DE4139515A1 - Optisches klassifizierungsverfahren von niederschlaegen - Google Patents

Description

Es ist heutzutage üblich, daß Wetterdaten von automatischen sogenannten Wetterstationen für verschiedene Zentralen eingesam­ melt werden, um schnellen Zugang zu Wetterinformationen innerhalb eines relativ großen Gebietes zu erhalten. Beispielsweise ist daß Straßenamt damit beschäftigt, ein Netz solcher Automat­ stationen aufzubauen, um Beschlußunterlagen für das Straßennetz zu haben, wenn Einsätze beschlossen werden sollen, wie z. B. Sandsträuen oder Schneepflügen. Für die meisten Wettergrößen, wie Temperatur, Windstärke und Windrichtung, sind heute auto­ matische Geber zugängig. Wenn es aber um Niederschläge und Nebel geht, ist es schwierig preiswerte Lösungen zu finden.

Zweck der Erfindung und die wichtigsten Kennzeichen der Erfindung

Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist ein unikes und billiges optisches Verfahren zum Detektieren und Klassifizieren von Niederschlägen der oben angegebenen Art vorzuschlagen. Diese Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß die vertikale Ausstreckung des vom Lichtstrahl verbreiteten Lichtes kleiner ist als der Durch­ messer der größten Partikel die detektiert werden sollen oder zwischen 0,1 und 1 mm beträgt, wobei große Regentropfen von kleineren dadurch unterschieden werden indem sie kürzere Pulse verursachen, und Schnee von Regen unterschieden wird, indem Schneeflocken längere Pulse als Regentropfen verursachen, und daß die horizontale Ausstreckung des Lichtstrahles größer ist als dessen vertikale Ausstreckung.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Die vorliegende Erfindung nützt einen schmalen und ovalen Licht­ strahl aus, dessen vertikale Ausstreckung in der Größenordnung von 0,1 bis 1,0 mm ist, was mit Hilfe eines Halbleiterlasers realisiert werden kann. Wenn Partikel in der Luft angestrahlt werden, wird ein Licht nach hinten abgestreut, das von einem Detektor aufgefangen wird, der mit der Bestrahlungsquelle zusam­ mengebaut ist und welches rückwärts verbreitete Licht detektiert wird. Wenn die betreffende Partikeln Nebelpartikel sind, verur­ sacht dies ein Signal mit einer kontinuierlichen Komponente, was in einem DC-Signal vom Detektor resultiert. Wenn dagegen be­ ispielsweise Hagelkörner in den Strahl hineinfallen, erzeugt dieses einen Puls. Die Länge dieser Pulse hängt von der Fall­ geschwindigkeit der Partikel ab, sodaß ein schnell fallendes Partikel einen kürzeren Puls als ein langsam fallendes Partikel verursacht. Außerdem beeinflußt die Struktur des Partikels die Länge des Pulses, sodaß ein Wassertropfen einen kürzeren Puls als eine ebensoschnell fallende Schneeflocke verursacht. Dies hat seinen Grund darin, daß die periferen Teile der Schneeflocken licht nach Rückwärts verbreiten, während nur die zentralen Teile des Regentropfens dicht nach hinten verbreiten (reflektieren). Zur Sache gehört auch, daß kleine Regentropfen langsamer fallen als größe, was seinen Grund darin hat, daß das Verhältnis zwischen den antreibenden und bremsenden Kräften für große Regentropfen größer ist als für kleine.

Das somit beschriebene Phenomen bietet eine Möglichkeit an, nur mit Hilfe von gemessener Pulszeit, die Niederschläge zu klassifi­ zieren. Für einen Strahl mit einer Höhe von etwa 0,3 mm kann man folgende typische Resultate erwarten:

Art des Niederschlages
Pulszeit
Regen (D=1 mm)
0.10 ms
Nieselregen (D=0,1 mm)	0.15 ms @	Schnee	0.25 ms

Der Lichtstrahl wird mit ovalen Querschnitt ausgebildet, dessen kürzere Achse vertikal verläuft. Dadurch werden in gewisser Hin­ sicht die Fehler die durch Wind verursacht sind, vermieden. Wenn die Partikeln durch Einfluß eines Windes schräg durch die zentralen Teile des ovalen Strahles fallen, entspricht die Pulslänge der vertikalen Geschwindigkeit, was ja das ist, was man zu messen wünscht.

Ein wichtiges Kennzeichen der vorliegende Erfindung ist somit, daß das nach hinten verbreitete Licht registriert wird, wenn ein Niederschlagspartikel einen Lichtstrahl passiert, dessen vertika­ le Ausstreckung kleiner oder vergleichbar mit dem Durchmesser der Partikeln ist, die registriert und klassifiziert werden sollen. Nichts hindert jedoch daran, daß man die Strahlung detektiert, die in anderen Richtungen als rückwärts verbreitet werden. Der Grund weshalb in der vorliegenden Erfindung die Zerstreung nach hinten ausgenützt wird ist, daß dadurch die Konstruktion sehr einfach und widerstandsfähig ist, und außerdem den geringsten denkbaren Einfluß auf die Luftströmungen um den Geber herum mitführt, wobei die Luftströmung beim Messen eine Fehlerquelle ausmacht.

Es existieren sogenannte "present weather instruments", die mit optischen Verfahren, zusammen mit einem kraftvollen Computer Niederschlag detektieren und klassifizieren. Diese Instrumente unterscheiden sich von der vorliegende Erfindung durch zwei wichtige Punkte. Erstens arbeiten sie mit einem Lichtstrahl, dessen Querschnittsfläche bedeutend größer ist als die Nie­ derschlagspartikel, was für die Funktion eine Bedingung ist. Diese Instrumente bearbeiten nämlich die Querschnittsfläche via die Amplitude der registrierten Signale. Zum zweiten wird das Licht detektiert, welches die Niederschlagspartikel nicht verb­ reite (Transmissionsprinzip) oder das Licht welches die Partikel in einem Winkel verbreiten, der annähernd in Richtung des Licht­ strahles liegen (Verbreitung in Richtung vorwärts).

Es ist möglich auf Basis der Pulszeit jedes Tropfens dessen Volumen zu berechnen, was auch eine Berechnung des Niederschlages in Millimetern ermöglicht.

Die Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Beispiel begrenzt sondern kann im Rahmen der Ansprüche variiert werden. Somit kann ein AM-modulierter Halbleiterlaser nebst Fokuzie­ rungsobjektiv neben einem Detektor mit dazugehörender Sammellinse gemäß beigefügter Abbildung montiert werden. Wenn der Laser­ strahl die optische Achse der Detektorlinse in einem Winkel schneidet, der größer als halbe Öffnungswinkel des Detektie­ rungsbereiches ist, gemäß Abbildung, wird der Detektor verbrei­ tetes Licht von eventuellen Partikel innerhalb eines begrenzen Gebietes empfangen, daß von einem Schnitt zwischen dem Detektie­ rungsbereich und dem Laserstrahl definiert wird. Nach der Syn­ kronmodulierung des Detektorsignales werden Pulse erhalten, wenn Partikeln durch daß eben definierte Gebiet passieren. Die Elektronik enthält Kreise zur Bestimmung der Pulslängen.

Claims (2)

1. Optisches Verfahren zum Detektieren und Klassifizieren von Niederschlägen, wobei eine Ausrüstung zur Anwendung kommt, die eine Bestrahlungsquelle und ein Detektierungssystem beinhaltet, wobei die Strahlen mit dem Detektierungsbereich innerhalb eines Gebietes zusammenfallen, dadurch gekennzeichnet, daß vertikale Ausstreckung des vom Lichtstrahl verbreiteten Lichtes kleiner ist als der Durchmesser der größten Partikel die detektiert werden sollen oder zwischen 0,1 und 1 mm beträgt, wobei große Regentropfen von kleineren dadurch unterschieden werden indem sie kürzere Pulse verursachen, und Schnee von Regen unterschieden wird, indem Schneeflocken längere Pulse als Regen­ tropfen verursachen und daß die horizontale Ausstreckung des Lichtstrahles größer als dessen vertikale Ausstreckung ist.

2. Optisches Verfahren zum Detektieren und Klassifizieren von Niederschlägen, wobei eine Ausrüstung zur Anwendung kommt, die eine Bestrahlungsquelle und ein Detektierungssystem beinhaltet, wobei die Strahlen mit dem Detektierungsbereich innerhalb eines Volumens zusammenfallen, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikale Ausstreckung des vom Lichtstrahl rückwärts verbreiteten Lichtes kleiner ist als der Durchmesser der größten Partikel die detektiert werden sollen oder zwischen 0,1 und 1 mm beträgt, wobei große Regentropfen von kleineren dadurch unter­ schieden werden indem sie kürzere Pulse verursachen, und Schnee von Regen unterschieden wird, indem Schneeflocken längere Pulse als Regentropfen verursachen, und daß die horizontale Ausstreck­ ung des Lichtstrahles größer als dessen vertikale Ausstreckung ist.