DE102014216368B4

DE102014216368B4 - Mehrarmiges lidar-system

Info

Publication number: DE102014216368B4
Application number: DE102014216368.4A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Prus; Zouhair Khadiri-Yazami
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-08-18
Filing date: 2014-08-18
Publication date: 2022-03-03
Anticipated expiration: 2034-08-19
Also published as: DE102014216368A1

Abstract

Vorrichtung (10) zur Bestimmung atmosphärischer Parameter, mit folgenden Merkmalen:einer Lichtquelle (12) zur Erzeugung eines Lichtstrahls (14);einer Mehrzahl von Sende- und Empfangseinheiten (18), welche ausgebildet sind, um den Lichtstrahl (14) in einem Abstrahlwinkel (φ; φV, φH) in die Atmosphäre abzustrahlen und Reflexionen des Lichtstrahls aus der Atmosphäre zu empfangen;einer Ablenkeinheit (24) zum Ablenken des Lichtstrahls (14) von der Lichtquelle (12) auf die Sende- und Empfangseinheiten (18), wobei die Ablenkeinheit (24) ausgebildet ist, um den Lichtstrahl (14) abwechselnd auf eine der Sende- und Empfangseinheiten (18) zu lenken;einer Steuerung (26) zum Steuern des Abstrahlwinkels (φ; φV, φH) des Lichtstrahls (14), welcher von den Sende- und Empfangseinheiten (18) in die Atmosphäre abgestrahlt wird, wobei die von den Sende- und Empfangseinheiten (18) abgestrahlten Lichtstrahlen (14) sich in der Atmosphäre in einem vorgegebenen Bereich (20) überschneiden; undeiner Auswerteinrichtung (28) die ausgebildet ist, die atmosphärischen Parameter in dem Überschneidungsbereich (20), abhängig von dem, von der Atmosphäre reflektierten Lichtstrahl, zu bestimmen.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung atmosphärischer Parameter. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zur Bestimmung atmosphärischer Parameter.
LiDAR-Geräte (LiDAR = Abkürzung für engl. Light Detection And Ranging) bieten bei Windmessungen eine kostengünstige Alternative zu herkömmlichen mastgestützten Windmessungen. Sie sind mobil und ermöglichen Messungen von Windprofilen in mehreren Höhen ohne den Einsatz teurer und aufwendiger Mastsysteme. Für LiDAR-Messgeräte wurde bereits nachgewiesen, dass ihre Messergebnisse im flachen, homogenen Gelände sehr hohe Genauigkeiten auch in großen Höhen erzielen, wie es z.B. in der Referenz [1] und der Referenz [2] beschrieben wird. Im Binnenland herrschen aufgrund der Geländestruktur und -komplexität oft keine homogenen Luftströmungen vor. Die Messungen mit LiDAR-Geräten unterliegen dort hohen Unsicherheiten und es entstehen häufig Messfehler, die nicht zu vernachlässigen sind (siehe z.B. die Referenz [3]). Dies lässt sich auf das Messprinzip der gängigen LiDAR-Systeme zurückführen (siehe z.B. die Referenz [4]), die die Windgeschwindigkeit aus den radialen Windgeschwindigkeit aus vier unterschiedlichen Radialen und unterschiedlichen Messvolumen je Messhöhe ermitteln (siehe z.B. die Referenz [5]).
Die US 2013 / 0 314 694 A1 beschreibt ein gattungsgemäßes LiDAR System zum Durchführen von atmosphärischen Messungen. Die darin beschriebene Vorrichtung weist eine gemeinsame Lichtquelle zum Aussenden eines Lichtstrahls auf. Der Lichtstrahl wird über zwei Strahlteiler und einen Spiegel in insgesamt drei Lichtstrahlen aufgeteilt. Je ein Lichtstrahl wird zu einem Fokus- bzw. Messbereich umgelenkt und dort reflektiert. Die drei reflektierten Lichtstrahlen werden wiederum von je einer Empfangsoptik empfangen. Dabei sind der Sender und die Empfänger jeweils als separate Bauteile ausgestaltet.
3 zeigt ein Problem des LiDAR-Messverfahrens im komplexen Gelände, am Beispiel einer LiDAR-Messung in einer homogenen (Beispiel A) und einer inhomogenen Luftströmung (Beispiel B). Die Erhebung in der Mitte der Figur stellt einen Hügel 50 in einer ansonsten flachen Landschaft dar. Die senkrechte Linie zeigt den Bezugsort 52 des LiDAR-Systems 54. Die waagrechten Linien, welche in der Ebene parallel zueinander verlaufen und über dem Hügel näher beisammen liegen, stellen Isotachten 56 dar, also Linien gleicher Windgeschwindigkeit. Bei einer homogenen Strömung lässt sich auf diese Weise eine hinreichend genaue Aussage über die vorliegenden Windbedingungen (Beispiel A) treffen, da die Windbedingungen in allen vier radialen Strahlen fast identisch sind. Im Beispiel B ist vereinfacht dargestellt, wie sich der Hügel 50 auf die Strömungsverhältnisse auswirkt. In den vier Laser-Strahlen liegen unterschiedliche Windgeschwindigkeiten vor. Durch zunehmend komplexe Geländestrukturen treten dazu Unterschiede zwischen den einzelnen Messvolumen innerhalb einer Messhöhe auf. Die jeweils vier Messhöhen (Messhöhe 1, Messhöhe 2, Messhöhe 3, Messhöhe 4) sind in den Beispielen A und B durch jeweils vier Ovale, welche als vier Kreise in perspektivischer Ansicht die Radialen in jeweils gleichem vertikalen Abstand zum LiDAR-System 54 verbinden, dargestellt. Die in den vier Radialen gemessenen Größen können als Folge der Inhomogenität stark voneinander abweichen. Dies kann zu falschen Messungen führen, da die LiDAR-Systeme 54 auf die Mittelung der vier radialen Geschwindigkeiten, mindestens drei Radialen, angewiesen sind. So ist der Mess-Standort entscheidend für die Qualität der Messung. Außerdem stellt die Turbulenzen-Messung mit dem LiDAR als wichtiger Parameter für Anlagendesign eine große Herausforderung dar.
Durch die Problematik erhöhter systematischer Fehler bei LiDAR-Messungen in turbulenten Strömungen wurden unterschiedliche Software- und Hardware-Ansätze entwickelt, um die Qualität der Messergebnisse zu erhöhen. Die Techniken variieren zwischen Korrekturverfahren durch Strömungssimulation bis zur Fokussierung von mehreren LiDAR-Geräten auf einem Punkt. Zur Korrektur von LiDAR-Messungen im komplexen Gelände werden vermehrt Strömungsmodelle eingesetzt. Durch eine Strömungssimulation eines komplexen Standorts kann sowohl die LiDAR-Messung als auch die herkömmliche Punktmessung, z.B. Cup-Anemometer, simuliert werden. Die beiden Messverfahren können miteinander verglichen und Methoden zur Korrektur entwickelt werden (siehe z.B. die Referenz [6]). So ist es z.B. möglich, mit Hilfe von CFD-Simulationen (CFD, Computational Fluid Dynamics, Numerische Strömungsmechanik) den Gradienten der vertikalen Windgeschwindigkeit zu charakterisieren und so eine Korrektur der LiDAR-Messungen zu erreichen. Eine weitere Korrekturmethode nutzt eine zusätzliche Software zur Strömungssimulation am LiDAR-Standort. Hierbei wird die Simulation eines Messmasts mit der Simulation einer LiDAR-Messung am gleichen Standort verglichen und so ein Korrekturfaktor für die LiDAR-Messung bestimmt (siehe z.B. die Referenz [3]). Teilweise stehen für gewisse CFD-Softwaren Lidar Korrektur Module zur Verfügung (siehe z.B. die Referenz [7]). Mithilfe der direkt in die Software integrierten Tools können jedoch nur LiDAR-Messungen von bestimmten LiDAR-Messgeräten korrigiert werden (siehe z.B. die Referenz [8]).
Die gerade erwähnten Modelle stoßen allerdings bei komplexen Windsektoren an ihre Grenzen.
Im Rahmen von Forschungsexperimenten wurde nachgewiesen, dass durch die Fokussierung der Laserstrahlen auf einen Punkt genauere Messungen, z.B. der mittleren Windgeschwindigkeit oder von Turbulenzen, erzielt werden können. Durch die Fokussierung auf einen Punkt wird der Abstand zwischen den einzelnen Messvolumen aufgehoben und somit das Hauptproblem für Messunsicherheiten bei LiDAR-Messungen unterbunden. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Umkehrung des Messprinzips mit je vier Radialen. Um solche Messungen durchzuführen, werden mindestens drei LiDAR-Geräte benötigt; bei vier Radialen, wie es in der 4 gezeigt ist, sind sogar vier LiDAR-Geräte erforderlich.
Aus den mindestens drei radialen Vektoren der LiDAR-Geräte entlang des Strahls kann ein dreidimensionaler Windvektor berechnet werden. Entsprechende Experimente wurden durchgeführt (siehe z.B. die Referenz [11]). Die LiDAR-Geräte sind auf einer Kippplattform montiert, und durch eine zentrale Steuereinheit kann der Neigungswinkel der drei LiDAR-Geräte exakt und synchron verändert werden, so dass in den für die Windenergienutzung im komplexen Binnenland relevanten Höhen zwischen 40 m und 200 m Scanermessungen durchgeführt werden können. Durch dieses Verfahren entsteht quasi ein virtueller Windmessmast. Ferner sind Vorrichtungen bekannt, deren Grundkonzept darin besteht, drei LiDAR-Geräte mit kontinuierlichem Laserstrahl auf einen Messpunkt zu fokussieren. Die Laserstrahlen werden z.B. in 78 m Höhe fokussiert, um die Windströmungen vor einer Windenergieanlage zu messen (siehe z.B. die Referenz [9]). Die Nachführung des Laserstrahls wird durch einen Scan-Kopf mithilfe von zwei unabhängig steuerbaren Prismen realisiert (siehe z.B. die Referenz [10]). Das System ist aufgrund der Verwendung von drei Geräten aber mit großen Kosten verbunden. Für die Messung von Turbulenzen wurden ähnliche Experimente durchgeführt (siehe z.B. die Referenz [12]). Die Ergebnisse dieser 3D-Messung korrelieren gut mit der Mast-Messungen (Ultraschal-Anemometer).
Bei allen gerade beschriebene Ansätzen wurden allerdings drei LiDAR-Geräte verwendet, wodurch solche Messungen aufgrund der Anzahl der Geräte, dem damit verbundenen Aufwand und den Kosten nicht wirtschaftlich sind. Deshalb sind die bisher durchgeführten Messungen dieser Art nur auf Forschungszwecke begrenzt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Konzept für ein LiDAR-System bereitzustellen, das kostengünstiger ist und standortunabhängig genaue Messungen liefert.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 21, und ein Computerprogramm gemäß Anspruch 22 gelöst.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Vorrichtung zur Bestimmung atmosphärischer Parameter. Die Vorrichtung umfasst eine Lichtquelle zur Erzeugung eines Lichtstrahls und eine Mehrzahl von Sende- und Empfangseinheiten, welche ausgebildet sind, um den Lichtstrahl in einem Abstrahlwinkel in die Atmosphäre abzustrahlen und Reflexionen des Lichtstrahls aus der Atmosphäre zu empfangen. Eine Ablenkeinheit lenkt den Lichtstrahls von der Lichtquelle auf die Sende- und Empfangseinheiten ab. Erfindungsgemäß ist die Ablenkeinheit dazu ausgestaltet, um den Lichtstrahl abwechselnd auf eine der Sende- und Empfangseinheiten zu lenken. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Steuerung zum Steuern des Abstrahlwinkels des Lichtstrahls, welcher von den Sende- und Empfangseinheiten in die Atmosphäre abgestrahlt wird, wobei die von den Sende- und Empfangseinheiten abgestrahlten Lichtstrahlen sich in der Atmosphäre in einem vorgegebenen Bereich überschneiden. Eine Auswerteinrichtung ist ausgebildet, die atmosphärischen Parameter in dem Überschneidungsbereich, abhängig von dem, von der Atmosphäre reflektierten Lichtstrahl, zu bestimmen.
Ein LiDAR-System (Abkürzung für engl. Light detection and ranging, Lichtermittlung und orten) ermöglicht Fernmessungen atmosphärischer Parameter. Dabei wird Licht in die Atmosphäre von einer Sendeeinheit abgestrahlt und Reflexionen des abgestrahlten Lichts durch eine Empfangseinheit empfangen. Durch eine Mehrzahl von Sende- und Empfangseinheiten kann ein zentral erzeugter Lichtstrahl von verschiedenen Positionen in die Atmosphäre abgestrahlt werden. Dabei werden die Lichtstrahlen auf einen vorgegebenen Bereich gerichtet, so dass der entsprechende Bereich aus verschiedenen Positionen mit dem Lichtstrahl angestrahlt wird. Durch die divergierenden Einstrahlungswinkel der Lichtstrahlen in dem Überschneidungsbereich und die damit verbundenen Reflexionen werden die atmosphärischen Parameter aus unterschiedlichen Winkeln erfasst. Durch Auswerten der Reflexionen abhängig von der jeweiligen Position der Empfangseinheit wird eine höhere Messgenauigkeit für die Bestimmung der atmosphärischen Parameter erreicht.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Ablenkeinheit eine rotierende Ablenkung, um den Lichtstrahl von der Lichtquelle auf die Sende- und Empfangseinheiten abzulenken. Durch die rotierende Ablenkung des Strahls kann der Lichtstrahl aus einer einzigen Lichtquelle abwechselnd auf eine der Sende- und Empfangseinheiten gelenkt werden. Alternative umfasst die Ablenkeinheit einen optischen Splitter durch welchen der Lichtstrahl (Laserstrahl) gesplittet wird und gleichzeitig auf mehrere oder auf alle Sende- und Empfangseinheiten abgelenkt werden kann.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Lichtquelle ausgebildet, einen Laserstrahl zu erzeugen. Laserlicht ist zur Messung atmosphärischer Parameter besonders geeignet, da Laserstrahlen eine hohe Kohärenzlänge sowie eine hohe Intensität aufweisen. Durch den engen Frequenzbereich des monochromatischen Lichts können außerdem ausgewählte Moleküle in der Atmosphäre angeregt werden, wobei die Moleküle nach der Anregung Licht emittieren. Ferner können mit Laserlicht eine Distanz zwischen Objekten sowie ein Winkel präzise erfasst werden. Beispielsweise für Windmessungen lässt sich mit geeigneten Wellenlängen, welche von der Atmosphäre wenig absorbiert werden, die Bewegung eines Aerosols beziehungsweise von Luftpartikeln erfassen und daraus die Windgeschwindigkeit und Turbulenzen auf Basis des Doppler-Effektes bestimmen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung zusätzlich eine Positionseinheit wobei die Positionseinheit ausgebildet ist eine Position, vorzugsweise einen Positionswinkel bzw. eine Distanz, zumindest einer der Sende- und Empfangseinheiten in Bezug zu der Ablenkeinheit zu erfassen. Durch das Erfassen der Position der Sende- und Empfangseinheiten in Bezug zu der Ablenkeinheit kann, nach dem Positionieren der Ablenkeinheit und der Sende- und Empfangseinheiten, ein automatisierter Betrieb der Vorrichtung, geschaffen werden. So kann beispielsweise mithilfe des Lichtstrahls über die Ablenkeinheit ein Positionswinkel zwischen der Ablenkeinheit und der Sende- und Empfangseinheit bestimmt werden. Durch Messen der Phasenverschiebung oder der Laufzeit des Lichtstrahls kann die Distanz zwischen der Ablenkeinheit und der Sende- und Empfangseinheit bestimmt werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Vorrichtung zusätzlich einen Übertragungserfasser auf, welcher ausgebildet ist, eine Dämpfung des Lichtstrahls auf zumindest einen Teil einer Übertragungsstrecke zwischen der Ablenkeinheit und der Sende- und Empfangseinheit zu erfassen. Durch das Erfassen der Dämpfung bzw. der Übertragungsfunktion des Lichtstrahl können beispielsweise die Zeitverzögerung oder die Dämpfung der Übertragungsstrecke zwischen der Lichtquelle und der Ablenkeinheit bzw. zwischen der Ablenkeinheit und der Sende- und Empfangseinheit kompensiert werden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Übertragungsstrecke zwischen der Ablenkeinheit und der Sende- und Empfangseinheit einen Lichtwellenleiter, durch welchen der Lichtstrahl auf zumindest einen Teil der Übertragungsstrecke geführt ist, oder eine Luftstrecke auf. Bei einer Übertragungstrecke für den Lichtstrahl, welche als Luftstrecke ausgebildet ist, sind keine Kabelverbindungen zwischen der Ablenkeinheit und der Sende- und Empfangseinheit notwendig. Dadurch reduziert sich der Installationsaufwand für die Vorrichtung. Bei der Übertragung des Lichtstrahl durch einen Lichtwellenleiter kann die Dämpfung bzw. Übertragungsfunktion der Übertragungsstrecke aufgrund der Parameter des Lichtwellenleiters bestimmt werden, um beispielsweise die Dämpfung im Lichtwellenleiter zu kompensieren. Ferner kann mit einem Lichtwellenleiter beispielsweise eine Länge der Strecke zwischen der Ablenkeinheit und der Sende- und Empfangseinheit definiert werden, wodurch keine Laufzeitunterschiede zwischen der Ablenkeinheit und den einzelnen Sende- und Empfangseinheiten entstehen. Ferner können mit einem Lichtwellenleiter optische Hindernisse, beispielsweise in bewaldeten Gebieten, welche keine direkte Sichtverbindung zwischen der Ablenkeinheit und der Sende- und Empfangseinheit zulassen, umgangen werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind in den Sende- und Empfangseinheiten oder in einer Zentraleinheit optische Empfänger zum Empfangen des von der Atmosphäre reflektierten Lichtstrahls angeordnet. Optischer Empfänger (Beispielsweise Fotodioden) ermöglichen die Umwandlung des reflektierten optischen Lichtstrahls in elektrische Parameter, welche dann beispielsweise in einer Recheneinheit verarbeitet werden können. Beispielsweise bei Windgeschwindigkeitsmessung kann der optische Empfänger (Fotodiode) in der Zentraleinheit angeordnet sein. Die Sende- und Empfangseinheiten empfangen das zurückgestreute Licht und leiten dies in eine Empfangseinheit der Zentraleinheit weiter. Dort kann die Bestimmung der atmosphärischen Parameter durch (detektieren der Frequenzverschiebung, Signalverarbeitung usw.) stattfinden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuerung ausgebildet, den Abstrahlwinkel φ des Lichtstrahls in einer horizontalen Richtung mit einem horizontalen Abstrahlwinkel und in einer vertikalen Richtung mit einem vertikalen Abstrahlwinkel zu steuern. Durch Steuern des Abstandwinkels sowohl in horizontaler Richtung mit dem horizontalen Abstrahlwinkel und in einer vertikalen Richtung mit dem vertikalen Abstrahlwinkel kann ein beliebiger Bereich im Raum angestrahlt werden. Somit können die Lichtstrahlen annähernd unabhängig von der Topografie und der sich daraus ergebenden Position der Sende- und Empfangseinheiten in einem nahezu beliebigen Bereich in der Atmosphäre zu Überschneidung gebracht werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuerung ausgebildet, die Abstrahlwinkel der Lichtstrahlen an den Sende- und Empfangseinheiten synchron zu verändern, so dass der vorgegebene Überschneidungsbereich der von den Sende- und Empfangseinheit abgestrahlten Lichtstrahlen entlang eines geometrischen Musters in der Atmosphäre verläuft. Das geometrische Muster kann in der Atmosphäre beispielsweise entlang einer vertikalen geraden Linie, entlang einer horizontalen geraden Linie oder entlang einer vertikalen Kreislinie verlaufen. Durch die synchrone Veränderung des Abstrahlwinkels φ der von den Sende- und Empfangseinheiten abgegebenen Lichtstrahlen kann ein Überschneidungsbereich in der Atmosphäre beispielsweise kontinuierlich entlang von Linien verlaufen oder der Überschneidungsbereich kann nacheinander an bestimmten Punkten zu liegen kommen. Dadurch lassen sich atmosphärische Parameter genauer bestimmen bzw. Strömungsverläufe sichtbar machen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Vorrichtung ausgebildet, um den Überschneidungsbereich der Lichtstrahlen zwischen 40 m bis 250 m über der Erdoberfläche zu erzeugen. Dieser Bereich ist unter anderem zur Windenergienutzung sehr geeignet.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Sende- und Empfangseinheit einen Spiegel oder ein Prisma auf, welcher oder welches zumindest an einer horizontal liegenden Achse verstellbar gelagert ist, so dass der von der Lichtquelle einfallende Lichtstrahl an dem Spiegel bzw. dem Prisma reflektiert und mit dem vertikalen Abstrahlwinkel in die Atmosphäre abgestrahlt wird. Ein Spiegel oder ein Prisma, welcher bzw. welches an einer horizontalen Drehachse gelagert ist, kann derart gekippt werden, dass der einfallende Laserstrahl in einem vertikal verstellbaren Abstrahlwinkel in die Atmosphäre abgestrahlt wird. Dadurch kann der Überschneidungsbereich der Lichtstrahlen, aus den Sende- und Empfangseinheiten, in verschiedene Höhen gelegt werden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung, ist die Sende- und Empfangseinheit auf einer Kippplattform montiert, welche zumindest in einer horizontal liegenden Achse verstellbar gelagert ist, so dass der Lichtstrahl mit dem vertikalen Abstrahlwinkel φV in die Atmosphäre abgegeben wird. Durch eine horizontal liegende Achse, an welcher die Kippplattform gelagert ist, kann die gesamte Sende- und Empfangseinheit bewegt werden. Dadurch wird sowohl der vertikale Abstrahlwinkel als auch der Winkel, den die Empfangseinheit gegenüber dem reflektierten Lichtstrahl einnimmt, synchron verändert.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die Sende- und Empfangseinheiten von der Lichtquelle entfernt positionierbar. Durch das entfernte Positionieren der Sende- und Empfangseinheiten wird der Winkel, in welchem die Laserstrahlen von den Sende- und Empfangseinheiten in dem Überschneidungsbereich zusammentreffen, vergrößert. Die Messgenauigkeit der Vorrichtung kann dadurch erhöht werden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Ablenkeinheit eine der Sende- und Empfangseinheiten. Zur Reduktion des Betriebsmaterials bzw. zur Reduktion des Installationsaufwands im Gelände, kann die Ablenkeinheit auch als Sendeeinheit zum Abstrahlen des Lichtstrahls in die Atmosphäre und zum Empfangen von Reflexionen des Lichtstrahls aus der Atmosphäre genutzt werden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung können mit der Vorrichtung atmosphärische Parameter, wie beispielsweise die Windgeschwindigkeit, die Windrichtung, die Windturbulenzen, eine Aerosolkonzentration oder eine chemische Zusammensetzung der Atmosphäre, erfasst werden. Parameter wie die Windgeschwindigkeit bzw. die Windrichtung sind z.B. wichtige Parameter bei der Beurteilung, ob an einem Standort eine Windkraftanlage wirtschaftlich betrieben werden kann. Die Aerosolkonzentration und die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre sind für Umweltanalysen notwendig.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuerung so ausgebildet, dass sich die Lichtstrahlen in einem Punkt überschneiden. Durch die Fokussierung des Überschneidungsbereichs der Lichtstrahlen in der Atmosphäre zu einem Punkt, kann die Messgenauigkeit der Vorrichtung erhöht werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung können auch mit mehreren Lasern betrieben werden.
Des Weiteren wird ein Verfahren zur Bestimmung atmosphärischer Parameter bereitgestellt, welches folgende Schritte umfasst:

Erzeugen eines Lichtstrahls;
Ablenken des Lichtstrahls von der Lichtquelle zu einer Mehrzahl von Sende- und Empfangspositionen;
Abstrahlen eines Lichtstrahls in einem Abstrahlwinkel und Empfangen einer Reflexion des Lichtstrahls aus der Atmosphäre, an den Sende- und Empfangspositionen, wobei der Abstrahlwinkel des Lichtstrahls, welcher von den Sende- und Empfangsposition in die Atmosphäre abgegeben wird, so gesteuert wird, dass die Lichtstrahlen sich in der Atmosphäre in einem vorgegebenen Bereich überschneiden; und
Bestimmen der atmosphärischen Parameter in dem Überschneidungsbereich, in Abhängigkeit von dem, von der Atmosphäre reflektierten Lichtstrahl.

Ferner wird ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens bereitgestellt, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder Prozessor abläuft.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
3 eine schematische Darstellung einer LiDAR-Messung in einer homogenen (Beispiel A) und einer inhomogenen Luftströmung (Beispiel B);
4 eine schematische Darstellung einer Umkehrung des Messprinzips mit je vier Radialen;
5 eine schematische Darstellung einer Anordnung der Vorrichtung im Gelände;
6 eine schematische Darstellung der Ablenkeinheit in einer perspektivischen Ansicht;
7a,b eine schematische Darstellung der Ablenkeinheit in einer Draufsicht;
8 eine Sende- und Empfangseinheit;
9a,b eine Anordnung von Sende- und Empfangseinheiten.

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Figuren gleiche oder gleichwertige Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass deren Beschreibung in den unterschiedlichen Ausführungsbeispiele austauschbar ist.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Bestimmung atmosphärischer Parameter gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 10 bildet ein LiDAR-System und umfasst eine Lichtquelle 12 zur Erzeugung eines Lichtstrahls 14, die in einer Zentraleinheit 16 angeordnet ist. Die atmosphärischen Parameter werden mit einem Lichtstrahl 14 erfasst, der durch die Lichtquelle 12 erzeugt wird. Die Lichtquelle ist vorzugsweise eine Laserquelle. Laserstrahlen werde aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften bevorzugt und sind besonders geeignet, um atmosphärische Parameter zu bestimmen. Beispielsweise können durch die hohe Intensität des Laserlichts auch in größerer Entfernung erzeugte Reflexionen detektiert werden. Laserlicht weist außerdem einen engen Frequenzbereich (monochromatisches Licht) auf. Abhängig vom Lasertyp und dessen charakteristischer Wellenlänge können in der Atmosphäre ausgewählte Moleküle angeregt werden, die ansprechend auf die Anregung Licht emittieren. Abhängig von der Reflexion bzw. Absorption des Laserstrahls kann die molekulare Zusammensetzung eines untersuchten Bereichs der Atmosphäre bestimmt werden. Die hohe Kohärenzlänge des Laserlichts kann ferner zur Entfernungsmessung bzw. zur Bestimmung eines atmosphärischen Parameters in einer bestimmten Entfernung genutzt werden. Durch Lasertriangulation, Laserinterferometrie (Phasenverschiebung) und Laufzeitmessungen lassen sich ferner Distanzen zwischen der Ablenkeinheit 24 und den Sende- und Empfangseinheiten 18, aber auch eine Entfernung zu dem Überschneidungsbereich 20 der Strahlen 14 präzise erfassen. Ferner lassen sich auch Winkel zwischen zwei Objekten genau erfassen.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann die Lichtquelle einen Gaslaser, beispielsweise einen Helium-Neon-Laser oder einen Kohlendioxidlaser, oder einen Festkörperlaser, wie beispielsweise ein Halbleiterlaser, beispielsweise eine Laserdiode, umfassen. Farbstofflaser sind aufgrund ihrer abstimmbaren Bandbreite der Wellenlänge besonders geeignet.
Der Laserstrahl kann entweder gepulst oder kontinuierlich sein. Für eine bessere Windmessung ist eine Wellenlänge mit wenig atmosphärische Absorption zu wählen. Unter Berücksichtigung der Augensicherheit lässt sich der optimalen Wellenlängenbereich für die Windgeschwindigkeitsmessung zwischen 1,4 µm bis 2,2 µm definieren.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung 10 eine einzige Lichtquelle 12 auf, wodurch die Materialkosten sowie der Installationsaufwand beim Betrieb der Vorrichtung gering sind. Alternative kann die Vorrichtung 10 mehrere Lichtquellen 12 umfassen, beispielsweise Lichtquellen 12, welche Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugen. Dies ermöglicht es, eine größere Anzahl von atmosphärischen Parameter zu erfassen. Ferner kann eine höhere Messgenauigkeit der atmosphärischen Parameter erzielt werden. Die mehreren Lichtquellen 12 können in der Zentraleinheit 16 angeordnet sein.
Ferner umfasst die Vorrichtung eine Mehrzahl von Sende- und Empfangseinheiten 18. Gemäß Ausführungsbeispielen haben sich drei bis fünf Sende- und Empfangseinheiten 18 als wirtschaftlich und zweckmäßig erwiesen. Für die Windgeschwindigkeitsmessung (dreidimensionaler Windvektor) werden mindestens drei Laserstrahlen und damit drei Sende- und Empfangseinheiten 18 benötigt. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit können zusätzliche Sende- und Empfangseinheiten 18 vorgesehen werden. Die Sende- und Empfangseinheiten 18 sind von der Lichtquelle 12 und damit der Zentraleinheit 16 entfernt angeordnet, beispielsweise entlang einer Kreislinie in regelmäßigen Abständen zueinander, wobei die Zentraleinheit 16 im Zentrum des Kreises angeordnet ist. Der Radius der Kreislinie beträgt vorzugsweise zwischen 50 m bis 100 m. Der Radius der Kreislinie kann abhängig von der Höhe, in welchem sich der Überschneidungsbereich 20 in der Atmosphäre befindet, gewählt sein, wobei der Radius umso größer ist, je höher über der Erdoberfläche sich der Überschneidungsbereich 20 befindet. Der Radius kann aufgrund der Topografie, beispielsweise in stark abfallendem oder ansteigendem Gelände, größer oder kleiner gewählt werden. Ein kleiner Radius kann auch bei umliegenden Gebäuden oder Waldgebieten gewählt werden. Durch das entfernte Positionieren der Sende- und Empfangseinheiten 18 wird der Winkel, in welchem die Laserstrahlen 14 von den Sende- und Empfangseinheiten 18 in dem Überschneidungsbereich 20 zusammentreffen, vergrößert, wodurch die Messgenauigkeit der Vorrichtung 10 erhöht wird.
Die Sende- und Empfangseinheiten 18 sind ausgebildet um den Lichtstrahl 14 in einem Abstrahlwinkel φ_V, φ_H in die Atmosphäre abzustrahlen und Reflexionen des Lichtstrahls aus der Atmosphäre zu empfangen. Der Abstrahlwinkel setzt sich aus einer vertikalen Komponente, dem vertikalen Abstrahlwinkel φ_V, und einer horizontalen Komponente, dem horizontalen Abstrahlwinkel φ_H, zusammen. Damit kann der Lichtstrahl 14 an der Sende- und Empfangseinheit 18 in einem beliebigen Winkel in die Atmosphäre bzw. in den Raum abgegeben werden. Gemäß Ausführungsbeispielen wird der Lichtstrahl 14 an einem Spiegel 22 in der Sende- und Empfangseinheit 18 reflektiert und in die Atmosphäre abgestrahlt. Es ist aber auch möglich, dass die Sende- und Empfangseinheit 18 einen Lichtleiter aufweist, der den Lichtstrahl in die Atmosphäre abstrahlt. Der Lichtleiter kann dabei den Lichtstrahl 14 beispielsweise von einer Ablenkeinheit 24 zu der Sende- und Empfangseinheit 18 führen oder den Lichtstrahl 14 innerhalb der Sende- und Empfangseinheit 18 führen.
Die Reflexionen des Lichtstrahls 14 werden an der Sende- und Empfangseinheit 18 empfangen. Reflexionen des Lichtstrahls 14 umfassen direkte optische Reflexionen, beispielsweise an Molekülen oder an Schwebeteilchen in der Luft, oder Reflexionen, die durch fluoreszierende Effekte ausgelöst werden, gemäß denen einzelne Atome durch den Lichtstrahl 14 auf ein höheres Energieniveau angeregt werden, und bei Zurückfallen von dem höheren Energieniveau auf ein tieferes Energieniveau, Energie in Form eines Photons abgeben. Die empfangenen Lichtreflexionen werden durch einen optischer Empfänger, beispielsweise eine Fotodiode, in eine elektrische Größe gewandelt. Der optischer Empfänger kann beispielsweise in jeder der Sende- und Empfangseinheit 18 angeordnet sein, so dass die Reflexionen möglichst nahe an dem Überschneidungsbereich 20, in dem die Parameter bestimmt werden sollen, ausgewertet werden. Ferner werden Dämpfungen des reflektierten Lichtstrahls, welche die Messparameter verfälschen können und die durch die Übertragung über eine Luftstrecke oder einen Lichtwellenleiter zu einem zentralen optischer Empfänger entstehen, vermieden. Alternativ kann der optischer Empfänger nahe der Lichtquelle 12 angeordnet sein, so dass beispielsweise die Umwandlung der Reflexion des Lichtstrahls durch einen einzigen optischer Empfänger erfolgt, wodurch Material und Kosten eingespart werden. Falls der optischer Empfänger beispielsweise in der Zentraleinheit 16 angeordnet ist, ist keine Übertragung von elektrischen Signalen zwischen der Sende- und Empfangseinheit und einer Zentraleinheit erforderlich, insbesondere sind keine zusätzlichen Signalleitungen nötig und die Übertragung zwischen Sende- und Empfangseinheit 18 und Zentraleinheit kann über dieselbe Übertragungsstrecke erfolgen (Lichtwellenleiter, Luftstrecke), welche zur Übertragung des Lichtstrahls 14 von der Lichtquelle 12 zu der Sende- und Empfangseinheit 18 genutzt wird.
Wind und Turbulenzen werden durch vielfältige Bewegungen von atmosphärischen Molekülen und Partikeln bestimmt. Durch diese Bewegung und nach dem Doppler-Effekt wird die zurückgestreute Strahlung entlang der Blickrichtung eines Laserstrahles in Ihrer Frequenz verschoben. Durch die Messung der Frequenzverschiebung f_D Kann die Windgeschwindigkeit entlang des Laserstrahles V_r bestimmt werden. Die Frequenzverschiebung liegt im direkten Zusammenhang mit der Windgeschwindigkeit V_r, und kann durch folgende Formel berechnet werden: $V_{r} = c * f_{D} / 2 * f$
Mit der Geschwindigkeit des Lichtes c und die Frequenz des emittierten Laserstrahles f.
Die Frequenzverschiebung ist klein, da sie proportional zum Verhältnis der Windgeschwindigkeit entlang des Lichtstrahles 14 und der Geschwindigkeit des Lichtes liegt. Um die Doppler-Verschiebung zu erfassen wird eine Art heterodyne Detektion benötigt. Die Frequenzverschiebung kann auf Basis eines Referenzsignales aus der Laserquelle und des zurückreflektierten Signals bestimmt werden. Zur zusätzlichen Bestimmung des Vorzeichens der Frequenzverschiebung wird eine feste Frequenzverschiebung zwischen dem in die Atmosphäre emittierten Laserstrahles und dem Referenzsignales erzeugt.
Für die Bestimmung des dreidimensionalen Windvektors mit den Komponenten u, v und w ist eine radiale Windkomponente Vr nicht ausreichend. Es werden mindestens drei Radialen und damit drei Sende- und Empfangseinheiten 18 benötigt. Die Vektoren u, v und w liegen in den kartesischen Koordinaten. Dagegen liegt die radiale Komponente Vr in den Kugelkoordinaten. Durch die Umwandlung zwischen den beiden Koordinatensystemen lässt sich der Zusammenhang zwischen u, v, w und Vr bestimmen.
Bei Ausführungsbeispielen soll beispielsweise bei der Messung der Windgeschwindigkeit die Berechnung der Frequenzverschiebung f_D in der Zentraleinheit stattfinden. Das zurückgestreute Licht wird mit einem von der Laserquelle 12 geleiteten Referenzlichtstrahl (Referenzsignal) in eine Art heterodyne Detektion gemischt. Es reicht dann die Nutzung eines einzigen optischen Empfängers (Fotodiode) in der Zentraleinheit. Die Übertragungsstrecken 32 werden Bidirektional benutzt. In der Zentraleinheit 16 gibt es eine Empfangseinheit, die in der Lage ist, das zurückgestreute Licht sowie ein Referenzlicht von der Lichtquelle 12 zu empfangen und eine Doppler-Verschiebung festzustellen und daraus atmosphärische Parameter zu berechnen.
Im Allgemeinen soll die Empfangseinheit (in der Zentraleinheit 12) in der Lage sein, auf der Basis des zurückgestreutes Lichtes und eines Referenzlichtes die atmosphärischen Parameter zu bestimmen.
Die Vorrichtung 10 weist ferner eine Ablenkeinheit 24 auf, welche beispielsweise in der Zentraleinheit 16 angeordnet ist. Die Ablenkeinheit 24 lenkt den von der Lichtquelle 12 erzeugten Lichtstrahl 14 über eine Luftstrecke zu der Sende- und Empfangseinheit 18 oder über ein Medium, beispielsweise einem Lichtwellenleiter, welches die Ablenkeinheit 24 mit der Sende- und Empfangseinheit 18 verbindet. Die Ablenkeinheit wird später Bezug nehmend auf die 6 und 7 ausführlich beschrieben.
Die Vorrichtung 10 umfasst ferner eine Steuerung 26 zum Steuern des Abstrahlwinkels φ des Lichtstrahls 14, welcher von den Sende- und Empfangseinheiten 18 in die Atmosphäre abgestrahlt wird. In einer vorzugsweisen Ausgestaltung ist die Steuerung 26 ausgebildet, um den Abstrahlwinkel φ des Lichtstrahls in einer horizontalen Richtung mit einem horizontalen Abstrahlwinkel φ_H und in einer vertikalen Richtung mit einem vertikalen Abstrahlwinkel φ_V zu steuern. Die Steuerung 26 kann in der Zentraleinheit 16 angeordnet sein. Alternativ kann die Steuerung 26 oder Teile der Steuerung 26 in einer der Sende- und Empfangseinheiten 18 oder verteilt in den Sende- und Empfangseinheiten 18 angeordnet sein, während ein weiterer Teil der Steuerung 26 beispielsweise in der Zentraleinheit 16 angeordnet ist. Die Steuerung 26 ist ausgebildet, um die Ablenkeinheit 24 und die Sende- und Empfangseinheiten 18 derart zu steuern, dass sich die von den Sende- und Empfangseinheiten 18 abgestrahlten Lichtstrahlen 14 in der Atmosphäre in dem vorgegebene Bereich 20 überschneiden. Die Steuerung 26 steuert die Abstrahlwinkel φ_V, φ_H des Lichtstrahls 14 an den Sende- und Empfangseinheiten 18 derart, dass sich die Lichtstrahlen 14, welche von den Sende- und Empfangseinheiten 18 in die Atmosphäre abgestrahlt werden, in dem vorgegebenen Bereich 20 in der Atmosphäre überschneiden. Der vorgegebene Überschneidungsbereich 20 umfasst ein bestimmtes Volumen, wobei die Lichtstrahlen 14 mindestens zweier Sende- und Empfangseinheiten 18 sich innerhalb dieses Volumens überschneiden. Das vorgegebene Volumen entspricht dabei weniger als 1 m³, in einer vorzugsweisen Ausgestaltung weniger als 1 dm3, und in einer weiteren vorzugsweisen Ausgestaltung weniger als 1 cm³. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuerung 26 so ausgebildet, dass sich die Lichtstrahlen 14 in einem Punkt überschneiden. Durch die Fokussierung des Überschneidungsbereichs 20 der Lichtstrahlen 14 in der Atmosphäre auf einen Punkt, kann die Messgenauigkeit der Vorrichtung erhöht werden.
Die Auswerteinrichtung 28 ist ausgebildet, um die atmosphärischen Parameter in dem Überschneidungsbereich 20, abhängig von dem von der Atmosphäre reflektierten Lichtstrahl zu bestimmen. Die Auswerteinrichtung 28 kann beispielsweise für jeden der von einer Sende- und Empfangseinheit 18 empfangenen Lichtstrahl denselben atmosphärischen Parameter bestimmen. Durch die Mehrzahl von Sende- und Empfangseinheiten 18 kann der Überschneidungsbereich 20 aus unterschiedlichen Richtungen von dem Lichtstrahl 14 erfasst werden. Abhängig von dem Winkel, den die einzelnen Lichtstrahlen 14 in dem Überschneidungsbereich 20 gegeneinander aufweisen, kann die Messgenauigkeit beeinflusst werden. Beispielsweise kann die Windgeschwindigkeit durch einen möglichst großen Raumwinkel, welche die im Überschneidungsbereich 20 aufeinander treffenden Lichtstrahlen 14 aufweisen, mit einer höheren Genauigkeit erfasst werden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung 10 zusätzlich eine Positionseinheit, die eine Position, vorzugsweise einen Positionswinkel bzw. eine Distanz, zumindest einer der Sende- und Empfangseinheit 18 in Bezug zu der Ablenkeinheit 24 erfasst. Der Positionswinkel kann als Raumwinkel erfasst und in eine vertikale und eine horizontale Komponente aufgeteilt werden. Der Positionswinkel lässt sich dadurch bestimmen, dass ein Winkel erfasst wird, in welchem der Lichtstrahl 14 über eine Luftstrecke von der Ablenkeinheit 24 zu den Sende- und Empfangseinheiten 18 ausgestrahlt wird. Die Distanz zwischen der Ablenkeinheit 24 und der Sende- und Empfangseinheit 18 kann bei einem Laserstrahl beispielsweise durch Messen der Phasenverschiebung oder der Laufzeit des Lichtstrahls 14 bestimmt werden. Die Position bzw. die Positionsdaten werden von der Ablenkeinheit 24, der Steuerung 26 oder der Auswerteinrichtung 28 verwendet und können in einem Speicher abgelegt werden. Die Steuerung 26 berücksichtigt die gespeicherten Positionsdaten beim Steuern der Sende- und Empfangseinheit 18, beispielsweise indem die Positionsdaten zur Kompensation der Abweichung von einer vorgegebenen Position genutzt werden. Durch das Kompensieren bzw. Festlegen der Positionsdaten und das entsprechende Ausrichten der Ablenkeinheit und der Sende- und Empfangseinheit 18 kann Betrieb der Vorrichtung 10 automatisiert werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung 10 zusätzlich einen Übertragungserfasser, um eine Dämpfung des Lichtstrahls 14 auf zumindest einem Teil der Übertragungsstrecke zwischen der Ablenkeinheit 24 und der Sende- und Empfangseinheit 18 zu erfassen. Die Übertragungsstrecke oder Teile der Übertragungsstrecke können in einem festen Medium, wie beispielsweise einem Lichtwellenleiter, oder einem gasförmigen Medium, wie beispielsweise Luft (Luftstrecke), ausgebildet sein. Durch das Erfassen der Dämpfung bzw. der Übertragungsfunktion der Strecke kann eine Zeitverzögerung oder Dämpfung der Übertragungsstrecke zwischen der Lichtquelle 12 und der Ablenkeinheit 24 bzw. zwischen der Ablenkeinheit 24 und der Sende- und Empfangseinheit 18 kompensiert werden. Die Übertragungsstrecke wird später Bezug nehmend auf die 6 näher beschrieben.
Die Sende- und Empfangseinheit 18 kann einen Spiegel 22 oder ein Prisma aufweisen, welcher bzw. welches zumindest an einer horizontal liegenden Achse verstellbar gelagert ist, so dass der von der Lichtquelle 12 einfallende Lichtstrahl 14 an dem Spiegel 22 oder dem Prisma reflektiert und mit dem vertikalen Abstrahlwinkel φ_V in die Atmosphäre abgestrahlt wird. Der Spiegel 22, welcher beispielsweise an einer horizontalen Drehachse gelagert ist, kann mit einem Antrieb derart bewegt bzw. gekippt werden, dass der einfallende Lichtstrahl 14, welcher von der Ablenkeinheit 24 über eine Luftstrecke auf die Sende- und Empfangseinheit 18 abgelenkt wird, in dem vertikal verstellbaren Abstrahlwinkel φ_V in die Atmosphäre abgestrahlt wird. Ferner kann auch das Prisma mit einem Antrieb derart bewegt bzw. gedreht werden, dass der einfallende Lichtstrahl 14, welcher von der Ablenkeinheit 24 über eine Luftstrecke auf die Sende- und Empfangseinheit 18 abgelenkt wird, in dem vertikal verstellbaren Abstrahlwinkel φ_V in die Atmosphäre abgestrahlt wird. Hierdurch kann der Überschneidungsbereich der Lichtstrahlen 14, welche von den Sende- und Empfangseinheiten 18 abgestrahlt werden in verschiedene Höhen über dem Boden verschoben werden. Somit kann ein virtueller Windmast 30 simuliert werden, über den in verschieden Höhen über dem Boden die Windgeschwindigkeit bestimmbar ist. Der virtuelle Windmast 30 kann, wie mit der senkrechten strichpunktierten Linie angedeutet, in der Mitte des n-Ecks über der Zentraleinheit angeordnet sein. Alternativ kann der Spiegel 22 oder das Prisma in eine vertikale Richtung und in eine horizontale Richtung bewegbar gelagert sein. Auch können mehrere Spiegel oder Prismen, welche lediglich in eine Achse bewegbar gelagert sind, in der Sende- und Empfangseinheit 18 zum Abstrahlen des Lichtstrahls 14 verwendet werden. Ferner ist es auch möglich mit dem Prisma den Lichtstrahl 14 in einer Achse und mit dem Spiegel den Lichtstrahl 14 in einer andere Achse zu bewegen, wobei die Achsen vorzugsweise senkrecht zueinander liegen. Durch Steuern des Abstandwinkels φ sowohl in horizontaler Richtung mit dem Abstrahlwinkel φ_H als auch in vertikaler Richtung mit dem Abstrahlwinkel φ_V kann eine beliebige Position im Raum angestrahlt werden. Somit können die Lichtstrahlen annähernd unabhängig von der Topografie und der sich daraus ergebenden Position der Sende- und Empfangseinheiten 18 in einem nahezu beliebigen Bereich in der Atmosphäre zur Überschneidung gebracht werden.
Jede Sende- und Empfangseinheit 18 kann mit einem farbigen Lichtstrahl, beispielsweise mit einem grünen oder roten Laser ausgestattet sein. Da der Laserstrahl, welcher der Bestimmung atmosphärischer Parameter dient, meistens im unsichtbaren Bereich ist, kann damit eine optische Überprüfung durchgeführt werden. Es kann überprüft werden, ob die Laserstrahlen sich in einem Punkt (Überschneidungsbereich 20) überschneiden. Voraussetzung ist, dass der bspw. grüne Laser den gleichen Abstandwinkels φ wie der für die Messungen der atmosphärischen Parameter verwendete, unsichtbare Lichtstrahl 14 (Laserstrahl) hat. Mit Hilfe dessen können die Lichtstrahl 14 (Laserstrahlen) nachjustiert werden.
In Ausführungsbeispielen ist die Nutzung von n-1 Laserquellen, wenn n der Anzahl der Sende- und Empfangseinheiten 18 entspricht, möglich. Es können auch Laser in der Zentraleinheit 16 und Laser in den Sende- und Empfangseinheiten 18 angeordnet sein.
Bei der in 1 gezeigten Anordnung umfasst die Zentraleinheit 16 die Lichtquelle 12 und die Ablenkeinheit 24. Um die Zentraleinheit 16 sind drei Sende- und Empfangseinheiten 18 in regelmäßigem Abstand zueinander angeordnet. Die Sende- und Empfangseinheiten 18 sind um die Zentraleinheit 16 in einem Winkel von ca. 120° angeordnet. Die drei Sende- und Empfangseinheiten 18 sind in einem Winkel von je ca. 60° gegeneinander angeordnet. Daraus ergibt sich eine Anordnung der Sende- und Empfangseinheiten 18 auf einer Kreislinie, in deren Zentrum die Zentraleinheit 16 positioniert ist. Die Kreislinie kann einen Radius von ca. 50 m - 100 m aufweisen. Weitere Sende- und Empfangseinheiten 18 können vorgesehen sein, beispielsweise können vier, fünf oder sechs Sende- und Empfangseinheiten 18 angeordnet werden. Die Sende- und Empfangseinheiten 18 sind bevorzugt in den Ecken eines regelmäßigen n-Ecks angeordnet, wobei n die Anzahl der Sende- und Empfangseinheiten 18 angibt. Der Abstand, mit welchem die Sende- und Empfangseinheiten 18 von der Zentraleinheit 16 beabstandet sind, entspricht dabei dem Umkreisradius des n-Ecks.
Die Lichtquelle 12 ist in dem Ausführungsbeispiel von 1 in der Zentraleinheit 16 angeordnet und der Lichtstrahl 14 der Lichtquelle 12 wird abwechselnd zu einer der Sende- und Empfangseinheiten 18 abgelenkt. Der Lichtstrahl 14 ist durch die durchgezogene Linie dargestellt, welche von der Ablenkeinheit 24 über eine Luftstrecke zu der Sende- und Empfangseinheit 18 verläuft. Von der Sende- und Empfangseinheit 18 wird der Lichtstrahl in die Atmosphäre abgestrahlt. Der Lichtstrahl 14 wird zu einem anderen Zeitpunkt auf einer der beiden anderen Sende- und Empfangseinheiten 18 abgelenkt und von diesen in die Atmosphäre abgestrahlt. Dies ist durch je eine gestrichelte Linie dargestellt. Die drei von den Sende- und Empfangseinheiten 18 in die Atmosphäre abgestrahlten Lichtstrahlen 14 treffen sich im Überschneidungsbereich 20. Der Überschneidungsbereich 20 kann, wie in der 1 durch die strichpunktierte Linie angedeutet ist, senkrecht über der Zentraleinheit 16, beispielsweise in einer Höhe zwischen 50 m bis 200 m liegen.
Die Auswerteinrichtung 28 kann in der Zentraleinheit 16 angeordnet sein und dort als Teil der Steuerung 26 ausgebildet sein. Die Auswerteinrichtung 28 ist ausgebildet, um die atmosphärischen Parameter in dem Überschneidungsbereich 20, abhängig von dem von der Atmosphäre reflektierten Lichtstrahl, zu bestimmen.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, bei der die Ablenkeinheit 24 ebenfalls eine der Sende- und Empfangseinheiten umfasst. Ferner sind zwei Sende- und Empfangseinheiten 18 entfernt zu der Ablenkeinheit 24 positioniert. Um den Überschneidungsbereich 20 in der Atmosphäre von drei Seiten mit einem Lichtstrahl 14 zu erfassen, ist die Ablenkeinheit 24 ausgebildet, den Lichtstrahl 12 in die Atmosphäre zu dem Überschneidungsbereich 20 abzustrahlen und Reflexionen des Lichtstrahls 14 aus der Atmosphäre zu empfangen. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Zentraleinheit somit die Lichtquelle 12, die Ablenkeinheit 24 und eine der Sende- und Empfangseinheiten 18. Die Integration der Sende- und Empfangseinheit ermöglicht eine Reduktion des Betriebsmaterials bzw. des Installationsaufwandes im Gelände, indem die Ablenkeinheit als Sendeeinheit zum Abstrahlen des Lichtstrahls 14 in die Atmosphäre und zum Empfangen von Reflexionen des Lichtstrahles aus der Atmosphäre genutzt wird. Die Zentraleinheit 16 kann bei diesem Ausführungsbeispiele nicht im Zentrum stehend angeordnet sein Die Zentraleinheit 16 kann anstelle einer Sende- und Empfangseinheit 18 auf einer Ecke eines vorhergehend beschriebenen n-Ecks angeordnet sein. Ein virtueller Windmast 30 kann, wie mit der senkrechten strichpunktierten Linie angedeutet, in der Mitte des n-Ecks oder senkrecht über einer der Sende- und Empfangseinheiten 18 bzw. über der Zentraleinheit 16 angeordnet sein.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung der Vorrichtung 10 im Gelände. Die Grundidee basiert auf der Fokussierung von vier Lichtstrahlen 14 (Laserstrahlen) auf einem Punkt bzw. in einem Überschneidungsbereich 20. Die Innovation dieser Idee, im Gegensatz zu den oben beschriebenen, bekannten Forschungsexperimenten liegt in der Verwendung lediglich einer einzigen Lichtquelle 12 (Laserquelle), die sich in der Zentraleinheit 16 befindet und in der Mitte des Systems aufgestellt wird. Ein Laserpuls wird in kurzer Zeit in vier Richtungen hintereinander durch ein rotierendes Spiegel/Prisma gelinkt und durch ein Übertragungsmedium , z.B. einen Lichtwellenleiter, in die Sende/Empfangseinheiten 18 geleitet. Dort wird der Laserpuls in die Atmosphäre ausgestrahlt, so dass alle vier Laserstrahlen 14 sich in einen Punkt bzw. Messvolumen (dem Überschneidungsbereich 20) treffen . Dies geschieht z.B. durch einen steuerbaren Kopf. Die Ausrichtung der Sendeeinheit in der Zentraleinheit 16 programmiert werden, was die Möglichkeit bietet, verschiedene und beliebige Scanmuster, z.B. vertikale oder horizontale Linien, zu scannen bzw. abzutasten.
Die Steuerung kann ausgebildet sein, die Abstrahlwinkel φ der Lichtstrahlen 14 an den Sende- und Empfangseinheiten 18 synchron zu verändern, so dass der vorgegebene Überschneidungsbereich 20 der von den Sende- und Empfangseinheit abgestrahlten Lichtstrahlen entlang eines geometrischen Musters in der Atmosphäre verläuft. Die synchrone Steuerung der Sende- und Empfangseinheiten 18 kann dabei sowohl den vertikalen Abstrahlwinkel φ_V als auch den horizontalen Abstrahlwinkel φ_H synchronisieren, beispielsweise durch einen Spiegel oder ein Prisma, welcher bzw. welches in zwei Achsen bewegbar gelagert ist und durch einen Antrieb bewegt wird. Der Antrieb bewegt den Spiegel oder das Prisma derart, dass der von der Ablenkeinheit auf den Spiegel oder das Prisma einfallende Lichtstrahl in dem durch die Steuerung vorgegebenen vertikalen Winkel φ_V und dem horizontalen Winkel φ_H in die Atmosphäre abgestrahlt wird. Anstelle eines Spiegels (Prisma) können auch zwei Spiegel (Prismen) angeordnet sein, welche in je eine Achse bewegbar gelagert sind, wobei die Achsen vorzugsweise senkrecht zueinander liegen. Das geometrische Muster kann in der Atmosphäre entlang einer vertikalen geraden Linie oder einer horizontalen geraden Linie oder einer vertikalen Kreislinie verlaufen. Durch die synchrone Veränderung des Abstrahlwinkels φ der von den Sende- und Empfangseinheiten 18 abgegebenen Lichtstrahlen 14 kann ein Überschneidungsbereich 20 in der Atmosphäre kontinuierlich entlang von Linien verlaufen oder der Überschneidungsbereich 20 kann nacheinander an bestimmten Punkten zu liegen kommen. Dadurch lassen sich atmosphärische Parameter genauer bestimmen. Ferner können Strömungsverläufe in der Atmosphäre erfasst werden.
Die Position aller Einheiten (beispielsweise der Zentraleinheit 16 und der Sende- und Empfangseinheit 18) muss vorher genau ermittelt werden, um die passenden Kippwinkel bzw. Lenkwinkel automatisch bestimmen zu können. Das zurückgestreute Signal kann von jeder Sende- und Empfangseinheit 18 durch einen Empfänger (z.B. eine Fotodiode) empfangen und durch die Übertragungsstrecke 32 in die Zentraleinheit 16, in der die Signalverarbeitung stattfinden kann, weitergeleitet werden. Der Abstand zwischen der Zentraleinheit 16 und den Sende- und Empfangseinheiten 18 kann zwischen 50 m und 100 m betragen. Die Ausrichtung der Sende- und Empfangseinheiten 18 kann automatisch erfolgen, z.B. durch Nutzung einer Kommunikationsschnittstelle zwischen diesen. Informationen über den Abstand der Einheiten zum Messpunkt, die Höhe, die Neigung und den Winkel zwischen den Einheiten werden ermittelt, um die Neigungswinkeln bzw. die gemessenen Höhen und Bewegungsmuster zu bestimmen.
Der Überschneidungsbereich oder die Fokussierung der Lichtstrahlen liegt gemäß Ausführungsbeispielen zwischen 40 m und 200 m über der Erdoberfläche. Dieser Bereich ist zur Nutzung mit Windenergieanlagen sehr geeignet, weshalb eine Bestimmung von Windgeschwindigkeiten in dieser Höhe für die Planung und zur Überprüfung von Windenergieanlagen wesentlich ist.
Die Nutzung einer einzigen Laserquelle 12, in der der Laserpuls in vier Richtungen hintereinander gelinkt wird, ermöglicht es, im Rahmen des beschriebenen Systemkontexts die Windmessungen an einem Punkt bzw. in kleinen Messvolumen (Überschneidungsbereich 20) durchzuführen, so dass Ausführungsbeispiele ein System schaffen, welches als mehrarmiges LiDAR-System beziehungsweise Eine-Laserquelle-3D-LiDAR-Systems bezeichnet wird.
6 zeigt eine Darstellung der Zentraleinheit 16 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Zentraleinheit 16 die Lichtquelle 12 und die Ablenkeinheit 24 umfasst. Die Zentraleinheit 16 ist durch die Übertragungsstrecken 32 mit den Sende- und Empfangseinheiten 18 verbunden. Die Übertragungsstrecke 32 zwischen der Ablenkeinheit 24 und der Sende- und Empfangseinheit 18 kann als Luftstrecke oder als Lichtwellenleiter ausgebildet sein, durch welchen der Lichtstrahl auf zumindest einem Teil der Übertragungsstrecke 32 geführt ist. Die Übertragungstrecke 32 kann sich auch aus verschiedenen Medien zusammensetzen. Falls eine Sichtverbindung zwischen der Ablenkeinheit 24 und der Sende- und Empfangseinheit 18 vorhanden ist, kann die Übertragungsstrecke 32 als Luftstrecke ausgebildet sein. Mit einer Luftstrecke können mehrere 100 m bis einige km Distanz zurückgelegt werden. Bei einer Übertragungstrecke für den Lichtstrahl, welche als Luftstrecke ausgebildet ist, ist keine Kabelverbindung bzw. keine physische Verbindung zwischen der Ablenkeinheit 24 und der Sende- und Empfangseinheit 18 notwendig, so dass sich der Installationsaufwand für die Vorrichtung 10 reduziert.
Die Übertragungsstrecke 32 kann auch zumindest teilweise als Lichtwellenleiter ausgebildet sein. Bei der Übertragung des Lichtstrahls 14 durch einen Lichtwellenleiter kann die Dämpfung bzw. Übertragungsfunktion der Übertragungsstrecke 32 aufgrund der Parameter des Lichtwellenleiters bestimmt werden, um eine Kompensation der Dämpfung, welche der Lichtstrahl in dem Lichtwellenleiter erfährt, zu ermöglichen. Falls ein überwiegender Teil der Übertragungsstrecke als Lichtwellenleiter ausgebildet ist, kann beispielsweise eine fixe Länge der Strecke zwischen der Ablenkeinheit 24 und den Sende- und Empfangseinheiten 18 definiert werden, wodurch keine Laufzeitunterschiede zwischen der Ablenkeinheit 24 und den einzelnen Sende- und Empfangseinheiten 18 entstehen. Ferner können mit einem Lichtwellenleiter als Übertragungsstrecke 32 optische Hindernisse, beispielsweise in bewaldeten oder bebauten Gebieten, welche keine direkte Sichtverbindung zwischen der Ablenkeinheit 24 und der Sende- und Empfangseinheit 18 zulassen, umgangen werden.
Die von der Sende- und Empfangseinheit 18 empfangenen Reflexionen des Lichtstrahls 14 können mit einer optischer Empfänger (Fotodiode), welche beispielsweise in der Sende- und Empfangseinheit 18 angeordnet ist, in elektrische Signale gewandelt werden. Die elektrischen Signale können durch eine Funkverbindung oder ein elektrisches Signalkabel zu der Auswerteinrichtung in der Zentraleinheit 16 übertragen werden. Alternativ kann der von der Atmosphäre reflektierte Lichtstrahl oder ein gewandeltes Signal ebenfalls auf der Übertragungsstrecke 32 von der Sende- und Empfangseinheit 18 zur Zentraleinheit 16 übertragen werden. In diesem Fall wird die Übertragungsstrecke 32 bidirektional zur Übertragung genutzt und ein aus der Atmosphäre reflektierter Lichtstrahl wird erst in der Zentraleinheit 16 in ein elektrisches Signal gewandelt. Um ein elektrisches Signal von der Sende- und Empfangseinheit 18 zur Zentraleinheit 16 zu übertragen, kann auch ein Hybridkabel verwendet werden, welches sowohl elektrische als auch optische Signale übertragen kann.
7a und 7b zeigen eine Ablenkeinheit 24 in einer Draufsicht, wobei der Lichtstrahl 14 von der Lichtquelle jeweils in die unterschiedlichen Übertragungsstrecken 32 abgelenkt wird. Die Ablenkeinheit 24 kann eine rotierende Ablenkung, wie beispielsweise einen Spiegel oder ein Prisma umfassen, um den Lichtstrahl von der Lichtquelle auf die Übertragungsstrecken 32 bzw. die Sende- und Empfangseinheiten abzulenken. Durch die rotierende Ablenkung des Lichtstrahls 14 kann der Lichtstrahl 14 in einer einzigen Lichtquelle erzeugt und abwechselnd auf eine der Sende- und Empfangseinheiten gelenkt werden. Der Lichtstrahl 14 wird jeweils abhängig von der Position der Ablenkung von der Lichtquelle in eine Richtung abgelenkt. Die Rotation der Ablenkung kann dabei gleichmäßig mit einer vorgegebenen Umdrehungsgeschwindigkeit oder durch kurzes Beschleunigen und Verzögern der Ablenkung in Intervallen erfolgen. Bei abwechselndem Beschleunigen und Verzögern der Ablenkung wird eine erhöhte Umdrehungsgeschwindigkeit für die Ablenkung gewählt, falls die Ablenkung nicht auf eine Übertragungsstrecke ausgerichtet ist. Wenn die Ablenkung auf eine Übertragungsstrecke ausgerichtet ist, so dass der Lichtstrahl von der Lichtquelle auf die Sende- und Empfangseinheit abgelenkt wird, kann eine geringere Umdrehungsgeschwindigkeit für die Ablenkung gewählt werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Umdrehungsgeschwindigkeit der Ablenkung für eine vorgegebene Zeit, null sein.
Die Ablenkeinheit 24 umfasst beispielsweise einen Spiegel oder ein Prisma, um den Lichtstrahl 14 von der Lichtquelle auf eine der Sende- und Empfangseinheiten bzw. auf eine der Übertragungsstrecken, welche die Zentraleinheit mit der Sende- und Empfangseinheiten verbindet, abzulenken. Durch Aufteilen des Lichtstrahls 14, beispielsweise durch ein Prisma bzw. eine Splitter, ist es auch möglich, den Lichtstrahl 14 zu splitten und je einen Teil des Lichtstrahls 14 auf je eine der Übertragungsstrecken 32 abzulenken und somit gleichzeitig mehreren Sende- und Empfangseinheiten einen Teil des Lichtstrahls 14 zuzuführen.
8 zeigt eine Sende- und Empfangseinheit 18 mit einem steuerbaren Kopf. Die Sende- und Empfangseinheit 18 ist auf einer Kippplattform montiert, welche zumindest an einer horizontal liegenden Achse verstellbar gelagert ist, so dass der Lichtstrahl 14 mit dem vertikalen Abstrahlwinkel φ_V in die Atmosphäre abgegeben wird. Der Kopf der Sende- und Empfangseinheit 18 lässt sich beispielsweise durch einen Antrieb derart kippen, dass sich der Abstrahlwinkel des Lichtstrahls 14 auf den vertikalen Abstrahlwinkel φ_V einstellen lässt. Durch eine horizontal liegende Achse, an welcher die Kippplattform gelagert ist, kann die gesamte Sende- und Empfangseinheit 18 bewegt werden. So dass sowohl der vertikale Abstrahlwinkel φ_V der Sendeeinheit als auch der Winkel, den die Empfangseinheit gegenüber dem reflektierten Lichtstrahl einnimmt, synchron verändert wird. In der Sende- und Empfangseinheit 18 kann zum Empfangen des von der Atmosphäre reflektierten Lichtstrahls ein optischer Empfänger (Fotodiode) angeordnet sein. Fotodioden ermöglichen die Umwandlung des reflektierten optischen Lichtstrahls in elektrische Parameter, welche dann beispielsweise in einer Recheneinheit verarbeitet werden können.
Die Übertragungsstrecke 32 zwischen der Ablenkeinheit und der Sende- und Empfangseinheit 18 ist in 8 mit einem Lichtwellenleiter ausgeführt. Der Lichtwellenleiter überträgt den Lichtstrahl von der Lichtquelle bzw. von der Ablenkeinheit zu der Sende- und Empfangseinheit 18. Ferner kann die Übertragungsstrecke 32 das reflektierte Lichtsignal durch den Lichtwellenleiter oder ein elektrisches Signal durch ein parallel verlaufendes elektrisches Signalkabel zu der Auswerteinrichtung übertragen.
Die 9a und 9b zeigen eine Anordnung von Sende- und Empfangseinheiten 18. Um eine optimale und genaue Windmessung durchführen zu können, muss der Winkel zwischen den Laserstrahlen bzw. der Winkel zwischen den Sende- und Empfangseinheiten 18 gegenüber dem Überschneidungsbereich 20 (Messpunkt θ) gleich sein. Z.B. 120° bei drei Laserstrahlen und 90° bei vier Laserstrahlen. Neben der Windgeschwindigkeit werden die Turbulenzen dadurch besser erfasst. Diese Vorrichtung erlaubt es, den Passenden Winkel zwischen den Einheiten zu ermöglichen.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung umfasst ein LiDAR-System somit lediglich eine Lichtquelle, z.B. nur einen Laser, wodurch Messungen aufgrund der reduzierten Anzahl von erforderlichen Geräten kostengünstiger und effizienter durchgeführt werden können. Insbesondere wird der bisher erforderliche Einsatz von mindestens drei LiDAR-Geräten für Messungen vermieden.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Vorrichtung als kleines mehrarmiges LiDAR zur Montage auf einem Mast geeignet. Der Abstand zwischen der Zentraleinheit und den Sende- und Empfangseinheiten soll dabei klein sein (10 cm bis 20 cm). Ähnlich wie bei einem dreidimensionalen Ultraschalanemometer.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Nutzung der Vorrichtung als Biastatic-LiDAR-System. Ein Laserstrahl wird aus der Zentraleinheit oder einer Sende- und Empfangseinheit in die Atmosphäre geschickt. Alle Sende- und Empfangseinheiten fangen das zurückreflektierte Licht aus deren Positionen und leiten es weiter durch die Übertragungsstrecke in die Zentraleinheit für die Bestimmung der atmosphärischen Parameter.
Vorteile eines erfindungsgemäßen mehrarmigen LiDAR-Systems lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Vermeidung der Verwendung einer Vielzahl von Einzelsystemen für eine zuverlässige LiDAR-Messung
• Durchführung von genaueren und standortunabhängigen Messungen
• Wirtschaftlichkeit, konkurrenzfähiger Preis

Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind beispielsweise die Messungen der Windbedingungen für:

• Standortgutachten
• Windparkplanung
• Optimierung von standortabhängige Windenergieanlagen
• Untersuchung der Nachlaufströmung von Windenergieanlagen
• Turbulenzanalyse

Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann das erfindungsgemäße System sowohl für eine „short range“ Messung (bis 250 m Entfernung) als auch für eine „long range“ Messung (bis 5000 m Entfernung) eingesetzt werden. Weitere Anwendungsgebiete können die Bestimmung der Aerosolkonzentration oder auch Wolkenhöhe sein.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen findet das erfindungsgemäße System seinen Einsatz z.B. bei Projektierung und Planung von Windparks, bei Windgutachtern und bei Anlagenherstellern.
Planer, Projektierer und Investoren von Windparks benötigen eine genaue Abschätzung der Windbedingungen, um die zu erwartenden Erträge für die Wirtschaftlichkeitsberechnung eines Windparks zu bestimmen. Vor allem in Gebieten mit mäßigen und schwachen Windbedingungen spielen genaue Messungen bei der Entscheidungen über die Wirtschaftlichkeit und damit den Bau eines Windparks eine große Rolle spielen.
Anlagenhersteller benötigen genaue und standortabhängige Informationen über die herrschenden Windbedingungen und Turbulenzen, insbesondere im komplexen Gelände, um den passenden Anlagentyp entwickeln und einsetzen zu können.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats, wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.
Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft. Der Datenträger, das digitale Speichermedium oder das aufgezeichnete Medium sind üblicherweise greifbar bzw. nicht-flüchtig.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das dazu konfiguriert ist, ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren an einen Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms an den Empfänger umfassen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
Referenzen

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[5] J. Cariou, M. Boquet: LEOSPHERE Pulsed Lidar Principles, Contribution to UpWind WP6 on Remote Sensing Devices, LEOSPHERE, Orsay, FR 2011.
[6] Boquet Matthieu, Albergel A., Parmentier Remy, Sauvage Laurent, Cariou JeanPierre: Combination of Wind Lidar with CFD tools for improving measurements in complex terrain. Orsay, Frankreich, 03.2010
[7] METEODYN: The Lidar Correction Module within Meteodyn WT. Nantes, 2010
[8] C. Meissner, M. Boquet: Correction of lidar remote sensing measurement by CFD simulation, Brussels EWEA 2011
[9] T. Mikkelsen: Wind Scanner: A full-scale Laser Facility for Wind and Turbulence Measurements around large Wind Turbines, Riso National Laboratory for Sustainable Energy. Technical University of Denmark, Roskilde, Denmark
[10] T. Mikkelsen: Remote Sensing of Wind, Riso National Laboratory for Sustainable Energy, Technical University of Denmark, Roskilde, Denmark
[11] Z. Khadiri Yazami et al., Realization of a virtual met mast using three pulsed LiDARs on maneuverable tilting platforms, Vienna, EWEA 2013
[12] F. Carbajo Fuertes, G.V. lungo, F. Porte-Agel, 3D turbulance measurements using three intersecting Doppler LiDAR beams: validation against sonic anemometer, European geosciences union general assembly, Vienna, 2013
[13] T. Klaas et al., Comparision of a pulsed doppler LiDAR with a 200 m met mast in complex terrain, Vienna EWEA 2013

Claims

Vorrichtung (10) zur Bestimmung atmosphärischer Parameter, mit folgenden Merkmalen: einer Lichtquelle (12) zur Erzeugung eines Lichtstrahls (14); einer Mehrzahl von Sende- und Empfangseinheiten (18), welche ausgebildet sind, um den Lichtstrahl (14) in einem Abstrahlwinkel (φ; φ_V, φ_H) in die Atmosphäre abzustrahlen und Reflexionen des Lichtstrahls aus der Atmosphäre zu empfangen; einer Ablenkeinheit (24) zum Ablenken des Lichtstrahls (14) von der Lichtquelle (12) auf die Sende- und Empfangseinheiten (18), wobei die Ablenkeinheit (24) ausgebildet ist, um den Lichtstrahl (14) abwechselnd auf eine der Sende- und Empfangseinheiten (18) zu lenken; einer Steuerung (26) zum Steuern des Abstrahlwinkels (φ; φ_V, φ_H) des Lichtstrahls (14), welcher von den Sende- und Empfangseinheiten (18) in die Atmosphäre abgestrahlt wird, wobei die von den Sende- und Empfangseinheiten (18) abgestrahlten Lichtstrahlen (14) sich in der Atmosphäre in einem vorgegebenen Bereich (20) überschneiden; und einer Auswerteinrichtung (28) die ausgebildet ist, die atmosphärischen Parameter in dem Überschneidungsbereich (20), abhängig von dem, von der Atmosphäre reflektierten Lichtstrahl, zu bestimmen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei jede Sende- und Empfangseinheit (18) einen optischen Empfänger aufweist, der in der Sende- und Empfangseinheit (18) angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Ablenkeinheit (24) eine rotierende Ablenkung umfasst, um den Lichtstrahl (14) von der Lichtquelle (12) auf die Sende- und Empfangseinheiten (18) abzulenken.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtquelle (12) ausgebildet ist, um einen Laserstrahl (12) zu erzeugen.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die zusätzlich eine Positionseinheit umfasst, wobei die Positionseinheit ausgebildet ist, um eine Position zumindest einer der Sende- und Empfangseinheit (18) in Bezug zu der Ablenkeinheit (24) zu erfassen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 5, wobei die Positionseinheit ausgebildet ist, um einen Positionswinkel zwischen zumindest einer der Sende- und Empfangseinheit (18) in Bezug zu der Ablenkeinheit (24) zu erfassen.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die Positionseinheit ausgebildet ist, um eine Distanz zwischen der Ablenkeinheit (24) und zumindest einer der Sende- und Empfangseinheiten (18) zu erfassen.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die zusätzlich einen Übertragungserfasser aufweist, welcher ausgebildet ist, eine Dämpfung des Lichtstrahls (14) auf zumindest einem Teil einer Übertragungsstrecke (32) zwischen der Ablenkeinheit (24) und der Sende- und Empfangseinheit (18) zu erfassen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 8, bei der die Übertragungsstrecke (32) zwischen der Ablenkeinheit (24) und der Sende- und Empfangseinheit (18) einen Lichtwellenleiter, durch den der Lichtstrahl (14) auf zumindest einem Teil der Übertragungsstrecke (32) geführt ist, oder eine Luftstrecke aufweist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei in einer Zentraleinheit (16) ein optischer Empfänger zum Empfangen des von der Atmosphäre reflektierten Lichtstrahls angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Steuerung (26) ausgebildet ist, den Abstrahlwinkel des Lichtstrahls (14) in einer horizontalen Richtung mit einem horizontalen Abstrahlwinkel (φ_H) und in einer vertikalen Richtung mit einem vertikalen Abstrahlwinkel (φ_V) zu steuern.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Steuerung (26) ausgebildet ist, den Abstrahlwinkel der Lichtstrahlen (14) an den Sende- und Empfangseinheiten (18) synchron zu verändern, so dass der vorgegebene Überschneidungsbereich (20) der von den Sende- und Empfangseinheit (18) abgestrahlten Lichtstrahlen (14) entlang eines geometrischen Musters in der Atmosphäre verläuft.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 12, wobei das geometrische Muster in der Atmosphäre entlang einer vertikalen geraden Linie, entlang einer horizontalen geraden Linie oder entlang einer vertikalen Kreislinie verläuft.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um den Überschneidungsbereich (20) der Lichtstrahlen (14) zwischen 40 m und 250 m über der Erdoberfläche zu erzeugen.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Sende- und Empfangseinheiten (18) jeweils einen Spiegel (22) oder ein Prisma aufweisen, welcher oder welches zumindest an einer horizontal liegenden Achse verstellbar gelagert ist, so dass der von der Lichtquelle (12) einfallende Lichtstrahl (14) an dem Spiegel (22) oder dem Prisma reflektiert und mit einem vertikalen Abstrahlwinkel (φ_V) in die Atmosphäre abgestrahlt wird.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Sende- und Empfangseinheit (18) auf einer Kippplattform montiert ist, welche zumindest in einer horizontal liegenden Achse verstellbar gelagert ist, so dass der Lichtstrahl (14) mit einem vertikalen Abstrahlwinkel (φ_V) in die Atmosphäre abgegeben wird.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Sende- und Empfangseinheiten (18) von der Lichtquelle (12) entfernt positionierbar sind.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Ablenkeinheit (24) eine der Sende- und Empfangseinheit (18) umfasst.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die atmosphärischen Parameter die Windgeschwindigkeit, die Windrichtung, die Windturbulenzen, eine Aerosolkonzentration oder eine chemische Zusammensetzung der Atmosphäre umfassen.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Steuerung (26) ausgebildet ist, dass sich die Lichtstrahlen (14) in einem Punkt überschneiden.
Verfahren zur Bestimmung atmosphärischer Parameter, wobei das Verfahren umfasst: Erzeugen eines Lichtstrahls (14); Ablenken des Lichtstrahls (14) von der Lichtquelle (12) zu einer Mehrzahl von Sende- und Empfangspositionen, wobei der Lichtstrahl (14) abwechselnd zu je einer Sende- und Empfangseinheit (18) gelenkt wird; Abstrahlen des jeweiligen Lichtstrahles (14) in einem Abstrahlwinkel und Empfangen einer Reflexion des Lichtstrahles (14) aus der Atmosphäre an den Sende- und Empfangspositionen, wobei der Abstrahlwinkel des Lichtstrahls (14), welcher von den Sende- und Empfangspositionen in die Atmosphäre abgegebenen wird, so gesteuert wird, dass die Lichtstrahlen (14) sich in der Atmosphäre in einem vorgegebenen Bereich (20) überschneiden; und Bestimmen der atmosphärischen Parameter in dem Überschneidungsbereich (20), in Abhängigkeit von dem, von der Atmosphäre reflektierten Lichtstrahl.
Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 21, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder Prozessor abläuft.