DE3687223T2 - Anlage und geraet mit anwendung der rueckstrahlung von laserstrahlen zur entdeckung und lokalisierung eines objekts oder einer substanz, wie z.b. von brandrauch. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Station für die Aufspürung durch Laserstrahlen von einer Substanz, die fähig ist, wenigstens einen Teil der einfallenden Laserstrahlen zerstreuend zurückzuwerfen, der in dem Oberbegriff des Hauptanspruchs beschriebenen Gattung.
• Eine Station dieser Gattung ist aus dem Patent US Nr. 4 221 463 bekannt. Diese bekannte Station hat zum Ziel, Luftwirbel in einer gegebenen Erfassungsrichtung aufzuspüren. Zu diesem Zweck gründet sich das System auf die Verwendung des durch die Bewegung der Luftwirbel erzeugten Dopplereffekts. Das Ermittlungsbündel ist ein stetiges Laserbündel und die Wellenlänge der Strahlung beträgt 10,6 um.
• Eine derartige Warte kann für die Aufspürung und die Ortung von Rauchen, insbesondere derjenigen, die durch Waldbrände erzeugt werden, nicht verwendet werden. Tatsächlich gestattet die in der bekannten Warte verwendete Laserstrahlung nicht die Aufspürung der Rauche eines Feuers, da die Wellenlänge zu gross ist. Die Sendung eines stetigen Bündels schliesst die Möglichkeit einer Telemetrie, d. h. die Ermittlung der Entfernung des Hindernisses aus. Endlich schliesst die Abwesenheit, in dem bekannten System, von die atmosphärischen Verhältnisse berücksichtigenden Mitteln die Verwendung der Warte für die Aufspürung und die Ortung von Waldbrandrauchen in dem Masse wie Änderungen der atmosphärischen Verhältnisse bedeutend sein können, was ebenfalls bedeutende Änderungen der Leistung der durch ein Hindernis zerstreuend rückgeworfenen Laserstrahlen zur Folge hat. Somit gestattet die bekannte Station nicht, eine zu jeder Zeit zuverlässige Aufspürung und Ortung von Waldbränden zu gewährleisten. Nun ist dies ein Hauptnachteil in dem Masse wie jeder Ermittlungsfehler oder jede Verspätung in der Aufspürung eines Waldbrandes katastrophale Folgen haben kann.
• Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, ausgehend von der durch das U.S. Patent bekannten Station, eine Station zu schaffen, die es gestattet, insbesondere Waldbrandrauche in einem geographischen Bereich, der eine grosse Ausdehnung haben kann, wie einem Bereich mit einem Radius von 20 Kilometern um die Station herum aufzuspüren und zu orten.
• Dank der Merkmale, die in dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs ausgedrückt sind, gestattet die Erfindung, dieses Ziel zu erreichen.
• Diese Merkmale, die nicht von dem Patent US 4 221 463 in offensichtlicher Weise herrühren, werden auch nicht in einem anderen, Laserstrahlen verwendenden Erfassungstationen betreffenden Dokument nahegelegt. Zum Beispiel betrifft die Druckschrift "Electronics and Communications in Japan, Band 64-C, Nr. 7, 1981", H. Kimura, Seiten 117-126 eine einen Laserradar zur Überwachung der Luftverschmutzungsmittel verwendende Station, bei welcher der Laser in einem umlaufenden Gehäuse, das fähig ist, eine Abtastschwenkbewegung durchzuführen, angeordnet ist. Ausser der Tatsache, dass die optischen Wege der ausgesandten und zerstreuend rückgeworfenen Bündel unterschiedlich sind, stellt man in dieser Veröffentlichung fest, dass das Problem der atmosphärischen Sichtigkeit, das jedoch das wesentliche Problem für die Verwendung des fachtechnischen Verfahrens der Lasertelemetrie für die Aufspürung von Rauchen bildet, ebenfalls nicht in Frage gestellt wird.
• Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung erscheinen in den abhängigen Ansprüchen.
• Die Erfindung wird besser verstanden werden und weitere Ziele, Merkmale, Einzelheiten und Vorteile derselben werden deutlicher im Laufe der erläuternden Beschreibung, die folgt unter Bezugnahme auf die beigefügten nur beispielsweise angegebenen, mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulichenden schematischen Zeichnungen erscheinen und in welchen
• Fig. 1 eine Aufspürungsstation gemäss der vorliegenden Erfindung in schematischer Weise darstellt und
• Fig. 2 ein Blockschaltbild ist, dass die Arbeitsweise einer Station und eines Systems, die durch die Erfindung vorgeschlagen sind, zeigt.
• Eine durch die Erfindung vorgeschlagene Aufspürstation bzw.
• Meldestelle umfasst im wesentlichen gemäss der Fig. 1 eine Quelle 1 eines Laserstrahlenbündels 2 verhältnismässig schwachen Durchmessers und in dem Weg dieses ausgesandten Strahlenbündels 2, eine Trennvorrichtung 3, wie eine Trennplatte oder ein Trennwürfel mit Polarisation, eine Polarisationsveränderungsvorrichtung 4, eine optische Vorrichtung 5, wie eine Konvergenzlinse, ein Teleskop 6 und eine sich um eine Achse X-X drehende optische Einheit 8, die dazu bestimmt ist, den austretenden Strahlenbündel zu leiten, damit dieser den zu überwachenden Bereich abtastet.
• Wie dies durch Pfeile angedeutet ist, durchläuft ein durch ein sich in der Laufbahn des ausgesandten und durch die optische Einheit 8 empfangenen Strahlenbündels befindendes Hindernis zerstreuend zurückgestrahltes Strahlenbündel den optischen Weg, der soeben beschrieben worden ist, von der optischen Einheit 8 ab bis zu der Trennvorrichtung 3 aber in der umgekehrten Richtung gegenüber derjenigen des ausgesandten Strahlenbündels 2.
• Die Trennvorrichtung ist entworfen, um von dem ausgesandten Strahlenbündel 2 einen kleinen Strahlenbündelteil 10, der durch eine Konvergenzlinse 11 zu einem ersten Detektor 12 gelangt, zu trennen und um von dem ausgesandten Strahlenbündel 2 das durch das Bezugszeichen 13 angedeutete, zerstreuend zurückgestrahlte Strahlenbündel, das durch einen zweiten Detektor 14 durch eine Konvergenzlinse 15 hindurch empfangen wird, zu trennen. Die durch die Erfindung vorgeschlagene Station umfasst ausserdem eine örtliche Lenkungsvorrichtung 16 (Fig. 2), wie einen Mikroprozessor, die die Funktion hat, den Betrieb der erfindungsgemässen Station zu betätigen, zu organisieren und zu steuern.
• Das Teleskop 6 ist im wesentlichen durch einen ersten in dem durch die, somit eine Strahlenbündeldivergenzvorrichtung bildende Konvergenzlinse erzeugten divergierenden Strahlenbündelteil liegenden Auflichtplanspiegel 16 und einen zweiten in dem durch den Spiegel 16 zurückgeworfenen Strahlenbündel liegenden Spiegel 17 gebildet, der gestaltet ist, um das empfangene divergierende Strahlenbündel zu einem parallelen Strahlenbündel verhältnismässig grossen Durchmessers konvergieren zu lassen. Der Spiegel 16 ist auf der Achse des Spiegels 17 gestellt und weist gegenüber dem Spiegel 17 verhältnismässig schwache Abmessungen auf. Das parallele Strahlenbündel gelangt zu der umlaufenden optischen Einheit 8. Diese umfasst im wesentlichen einen Auflichtplanspiegel 18 und ein mit 19 schematisch angedeutetes Abschirmfenster. Die umlaufende Einheit 8 wird durch einen Schrittschaltmotor, der bei 20 auf dem Schema der Fig. 2 angedeutet ist und durch eine Vorrichtung 26 gesteuert wird, antriebsmässig gedreht.
• Nachstehend wird man die Arbeitsweise einer erfindungsgemässen Station bei ihrer Verwendung in einem Brandrauchaufspürungssystem wie auf Fig. 2 schematisch dargestellt, beschreiben. Bei dieser Gelegenheit wird man ebenfalls beispielsweise die Kriterien und wesentlichen technischen Eigenschaften der Station und des Systems, die eingehalten oder gewählt werden müssen, um einen guten Betrieb zu gewährleisten, angeben.
• Die Laserquelle 1 sendet ein Parallelbündel 2 verhältnismässig kleinen Durchmessers aus. Dieses Bündel wird in ein einen verhältnismässig grossen Durchmesser aufweisendes paralleles Ausgangsbündel mit Hilfe der Konvergenzlinse 5 und des Satzes der beiden Spiegel 16 und 17 umgewandelt. Die umlaufende optische Einheit 8 durchführt eine kreisförmige Schrittbewegung, damit der Bereich gänzlich um die Station oberhalb der Bäume herum abgetastet wird. In jeder unbeweglichen Winkellage sendet die Laserquelle einen oder mehrere Strahlenbündelimpuls bzw. -impulse unter der Steuerung der örtlichen Leitvorrichtung 16 aus, welche einen Schiessbefehl an die die schematisch bei 21 angedeutete Laserquelle speisende Vorrichtung sendet.
• Das Spürgerät 12, dass einen bestimmten Teil des ausgesandten Laserstrahlenbündels 2 empfängt, löst dann einen Chronometer aus, der durch das Spürgerät 14 angehalten werden wird, wenn dieses ein Echo in der Form eines zerstreuend rückgestrahlten Strahlenbündels empfängt. Da die durch den Chronometer gemessene Zeitdauer unmittelbar proportional zu der Entfernung von der Station des Hindernisses, welches das Echo erzeugt hat, ist, kann diese Entfernung errechnet werden. Die durch die beiden Spürgeräte 12 und 14 empfangenen Lichtstärken werden ebenfalls gemessen. Diese verschiedene Messungen werden durch die bei 22 schematisch angedeutete Vorrichtung durchgeführt. Die gemessenen Werte werden durch eine Vorrichtung 23 digitalisiert und die somit erhaltenen Daten werden an die Elektronik der örtlichen Leitvorrichtung 16 übertragen. Der Fluss der verschiedenen Signale ist durch die mit Pfeilen versehen Linien angedeutet.
• Die das durch das Spürgerät 12 empfangene Licht betreffenden Daten, welches in einem bestimmten und bekannten Verhältnis zu der Leistung des ausgesandten Strahlenbündels 2 ist, werden in der zentralen Leitvorrichtung als Betriebsbezug der Laserquelle in Rechnung gestellt. Die zentrale Vorrichtung 16 kann somit diese Laserquelle kontrollieren.
• Die das durch das Spürgerät 14 empfangene zerstreuend rückgestrahlte Licht betreffenden Daten werden ebenfalls in der zentralen Leitvorrichtung 16 in Rechnung gestellt. Diese Daten ermöglichen einerseits, einen die Quelle eines Echos bildenden Gegenstand zu orten und andererseits die atmosphärische Sichtigkeit zu erkennen. Tatsächlich sind stabile Gegenstände, wie zum Beispiel Wassertürme oder Maste in der zentralen Leitvorrichtung 16 verzeichnungsmässig eingetragen. Da deren Stellungskoordinaten in dem durch die Vorrichtung 16 errichteten Polarsystem sowie die Leistung des ausgesandten Strahlenbündels 2 bekannt sind, gibt der durch das Spürgerät 14 bestimmte Wert deren Echos eine Auskunft über die Sichtigkeit der Atmosphäre und gestattet er, Auskünfte über nicht verzeichnungsmässig eingetragene Hindernisse, wie eine Rauchsäule zu erlangen.
• Ist ein Echo, das nicht dem Vorhandensein eines Hindernisses oder eines verzeichnungsmässig eingetragenen Rauches entspricht, aufgespürt worden, werden die durch Telemetrie ermittelten Stärke und Entfernung durch die Vorrichtung 16 in Rechnung gestellt. Wenn der Wert des Echos bedeutend ist, werden sein Standort in Polarkoordinaten und seine Entfernung sofort einem zentralen Rechner 24 mitgeteilt. Wenn die Stärke schwach ist, befiehlt die Vorrichtung 16 einen oder mehrere Schuss bzw. Schüsse auf dasselbe Hindernis, während es die Winkelstellung des Abtaststrahlenbündels aufrechterhält, um die Anwesenheit eines Rauches zu bestätigen oder zu verneinen. In dieser Weise kann man ebenfalls die in Rechnungstellung von vorübergehenden Gegenständen, wie zum Beispiel eines Vogels, in dem Abtaststrahlenbündel ausschliessen.
• Um einen guten Betrieb des erfindungsgemässen Rauchaufspürsystems zu gewährleisten, muß eine gewisse Anzahl von Kriterien und Forderungen in Rechnung gestellt werden. Somit muß die Wellenlänge des durch die Laserquelle 1 ausgesandten Lichtes gemäss mehreren Kriterien gewählt werden die Luft muß für diese Wellenlänge durchlässig sein. Diese sollte sich vorteilhaft in dem für das menschliche Auge unsichtbaren Bereich befinden, um hauptsächlich bei Nacht, die schädlichen oder blendenden Sehwirkungen zu vermeiden. Die Wellenlänge des ausgesandten Lichtes soll kürzer als die Grösse der in dem Rauch enthaltenden Teilchen (Wasserdampf und unverbrannte Festerzeugnisse) sein. Die Dauer der ausgesandten Impulse soll kurz sein, um eine genaue Telemetrie zu gestatten. Man erinnert daran, dass das Licht 30 cm in einer Zeitspanne von einer Nanosekunde (10- 9 s) zurücklegt. Ausserdem ist es sehr wichtig, den Durchmesser des ausgesandten Strahlenbündels so zu wählen, dass die Lichtleistungsdichte dieses Strahlenbündels unterhalb der gebräuchlichen Sicherheitsschwelle liegt, d. h. keine schädliche Wirkung auf das menschliche Auge erzeugt.
• Beispielsweise ist es vorteilhaft, einen Laser der YAG-Neodym Gattung zu verwenden, die Impulse mit einer zwischen 10 und 300 Millijoules liegenden Energie bei einer (das infrarote Licht annähernden) Wellenlänge u = 1,06 u während einer Dauer in der Grössenordnung von 10 Nanosekunden und mit einer Wiederholungsfrequenz von 5 bis 30 Hertz aussendet.
• Damit die Raucherfassung zuverlässig ist, soll der einem Schritt der umlaufenden optischen Einheit 8 entsprechende Winkel genügend schwach sein, zum Beispiel 0,16º also 2,8 Millirad betragen. Demzufolge gibt es 2250 abgetastete Stellungen. Die umlaufende optische Einheit 8 durchführt eine vollständige Horizontumdrehung in 225 Sekunden. Mit einem Laser der hier vorangehend beispielsweise angegebenen Gattung ist es möglich, einen Rauch in einer Entfernung von 20 Kilometern zu erfassen.
• Bezüglich des zentralen Rechners ist darauf hinzuweisen, dass er die Auskünfte von verschiedenen Beobachtungsstationen empfängt. Die für den Gebraucher nützlichen Auskünfte gibt er auf einem Drucker oder auf einem Bildschirm an. Er gibt den Standort der erfassten Rauche auf einem auf einem Bildwiedergabeauswertetisch gestellten Transparent an und schaltet auf einer Wandkarte die Beleuchtung des der Stellung des Transparents entsprechenden Viereckfeldes ein. Durch Aufsetzen des Transparents auf die Karte bestimmt somit der Gebraucher mit Genauigkeit den Standort des Rauches.
• Um die Wirksamkeit und die Zuverlässigkeit des erfindungsgemässen Systems noch zu verbessern können die Vorrichtung 21 zur Speisung der Laserquelle 1 und die Vorrichtung 26 zum Antrieb des Motors 20 sich mit der zentralen Vorrichtung 16 unterhalten, was durch die mit Pfeilen versehenen Linien angedeutet ist. Dementsprechend kann die Antriebsvorrichtung der Vorrichtung 16 bestätigen, dass eine durch diese befohlende Bewegung ausgeführt worden ist. Die Speisevorrichtung 21 kann ihren guten Betrieb betreffende Auskünfte an die Vorrichtung 16 übertragen.
• Aus den vorangehenden Bemerkungen ergibt es sich, dass eine gemäss der vorliegenden Erfindung entworfene Station es gestattet, ein Laserstrahlenbündel mit einem grossen, gemäss den Verwendungsforderungen der Station wählbaren Durchmesser auszusenden. Bei einem Rauchaufspürsystem wird man den Durchmesser so wählen, damit die Lichtstärke des Strahlenbündels nicht unangenehm oder schädlich für das menschliche Auge ist. Ausserdem gewährleistet ein grosser Durchmesser eine grosse Erfassungsfähigkeit des optischen Empfangsystems. Die Tatsache, dass erfindungsgemäss die optische Sendervorrichtung und die optische Empfangsvorrichtung durch eine und dieselbe Vorrichtung gebildet sind, vereinfacht beträchtlich den Aufbau der Station und macht sie billig und sehr zuverlässig. Dank der spezifischen Verwendung, die oben beschrieben worden ist, der Spürgeräte 12 und 14 und des Vorhandenseins der Sachregister der in der örtlichen Leitvorrichtung nicht beizubehaltenen Hindernisse ist es möglich, in ständiger Weise eine Auskunft über die richtige Arbeitsweise der Laserquelle, über die atmosphärischen Verhältnisse und über die Beschaffenheit der Echoquellen bildenden Hindernisse zu haben. Um das System noch weiter zu verbessern, kann die örtliche Leitvorrichtung 16 sich mit dem zentralen Rechner und mit einer bei 25 angedeuteten Bedienungsstelle unterhalten, die es gestattet, neue Daten in die Vorrichtung 16 einzuführen oder gewisse durch diese Vorrichtung erzeugten Daten zu bestätigen, zum Zweck einer ständigen Aufarbeitung zum Beispiel des Sachregisters und um Überprüfungen der Beschaffenheit gewisser nicht verzeichneten Echoen, wie zum Beispiel von zu duldenden flüchtigen Rauchen zu gestatten, aber die trotzdem das Auslösen eines Alarms nicht veranlassen sollen. Ausserdem kann die Ortung eines Rauches durch eine einzige Station durchgeführt werden.

Claims (7)

1. Einrichtung zur Erkennung mit Hilfe von Laserstrahlen einer Substanz, die in der Lage ist, wenigstens einen Teil der einfallenden Laserstrahlen zurückzustrahlen, mit einer Laserquelle (1) zur Aussendung von Laserstrahlen, einem Detektor (14) der von der genannten Substanz zurückgestrahlten und von der Anlage empfangenen Laserenergie, einer optischen Anordnung (3,4,5,6), die in umgekehrter Richtung von den von der genannten Quelle ausgesandten Strahlen und von der empfangenen zurückgestrahlten Energie durchlaufen wird und mit einer Vorrichtung (3) zur Trennung der von der genannten Quelle (1) ausgesandten Strahlen und der für den Detektor (14) bestimmten zurückgestrahlten Energie und mit einer optischen Vorrichtung (5,6) zur Erweiterung der von der genannten Quelle ausgesandten Strahlen zur Bildung eines Bündels grösseren Durchmessers, der von der Einrichtung ausgesandet wird, und zur Verringerung des Durchmessers der zurückgestrahlten und empfangenen Energiestrahlen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung und Lokalisierung insbesondere von Rauch, der von Waldbränden herstammt, in einer geographischen Zone, die eine grosse Ausdehnung haben kann, wie eine Zone mit einem Radius von 20 Kilometern um die Einrichtung herum, letztere eine sich drehende optische Einheit (6) besitzt, die drehbar in dem genannten Bündel grösseren Durchmessers vorgesehen ist und von einem Motor angetrieben wird, um eine die zu überwachende Zone abtastende Bewegung auszuführen, mit Stillständen in vorbestimmten Winkelstellungen, dass die die Laserstrahlen aussendende Quelle (1) geeignet ist, Laserstrahlen in Form von wiederkehrenden Impulsen auszusenden, von denen wenigstens einer bei jedem genannten Stillstand abgeschossen wird und die eine Wellenlänge besitzen, die im Vergleich zu der Grösse der zurückgestrahlten und in dem Rauch enthaltenen Teilchen gering ist, und die unsichtbar sind und für die die Atmosphäre eine gute Transparenz besitzt, die die grosse Ausdehnung der zu überwachenden Zone gewährleistet, und dadurch, dass die Einrichtung eine Vorrichtung (22) zur Messung der Entfernung einer zurückstrahlenden Substanz durch Bestimmung der Zeitdauer zwischen der Aussendung der Strahlen und dem Empfang der von dieser Substanz zurückgestrahlten Energie und eine zentrale Steuervorrichtung (16), wie eine Mikroprozessorvorrichtung, besitzt, die ein Verzeichnis feststehender Gegenstand besitzt, die sich ständig in der von den ausgesandeten Strahlen abgetasteten Zone befinden, und die in der Lage ist, die atmosphärische Sichtigkeit in der abgetasteten Zone und die Art der zurückstrahlenden Substanz zu bestimmen, unter Ausnutzung der von den feststehenden Gegenständen zurückgestrahlen Energie als Bezugsgrösse.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle (l) eine YAG-Neodym Quelle ist, die Impulse mit einer Energie zwischen 100 und 300 Millijcules, bei einer Wellenlänge in der Grössenordnung von u = 1,06 um während einer Zeitdauer in der Grössenordnung von 10 Nanosekunden aussendet.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die sich drehende optische Einheit (6) von einem Schrittmotor angetrieben wird, wobei der Winkel, der einem Schritt entspricht, zwischen 0,160 und 2,8 Millirad beträgt und jeder Schritt einem genannten Stillstand entspricht.

4. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Erweiterung und zur Verringerung des Durchmessers des Bündels (5,6) geeignet ist, um ein Bündel zu erzeugen, dessen Durchmesser auf einen Bündelintensitätswert erweitert ist, der nicht für das menschliche Auge schädlich ist.

5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Erweiterung und zur Verringerung des Durchmessers des Laserbündels (5,6) eine optische Vorrichtung (5) besitzt, die das parallele Bündel geringen Durchmessers, das von der Laserquelle (1) ausgesendet wird, in ein divergierendes Bündel umformt, und ein Teleskope (6) aufweist, das geeignet ist, das von der optischen Vorrichtung (5) empfangene divergierende Bündel in ein paralleles Bündel grösseren Durchmessers zu konvergieren.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Teleskope (6) einen ersten Reflektorspiegel (16) mit verhältnismässig geringen Ausmassen, der in dem Strahlengang des Laserbündels von der optischen divergierenden Vorrichtung (5) im Abstrahlungssinne abwärts angeordnet ist, und einen zweiten Spiegel (17) besitzt,der in der Achse des vom ersten Spiegel (16) zurückgeworfenen Bündels angeordnet ist und in der Lage ist, dass divergierende Bündel in ein Parallelbündel verhältnismässig grossen Durchmessers zu konvergieren.

7. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sich drehende optische Einheit einen reflektierenden Planspiegel (18) besitzt, der drehbar in dem Bündel erweiterten Durchmessers angeordnet ist.