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DE10120747C1 - Verfahren zur Bestimmung der Sichtweite, Niederschlagsmenge und Niederschlagsart - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung der Sichtweite, Niederschlagsmenge und Niederschlagsart

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DE10120747C1
DE10120747C1 DE10120747A DE10120747A DE10120747C1 DE 10120747 C1 DE10120747 C1 DE 10120747C1 DE 10120747 A DE10120747 A DE 10120747A DE 10120747 A DE10120747 A DE 10120747A DE 10120747 C1 DE10120747 C1 DE 10120747C1
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DE
Germany
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precipitation
particle
determined
signal
liquid
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DE10120747A
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English (en)
Inventor
Stefan Engel
Klaus Heyn
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Vaisala Impulsphysik GmbH
Original Assignee
Vaisala Impulsphysik GmbH
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Publication date
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Priority to JP2002122578A priority patent/JP4164285B2/ja
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Priority to FR0205107A priority patent/FR2824150B1/fr
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    • G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Sichtweite, Niederschlagsmenge und Niederschlagsart.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Sichtweite, Niederschlagsmenge und Niederschlagsart, insbesondere zur Unterscheidung zwischen den verschiedenen Niederschlagsarten sowie der Niederschlagsmengen.
Die Messung von Umwelt- und Wetterparametern gewinnt zunehmend an Bedeutung. Um bisherige Augenbeobachtungen durch eine automatische Erfassung von Wetterphänomenen zu ersetzen und somit nach und nach eine vollständige Automatisierung von Wetterstationen zu ermöglichen, bedarf es der Verfügbarkeit von Messgeräten, die zur Bestimmung möglichst vieler der geforderten Parameter in der Lage sind.
Atmosphärische Eintrübungen werden durch Aerosole hervorgerufen, die durch Ihre Art und Konzentration bestimmend für die Sichtweite sind. Für die Ermittlung der Sichtweite mit optischen Messinstrumenten kommen hierbei zwei physikalische Effekte zum Tragen. Bestrahlt man ein Messvolumen mit einer Lichtquelle, so kommt es einerseits zur Lichtstreuung und andererseits zur Lichtabsorption. Mit einer Transmissometermeßanordnung werden beide Effekte erfasst, denn es wird ausgewertet wie viel Prozent des emittierten Lichtes den Ort des Empfängers erreicht. Hierbei wird das Empfangssignal sowohl durch Streuung an den Aerosolen, als auch durch Absorption durch die Aerosole beeinflusst. Beide Phänomene werden zu dem Begriff der Extinktion zusammengefasst, wobei die Absorption in Relation zur Streuung vernachlässigt werden kann. Transmissometer messen den atmosphärischen Extinktionskoeffizienten direkt. Die Sichtweite kann dann definitionsgemäß über den von KOSCHMIEDER beschriebenen Zusammenhang bestimmt werden.
Neben dem großen Luftvolumen, welches hierbei zur Sichtweitenbestimmung herangezogen wird, liegt der Vorteil von Transmissometern in diesem eindeutigen Verhältnis zwischen Transmission und Sichtweite. Die Qualität der Messleistung von Transmissometern wird allgemein als sehr positiv bewertet.
Dennoch gibt es Gründe, die für ein vereinfachtes Messkonzept sprechen, wie es Streulichtmessgeräte bieten:
  • - Größerer Sichtweitenmessbereich
  • - Möglichkeit der Bestimmung von Niederschlagsart und Niederschlagsintensität
  • - Niedrige Anschaffungskosten
  • - Geringerer Platzbedarf; typischer Abstand von Sender und Streuempfänger zum Messvolumen von < 1 m
  • - Keine Ausricht- und Justierarbeiten erforderlich
  • - Geringerer Einfluss der Verschmutzung der Gerätescheiben auf die Messleistung
  • - Einfache Kalibrierung
  • - Niedrige Wartungskosten
Bei Streulichtmessgeräten, wie in der DE-OS 21 21 088 beschrieben, wird ein Empfänger in einem geeigneten Winkel zur Lichtquelle positioniert. Ermittelt wird der von den Aerosolen und den Niederschlagspartikeln im Messvolumen unter diesem Winkel gestreute Lichtanteil. Zur Beurteilung des Empfangssignals ist es hierbei notwendig, den Zusammenhang zwischen optischer Streufunktion und dem atmosphärischen Extinktionskoeffizienten zu kennen.
Unterschiede im Streuverhalten der unterschiedlichen Partikel können bei herkömmlichen Streulichtmessgeräten durch die Messung entweder unter einem ausgewählten Streuwinkel oder über einen möglichst großen Streuwinkelbereich nicht bzw. nicht ausreichend berücksichtigt werden.
Die amerikanische Patentschrift US 4 123 665 beschreibt z. B. eine Anordnung mit mehreren Detektoren, um einerseits einen möglichst großen Streuwinkelbereich abzudecken und andererseits das gleichzeitige Vorhandenseins des Steusignales in verschiedenen Empfangskanälen dafür zu nutzen, die Störungen durch tageslichtbedingtes weißes Rauschen mittels einer Torschaltung unterdrücken zu können, die aufgrund ihrer impulsförmigen Natur und damit ungenügender Unterscheidbarkeit ansonsten das Meßergebnis der Streusignal-Impulsmessung beeinträchtigen würden. Sowohl eine Unterscheidung zwischen Schwebe- und Niederschlagspartikeln, die Bestimmung von Niederschlagsart und -menge, wie auch eine phänomenbedingte dynamische Anpassung des Be- und Auswerteverfahrens sind unmöglich; das Verfahren daher auf einfache Nebelwarnfunktionalität beschränkt.
Die herkömmlichen Geräte realisieren Verfahren, die auf der Annahme beruhen, dass der verwendete Streuwinkel bei der für die Messung verwendeten Lichtwellenlänge für alle vorkommenden Phänomene als repräsentativ angenommen werden können.
So nutzt auch die in der deutschen Patentschrift DE 35 90 723 C2 beschriebene Meßanordnung ausschließlich einen Steuwinkel und kann daher eine phänomenbedingte dynamische Anpassung des Be- und Auswerteverfahrens nur sehr eingeschränkt durchführen obwohl über die Sichtweitenermittlung hinausgehend ein Verfahren zur Bestimmung von Niederschlagsart und -menge realisiert wurde. Die Niederschlagsart wird einzig aufgrund der Partikelverweildauer im Meßvolumen und nicht unter der nötigen Berücksichtigung unterschiedlichen winkelabhängigen Streuverhaltens bestimmt. Weder können Schwebeteilchen für unterschiedliche Aerosolmischungen bei Nebel und Dunst kongruent bewertet werden, noch ist es möglich eine eindeutige Bestimmung und Bewertung von festen Niederschlagspartikeln auch bezüglich ihres Einflusses auf die Sichtweite zu generieren.
Aufgrund verschiedener Simulationen atmosphärischer Modelle als auch praktischer Erprobungen und Vergleiche hat sich für den sichtbaren Wellenlängenbereich ein Vorwärtsstreuwinkel von ca. 30° bis 40° für eine große Anzahl von Aerosoltypen, -mischungen und -konzentrationen als repräsentativ gezeigt. Generell greift für diese Partikelgrößenordnung mit sehr viel größeren Durchmessern als die Lichtwellenlänge die Streutheorie nach Mie. Unterschiedliche Bewertungen des gemessenen Streusignals sind allerdings auch hier nötig, da es signifikante Unterschiede im Streuverhalten bei Nebel und Dunst gibt.
Vor diesem Hintergrund zeigt die Schrift von Frank W. Gibson "In situ photometric observations of angular scattering from atmospheric aerosols" (Applied Optics, Vol. 15, No. 10, October 1976) anhand von ballongebundenen Nephelometermessungen in Höhen bis zu 25 km in eindrucksvoller Weise, wie unterschiedlich eine Bewertung unter unterschiedlichen Streuwinkeln bei sich verändernden Aerosolzusammensetzungen/mischungen und -konzentrationen ausfallen wird; wenngleich auch hier keinerlei Aussagen über Niederschlagsphänomene getroffen werden, noch eine Einzelpartikelanalyse durch das beschriebene Verfahren ermöglicht wird. Der Ansatz hierbei ist jedoch in der grundsätzlichen Bestimmung von Aerosoldichten in unterschiedlicher Höhe zu sehen. Eine Bestimmung der "Sichtweite" sowie von Niederschlagsphänomenen und geeignete Bewertungsverfahren hierzu bleiben völlig unberücksichtigt und sind auch nicht Gegenstand der in der Schrift vorgestellten Untersuchung.
Über die beschriebenen Unterschiede der winkelabhängigen Nebel- /Dunstbewertung für Schwebeteilchen hinaus, ergeben sich sehr viel stärkere Einflüsse bei der Betrachtung von Niederschlag. Für Niesel- und Regentröpfchen sowie Hagelkörnern, Graupel und Schneeflocken ergeben sich völlig unterschiedliche Streuverhalten, für die nicht mehr die gleichen Bewertungen des gemessenen Streusignals wie bei Dunst oder Nebel vorgenommen werden dürfen. Darüber hinaus verharren diese Partikel nicht in einer quasi-stationären räumlichen Position, sondern unterliegen aufgrund ihrer Größe einer Bewegung in Richtung Erdboden, die somit nur eine zeitlich begrenzte Aufenthaltsdauer im Messvolumen hervorruft.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem eine gute Unterscheidbarkeit der verschiedenen Phänomene, wie Nebel, Regen, Schnee usw. gewährleistet werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren zur Bestimmung der Sichtweite, Niederschlagsmenge und Niederschlagsart dadurch gelöst, dass ein gemeinsames Messvolumen mit einem Lichtsender ausgewählter Wellenlänge und angepasster Intensität in einem definierten räumlichen Bereich beleuchtet wird und aus zwei oder mehr verschiedenen Winkeln das von den Aerosolen und gegebenenfalls Einzelpartikeln im Messvolumen gestreute Licht schmalbandig und mit angepasster Empfindlichkeit empfangen und ausgewertet wird. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen
Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Gerätes
Fig. 2 Messsignaldiagramm
Fig. 3 Blockschaltbild der Auswerteelektronik
Fig. 4 Prinzipaufbau der ersten Empfangssignalaufbereitung
Fig. 5 Prinzipaufbau der zweiten Empfangssignalaufbereitung
Fig. 6 Prinzipaufbau der dritten Empfangssignalaufbereitung
Fig. 7 Prinzipaufbau der vierten Empfangssignalaufbereitung
Fig. 8 Prinzip der Empfangssignalbewertung.
Fig. 1 zeigt mit dem Lichtsender 1, den vier optoelektronischen Empfängern 2, 3, 4, 5, wobei jeweils jeder über einen Nachverstärker 6, 7, 8, 9 und anschließendem Synchrongleichrichter 10, 11, 12, 13 mit der gemeinsamen Verarbeitungseinheit 14 verknüpft ist, und dem Modulationsgenerator 15 die wesentlichen Bestandteile der erfindungsgemäßen Anordnung. Der optoelektronische Empfänger 2 steht dabei dem Lichtsender 1 gegenüber und die anderen optoelektronischen Empfänger 3, 4 und 5 sind in den Messwinkeln von 32°, 90° bzw. 143° angeordnet. Im Schnittbereich der Gesichtsfelder der optoelektronischen Empfänger 2, 3, 4, 5 und des ausgesendeten Lichtbündels vom Lichtsender 1 entsteht das sogenannte Messvolumen 16.
Das Messvolumen 16 wird durch den Lichtsender 1 mit einem schmalen Lichtkegel mindestens mehrere tausend Mal in der Sekunde definiert beleuchtet, wobei das ausgesandte Licht intensitätsmoduliert (z. B. sinusförmig) ist und eine definierte Wellenlänge aufweist.
Aus Gründen der Tageslichtunabhängigkeit der Messung sowie zur Verbesserung des Signal-/Rauschabstandes wird durch den Modulationsgenerator 15 die Intensität der Lichtquelle mit einer Frequenz < 1 kHz moduliert. Die optoelektronischen Empfänger 2, 3, 4, 5 sind mit optischen Bandpassfiltern versehen, die nur für die vom Lichtsender 1 benutzte Wellenlänge transparent sind. Die Nachverstärkung der empfangenen Signale wird schmalbandig um die benutzte Modulationsfrequenz herum ausgeführt. In den daran anschließenden Synchrongleichrichtern 10, 11, 12, 13 erfolgt die Gleichrichtung in starrem Phasenverhältnis zur Modulationsfrequenz, um anschließend der Auswerteelektronik 33 zugeführt zu werden.
Die räumliche Anordnung des Lichtsenders 1 und der Empfänger 2, 3, 4, 5 wird unter Berücksichtigung der Öffnungswinkel der Sender- und Empfängereinheiten derart gewählt, dass sich eine Messvolumengröße ergibt, welche gewährleistet, dass bei der erwartungsgemäßen maximalen räumlichen Auftrittsdichte von Niederschlagspartikeln bei heftigstem Niederschlag lediglich ein Partikel zur Zeit im Messvolumen 16 aufhält. Somit wird eine Einzelpartikeldetektion ermöglicht.
Da diese Partikel, bedingt durch ihre Größe, ein genügend hohes, von den ansonsten vorhandenen Aerosolen unterscheidbares Streusignal erzeugen, ist es möglich, das Vorhandensein von Niederschlagspartikeln durch eine zeitdiskrete Analyse der Streusignale generell zu detektieren. Das in Fig. 2 gezeigte Rohsignal ist das typischerweise erhaltene Empfangssignal der Messanordnung, wenn ein Niederschlagspartikel das Messvolumen 16 durchdringt.
Die durch ein Niederschlagspartikel hervorgerufenen Signalamplituden lassen sich eindeutig vom nicht niederschlagsbedingten Signal unterscheiden. Es ist somit möglich, durch einen Vergleich des Spontansignals mit dem Signalmittelwert eine eindeutige Aussage darüber zu treffen, ob sich ein Niederschlagspartikel im Messvolumen 16 befindet oder nicht.
Mit dieser Information wird nun neben der üblichen, zeitkontinuierlichen Empfangssignalbewertung auch eine zeitdiskrete Niederschlagspartikelbehandlung ermöglicht.
Signifikante Messgrößen für jedes detektierte Niederschlagspartikel sind die Anzahl der Halbwellen pro Niederschlagsereignis und die hierbei maximal auftretende Signalamplitude.
Werden diese Signalbehandlungsmaßnahmen an allen beteiligten Empfängern 2, 3, 4, 5 vorgenommen, so ist eine direkte Bewertung von Absolutwerten und Unterschieden in der Größe der Streusignale sowohl im zeitlichen Mittel als auch für jedes einzelne Niederschlagspartikelereignis separat möglich, das heißt, dass ein Niederschlagspartikel beim Durchdringen des Messvolumens 16 erkannt und die Verweildauer im Messvolumen 16, sowie die aufgetretene, partikelbedingte Signalamplitude registriert wird.
Auf Grundlage der beschriebenen Einzelpartikeldetektion ermöglicht die vorliegende Erfindung die Trennung der niederschlagsbedingten Empfangssignalanteile von den nicht niederschlagsbedingten Empfangssignalanteilen.
Die unter den verschiedenen Winkeln mit Hilfe der Empfänger 2, 3, 4, 5 gewonnenen Rohsignale werden hierbei zunächst gemäß Fig. 3 wie folgt in der Auswerteelektronik 33 aufbereitet:
  • 1. Aus dem durch den Empfänger 3 gewonnenen Rohsignal werden mit Hilfe der ersten Empfangssignalaufbereitung 17 (gemäß Fig. 4) die folgenden Informationen bzw. Messgrößen abgeleitet und einer weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt:
    registriert das Vorhandensein eines Niederschlagspartikels im Messvolumen 16. ermittelt den Maximalwert des Empfangssignals für jedes einzelne, das Messvolumen 16 durchdringende Niederschlagspartikel → Amax(32°). ermittelt den Mittelwert des Streusignals, wobei der Einfluss von Niederschlagspartikeln auf diesen Mittelwert unterbunden wird → Aav(32°).
  • 2. Aus dem durch den Empfänger 4 gewonnenen Rohsignal wird mit Hilfe der zweiten Empfangssignalaufbereitung 18 (gemäß Fig. 5) der Maximalwert des Empfangssignals für jedes einzelne unter 32° erkannte Niederschlagspartikel ermittelt → Amax(90°).
  • 3. Aus dem durch den Empfänger 5 gewonnenen Rohsignal wird mit Hilfe der dritten Empfangssignalaufbereitung 19 (gemäß Fig. 6) der Mittelwert des Streusignals gebildet, wobei wiederum der Einfluss von Niederschlagspartikeln auf diesen Mittelwert unterbunden wird → Aav(143°).
  • 4. Aus dem durch den Empfänger 2 gewonnenen Rohsignal werden mit Hilfe der vierten Empfangssignalaufbereitung 20 (gemäß Fig. 7) die folgenden Messgrößen abgeleitet:
    Minimalwert des Empfangssignals für jedes einzelne, das Messvolumen 16 durchdringende Niederschlagspartikel → Amin(0°).
    Mittelwert des Empfangssignals, wobei ebenfalls der Einfluss von Niederschlagspartikeln auf diesen Mittelwert unterbunden wird → Aav(0°).
Die Gewinnung der entsprechenden Signale soll nachfolgend anhand der Fig. 4 bis 7 näher beschrieben werden.
Das durch den Empfänger 3 unter 32° gewonnene Rohsignal A wird gemäß Fig. 4 zur Mittelwertbildung dem Tiefpass 21 und parallel dem ersten Eingang des Schwellwertschalters 22 zugeführt. Der Ausgang des Tiefpasses 21 ist mit dem zweiten Eingang des Schwellwertschalters 22 verknüpft. Aufgrund der Tatsache, dass ein Niederschlagspartikel ein Empfangssignal verursacht, dass größer ist als der Signalmittelwert, kann durch einen Vergleich zwischen dem Empfangssignalmittelwert und dem Spontansignal (nicht gemitteltes Empfangssignal) darauf geschlossen werden, ob sich aktuell ein Niederschlagspartikel im Messvolumen 16 befindet oder nicht. Diesem Zweck dient der Schwellwertschalter 22. Dringt ein Niederschlagspartikel in das Messvolumen 16 ein, so wird am Ausgang des Schwellwertschalters 22 je ein Rechteckimpuls für jede Modulationssignalhalbwelle erzeugt, solange sich das Niederschlagspartikel im Messvolumen 16 aufhält (Signalfolge B). In der Verarbeitungseinheit 14 wird diese Rechteckimpulsfolge einerseits zur Bestimmung der Partikelverweildauer herangezogen und andererseits wird hieraus das Signal "Event-Trigger" abgeleitet, welches als Steuersignal für die Signaltrennungseinheiten 23, 24, 25 und 26 dient. Das "Event-Trigger" Signal zeigt an, ob sich aktuell ein Niederschlagspartikel im Messvolumen befindet oder nicht.
Die Signaltrennungseinheit 23 ist unter Zuhilfenahme des "Event-Trigger" Signals in der Lage, das unter 32° gewonnene Rohsignal A von niederschlagsbedingten Anteilen zu befreien und liefert über seinen ersten Ausgang die Signalfolge D. Dieser nicht niederschlagsbedingte Empfangssignalanteil wird anschließend einer Mittelwertbildung unterzogen und deshalb über den Tiefpass 27 geführt. Es entsteht die Signalfolge E. Am zweiten Ausgang der Signaltrennungseinheit 23 wird der niederschlagsbedingte Signalanteil erzeugt und führt diesen dem Maximalwertdetektor 28 zu. Der Verarbeitungseinheit 14 steht dadurch der Maximalwert der durch das Niederschlagspartikel verursachten Signalamplitude zur Verfügung (Signalfolge F). Nachdem das Niederschlagspartikel das Messvolumen 16 wieder verlassen hat, wird dieser Messwert von der Verarbeitungseinheit 14 ausgelesen und der Maximalwertdetektor 28 mit Hilfe des Steuersignals Max/Min Reset zurückgesetzt und so für die nächste Messung vorbereitet.
Gemäß Fig. 5 wird aus dem bereitgestellten Rohsignal G mit Hilfe der Signaltrennungseinheit 24 und dem Maximalwertdetektor 29 entsprechend der für die Signalaufbereitung unter 32° beschriebenen Abfolge für jedes unter 32° detektierte Niederschlagspartikel der Maximalwert des niederschlagsbedingten Empfangssignals unter 90° ermittelt (Signalfolge H und I).
Gemäß Fig. 6 wird das durch den Empfänger 5 unter 143° gewonnene Rohsignal J unter Zuhilfenahme der Signaltrennungseinheit 25 von nicht niederschlagsbedingten Signalanteilen befreit und nach der Mittelwertbildung durch den Tiefpass 30 ebenfalls an die Verarbeitungseinheit 14 weitergeleitet (Signalfolge K und L).
Durchdringt ein Niederschlagspartikel das Messvolumen 16, so lässt sich ein Signal- Einbruch in der Direktlichtmessung mit Hilfe des Empfängers 2 feststellen. Es wird gemäß Fig. 7 die Signalfolge M generiert. Um diesen Vorgang messtechnisch auszuwerten, wird für jedes unter 32° detektierte Partikel mit Hilfe der Signaltrennungseinheit 26 und des Minimalwertdetektors 31 der minimale Direktlichtmesswert (Signalfolge P) ermittelt und der Verarbeitungseinheit 14 zugeführt. Der Minimalwertdetektor 31 wird zurückgesetzt, nachdem das Partikel das Messvolumen 16 verlassen hat. Weiterhin wird das unter 0° gewonnene und durch die Signaltrennungseinheit 26 von niederschlagsbedingten Signalanteilen befreite Empfangssignal (Signalfolge N) dem Tiefpass 32 zugeführt, so dass der Verarbeitungseinheit 14 im Anschluss der nicht niederschlagsbehaftete Mittelwert (Signalfolge O) zur Verfügung steht.
Für die nun folgende Weiterverarbeitung und Bewertung der gewonnenen Signale sind die folgenden Zusammenhänge und Bewertungsmechanismen als Grundlage hinzuzuziehen. Die Aussagen beziehen sich auf die Verwendung einer Lichtwellenlänge im sichtbaren Spektralbereich. Für andere Lichtwellenlängen verschieben sich die genannten Winkelbereiche. Generell gelten aber auch hier die aufgezeigten Zusammenhänge und Verfahrensweisen.
In Fig. 8 ist das Prinzip der Empfangssignalbewertung aufgezeigt.
1. Bewertung der nicht niederschlagsbedingten Signalanteile
Eine optimale Bewertung von Nebelphänomenen kann nur unter einem Streuwinkel von etwa 20° bis 40° erfolgen. Unter diesem für Nebel optimalen Winkelbereich führt eine Gleichbewertung von Dunst zu einer Unsicherheit für die Sichtweitenbestimmung von bis zu 60%. Durch die parallele Auswertung der Messergebnisse (Quotientenbildung) unter 32° und 143° kann auf das vorherrschende Dunstphänomen geschlossen werden. Dadurch wird eine phänomenabhängige Bewertung des Empfangssignals unter 20° bis 40° ermöglicht. Die Messunsicherheit lässt sich hierdurch für alle bekannten Nebel- und Dunstphänomene auf Werte < 10% halten.
Nach der Mittelwertbildung der aufbereiteten Streusignale unter 32° (AAV(32)) und 143° (AAV(143)) wird jeweils eine typische Gerätekonstante K32 und K143 angewendet (Einheit 1/Vm). Anschließend werden die beiden Messergebnisse ins Verhältnis gesetzt (Quotientenbildung), um darauf zu schließen, ob Nebel oder eine von mehreren Dunstphänomengruppen (Dunst 1, Dunst 2 und Dunst 3) vorliegt. Nachdem die Phänomenkategorie bestimmt wurde, kann die nicht niederschlagsbedingte Extinktionskomponente unter Berücksichtigung eines entsprechend adaptierten Bewertungsfaktors (KNebel, KDunst1, KDunst2 oder KDunst3) und der typischen Gerätekonstante K32 aus dem unter 32° gewonnenen Streusignal berechnet werden.
Die Einteilung der Dunstphänomene in Dunstgruppen ist in diesem Zusammenhang nicht zwingend erforderlich. Es kann ebenso eine dynamische Empfangssignalanpassung in Abhängigkeit des Quotienten aus K32.AAV(32) und K143.AAV(143) zur optimierten Dunstbewertung angewendet werden.
2. Bewertung der niederschlagsbedingten Signalanteile
Das beschriebene Verfahren zur Einzelpartikelerkennung ermöglicht, wie bereits gezeigt wurde, die zeitdiskrete Behandlung von Niederschlagspartikeln, die das Streulichtmessvolumen durchdringen. Für jedes dieser Partikel steht somit die Streusignalamplitude und die Verweildauer im Messvolumen zur Verfügung. Das Streulichtsignal unter einem Seitenstreuwinkel beinhaltet einen besonders hohen Informationsgehalt darüber, ob flüssiger, fester Niederschlag bzw. Regen, Schnee oder Graupel vorliegt. Wird bei der Messung unter 32° ein Niederschlagspartikel detektiert, so wird zeitgleich mit Hilfe des Quotienten aus den unter 32° (Amax(32)) und 90° (Amax(90)) gewonnenen Messwerten (nach Anwendung der typischen Gerätekonstanten K32 und K90) und der Verweildauer im Messvolumen darüber entschieden, um welche Niederschlagsform es sich handelt.
Unter dem Messwinkel von 32° können flüssige Niederschlagsereignisse mit eingeführter Gerätekonstante K32 und unter Berücksichtigung des Adaptionsfaktors Kfl.Nieder für flüssigen Niederschlag repräsentativ bewertet werden. Diese Vorgehensweise ermöglicht die Bestimmung der folgenden Parameter.
  • - Extinktion durch flüssige Niederschläge,
  • - Partikelgrößenverteilung für flüssige Niederschläge und damit Unterscheidung zwischen Sprühregen und Regen,
  • - Intensität der flüssigen Niederschläge.
Das Integral der Amplitude über der Verweildauer des Partikelereignisses ist proportional zur wirksamen Partikelquerschnittsfläche und somit zur Partikelextinktion. Summiert man die Einzelpartikelextinktionen über einen Betrachtungszeitraum auf, so steht die Extinktionskomponente für flüssige Niederschläge zur Verfügung. Weiterhin kann für jedes betrachtete flüssige Niederschlagspartikel der Flüssigwassergehalt bestimmt und ebenfalls für einen Betrachtungszeitraum aufsummiert werden. Dieses führt dann zur Niederschlagsintensitätsinformation für flüssige Niederschläge. Liegt fester Niederschlag vor, so lässt sich aus den Streulichtinformationen keine verlässliche Aussage zur entsprechenden Extinktionskomponente oder zur Niederschlagsintensität ableiten. Die durch festen Niederschlag bedingte Extinktionskomponente und die entsprechende Niederschlagsintensität lässt sich jedoch mit der Kenntnis der wirksamen Partikelquerschnittsfläche bestimmen. Eine Messung unter 0° ermöglicht eine direkte Bestimmung dieser wirksamen Partikelquerschnittsfläche durch Auswertung des entstehenden relativen Transmissionseinbruches, wenn ein Partikel das Messvolumen durchdringt. Der relative Transmissionseinbruch lässt sich durch den Quotienten aus den Messwerten Amin(0) und AAV(0) und unter Berücksichtigung einer weiteren Gerätekonstanten für den Direktempfänger K0 berechnen. In Abhängigkeit davon, ob Schnee oder Graupel vorliegt, muss zudem ein entsprechender Adaptionsfaktor angewendet werden (KSchnee oder KGraupel).
Diese Messung wird hierbei lediglich dann durchgeführt, wenn unter 32° ein Niederschlagspartikel erkannt und durch die zusätzliche Messung unter 90° als fester Niederschlag identifiziert wurde. Das Integral der Amplitude über der Verweildauer des detektierten, relativen Signaleinbruches der Direktlichtmessung ist proportional zur wirksamen Partikelquerschnittsfläche und somit zur Partikelextinktion. Summiert man die Einzelpartikelextinktionen über einen Betrachtungszeitraum auf, so steht die Extinktionskomponente für feste Niederschläge zur Verfügung. Weiterhin kann für jedes betrachtete feste Niederschlagspartikel der Flüssigwassergehalt bestimmt und ebenfalls für einen Betrachtungszeitraum aufsummiert werden. Dieses führt dann zur Niederschlags­ intensitätsinformation für feste Niederschläge.
Der gesamte, niederschlagsbedingte Extinktionsanteil lässt sich durch Addition der Teilextinktionen für Schnee, Graupel und flüssigen Niederschlag ermitteln.
3. Bewertung der niederschlagsbedingten und der nicht niederschlagsbedingten Signalanteile
Zur abschließenden Bestimmung der Sichtweite werden die nicht niederschlagsbedingte Extinktionskomponente und die niederschlagsbedingte Extinktionskomponente addiert und unter Berücksichtigung der Kontrastschwelle in die Sichtweite umgerechnet.
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
1
Lichtsender
2
Empfänger
3
Empfänger
4
Empfänger
5
Empfänger
6
Nachverstärker
7
Nachverstärker
8
Nachverstärker
9
Nachverstärker
10
Synchrongleichrichter
11
Synchrongleichrichter
12
Synchrongleichrichter
13
Synchrongleichrichter
14
Verarbeitungseinheit
15
Modulationsgenerator
16
Messvolumen
17
Empfangssignalaufbereitung
18
Empfangssignalaufbereitung
19
Empfangssignalaufbereitung
20
Empfangssignalaufbereitung
21
Tiefpass
22
Schwellwertschalter
23
Signaltrennungseinheit
24
Signaltrennungseinheit
25
Signaltrennungseinheit
26
Signaltrennungseinheit
27
Tiefpass
28
Maximalwertdetektor
29
Maximalwertdetektor
30
Tiefpass
31
Minimalwertdetektor
32
Tiefpass
33
Auswerteelektronik
34
Empfangssignalaufbereitungseinheit

Claims (17)

1. Verfahren zur Bestimmung der Sichtweite, Niederschlagsmenge und Niederschlagsart unter Zuhilfenahme eines Lichtsenders mit ausgewählter Wellenlänge und angepasster Intensität, der einen definierten räumlichen Bereich beleuchtet und einem Empfänger, der aus einem Winkelbereich von 20° bis 40° zur Strahlachse in einem geeigneten Gesichtsfeld und einem Empfänger, der aus einem Winkelbereich von 70° bis 120° zur Strahlachse in einem geeigneten Gesichtsfeld das von den Aerosolen und gegebenenfalls Einzelpartikeln im Messvolumen gestreute Licht schmalbandig und mit angepasster Empfindlichkeit empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass
das unter 20° bis 40° gewonnene Empfangssignal (A) zunächst dahingehend aufbereitet wird, dass auf Grundlage eines Vergleiches zwischen Signalmittelwert (D) und Spontansignal (C) darüber entschieden wird, ob sich aktuell ein Niederschlagspartikel im Messvolumen befindet und dass auf Grundlage dieser Partikelerkennung mit Hilfe einer Verarbeitungseinheit einerseits die Partikelverweildauer im Messvolumen festgestellt und andererseits der durch das erkannte Partikel hervorgerufene Maximalwert (Amax(32)) des unter 20° bis 40° empfangenen Streusignals ermittelt wird und darüber hinaus der Mittelwert (Aav(32)) des Empfangssignals bestimmt wird, wobei mit Hilfe der Partikelerkennung der Einfluss eines jeden unter 20° bis 40° erkannten Partikels auf den Signalmittelwert (E) unterbunden wird,
das unter 70° bis 120° gewonnene Empfangssignal (G) dahingehend aufbereitet wird, dass für jedes unter 20° bis 40° erkannte Partikel der resultierende partikelbedingte Maximalwert (Amax(90)) des unter 70° bis 120° empfangenen Streusignals ermittelt wird,
das im Rahmen der Verarbeitungseinheit auf Grundlage des unter 20° bis 40° gewonnenen und partikelbereinigten Mittelwertes (Aav(32)) des Empfangssignals die nicht niederschlagsbedingte Extinktionskomponente bestimmt wird,
das im Rahmen der Verarbeitungseinheit für Partikel, die im Messvolumen unter einem Streuwinkel von 20° bis 40° erkannt werden, der Aggregatzustand mittels des Vergleiches der ermittelten Maximalwerte (Amax(32) und Amax(90)) unter 20° bis 40° und unter 70° bis 120° aufgrund der Kenntnis des typischen winkelabhängigen Streuverhaltens unterschiedlicher Aggregatzustände bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Verarbeitungseinheit für Niederschlagspartikel mit flüssigem Aggregatzustand die Partikelgröße auf Grundlage des unter 20° bis 40° ermittelten partikelbedingten Maximalwertes (Amax(32)), des Mittelwertes (Aav(32)) und der Partikelverweildauer ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Verarbeitungseinheit die Anzahl sowie die Partikelgrößen von detektierten, flüssigen Niederschlagspartikeln für einen definierten Beobachtungszeitraum gespeichert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Verarbeitungseinheit auf Grundlage der im Beobachtungszeitraum detektierten Partikelgrößen sowie der Partikelanzahl die Partikelgrößenverteilung und der Flüssigwassergehalt für flüssigen Niederschlag sowie der aus flüssigem Niederschlag resultierende Extinktionsanteil bestimmt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Empfänger unter einem Winkel von 0° zur Strahlachse verwendet wird, um die von Aerosolen und gegebenenfalls Einzelpartikeln durch Streuung und Absorption hervorgerufene Empfangssignalverminderung (M) im Messvolumen schmalbandig und mit angepasster Empfindlichkeit zu empfangen;
und dass mit Hilfe der Verarbeitungseinheit der durch jedes unter 20° bis 40° erkannte und als nicht flüssig eingestufte Partikel hervorgerufene Minimalwert (Amin(0)) des unter 0° empfangenen Signals ermittelt wird und darüber hinaus der Mittelwert (Aav(0)) des Empfangssignals bestimmt wird, wobei mit Hilfe der Partikelerkennung der Einfluss eines jeden unter 20° bis 40° erkannten Partikels auf den Mittelwert (Aav(0)) unter 0° unterbunden wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Verarbeitungseinheit für Niederschlagspartikel mit nicht flüssigem Aggregatzustand die Partikelgröße auf Grundlage des unter 0° ermittelten partikelbedingten Minimalwertes (Amin(0)), des partikelbereinigten Mittelwertes (Aav(0)) und der Partikelverweildauer ermittelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Verarbeitungseinheit die Anzahl sowie die Partikelgrößen von detektierten, nicht flüssigen Niederschlagspartikeln für einen definierten Beobachtungszeitraum gespeichert werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Verarbeitungseinheit auf Grundlage der im Beobachtungszeitraum detektierten Partikelgrößen sowie der Partikelanzahl die Partikelgrößenverteilung und der Flüssigwassergehalt für nicht flüssigen Niederschlag sowie der aus nicht flüssigem Niederschlag resultierende Extinktionsanteil bestimmt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grundlage der Feststellung des Aggregatzustandes jedes detektierten Einzelpartikels und der Bestimmung der Partikelgrößenverteilung für flüssige und nicht flüssige Niederschlagsformen eine eindeutige Klassifizierung des vorherrschenden Niederschlagsphänomens auch bei Mischformen vorgenommen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Addition der im Beobachtungszeitraum ermittelten, durch flüssigen Niederschlag bedingten Extinktionskomponente und der nicht niederschlagsbedingten Extinktionskomponente zur Bestimmung der gesamten Extinktion (ohne Berücksichtigung der festen Niederschlagsanteile) führt, welche anschließend unter Berücksichtigung der Kontrastschwelle in eine Sichtweite umgerechnet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Addition der im Beobachtungszeitraum ermittelten Flüssigwassergehalte für feste und für flüssige Niederschlagsformen zur Bestimmung der Niederschlagsmenge bzw. Niederschlagsintensität herangezogen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Addition der im Beobachtungszeitraum ermittelten, durch flüssigen Niederschlag bedingten Extinktionskomponente und der durch festen Niederschlag bedingten Extinktionskomponente zur Bestimmung des gesamten niederschlagsbedingten Extinktionsanteiles führt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Addition des niederschlagsbedingten Extinktionsanteiles und des nicht niederschlagsbedingten Extinktionsanteiles zur Bestimmung der gesamten Extinktion führt, welche anschließend unter Berücksichtigung der Kontrastschwelle in eine Sichtweite umgerechnet wird.
14. Verfahren zur Bestimmung der Sichtweite, unter Zuhilfenahme eines Lichtsenders mit ausgewählter Wellenlänge und angepasster Intensität, der einen definierten räumlichen Bereich beleuchtet und einem Empfänger, der aus einem Winkelbereich von 20° bis 40° zur Strahlachse in einem geeigneten Gesichtsfeld und einem Empfänger, der aus einem Winkelbereich von 140° bis 150° zur Strahlachse in einem geeigneten Gesichtsfeld das von den Aerosolen und gegebenenfalls Einzelpartikeln im Messvolumen gestreute Licht schmalbandig und mit angepasster Empfindlichkeit empfängt, dadurch gekennzeichnet,
dass das unter 20° bis 40° gewonnene Empfangssignal (A) zunächst dahingehend aufbereitet wird, dass auf Grundlage eines Vergleiches zwischen Signalmittelwert (D) und Spontansignal (C) darüber entschieden wird, ob sich aktuell ein Niederschlagspartikel im Messvolumen befindet und dass auf Grundlage dieser Partikelerkennung der Einfluss eines jeden unter 20° bis 40° erkannten Partikels auf den Signalmittelwert (E) unterbunden wird;
und dass das unter 140° bis 150° gewonnene Empfangssignal (J) dahingehend aufbereitet wird, dass für jedes unter 20° bis 40° erkannte Partikel der Einfluss auf den Signalmittelwert (L) unterbunden und so nur der partikelbereinigte Mittelwert (Aav(143)) bestimmt wird;
und dass im Rahmen der Verarbeitungseinheit mittels des Vergleiches des unter 20° bis 40° ermittelten partikelbereinigten Mittelwertes (Aav(32)) und des unter 140° bis 150° ermittelten partikelbereinigten Mittelwertes (Aav(143)) aufgrund der Kenntnis des typischen winkelabhängigen Streuverhaltens eine eindeutige Klassifizierung des vorherrschenden Nebel- bzw. Dunstphänomens vorgenommen wird und daraus eine Sichtweite bestimmt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass für den unter 20° bis 40° gewonnenen und partikelbereinigten Mittelwert (Aav(3D2)) eine dem vorherrschenden Nebel- bzw. Dunstphänomen entsprechend angepasste Bewertung vorgenommen und anschließend die nicht niederschlagsbedingte Extinktionskomponente bestimmt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht niederschlagsbedingte Extinktionsanteil unter Berücksichtigung der Kontrastschwelle in eine Sichtweite (ohne Berücksichtigung von Niederschlag) umgerechnet wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass der niederschlagsbedingte Extinktionsanteil und der nicht niederschlagsbedingte Extinktionsanteil ermittelt wird, die Addition der auf diese Weise bestimmten Extinktionskomponenten zur gesamt wirkenden Extinktion führt, welche anschließend unter Berücksichtigung der Kontrastschwelle in eine Sichtweite umgerechnet wird und somit eine objektive und unverfälschte Bestimmung der Sichtweite durch Unterscheidung und Anpassung der Bewertung für alle Niederschlagspartikel, relevanten Aerosoltypen, -mischungen und -konzentrationen gewährleistet und so eine eindeutige Bestimmung des vorherrschenden Nebel- bzw. Dunstphänomens, der im Beobachtungszeitraum aufgetretenen Niederschlagsphänomene sowie aller Mischformen vorgenommen wird.
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