DE19642967C1

DE19642967C1 - Verfahren zum automatischen Bestimmen der Sichtweite mit einemn LIDAR-System

Info

Publication number: DE19642967C1
Application number: DE19642967A
Authority: DE
Inventors: Juergen Streicher
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1996-10-18
Filing date: 1996-10-18
Publication date: 1998-06-10
Anticipated expiration: 2016-10-19
Also published as: US5914776A; CA2219010A1; CA2219010C

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 (σ_m) 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 f_S 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 R_m eine maximale Meßentfernung (bedingt durch den Rauschpegel) und mit σ(R_m) 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 (R_m) 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(R_m)/σ(R_m) 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. R_m 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 R_m 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. R_m weit genug auseinander liegen. Ferner findet eine weitere Berechnung überhaupt nur dann statt, falls mindestens drei Meßwer te vorliegen.

Zur Bestimmung des Startwertes σ(R_m) 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(R_m) 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 R_m 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

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.