JP4164285B2 - 視距離、降水量、降水の種類を決定する方法および視距離測定器と降水量測定器とを組み合わせた前記方法を実施するための装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、視距離、降水量、降水の種類を決定するための方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
環境・気象パラメータの測定はますます重要になってきている。従来の目視観察の代わりに気象現象を自動的に検知して気象観測所を徐々に完全自動化するには、できるだけ多くの所要パラメータを決定することのできる測定器が必要である。
【０００３】
大気の混濁はエアロゾルによって発生し、エアロゾルの種類および濃度が視距離を決定する。この場合、光学測定器を用いて視距離を検出するため、２つの物理学的効果が考慮される。測定体積を光源で照射すると、光の散乱と光の吸収が生じる。これら２つの物理学的効果は光透過測定装置を用いて検出され、放射した光のうち何パーセントが受光器の位置に達したかが調べられる。この場合、受光信号はエアロゾルでの散乱によって影響されるばかりでなく、エアロゾルによる吸収によっても影響される。これら２つの現象を総括して減光という概念が得られが、吸収は散乱に対し無視することができる。光透過測定器は大気の減光係数を直接に測定する。このときの視距離は、KOSCHMIEDERによって説明された関係に従って定義され、決定することができる。
【０００４】
光透過測定器には、視距離の決定に関係づけられる空気体積が大きいという利点以外に、光透過と視距離とを一義的に関係づける利点がある。光透過測定器の測定性能のクォリティは一般にポジティブなものと評価されている。他方、散乱光測定器と同様に測定コンセプトが簡潔である。その理由は以下のとおりである。・視距離測定範囲が広い。・降水の種類と降水の強さを決定できる。・原価が安い。・必要とするスペースが小さい。送光器と散乱受光器との測定体積に対する典型的な距離は１ｍ以下である。・方向調整作業が必要ない。・測定性能に対するディスクの汚れの影響が少ない。・校正が簡単である。・保守コストが少ない。
【０００５】
ドイツ特許公開第２１２１０８８号公報に記載されているような散乱光測定器の場合、受光器は光源に対し適当な角度で位置決めされる。測定体積内のエアロゾルと降水粒子によってこの角度で散乱した光成分が検出される。この場合受光信号を判定するためには、光散乱関数と大気の減光係数との関係を知る必要がある。
【０００６】
従来の散乱光測定器では、散乱角を選定して測定を行なうか、或いは、可能な限り広い散乱角にわたって測定を行なっていたが、これでは種々の粒子の散乱挙動の違いを考慮できず、或いは十分に考慮できない。
【０００７】
従来の測定器が実現する方法は、測定に使用する波長において適用された散乱角が、発生するすべての現象を代表するものと想定できるという仮定に基づいている。
この場合、大気モデルの種々のシミュレーションと、実地のテスト、可視波長範囲に対する比較とに基づけば、ほぼ３０゜ないし４０゜の前方散乱角が多くのエアロゾルタイプ、エアロゾル混合物、エアロゾル濃度を代表するものであることが判明した。一般的には、光の波長よりも非常に大きな径を持った大きさの粒子に対しては、ミー（Ｍｉｅ）の散乱理論が適用される。もちろん、霧と埃とでは散乱挙動に大きな違いがあるので、測定した散乱信号に対し異なる評価を行なう必要がある。
【０００８】
降水を観察すると、はるかに強い影響力があるものがある。霧雨や雨の滴、雹の粒子、氷粒、雪片には全く異なる散乱挙動が生じ、もやまたは霧の場合に測定した散乱信号と同じ評価を行なうことはできない。さらに、これらの粒子は準定常的な空間位置にとどまっているのではなく、その大きさのゆえに大地の方向へ運動し、よって測定体積内にとどまっている期間は時間的に制限されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、霧、雨、雪等の種々の現象を良好に識別できる方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この課題は、請求項１によれば、波長を選定し且つ強度を整合させた、所定の空間領域を照射する送光器と、エアロゾルおよび場合によっては測定体積内の個別粒子によって散乱した光を狭帯域で且つ整合感度で受光する受光器であって、送光器から出る光束軸に対し２０゜ないし４０゜の角度範囲から適当な視野で受光する前記受光器および送光器から出る光束軸に対し７０゜ないし１２０゜の角度範囲から適当な視野で受光する前記受光器とを用いて視距離、降水量、降水の種類を決定する方法において、まず、２０゜ないし４０゜の角度範囲で得られた受光信号を処理することにより、信号平均値と自然信号との比較をベースにして、測定体積内に降水粒子が実際に存在しているかどうかを判定し、この降水粒子の検出をベースにして、処理ユニットを用いて、測定体積内での降水粒子滞留時間を決定するとともに、検出した降水粒子により発生する、２０゜ないし４０゜の角度範囲で受信した散乱信号の最大値を求め、さらに受光信号の平均値を決定し、その際２０゜ないし４０゜の角度範囲で検出した粒子の信号平均値への影響を阻止すること、７０゜ないし１２０゜の角度範囲で得られた受光信号を処理することにより、２０゜ないし４０゜の角度範囲で検出した各粒子に対し、７０゜ないし１２０゜の角度範囲で受信した散乱信号の最大平均値を求めること、処理ユニットにおいて、２０゜ないし４０゜の角度範囲で得られた粒子修正平均値をベースにして、降水に起因しない減光成分を決定すること、処理ユニットにおいて、測定体積内で２０゜ないし４０゜の散乱角で検出される粒子に対し、２０゜ないし４０゜の角度範囲で得られた前記最大値と７０゜ないし１２０゜の角度範囲で得られた前記最大平均値とを比較することにより、且つ異なる降水の凝集状態の典型的な角度依存散乱挙動の検知に基づいて、降水の凝集状態が雨、雪、雹、あられのいずれであるかを決定することによって解決される。
【００１１】
また、請求項１２によれば、波長を選定し且つ強度を整合させた、所定の空間領域を照射する送光器と、エアロゾルおよび場合によっては測定体積内の個別粒子によって散乱した光を狭帯域で且つ整合感度で受光する受光器であって、送光器から出る光束軸に対し２０゜ないし４０゜の角度範囲から適当な視野で受光する前記受光器および送光器から出る光束軸に対し１４０゜ないし１５０゜の角度範囲から適当な視野で受光する前記受光器とを用いて視距離を決定する方法において、まず、２０゜ないし４０゜の角度範囲で得られた受光信号を処理することにより、信号平均値と自然信号との比較をベースにして、測定体積内に降水粒子が実際に存在しているかどうかを判定し、この降水粒子の検出をベースにして、２０゜ないし４０゜の角度範囲で検出した粒子の信号平均値への影響を阻止すること、１４０゜ないし１５０゜の角度範囲で得られた受光信号を処理することにより、２０゜ないし４０゜の角度範囲で検出した各粒子に対し、信号平均値に対する影響を阻止して、粒子修正した平均値のみを決定すること、処理ユニットにおいて、２０゜ないし４０゜の角度範囲で検出した粒子修正した平均値と、１４０゜ないし１５０゜の角度範囲で検出し粒子処理した平均値とを比較することにより、且つ角度に依存する典型的な散乱特性の知識に基づいて、支配的な霧／もや現象を一義的に分類し、これから視距離を決定することによって解決される。
合目的な構成は従属項に記載されている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を添付の図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明による装置の主要な構成要素を示すもので、１は送光器、２，３，４，５は４つの光電子受光器で、それぞれ後段増幅器６，７，８，９およびこれに接続されている同期整流器１０，１１，１２，１３を介して共通の処理ユニット１４に接続されている。１５は変調用発振器である。光電子受光器２は送光器１に対向配置され、他の光電子受光器３，４，５は３２゜、９０゜、または１４３゜の測定角度で配置されている。光電子受光器２，３，４，５の視野と送光器１から出る光束との交差領域には、いわゆる測定体積１６が生じる。
【００１３】
測定体積１６は、幅狭の光錐を持った送光器１により１秒間に少なくとも数千回の所定回数の照射を受け、この場合送出した光は強度変調されており(たとえば正弦状)、所定の波長を有している。
【００１４】
測定が日光に依存している理由と、ＳＮ比を改善するため、変調用発振器１５により光源の強度を１ｋＨｚ以下の周波数で変調させる。光電子受光器２，３，４，５は、送光器１が利用する波長だけを透過させる光学的帯域フィルタを備えている。受信した信号の後段増幅は、利用される変調周波数の周辺で狭帯域で行なう。これに続く同期整流器１０，１１，１２，１３では、次の電子評価装置３３への供給を考慮して、変調周波数に対し位相比を固定して整流を行う。
【００１５】
送光器１と受光器２，３，４，５との空間的な配置は送受信ユニットのアパーチャー角を考慮して選定され、すなわち降水が最も頻繁に起こるときに期待される降水粒子の最大空間発生密度において、１個の粒子のみが一時的に測定体積１６内にとどまることが保証されるような大きさの測定体積が生じるよう選定される。これにより個別粒子検出が可能になる。
【００１６】
この粒子は、その大きさのために、エアロゾルとは区別できる散乱信号を発生させるので、この散乱信号を時間的に不連続に分析することにより降水粒子の存在を全般的に検出することが可能である。図２に図示した未処理信号は、１個の降水粒子が測定体積１６を通過するときに典型的に得られる測定装置の受光信号である。
【００１７】
１個の降水粒子により発生する信号振幅は、降水に起因しない信号と明確に区別することができる。したがって、自然信号を信号平均値と比較することにより、１個の降水粒子が測定体積１６内に存在するか否かに関する明確な情報を得ることが可能である。
【００１８】
この情報により、時間的に連続した通常の受光信号分析以外に、時間的に離散的な降水粒子処理が可能になる。
【００１９】
検出されるそれぞれの降水粒子に対し特徴的な測定量は、１回の降水事象における半波の数量と、この場合の最大発生信号振幅である。
【００２０】
このような信号処理を、関与するすべての受光器２，３，４，５において行うならば、散乱信号の大きさの絶対値と違いとの直接的な評価を時間的平均値においてもそれぞれ個々の降水粒子事象に対しても別個に行なうことができ、すなわち１個の降水粒子を測定体積１６を通過するときに検知して、測定体積１６での滞留時間と粒子により発生した信号振幅とを記録することができる。
【００２１】
本発明は、以上述べた個々の粒子の検出をベースとして、降水による受光信号成分を降水に起因しない受光信号成分とを分離させることを可能にするものである。
受光器２，３，４，５を用いて種々の角度で得られた未処理信号は、図３によれば以下のように電子評価装置３３において選別される。
【００２２】
１．受光器３によって得られた未処理信号から、第１の受光信号選別器１７を用いて、(図４によれば)、以下の情報または測定量を導出し、以後の処理に提供する。測定体積１６内の降水粒子の存在の記録。測定体積１６を通過する個々の降水粒子に対する受光信号の最大値の検出（Ａｍａｘ（３２゜））。散乱信号の平均値の検出。この場合、この平均値に対する降水粒子の影響を阻止する(Ａａｖ（３２゜）)。
【００２３】
２．受光器４によって得られた未処理信号から、第２の受光信号選別器１８を用いて、(図５によれば)、３２゜で検出した個々の降水粒子に対する受光信号の最大値を検出する(Ａｍａｘ（９０゜）)。
【００２４】
３．受光器５によって得られた未処理信号から、第３の受光信号選別器１９を用いて、(図６によれば)、散乱信号の平均値を形成させる。この場合も、この平均値に対する降水粒子の影響を阻止する（Ａａｖ（１４３゜））。
【００２５】
４．受光器２によって得られた未処理信号から、第４の受光信号選別器２０を用いて、(図７によれば)、以下の測定量を導出する。測定体積１６を通過する個々の降水粒子に対する受光信号の最小値（Ａｍｉｎ（０゜））。受光信号の平均値。この場合も、この平均値に対する降水粒子の影響を阻止する（Ａａｖ（０゜））。
【００２６】
次に、図４を用いて、対応する信号の取得について詳細に説明する。受光器３によって３２゜で得られた未処理信号Ａは、図４によれば、平均値を形成させるため、低域フィルタ２１とこれに平行して閾値スイッチ２２の第１の入力とに送られる。低域フィルタ２１の出力は、閾値スイッチ２２の第２の入力と接続されている。降水粒子が信号平均値よりも大きな受光信号を生じさせるという事実に基づいて、受光信号と自然信号(平均化されない信号)とを比較することにより、測定体積１６内に降水粒子が実際に存在しているかどうかを推定できる。このために閾値スイッチ２２を用いる。１個の降水粒子が測定体積１６に侵入すれば、この降水粒子が測定体積１６にとどまっている間、閾値スイッチ２２の出力に各変調信号半波に対するそれぞれ１つの矩形パルスが発生する(信号列Ｂ)。処理ユニット１４では、この矩形パルスが粒子滞留時間を決定するために考慮されるとともに、これから信号「Event-Trigger」が導出される。信号「Event-Trigger」は信号分離ユニット２３，２４，２５，２６のための制御信号として用いる。信号「Event-Trigger」は、実際に１個の降水粒子が存在しているかどうかを示している。
【００２７】
信号分離ユニット２３は、この信号「Event-Trigger」を用いて、３２゜で得られた未処理信号Ａを降水に起因した成分から分離させ、その第１の出力を介して信号列Ｄを送る。次に、この降水に起因しない受光信号成分の平均値を形成させ、低域フィルタ２７を介して誘導する。その結果信号列Ｅが発生する。信号分離ユニット２３の第２出力では、降水に起因した信号成分が出力され、最大値検出器２８に送られる。これにより処理ユニット１４に、降水粒子によって生じる信号振幅の最大値が提供される(信号列Ｆ)。降水粒子が測定体積１６から離れると、この測定値は処理ユニット１４により読み取られ、最大値検出器２８は制御信号Max/Min- Resetによりリセットされ、次の測定のために準備状態となる。
【００２８】
図５によれば、提供された未処理信号Ｇから、信号分離ユニット２４と最大値検出器２９とを用いて、信号選別のために３２゜で記述した順番に対応して、３２゜で検出した各降水粒子に対し、降水に起因した受光信号の最大値を９０゜で検出する(信号列ＨとＩ)。
【００２９】
図６によれば、受光器５により１４３゜で得られた未処理信号Ｊが信号分離ユニット２５を用いて降水に起因しない信号成分から切り離され、平均値形成後、低域フィルタ３０により同様に処理ユニット１４へ転送される(信号列ＫとＬ)。
【００３０】
１個の降水粒子が測定体積１６に侵入したとき、受光器２を用いて直接測光で信号破壊を確認することができる。図７によれば信号列Ｍが生成される。この過程を測定技術的に評価するため、３２゜で検出した各粒子に対し、信号分離ユニット２６と最小値検出器３１とを用いて、最小直接測光値(信号列Ｐ)が検出され、処理ユニット１４に送られる。粒子が測定体積１６を離れたあとで、最小値検出器３１はリセットされる。さらに、０゜で得られて信号分離ユニット２６により降水に起因する信号成分から分離された受光信号(信号列Ｎ)が低域フィルタ３２に送られるので、処理ユニット１４には、降水に起因していない平均値(信号列Ｏ)が提供される。
【００３１】
得られた信号に対するその後の処理と評価のために、以下に述べるような関連性と評価機構とがベースとして考慮される。以下の記述は可視スペクトル範囲の光波長を使用することに関する。他の波長に対しては、取り上げた角度範囲はずれる。しかし一般的には、他の波長に対しても以下に述べる関連性と方法が適用される。
【００３２】
１．降水に起因しない信号成分の評価霧の現象の最適な評価は、ほぼ２０゜ないし４０゜の散乱角でのみ行なうことができる。霧に対し最適なこの角度範囲でもやを同じように評価すると、６０％以下の視距離決定が不確定になる。３２゜の測定結果と１４３゜の測定結果とを並行的に評価することにより(商の形成)、支配的なもや減少を推定することができる。これにより、２０゜ないし４０゜で受信した受光信号を現象に依存して評価することが可能になる。これにより、公知のすべての霧現象およびもや現象に対し測定の不確定性を１０％以下に維持することができる。
【００３３】
３２゜で選別した散乱信号(ＡＡＶ（３２）)および１４３゜で選別した散乱信号(ＡＡＶ（１４３）)の平均値を形成したあと、それぞれ典型的な機器定数Ｋ３２とＫ１４３を適用する(単位１／Ｖｍ)。次に両測定結果の比率を形成させて(商の形成)、霧または複数のもや現象(もや１、もや２、もや３)のうちの１つが存在するかどうかを推量する。現象のカテゴリーを決定した後、適宜適合させた評価ファクタ(Ｋ霧、Ｋもや１、Ｋもや２またはＫもや３)と典型的な機器定数Ｋ３２とを考慮して、３２゜で得られた散乱信号から、降水に起因していない減光成分を算出することができる。
【００３４】
これに関連して、もや現象をもや群に分類することは必ずしも必要でない。また、Ｋ３２・ＡＡＶ（３２）とＫ１４３・ＡＡＶ(１４３)との商に依存した動的受光信号整合を最適なもや評価のために使用してもよい。
【００３５】
２．降水に起因する信号成分の評価個別粒子を検出するための上記方法により、すでに述べたように、散乱光測定体積に侵入する降水粒子の時間的に離散的な処理が可能になる。したがって、これら粒子のそれぞれに対して散乱信号の振幅と測定体積内での滞留時間とが提供される。ある側散乱角にある散乱光信号は、液状降水であるか固形降水であるか、或いは雨、雪、或いはあられであるかに関し特に内容のない情報を含んでいる。３２゜の測定時に降水粒子が検出されると、同時に、３２゜（Ａｍａｘ（３２））と９０゜（Ａｍａｘ(９０)）で得られた測定値(典型的な機器定数Ｋ３２とＫ９０を使用)の商と、測定体積内での滞留時間とを用いて、どの降水形態であるかが決定される。
【００３６】
３２゜の測定角では、機器定数Ｋ３２を代入し、且つ液状降水に対する適合ファクタＫ液状降水を考慮することにより、液状降水結果を代表的に査定することができる。このような処置により以下のパラメータの決定が可能になる。・液状降水による減光・液状降水の粒度分布、よって霧雨と雨との区別・液状降水の強度
【００３７】
振幅を粒子事象の滞留時間で積分すると、その値は有効粒子横断面積に比例し、よって粒子減光に比例している。個別粒子減光を観察時間にわたって合算すると、液状降水に対する減光成分が得られる。さらに、観察されたそれぞれの液状降水粒子に対し含水量を決定でき、観察時間に対しても含水量を合算することができる。これにより、液状降水に対する降水強度情報が得られる。固形降水があれば、散乱光情報から減光成分または降水強度に関する信頼のある情報を導出することはできない。しかしながら、固形粒子に起因する減光成分とこれに対応する降水強度とは有効粒子横断面積を知ることで決定できる。０゜の測定により、粒子が測定体積に侵入したときに生じる相対透過侵入度を評価することによってこの有効粒子横断面積を決定することができる。相対透過侵入度は、測定値Ａｍｉｎ（０）とＡＡＶ（０）との商により、直接受光器Ｋ０に対する他の機器定数を考慮して算出することができる。さらに、雪またはあられが存在するかどうかに依存して、対応する適合ファクタを使用することができる（Ｋ雪またはＫあられ）。
【００３８】
この測定を実施するには、３２゜で降水粒子を検出し、９０゜での補助的な測定により固形降水と認定するだけでよい。振幅を直接測光で検出した相対信号破壊の滞留時間で積分すると、その値は有効粒子横断面積に比例し、よって粒子減光度に比例する。観察時間にわたって個別粒子減光度を合算すると、固形降水に対する減光成分が得られる。さらに、観察されたそれぞれの固形降水粒子に対し含水量を決定でき、観察時間に対しても含水量を合算することができる。これにより、固形降水に対する降水強度情報が得られる。
【００３９】
降水に起因する減光の全成分は、雪、あられおよび液状降水に対する部分減光を加算することにより検出できる。
３．降水に起因する信号成分と降水に起因しない信号成分の評価視距離を最終的に決定するため、降水に起因しない減光成分と降水に起因する減光成分とを加算し、限界明暗比を考慮して視距離に換算する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による装置の構成原理を示す図である。
【図２】 測定信号図である。
【図３】 電子評価装置のブロック構成図である。
【図４】 第１の受信選別部の構成原理を示す図である。
【図５】 第２の受信選別部の構成原理を示す図である。
【図６】 第３の受信選別部の構成原理を示す図である。
【図７】 第４の受信選別部の構成原理を示す図である。
【図８】 第５の受信選別部の構成原理を示す図である。
【符号の説明】
１ 送光器
２，３，４，５ 受光器
６，７，８，９ 後段増幅器
１０，１１，１２，１３ 同期整流器
１５ 変調発振器
３３ 電子評価装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、視距離、降水量、降水の種類を決定するための方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
環境・気象パラメータの測定はますます重要になってきている。従来の目視観察の代わりに気象現象を自動的に検知して気象観測所を徐々に完全自動化するには、できるだけ多くの所要パラメータを決定することのできる測定器が必要である。
【０００３】
大気の混濁はエアロゾルによって発生し、エアロゾルの種類および濃度が視距離を決定する。この場合、光学測定器を用いて視距離を検出するため、２つの物理学的効果が考慮される。測定体積を光源で照射すると、光の散乱と光の吸収が生じる。これら２つの物理学的効果は光透過測定装置を用いて検出され、放射した光のうち何パーセントが受光器の位置に達したかが調べられる。この場合、受光信号はエアロゾルでの散乱によって影響されるばかりでなく、エアロゾルによる吸収によっても影響される。これら２つの現象を総括して減光という概念が得られが、吸収は散乱に対し無視することができる。光透過測定器は大気の減光係数を直接に測定する。このときの視距離は、KOSCHMIEDERによって説明された関係に従って定義され、決定することができる。
【０００４】
光透過測定器には、視距離の決定に関係づけられる空気体積が大きいという利点以外に、光透過と視距離とを一義的に関係づける利点がある。光透過測定器の測定性能のクォリティは一般にポジティブなものと評価されている。他方、散乱光測定器と同様に測定コンセプトが簡潔である。その理由は以下のとおりである。・視距離測定範囲が広い。・降水の種類と降水の強さを決定できる。・原価が安い。・必要とするスペースが小さい。送光器と散乱受光器との測定体積に対する典型的な距離は１ｍ以下である。・方向調整作業が必要ない。・測定性能に対するディスクの汚れの影響が少ない。・校正が簡単である。・保守コストが少ない。
【０００５】
ドイツ特許公開第２１２１０８８号公報に記載されているような散乱光測定器の場合、受光器は光源に対し適当な角度で位置決めされる。測定体積内のエアロゾルと降水粒子によってこの角度で散乱した光成分が検出される。この場合受光信号を判定するためには、光散乱関数と大気の減光係数との関係を知る必要がある。
【０００６】
従来の散乱光測定器では、散乱角を選定して測定を行なうか、或いは、可能な限り広い散乱角にわたって測定を行なっていたが、これでは種々の粒子の散乱挙動の違いを考慮できず、或いは十分に考慮できない。
【０００７】
従来の測定器が実現する方法は、測定に使用する波長において適用された散乱角が、発生するすべての現象を代表するものと想定できるという仮定に基づいている。
この場合、大気モデルの種々のシミュレーションと、実地のテスト、可視波長範囲に対する比較とに基づけば、ほぼ３０゜ないし４０゜の前方散乱角が多くのエアロゾルタイプ、エアロゾル混合物、エアロゾル濃度を代表するものであることが判明した。一般的には、光の波長よりも非常に大きな径を持った大きさの粒子に対しては、ミー（Ｍｉｅ）の散乱理論が適用される。もちろん、霧と埃とでは散乱挙動に大きな違いがあるので、測定した散乱信号に対し異なる評価を行なう必要がある。
【０００８】
降水を観察すると、はるかに強い影響力があるものがある。霧雨や雨の滴、雹の粒子、氷粒、雪片には全く異なる散乱挙動が生じ、もやまたは霧の場合に測定した散乱信号と同じ評価を行なうことはできない。さらに、これらの粒子は準定常的な空間位置にとどまっているのではなく、その大きさのゆえに大地の方向へ運動し、よって測定体積内にとどまっている期間は時間的に制限されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、霧、雨、雪等の種々の現象を良好に識別できる方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この課題は、請求項１によれば、波長を選定し且つ強度を整合させた、所定の空間領域を照射する送光器と、エアロゾルおよび場合によっては測定体積内の個別粒子によって散乱した光を狭帯域で且つ整合感度で受光する受光器であって、送光器から出る光束軸に対し２０゜ないし４０゜の角度範囲から適当な視野で受光する前記受光器および送光器から出る光束軸に対し７０゜ないし１２０゜の角度範囲から適当な視野で受光する前記受光器とを用いて視距離、降水量、降水の種類を決定する方法において、まず、２０゜ないし４０゜の角度範囲で得られた受光信号を処理することにより、信号平均値と自然信号との比較をベースにして、測定体積内に降水粒子が実際に存在しているかどうかを判定し、この降水粒子の検出をベースにして、処理ユニットを用いて、測定体積内での降水粒子滞留時間を決定するとともに、検出した降水粒子により発生する、２０゜ないし４０゜の角度範囲で受信した散乱信号の最大値を求め、さらに受光信号の平均値を決定し、その際２０゜ないし４０゜の角度範囲で検出した粒子の信号平均値への影響を阻止すること、７０゜ないし１２０゜の角度範囲で得られた受光信号を処理することにより、２０゜ないし４０゜の角度範囲で検出した各粒子に対し、７０゜ないし１２０゜の角度範囲で受信した散乱信号の最大平均値を求めること、処理ユニットにおいて、２０゜ないし４０゜の角度範囲で得られた粒子修正平均値をベースにして、降水に起因しない減光成分を決定すること、処理ユニットにおいて、測定体積内で２０゜ないし４０゜の散乱角で検出される粒子に対し、２０゜ないし４０゜の角度範囲で得られた前記最大値と７０゜ないし１２０゜の角度範囲で得られた前記最大平均値とを比較することにより、且つ異なる降水の凝集状態の典型的な角度依存散乱挙動の検知に基づいて、降水の凝集状態が雨、雪、雹、あられのいずれであるかを決定することによって解決される。
【００１１】
また、請求項１２によれば、波長を選定し且つ強度を整合させた、所定の空間領域を照射する送光器と、エアロゾルおよび場合によっては測定体積内の個別粒子によって散乱した光を狭帯域で且つ整合感度で受光する受光器であって、送光器から出る光束軸に対し２０゜ないし４０゜の角度範囲から適当な視野で受光する前記受光器および送光器から出る光束軸に対し１４０゜ないし１５０゜の角度範囲から適当な視野で受光する前記受光器とを用いて視距離を決定する方法において、まず、２０゜ないし４０゜の角度範囲で得られた受光信号を処理することにより、信号平均値と自然信号との比較をベースにして、測定体積内に降水粒子が実際に存在しているかどうかを判定し、この降水粒子の検出をベースにして、２０゜ないし４０゜の角度範囲で検出した粒子の信号平均値への影響を阻止すること、１４０゜ないし１５０゜の角度範囲で得られた受光信号を処理することにより、２０゜ないし４０゜の角度範囲で検出した各粒子に対し、信号平均値に対する影響を阻止して、粒子修正した平均値のみを決定すること、処理ユニットにおいて、２０゜ないし４０゜の角度範囲で検出した粒子修正した平均値と、１４０゜ないし１５０゜の角度範囲で検出し粒子処理した平均値とを比較することにより、且つ角度に依存する典型的な散乱特性の知識に基づいて、支配的な霧／もや現象を一義的に分類し、これから視距離を決定することによって解決される。
合目的な構成は従属項に記載されている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を添付の図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明による装置の主要な構成要素を示すもので、１は送光器、２，３，４，５は４つの光電子受光器で、それぞれ後段増幅器６，７，８，９およびこれに接続されている同期整流器１０，１１，１２，１３を介して共通の処理ユニット１４に接続されている。１５は変調用発振器である。光電子受光器２は送光器１に対向配置され、他の光電子受光器３，４，５は３２゜、９０゜、または１４３゜の測定角度で配置されている。光電子受光器２，３，４，５の視野と送光器１から出る光束との交差領域には、いわゆる測定体積１６が生じる。
【００１３】
測定体積１６は、幅狭の光錐を持った送光器１により１秒間に少なくとも数千回の所定回数の照射を受け、この場合送出した光は強度変調されており(たとえば正弦状)、所定の波長を有している。
【００１４】
測定が日光に依存している理由と、ＳＮ比を改善するため、変調用発振器１５により光源の強度を１ｋＨｚ以下の周波数で変調させる。光電子受光器２，３，４，５は、送光器１が利用する波長だけを透過させる光学的帯域フィルタを備えている。受信した信号の後段増幅は、利用される変調周波数の周辺で狭帯域で行なう。これに続く同期整流器１０，１１，１２，１３では、次の電子評価装置３３への供給を考慮して、変調周波数に対し位相比を固定して整流を行う。
【００１５】
送光器１と受光器２，３，４，５との空間的な配置は送受信ユニットのアパーチャー角を考慮して選定され、すなわち降水が最も頻繁に起こるときに期待される降水粒子の最大空間発生密度において、１個の粒子のみが一時的に測定体積１６内にとどまることが保証されるような大きさの測定体積が生じるよう選定される。これにより個別粒子検出が可能になる。
【００１６】
この粒子は、その大きさのために、エアロゾルとは区別できる散乱信号を発生させるので、この散乱信号を時間的に不連続に分析することにより降水粒子の存在を全般的に検出することが可能である。図２に図示した未処理信号は、１個の降水粒子が測定体積１６を通過するときに典型的に得られる測定装置の受光信号である。
【００１７】
１個の降水粒子により発生する信号振幅は、降水に起因しない信号と明確に区別することができる。したがって、自然信号を信号平均値と比較することにより、１個の降水粒子が測定体積１６内に存在するか否かに関する明確な情報を得ることが可能である。
【００１８】
この情報により、時間的に連続した通常の受光信号分析以外に、時間的に離散的な降水粒子処理が可能になる。
【００１９】
検出されるそれぞれの降水粒子に対し特徴的な測定量は、１回の降水事象における半波の数量と、この場合の最大発生信号振幅である。
【００２０】
このような信号処理を、関与するすべての受光器２，３，４，５において行うならば、散乱信号の大きさの絶対値と違いとの直接的な評価を時間的平均値においてもそれぞれ個々の降水粒子事象に対しても別個に行なうことができ、すなわち１個の降水粒子を測定体積１６を通過するときに検知して、測定体積１６での滞留時間と粒子により発生した信号振幅とを記録することができる。
【００２１】
本発明は、以上述べた個々の粒子の検出をベースとして、降水による受光信号成分を降水に起因しない受光信号成分とを分離させることを可能にするものである。
受光器２，３，４，５を用いて種々の角度で得られた未処理信号は、図３によれば以下のように電子評価装置３３において選別される。
【００２２】
１．受光器３によって得られた未処理信号から、第１の受光信号選別器１７を用いて、(図４によれば)、以下の情報または測定量を導出し、以後の処理に提供する。測定体積１６内の降水粒子の存在の記録。測定体積１６を通過する個々の降水粒子に対する受光信号の最大値の検出（Ａｍａｘ（３２゜））。散乱信号の平均値の検出。この場合、この平均値に対する降水粒子の影響を阻止する(Ａａｖ（３２゜）)。
【００２３】
２．受光器４によって得られた未処理信号から、第２の受光信号選別器１８を用いて、(図５によれば)、３２゜で検出した個々の降水粒子に対する受光信号の最大値を検出する(Ａｍａｘ（９０゜）)。
【００２４】
３．受光器５によって得られた未処理信号から、第３の受光信号選別器１９を用いて、(図６によれば)、散乱信号の平均値を形成させる。この場合も、この平均値に対する降水粒子の影響を阻止する（Ａａｖ（１４３゜））。
【００２５】
４．受光器２によって得られた未処理信号から、第４の受光信号選別器２０を用いて、(図７によれば)、以下の測定量を導出する。測定体積１６を通過する個々の降水粒子に対する受光信号の最小値（Ａｍｉｎ（０゜））。受光信号の平均値。この場合も、この平均値に対する降水粒子の影響を阻止する（Ａａｖ（０゜））。
【００２６】
次に、図４を用いて、対応する信号の取得について詳細に説明する。受光器３によって３２゜で得られた未処理信号Ａは、図４によれば、平均値を形成させるため、低域フィルタ２１とこれに平行して閾値スイッチ２２の第１の入力とに送られる。低域フィルタ２１の出力は、閾値スイッチ２２の第２の入力と接続されている。降水粒子が信号平均値よりも大きな受光信号を生じさせるという事実に基づいて、受光信号と自然信号(平均化されない信号)とを比較することにより、測定体積１６内に降水粒子が実際に存在しているかどうかを推定できる。このために閾値スイッチ２２を用いる。１個の降水粒子が測定体積１６に侵入すれば、この降水粒子が測定体積１６にとどまっている間、閾値スイッチ２２の出力に各変調信号半波に対するそれぞれ１つの矩形パルスが発生する(信号列Ｂ)。処理ユニット１４では、この矩形パルスが粒子滞留時間を決定するために考慮されるとともに、これから信号「Event-Trigger」が導出される。信号「Event-Trigger」は信号分離ユニット２３，２４，２５，２６のための制御信号として用いる。信号「Event-Trigger」は、実際に１個の降水粒子が存在しているかどうかを示している。
【００２７】
信号分離ユニット２３は、この信号「Event-Trigger」を用いて、３２゜で得られた未処理信号Ａを降水に起因した成分から分離させ、その第１の出力を介して信号列Ｄを送る。次に、この降水に起因しない受光信号成分の平均値を形成させ、低域フィルタ２７を介して誘導する。その結果信号列Ｅが発生する。信号分離ユニット２３の第２出力では、降水に起因した信号成分が出力され、最大値検出器２８に送られる。これにより処理ユニット１４に、降水粒子によって生じる信号振幅の最大値が提供される(信号列Ｆ)。降水粒子が測定体積１６から離れると、この測定値は処理ユニット１４により読み取られ、最大値検出器２８は制御信号Max/Min- Resetによりリセットされ、次の測定のために準備状態となる。
【００２８】
図５によれば、提供された未処理信号Ｇから、信号分離ユニット２４と最大値検出器２９とを用いて、信号選別のために３２゜で記述した順番に対応して、３２゜で検出した各降水粒子に対し、降水に起因した受光信号の最大値を９０゜で検出する(信号列ＨとＩ)。
【００２９】
図６によれば、受光器５により１４３゜で得られた未処理信号Ｊが信号分離ユニット２５を用いて降水に起因しない信号成分から切り離され、平均値形成後、低域フィルタ３０により同様に処理ユニット１４へ転送される(信号列ＫとＬ)。
【００３０】
１個の降水粒子が測定体積１６に侵入したとき、受光器２を用いて直接測光で信号破壊を確認することができる。図７によれば信号列Ｍが生成される。この過程を測定技術的に評価するため、３２゜で検出した各粒子に対し、信号分離ユニット２６と最小値検出器３１とを用いて、最小直接測光値(信号列Ｐ)が検出され、処理ユニット１４に送られる。粒子が測定体積１６を離れたあとで、最小値検出器３１はリセットされる。さらに、０゜で得られて信号分離ユニット２６により降水に起因する信号成分から分離された受光信号(信号列Ｎ)が低域フィルタ３２に送られるので、処理ユニット１４には、降水に起因していない平均値(信号列Ｏ)が提供される。
【００３１】
得られた信号に対するその後の処理と評価のために、以下に述べるような関連性と評価機構とがベースとして考慮される。以下の記述は可視スペクトル範囲の光波長を使用することに関する。他の波長に対しては、取り上げた角度範囲はずれる。しかし一般的には、他の波長に対しても以下に述べる関連性と方法が適用される。
【００３２】
１．降水に起因しない信号成分の評価霧の現象の最適な評価は、ほぼ２０゜ないし４０゜の散乱角でのみ行なうことができる。霧に対し最適なこの角度範囲でもやを同じように評価すると、６０％以下の視距離決定が不確定になる。３２゜の測定結果と１４３゜の測定結果とを並行的に評価することにより(商の形成)、支配的なもや減少を推定することができる。これにより、２０゜ないし４０゜で受信した受光信号を現象に依存して評価することが可能になる。これにより、公知のすべての霧現象およびもや現象に対し測定の不確定性を１０％以下に維持することができる。
【００３３】
３２゜で選別した散乱信号(ＡＡＶ（３２）)および１４３゜で選別した散乱信号(ＡＡＶ（１４３）)の平均値を形成したあと、それぞれ典型的な機器定数Ｋ３２とＫ１４３を適用する(単位１／Ｖｍ)。次に両測定結果の比率を形成させて(商の形成)、霧または複数のもや現象(もや１、もや２、もや３)のうちの１つが存在するかどうかを推量する。現象のカテゴリーを決定した後、適宜適合させた評価ファクタ(Ｋ霧、Ｋもや１、Ｋもや２またはＫもや３)と典型的な機器定数Ｋ３２とを考慮して、３２゜で得られた散乱信号から、降水に起因していない減光成分を算出することができる。
【００３４】
これに関連して、もや現象をもや群に分類することは必ずしも必要でない。また、Ｋ３２・ＡＡＶ（３２）とＫ１４３・ＡＡＶ(１４３)との商に依存した動的受光信号整合を最適なもや評価のために使用してもよい。
【００３５】
２．降水に起因する信号成分の評価個別粒子を検出するための上記方法により、すでに述べたように、散乱光測定体積に侵入する降水粒子の時間的に離散的な処理が可能になる。したがって、これら粒子のそれぞれに対して散乱信号の振幅と測定体積内での滞留時間とが提供される。ある側散乱角にある散乱光信号は、液状降水であるか固形降水であるか、或いは雨、雪、或いはあられであるかに関し特に内容のない情報を含んでいる。３２゜の測定時に降水粒子が検出されると、同時に、３２゜（Ａｍａｘ（３２））と９０゜（Ａｍａｘ(９０)）で得られた測定値(典型的な機器定数Ｋ３２とＫ９０を使用)の商と、測定体積内での滞留時間とを用いて、どの降水形態であるかが決定される。
【００３６】
３２゜の測定角では、機器定数Ｋ３２を代入し、且つ液状降水に対する適合ファクタＫ液状降水を考慮することにより、液状降水結果を代表的に査定することができる。このような処置により以下のパラメータの決定が可能になる。・液状降水による減光・液状降水の粒度分布、よって霧雨と雨との区別・液状降水の強度
【００３７】
振幅を粒子事象の滞留時間で積分すると、その値は有効粒子横断面積に比例し、よって粒子減光に比例している。個別粒子減光を観察時間にわたって合算すると、液状降水に対する減光成分が得られる。さらに、観察されたそれぞれの液状降水粒子に対し含水量を決定でき、観察時間に対しても含水量を合算することができる。これにより、液状降水に対する降水強度情報が得られる。固形降水があれば、散乱光情報から減光成分または降水強度に関する信頼のある情報を導出することはできない。しかしながら、固形粒子に起因する減光成分とこれに対応する降水強度とは有効粒子横断面積を知ることで決定できる。０゜の測定により、粒子が測定体積に侵入したときに生じる相対透過侵入度を評価することによってこの有効粒子横断面積を決定することができる。相対透過侵入度は、測定値Ａｍｉｎ（０）とＡＡＶ（０）との商により、直接受光器Ｋ０に対する他の機器定数を考慮して算出することができる。さらに、雪またはあられが存在するかどうかに依存して、対応する適合ファクタを使用することができる（Ｋ雪またはＫあられ）。
【００３８】
この測定を実施するには、３２゜で降水粒子を検出し、９０゜での補助的な測定により固形降水と認定するだけでよい。振幅を直接測光で検出した相対信号破壊の滞留時間で積分すると、その値は有効粒子横断面積に比例し、よって粒子減光度に比例する。観察時間にわたって個別粒子減光度を合算すると、固形降水に対する減光成分が得られる。さらに、観察されたそれぞれの固形降水粒子に対し含水量を決定でき、観察時間に対しても含水量を合算することができる。これにより、固形降水に対する降水強度情報が得られる。
【００３９】
降水に起因する減光の全成分は、雪、あられおよび液状降水に対する部分減光を加算することにより検出できる。
３．降水に起因する信号成分と降水に起因しない信号成分の評価視距離を最終的に決定するため、降水に起因しない減光成分と降水に起因する減光成分とを加算し、限界明暗比を考慮して視距離に換算する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による装置の構成原理を示す図である。
【図２】 測定信号図である。
【図３】 電子評価装置のブロック構成図である。
【図４】 第１の受信選別部の構成原理を示す図である。
【図５】 第２の受信選別部の構成原理を示す図である。
【図６】 第３の受信選別部の構成原理を示す図である。
【図７】 第４の受信選別部の構成原理を示す図である。
【図８】 第５の受信選別部の構成原理を示す図である。
【符号の説明】
１ 送光器
２，３，４，５ 受光器
６，７，８，９ 後段増幅器
１０，１１，１２，１３ 同期整流器
１５ 変調発振器
３３ 電子評価装置
Claims (13)
- 波長を選定し且つ強度を整合させた、所定の空間領域を照射する送光器と、エアロゾルおよび場合によっては測定体積内の個別粒子によって散乱した光を狭帯域で且つ整合感度で受光する受光器であって、送光器から出る光束軸に対し２０゜ないし４０゜の角度範囲から適当な視野で受光する前記受光器および送光器から出る光束軸に対し７０゜ないし１２０゜の角度範囲から適当な視野で受光する前記受光器とを用いて視距離、降水量、降水の種類を決定する方法において、
まず、２０゜ないし４０゜の角度範囲で得られた受光信号（Ａ）を処理することにより、信号平均値（Ｄ）と自然信号（Ｃ）との比較をベースにして、測定体積（１６）内に降水粒子が実際に存在しているかどうかを判定し、この降水粒子の検出をベースにして、処理ユニット（１４）を用いて、測定体積（１６）内での降水粒子滞留時間を決定するとともに、検出した降水粒子により発生する、２０゜ないし４０゜の角度範囲で受信した散乱信号の最大値（Ａｍａｘ（３２゜））を求め、さらに受光信号の平均値（Ａａｖ（３２゜））を決定し、その際２０゜ないし４０゜の角度範囲で検出した粒子の信号平均値（Ｅ）への影響を阻止すること、
７０゜ないし１２０゜の角度範囲で得られた受光信号（Ｇ）を処理することにより、２０゜ないし４０゜の角度範囲で検出した各粒子に対し、７０゜ないし１２０゜の角度範囲で受信した散乱信号の最大平均値（Ａｍａｘ（９０゜））を求めること、
処理ユニット（１４）において、２０゜ないし４０゜の角度範囲で得られた粒子処理した平均値（Ａａｖ（３２゜））をベースにして、降水に起因しない減光成分を決定すること、
処理ユニット（１４）において、測定体積（１６）内で２０゜ないし４０゜の散乱角で検出される粒子に対し、２０゜ないし４０゜の角度範囲で得られた前記最大値（Ａｍａｘ（３２゜））と７０゜ないし１２０゜の角度範囲で得られた前記最大平均値（Ａｍａｘ（９０゜））とを比較することにより、且つ異なる降水の凝集状態の典型的な角度依存散乱挙動の検知に基づいて、降水の凝集状態が雨、雪、雹、あられのいずれであるかを決定すること、ことを特徴とする方法。 - 処理ユニット（１４）において、雨の粒子に対し、２０゜ないし４０゜で求めた前記最大値（Ａｍａｘ（３２゜））、前記（Ａａｖ（３２゜））および粒子滞留時間をベースにして、有効粒子横断面積を求めることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 処理ユニット（１４）において、検出した雨の粒子の数量と有効粒子横断面積とを所定の観察時間記憶させることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
- 処理ユニット（１４）において、観察時間内に検出した有効粒子横断面積と粒子数とをベースにして、雨の有効粒子横断面積分布および含水量と、雨から得られる減光成分とを決定することを特徴とする、請求項３に記載の方法。
- 送光器から出る光束軸に対し０゜の角度で受光器を使用することにより、エアロゾルおよび場合によっては個別粒子から散乱および吸収により生じた測定体積内の減少した受光信号（Ｍ）を狭帯域で且つ整合感度で受光すること、処理ユニットにより、２０゜ないし４０゜の角度範囲で検知され雨と格付けされなかった粒子により生じる、０゜で受信した信号の最小値（Ａｍｉｎ（０゜））を求め、さらに受光信号の平均値（Ａａｖ（０゜））を決定し、その際粒子検知により、０゜ないし４０゜の角度範囲で検知した各粒子の、０゜での前記平均値（Ａａｖ（０゜））への影響を阻止することを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一つに記載の方法。
- 処理ユニット（１４）において、雪、雹又はあられの粒子に対し、０゜で検出した、粒子に起因する、前記平均値（Ａａｖ（０゜））および粒子滞留時間とをベースにして、有効粒子横断面積を求めることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
- 検出した各個別粒子が雨、雪、雹若しくはあられのいずれであるかの確定と、雨、雪、雹、あられの有効粒子横断面積分布の決定とをベースにして、雨と雪、雹若しくはあられとが同時に発生した混合形態の場合も支配的な降水現象を一義的に分類することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一つに記載の方法。
- 観察時間内で検出した、雨に起因する減光成分と、降水に起因しない減光成分とを加算することにより、全体減光を決定し、この全体減光度を、限界明暗比を考慮して視距離に換算することを特徴とする、請求項７に記載の方法。
- 観察時間内に検出した雪、雹、あられの含水量と雨の含水量とを加算することにより、降水量または降水強度を決定することを特徴とする、請求項７に記載の方法。
- 観察時間内で検出した、雨による減光成分と、雪、雹、あられによる減光成分とを加算することにより、降水による全減光成分を決定することを特徴とする、請求項９に記載の方法。
- 降水に起因する減光成分と降水に起因しない減光成分とを加算することにより、全減光度を決定し、この全減光度を、限界明暗比を考慮して視距離に換算することを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
- 波長を選定し且つ強度を整合させた、所定の空間領域を照射する送光器と、エアロゾルおよび場合によっては測定体積内の個別粒子によって散乱した光を狭帯域で且つ整合感度で受光する受光器であって、送光器から出る光束軸に対し２０゜ないし４０゜の角度範囲から適当な視野で受光する前記受光器および送光器から出る光束軸に対し１４０゜ないし１５０゜の角度範囲から適当な視野で受光する前記受光器とを用いて視距離を決定する方法において、
まず、２０゜ないし４０゜の角度範囲で得られた受光信号（Ａ）を処理することにより、信号平均値（Ｄ）と自然信号（Ｃ）との比較をベースにして、測定体積（１６）内に降水粒子が実際に存在しているかどうかを判定し、この降水粒子の検出をベースにして、２０゜ないし４０゜の角度範囲で検出した粒子の信号平均値（Ｅ）への影響を阻止すること、
１４０゜ないし１５０゜の角度範囲で得られた受光信号（Ｊ）を処理することにより、２０゜ないし４０゜の角度範囲で検出した各粒子に対し、信号平均値（Ｌ）に対する影響を阻止して、粒子処理した平均値（Ａａｖ（１４３））のみを決定すること、
処理ユニットにおいて、２０゜ないし４０゜の角度範囲で検出し粒子処理した平均値（Ａａｖ（３２））と、１４０゜ないし１５０゜の角度範囲で検出し粒子処理した平均値（Ａａｖ（１４３））とを比較することにより、且つ角度に依存する典型的な散乱特性の知識に基づいて、支配的な霧／もや現象を一義的に分類し、これから視距離を決定すること、を特徴とする方法。 - 降水に起因する減光成分と降水に起因しない減光成分を求めること、
このようにして特定した両減光成分を加算して全減光度を求め、全減光度を、明暗値を考慮して視距離に換算し、すべての重要なエアロゾルタイプ、エアロゾル混合物、エアロゾル濃度に対して識別し査定を整合させることにより視距離を客観的に正確に決定し、観察時間内で発生した降水現象およびすべての混合形態の支配的な霧現象またはもや現象を一義的に特定することを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一つまたは１２に記載の方法。
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