FI98766C - Laite ja menetelmä näkyvyyden ja vallitsevan sään mittaamiseksi - Google Patents

Description

98766

Laite ja menetelmä näkyvyyden ja vallitsevan sään mittaamiseksi

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukai-5 nen laite näkyvyyden ja vallitsevan sään mittaamiseksi.

Keksinnön kohteena on myös menetelmä näkyvyyden ja vallitsevan sään mittaamiseksi.

10 Pystysuuntaista näkyvyyttä ja pilvenkorkeutta mitataan laitteella, joka toimii tutkan tavoin, mutta valolla ja lähettimellä sekä vastaanottimella on omat optiikkansa. Laitteen lähetin lähettää lyhyitä laser-pulsseja, vastaanotin detektoi ja vahvistaa ilmakehän sumun ja sateen aiheuttamaa 15 heijastusta ja takaisinsirontaa, ja tiedonkäsittelyosa digitoi vastaanottimen signaalin siten, että lyhyen pulssin aiheuttama heijastusjälki koko mitattavalta matkalta, esim. 0,2...4 km, saadaan profiilina muistiin, josta tunnettuja algoritmeja käyttäen voidaan ilmaista pilvi ja sen korkeus, 20 sekä laskea näkyvyys pystysuunnassa esim. sumu- ja lumisade-tilanteissa. Algoritmit ja laskenta perustuvat ennen kaikkea heijastusprofiilin muotoon, ei niinkään sen absoluuttiseen määrään. Tällaisilla perinteisillä laitteilla mittausalue alkaa vasta jonkun matkan päästä, josta lähtien keilat ovat 25 riittävässä määrin päällekkäiset, esim. 0,2 km edellisen esimerkin mukaan.

Tämän pilvenkorkeusmittarin parannettu versio sisältää optiikan, jossa lähettimen ja vastaanottimen keilat on 30 sijoitettu päällekkäin. Pelkkä keilojen päällekkäinsijoittelu aiheuttaa lähialueella kyllästymisilmiön, jota on myöhemmin kuvattu kuvion 3 yhteydessä. Optisen takaisinkytkennän avulla mitattava alue voidaan laajentaa lähteväksi välittömästi laitteen linssistä. Tällaisen takaisinkytketyn laitteen 35 mittausalue on tyypillisesti esim. 0...4 km. Sadetyyppejä ei edellä kuvatuilla laitteilla pystytä ilmaisemaan.

Vaakasuuntaista näkyvyyttä mitataan valon sironnasta. Eräässä 2 98766 ratkaisussa (nk. Backscatter -mittari) mitataan valon sirontaa ja heijastusta likimain suoraan taaksepäin laitteella, joka muistuttaa edellä kuvattua pilvenkorkeusmittaria sillä erotuksella, että vastaanotin näkee vain kokonais-5 heijastuksen eikä näe heijastuksen jakautumista eri etäisyyksille niin kuin edellä kuvattu pilvenkorkeusmittari. Tämän ratkaisun tunnettuna ongelmana on se, että mikäli se on kalibroitu ilmoittamaan tarkkoja näkyvyyksiä sumussa, se ilmoittaa liian pitkiä näkyvyyksiä vesisateessa ja liian 10 lyhyitä näkyvyyksiä lumisateessa.

Toisessa valon sirontaa hyödyntävässä näkyvyysmittausrat-kaisussa (nk. Forward Scatter -mittari) vastaanotin on sijoitettu 20...45 asteen kulmassa valonsäteen etenemissuun-15 taa vastaan. Tämän ratkaisun tunnettuna ongelmana on se, että mikäli se on kalibroitu ilmoittamaan tarkkoja näkyvyyksiä sumussa, se ilmoittaa liian lyhyitä näkyvyyksiä vesisateessa ja liian pitkiä näkyvyyksiä lumisateessa. Tässäkin ratkaisussa mitataan pelkkää intensiteettiä eikä valonlähteen 20 takaisinheijastuksen aikaprofiilista saada informaatiota.

Tyypilliset optiset mittaustehot tällaisella järjestelmällä ovat n. 5 mW jatkuvaa tehoa.

Eräs säätietojen mittaamisen ja sen automatisoinnin jäljellä-25 olevia suuria ongelmia on vallitsevaksi sääksi (engl. Present Weather) kutsutun käsitteen automaattinen mittaaminen. Tähän käsitteeseen kuuluu tärkeimpänä osajoukkona sateen ilmaisu ja sadetyypin tunnistus sekä sen intensiteetin ilmaisu (kevyt/ kohtalainen/ voimakas) .

30

Toinen, sateiden automaattiseen tunnistukseen liittyvä osaongelma on tuulen kuljettaman kevyen lumen (engl. Blowing Snow) erottaminen satavasta eli putoavasta lumesta. Tällä on merkitystä erityisesti vesitalouden ja kevättulvien kannalta. 35 Ongelmalla ei vielä ole hyvää ratkaisua.

Erityisesti lentoliikenteelle haitallista on maan jäähtymisestä johtuvan, tuulettomalla säällä esiintyvän matalan sumun 3 98766 haitta näkyvyyttä paikallisesti mittaavien laitteiden ilmoittaessa ajoittain hyvinkin pessimistisiä näkyvyysarvoja.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatun 5 tekniikan puutteellisuudet ja aikaansaada aivan uudentyyppinen laite ja menetelmä näkyvyyden ja vallitsevan sään mittaamiseksi.

Keksintö perustuu siihen, että yhdistetään kuvattu parannettu 10 pilvenkorkeusmittari ja eteenpäin sirontaa (forward scatter) mittaava laite siten, että sironnan valolähteenä käytetään pilvenkorkeusmittarin pulssitettua laser-sädettä ja lisäinformaationa lasersäteen takaisinheijastus-aikaprofiilia.

15 Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle laitteelle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle puolestaan on tunnusomaista 20 se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 6 tunnusmerkkiosas-sa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

25 Keksinnön mukainen ratkaisu on taloudellisempi, kevyempi ja kompaktimpi kuin olemassaolevat osaratkaisut. Samalla laitteella voidaan näkyvyyden lisäksi ilmaista luotettavasti sade, sen tyyppi ja intensiteetti. Myös tuuleva lumi voidaan laitteella erottaa satavasta lumesta.

30

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten kuvioiden mukaisten suoritusesimerkkien avulla.

»

Kuvio 1 esittää kaaviollisesti yhtä keksinnön mukaista 35 laitteistoa.

Kuvio 2 esittää kaaviollisesti vaihtoehtoista keksinnön mukaista laitteistoa.

4 98766

Kuvio 3 esittää graafisesti optisesti takaisinkytkemättömien laitteistojen optista signaalia yhdessä mittaussignaalin kanssa.

5 Kuvio 4 esittää lohkokaaviona keksinnön mukaisen laitteiston takaisinkytkentäelektroniikkaa.

Kuvion 1 mukaisesti laitteisto käsittää valolähettimen 1 sekä valovastaanottimen 3. Lähettimen 1 lähetyskeilan 2 ja 10 vastaanottimen 3 vastaanottokeilan 4 leikkaus muodostaa näytetilavuuden 9.

Valolähetin 1 muodostuu tyypillisesti valolähteestä 5, joka voi olla esimerkiksi laserdiodi, sekä optiikasta 6. Lähetti-15 men 1 optinen teho on tyypillisesti n. 20 W ja valoa lähetetään lyhyinä pulsseina, joiden kesto on esim. 100 ns. Pulssi-taajuus on tyypillisesti 0,3 - 10 kHz. Valolähettimen 5 yhteyteen on sijoitettu myös valovastaanotin 19, joka käyttää samaa optiikkaa 6 kuin lähetinosa 5. Lisäksi lähetin käsittää 20 tietojenkäsittely-yksikön 11, jonka päätehtävänä on laskea heijastusrintaman (esim. sumu, pilvi) etäisyys lähetetyn pulssin 16 ja paluupulssin 17 välisestä viiveestä.

Sirontavastaanotin 3 sisältää vastaavasti vastaanotto-25 optiikan 7 sekä detektoriosan 8, jolla mitataan näytetilavuu-dessa 9 olevista partikkeleista 10 siroutunut/heijastunut valo. Saadusta signaalista erotetaan lohkossa 15 taustavalon aiheuttama virhe komponentti, lohkossa 14 signaali digitoidaan ja tallennetaan muistiin, lohkossa 13 toteutetaan laskenta ja 30 laskennan tuloksena saadaan näkyvyyssignaali lohkossa 12.

Optisen signaalin takaisinkytkentä kuvion mukaisessa keilan-jakajaan 20 perustuvassa järjestelmässä toteutettu takaisin-kytkentäanturiin 21 optisesti yhdistetyn optisen kuidun 23 35 avulla. Kuidun 23 pää sijoitetaan vastaantottimeen 19 nähden keilanjakajan 20 toiselle puolelle. Kuidun 23 pituus voidaan valita siten, että sen aiheuttama viive vastaa voimakkaimman virhesignaalin viivettä. Jos voimakkain virhesignaali tulee 5 98766 esimerkiksi keilanjakajasta 20, tulee vastaanottimen 19 ja keilanjakajan 20 välisen viiveen vastata kuidun 23 viivettä. Mikäli taas voimakkain virhesignaali tulee fokusoivalta linssiltä 6 (tai linssiryhmältä), tulee kuidun 23 viiveen 5 vastata keilanjakajan 20 ja linssin 6 välimatkan aiheuttamaa viivettä kerrottuna kahdella. Kuidun 23 ansiosta voidaan itse valoherkät elementit sijoittaa mahdollisimman lähelle toisiaan, jolloin nämä elementit pystytään pitämään mahdollisimman samanlaisissa ympäristöolosuhteissa. Kuidun 23 pää 10 voidaan järjestää liikuteltavaksi, jolloin esijännitteen lisäksi kompensointia voidaan säätää kuidun 23 vapaan pään sijainnilla. Käytännössä karkeasäätö tapahtuu mekaanisesti kuidun päätä kertämällä ja hienosäätö elektronisesti.

15 Kuvion 2 mukaisesti Y-haaroittimen tapauksessa voidaan takaisinkytkentäsignaali järjestää optisen tehonjakajan 24 avulla. Jakosuhteena voi olla esimerkiksi 2:2. Takaisinkytkennän optimoimiseksi tehonjakajan 24 ja takaisinkytkentävas-taanottimen 21 välisen takaisinkytkentäkuidun 25 aiheuttama 20 viive sovitetaan oleellisesti samanmittaiseksi kuin vastaanottimen 19 ja tehonjakajan 24 välisen kuidun 26 aiheuttama viive.

Kuvion 3 mukaisesti ylemmässä kaaviossa on esitetty takaisin-25 kytkemättömän vastaanottimen optinen sisäänmeno. Alussa tapahtuva tapahtuva optinen vuoto aiheuttaa normaaliin signaaliin nähden intensiteetiltään 35 n. 1000 - 1 000 000-kertaisen pulssimaisen signaalin 34. Vastaanottimen ulostulosignaalia kuvaavan alemman kaavion mukaisesti tämä pulssi 30 34 aiheuttaa vastaanottimen vahvistimen kyllästymisen aikavälillä 33. Aikavälillä 31 vahvistin toipuu kyllästymisestä ja huolimatta sumun aiheuttamasta takaisinsironnasta 36 vahvistimen ulostulosta tätä ei yliohjaussärön 32 vuoksi tätä nähdä. Hetkellä 37 vastaanotetaan mittaussignaali esimerkiksi 35 pilvestä tai kiinteästä kohteesta. Tämäkin signaali saattaa häiriintyä yliohjaussärön 32 vuoksi.

Kuvion 4 mukaisesti vahvistimen yliohjautuminen voidaan 98766 e välttää kytkemällä normaali valoherkkä elementti 41 puolisil-taan takaisinkytkentäelementin 42 kanssa- Kuvion mukaisessa ratkaisussa valoherkät elementit 41 ja 42 ovat estosuuntaan kytkettyjä vyöryfotodiodeita. Kun voimakas valopulssi 5 kohdistuu molempiin diodeihin 41 ja 42 samanaikaisesti, kompensoituu optisesta vuodosta aiheutunut virhesignaali lähes kokonaan. Sillan esijännitteellä voidaan säätää takaisinkytkentädiodin kompensointivaikutus sellaiseksi, että optisesta ylivuodosta aiheutuva virhe kompensoituu likimain 10 täysin. Tällä menettelyllä vahvistimen 43 yliohjautuminen voidaan välttää. Esijännitettä voidaan säätää jatkuvasti muuttamalla analoginen signaali digitaaliseksi A/D-muuntimellä 45 ja muokkaamalla tätä digitaalista signaalia tietojenkäsittely-yksiköllä 47. A/D-muunnin 45 on tyypillisesti nopea 15 ns. FLASH-muunnin, jonka näytteenottoväli on esimerkiksi 50 nanosekuntia ja resoluutio 8 bittiä. A/D-muuntimen 45 ulostulo syötetään ennen mikroprosessoria 47 FIFO-muistiin (First-In/First-Out) 48. Muistin 48 pituus voi olla esimerkiksi 512 näytettä. Mikroprosessorilla 47 ohjataan näyt-20 teenottoa linjalla 54, joka on kytketty sekä välimuistiin 48 että A/D-muuntimeen 45. Esijännitteen säätö toteutetaan kytkennällä tietojenkäsittely-yksiköstä 47 esijännitepiiriin 44, joka säätää diodien 41 ja 42 yli vaikuttavaa jännitettä. Säätö voidaan toteuttaa jatkuvana, koska tietojenkäsittely-25 yksikkö näkee mittaussignaalin kompensontitarkkuuden ja voi näin differentiaalisesti joko lisätä tai vähentää esijän-nitettä tarkan kompensaation saavuttamiseksi. Käytännössä säätö on toteutettu positiivisen jännitteen päähän kytketyllä vakiojännitesäätäjällä 40 ja negatiivisen jännitteen päähän 30 kytketyllä ohjattavalla jännitteensäätäjällä 44, jota ohjataan mikroprosessorilla 47 D/A-muuntimen 58 kautta linjaa 56 pitkin. Sillassa 46 käytetään edullisesti jännitelähteisiin 40 ja 44 kytkettyä lämpötilakompensointipiiriä 49. Diodien 41 ja 42 muodostaman puolisillan 46 voidaan katsoa 35 muodostavan vähentimen, jolla mittaussignaalista vähennetään häiriösignaali.

Sateettomalla säällä kuvioiden 1 tai 2 mukaisen laitteiston 7 98766 pilvenkorkeusmittariosa 1 ilmaisee ja mittaa pilvenkorkeuden, ja sumutilanteissa sen signaaliprofiili sisältää myös » sumutiedon korkeuden funktiona. Sirontavastaanotin 3 sijait see noin 1 metrin korkeudella pilvenkorkeusmittarin 1 , 5 lähtöaukosta ja mittaa valon siroamisen 20...45 asteen kulmassa eteenpäin, josta signaalista voidaan tunnetuin menetelmin (lohkot 12 - 15) laskea näkyvyys ko. näytetila-vuudessa 9. Jos ja kun kumpikin mittaustoiminto on kalibroitu näyttämään tarkan näkyvyysarvon nimenomaan sumuolosuhteissa, 10 niin kummallakin osatoiminnolla mitatut näkyvyydet ovat samat sumuolosuhteissa.

Vesisateella pilvenkorkeusmittaritoiminnon lähisignaali tulee olemaan suhteellisesti heikompi (ts. edustaa suhteellisesti 15 parempaa näkyvyyttä) kuin sirontavastaanottimella mitattu eteenpäinsirontasignaali, kuten aiemmin esitetystä ilmenee. Tämä asiaintila ilmaisee siis vesisateen.

Lumisateella pilvenkorkeusmittaritoiminnon lähisignaali tulee 20 olemaan suhteellisesti voimakkaampi (ts. edustaa suhteellisesti heikompaa näkyvyyttä) kuin sirontavastaanottimella mitattu eteenpäinsirontasignaali, kuten aiemmin esitetystä ilmenee. Tämä asiaintila ilmaisee siis lumisateen.

25 Tuulevan lumen ilmaisu on mahdollista esitetyllä keksinnöllä, koska pilvenkorkeusmittaritoiminto sisältää profiilimaisen tiedon lumen tiheydestä pystysuunnassa. Mikäli tiheys laskee lähelle nollaa korkeammalla, on kysymyksessä tuulen kuljettama lumi.

30

Paikallinen matala maasumu saadaan laitteella ilmaistua koska pystynäkyvyysmittauksen profiili ilmaisee sen että sumu ei ylety korkealle.

35 Sirontavastaanotin voi katsella mitattavaa signaaliansa ajallisesti niin hienojakoisesti että se näkee pisarat tai hiutaleet itse signaalista. Tässä keksinnössä tämä piirre tarjoaa redundanssia siten, että tiedetään kun signaali 8 98766 tulee sumusta, jolloin voidaan suorittaa kahden eri mittauksen, takaisinpäin ja eteenpäin sironnan ristiin tarkastuksen laadunvalvontamielessä ja/tai toisen mittauksen automaattisen kalibroinnin.

5

Laite voidaan varustaa ilmanlämpötilamittarilla, jolloin vesi- ja lumisateiden erottamisen luotettavuus kasvaa.

Laite voidaan varustaa myös suhteellisen kosteuden anturil-10 la, jolloin tulee mahdolliseksi ilmaista kuivaa sumua (engl. haze), hiekkamyrskyjä, ja muita vallitsevan sään erikoistapauksia joille on ominaista ilman suhteellinen kuivuus.

Laitteeseen voidaan yhdistää myös tuulimittari, jolloin sekä 15 tuulevan lumen että paikallisen maasumun ilmaisujen luotettavuus tulee erittäin korkeaksi.

Lisäksi laite voidaan varustaa myös yksinkertaisella sadeil-maisimella, jolloin sateen vesimäärä saadaan ilmaistuksi. 20 Tämä tarjoaa lisää redundanssia ja luotettavuutta mittaukseen.

Lähettimen suuri teho on laitteen kokonaissuorituskyvyn kannalta edullinen seikka, koska tällöin saadaan mahdol-25 lisimman paljon tietoa vallitsevasta säästä. Keksinnön mukaisesti voidaan kuitenkin ajatella mittaus toteutettavaksi myös pienitehoisella pulssitetulla lähettimellä, jolloin joudutaan tinkimään mittarin kantamasta.

30

Claims (10)

1. Laite näkyvyyden ja vallitsevan sään mittaamiseksi, joka laite käsittää 5 - valolähteen (1) säteilyn kohdistamiseksi mitattavaan kohteeseen (9), valon sirontaa mittaavan anturin (3), jolla 10 mitattavasta kohteesta (9) eteenpäin siroava valo on mitattavissa, ja - laskentaelimet (12 - 15}, joilla siroava valo on erotettavissa taustavalosta, 15 tunnettu siitä, että - valolähde (1) on pulssivalolähde, 20. laite käsittää vastaanottoelimet (19) suoraan taaksepäin heijastuneiden/sironneiden valopulssien vastaanottamiseksi ja laskentaelimet (11) pulssimuotoisen 25 säteilyn takaisinheijastusten viiveiden laskemiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että laite käsittää takaisinkytkentäelimet (21, 23, 30 25) mittauslaitteiston sisällä valopulssin syötön yhteydessä syntyvän optisen pulssin aaltomuodon mittaamiseksi siten, ettei se sisällä mittauslaitteiston ulkopuolelta saapunutta takaisinsäteilyä, skaalauselimet (45, 47, 44) takaisinkyt- kentäelmillä (21,23, 25) mitatun signaalin skaalaamiseksi 35 sekä intensiteetiltään että ajallisesti varsinaisen mittaussignaalin kanssa takaisinkytkentäsignaalin muodostamiseksi, ja vähennyselimet (46) takaisinkytkentäsignaalin 98766 vähentämiseksi mittaussignaalista vastaanottimen yliohjautu-misen välttämiseksi.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen laite, tunnettu 5 siitä, että vähennyselimet muodostuu puolisillasta (46), jonka muodostavat mittaus- ja takaisinkytkentädiodit (41, 42) ja skaalauselimet muodostuu sillan (46) esijännitteen säätölaitteesta (44).

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen laite, joka käsittää keilanjakajan (20) lähetysoptiikan (6) kautta palanneen signaalin ohjaamiseksi vastaanottimeen (19), tunnettu siitä, että laite käsittää vastaanottimeen (19) nähden keilanjakajan (20) toiselle puolen sijoitetun optisen 15 kuidun (23) mittauslaitteiston sisällä syntyvän optisen pulssin mittaamiseksi kuituun (23) kytketyllä takaisinkyt-kentäanturilla (21).

5. Patenttivaatimuksen 2 mukainen laite, joka käsittää Y- 20 haaroittimen (26) lähetysoptiikan (6) kautta palanneen signaalin ohjaamiseksi vastaanottimeen (19), tunnettu siitä, että laite käsittää optisen tehonjakajan (24) , joka on kytketty takaisinkytkentäanturiin (21) mittauslaitteiston sisällä syntyvän optisen pulssin mittaa-25 miseksi.

6. Menetelmä näkyvyyden ja vallitsevan sään mittaamiseksi, jossa menetelmässä 30. mitattavaan kohteeseen (9) kohdistetaan sätei lyä , - mitattavasta kohteesta (9) eteenpäin siroavaa valon sirontaa mitataan, ja 35 - siroava valo erotetaan taustavalosta, ii. M*»» 44« I t n 98766 tunnettu siitä, että - mitattavaan kohteeseen (9) kohdistetaan pulssimuotoista säteilyä, 5 vastaaotetaan suoraan taaksepäin heijastunei-ta/sironneita valopulsseja, ja - lasketaan taakse sironneen/heijastuneeen pulssi- 10 muotoisen säteilyn takaisinheisjastusten viiveet.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että valopulssin syötön yhteydessä mittauslaitteiston sisällä syntyvä valopulssi mitataan ja takaisinkytketään 15 siten, ettei se sisällä mittauslaitteiston ulkopuolelta saapunutta takaisinsäteilyä, skaalataan takaisinkytketty signaali sekä intensiteetiltään että ajallisesti varsinaiseen mittaussignaalin kanssa ja muodostetaan tästä takaisin-kytkentäsignaali, ja vähennetään takaisinkytkentäsignaali 20 mittaussignaalista vastaanottimen yliohjautumisen välttämiseksi .

8. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mittauslaitteiston sisällä 25 syntyvän optisen pulssin muoto skaalataan intensiteetiltään käyttämällä puolisiltaan kytkettyjä vyöryfotodiodeita (41, 42) , joiden esijännitettä säädetään takaisinkytkentäsig-naalin skaalaamiseksi.

9. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, jossa optiikan • · (6) kautta palannut signaali ohjataan vastaanottimeen (19) keilanjakajalla (20), tunnettu siitä, että mittauslaitteiston sisällä syntyvä optinen pulssi mitataan vastaanottimeen (19) nähden keilanjakajan (20) toiselle puolen 35 sijoitetun optisen kuidun (23) avulla, joka on kytketty takaisinkytkentäanturiin (21). 98766

9 98766

10. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, jossa optiikan (6) kautta palannut signaali ohjataan vastaanottimeen (19) kuituoptisella Y-haaroittimella (26) , tunnettu siitä, että mittauslaitteiston sisällä syntyvä optinen 5 pulssi mitataan Y-haarioittimeen (26) muodostetulla optisella tehonjakajalla (24), joka on kytketty takaisinkytkentäan-turiin (21). 98766