DE19642967C1 - Verfahren zum automatischen Bestimmen der Sichtweite mit einemn LIDAR-System - Google Patents
Verfahren zum automatischen Bestimmen der Sichtweite mit einemn LIDAR-SystemInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Bestimmen der Sicht
weite mit einem LIDAR-System.
LIDAR (Light Detection And Ranging) stellt ein optisches Synonym zum allgemein
bekannten Radar dar und beschreibt lasergestützte Fernmeßverfahren, die zur Er
fassung von atmosphärischen Parametern eingesetzt werden können. Eine Wei
terentwicklung der LIDAR-Technik führte über die Entfernungsmessung von diffu
sen Streuern, wie beispielsweise Wolken, mit Hilfe von sogenannten Wolken-Hö
henmessern, zu einer entfernungsaufgelösten Bestimmung einer Trübung der At
mosphäre mit Hilfe eines Sichtweiten-Meßgeräts. Eine Miniaturisierung der LIDAR-
Systeme führte schließlich zu kompakten und somit mobilen LIDAR-Systemen, die
in einem Meßbus oder sogar einem PKW untergebracht werden oder von einer
Autobahnbrücke messen können.
Das Problem einer Gefährdung des Auges durch die hochenergetische Laserstrah
lung wurde durch Einsetzen von schnellpulsierenden, mit geringer Leistung emit
tierenden Laserdioden behoben.
Ein LIDAR-System besteht im wesentlichen aus drei Hauptkomponenten, nämlich
einem Sender 1, welcher Laserlicht emittiert, einem Empfänger 2, welcher die zu
rückgestreute Strahlung erfaßt, und einer Wandelungselektronik 3, die aus der
empfangenen Lichtmenge ein auswertbares Signal produziert. (Siehe die schema
tische Darstellung in der Zeichnung.)
Der Sender 1 strahlt kurze Lichtimpulse in der Größenordnung von einigen Nano
sekunden (ns) aus; die Lichtimpuls-Pakete werden entlang ihres Weges durch die
Atmosphäre von Partikeln, wie Staub, Wassertröpfchen usw. zurückgestreut und
treffen nach einer gewissen Zeit wieder am Empfänger 2 ein. Aufgrund der ver
strichenen Zeit kann somit das Entfernungsvolumen, in welchem die Streuung
stattfand, auf die halbe Pulslänge des Lichtes (Hin- und Rückweg) genau lokali
siert werden.
Die im jeweiligen Entfernungsintervall empfangene, reflektierte Lichtmenge ist
dann ein Maß für die Anzahl an Partikeln, die eine Trübung der Atmosphäre
verursachen. Die Auswertung der erhaltenen Meßwerte muß bisher von
einem versierten Fachmann vorgenommen werden.
Bei der von Evans, B. T. N. et al beschriebenen Methode (siehe Evans, B. T. N. et al:
"The laser cloud mapper and its applications", SPIE Vol. 663, Laser Radar Techno
logy and Applications 1986, S. 174 bis 181) werden die lokalen Sichtweitenwer
te nicht automatisch je Messung bestimmt, sondern es wird vorausgesetzt, daß
ein zweidimensionales Abtastmuster in Form eines horizontalen oder vertikalen
Schnitts durch die Atmosphäre existiert. Ferner wird ein Startwert (σm) immer
hinter bzw. außerhalb der Schichtung bzw. Wolke abgeschätzt. Dies setzt jedoch
voraus, daß die Laserstrahlung die Schichtung durchdringt, was bei dichtem ho
mogenen Nebel in der Realität jedoch nicht der Fall ist. Von Evans et al wird da
her eine Leermessung ohne Schichtung bzw. Wolken ("clear air return") zur Kali
brierung und Abschätzung des Startwerts benötigt.
Bei der von C. Werner beschriebenen Methode (siehe C. Werner: "Slant range visi
bility determination from lidar signatures by the two-point method", Optics and
Laser Technology, Februar 1981, Sonderdruck) können Verdichtungen, d. h. ein
negativer Gradient der lokalen Sichtweite nicht erfaßt werden (da negative Sicht
weitenwerte wegen der Logarithmusfunktion nicht zulässig sind). Auch das von
C. Werner beschriebene Meßverfahren setzt zur Erfassung von homogenen
Schichten ein Abtastmuster der Atmosphäre, insbesondere einen vertikalen
Schnitt der Atmosphäre voraus.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Bestimmen
der Sichtweite mit einem LIDAR-System anzugeben, bei welchem die jeweilige
Sichtweite automatisch bestimmt wird.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß
Anspruch 1 ge
löst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind Ge
genstand der Ansprüche 2 bis 4.
In der Zeichnung ist im unteren Teil ein Graph eines typischen Empfangssignals
skizziert; hierbei ist auf der Ordinate die Spannung eines Signals in Volt (V) und
auf der Abszisse die Entfernung in Meter (m) aufgetragen. In dem Empfangs
signal sind drei Ereignisse erkennbar:
- a) Bis etwa 30 m Entfernung ist keine Strahlung zu erfassen. Der Empfänger kann kein Licht vom Sender "sehen", da der Sendekegel noch nicht in den Empfangs kegel eingetreten ist. Dieser tote Bereich hängt von der Öffnung sowie von dem Abstand zwischen der Sende- und der Empfangsoptik ab.
- b) Bei einer Entfernung von 60 m bildet sich ein Maximum aus, welches der nor malen Trübung der Atmosphäre und somit der Sichtweite entspricht.
- c) Bei 90 m erscheint ein weiteres Maximum, welches die Schichtung der Atmo sphäre, beispielsweise in Form einer Nebelbank wiedergibt. Ohne eine Schichtung wäre der Signalverlauf einer in der Zeichnung gestrichelt wiedergegebenen Linie gefolgt.
Die Menge der empfangenen Strahlung ist, wie in der Zeichnung skizziert, von der
Anzahl der Streuer und von der Dämpfung der Atmosphäre abhängig; das bedeu
tet, je mehr Streuer, beispielsweise Nebeltropfen vorhanden sind, desto größer
ist die Amplitude der Empfangsgröße. Diese quantitative Aussage reicht jedoch
nicht immer aus, um die Qualität einer Rückstreuung und somit die tatsächliche
Sichtweite zu bestimmen. Die Rückstreueigenschaften der Partikel würden bei ei
ner quantitativen Bestimmung der Sichtweite, d. h. bei einer Messung der Maxi
malintensität eine zu große Rolle spielen. So würde beispielsweise ein winziger
Tripelspiegel in Form eines Katzenauges dem System eine stabile Wand vortäu
schen.
Die vorstehend erwähnte Trübung ist jedoch auch über eine andere Größe meß
bar, nämlich durch die Dämpfung der Atmosphäre. Diese spiegelt sich in der ne
gativen Steigung der Meßkurve wieder. Dies ist auch der Zeichnung entnehmbar.
Ohne zusätzliche Trübung, beispielsweise durch eine Nebelbank würde, wie be
reits vorstehend erwähnt, die Meßkurve der gestrichelten Linie folgen. Die Nebel
bank bewirkt jedoch eine stärke Dämpfung und somit einen steileren Abfall der
Kurven.
Analytisch können die beiden Meßgrößen, nämlich die Rückstreueung und die
Dämpfung, im Fall einer Einfachstreuung durch nachstehende Gleichung (1) be
schrieben werden:
In Gl.(1) sind mit U (R) ein digitalisiertes Signal, mit R eine Meßentfernung, mit k
eine Gerätekonstante (welche die Verstärkung, die ausgesandte Laserstrahlung
usw. berücksichtigt), mit ξ (R) eine optische Überlappungsfunktion (in der Zeich
nung der Nahbereich bis etwa 60 m), β(R) eine Rückstreuung aus einer Entfer
nung R und mit τ(R)2 ein Verlust durch Dämpfung oder Transparenz über den
Hin- und Rückweg bezeichnet.
Die jeweilige Meßentfernung R ist wegen der Digitalisierung (Abtastung) ein Viel
faches einer Abtastrate fS und der halben Lichtgeschwindigkeit (wegen des Hin-
und Rückwegs) gemäß Gl.(2):
wobei mit n ein Index des Abtastwertes bezeichnet ist.
Die Transparenz der Atmosphäre kann über die Dämpfung auch ausgedrückt wer
den durch Gl.(3):
wobei mit σ(r) eine Dämpfung oder Extinktion am Ort r bezeichnet ist.
Bei der Bestimmung einer Sichtweite mit Hilfe der LIDAR-Technik liefert eine Mes
sung einer Empfangsintensität bzw. der Spannung U(R) ortsaufgelöst die lokale
Sichtweite, die jedoch gleichzeitig in den beiden unbekannten Meßgrößen, näm
lich der Rückstreuung in Form des Volumen-Rückstreukoeffizienten β(R) und der
Dämpfung (Extinktion) σ(R) enthalten ist, durch die Gl.(4):
wobei mit V(R) eine lokale Sichtweite und mit ε ein Kontrastschwellenwert (bei
einer Normsichtweite von 2% bzw. einer meterologischen Sicht von 5%) bezeich
net sind. Ferner gilt gemäß Gl.(5) für den Volumen-Rückstreukoeffizienten β(R):
wobei mit P eine Rückstreuphasenfunktion bezeichnet ist, welche vom jeweiligen
Streumedium abhängig ist.
Die vorstehend wiedergegebene Gl.(1) wird für eine weitere Berechnung umge
schrieben in ein entfernungskorrigiertes Rückstreusignal der Signatur gemäß
Gl.(6):
Dadurch sind die Meßgrößen β bzw. τ von den bekannten Größen U, R, k und auch
ξ getrennt, wobei die Größe ξ durch die Geometrie der Anordnung vorgegeben
ist.
Durch eine Differenzierung der logarithmischen Signatur und einer Berücksichti
gung von Gl.(3) ergibt sich gemäß Gl.(7)
Die Lösung der Differentialgleichung (7) unter Berücksichtigung von Gl.(5) ent
spricht dann Gl.(8):
wobei mit R0 eine minimale Entfernung, der Beginn einer optischen Überlappung
und mit σ(R0) ein Schätzwert der lokalen Extinktion in der Nähe des Meßinstru
ments bezeichnet sind.
Die Lösung der Gl.(7) liefert unter Umständen, beispielsweise aufgrund von Rau
schen, im Nenner sehr kleine, bisweilen auch negative Werte und ist somit insta
bil.
Eine stabile Lösung von Gl.(7) wird durch ein Vertauschen der Integrationsgren
zen mit Hilfe des Klett-Algorithmus (J. D. Stable, Analytic Inversion Solution for
Processing Lidar Returns, Applied Optics 20, 211, 1981) gemäß Gl.(9) erhalten:
wobei mit Rm eine maximale Meßentfernung (bedingt durch den Rauschpegel)
und mit σ(Rm) ein Schätzwert der lokalen Extinktion am Ende der Meßstrecke be
zeichnet sind.
Ein Startwert, d. h. ein Schätzwert der Extinktion, muß diesmal am Ende der Meß
strecke (Rm) bestimmt werden, was eigentlich im Widerspruch zur LIDAR-Metho
de, nämlich der optischen Fernerkundung, steht. Trotzdem wird diese Rechenme
thode im weiteren angewendet, da sie die einzige stabile Lösung von Gl.(1) bzw.
von Gl.(7) darstellt. Zusätzlich entfallen aufgrund der Division die Gerätekonstan
te k und die Phasenfunktion gemäß Gl.(5), sofern die Größen nicht ortsabhängig
sind.
Somit ist es mit Hilfe eines LIDAR-Systems möglich, die Sichtweite bzw. die Trü
bung der Atmosphäre mit Hilfe der Dämpfung zu erfassen; hierbei ist allerdings
Voraussetzung, daß die Dämpfung nicht so stark ist, daß sofort die gesamte
Strahlung ausgeblendet wird.
Bezüglich der Gl.(9) ist zu bemerken, daß diese Gleichung (9) zwar die stabile Lö
sung von Gl.(7) darstellt, die Berechnung der einzelnen Extinktionswerte σ(R) und
somit der lokalen Sichtweite, wird jedoch durch die Größe S(Rm)/σ(Rm) extrem
beeinflußt.
Die empfangene Intensität wird mittels eines nicht näher darge
stellten Detektors in ein elektrisches Signal umgewandelt, welches nach seiner
Verstärkung digitalisiert wird. Die digitalen Werte werden an einen Rechner über
tragen, in welchem die weitere Auswertung erfolgt.
Eine Realisierung eines stabilen und automatisch durchgeführten Auswerte-Algo
rithmus erfordert mehrere Analyseschritte:
Zuerst muß ein zu untersuchender Meßbereich aus der Spannungsreihe U(R) ge
mäß Gl.(1) ausgewählt werden. Hierbei werden die minimale und insbesondere die
maximale Meßentfernung R bzw. Rm aufgrund des jeweiligen Spannungspegels
U(R) bestimmt.
Ferner werden die Spannungswerte bzw. -pegel U(R) vom Anfang der Meß
strecke, wobei mit dem ersten Abtastwert begonnen wird, solange miteinander
verglichen, bis ein bestimmter Schwellenwert überschritten wird, welcher geräte
abhängig ist, nämlich insbesondere vom Verstärker und von dem Analog-Digital-
Wandler und auch von der optischen Überlappungsfunktion abhängig ist.
Hierauf werden die Spannungswerte bzw. -pegel U(R) für die maximale Entfer
nung Rm ebenfalls mit demselben Schwellenwert verglichen, wobei diesmal aller
dings mit dem letzten Abtastwert begonnen wird. Hierbei wird zusätzlich auf die
mögliche Existenz eines festen Zieles, beispielsweise einer Wand, geachtet. Falls
ein derartiges Festziel vorhanden ist, werden diese Abtastwerte in Richtung des
Empfängers (in welcher Richtung die Indizies abnehmen) übersprungen. Hier
bei ist die Anzahl der Abtastwerte sowohl von der Impulsdauer als auch von der
Empfänger-Bandbreite abhängig. Die Abtastwerte müssen übersprungen werden,
da sonst die Berücksichtigung der Spannungswerte des Festziels zu gute Sicht
weitenwerte über die gesamte Meßstrecke liefern würde.
Schließlich muß der auswertbare Bereich noch dem Kriterium unterzogen werden,
ob überhaupt genügend Meßwerte vorhanden sind, d. h. ob die minimale und die
maximale Entfernung R bzw. Rm weit genug auseinander liegen. Ferner findet
eine weitere Berechnung überhaupt nur dann statt, falls mindestens drei Meßwer
te vorliegen.
Zur Bestimmung des Startwertes σ(Rm) wird dieser beim erstmaligen Einschalten
des Gerätes mit einem sinnvollen Wert initialisiert; hierbei hat sich als sinnvoll
herausgestellt, daß ein genügend großer Extinktionswert, d. h. eine kleine Sicht
weite vorliegen muß. Dieser Startwert muß jedoch auch im Meßbereich des Sy
stems liegen, d. h. eine minimal zu erfassende Sichtweite wird hierbei durch die
Dämpfung und somit die Anzahl der Meßpunkte bestimmt, während die maximal
zu erfassende Sichtweite durch die Laserleistung sowie die Güte des Empfängers
bestimmt ist. Hierbei ist die maximal zu erfassende lokale Sichtweite bzw. die mi
nimal zu berücksichtigende Extinktion eine Gerätekonstante, welche vor dem Ein
satz des Geräts einmal bestimmt werden muß.
Falls das Gerät schon längere Zeit in Betrieb ist, d. h. eine vorhergehende Messung
bereits vorliegt, wird die Berechnung mit dem vorhergehenden Mittelwert der
Sichtweite initialisiert. Eine Berechnung der lokalen Sichtweite bzw. Extinktion fin
det mit Hilfe dieses Startwerts in einem Bereich statt, der, wie vorstehend aus
führlich dargelegt, ermittelt worden ist.
Die lokalen Sichtweiten werden dann jeweils zu einem Mittelwert zusammenge
faßt, wobei Werte, die außerhalb der minimal zu berücksichtigenden Extinktion
liegen, aussortiert, d. h. nicht berücksichtigt werden. Der Mittelwert wird dann mit
dem Startwert verglichen.
Falls eine Abweichung von üblicherweise 10% vorliegt, wird eine Berechnung mit
diesem Mittelwert als einem neuen Startwert solange durchgeführt, bis entweder
keine (nennenwerte) Abweichung mehr vorliegt, d. h. die Abweichung üblicherwei
se kleiner als 10% ist, oder die Schleife zu oft durchlaufen wurde, wenn mehr als
10 Durchläufe erfolgt sind.
Eine Berechnung und eine entsprechende Ausgabe der mittleren Sichtweite hängt
von dem Ergebnis der vorstehend beschriebenen Bestimmung des Startwertes
σ(Rm) sowie von dem im Vergleich zu dem Startwert ermittelten Mittelwert ab.
Sobald die Abweichung zwischen dem letzten Startwert und dem erhaltenen Mit
telwert kleiner als der eingestellte Schwellenwert (bei einer üblichen Abweichung
von 10%) war, stellt der Mittelwert der letzten Berechnung die Sichtweite in dem
ermittelten Bereich R bis Rm dar. Dieser Mittelwert wird dann für die nächste
Messung und für das Berechnung als Startwert weiter gegeben. Hierbei beträgt
ein Meßzyklus üblicherweise 0,1 s bis 1 s.
Wenn die Anzahl der Durchläufe, die wie vorstehend ausgeführt, üblicherweise bei
10 liegt, überschritten wurde, jedoch der Schwellenwert noch nicht erreicht wur
de, werden sowohl der Mittelwert als auch die Abweichung für diesen Bereich an
gegeben. Der Mittelwert wird dann für den nächsten Meßzyklus als Startwert wei
tergegeben.
Wenn der festgestellte Mittelwert größer als die maximale Sichtweite ist, bedeu
tet dies, daß die Sichtweite außerhalb des Meßbereichs liegt. In diesem Fall wird
dann der Startwert für den nächsten Meßzyklus auf die maximale Sichtweite ge
setzt.
Einschränkungen des vorstehend beschriebenen Verfahrens bestehen darin, daß
genügend Streuer vorliegen müssen, die mit der ausgesandten Strahlungsleistung
beleuchtet werden können. Bei einem zu dichten Medium wird die Strahlung zu
sehr gedämpft, so daß die eingangs angeführte Gl.(1) nicht mehr angewendet
werden kann, da es konstruktionsbedingt zu Mehrfachstreuungen kommt, wenn
der Meßbereich zu weit entfernt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nur bei weißen kugelförmigen Streuern, d. h.
bei Nebel anwendbar, da sonst die Gl.'en (5) und (6) nicht benutzt werden kön
nen. Schließlich müssen die Streuer in dem zu untersuchenden Meßbereich gut
durchmischt sein. Das bedeutet, die Rückstreu-Phasenfunktion gemäß Gl.(5) darf
nicht zu sehr schwanken.
Claims (4)
1. Verfahren zum automatischen Bestimmen der Sichtweite mit einem LIDAR-Sy
stem mit folgenden Schritten:
- a) Auswählen eines Entfernungsmeßbereichs;
- b) Vorgeben eines Startwertes;
- c) Berechnen der lokalen Extinktionswerte gemäß Gleichung 9 unter Berücksichtigung des Startwertes;
- d) Berechnen der Sichtweite durch Mitteln der lokalen Extinktionswerte;
- e) Vergleichen der berechneten Sichtweite mit dem Startwert, und
- f) bei Überschreiten einer vorgegebenen Abweichung Wiederholen der Schritte c) bis f) mit der berechneten Sichtweite als Startwert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem nach einer vorgegebenen Anzahl Wieder
holungen der Schritte c) bis f) die Berechnung abgebrochen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Abweichung zwischen dem berechne
ten Wert und dem Startwert ausgegeben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die mittlere Sichtweite in dem festge
stellten Bereich ausgegeben wird, wenn diese im Meßbereich des LIDAR-Systems
liegt.
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