專利名稱：光學(xué)氣象傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及 一 種光學(xué)氣象傳感器，用于同時確定粒子譜
(Partikelspektmm)和光密度以確定降水和起霧，所述光學(xué)氣象傳感器具有 作為光束源的激光器和用于消光測量(Extinktionsmessung)的傳感器。
背景技術(shù)：
確定天氣的狀況在世界范圍內(nèi)具有重要意義。它在農(nóng)林經(jīng)濟、機場、建 筑技術(shù)、氣象業(yè)務(wù)、航海局和災(zāi)難防護以及出于技術(shù)目的的控制和調(diào)節(jié)中是 必要的。確定降水要求確定以毛毛雨、雨、冰雹、雪、軟雹或冰芯等多種形 式出現(xiàn)的降水的強度、容積、直徑大小和速度分布。此外氣象傳感器還必須 確定降雨時的氣象光學(xué)視距(MOR)和起霧，這對于機場來說尤其具有顯著 的意義。
氣象傳感器用于并行地確定多種氣象因素并代替單項測量儀器。這些氣 象傳感器用作為確定粒子大小和粒子速度的雨滴譜儀以及用作為煙霧傳感 器和視距測量儀。 一種已知的雨滴譜儀是本申請人的雨滴譜儀Parsive1⑧，這 種雨滴譜儀利用由激光器產(chǎn)生的大小為160mmXlmmX30mm的矩形光帶以 及利用48cm2消光測量表面來進行測量。使用這種己知的儀器可以檢測到直 徑在0.2mm至25mm范圍內(nèi)且速度在0.1m/s至20m/s范圍內(nèi)的空中水氣凝 結(jié)物?？罩兴畾饽Y(jié)物穿過矩形的光帶，并根據(jù)其直徑及其下落速度產(chǎn)生對 傳感器所接收的信號的削弱(衰減)。根據(jù)信號削弱的峰值大小和峰值基本 寬度(Peakbasisbreite)可以推斷出空中水氣凝結(jié)物的直徑和速度，其中光削 弱的程度相當(dāng)于(aquivalent)粒子大小，峰值基本寬度相當(dāng)于粒子速度。但 這種已知的雨滴譜儀并不能可靠地探測出起霧，由此在確定MOR視距時會 產(chǎn)生問題?？諝庵懈拥男§F滴(Nebdteilchen)導(dǎo)致恒定的靜態(tài)干擾，即 導(dǎo)致信號持續(xù)減弱。這種減弱既無法區(qū)別于現(xiàn)有的測量窗或過濾器的污染， 也無法區(qū)別于激光器的功率減弱。為了避免這些缺點，其它已知的儀器使用前向散射(forward scattering) 技術(shù)，其中由測量設(shè)備發(fā)出的光通過位于測量體積(Messvolumen)中的空 中水氣凝結(jié)物散射并且通過接收器接收散射光。因此霧導(dǎo)致保持為相同的散 射信號，且可以可靠地被識別。這種儀器在EP 1 798 541 Al中有所描述。由 散射光的性質(zhì)可知，該測量原理在沒有空中水氣凝結(jié)物或測量路徑被完全阻 塞的情況下會導(dǎo)致無測量信號或者測量信號嚴重消逝，使得低粒子濃度以及 由此的高MOR視距不能區(qū)別于光學(xué)系統(tǒng)中的儀器故障或問題。另外，不利 的是，無法直接確定粒子大小和粒子速度，而是其實必須進行合理性判斷 (Plausibilit壯sbetmchtungen )， 以便纟H正邊緣效應(yīng)、多重液滴 (Mehrfachtropfen)和誤測，為此將根據(jù)經(jīng)驗來使用在光密度及其時間變化 之間的不完全可靠的相互關(guān)系。
因此需要采用前向散射原理工作的光學(xué)儀器、附加的并由此易受干擾的 傳感器，特別是溫度傳感器或電容式傳感器，用于確定相對于典型降水情況 (Niederschlagstypisierung)的降水的水含量。所述文獻提出，在散射光4見 距測量儀中為了功能檢査而設(shè)置光轉(zhuǎn)向單元，該光轉(zhuǎn)向單元使得射出光束轉(zhuǎn) 向，并使得射出光束能夠饋入到與光接收器對準(zhǔn)的接收光束中且能夠被測 量。這意味著，在使用同一個光源和同一個探測器的情況下，已知的散射光 -視距測量儀時間程序可控地(zeitprogrammgesteuert)并且周期性地進行消 光測量以確保質(zhì)量。盡管探測器因此必須具有很大的動態(tài)范圍，但是仍然希 望針對不同的測量原理使用同一個光學(xué)組件，以便一方面易于保持該光學(xué)系 統(tǒng)，另一方面始終只需檢查用于實際測量的光學(xué)組件的功能能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出一種光學(xué)氣象傳感器，其能夠可靠地同時識別 和確定出粒子大小和粒子速度以及視距和起霧，并且提出一種用于這種確定 模式的方法。
實現(xiàn)上述目的的該裝置通過如下措施得以實現(xiàn)，即光學(xué)氣象傳感器額外 還具有用于前向散射測量的傳感器，其中兩個傳感器構(gòu)造成同時且連續(xù)地接 收測量信號。相比于開始部分所述的兩種已知的測量儀器，對光學(xué)系統(tǒng)的復(fù) 雜化允許非常有利地將粒子譜可靠地確定為由粒子大小和粒子速度以及光密度構(gòu)成的二維光譜，進而確定出降水、起霧或視距。在此特別有利的是， 可以冗余地采用兩種測量方法來確定視距，因為無論前向散射還是消光測量 都能夠確定光密度進而確定視距。此外本發(fā)明的測量儀器允許有利地使用實 際的測量信號以控制消光測量的功能能力。由此可以冗余地確定起霧在同 時存在前向散射信號的情況下可以可靠地將消光測量信號的靜態(tài)減弱識別 為并量化為起霧事件。激光器的功率削弱或者光學(xué)系統(tǒng)的污染可以作為誘因 而被可靠地排除。這樣就有利地省略了現(xiàn)有技術(shù)中所記載的復(fù)雜的并且構(gòu)成 潛在誤差源的光路轉(zhuǎn)換。
在一種本發(fā)明的設(shè)計中，本發(fā)明的光學(xué)氣象傳感器具有至少一個擋板
(Blende)，該擋板豎立(vertikal)傾斜地設(shè)置和/或具有空留(frei)的下 邊緣，該邊緣特別地具有圓形的內(nèi)凹。采用這種設(shè)計避免了對擋板的污染， 因為可能附著上的雪等能夠自由地向下落到地上，并且該邊緣不具有隨著時 間的推移用于使污染物從下面堆起來的附著物表面(Ansatzflache)。這種豎 立傾斜在此特別地以如下方式實現(xiàn)，即擋板的下邊緣與殼體邊緣的間距比擋 板的上邊緣與殼體邊緣的間距大。
如果用于前向散射測量的傳感器相對于消光測量的光軸傾斜設(shè)置，則使 得傳感器構(gòu)造成接收來自大于300m3、特別為6001113的測量體積的散射光， 其中測量體積大致設(shè)置在激光器和用于消光測量的傳感器之間的中間位置， 這樣就可以極有利地實現(xiàn)具有相應(yīng)大小的信號強度的較大的測量體積。較大 的測量體積可以實現(xiàn)精確的測量，因為很少由于在中間的單個較大的液滴產(chǎn) 生歪曲作用。
本發(fā)明的目的還在于，提供一種用于同時光學(xué)地確定粒子大小和粒子速 度以及視距和起霧的方法，其中激光器發(fā)射出具有矩形橫截面的光束，并且 用于消光測量的傳感器接收可能被測量體削弱的光束，該目的通過如下措施 得以實現(xiàn)，即用于前向散射測量的傳感器同時接收光束的通過測量體在測量 體積中前向散射的部分。該方法繼續(xù)具有上述優(yōu)點。
在本發(fā)明的方法的一種改進中，分析單元對兩個傳感器接收的測量信號 進行分析，并在視距測量的情況下對兩個傳感器進行冗余分析，并且分析單 元通過對傳感器的測量值進行相互比較來確定出對光學(xué)系統(tǒng)的干擾。


下面參照唯一的附圖詳細說明本發(fā)明，該附圖以非限制的形式示出了本 發(fā)明的實施例。
在此圖1示出了本發(fā)明的氣象傳感器的縱向剖視圖。
具體實施例方式
在具有固定裝置10的兩臂式的支架9上相互對置地設(shè)有兩個向下開口 的殼體ll，殼體ll的開口的端側(cè)面12彼此相對。左邊的殼體ll包含激光 器1，該激光器產(chǎn)生具有開始部分所述尺寸的矩形光束13。所述矩形光束13 在擋板4的下方射出殼體11，該擋板豎立傾斜地設(shè)置。在兩個殼體ll之間 的區(qū)域中，空中水氣凝結(jié)物或小霧滴會使得光束13削弱或散射。削弱的且 有時還散射的光束13、 13'穿過第二擋板4射入到右側(cè)的殼體11中，在那 里所述光束射到用于消光測量的傳感器2和用于散射光測量的傳感器3上。 分析單元8分析兩個傳感器2、 3的信號，并通過如粒子大小和粒子速度或 粒子譜可靠且精確地得知是否起霧。在視距測量的情況下，分析單元8冗余 地從兩個測量信號中求得相應(yīng)的值，從而本發(fā)明的裝置具有裝置特有的質(zhì)量 保證。附圖標(biāo)記列表
1 激光器
2 傳感器
3 傳感器
4 擋板
5 下邊緣
6 內(nèi)凹
7 測量體積
8 分析單元
9 支架
10 固定裝置
11 殼體
12 端側(cè)面
13 光束
13'散射的光束
權(quán)利要求
1. 一種光學(xué)氣象傳感器，用于同時確定粒子譜和光密度以確定降水和起霧，所述光學(xué)氣象傳感器具有作為光束源的激光器(1)和用于消光測量的傳感器(2)，其特征在于，所述光學(xué)氣象傳感器具有用于前向散射測量的傳感器(3)，其中兩個傳感器(2、3)設(shè)計成同時且連續(xù)地接收測量值。
2. 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)氣象傳感器，其特征在于，所述光學(xué)氣象傳 感器具有至少一個擋板(4)，所述擋板豎立傾斜地設(shè)置和/或具有空留的下 邊緣(5)，所述下邊緣特別地具有圓形的內(nèi)凹(6)。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)氣象傳感器，其特征在于，所述用于前 向散射測量的傳感器(3)相對于消光測量的光軸傾斜設(shè)置，從而所述用于 前向散射測量的傳感器被設(shè)計成接收來自大于300m3、特別是6001113的測量 體積(7)的散射光，其中所述測量體積(7)大致位于所述激光器(1)和 所述用于消光測量的傳感器(2)之間的中間位置。
4. 一種用于同時光學(xué)地確定粒子大小和粒子速度以及視距和起霧的方 法，其中由激光器(1)發(fā)射出具有矩形橫截面的光束，并且由用于消光測 量的傳感器(2)接收有時被測量體削弱的該光束，其特征在于，由用于前 向散射測量的傳感器(3)同時接收該光束的通過測量體在測量體積(7)中 前向散射的部分。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，由分析單元(8)對兩個所 述的傳感器(2、 3)所接收的測量信號進行分析，并在視距測量的情況下對 兩個所述的傳感器(2、 3)進行冗余分析。
6. 如權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述分析單元(8)通 過對所述傳感器(2、 3)的測量值進行相互比較來確定出光學(xué)系統(tǒng)的干擾。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)氣象傳感器，具有作為光束源的激光器(1)和用于消光測量的傳感器(2)，用于同時確定粒子譜和光密度以確定降水和起霧。為了能夠可靠地探測起霧，本發(fā)明提出的光學(xué)氣象傳感器還具有用于前向散射測量的傳感器(3)，其中將兩個所述的傳感器(2、3)設(shè)計成同時且連續(xù)地接收測量值。
文檔編號G01N21/47GK101509983SQ20091000276
公開日2009年8月19日 申請日期2009年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月13日
發(fā)明者克勞斯·內(nèi)爾, 彼得·芬德, 愛德華·貝克 申請人:奧特測量技術(shù)股份有限公司