DE2328092A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des extinktionskoeffizienten - Google Patents

Description

Patentanwälte
DiDl Ing. C. Wallach

WpL lng.,G. Kod, *· Λ»* 1973

Df. T. Haibach

München 2 . i4 259 A

Kauflngerstr.8,TeI.24O275

Sparry Rand Corporation» New York No Yc

(USA)

Verfaliran und Vorrichtung zur Bestimmung dos Extinktionekoeffizienten

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Extinktionskoeffizienten eines atmosphärischen Streumediunis β Aus diesem Koeffizienten kann eine Angabe der atmosphärischen Sicht entsprechend der gut bekannten Beziehung zwischen dem ExtinktionskoeoTfizienten und der Sicht bestimmt werden, wie sie ursprünglich von Koschmieder formuliert wurde»

Bekannte Vorrichtungen zur Messung der atmosphärischen Sicht sind üblicherweise von der sogenannten doppelseitigen Art, bei der der Sender und der Empfänger mit Abstand voneinander entlang der Strecke angeordnet sind, über die die Messung erfolgen soll· Diese Systeme sind jedoch für viele Anwendungen unpraktisch, weil die ge-

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naue Ausrichtung, die zwischen dem Sender und dem Empfänger erforderlich ist, einen ziemlich aufwendigen Aufbauvorgang sowie die Notwendigkeit einer periodischen Neuausrichtuag bedingt und darüber hinaus im allgemeinen die maximale Entfernung zwischen dem Sender und dem Empfänger auf Issreiche in der Größenordnung von 30 bis wenige hundert Meter beschränkt. Zusätzlich ist es verständlich, ciaß zweiseitige Systeme unhandlich und in einigen Fällen für die Messungen entlang Schrägentfemungtm sogar ungeeignet sind, beispielsweise entlang der Sichtlinie von-einem Luftfahrzeug zum Boden. Aus diesen Gründen zogen in den vergangenen Jahren ein·» seitige Systeme, bei denen der Sender und der Empfänger nahe aneinander Seite an Seite oder konzentrisch angeordnet sind, die größere Aufmerksamkeit auf sich.

Weil das untersuchte atmosphärische Medium von Natur aus ein Volumenrücketreumedium ist, wird die Information bezüglich des Extinktionskoeffizienten in einem einseitigen System durch geeignete Verarbeitung festgestellter rückgestreuter Energie eines ausgesandten Impulses gewonnen. Frühere einseitige Systeme verwendeten typischerweise Amplitudenmeßtechniken zur Gewinnung der Information über die Sicht. Wenn ein gewisser Genauigkeitsgrad mit derartigen Techniken erreicht werden sollte, so war sine sorgfältige Eichung und eine genaue Kenntnis dar auegesandten Leistung und der Empfangerverstärkung erforderlich, ao daß sich eine komplizierte Konstruktion ergab. Trotz vieler Bemühungen zur Lösung dieser Probleme wurde Jedoch schließlich festgestellt, daß Amplitudenmeßsysteme von Natur aus Nachteile aufweisen, und zwar aufgrund der Abhängigkeit der zurückgestreuten Impulsamplitude von der Zusammensetzung des

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untersuclrfcen atmosphärischen Mediums, d. h. yon der Anzahl; Art und Größe. Mit anderen Worten hat es sich her-■ ausgestellt, daß die Bestimmung des Extinktionskoeffizienten durch eine Messung einer zurückgestreuten Impulsamplitude aaf der Grundlage der einfachen Annahme, daß die zurückgeittreute Energie für zunehmend schlechtere Sichtbedingmigen proportional größer sein würde, keine genauen Daten ergab, weil die Amplitude der zurückgestreut en Energie nicht nur durch den Grad der Sicht, sondern außerdem durch die Zusammensetzung des untersuchten Mediums beeinflußt wird. Weiterhin erfordert das amplitud»nabhängige System entweder eine vorherige Kenntnis oder eine Annahme der Rückstreu- und Absorptionseigenschaften des untersuchten atmosphärischen Mediums, damit eine Msssung durchgeführt werden kann. Eine intuitive Abschätzung der Art dieses Problems kann.in einfacher Weise dadurch gewonnen werden, daß erkannt wird, daß für irgendeinen gegebenen Rückstreugrad die festgestellte zurückgestraute Impulsenergie im Fall eines Mediums mit hoher Absorption kleiner sein würde, als es für ein Medium mit niedriger Absorption wäre, wobei dies zu einer Anzeige führ:';, daß die Sicht besser ist als sie es in Wirklichkeit ist. Wenn umgekehrt die Absorption niedrig ist, ist die zurückgestreute Impulsenergie entsprechend größer, was au einer Anzeige führt_s daß die Sicht schlechter ist als dies tatsächlich der Fall ist. In gleicher Weise würde die zurückgestreute Impulsenergie für eine vorgegebene Äbsorptionsbedingung entsprechend größer und kleiner für höhere bzw. niedrigere Riiekstreukoeffizienten sein, woraus sich Fehler in der Sichtbestimmung ergeben. In der tatsächlichen Praxis hängt die Messung natürlich von der Wechselbeziehung zwischen dem Absorptions- und RückstreakoeiTizienten ab. Diese Schwierigkeiten und Feh-, ler, die hieraus entstehen können, werden durch ein erst

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kürzlich entwickeltes einseitiges System vermieden, das in der deutschen Patentschrift _o«. (deutsche Patentanmeldung P 15 73326._3) der gleichen Anmelderin beschrieben isto Das in dieser Patentschrift beschriebene System nutzt andere Eigenschaften der zurückgestreuten Energie aus, die nicht von der Art des untersuchten Mediums zux Me»sung der Sicht abhängig sind· Bei diesem System sind ·^:ϊ1η Sender und ein Empfänger mit divergierenden Sichtmeldern mit Abstand entlang einer Basislinie angeordnet, so daß sich die jeweiligen Felder beginnend an einer vorgegebenen Entfernung von der Basislinie zu überlappen beginnen, wodurch der überlappte Bereich aufgrund der divergierenden Art der Felder proportional mit anwachsender Entfernung anwächst. Als Ergebnis dieser einzigartigen.'optischen Anordnung wird zu Anfang bei Aussendung eines Energieimpulses keine rückgestreute Energie empfangen, bis der Überlappungspunkt erreicht ist, worauf die zurückgestreute Energie für eine gewisse Zeit aufgrund der anwachsenden Fläche des Überlappungsbereichs anwächst' und. schließlich abzusinken beginnt, wenn die durch die vergrößerte Entfernung vergrößerte Dämpfung der überwiegende Faktor wird. Durch geeignete Verarbeitung dieser festgestellten und gemessenen rückgestreuten Impulsenergie kann der Extinktionskoeffizient entweder aus der zum Anstieg bis auf den Spitzenwert erforderliche Zeit nach, der Aussendung, aus der Breite des gemessenen Impulsas an den Punkten halber Leistung oder aus der Abfallgeschwindigkeit der Hinterkante des Impulses bestimmt werden. Keines dieser Merkmale ist auf die Impulsamplituda bezogen, und das System hängt daher nicht von den Eigenschaften des untersuchten atmosphärischen Mediums ab. Der hauptsächliche Nachteil dieses Systems besteht darin, daß eine genaue relative optische Aus-

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■-,5 -

richtung des Senders und Empfängers erforderlich ist, tun genaue Daten sicherzustellen, und zwar im Hinblick auf die Tatsache, daß die Daten von der genauen Kenntnis der Entfernung der anfänglichen Überlappung und der Fläche des überlappten Bereiches als Funktion der Entfernung abhängt.

Bekannte Systeme weisen weiterhin den Nachteil^ auf, daß sie auf Messungen in einem homogenen Medium beschränkt sind, d. h. das Medium muß derart sein, daß der Extixiktionskoeffizient über eine vergleichsweise lange Entfernung konstant ist* Dieser Nachteil wird im Fall der vorliegenden Erfindung ebenfalls vermieden, wie es eingehender in der folgenden ausführlichen Beschreibung erläutert wird.

Im Hinblick auf die vorstehenden Ausführungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des atmosphärischen Extinktionskoeffizianten zu schaffen, bei dem bzw. bei der die Notwendigkeit einer genauen Eichung und optischen Ausrichtung beseitigt ist und wobei genaue Messungen unabhängig von dan Absorptions- und Rückstreueigenschaften, der Zusammensetzung und der Homogenität des Streumediums sichergestellt sind.

Ein erfindungsgemäß ausgebildetes Verfahren zur Bestimmung des Extinktionskoeffizienten eines atmosphärischen StreuiEediums umfaßt die Erzeugung eines Strahlungsimpulses mit einem Sender zur Bestrahlung des Streume- <Liüms, die Verwendung eines in der Nähe des Senders angeordneten Empfängers mit einem Sicht feld, das im wesentlichen die gesamte Länge des Senderfeldes überlappt, um von dem Streumedium rückgestreute Strahlung des aua-

— ό -

gesandten Impulses zu empfangen:, die Abtastung der an ersten und zweiten diskreten Entfernungen von dem Semder rückgestreuter empfangener Strahlung und die Kompensation der Sfcrahlungsäbtastproben gegen Ämplitudenunterschiede zwischen diesen, die den unterschiedlichen Entfernungen der jeweiligen Abtastproben zuzuordnen sind.

Eine, erfindungsgemäß aasgebildete Vorrichtung zur Durchführung des vorstehenden Verfahrens umfaßt"Sendeeinrichtungen zur Erzeugung eines Strahlungsimpulses zur Bestrahlung des Streumediums, in der Nähe der Sendeeinrichtungeii angeordnete Empfänger einrichtungen mit einem Sichtfeld, das im wesentlichen die gesamte Länge des Senderfeldes überlappt, um die von dem Streumediuei rückgestreute Strahlung des ausgesandten Impulses zu empfangen, Einrichtungen zur Abtastung empfangener, an ersten und zweiten diskreten Entfernungen von den Sendeeinrichtungen rückgestreuter Strahlung, und Einziehungen zur Kompensation der Strahlungsabtastproben gegenüber Amplitudenunterschieden zwischen diesen Abtastproben, die der unterschiedlichen Entfernung der jeweiligen Ab— tastproben zuzuordnen sind,

in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind der Sender und der Empfänger konzentrisch befestigt. Die Amplitude der von dem Medium rückgestreuten Impulsenergie ist eine Funktion der Streu- und Abschwächungseigenschaften des Mediums.sowie der Entfernung von dem Sendeempfängef, in der die Energie rückgestreut wird. Die erfaßte rückgestreute Impulsenergie wird jedoch in neuartiger Weise so verarbeitet, daß leäigxich die Extinktionseigenschaf ten des Mediums, d. h. lediglich die Eigenschaften, die die Sicht beeinträchtigen, die die Messung beeinflussen. Dies wird dadurch erreicht, daß die rückgesfcreute

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Energie jedes ausgesandten Impulses an aufeinanderfolgenden Abschnitten dar Impulslaufzeit, die diskreten
rait geringem Abstand getrennten Entfernungen von dem
Empfänger oiftsprechen_f abgetastet wird, und daß das Verhältnis d.o:·- jeweiligen abgetasteten Amplituden bestimmt
wird« l/feizn der Unterschied zwischen diskreten Entfernungen klein ijcnug ist, ist der Rückstreukoeffizient an jeder Entfernung irr wesentlichen der gleiche. Somit stellt durch Kompensation der Amplitude der abgetasteten rückgestreuten Xmpulse sur Kompensation von Amplitudenunterschiοden, die sich aus dem Entfernungeunterschied ergeben, jecer verbleibende Amplitudenunterachied genau den
Extixiktion&koeffizienten dar.

Die !Dur,fernungskorapensation oder -normierung wird
vorzugsweise mit Hilfe einer digitalen Impulsintegration«- teefrnik durchgeführt, die genau maßstäblich auf die Entfernung dar jeweiligen Abtastproben bezogen ist. Insoweit als di© Amplitude der erfaßten rückgestreut«n Energie umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung igt, ist zu erkennen« daß ein erfaßtes Signal aus einer eraten Entfernung, die doppelt so groß wie eine zweite Entfernung ist, lediglich ein Viertel der Amplitude des erfaßten Signals von der zweiten Entfernung aufweist. Dieser entfernungsabhängige Atr.plitudenunterschied wird durch Integration
jeweiliger Anzahlen jeder Abtaatprobe in umgekehrter Proportionalität suEE Quadrat der relativen Entfernungen kompensiert. D::.es heißt mit anderen Worten? daß für Abtastproben, die einer ersten Entfernung entsprechen, eine vorgeschriebeng Anzahl von Impulsen integriert wird, um ein geeignetes Bignal-/Störverhältnis entsprechend der Empfindlichkeit des Empfängers zu erzielen, während bei einer zweiten. Entfernung^ die doppelt so groß wie die erste

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BAD OBIGfNAL

Entfernung ist, viermal so viel Impulsäbtastproben integriert werden, um die gewünschte Entfernungskompensation zu erzielen« Auf diese Weise wird die Entfernungskompensation durch eine einfache Impulsintegriertechnik erreicht, was den Vorfcr.il h&t, daiJ Impulse mit relativ niedriger Energie £us.jisandt werden können, die wirtschaftlich herzustellen si: d und di© keine physiologischen Schäden hervorrufen« £<a-, ätzlich werden die Linearitätsforderungen des 'Detektors! eo.jiso wie elektromagnetische Störungen, die normalerweise ta;· t Impulsen hoher Energie verbunden sind, verringert« Schließlich ist es verständlich„ daß ein hoher Grad der Stabilität aufeinanderfolgender Impulse der ausgesandtsrc Itapulse nicht erforderlich ist_r weil die Messung auf einem Vergleich der zurückgestreuten Impulse beruht, die in. Abhängigkeit von jedem ausgssandten Impuls erzeugt werdsa·

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in.der Zeichnung dargestellten Ausführuxigsbeispi.elen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen;

1 a und 1 b eine vordere geschnittene bzw· eine längegeschnittene Ansicht des optischen Teils einer Ausführungsform der Vorrichtung, wobei Fig. 1 a eine Ansicht der Vorrichtung von der linken Seite nach PIg₀ 1 b aus ist;

Fig« 2 eine Darstellung der Sichtfelder des Senders imd des Empfängers und ausgesandter und rückgsstreuter Impulse, die zur Erläuterung der Betriebsweise der Vorrichtung zweckmäßig ist;

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Fig. 3 a und 3 b Uellenformen, die die Eigenschaften eines homogenen bzw, eines heterogenen Streumediums zeigen und die zur Erläuterung der Theorie der Betriebsweise der Vorrichtung nützlich sind}

k ein achematisch.es Blockschaltbild der opti~ sehen und der Signalverarbeitungsabschnitte der Vorrichtung,,

Der in den Figuren 1 a und 1 b dargestellte Senderempfänger der Vorrichtung umfaßt einen optischen Abschnitt 10 mit einem zylindrischen Gehäuse 11 mit einer vorderen Endanordnung, die eine Linse 12 aufweist, durch die ausgesandte Impulse hindurchgeleitet werden und rück gestreute Strahlung aufgefangen wird. Die ausgesandten Impulse werden von einer optischen Quelle 13 geliefert, die am Brennpunkt der Linse 12 angeordnet ist, so daß sie stark gerichtete Impulse aussendet, die aus praktischen G-rüE.dan geringfügig divergieren, wie dies in Fig.

2 dargestellt ist. Die Quelle 13 k&£tn aus optisch gepumpten Kristallen oder Injektionsdiodenlaseranordnungen von der Art aufgebaut" sein, wie sie in dem US-Patent

3 641 4O0 dar gleichen Anmelderin beschrieben sind. Diese optischen Quellen liefern die gewünschten Impulswiederholfrequenzen und eine Strahlung in einem schmalen Strahl mit geeigneter Intensität, um physiologische Schaden auszuschließen» Der hintere Teil des optischen Abschnittes schließt typischerweise eine Diodenimpuis-Bteuereiniichtung (oder einen Modulator) i4 zur Ansteuerung der optischen Quelle 13 sin, und zwar zusätzlich zu irgendwelchen (nicht gezeigten) erforderlichen Wärmetauscher- und Kühlausrüstungen. Beine 15 haltern den optischen Abschnitt auf einer geeigneten Befestigungsanord-

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- TO -

nung. Die Impuls's teuer exnrxchtung Ik bewirkt eine An-

steuerung der gewünschten Impulswiederholfrequeiiz zur Aussendung durch die Linse 12 in das schmale Bündel des Senderfeldes» Der Empfang der rückgestreuten Energie der ausges&ndten Impulse erfolgt durch die Empfängerlinse 16 sur Fokussierung der aufgefangenen rückgestreu-tesa Energie auf einem Detektor 17. Der Detektor schließt typl3Che:oweise einen Vorverstärker und ein Spektralfilter ein und sollte sich durch gute Empfindlichkeit bei der Wellenlänge der optischen Quelle 13 und durch einen linearen dynamischen Bereich im Umfang von. sechs Größenordnungen auszeichnen= Eine Maske 18 sperrt die susgesandte Impulsenergie von dem Detektor 17 ab. Bei Fehlen einer derartigen Abdeckmaske würde o\ie minimale Betriebsentfernung der Vorrichtung entsprechend ciex· Detektor-Erholzelt nach jedem ausgesandten. Impuls beschränkt sein. Die Empfangsoptik ist so ausgelegt, daß hi.e ein Sichtfeld aufweist, das konzentrisch zum Senderfeld ist und dieses geringfügig überlappt, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, um die Wirkungen einer Hintergrundstrahlung zu verringern. Somit trifft rückgestreute Energie von jedem ausgesandten Impuls kontinuierlich auf den Detektor 17 auf, mit Ausnahme au» einem kleinen konischen Nahfeldbereich in der Nähe der Linse 12, νειβ sich von Natur aus aus der Form der Sendeempfängeroptik ergibt, der Detektorausgang wird jedoch, wie es weiter oben erläutert wurde, zwischen aufeinanderfolgenden ausgesandten Impulsen für die weitere Signalverarbeitung lediglich an vorgeschriebenen Zeitintervallen abgetastet, die diskreten Entfernungen der rückgestreuten Energie entsprechen.

Bevor der Signalverarbeitung st eil beschrieben wis*d, sei eine analytische Beschreibung der Betriebsprinzipien

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gegeben« Diese können am besten durch eine Analyse der sogenannten koaxialen Lidar-Gleichung (Lichtradar-Gleichung) erläutert werden_s die die empfangene Strahlung als Rückstreuung von Nebel oder anderen kleinen Teilchen formuliert,' die im gesamten¹ Raum verteilt sind, in dem sich. d:,e ausgesandten optischen Impulse ausbreiten« Auf der Ba^is eines einzelnen ausgesandten Impulses wird die rückgeßtreute Strahlung kontinuierlich empfangen, tiean der wandernde Impuls kontinuierlich auf zusätzliche Teilchen auftrifft_o Die empfangene Strahlung sinkt in ihrer Intensität als Funktion der Inipulslaufzeit entsprechend den umgekehrt quadratischen Entfernungsverlusten und den exponenfciellen Abachwächungsverlusten ab, die durch Streuung und Absorptionsabschwächung hervorgerufen werden, und die zusammen Extinktion genannt werden. Zu irgendeinem Zeitpunkt der Impulslaufzeit (oder Entfernung) kann die Größe der erfaßten Strahlung mathematisch wie folgt ausgedrückt Werdens

P.€A B„_r (r)

^H 8lr² ■

wobei

P. die maiimale ausgesandte Leistung,

if dia Impulslänge,
A_o die wirksame Ecapfängerapertur,

B (r) der Volumenrückstreukoeffizient bei der Ent· ^p fernung (·»·')»

CT (x) der Volumen-Extinktionskoeffizient bei der Entfernung (x), und

r die Entfernung ist, bis zu der sich der ausgesaadte Impuls au irgendeinem Zeitpunkt ausgebreitet hat.

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Aufgrund, des inverse» quadratischen Entfernungsfaktors in der Gleichung (1) hat die erfaßte rückgestreute Strahlung bei einer Darstellung als Funktion der Impulslaufzeit oder der' Entfernung die in Fig_o 3 a dargestellte Form, wenn die Strahlung in einem homogenen Streumedium ausgesandt wird» Die Form der absinkenden Kurve ist durch die entfernungsbeaogenen Parameter der folgenden Gleichung bestimmt 3

— exp

dx

Der für die Messung herauszuziehende Parameter ist cr(x)> der die optische Sicht bestimmt· Das verwendete Meßverfahren beruht auf der Anwendung der Gleichung (i) auf zwei oder mehr Entfernungspunkte der erfaßten rückgestreuten Strahlung. Beispielsweise ergibt die Gleichung (i) in für die Entfernungspunkte 1 bzw» 2 nach Fig. 3 & umgeschriebener Form:

^Pt^€Ae

exp

(2)

exp / -2

0-(x) dx/ (3)

Das Verhältnis der erfaßten Leistungen an den^Entfernungen V und Z ist somit:

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(τ.) γ.² Btf Ir₁)

wobei die Ausdrücke P,, ■&, A und B j£ »ich. aufgrund der Tats&clie aufrieben, daß die erfaßte rückgestreute Strahlung bei btiiiexi Eratfernungeii durch den gleichen aüsgesandten Impuls erzeugt wlrdo ¥enn in erster Näherung das streuende Medium als homogen angenommen wird,, ist B'* (¹^ gleich B^' (^T?) ^Uild damits

- ^PR<^r2>^r ₂ ²" <*>■

Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß ι 0"(χ) dx = QZ'-ivL-xt·*-) χ et, wobei ^ der Mittelwert /r ■

über das Intervall T^ bis xt„ ist, kann die Gleichung (5) für ^ gelöst werden, so daß sich

ergibt.

Dieβ heißt mit anderen Worten, daß zur Bestimmung des mittleren Extinktionskoeffizienten für ein endliches Entfernungsintervall es lediglich erforderlich irnt, die empfangene Strahlung vom Beginn und Ende dieses Entfer-

nungsinterva.ils zu messen» Die in der Gleichung (6) benötigte Entfernungsinforiaation ist a priori bekannt. Wenn das Eiitferauugsintervall r^ —£ r^ klein genug ist,

nähert sich -T —fr er einem tatsächlichen Punktwert σ* ν f r

In ,4^3- tatsächlichen Praxis sind Hebel, Dunst und Trübung, d^e die Sicht beeinträchtigen, in vielen Fällen nicht hcmogfsa, sondern sind voxi heterogener Art, wobei in diesem Fall die erfaßte rückgestreute Strahlung aufgetragen als eino Funktion der Entfernung wahrscheinlich eine zufällige Abfallgeschwindigkeit aufweist* wie es durch die Kurve nach Figo 3 b gezeigt ist. Unter, diesen. Bedingungen weiat der Rückstreulcoeffisient unterschiedliche Werte' an 1133.terschiedlieh.en Entfernungen aufv so daß die; Gleichung (5) genauer als; .

JrJr-i B*(r.)

1 " "
geschrieben wird, woraus sich die Gleichung;

Wenn die gesamte erfaßte Strahlungswellenfona in gleiche, endliche Intervall· A. r. ar.- r. , unterteilt wird, so ergibt sich der mittlere Extinktionekoeffizient über die Entfernung durch

/ n^ / ν 2 η

/' , .1 η —g· + In

y^{7 B}ff<^ri+i>/ (7)

Bei der Anwendung der Gleichung (?) entsprechend dem beschriebenem Verfahren wird das Intervall <Δ. r so klein wie praktisch möglich gemacht, so daß das Streumedium innerhalb diesea Intervalls so gleichförmig wie möglich ist» Dies ist selbetvex'ständlich durch die Abtastbreite oder Abtastzeitdauer beschränkt. Eine Abtastbreite von beispielsweise 50 ns entspricht einer Länge von 15.24 m und daher müssen zwei erfaßte Abtastproben zumindest um diesen Betrag voneinander e.ntfernt sein» Bei sehr geringen Entfernungsabständsn nähert sich B-JJ^ (r. - )/B^f (r.) dem Wert Eins und der Exti:;iktioiiskoeffizient ist wiederum lediglich durch die Leistungäiverhs'.ltnisse bestimmt. Der mittlere Extinktionskoeffizient für irgendeine Weglänge wird durch Annehmen der passenden Luistungsverhälthisse und durch Mittelwertbildung hestiEimt. Die Wirkungen der Nichthomogenität können dadurch berücksichtigt werden, daß das relative Verhalten öq;c Kette der Extinktionskoeffizienten betrachtet wird., die für aufeinanderfolgende relativ homogene Entfernung s interval Ie berechnet werden.

Es sei nun zu einer Beschreibung der Sendeempfängervorrichtung zurückgekehrt. Die gerätemäßige Ausführung der Gleichung (i) ist derart, daß die erfaßte rückgestreute Energie jedes aus^esandten Impulses an diskreten Entfer-

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-. i6 -

nungen abgetastet wird, und daß der natürliche Logarithmus des Verhältnisses der abgetasteten Impulse gebildet wird, erfolgt mit Hilfe der in Fig_e k gezeigten Vorrichtung, bei der der optische Teil 10 so aufgebaut ist, wie .s weiter -oben unter Bezugnahme aui die Figuren 1 und 2 beschrieben wurde_c Jeder ausgesandte Impuls» der typischerweise eine Dauer in der Größenordnung von 50 - 100 ns entsprechend einer atmosphärischen Veglänge von ungefähr ^,57 - 15,24 aufweist, wird bei Zuführung eines Triggersignals an den Modulator von einer Steuereinheit 21 erzeugt, die genau die Ansahl der ausgesandten Impulse regelt;, wobei die Anzahl so beschränkt ist, daß ein ausreichendes maximales Signal-/Stör-Verhältnis und eine Entfernungskotapsnsation erzielt wird. Zusätzlich steuert die Steuereinheit 21 die Inäpuiswiederhoifreqiaena derart, daß die Anzahl da-r Impulse entsprechend der maximalen Entfernung beschränkt iot, die ohne durch Ruckstreuungen von weiteren Entfernungen hervorgerufene Zweideutigkeiten untersucht werden kann. In Abhängigkeit von Jedem ausgesandten Impuls wird ein Signal am Ausgang ©ines Vorverstärkers 19 eraeugt, der mit dem Detektor 17 verbunden ist, wobai dieses Signal eine Amplitude als Funktion der Zeit hat, die die rückgestreute Leistung darstellt. In dem Intervall «wischen aufeinanderfolgenden auegesandten Impulsen und bei einem vorgegebenen Zeitintervall nach jedem Impuls werden Entfernungs-Torsteuersignale von der Steuereinheit an die Gatter 22 bzw. 23 geliefert. Bei Betätigung durch «sin Entfernungs-Torsteuersignal öffnet das Gatter 22 und führt dem Eingang eines Integrators Zk das Ausgangssignal des Detektor-Vorverstärkers zu. In ähnlicher Weise führt das Gatter 23 bei Betätigung durch oin Entfernung©-TorSteuersignal dem Eingang sicas Integrators 25 das Ausgangssignal des De-

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~ 17 -

tektorvorverstärkers zu. Die Steuereinheit 21 schließt manuell betätigbare Wähler zur Auswahl der Entfernungen ein, bei denen Messungen durchgeführt werden sollen. Zusätzliche Wähleinrichtungen sind zur Steuerung der Zeitdauer vorgesehen, für die die Entfernungsgatter nach jedem auagssandten Impuls offengehalten werden. Nacli Äem Integrationsvorgang bei jeder Entfernung wird der Auagang des Integrators 24 durch den Ausgang des Integrators 25 in einer .'Qividierschaltung 26 dividiert, um das Leistungsverhältnis zu gewinnen, das entsprechend der Gleichung (6) erforderlich ist. Der Ausgang der Dividierschaltung wird seinerseits einer logarithmischen Einheit 27 zugeführt, die den natürlichen Logarithmus des/Ausgangssignais der Dividierschaltung bildet und die den erforderlichen Disrisionsfaktbr k(r_p - r ) liefert, der in Gleichung (6) erscheint. Somit ist am Ende des Integrations vox'gangs der Ausgang der logarithmischen Einheit proportional zum Vert des Extinktionskoeffizienten in dem Entfsmuagsintervall zwischen den beiden abgetasteten Entfernungen. Durch Mitteln der Extinktionskoeffizienten-Messungen, dia bei einer Vielzahl von Entfernungen durchgeführt wurds3n₉ kann ein zur Sicht entlang der ge«· samten Sichtlinie proportionaler Wert gewonnen werfen, wia es in den folgenden Absätzen beschrieben wird. Bevor die Mittelwertbildungstechniken für eine Vielzahl von Entfernungen diskutiert wird, sei zunächst darauf hingewiesen daß in jedem Fall die Divisions-Integrations- und Logarithm!ervorgänge in irgendeiner willkürlichen Reihenfolge durchgeführt werden. Die vorstehend beschriebene Folge wird jedoch im Hinblick auf die Erzielung einer verbesserten Meßgenauigkeit und einer Verringerung eier Betriebeanforderungen an die Sauteile dee Systeme als bevorzugt angesehen. Beispielsweise sei angenommen,

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daß die gleiche Anzahl von Impulsen bei jeder £ntfermmg integriert wird. Die Entfernungskotnpensation kann dann nach der Division der jeweiligen Entfernungssignale oder selbst nach Logarithmieren des Verhältnisses erreicht werden. Alternativ könnte der Logarithmus jedes Signa.s zuerst gebildet worden, und dann könnte die Entfernungskompensation durchgeführt werden usw«, in irgendeiner gewünschten Reihenfolge. Im Fall einer derartigen alternativen gerätemäßig&n Ausführung würden jedoch die die unterschiedlichen Entfernungen darstellenden Signal® im wesentlichen unterschiedlich© Größen aufweisen und daher eine Dividiarschaltung erfordern, die einen beträchtlich größeren dynamischen Bereich aufweist, als er in der bevorzugten gerätemäßigen Ausführung erforderlich ist, bei uer die Anzahl a®r integrierten Impulse entsprechend der Entfernung eingestellt ist.

Obwohl die vorstehende Beschreibung sich auf Messungen bei lediglich zwei diskreten Entfernungen bezog, 'ist es verständlich, daß eine Anzahl von Messungen mit gleichförmigen Entfernungsschritten von beispielsweise alle '30 Metern durchgeführt werden könnte, wobei der Extinktionskoeffizient in der Entfernung von 30 bis 60 m durch berechnen des Verhältnisses der bai 30 und bei 60 m durchgeführten Messungen bestimmt werden kann, während der Extinktionskoeffizient in der Entfernung von 6o bis 90 m in gleicher Waise durch Berechnen des Verhältnisses der Messungen bei 60 und bei 90 n> bestimmt wird. Alternativ können die Messungen an mit Abstand angeordneten Entfernungepaaren durchgeführt werden, beispielsweise Entfernungepaare mit einem Abstand von 30 m und in Intervallen von 90 m, um Messungen bei 150 und 180 m, 300 und 330 m, k%Q und 480 m usw. zu gewinnen. Als allgemeine

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praktische Kegel'können die Intervalle für die diskreten Sntfernungeabtastproben bei kurzen Entfernungen bis zu einigen 30 oder sogar 300 m oder etwas mehr kurz sein, und zwar in der Größenordnung iron 15 bis 30 *®, sie sollten Jedoch Vorzugsweise bei größeren Entfernungen größer gemacht werden. Die am häufigsten auftretenden Bedingungen, begrenzen typischerweise den Entfernungsunterschied zwischen Paaren von Abtastprohssx auf einen Bereich von ungefähr 7,5 bis 150 m. In jedem Fall sollte der Abstand oder das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgend auegesandten Impulses, ausreichend lang sein, um sicherzustellen, daß keine rückgestraute Energie von einem früheren Impuls nach der Aussendung des unmittelbar •vorhergehenden Inipulses in einer Reihe von ausgesandten Ioipul-

empfangen wird,

sesi d. h. die abgetastete Strahlung sollte lediglich von. dem Vojriasrgehe-nden auegesandtsn Impuls rückgestreut . warden» SoEnit sollte unter den Bedingungen dar Senderleistung, d?5r Empf£U&g@rverstärktmg "and der normalerweise auftretenden Sicht, bei der di© Messung auf ein© Entfernung von beispielsweise 1500 m foescto^äxÖEt is$, u&b latex··= vall zwischen, auegesandten Impulsen zumindest 10 sas usad vorzugsweise noch länger 'sein. Größere Entfernungen erfordern selbstverständlich proportional niedrigere Impulswiederliolfreqt!.enssn«, Es ist jedoch verständlich, daß die Messung· der maximalen Entfernung von den vorherrschenden Sichtbedingungen und davon abhängt, ob eine Sichtlinie über die Entfernung möglich ist, weil offensichtlich die Fähigkeit der ausgesandten Impulse, das Streumedium zu durchdringen, unter schlechten Vetterbedingungen wie z, B. dichter Nebel, Dunst usw. stark beschränkt wird. Unabhängig von dem speziellen ausgewählten Entfernungsintervali können, wenn eine Vielzahl von Abtastproben süzr Ausführung der Gleichung {7) genommen wird,

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die Messungen entweder aufeinanderfolgend oder gleichzeitig durchgeführt werden. Für aufeinanderfolgende Messungen würde die Vorrichtung nach Fig. 4 in der vorstehend beschriebenen Weise verwendet, um den Extinktionskoeffisient in einem Intervall zwischen einem ersten Paar von ausgewählten Entfernungen während einer ersten Folge von ausgesandten Impulsen zu berechnen und dann in einem Intervall zwischen einem zweiten Paar von avisgewählten Entfernungen während einer zweiten Folge von ausgesandten Impulsen usw., wobei jede der Messungen des Extinlctionsko effizienten gespeichert würde, so daß der Durchschnitts- oder Mittelwert berechnet werden kann. Für gleichzeitige Verarbeitung würden zusätzliche Paare von Entfernungsgattern und Integratoren mit zugehörigen Dividier- und Logarithmiereinheitcn benötigt, so daß die den ausgewählten Paaren von Entfermxngsintervallen entsprechenden Messungen dadurch durchgeführt werden könnten, daß die Vielzahl von Abtastprobenpaaren zwischen aufeinanderfolgend ausgesandten Impulsen einer einzigen Folge von auegesandten Impulsen entnommen wird. So würden jeweilige Paare von Gattern und Integratoren mit zugehörigen Dividierschaltungen und Logarithmiereinheiten verwendet, um die Messungen an den jeweiligen Entfernungspaaren durchzuführen. Unabhängig davon, ob die Messungen aufeinanderfolgend oder gleichzeitig durchgeführt werden, sei es jedoch verständlich, daß der Mittelwert des Extinktionskoeffizierreeia über eine Vielzahl von En tfernungs int ervallen so berechnet wird, wie es unter Bezugnahme aui uie Gleichungen (5')» (6¹) und (7) erläutert wurde.

An dieear Stelle sollte es off©sichtlich sein, daß erfindungegciiaaii außerdem die Möglichkeit der Bestimmung

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der Stelle (Entfernung) von Diskontinuitätspunkten in dem Streumedium besteht. Wenn beispielsweise eine Diskontinuität in einer Entfernung von beispielsweise 300 m auftritt, wird ein Paar von Entfernungsmessungen bei 240 und 300 m vollständig voneinander abweichen, so daß das Vorhändensein der Diskontinuität angezeigt wird. Dieses Merkmal der Erfindung bezieht sich auf die Fähige keit des Verfahrens und der Vorrichtung, in einem nichthomogenen Medium au arbeiten und bezieht sich weiter auf seine Anwendbarkeit auf andere Anwendungen wie z. B. zur Luftversöhmutzungaüberwachung, bei der die Vorrichtung beispielsweise so eingestellt wird, daß sie entlang einer Schrägentfernung arbeitet, beispielsweise von einem zweckmäßigen Bodenpunkt zur Spitze eines Abgasschornsteins, wobei die diskreten Abtastentfernungen so ausgewählt werden, daß sie in dem Volumen der Rauchemission liegen.

Dcts erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung weisen den Vorteil auf daß sie keine vorherige Kenntnis oder eine Abschätzung, der Absorption und der Rückstreueigenschaften des untersuchten Mediums erfordern.

Patentattsi>rücheι

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Claims (1)

1. ZZ -

   Patentansprüche

   1 .J Verfahren zur Bestimmung des Extinktionskoeffizienten einss atmesphärischen Streumediums, g e kennsiel chnet durch die Erzeugung eines Strahlung impuls es mit Hilfe eines Senders (13) ^zur Bestrahlung; döü: Streumedisims, die Verwendung eines Empfängers (.17.,) in der Nähe des Senders mit einem Sichtfeld, das im wesentlichen die volle Länge des Senderfeldes überlappt, um die Strahlung des vom Streumedium rückgestreuten aus ge sandten Impulses zu empfangen, die Abtastung eiapfangfcner, an ersten und zweiten diskreten Entfernungen von cem Sender rüokgestreutsr Strahlung und die Kompensation cer Strrahlungsab tastproben gegen Ampiitudenunterschiede zwischen diesen Abtastproben, die der unterschiedlichen Entfernung der jeweiligen Abtastproben zuzuordnen sind.

   2, Verfahren nach.Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (13) ^das "Streurnedium mit einer Reihe von Impulsen anstrahlt, die entlang eines gemeinsamen Auebrei tungsweges gerichtet werden, und daß die Bildung der Abtastproben durcfc Empfangen von Strahlung durchgeführt wird, die an ersten und zweiten diskreten Entfernungen von dsm Sender in dem Iatervall zwischen aufeinanderfolgend ausgesandten Impulsen rückgeatreut wird.

   3. Vorrichtung zur Bestimmung des Extinktionskoeffizienten eines atmosphärischen Streumediume zur Durchführung des VeriahreEiS nach Anspruch 1, g e k e η η ζ e i ch η e t durch Sender einrichtungen (13) zvar Erzeugung eines Strahlungsimpulses zur Bestrahlung des

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   Streumediums, in der Nähe der Sendereinrichtungen (13) angeordnete Iimpfängereisirichtungen (1?) mit einem Sicht-, feld; das im wesentlichen die gesamte Länge des Senderfeldes überlappt, um Strahlung des ausgeaandten und an dem Streumedium riickge streut en ausgesandten Impulses zu empfänger,, lüinricktungen (21, 22» 23) zum Abtasten empfangener, an ersten und zweiten diskreten Entfernungen von den Sendsireinrichtungen (13) rückgestreuter Strahlung und Einrichtungen (21, 22, 23, Zk, 25) jsur Kompensation der Sfcralilu^sabtsstproben gegen Ampiitudenunt er schiede zwischen öi-asen Abtastproben, die der unterschiedlichen Entfernung ds-r jeweiligen Abtastproben zuzuordnen sind.

   4, Vorrichtung zur Bestimmung des Extinktionskoeffizienten eijasa: atmesphärischen Streumediutas zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, g e k e η η ζ e i c h a & t durch Sendereinrichtungen (13) zur Aussendung einer Reihe von Strahlungsimpuisen entlang eines gemeinsamen Ausbreitungsweges in dem Streumedium, in der Näha der Sündereinrichtungen (13) aßgeordnete Empfängereinrichtungen (17). mit einem Sichtfeld, das mit dem Weg des· ausgessandten Impulse so ausgerichtet ist. daß es im wesentlichen die volle Länge des Senderfexdes überlappt a&a von dem Streumediura rückgestreute Impulsenergie au erfasstjn. Einrichtungen (21, 22, 23) zur Abtastung ampfiingener, an ersten und zweiten diskreten Entiernungen von den Sendereinrichtungen (13) in dem Intervall zwischaxi aufeinanderfolgend ausgesandten Impulsen rückgestreutor Strahlung und Einrichtungen (21, 22_S 23,. Zh 25) zur Kompensation der Strahlungsabtastproben gegen Amplit'Udenuntorschieda zwischen diesen Abt&stproben, die der unterschiedlichen Entfernung der jeweiligen Abtastproben zuzuordnen sind.

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   SAfr ORIGINAL

   5· Vorri.ch.tung nach Anspruch k, dadux-ch gekennzeichnet daß die Abtasteinrichtungen (21, 22, 23) erste und zweite Gattereinrichtungen (22, 23) sur Abtastung der an ersten bawc zweiten Entfernungen von den Sendereinrichtungen (13} rückgastreuten Strahlung einschließen, daß die Koinpensattionsainriehtungen erst» mit den ersten Gattereinriehtt&agen (22) gekoppelte Integreitoreinrichtungen (24) zur S&n&ni<axu:a£ von an der ersten Entfernung von den Sendeeimrielxtungeji (13) rückgestreuter Struhluqspabtastproben und zweite mit den zwei neu Gattereinrichtungen (23) gekoppelte Integrafcoreinriehtungen (25) zur Summierung von art tiex· zweiten Entfernung von 6&n Sendeeinrichtungen (13} rückgastreuten Strahlungsabtastproben einschließen, u;id daß die Anzahl der in den ersten und zweiten Integratfjreinrichtungen (24, 25) summierten Strahlungs abtastproben eine Funktion des Quadrates des Verhältnisses ersten und zweiten Entfernungen ist.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5· gekennzeichnet durch Einrichtungen (21) sur·Steuerung des Zeitintervalle zwischen a&sgesandten Impulsen entsprechend der Größe der ersten und zweiten Entfernungen von den Sendeeinrichtungen

   7· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Sichtfeld des Empfängers (1?) konzentrisch zur Ausbreitungsachsa der Sendeinriciitungen (13) ist«

   S^ Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7s gekennzeichnet durcli Einrichtungen (26, 27) zur Berechnung des Verhältnisses der sunplitudenkompenslerten Abtast-

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   proben und zur Bildung des natürlichen Logarithmus des berechneten Verhältnisses zur Bestimmung des Wertes des Extinktionskoeffizienten.

   9 ο Vorrichtung nach Anspruch 5 s dadurch gekeimt lehnet, daß die ersten und zweiten Integratoreinrichtungen {24, 25) s© geschaltet sind, daß sie Jeweilige Anzahlen von erfaßten Energieimpulsen proportional sum Quadrat der ersten usid zweiten Entfernungen empfangen»

   10. Vorrichtrang nach Anspruch 5? gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Steuerung der zeitlichen Folge der ausgesandten Impulse und zur Verbindung jeder Integratoreinrichtung (24) 25) derart, daß sie erfaßte Energie insgesamt derart häufig empfängt, wie es der Proportionalität zum Quadrat der dar jeweiligen Integratoreinrichtung (24, 25) zugeordneten Entfernung entspricht.

   "11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Signalverarpeitungs©inrichtissig©si (26, 27) zum Empfang der Ausgangesignale der ersten und zweiten Integratoreinrichtmigen (24, 25) zur Berechnung dos Extinktionskoeffizienten.

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