CH628139A5

CH628139A5 - Verfahren und einrichtung zur wolkenhoehenmessung.

Info

Publication number: CH628139A5
Application number: CH827278A
Authority: CH
Inventors: Frank Dr Fruengel; Martin Spies
Original assignee: Fruengel Frank
Priority date: 1978-08-03
Filing date: 1978-08-03
Publication date: 1982-02-15
Also published as: DE2924490A1; CA1117630A; US4259592A; DE2924490C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wolkenhöhenmessung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Einrich-

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tung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des zweiter Datenspeicher 13 und 14 sowie ein Programmspeicher 15

Anspruchs 8. angeschlossen sind. Der Mikroprozessor 12 hat ein Subtrahier-

Ein Verfahren und eine Einrichtung dieser Art sind aus der werk, ein Rechenwerk zur Bildung des Mittelwerts von im

DE-AS 2 150 969 bekannt. Dabei werden die in den einzelnen Datenspeicher 13 gespeicherten Werten, eine Vergleichsschal-

Zeitabschnitten integrierten Signale mittels eines Schreibwerkes 5 tung zum Vergleich dieser Werte und einen Steuerimpulsgeber aufgezeichnet. Der Antrieb des Zeichenstifts des Schreibwerks für einen elektro-mechanischen Wandler 16, durch den ein ist mit einem Potentiometer gekoppelt, das die zeitliche Ver- Verschluss 17 entweder zum Aussenden des Sendestrahles des

Schiebung der Zeitschlitze in bezug auf die Aussendung der Arrays 3 offen gehalten oder zum Abdecken des Sendestrahles

Lichtimpulse steuert. geschlossen gehalten werden kann.

Der in Abhängigkeit von der zeitlichen Verschiebung regi- io An den Mikroprozessor 12 sind ferner drei Ausgabegeräte strierende Aufzeichnungsteil der bekannten Einrichtung ist ver- angeschlossen, nämlich eine digitale Anzeige 18, ein Drucker 19

hältnismässig teuer und störanfällig. Die Aufzeichnung der und ein Oszillograph 20 mit einem vorgeschalteten Digital/

Signale über den ganzen Messbereich erfordert ausserdem eine Analog-Wandler 21.

lange Zeit. Der Aufzeichnungsteil ist deshalb für die Bestim- Im Betrieb der Einrichtung wird alle 15 Sekunden eine mung der Wolkenhöhe auf Flugplätzen ungeeignet, denn dort 15 Wolkenhöhenmessung durchgeführt. Vor einer Serie von bei-muss die Wolkenhöhe nach den ICAO-Normen jeweils nach spielsweise hundert Wolkenhöhenmessungen gibt der Mikropro-höchstens 15 Sekunden erneut gemessen werden. zessor 12jeweilszurVorbereitungeinerStörimpulskompensa-Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wolkenhöhe tion den Steuerimpuls an den elektromechanischen Wandler 16, rasch, genau und zuverlässig bei Verwendung einfacher und worauf dieser den Verschluss 17 schliesst, so dass der Sendestrahl billiger Ausgabegeräte zu bestimmen. 20 abgedeckt ist. Der Sende- und der Empfangsteil werden dann wie Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss nach dem kennzeich- im folgenden für die Wolkenhöhenmessung betrieben, wobei der nenden Teil des Anspruchs 1 bzw. 8 gelöst. Mikroprozessor 12 die Speicherung der digitalen Signalwerte des Vorzugsweise wird gemäss Anspruch 2 der Sendestrahl perio- Analog/Digital-Wandlers 11 jedoch nicht im ersten Speicher 13, disch nach einer Anzahl Wolkenhöhenmessungen abgedeckt, sondern in den der zeitlichen Verschiebung der Zeitschlitze wobei die erhaltenen Signalwerte in einem zweiten Datenspei- 2S zugeordneten Speicherplätzen des zweiten Speichers 14 veran-cher gespeichert werden. Diese Werte werden dann bei den lasst. Danach wird der Verschluss 17 wieder geschlossen, folgenden Wolkenhöhenmessungen von den dabei erhaltenen, Zur Wolkenhöhenmessung wird das Tor 8 durch die Torzugeordneten Signalwerten subtrahiert, und die Differenzwerte Steuerung 9 während Zeitschlitzen geöffnet, die mit der Taktfre-werden nach der zeitlichen Verschiebung der Zeitschlitze geord- quenz des Gebers 4 aufeinanderfolgen und in bezug auf die net, im ersten Datenspeicher gespeichert. Dadurch können 30 Aussendung der Laserimpulse vom Diodenlaser-Array 3 zeitlich insbesondere elektrische Störimpulse, die mit der Sendefrequenz verschoben sind. Der Integrator 10 integriert jeweils über einen aufeinanderfolgen, eliminiert werden. Dementsprechend erüb- von 256 aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten das während den rigt sich die bisher notwendige, aufwendige Abschirmung der Zeitschlitzen durch das Tor 8 gelangende Ausgangssignal des Störimpulse verursachenden Schaltungsteile der Einrichtung. Verstärkers 7. Die Breite der Zeitschlitze wird entsprechend der

Weiter kann nach Anspruch 3 der Mittelwert der im ersten 35 gewünschten Messgenauigkeit gewählt und beträgt beispiels-

Datenspeicher gespeicherten Werte gebildet werden und das weise 66,6 ns (entsprechend einer Messgenauigkeit von ± 5m).

Detektorsignal beispielsweise umgekehrt proportional zum Mit- Die Länge der Zeitabschnitte ist ein Vielfaches der Periode der telwert verstärkt werden. Dadurch passt sich der Verstärkungs- Sendefrequenz, so dass während eines Zeitabschnitts mehrere grad selbsttätig an die meteorologischen Verhältnisse an, wobei Lichtimpulse ausgesandt und gegebenenfalls nach Reflexion an

Beschädigungen des Empfängerteils durch besonders intensive 40 einer Wolke empfangen werden. Während des ersten Zeitab-

Reflexion der Lichtimpulse oder direkte Sonneneinstrahlung schnitts einer Wolkenhöhenmessung ist die zeitliche Verschie-

vermieden werden können. Im folgenden wird anhand der bung der Zeitschlitze in bezug auf die Aussendung der Lichtim-

beiliegenden Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung pulse maximal, d. h. sie entspricht der maximal messbaren näher beschrieben. Es zeigen: Wolkenhöhe (die Verschiebung ist aber stets kleiner als die

Fig. 1 ein Blockschema einer Einrichtung zur Wolkenhöhen- 45 Periode der Sendefrequenz zu wählen). Am Ende des ersten und messung und jedes weiteren der Zeitabschnitte wird die zeitliche Verschie-

Fig. 2 einen Teil eines vom Drucker der Einrichtung nach Fig. bung der Zeitschlitze jeweils schrittweise um die Zeitschlitzbreite

1 ausgegebenen Streifens mit dem Ergebnis einer Wolkenhöhen- verkürzt. Weiter wird am Ende jedes Zeitabschnitts das vom messung. Integrator 10 integrierte Signal durch den Analog/Digital-Wand-

Der Sendeteil der Einrichtung besteht aus einem durch einen 50 1er 11 in einen digitalen Signalwert umgewandelt und der Integra-

Steuerimpulsgeber 1 gesteuerten Stromimpulsgeber 2, der ein tor 10 auf Null gestellt. Das Subtrahierwerk des Mikroprozessors

GaAs-GaxAl| _xAs-Diodenlaser-Array 3 speist, sowie einer 12 subtrahiert vom Signalwert den bei der Störimpulsmessung im

(nicht dargestellten) Sendeoptik. Die Spitzenleistung der vom Datenspeicher 14 für die gleiche zeitliche Verschiebung der

Diodenlaser-Array 3 ausgesandten Lichtimpulse beträgt 70 W, Zeitschlitze gespeicherten Wert und speichert den Differenzwert die Impulsdauer ist 200 ns. Die Steuerimpulse des Gebers 1 55 im Datenspeicher 13 an einem der zeitlichen Verschiebung der werden durch einen Taktgeber4 ausgelöst, der Lichtimpulse Zeitschlitze zugeordneten Speicherplatz.

einer Frequenz von 1 kHz erzeugt, die durch einen Lichtleiter 5 Am Ende des letzten der 256 Zeitabschnitte sind im Daten-

zu einer Fotodiode des Gebers 1 geleitet werden. Der Empfangs- Speicher 13 256 Differenzwerte nach der zeitlichen Verschiebung teil der Einrichtung besteht aus einer (nicht dargestellten) Emp- der Zeitschlitze geordnet gespeichert. Die Vergleichsschaltung fangsoptik (Cassegrain-Teleskop) mit einem Interferenzfilter für 60 des Mikroprozessors 12 sucht nun den grössten der gespeicherten die Laserwellenlänge, einem Photodetektor 6 mit einer Silizium- Differenzwerte und berechnet aus der diesem zugeordneten lawinendiode und einem Verstärker 7 mit regelbarem Verstär- zeitlichen Verschiebung der Zeitschlitze die Wolkenhöhe H

kungsgrad,dessen Ausgangan denEingangeinesTorsSange- (nach der Formel H = c/2 . t, worin c die Lichtgeschwindigkeit schlössen ist. Das Tor 8 bildet mit dem T aktgeber 4 und einer und t die zeitliche Verschiebung ist). Die Wolkenhöhe H wird an

Torsteuerung 9 eine Gating-Vorrichtung, deren Ausgang mit 65 der Anzeige 18 nach jedem Durchlaufen des Bereichs der einem Integrator 10 verbunden ist. Der Ausgang des Integrators zeitlichen Verschiebung der Zeitschlitze angezeigt. Weiter bildet

10 ist über einen Analog/Digital-Wandler 11 mit einem Mikro- das Rechenwerk des Mikroprozessors 12 den Mittelwert der im

Prozessor 12 (CPU 6100) verbunden, an den ein erster und Datenspeicher 13 gespeicherten Differenzwerte und gibt ein

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entsprechendes Regelsignal an den Regelungseingang des Verstärkers 7, wodurch die Verstärkung umgekehrt proportional zum Mittelwert geregelt wird.

Die Anzeige 18 zeigt lediglich die Höhe der maximal reflektierenden Wolkensehicht an. Zum genauen Erfassen des meteo- 5 rologischen Zustands kann ein Befehl an den Mikroprozessor 12 zur A usgabe von Daten an den Drucker 19 und/oder über den Wandler 21 an den Oszillographen 20 gegeben werden. Vor der Ausgabe an den Drucker 19 vergleicht die Vergleichsschaltung des Mikroprozessors 12 die im Datenspeicher 13 gespeicherten 10 Differenzwerte mit einem fest vorgegebenen Wert oder einem durch das Rechenwerk aus dem Mittelwert der Differenzwerte und einem vorgegebenen Proportionalitätsfaktor gebildeten Produkt. Die Differenzwerte, die grösser als der vorgegebene Wert bzw. das Produkt sind, werden dann für die weiter unten 15

genannte Darstellungsart des Druckers 19 normiert und zusammen mit den aus den ihnen zugeordneten, zeitlichen Verschiebungen berechneten Höhenwerten an den Drucker 19 ausgegeben. Dieser druckt die Werte nach Art eines Histogramms auf einen Papierstreifen, von dem in Fig. 2 ein Teil 22 beispielsweise 20 dargestellt ist. Die Höhen werden dabei auf der in Streifenlängsrichtung verlaufenden Abszisse nacheinander als Zahlenwerte 23, die Differenzwerte als Gruppen von in Streifenquerrichtung aufeinanderfolgenden Symbolen 24 gedruckt, deren Anzahl ^ jeweils der Grösse des Differenzwerts und damit der integrierten Leistung der aus der entsprechenden Höhe reflektierten Lichtimpulse entspricht.

Durch geeignete Wahl des fest vorgegebenen Werts bzw. des Proportionalitätsfaktors kann erreicht werden, dass nur die für

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die Beurteilung des meteorologischen Zustands gerade noch ausreichenden Werte (mit den entsprechenden Höhen) ausgedruckt werden. Diese wenigen Werte können durch einen billigen Drucker mit kleiner Druckgesehwindigkeit in der zwischen zwei Wolkenhöhenmessungen verfügbaren kurzen Zeit ohne weiteres ausgedruckt werden. Da die Zeit zwischen dem Ende einer Wolkenhöhenmessung und dem Beginn der nächsten Messung sehr klein ist (nach ICAO-Normen muss mindestens alle 15 Sekunden eine Messung erfolgen), würde das Drucken sämtlicher 256 Werte einen teuren Drucker mit sehr hoher Druckgeschwindigkeit erfordern, zudem wäre der grösste Teil des Druck- 40 streifens mit für die Beurteilung des meteorologischen Zustands unerheblichen Messwerten bedruckt, was die Auswertung erschweren würde.

Für die Aufzeichnung des Ergebnisses der Wolkenhöhenmessung durch den Oszillographen 20 gibt der Mikroprozessor 12 die 45

im Datenspeicher 13 gespeicherten Differenzwerte nacheinander an den Wandler 21, der sie in Analogsignale umwandelt und an den Oszillographen 20 gibt.

Wird die Beurteilung des vom Drucker 19 ausgedruckten Histogramms bzw. des Verlaufs des mittels des Oszillographens 20 dargestellten Signals durch ein kleines Signal/Rauschverhältnis erschwert, so kann der Mikroprozessor 12 derart gesteuert werden, dass er schrittweise j eweils den Mittelwert von fünf aufeinanderfolgend im Datenspeicher 13 gespeicherten Differenzwerten bildet und die Mittelwerte anstelle der Differenzwerte an den Drucker 19 bzw. den Oszillographen 20 gibt. Vor der Ausgabe an den Drucker 19 werden die Mittelwerte dabei (wie oben für die Differenzwerte beschrieben) mit dem fest vorgegebenen Wert bzw. dem Produkt verglichen, und nur falls sie grösser sind, zusammen mit den Höhen, die dem jeweils mittleren der fünf für die Bildung des Mittelwerts verwendeten Differenzwert zugeordnet sind, an den Drucker 19 gegeben. Die schrittweise Bildung des Mittelwerts erfolgt so, dass aufeinanderfolgende Schritte einander überlappen, alle Differenzwerte (ausser dem ersten und letzten) also für die Bildung mehrerer Mittelwerte benützt werden. Vorzugsweise wird zuerst der Mittelwert aus den ersten fünf Differenzwerten, darauf derjenige aus dem zweiten bis sechsten Differenzwert gebildet usw. bis am Ende der Mittelwert aus dem zweihundertzweiundfünfzigsten bis zweihundertsechsundfünfzigsten Differenzwert gebildet wird. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass dadurch meist eine wesentliche Vergrösserung des Signal/Rauschverhältnisses erzielt wird.

Zur Kompensation der etwa quadratischen Abnahme der Liehtleistung der reflektierten Impulse mit der durchlaufenen Höhe kann die Zeitschlitzbreite und/oder die Länge der Zeitabschnitte bei der Verkürzung der zeitlichen Verschiebung der Zeitschlitze schrittweise verkleinert werden. Die Verkleinerung der Zeitschlitzbreite mit abnehmender zeitlicher Verschiebung hat zudem eine bei kleinen Höhen erwünschte, grössere Messgenauigkeit zur Folge.

Anstelle des Verstärkers mit regelbarem Verstärkungsgrad kann auch ein Verstärker mit einstellbarem Schwellwert verwendet werden, wobei das vom Mikroprozessor entsprechend dem Mittelwert der Differenzwerte gebildete Regelungssignal den Schwellwert des Verstärkers proportional zum Mittelwert einstellt. Dies hat den Vorteil, dass bei genügend hoher reflektierter Lichtleistung das Tageslichtrauschen nicht mehr verstärkt wird, da es dann unterhalb des Schwellwerts liegt.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Wolkenhöhenmessung, bei dem Lichtimpulse periodisch von einem Sender ausgesandt und die von der bzw. den Wolken reflektierten Lichtimpulse von einem Photode- 5 tektor empfangen werden, dessen Ausgangssignal jeweils über einen von mehreren, aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten,

deren jeder ein Vielfaches der Periode der Sendefrequenz ist, während Zeitschlitzen integriert wird, die mit der Sendefrequenz aufeinanderfolgen, jedoch zeitlich in bezug auf die Aussendung 1° der Lichtimpulse verschoben sind, wobei die zeitliche Verschiebung der Zeitschlitze schrittweise nach jedem Zeitabschnitt verändert wird, derart, dass die Zeitschlitze während einer Zeitabschnittfolge entsprechend dem Wolkenhöhenmessbereich verschoben werden, dadurch gekennzeichnet, dass die in den 15 einzelnen Zeitabschnitten integrierten Signale in digitale Signalwerte umgewandelt und in einem Datenspeicher (13) nach der zeitlichen Verschiebung der Zeitschlitze geordet gespeichert werden, und die Wolkenhöhe aufgrund der den grössten im Datenspeicher (13) gespeicherten Werten zugeordneten zeitli- 20 chen Verschiebungen bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sendestrahl jeweils vor einer oder einer Serie Wolkenhöhen-messungen abgedeckt wird, die bei abgedecktem Sendestrahl, jedoch arbeitendem Sender (1,2,3), in wenigstens einem Teil 25 der Zeitabschnittfolge erhaltenen Signalwerte in einem zweiten Datenspeicher (14) nach der zeitlichen Verschiebung der Zeitschlitze geordnet gespeichert werden, diese Werte bei jeder Wolkenhöhenmessung von den dabei erhaltenen, ihnen zugeordneten Signal werten subtrahiert und die Differenzwerte anstelle 30 der Signal werte im ersten Datenspeicher (13) geordnet gespeichert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder2, bei dem das Photodetektorsignal verstärkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach jeder Wolkenhöhenmessung der Mittelwert der im ersten Daten-35 Speicher (13) gespeicherten Werte bzw. Differenzwerte gebildet und die Verstärkung des Photodetektorsignals oder der Schwellwert der Verstärkung in Abhängigkeit vomMittelwert derart geregelt wird, dass bei kleinerem Mittelwert eine grössere Verstärkung bzw. ein kleinerer Schwellwert und umgekehrt bewirktwird.40
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach jeder Wolkenhöhenmessung die dem grössten gespeicherten Wert bzw. Differenzwert zugeordnete, zeitliche Verschiebung bzw. die entsprechende Höhe automatisch angezeigt wird. 15
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wahlweise oder periodisch nach einer Anzahl Wolkenhöhenmessungen diejenigen gespeicherten Werte bzw. Differenzwerte, die grösser als ein fest vorgegebener oder in Abhängigkeit vom Mittelwert bestimmter, mit diesem 50 zunehmenden Wert sind, zusammen mit den ihnen zugeordneten zeitlichen Verschiebungen bzw. den entsprechenden Höhen ausgedruckt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitschlitzbreite und/oder die Länge 55 der Zeitabschnitte jeweils nach einer vorbestimmten Anzahl Zeitabschnitte schrittweise geändert werden, derart, dass die Zeitschlitzbreite und/oder die Zeitabschnittlänge mit der zeitlichen Verschiebung ab- bzw. zunehmen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch 60 gekennzeichnet, dass schrittweise n aufeinanderfolgend gespeicherte Werte summiert oder gemittelt werden, wobei n eine vorgewählte Zahl ist und aufeinanderfolgende Schritte teilweise überlappen, und dass die Summen bzw. Mittelwerte, die grösser als ein fest vorgegebener Wert sind, zusammen mit den den 65 jeweils mittleren der n Werte zugeordneten, zeitlichen Verschiebungen bzw. den entsprechenden Höhen ausgegeben, insbesondere ausgedruckt werden.
8. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Sender mit wenigstens einer Lichtquelle, einem Empfänger mit Photodetektor und einer Gating-Vorrich-tung, die das Ausgangssignal des Empfängers während Zeitschlitzen durchlässt und deren Ausgang mit einem Integrator verbunden ist, der über jeweils einen von mehreren, je mehrere Zeitschlitze umfassenden Zeitabschnitten integriert, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Integrators (10) an einen Analog/Digital-Wandler (11) angeschlossen ist, der die integrierten Signale in digitale Signalwerte umwandelt und an einen mit der Gating-Vorrichtung (4,8,9) verbundenen Mikroprozessor (12) gibt, der an einen Datenspeicher (13) mit der zeitlichen Verschiebung der Zeitschlitze zugeordneten Speicherplätzen zur entsprechend geordneten Speicherung der Signalwerte angeschlossen ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Sender (1,2,3) ein durch eine Steuervorrichtung des Mikroprozessors (12) betätigbares Abdeckorgan oder ein Verschluss (16, 17) für den Sendestrahl angeordnet ist, der Mikroprozessor (12) mit einem zweiten Datenspeicher (14) zur Speicherung wenigstens eines Teils der bei abgedecktem Sendestrahl erhaltenen digitalen Signalwerte verbunden ist und ein Subtrahierwerk zur Subtraktion der im zweiten Speicher (14) gespeicherten Werte von den ihnen zugeordneten, bei freiem Sendestrahl erhaltenen Werten und zur Eingabe der Differenzwerte in den ersten Speicher (13) hat.
10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (6,7) einen Verstärker (7) mit regelbarem Verstärkungsgrad oder einstellbarem Schwellwert und der Mikroprozessor (12) ein Rechenwerk zur Berechnung des Mittelwerts der im ersten Datenspeicher (13) gespeicherten Werte bzw. Differenzwerte und zur Abgabe einer vom Mittelwert abhängigen Regelspannung an den Verstärker hat, die bei kleinerem Mittelwert eine grössere Verstärkung bzw. einen kleineren Sehwellwert und umgekehrt bewirkt.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine digitale Anzeigevorrichtung (18) an den Mikroprozessor (12) angeschlossen ist und dieser eine Vergleichsschaltung hat, die nach jeder Wolkenhöhenmessung den grössten im ersten Datenspeicher (13) gespeicherten Wert bzw. Differenzwert sucht und die diesem zugeordnete, zeitliche Verschiebung bzw. die entsprechende Höhe an die Anzeige (18) gibt.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drucker (19) an den Mikroprozessor (12) angeschlossen ist, der Mikroprozessor (12) eine Vergleichs-schaltunghat, welche die im ersten Datenspeicher (13) gespeicherten Werte bzw. Differenzwerte mit einem fest vorgegebenen oder einem durch das Rechenwerk in Abhängigkeit vom Mittelwert bestimmten Wert vergleicht und diejenigen Werte, welche grösser als der fest vorgegebene bzw. durch das Rechenwerk bestimmte Wert sind, zusammen mit den ihnen zugordneten, zeitlichen Verschiebungen bzw. den entsprechenden Höhen an den Drucker gibt.
13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aufzeichnungsgerät, insbesondere ein Oszillograph über einen Digital/Analog-Wandler (21) an den Mikroprozessor angeschlossen ist, um die im ersten Datenspeicher (13) gespeicherten Werte bzw. Differenzwerte in Abhängigkeit von der zeitlichen Verschiebung aufzuzeichnen.