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Reflektor kann verschieden aus- gestaltet sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der Reflektor zumindest ein Paar aus zwei senkrecht aufeinander stehenden, d.h. einen rechten Winkel miteinander bildenden Reflexionsflächen, wobei die Wasseroberfläche senkrecht auf jeder Reflexions fläche des zumindest einen Paars steht. In dieser Variante wird somit durch die Wasseroberfläche und den Reflektor ein Dreifach- Winkelreflektor gebildet, bei dem die Retroreflexion über eine dreifache Reflexion am Winkelreflektor unter Einbeziehung der Wasseroberfläche erfolgt. Gegebenenfalls besteht auch die Möglichkeit, dass der Reflektor nur eine Reflexionsfläche aufweist, welche im Gewässer oder in der Nähe des Gewässers angeordnet ist. In diesem Fall wird durch die Reflexionsfläche und die Wasseroberfläche ein Zweifach- Winkelreflektor gebildet, bei dem die Retroreflexion durch eine Reflexion an der Reflexionsfläche und der Wasseroberfläche erfolgt. Bei Aufstellung eines solchen Reflektors am Rand des Gewässers überbrückt die bei der Reflexion zwischen Reflexionsfläche und Wasseroberfläche verlaufende Strahlung somit den Uferbereich zwischen Reflektor und Gewässeranfang.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des obigen Reflektors beinhaltet der Reflektor zwei Paare von Reflexionsflächen, wobei die Reflexionsflächen eines jeweiligen Paars senkrecht aufeinander stehen und die Paare in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sind, so dass eine Wasserstandsmessung aus zwei Richtungen bzw. Winkelbereichen von einfallender Strahlung erfolgen kann. In einer Variante können die Paare von Reflexionsflächen beispielsweise um 180° gegeneinander verdreht sein, so dass eine jeweilige Reflexionsfläche des einen Paars im Wesentlichen senkrecht auf einer Reflexionsfläche des anderen Paars steht und zur anderen Reflexionsfläche des anderen Paars parallel verläuft. In dieser Variante werden vorzugsweise auch durch die Rückseiten der jeweiligen Reflexions flächen weitere Reflexionsflächen gebildet, so dass der Winkelreflektor vier, um 90° zueinander verdrehte Paare von Reflexionsflächen umfasst. Auf diese Weise kann eine Wasserstandsmessung aus beliebigen Richtungen von einfallender Strahlung erfolgen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist jedes Paar von Reflexionsflächen auf eine aufsteigende bzw. absteigende Bahn eines um die Erde kreisenden Satelliten ausgerichtet, beispielsweise auf eine polare bzw. polarnahe Bahn eines Satelliten. In dieser Variante wird die auf den Winkelreflektor fallende Strahlung durch eine Strahleinrichtung auf dem Satelliten erzeugt, wobei diese Strahleinrichtung vorzugsweise einen Radarsensor umfasst. In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Reflektor eingesetzt, der eine Dämpfungseinrichtung zur Dämpfung von Wasserwellen des Gewässers in der Umgebung des Reflektors umfasst. Hierdurch kann eine geeignete Wasserstandsmessung auch bei starkem Wellengang mit ausreichender Genauigkeit durchgeführt werden. In einer einfachen Ausgestaltung umfasst die Dämpfungsein- richtung einen oder mehrere, für elektromagnetische Strahlung im vorbestimmten Wellenbereich transparente Schirme, beispielsweise ein oder mehrere Plexiglasscheiben. Hierdurch kann die Wasseroberfläche im Bereich des Reflektors gut gegen Wellenbewegungen abgeschirmt werden. Für die oben beschriebene Ausführungsform eines Reflektors mit zumindest einem Paar von Reflexionsflächen erstreckt sich ein jeweiliger Schirm zwischen den Reflexionsflächen eines Paars von Reflexionsflächen, insbesondere zwischen solchen Kanten von Reflexionsflächen, welche entfernt von dem zwischen den Reflexions- flächen des Paars gebildeten rechten Winkel liegen.
Die Dämpfungseinrichtung kann gegebenenfalls auch derart gebildet sein, dass ein Hohlraum mit zumindest einer Ausgleichsöffnung oder zumindest einem Ausgleichsventil im Bereich der Reflexionsflächen vorgesehen ist, wobei die zumindest eine Ausgleichsöffnung oder das zumindest eine Ausgleichsventil zur Durchströ- mung von Luft und/oder Wasser dient. Der Hohlraum kann somit entweder ein Lufthohlraum über der Wasseroberfläche oder ein mit Wasser des Gewässers gefüllter Hohlraum unter der Wasseroberfläche sein. In beiden Fällen wird durch eine entsprechende Öffnung bzw. ein Ventil pneumatisch oder hydraulisch eine Dämpfung von Wellenbewegungen erreicht. Vorzugsweise ist die zumindest eine Ausgleichsöffnung bzw. das zumindest eine Ausgleichsventil in zumindest einem den Hohlraum abschließenden Deckel vorgesehen, der vorzugsweise für die elektromagnetische Strahlung der Strahleinrichtung transparent ist. Dabei ist der Deckel bei Durchströmung der Öffnung bzw. des Ventils mit Wasser des Gewässers unterhalb der Wasseroberfläche und bei Durchströmung der Öffnung bzw. des Ventils mit Luft oberhalb der Wasseroberfläche angeordnet. Die soeben beschriebene Variante einer Dämpfungseinrichtung wird vorzugsweise mit der oben beschriebenen Ausführungsform eines transparenten Schirms kombiniert. Dabei ist der Hohlraum durch den zumindest einen Deckel, eine oder mehrere Reflexionsflächen des Reflektors und zumindest einem transparenten Schirm gebildet. Zur Ermittlung des Wasserstands aus dem gemessenen Abstand zwischen Strahleinrichtung und Winkelreflektor wird in einer bevorzugten Variante eine dreidimensionale Position der Strahleinrichtung und eine zweidimensionale, die Lage des Reflektors in Draufsicht auf die Erdoberfläche beschreibende Position berücksichtigt, welche vorbekannt sind bzw. im Rahmen des Verfahrens bestimmt werden. Die dreidi- mensionale und die zweidimensionale Position werden insbesondere in Bezug auf das gleiche Referenzkoordinatensystem bestimmt. Die Position der Strahleinrichtung kann dabei über GPS (GPS = Global Positioning System) bestimmt sein bzw. im Rahmen des Verfahrens bestimmt werden. Ebenso kann die zweidimensionale Position des Reflektors über GPS bestimmt werden bzw. bereits als GPS -Koordinaten vorliegen.
Um die Messgenauigkeit des Verfahrens zu erhöhen, ist in einer weiteren Variante der Erfindung zur Ermittlung des Wasserstands des Gewässers ein Referenz- Winkelreflektor, dessen Reflexionsflächen nicht die Wasseroberfläche des Gewäs- sers umfassen, mit einer vorgegebenen Referenzposition im oder am Gewässer bereitgestellt, wobei über die Laufzeit der von der Strahleinrichtung ausgesendeten und am Referenz -Winkelreflektor rückreflektierten Strahlung der Abstand zwischen der Referenz-Strahleinrichtung und dem Reflexionszentrum des Winkelreflektors gemessen wird. Da der tatsächliche Abstand aufgrund der vorbekannten Referenzposition des Referenz- Winkelreflektors bekannt ist, kann somit mit geeigneten Verfahren eine Fehlerkompensation der Abstandsmessung in Bezug auf den anderen, im oder am Gewässer befindlichen Reflektor erfolgen.
Neben dem oben beschriebenen Messverfahren umfasst die Erfindung ferner ein Mess-System zur Messung des Wasserstands eines Gewässers. Dieses Mess-System umfasst einen Reflektor, der eine Anzahl (d.h. zumindest eine) von Reflexionsflä- chen zur Reflexion von elektromagnetischer Strahlung in einem vorbestimmten Wellenbereich umfasst und derart in oder an dem Gewässer angeordnet ist, dass durch die Wasseroberfläche des Gewässers und eine oder mehrere Reflexionsflächen des Reflektors ein Winkelreflektor gebildet wird. Das Mess-System beinhaltet ferner eine oberhalb des Gewässers befindliche Strahleinrichtung zum Aussenden von elektromagnetischer Strahlung in dem vorbestimmten Wellenbereich, so dass die ausgesendete Strahlung derart auf den Reflektor fällt, dass die einfallende Strahlung an dem Winkelreflektor basierend auf einer Mehrfachreflexion unter Einbeziehung der Wasseroberfläche rückreflektiert wird. Das Mess-System beinhaltet auch eine Messeinrichtung zur Messung des Abstands zwischen Strahleinrichtung und Reflexionszentrum des Winkelrefiektors über die Laufzeit der ausgesendeten und rückreflektierten Strahlung. Darüber hinaus ist eine Auswerteeinrichtung zum Ermitteln des Wasserstands des Gewässers basierend auf dem gemessenen Abstand vorgesehen. In diesem Mess-System können alle, in Bezug auf das obige Verfahren beschriebenen gegenständlichen Ausgestaltungen realisiert sein. Insbesondere kann der Reflektor als Reflektor mit zumindest einem Paar von Reflexionsflächen ausgestaltet sein. Ebenso kann der Reflektor die oben beschriebene Dämpfungseinrichtung umfassen. Zur Messung kann insbesondere auch ein Radarsensor verwendet werden, wobei in diesem Fall die Strahleinrichtung und die Messeinrichtung in diesem Radarsensor integriert sind. Die Auswerteeinrichtung kann an einem beliebigen Ort angeordnet sein. Insbesondere kann eine zentrale Auswerteeinrichtung vorgesehen sein, an wel- che die von der Messeinrichtung erfassten Messdaten übermittelt werden und dort zur Bestimmung des Wasserstands ausgewertet werden.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus die Verwendung eines Reflektors umfassend eine oder mehrere Reflexionsflächen zur Reflexion von elektromagnetischer Strahlung in einem vorbestimmten Wellenbereich in dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren bzw. dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Mess-System. Der Reflektor kann jedes der in Bezug auf Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschriebenen und den Reflektor betreffenden Merkmale umfassen. Insbesondere kann der Reflektor als ein Reflektor mit zumindest einem Paar von Reflexionsflächen ausgestaltet sein sowie gegebenenfalls eine Dämpfungseinrichtung umfassen.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Reflektor, der zur Verwendung im erfin- dungsgemäßen Verfahren bzw. erfindungsgemäßen Mess-System besonders geeignet ist. Dieser Reflektor, der eine oder mehrere Reflexionsflächen zur Reflexion von elektromagnetischer Strahlung in einem vorbestimmten Wellenbereich umfasst, zeichnet sich dadurch aus, dass er ferner eine Dämpfungseinrichtung zur Dämpfung von Wasserwellen des Gewässers in der Umgebung des Reflektors und/oder zwei Paare von Reflexionsflächen umfasst, wobei die Reflexionsflächen eines jeweiligen Paars senkrecht aufeinander stehen und die Paare in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sind. Mit einem solchen Reflektor kann eine Wasserstandsmessung bei stärkerem Wellengang bzw. aus mehreren Strahlrichtungen von einfallender elektromagnetischer Strahlung erfolgen. Dieser Reflektor kann auch alle weiteren, im Vorangegangenen beschriebenen Merkmale betreffend Ausgestaltungen des Reflektors beinhalten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mess-Systems zur Messung des Wasserstands eines Gewässers; Fig. 2 eine erste Ausführungsform eines in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Reflektors;
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Reflektors;
Fig. 4 eine dritte Ausführungsform eines in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Reflektors;
Fig. 5 eine vierte Ausführungsform eines in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Reflektors;
Fig. 6 eine fünfte Ausführungsform eines in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Reflektors; und Fig. 7 eine sechste Ausführungsform eines in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Reflektors.
Fig. 1 zeigt eine Messanordnung zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit der Messanordnung wird der Wasserstand eines Gewässers bestimmt, dessen Wasseroberfläche in Fig. 1 durch eine horizontale Linie W angedeutet ist. Der Wasserstand wird dabei in Bezug auf ein Referenzkoordinatensystem gemessen, dessen Koordinatenursprung mit O bezeichnet ist und welches die horizontalen Koordinatenachsen x, y und die vertikale Koordinatenachse h um- fasst. Die Darstellung der Fig. 1 zeigt vereinfacht eine ebene Erdoberflächengeomet- rie. Die nachfolgende Berechnung wird basierend auf dieser vereinfachten Geometrie beschrieben. Die Berechnung kann jedoch analog auch auf eine gekrümmte Erdge- oid-Oberfläche angewendet werden. In diesem Fall ist die Berechnung etwas komplizierter, aber sinngemäß gleich und exakt möglich. Die Übertragung der Berechnung von einer ebenen Erdoberflächengeometrie auf gekrümmte Geometrien liegt dabei im Rahmen von gängigem Fachwissen.
Zur Messung der Höhe Hw des Wasserstands wird gemäß Fig. 1 die Retroreflexion der von einem Satelliten ausgesendeten Radarstrahlung an einem Reflektor 1 mit senkrecht aufeinander stehenden Reflexionsflächen la und lb genutzt. Der Satellit ist dabei in Fig. 1 schematisch wiedergegeben und mit Bezugszeichen 2 bezeichnet. Ebenso zeigt Fig. 1 in schematischer Darstellung einen auf dem Satelliten befindlichen Radarssensor 3 (insbesondere ein SAR-Radar), der die Radarstrahlung hin zur Wasseroberfläche W aussendet. Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Reflektor 1 derart im Gewässer befestigt, dass die beiden Reflexionsflächen la und lb senkrecht auf der Wasseroberfläche W stehen. Die Befestigung des Re- flektors kann dabei durch eine geeignete Verankerung am Gewässerboden, beispielsweise durch Einbetonnieren oder Einrammen, erreicht werden. Der Reflektor ist ferner in Bezug auf die vorbekannte und mit dem Pfeil P angedeutete Satellitenbahn derart ausgerichtet, dass die Radarstrahlung des Radars 3 derart auf den Reflektor fällt, dass eine Retroreflexion der Strahlung durch eine Mehrfachreflexion an den beiden Reflexionsflächen la und lb sowie der Wasseroberfläche W erfolgt. Durch den Reflektor 1 wird somit zusammen mit der Wasseroberfläche W ein Dreifach- Winkelreflektor zur Reflexion der Radarstrahlung gebildet.
Mit dem Radarsensor 3 wird nunmehr über eine Laufzeitmessung der vom Radarsen- sor ausgesendeten und an dem Reflektor 1 rückreflektierten Strahlung der mit R bezeichnete Abstand zwischen dem Satelliten 2 und dem Reflektor 1 gemessen. Dieser Abstand hängt von der Höhe Hw des Wasserpegels ab, da bei der Retroreflexion die Wasseroberfläche als Reflexionsfläche einbezogen ist und somit der gemessene Abstand R umso größer ist, je niedriger der Wasserstand ist. Mit anderen Worten wird über die Retroreflexion der Abstand R zwischen der durch die Wasseroberfläche W und den Reflektor 1 gebildeten Ecke und dem Radarsensor gemessen, wobei die Position dieser Ecke von der Höhe des Wasserpegels abhängt.
In der Messanordnung der Fig. 1 ist ferner die Position des Satelliten 2 über der Erd- Oberfläche im Referenzkoordinatensystem bekannt. Aus Einfachkeitsgründen wird davon ausgegangen, dass sich der Satellit 2 gerade über der x-Achse des Koordinatensystems an der Position xs befindet. Darüber hinaus ist die feste Aufstellposition des Reflektors 1 in Bezug auf die Erdoberfläche bekannt, wobei diese Position in dem Szenario der Fig. 1 aus Einfachkeitsgründen auch entlang der x-Achse des Refe- renzkoordmatensystems liegt und durch die Koordinate XR gegeben ist. Ferner ist die Höhe HSat des Satelliten in Bezug auf die durch die x-Achse und y-Achse des Referenzkoordinatensystems aufgespannte Referenzebene bekannt. Aus dem gemessenen Abstand R, der Differenz Δχ = |XR - xs| sowie der Höhe Hsat des Satelliten kann auf einfache Weise der Wasserstand Hw in Bezug auf die Lage der x-Achse des Refe- renzkoordmatensystems wie folgt ermittelt werden:
Hw = HSat - ^R2 - Ax2
Zur Bestimmung des Wasserstands wird somit die aktuelle Position des Satelliten benötigt, welche aus der vorbekannten Satellitenbahn ermittelt werden kann. Die (zweidimensionale) Position des Reflektors ist dabei ebenfalls vorbekannt und beispielsweise in GPS -Koordinaten gegeben. Die Messgenauigkeit der Wasserstandsmessung hängt von dem Fehler der Satellitenbahnbestimmung und der laufzeitbasierten Bestimmung des Abstands R sowie dem Einfallswinkel der Radarstrahlung auf den Reflektor 1 ab, wobei dieser Einfallswinkel in Fig. 1 mit Θ bezeichnet ist. Mit modernen Satellitensystemen können derzeit absolute Fehler bis hin zu ca. 6 cm bei einem Einfallswinkel der Radarstrahlung von 45° erreicht werden. Die Genauigkeit der Wasserstandsmessung kann dabei in einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter dadurch verbessert werden, dass ein zweiter, in drei Achsen genau vermessener herkömmlicher Winkelreflektor (nicht gezeigt) in der Nähe des Gewässers, dessen Wasserstand zu messen ist, beispielsweise an dessen Ufer, positioniert ist. Von diesem Winkelreflektor, der nunmehr drei zueinander senkrecht stehende Reflexionsflächen umfasst, ist seine dreidimensionale Position genau bekannt. Auch dieser Reflektor reflektiert die Radarstrahlung zurück zu Radarsensor 3. Somit kann auch basierend auf der von diesem zweiten Winkelreflektor reflektierten Strahlung über eine Laufzeitmessung der Abstand zwischen diesem Reflektor und dem Sensor 3 gemessen werden und als Vergleichswert herangezogen werden. Hierdurch kann der Fehler in der Messung des Abstands R weitestgehend kompensiert werden und sogar Genauigkeiten bei der Bestimmung des Wasserstands im Sub- Zentimeterbereich erreicht werden.
Das in Bezug auf Fig. 1 beschriebene Messverfahren dient zur Wasserstandsbestimmung von beliebigen Gewässern, wie z.B. großflächigen Feuchtgeweben oder entlegenen Wasserflächen. Ebenso können die Pegel von Stauseen und Flüssen überwacht werden. Allgemein können mit dem anhand von Fig. 1 beschriebenen Verfahren be- liebige, sowohl künstliche als auch natürliche Gewässer, gegebenenfalls auch künstlich angelegte Wasserbecken, vermessen werden. Die Beschreibung der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von Fig. 1 ist lediglich beispielhaft und es sind geeignete Abwandlungen zur Bestimmung des Wasserstands eines Gewässers denkbar. Insbesondere kann der zur Abstandsmessung verwendete Radarsensor auch durch einen Sensor ersetzt werden, der die Laufzeit basierend auf elektromagnetischer Strahlung in einem anderen Wellenbereich als Radarstrahlung aussendet. Darüber hinaus muss der Sensor nicht auf einem Satelliten vorgesehen sein, sondern er kann auch auf einem Flugzeug angeordnet sein, welches das zu vermessende Gewässer überfliegt. In diesem Fall muss bei der Durchführung der Mes- sung die Position des Flugzeugs bekannt sein, wobei diese Position beispielsweise über GPS ermittelt werden kann. Ebenso besteht gegebenenfalls die Möglichkeit, dass eine stationäre Vermessung des Gewässers durchgeführt wird, indem der Sensor an einer festen, vorab genau bestimmten Position über der Wasseroberfläche angeordnet ist. Das Prinzip der Erfindung wurde anhand von Fig. 1 basierend auf einem Reflektor 1 beschrieben, der zwei Reflexionsfiächen la und lb umfasst, wobei durch den Reflektor bei Anordnung im Gewässer ein Dreifach- Winkelrefiektor durch Einbeziehung der Wasseroberfläche als Refiexionsfiäche gebildet wird. Gegebenenfalls besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass der Reflektor eine einzelne reflektierende Wand bildet, welche derart im Gewässer oder am Ufer des Gewässers angeordnet ist, dass durch die reflektierende Wand und die Wasseroberfläche ein Zweifach- Winkelreflektor gebildet wird, der geeignet einfallende Strahlung durch eine Reflexion an der Wand und der Wasseroberfläche in gleicher Richtung wie die einfallende Strahlung rückrefiektiert.
Im Folgenden werden besonders bevorzugte Ausführungsformen der in dem erfindungsgemäßen Messverfahren verwendbaren Reflektoren beschrieben. Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform eines Reflektors 1 , der dem Reflektor in der Messanord- nung der Fig. 1 entspricht. Der Reflektor ist in Fig. 2 und auch in den weiteren Fig. 3 bis 7 in der für die Messung vorgesehenen Position im Gewässer wiedergegeben, wobei die Wasseroberfläche W perspektivisch als gepunktete Fläche angedeutet ist. Der unter der Wasseroberfläche liegende Teil des Reflektors ist durch gestrichelte Linien wiedergegeben. Man erkennt in Fig. 2 insbesondere die rechtwinklige Anord- nung der beiden Reflexionsfiächen la und lb sowie der Wasseroberfläche W, was durch die drei dargestellten 90°-Winkel wiedergegeben ist. Es wird somit durch die Wasseroberfläche W sowie die beiden aus der Wasseroberfläche hervorstehenden Abschnitte der Reflexionsfiächen la und lb ein Winkelreflektor gebildet. Der Reflektor 1 besitzt dabei keine beweglichen Teile und reflektiert im Zusammenspiel mit der Wasseroberfläche in einem relativ weiten Winkelbereich, so dass er aus verschiedenen Positionen im Weltraum bzw. aus der Luft beobachtet werden kann.
Damit ein im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeter Reflektor auch aus mehreren Richtungen beobachtbar ist, kann der Reflektor gegebenenfalls auch doppelseitig aufgebaut werden, wobei ein solcher doppelseitiger Aufbau in der Ausführungsform gemäß Fig. 3 gezeigt ist. Der dort wiedergegebene Winkelreflektor 101 umfasst ne- ben den rechteckigen Refiexionsfiächen la und lb, welche den Refiexionsfiächen des Reflektors der Fig. 2 entsprechen, zwei weitere Reflexionsflächen lc und ld, von denen in Fig. 3 nur deren Rückseite sichtbar ist. Die Refiexionsfiäche lc ist dabei eine Verlängerung der Reflexions fläche lb und steht senkrecht auf der Refiexions- fläche la. Demgegenüber stellt die Reflexionsfläche ld eine Verlängerung der Reflexionsfläche la dar und steht senkrecht auf der Reflexionsfläche lb. Dieser Reflektor ist bei der Durchführung der erfindungsgemäßen Messung wiederum derart im Gewässer angeordnet, dass alle Refiexionsfiächen la bis ld senkrecht auf der Wasseroberfläche W stehen. Durch den Reflektor 101 wird somit eine Retroreflexion aus zwei Winkelbereichen erreicht, nämlich aus einem Winkelbereich, der auf die Refiexionsfiächen la und lb gerichtet ist, und aus einem Winkelbereich, der auf die Refiexionsfiächen lc und ld gerichtet ist. Da mit dem Reflektor der Fig. 2 Strahlung von zwei Seiten erfasst werden kann, eignet sich diese Ausführungsform insbesondere zur Auswertung von Radarsignalen von aufsteigenden und absteigenden Bahnen polarer Erderkundungssatelliten. Gegebenenfalls besteht auch die Möglichkeit, dass die Rückseiten der jeweiligen Reflexionsflächen la bis ld auch reflektierend ausgestaltet sind und somit weitere Reflexionsflächen bilden. Hierdurch wird ein Reflektor mit vier Paaren von Refiexionsfiächen geschaffen, der einfallende Strahlung aus im Wesentlichen allen Richtungen rückreflektiert.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reflektors, der mit Bezugszeichen 201 bezeichnet ist. Dieser Reflektor ermöglicht im Bereich der Refiexionsfiächen la und lb eine Dämpfung von horizontalen Wellenbewegungen, welche die Messung der rückreflektierten Strahlung erschweren. Die Dämpfung wird dabei durch einen für die einfallende Strahlung transparenten dielektrischen Wasserwellenschirm 4 erreicht, der in dem dargestellten Reflektor zwischen den Kanten K der Refiexionsfiächen la und lb angeordnet ist. In Analogie zu den Refiexionsfiächen la und lb ist der unterhalb der Wasseroberfläche liegende Teil des Wasserwellenschirms 4 durch gestrichelte Linien angedeutet. Der Wellenschirm bzw. das Wel- lenschild kann in einer bevorzugten Variante durch eine Plexiglasscheibe gebildet sein. Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des Reflektors gemäß Fig. 4. Dieser Wellenreflektor ist mit Bezugszeichen 301 bezeichnet und entspricht im Aufbau im Wesentlichen dem Reflektor der Fig. 4. Jedoch wird mit der Ausführungsform der Fig. 5 auch eine Dämpfung von Wasserdruckwellen erreicht, welche von unten über die durch die Reflexionsflächen la und lb und den Schirm 4 gebildete Öffnung eindringen. Diese Druckwellen können sich an der Wasseroberfläche im Bereich der Reflexionsflächen la und lb abbilden und somit das Messergebnis verfälschen. Die Dämpfung der von unten eindringenden Druckwellen wird gemäß Fig. 5 über einen auf der Oberseite des Reflektors vorgesehenen Deckel 5 mit einer entsprechenden, durch ein Öffnungsrohr realisierten Öffnung 6 erreicht, wodurch ein Lufthohlraum gebildet wird, der nur eine langsame Durchströmung von Luft über die Öffnung 6 ermöglicht. Hierdurch wird eine in den Hohlraum eindringende Druckwelle ausgeglichen. Es bildet sich somit im Reflektor ein ungestörter mittlerer Wasserstand aus, der unempfindlich gegen kurzfristige Schwankungen des Wasserpegels ist.
Fig. 6 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform der Fig. 5. Auch dieser, mit Bezugszeichen 401 bezeichnete Reflektor ermöglicht eine Dämpfung von Wasserwellenbewegungen in dem durch die Reflexionsflächen la und lb und den Schirm 4 gebildeten Hohlraum. Im Unterschied zur Ausführungsform der Fig. 5 wird hierzu ein unterhalb der Wasseroberfläche angeordneter Deckel 7 mit einer über ein Öffnungsrohr realisierten Öffnung 8 verwendet. Aufgrund der geringen Durchflussmen- ge des Wassers durch die Öffnung 8 ist dieser Reflektor auch unempfindlich gegen von unten eindringende Druckwellen, so dass sich wiederum in dem durch die Refle- xionsflächen la und lb und dem Schirm 4 gebildeten Raum ein mittlerer konstanter Wasserstand ausbildet.
Verschiedene der im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen können auch in geeigneter Weise kombiniert werden. Fig. 7 zeigt dabei beispielhaft eine Ausführungsform eines Reflektors 501, der analog zu dem Reflektor der Fig. 3 vier senkrecht aufeinander stehende Reflexionsflächen la bis ld umfasst. Dabei ist zwi- sehen den Vorderkanten der Reflexionsflächen la und lb analog zur Ausführungsform der Fig. 4 ein transparenter Schirm 4 angeordnet. Ferner ist in Analogie zur Ausführungsform der Fig. 5 ein auf der Oberseite des Reflektors vorgesehener Deckel 5 mit Öffnung 6 vorgesehen, sowie in Analogie zur Ausführungsform der Fig. 6 ein unter der Wasseroberfläche liegender Deckel 7 mit Öffnung 8. Mit der Ausführungsform der Fig. 7 wird für den durch die Reflexionsflächen la und lb gebildeten Winkelreflektor eine besonders gute Dämpfung gegenüber Wellenbewegungen erreicht. Gegebenenfalls kann dabei der durch die Reflexionsflächen lc und ld gebildete hintere Winkelreflektor analog zum vorderen Winkelreflektor ausgebildet sein, d.h. er kann ebenfalls einen Schirm 4 und entsprechende Deckel 5 bzw. 7 mit Öffnungen 6 bzw. 8 umfassen.
Das im Vorangegangenen beschriebene erfindungsgemäße Messverfahren weist eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere können die Wasserstände von nur schwer zugänglichen Gewässern vermessen werden, ohne dass hierfür Pegelstationen mit menschlicher oder elektronischer Ablesung vor Ort vorgesehen sein müssen. Es ist lediglich einmalig ein entsprechender Reflektor mit vorbekannter Position im bzw. am Gewässer anzubringen, und anschließend kann über die Retroreflexion von Strahlung am Reflektor der Wasserstand ermittelt werden. Dabei können zur Ermittlung des Wasserstands bereits in Verwendung befindliche Radarsensoren, insbesondere satellitengetragene Radarsensoren, eingesetzt werden, welche mit entsprechenden Kalibrierungen sehr hohe Entfernungsgenauigkeiten bis im Bereich einiger Zentimeter erreichen können. Die Genauigkeit kann dabei durch die Verwendung eines Referenz- Winkelreflektors mit genauer Vermessung und Position noch weiter erhöht werden kann. Die Radarstrahlen, welche von dem im oder am Gewässer befindlichen Reflektor rückreflektiert werden, erscheinen als heller Bildpunkt im Radarbild. Aus der Position dieses Bildpunkts ergibt sich die Schrägentfernung zwischen dem Radarsensor und dem Winkeleck zwischen den Reflexionsflächen des Reflektors und der Wasseroberfläche. Über die (vorbekannte) horizontale Position des Reflektors kann dann aus der Schrägentfernung der Wasserstand mit hoher Genauigkeit abgeleitet werden. Literaturverzeichnis
[1] Sang-Hoon Hong, Shimon Wdowinski, Sang-Wan Kim: "Small Temporal Baseline Subset (STB AS): A New INSAR Technique for Multi-Temporal Monitoring Wetland's Water Level Changes", IEEE International Geoscience & Remote Sensing Symposium 2008
[2] Hong, S.-H.; Wdowinski, S.; Kim, S.-W.: "Evaluation of TerraSAR-X Ob- servations for Wetland InSAR Application", Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on : Accepted for future publication

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Messung des Wasserstands eines Gewässers mit Hilfe eines Reflektors (1, 101, 201, 301, 401, 501), der eine Anzahl von Reflexionsflächen (la, lb) zur Reflexion von elektromagnetischer Strahlung in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich umfasst und in oder an dem Gewässer derart bereitgestellt ist, dass durch die Wasseroberfläche (W) des Gewässers und eine oder mehrere Reflexionsflächen (la, lb) des Reflektors (1, 101, 201, 301, 401, 501) ein Winkelreflektor gebildet wird, wobei
elektromagnetische Strahlung in dem vorbestimmten Wellenlängenbereich, welche von einer oberhalb des Gewässers befindlichen Strahleinrichtung (3) ausgesendet wird, derart auf den Reflektor (1, 101, 201, 301, 401, 501) fällt, dass die einfallende Strahlung an dem Winkelref ektor basierend auf einer Mehrfachreflexion unter Einbeziehung der Wasseroberfläche (W) rückref ektiert wird;
über die Laufzeit der ausgesendeten und rückref ektierten Strahlung der Abstand zwischen Strahleinrichtung (3) und Reflexionszentrum des Winkelreflektors gemessen wird und hieraus der Wasserstand (W) des Gewässers ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Reflektor (1, 101, 201, 301, 401, 501) fallende Strahlung mit einer Strahleinrichtung (3) in der Form eines Radarsensors, insbesondere eines SAR-Radarsensors, ausgesendet wird und die rückreflektierte Strahlung mit diesem Radarsensor er- fasst wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung von einer Strahleinrichtung (3) auf einem sich bewegenden Flugobjekt (2), insbesondere auf einem Satelliten (2) oder einem Flugzeug oder einem Helikopter, ausgesendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bereitgestellte Reflektor (1, 101, 201, 301, 401, 501) zumindest ein Paar aus zwei, einen rechten Winkel miteinander bildenden Reflexionsflä- chen (la, lb) umfasst, wobei die Wasseroberfläche (W) senkrecht auf jeder Reflexionsfläche (la, lb) des zumindest einen Paars steht.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der bereitgestellte Reflektor (101, 501) zwei Paare von Reflektionsflächen (la, lb, lc, ld) umfasst, wobei die Reflexionsflächen (la, lb, lc, ld) eines jeweiligen Paars senkrecht aufeinander stehen und die Paare in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bereitgestellte Reflektor (201 , 301, 401, 501) eine Dämpfungseinrichtung (4, 5, 6, 7, 8) zur Dämpfung von Wasserwellen des Gewässers in der Umgebung des Reflektors (201, 301, 401, 501) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungseinrichtung (4, 5, 6, 7, 8) einen oder mehrere, für die elektromagnetische Strahlung im vorbestimmten Wellenlängenbereich transparente Schirme (4) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7 in Kombination mit Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein jeweiliger Schirm (4) zwischen den Reflexions- flächen (la, lb) eines Paars von Reflexions flächen erstreckt, insbesondere zwischen Reflexionsflächen-Kanten (K), welche entfernt von dem zwischen den Reflexions flächen (la, lb) des Paars gebildeten rechten Winkel liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungseinrichtung (4, 5, 6, 7, 8) einen Hohlraum mit zumindest einer Ausgleichsöffnung (6, 8) oder zumindest einem Augleichsventil umfasst, wobei die zumindest eine Ausgleichsöffnung (6, 8) oder das zumindest eine Ausgleichsventil zur Durchströmung von Luft und/oder Wasser dient.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Ausgleichsöffnung (6, 8) oder das zumindest eine Ausgleichsventil in zumindest einem den Hohlraum abschließenden Deckel (5, 7) vorgesehen ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10 in Kombination mit Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum durch den zumindest einen Deckel (5, 6), eine oder mehrere Reflexionsflächen (la, lb) des Reflektors (301, 401, 501) und zumindest einem transparenten Schirm (4) gebildet ist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung des Wasserstands des Gewässers (W) eine dreidimensionale Position der Strahleinrichtung (3) und eine zweidimensionale, die Lage des Reflektors (1) in Draufsicht auf die Erdoberfläche beschreibende Position berücksichtigt werden.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Wassersands des Gewässers ein Referenz- Winkelreflektor, dessen Reflexionsflächen nicht die Wasseroberfläche (W) des Gewässers umfassen, mit einer vorgegebenen Referenzposition im oder am Gewässer bereitgestellt ist, wobei über die Laufzeit der von der Strahleinrichtung (2) ausgesendeten und am Referenz- Winkelreflektor rückreflektierten Strahlung der Abstand zwischen Strahleinrichtung (3) und Reflexionszentrum des Referenz -Winkelreflektors gemessen wird.
14. Mess-System zur Messung des Wasserstands eines Gewässers, umfassend:
einen Reflektor (1, 101, 201, 301, 401, 501), der eine Anzahl von Reflexionsflächen (la, lb) zur Reflexion von elektromagnetischer Strahlung in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich umfasst und derart in oder an dem Gewässer angeordnet ist, dass durch die Wasseroberfläche (W) des Gewässers und eine oder mehrere Refiexions flächen (la, lb) des Reflektors (1, 101, 201, 301, 401, 501) ein Winkelreflektor gebildet wird;
eine oberhalb des Gewässers befindliche Strahleinrichtung (3) zum Aussenden von elektromagnetischer Strahlung in dem vorbestimmten Wellenlängenbereich, so dass die ausgesendete Strahlung derart auf den Reflektor (1, 101, 201, 301, 401, 501) fällt, dass die einfallende Strahlung an dem Winkelreflektor basierend auf einer Mehrfachreflexion unter Einbeziehung der Wasseroberfläche (W) rückreflektiert wird;
eine Messeinrichtung zum Messen des Abstands zwischen Strahleinrichtung (3) und Reflexionszentrum des Winkelreflektors über die Laufzeit der ausgesendeten und rückreflektierten Strahlung;
eine Auswerteeinrichtung zum Ermitteln des Wasserstands (W) über den gemessenen Abstand.
15. Mess-System nach Anspruch 14, welches derart ausgestaltet ist, dass mit dem Mess-System ein Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 13 durchführbar ist.
16. Verwendung eines Reflektors umfassend eine oder mehrere Reflexionsflächen (la, lb) zur Reflexion von elektromagnetischer Strahlung in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder in einem Mess-System nach Anspruch 14 oder 15.
17. Reflektor zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, umfassend eine oder mehrere Reflexionsflächen (la, lb) zur Reflexion von elektromagnetischer Strahlung in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (1) beinhaltet:
eine Dämpfungseinrichtung (4, 5, 6, 7, 8) zur Dämpfung von Wasserwellen des Gewässers in der Umgebung des Reflektors (201, 301, 401, 501) und/oder zwei Paare von Reflektionsflächen (la, lb, lc, ld), wobei die Reflexionsflächen (la, lb, lc, ld) eines jeweiligen Paars senkrecht aufeinander stehen und die Paare in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sind.
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