DE102015122201A1

DE102015122201A1 - Method and device for determining the wind speed

Info

Publication number: DE102015122201A1
Application number: DE102015122201.9A
Authority: DE
Inventors: Josef Höffner; Timo P. Viehl; Ronald Eixmann
Original assignee: Leibniz-Institut fur Atmospharenphysik E V An Der Universitat Rostock; LEIBNIZ-INSTITUT fur ATMOSPHARENPHYSIK EV AN DER UNIVERSITAT ROSTOCK
Current assignee: Leibniz-Institut fur Atmospharenphysik E V An Der Universitat Rostock; LEIBNIZ-INSTITUT fur ATMOSPHARENPHYSIK EV AN DER UNIVERSITAT ROSTOCK
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2015-12-18
Publication date: 2017-06-22
Also published as: WO2017103141A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit in der Atmosphäre. Um auch Streustrahlungen (S) mit geringer Intensität zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit verwenden zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Vorrichtung (1) einen optischen Wellenlängenfilter (2) mit wenigstens einer Filterkante, und mindestens einen Detektor (3) zur Detektion der gefilterten Streustrahlung (S) aufweist.The invention relates to a device (1) and a method for determining the wind speed in the atmosphere. In order to also be able to use scattered radiation (S) with low intensity for determining the wind speed, the device (1) provides an optical wavelength filter (2) with at least one filter edge, and at least one detector (3) for detecting the filtered scattered radiation (S).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit in der Atmosphäre. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen der Windgeschwindigkeit in der Atmosphäre, bei dem Laserstrahlung in der Atmosphäre gestreut und die gestreute Laserstrahlung als Streustrahlung zum Bestimmen der Windgeschwindigkeit gefiltert und untersucht wird.The invention relates to a device for determining the wind speed in the atmosphere. Furthermore, the invention relates to a method for determining the wind speed in the atmosphere, in which laser radiation is scattered in the atmosphere and the scattered laser radiation is filtered and examined as scattered radiation for determining the wind speed.

Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit sind allgemein bekannt. Bei bekannten Verfahren und Vorrichtungen wird ein Teil der Streustrahlung vor der Filterung als Referenz aus der Streustrahlung ausgekoppelt und vermessen. Insbesondere, wenn die Windgeschwindigkeit in der Stratosphäre bestimmt werden soll oder wenn nur Laserstrahlung mit geringer Intensität gestreut wird, um die Windgeschwindigkeit zum Beispiel in der Troposphäre zu bestimmen, gelangt nur sehr wenig Streustrahlung zurück zur Vorrichtung, um die Windgeschwindigkeit bestimmen zu können. Die Verwendung eines Teiles der Streustrahlung als Referenz ist gerade bei geringer Intensität der Streustrahlung nachteilig, da der verbleibende Teil der ohnehin geringen Streustrahlung nur schwierig zu messen ist. Durch die Referenz geht ein Teil der rückgestreuten Leistung für die Windmessung verloren und nur ein Teil des Dopplereffektes wird ausgenutzt, wodurch ein stärkeres Signal notwendig ist.Devices and methods for determining wind speed are well known. In known methods and devices, a portion of the scattered radiation is coupled out before the filtering as a reference from the scattered radiation and measured. In particular, when wind velocity in the stratosphere is to be determined or when only low intensity laser radiation is scattered to determine wind velocity in, for example, the troposphere, very little stray radiation returns to the apparatus to determine the wind velocity. The use of a portion of the scattered radiation as a reference is disadvantageous especially at low intensity of the scattered radiation, since the remaining part of the already low scattered radiation is difficult to measure. The reference loses some of the backscattered wind measurement power and only part of the Doppler effect is exploited, which requires a stronger signal.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur empfindlicheren Bestimmung der Windgeschwindigkeit in der Atmosphäre bereitzustellen, wobei die Windgeschwindigkeit auch bei Streustrahlung mit geringer Intensität ohne weiteres bestimmbar ist.The invention is therefore based on the object to provide an apparatus and a method for more sensitive determination of the wind speed in the atmosphere, wherein the wind speed can be readily determined even with scattered radiation with low intensity.

Für die eingangs genannte Vorrichtung ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Vorrichtung einen optischen Wellenlängenfilter zur Filterung von aus der Atmosphäre zurückgestreuter Streustrahlung und einen ersten Detektor zur Detektion der gefilterten Streustrahlung aufweist, wobei der Wellenlängenfilter zwei Filterkanten aufweist, oder die Vorrichtung einen optischen Wellenlängenfilter zur Filterung von aus der Atmosphäre zurückgestreuter Streustrahlung, sowie einen ersten Detektor und einen zweiten Detektor zur Detektion der Streustrahlung aufweist, wobei der Wellenlängenfilter eine und insbesondere nur eine Filterkante aufweist, der Wellenlängenfilter also kein Bandpass ist, und ausgebildet ist, Anteile der Streustrahlung mit Wellenlängen nur auf einer Seite der Filterkante zum ersten Detektor und Anteile der Streustrahlung mit Wellenlängen nur auf der anderen Seite der Filterkante zum zweiten Detektor zuleiten.For the aforementioned device, the object is achieved in that the device comprises an optical wavelength filter for filtering backscattered scattered radiation from the atmosphere and a first detector for detecting the filtered scattered radiation, wherein the wavelength filter has two filter edges, or the device is an optical wavelength filter for Filtering backscattered from the atmosphere scattered radiation, and a first detector and a second detector for detecting the scattered radiation, wherein the wavelength filter has one and in particular only one filter edge, the wavelength filter is thus no bandpass, and is formed, portions of the scattered radiation with wavelengths only on one side of the filter edge to the first detector and portions of the scattered radiation with wavelengths only on the other side of the filter edge to the second detector.

Für das eingangs genannte Verfahren ist die Erfindung dadurch gelöst, dass zum Bestimmen der Windgeschwindigkeit zwei mit Laserstrahlungen unterschiedlicher Spektren, deren Maxima voneinander beabstandet sind, erzeugte Streustrahlungen an unterschiedlichen Filterkanten gefiltert und herausgefilterte Anteile der Streustrahlungen und/oder Restanteile der Streustrahlungen untersucht werden, oder dass zum Bestimmen der Windgeschwindigkeit die Streustrahlung an einer Filterkante gefiltert und ein aus der Streustrahlung herausgefilterter Anteil und ein Restanteil der Streustrahlung untersucht werden.For the method mentioned in the introduction, the invention is achieved in that for determining the wind speed two scattered radiation generated by laser radiation of different spectra whose maxima are spaced apart are filtered at different filter edges and filtered-out portions of the scattered radiation and / or residual portions of the scattered radiation are examined For determining the wind speed, the scattered radiation is filtered on a filter edge and a portion filtered out of the scattered radiation and a residual portion of the scattered radiation are examined.

Weder mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung noch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es also notwendig, einen Teil der Streustrahlung vor der Filterung auszukoppeln, um die Referenz zu bilden. Es kann also im Wesentlichen die gesamte Streustrahlung gefiltert werden. Dadurch, dass die gesamte Streustrahlung gefiltert wird und vor der Filterung keine Referenzstrahlung aus der Streustrahlung entnommen wird, ist die vor und nach dem Filtern zur Verfügung stehende Intensität der Streustrahlung vergleichsweise höher als bei bekannten Vorrichtungen und Verfahren. Aufgrund der höheren Streustrahlungsintensität und insbesondere des größeren Doppler-Effektes lässt sich die Windgeschwindigkeit einfacher und mit deutlich reduziertem Signal bestimmen.Thus, neither with the device according to the invention nor with the method according to the invention is it necessary to decouple part of the scattered radiation before filtering in order to form the reference. Thus, essentially all of the scattered radiation can be filtered. Because the entire scattered radiation is filtered and no reference radiation is removed from the scattered radiation before the filtering, the intensity of the scattered radiation available before and after the filtering is comparatively higher than in known devices and methods. Due to the higher scattered radiation intensity and in particular the larger Doppler effect, the wind speed can be determined more easily and with a significantly reduced signal.

Die erfindungsgemäße Lösung kann durch verschiedene, jeweils für sich vorteilhafte und, sofern nicht anders ausgeführt, beliebig miteinander kombinierbare Ausgestaltungen weiter verbessert werden. Auf diese Ausgestaltungsformen und den mit ihnen verbundenen Vorteilen ist im Folgenden eingegangen.The solution according to the invention can be further improved by various configurations which are advantageous in each case and, if not stated otherwise, can be combined with one another as desired. These embodiments and the advantages associated with them are discussed below.

So kann die Vorrichtung mit dem Zwei-Kanten-Filter, also dem Wellenlängenfilter mit den zwei Filterkanten, eine Lasereinrichtung, die im Betrieb Laserstrahlung zur Streuung in der Atmosphäre emittiert, aufweisen, wobei die Lasereinrichtung im Betrieb Laserstrahlungen mit unterschiedlichen Spektren emittiert, und wobei das Maximum eines der Spektren bei der Wellenlänge einer der Filterkanten und das Maximum des anderen Spektrums bei der Wellenlänge der anderen Filterkante liegt. Die Lasereinrichtung kann einen Laser, der in der Lage ist, Strahlung mit den beiden Spektren zu emittieren, oder zwei unterschiedliche Laser aufweisen.Thus, the device with the two-edge filter, ie the wavelength filter with the two filter edges, a laser device which emits laser radiation during operation for scattering in the atmosphere, the laser device emits in operation laser radiation with different spectra, and wherein the Maximum one of the spectra at the wavelength of one of the filter edges and the maximum of the other spectrum at the wavelength of the other filter edge. The laser device may include a laser capable of emitting radiation with the two spectra, or two different lasers.

Diese Vorrichtung ist aufgrund der Verwendung nur eines Wellenlängenfilters besonders einfach aufbaubar. Der Wellenlängenfilter kann ein Bandpass sein. Der Detektor kann dem Wellenlängenfilter nachgeordnet sein, sodass das Streulicht zunächst auf den Wellenlängenfilter und erst nach der Filterung am Wellenlängenfilter auf den Detektor trifft. Der Wellenlängenfilter unterdrückt also das restliche Spektrum des in die Vorrichtung einfallenden Lichtes, wobei neben der Streustrahlung weitere Strahlung, zum Beispiel Tageslicht, in die Vorrichtung gelangen kann. Beispielsweise wird nur Strahlung innerhalb der Filterkurve durch den Wellenlängenfilter gelassen, was zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit ausreicht. Eine Referenzmessung vor dem Filter, die zusätzlich große Anteile des störenden Tageslichtes misst, wird nicht benötigt. Da die Vorrichtung nur einen Detektor benötigt, dem im Betrieb der Vorrichtung die gefilterte Streustrahlung zugeführt ist, brauchen Lichtwege innerhalb der Vorrichtung nicht aneinander angepasst und verschiedenen Detektoren miteinander verglichen werden. Folglich ist die Vorrichtung nicht nur einfach aufbaubar, sondern auch einfach betreibbar. Ferner reagiert die Vorrichtung robust auf Umwelteinflüsse, zum Beispiel Temperaturschwankungen oder Vibrationen.This device is particularly simple to construct due to the use of only one wavelength filter. The wavelength filter may be a bandpass. The detector may be arranged downstream of the wavelength filter so that the scattered light strikes the wavelength filter first and only after filtering on the wavelength filter on the detector. The wavelength filter thus suppresses the remaining spectrum of the incident light in the device, wherein in addition to the scattered radiation further radiation, for example daylight, can enter the device. For example, only radiation within the filter curve is passed through the wavelength filter, which is sufficient to determine the wind speed. A reference measurement in front of the filter, which additionally measures large amounts of disturbing daylight, is not needed. Since the device only requires a detector to which the filtered stray radiation is supplied during operation of the device, light paths within the device do not need to be matched and different detectors compared with each other. Consequently, the device is not only easy to build, but also easy to operate. Furthermore, the device reacts robustly to environmental influences, for example temperature fluctuations or vibrations.

Die Vorrichtung mit dem Zwei-Kanten-Filter kann einen zweiten Detektor aufweisen, wobei der Wellenlängenfilter ausgebildet ist, Anteile der Streustrahlung mit Wellenlängen auf nur je einer Seite der Filterkanten zum ersten Detektor und die Anteile der Streustrahlung mit Wellenlängen nur auf der jeweils anderen Seite der Filterkanten zum zweiten Detektor zu leiten. Beispielsweise können Anteile der Streustrahlung, deren Wellenlängen auf derselben Seite der Filterkanten liegen, zum ersten, und Anteile der Streustrahlungen, deren Wellenlängen auf der gegenüberliegenden Seite der Filterkanten liegen, zum zweiten Detektor geleitet werden. Ist der Zwei-Filter-Kanten aufweisende Wellenlängenfilter ein Bandpass, so können Anteile der Streustrahlung, die entweder innerhalb oder außerhalb des Filterbandes liegen, zum ersten Detektor geleitet werden. Die anderen Anteile der Streustrahlung können zum zweiten Detektor geleitet werden.The device with the two-edge filter may comprise a second detector, wherein the wavelength filter is formed, portions of the scattered radiation having wavelengths on only one side of the filter edges to the first detector and the proportion of scattered radiation with wavelengths only on the other side of the To guide filter edges to the second detector. For example, portions of the scattered radiation whose wavelengths lie on the same side of the filter edges can be directed to the first detector, and portions of the scattered radiation whose wavelengths lie on the opposite side of the filter edges to the second detector. If the wavelength filter having two-filter edges is a bandpass filter, portions of the scattered radiation that lie either inside or outside the filter band can be conducted to the first detector. The other portions of the scattered radiation can be directed to the second detector.

Bei dieser Ausgestaltungsform lässt sich der Dopplereffekt vierfach zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit ausnutzen. Vorteil: Je grösser der Effekt ist, umso leichter ist er zu messen. Dadurch wird deutlich weniger Laserleistung benötigt. Da auch hier die Detektoren nicht miteinander verglichen zu werden brauchen, bleiben die Vorteile der Ausgestaltungsform der Vorrichtung mit dem Zwei-Kanten-Filter und dem nur einen Detektor erhalten. Diese Ausgestaltungsform der Vorrichtung ist besonders gut geeignet, um bei Nacht die Windgeschwindigkeit zu bestimmen. Ist die Vorrichtung ausgebildet, um die Streustrahlung von durch Tageslicht hervorgerufener Hintergrundstrahlung zu trennen, kann diese Ausgestaltungsform der Vorrichtung auch bei Tag die Windgeschwindigkeit sehr genau und bei sehr geringer Intensität der Streustrahlung bestimmen.In this embodiment, the Doppler effect can be used four times to determine the wind speed. Advantage: The bigger the effect, the easier it is to measure. As a result, significantly less laser power is needed. Since the detectors do not need to be compared with each other, the advantages of the embodiment of the device with the two-edge filter and only one detector remain unchanged. This embodiment of the device is particularly well suited to determine the wind speed at night. If the device is designed to separate the scattered radiation from background radiation caused by daylight, this embodiment of the device can determine the wind speed very accurately even at daylight and at very low intensity of the scattered radiation.

Die Vorrichtung mit dem Ein-Kanten-Filter kann eine Lasereinrichtung aufweisen, die im Betrieb Laserstrahlung zur Streuung in der Atmosphäre emittiert, wobei das Spektrum der Laserstrahlung sein Maximum bei der Wellenlänge der Filterkante hat. Eine Lasereinrichtung, die ausgebildet ist, Laserstrahlung mit nur einem Spektrum zu emittieren, ist einfacher im Aufbau und preiswerter, als die Lasereinrichtung der Vorrichtung mit dem Zwei-Kanten-Filter.The device with the single-edge filter can have a laser device which emits laser radiation for scattering in the atmosphere during operation, the spectrum of the laser radiation having its maximum at the wavelength of the filter edge. A laser device which is designed to emit laser radiation with only one spectrum is simpler in construction and less expensive than the laser device of the device with the two-edge filter.

Der Wellenlängenfilter kann ausgebildet sein, die Polarisationsebene nur des Streustrahlungsanteils, dessen Wellenlänge nur auf einer Seite der wenigstens einen Filterkante liegt, zu drehen. Ferner kann der Wellenlängenfilter einen Polarisator aufweisen, dem die Streustrahlung nach der Drehung der Polarisationsebene entlang eines Streustrahlungspfades der Vorrichtung zugeführt ist. Durch die Drehung der Polarisationsebene nur des Streustrahlungsanteils, dessen Wellenlänge nur auf einer Seite der wenigstens einen Filterkante liegt, wobei der Streustrahlungsanteil, dessen Wellenlänge nur auf der anderen Seite wenigstens einen Filterkante liegt, ungedreht bleibt, kann der Polarisator den Streustrahlungsanteil, dessen Wellenlänge nur auf einer Seite der Filterkante liegt, von dem restlichen Streustrahlungsanteil, dessen Polarisationsebene nicht gedreht wurde, trennen. Der Polarisator kann beispielsweise ein polarisierender Strahlteiler, also ein sogenannter Polarising Beam Splitter (PBS) sein. The wavelength filter can be designed to rotate the plane of polarization of only the scattered radiation component whose wavelength lies only on one side of the at least one filter edge. Further, the wavelength filter may comprise a polarizer to which the scattered radiation is applied after rotation of the polarization plane along a scattered radiation path of the device. Due to the rotation of the plane of polarization of only the scattered radiation component, the wavelength of which lies only on one side of the at least one filter edge, the scattered radiation component, whose wavelength lies only on the other side at least one filter edge, remains unrotated, the polarizer can only detect the scattered radiation component whose wavelength one side of the filter edge is separated from the remainder of the scattered radiation component whose polarization plane has not been rotated. The polarizer can be, for example, a polarizing beam splitter, that is to say a so-called polarizing beam splitter (PBS).

Die Vorrichtung mit dem die Polarisationsebene drehenden Wellenlängenfilter kann den ersten und zweiten Detektor aufweisen, wobei die beiden Detektoren dem Polarisator nachgeschaltet sind. Dem ersten Detektor kann der Streustrahlungsanteil, dessen Polarisationsebene nicht gedreht wurde, zugeführt sein. Folglich wird die gesamte Streustrahlung, die den Wellenlängenfilter durchlaufen hat, zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit verwendet, ohne dass es notwendig ist, vor der Filterung einen Anteil der Streustrahlung als Referenzstrahlung aus der zurückgestreuten Streustrahlung auzukoppeln.The device with the polarization plane rotating wavelength filter may comprise the first and second detectors, wherein the two detectors are connected downstream of the polarizer. The first detector may be supplied with the scattered radiation component whose plane of polarization has not been rotated. Consequently, the total stray radiation that has passed through the wavelength filter is used to determine the wind speed, without it being necessary to decouple a portion of the stray radiation as reference radiation from the backscattered scattered radiation before the filtering.

Der Wellenlängenfilter zur Drehung der Polarisationsebene kann einen atomaren Linienfilter, z. B. einen Faraday-Filter aufweisen. Atomare Linienfilter drehen die Polarisationsebene abhängig von der Lage der Wellenlänge mit Bezug auf die Filterkante präzise, sodass die Windgeschwindigkeit genau messbar ist.The wavelength filter for rotation of the plane of polarization may comprise an atomic line filter, e.g. B. have a Faraday filter. Atomic line filters precisely rotate the polarization plane with respect to the position of the wavelength with respect to the filter edge so that the wind speed can be accurately measured.

Der Wellenlängenfilter kann ein Etalon aufweisen, das entlang eines Streustrahlungspfades der Vorrichtung zwischen den beiden Detektoren angeordnet ist. Entlang des Streustrahlungspfades breitet sich die Streustrahlung innerhalb der Vorrichtung aus. Dabei kann die Vorrichtung mit dem Etalon nur einen oder beide Detektoren aufweisen. Weist die Vorrichtung mit dem Etalon nur einen Detektor auf, so ist der Detektor vorzugsweise entlang des Streustrahlungspfades hinter dem Etalon angeordnet, sodass nur Streustrahlung, die durch das Etalon hindurchgetreten ist, zum Detektor gelangt. Andere Strahlung und insbesondere Tageslicht wird durch das Etalon daran gehindert, zum Detektor zu gelangen. The wavelength filter may comprise an etalon disposed along a stray radiation path of the device between the two detectors. Along the scattered radiation path, the scattered radiation spreads within the device. The device with the etalon can have only one or both detectors. If the device with the etalon has only one detector, then the detector is preferably arranged along the scattered radiation path behind the etalon, so that only stray radiation that passes through the etalon Etalon has passed, passes to the detector. Other radiation and especially daylight is prevented by the etalon from reaching the detector.

Dabei kann der Wellenlängenfilter entweder wiederkehrende Filterkanten des Etalons als mehrere Filterkanten verwenden. Ist der Wellenlängenfilter ein Etalon, so kann dem Wellenlängenfilter also zumindest ein weiterer Filter vor- oder nachgeschaltet sein, der die Seitenbänder des Etalons unterdrück, da ein Etalon einen Frequenzkamm mit einer sich periodisch wiederholenden Filterkurve hat. The wavelength filter may use either recurring filter edges of the etalon as multiple filter edges. If the wavelength filter is an etalon, then the wavelength filter can be preceded or followed by at least one further filter which suppresses the sidebands of the etalon, since an etalon has a frequency comb with a periodically repeating filter curve.

Insbesondere um die Windgeschwindigkeit am Tag zu bestimmen, können zwei Etalons und ein Interfrenzfilter einander nachgeschaltet werden, welche das Streulicht zumindest teilweise nacheinander durchläuft. Die Vor- oder Nachfilter dienen zur Abtrennung oder Unterdrückung des Tageslichtes. Das braucht man allerdings nur am Tag, um das Tageslicht effektiver vom Streulicht zu trennen. Soll die Windgeschwindigkeit in der Nacht, also im Dunkeln, bestimmt werden, reicht es aus, wenn der Wellenlängenfilter nur ein Etalon aufweist. Das zweite Etalon und der Interferenzfilter sind dann nicht notwendig.In particular, to determine the wind speed during the day, two Etalons and an interference filter can be followed each other, which passes through the scattered light at least partially successively. The pre- or post-filters serve to separate or suppress daylight. However, this is only necessary during the day to separate daylight more effectively from stray light. If the wind speed at night, ie in the dark, be determined, it is sufficient if the wavelength filter has only one Etalon. The second etalon and the interference filter are then not necessary.

Zusätzlich zu dem einen Detektor kann die Vorrichtung auch den zweiten Detektor aufweisen, dem vom Etalon zurückreflektierte Strahlung zugeführt ist. Beispielsweise lässt das Etalon Streustrahlung, dessen Wellenlänge auf einer Seite der Filterkante des Etalons liegt, passieren, so dass dieser Anteil zum ersten Detektor geleitet wird. Der Anteil der Streustrahlung, dessen Wellenlänge nur auf der anderen Seite der Filterkante des Etalon liegt, wird reflektiert und kann zum zweiten Detektor geleitet werden, wenn dieser vorgesehen und/oder eingeschaltet ist. Die Vorrichtung kann also ausgebildet sein, einen vom Etalon durchgelassenen Anteil der Streustrahlung zum ersten Detektor und einen vom Etalon reflektierten Anteil der Streustrahlung zum zweiten Detektor zu leiten. Die Streustrahlung wird also vollständig zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit verwendet.In addition to the one detector, the device may also comprise the second detector, to which radiation reflected back from the etalon is supplied. For example, the etalon allows stray radiation whose wavelength lies on one side of the filter edge of the etalon to pass this portion to the first detector. The portion of the scattered radiation whose wavelength lies only on the other side of the filter edge of the etalon is reflected and can be directed to the second detector, if it is provided and / or switched on. The device can thus be designed to direct a portion of the scattered radiation transmitted to the first detector by the etalon and a portion of the scattered radiation reflected by the etalon to the second detector. The scattered radiation is therefore used completely to determine the wind speed.

Insbesondere, wenn die Vorrichtung das Etalon aufweist, kann die Vorrichtung einen Polarisator aufweisen, der die Streustrahlung entlang des Streustrahlungspfades zum Etalon reflektiert. Der Polarisator kann wieder eine polarisierender Strahlteiler oder ein sogenannter Polarising Beam Splitter (PBS) sein, der ausgebildet ist, die Streustrahlung zum Etalon zu reflektieren. Insbesondere, wenn die Streustrahlung durch Rayleigh-Streuung erzeugt ist, ist diese bereits ausreichend polarisiert. Ist die Streustrahlung durch Mie-Streuung entstanden, so wäre dem Polarisator noch ein optisches Element, das die Mie-Streustrahlung polarisiert, vorzuschalten. Ferner kann entlang des Streustrahlungspfades zwischen dem Polarisator und dem Etalon eine Verzögerungsplatte, etwa ein Lambda-Viertel-Plättchen angeordnet sein. Die Verzögerungsplatte dreht die Polarisationsebene der Streustrahlung so, dass die vom Etalon zurückreflektierte Streustrahlung durch den Polarisator hindurch entlang des Streustrahlungspfades zum zweiten Detektor gelangen kann. Polarisatoren und Verzögerungsplatten sind gängige optische Bauteile, einfach zu handhaben und preiswert.In particular, when the device includes the etalon, the device may include a polarizer that reflects the scattered radiation along the scattered radiation path to the etalon. The polarizer may again be a polarizing beam splitter or a so-called polarizing beam splitter (PBS), which is designed to reflect the scattered radiation to the etalon. In particular, when the scattered radiation is generated by Rayleigh scattering, this is already sufficiently polarized. If the scattered radiation was caused by Mie scattering, the polarizer would still have to be preceded by an optical element that polarizes the Mie scattered radiation. Further, along the stray radiation path between the polarizer and the etalon, a retardation plate, such as a quarter-wave plate, may be disposed. The retardation plate rotates the polarization plane of the scattered radiation such that the scattered radiation reflected back from the etalon can pass through the polarizer along the scattered radiation path to the second detector. Polarizers and retardation plates are common optical components, easy to handle and inexpensive.

Die Vorrichtung kann eine Bestimmungseinheit aufweisen, die mit mindestens einem Detektor der Vorrichtung oder mit beiden Detektoren der Vorrichtung Signal übertragend verbunden ist oder verbunden werden kann. Die Bestimmungseinheit kann basierend auf den Detektorsignalen des zumindest einen Detektors die Windgeschwindigkeit bestimmen, beispielsweise gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.The device may comprise a determination unit, which is connected or capable of transmitting signals to at least one detector of the device or both detectors of the device. The determination unit may determine the wind speed based on the detector signals of the at least one detector, for example according to the method according to the invention.

Zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit können die Intensitäten der Restanteile der gefilterten Streustrahlung voneinander subtrahiert und das Ergebnis der Subtraktion durch die Summe der Intensitäten der Restanteile geteilt werden. Restanteile der Streustrahlung sind dabei die Anteile der Streustrahlung, die nach der Filterung übrig sind. Alternativ können zum Bestimmen der Windgeschwindigkeit die Intensitäten der herausgefilterten Anteile der gefilterten Streustrahlungen voneinander subtrahiert und das Ergebnis der Subtraktion durch die Summe der Intensitäten der herausgefilterten Anteile geteilt werden. To determine the wind speed, the intensities of the residual portions of the filtered scattered radiation can be subtracted from one another and the result of the subtraction can be divided by the sum of the intensities of the residual portions. Remaining portions of the scattered radiation are the portions of the scattered radiation that are left over after filtering. Alternatively, to determine the wind speed, the intensities of the filtered out portions of the filtered scattered radiation may be subtracted from one another and the result of the subtraction divided by the sum of the intensities of the filtered out portions.

Zum Bestimmen der Restanteile oder der herausgefilterten Anteile ist nur ein Detektor notwendig. Unterschiedliche Restanteile oder herausgefilterte Anteile, die subtrahiert und addiert werden, sind beispielsweise Anteile von Streustrahlungen, die mithilfe der die unterschiedlichen Spektren aufweisenden Laserstrahlungen erzeugt wurden. Dadurch, dass die Restanteile oder die herausgefilterten Anteile voneinander subtrahiert werden und das Ergebnis der Subtraktion danach durch die Division der aufsummierten Anteile normiert wird, wird ein Messsignal erzeugt, das im Vergleich zu bekannten Verfahren, bei denen Streulicht nur an einer Filterkante gefiltert und das herausgefilterte Streulicht nur zu einem Detektor geleitet wird, doppelt so groß ist. Da das Messsignal von der Dopplerverschiebung der Wellenlänge der Streustrahlung mit Bezug auf die zu streuende Laserstrahlung erzeugt wird, erhält man also gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren den doppelten Dopplereffekt. To determine the residual or filtered portions, only one detector is necessary. Different residuals or filtered-out portions which are subtracted and added are, for example, proportions of scattered radiation produced by means of the laser beams having the different spectra. By subtracting the residual parts or the filtered-out portions from one another and then normalizing the result of the subtraction by dividing the accumulated components, a measurement signal is generated which is filtered only at one filter edge and filtered out in comparison with known methods Scattered light is only conducted to a detector that is twice as large. Since the measurement signal is generated by the Doppler shift of the wavelength of the scattered radiation with respect to the laser radiation to be scattered, the double Doppler effect is thus obtained according to the method according to the invention.

Weist die Vorrichtung zwei Filterkanten und zwei Detektoren auf, können die normierten Ergebnisse der Subtraktion der Restanteile voneinander und der Subtraktion der herausgefilterten Anteile voneinander gemittelt werden, wodurch nicht nur der doppele, sondern sogar der vierfache Dopplereffekt zum Bestimmen der Windgeschwindigkeit verwendet wird.If the device has two filter edges and two detectors, the normalized results of the subtraction of the residual parts from one another and the subtraction of the parts filtered out can be averaged from one another, whereby not only the double, but even the fourfold Doppler effect is used to determine the wind speed.

Weist die Vorrichtung den Wellenlängenfilter mit nur einer Kante und zwei Detektoren auf, so kann zum Bestimmen der Windgeschwindigkeit die Intensität der Restanteile und der herausgefilterten Anteile der gefilterten Streustrahlung untersucht werden. Insbesondere können die Restanteile und die herausgefilterten Anteile voneinander subtrahiert und das Subtraktionsergebnis durch die Summe der Restanteile und der herausgefilterten Anteile zur Normierung geteilt werden, wodurch auch hier der doppelte Dopplereffekt zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit genutzt wird. If the device has the wavelength filter with only one edge and two detectors, the intensity of the residual parts and the filtered-out portions of the filtered scattered radiation can be examined to determine the wind speed. In particular, the residual components and the filtered-out components can be subtracted from one another and the subtraction result can be divided by the sum of the residual components and the filtered-out components for normalization, whereby here too the double Doppler effect is used to determine the wind speed.

Diese Ausgestaltungsform hat den Vorteil, dass sie sehr einfach durchzuführen ist, da man nicht schnell mit der Laservorrichtung die Wellenlänge wechseln muss, was sehr schwierig ist. Technisch ist das Verfahren daher sehr einfach durchzuführen. Es muss lediglich die Eigenschaften der beiden Lichtwege/Detektoren zu jedem Zeitpunkt bekannt sein. Anhand der gefilterten Streustrahlung kann vor der Bestimmung der Windgeschwindigkeit die Temperatur der Atmosphäre, in der die Windgeschwindigkeit bestimmt werden soll, ermittelt werden. Alternativ kann die Temperatur anders bestimmt werden.This embodiment has the advantage that it is very easy to perform, since you do not have to change the wavelength quickly with the laser device, which is very difficult. Technically, the method is therefore very easy to perform. It is only necessary to know the properties of the two light paths / detectors at all times. On the basis of the filtered scattered radiation, the temperature of the atmosphere in which the wind speed is to be determined can be determined before the determination of the wind speed. Alternatively, the temperature can be determined differently.

Im Folgenden ist die Erfindung beispielhaft anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Die unterschiedlichen Merkmale der Ausführungsformen können dabei unabhängig voneinander kombiniert werden, wie es bei den einzelnen vorteilhaften Ausgestaltungen bereits dargelegt wurde. The invention is explained below by way of example with reference to embodiments with reference to the drawings. The different features of the embodiments can be combined independently of each other, as has already been explained in the individual advantageous embodiments.

Es zeigen:Show it:

1 bis 5 schematische Darstellungen unterschiedlicher Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit. 1 to 5 schematic representations of different embodiments of the device according to the invention for determining the wind speed.

6 eine schematische Darstellung eines Wellenlängenfilters der erfindungsgemäßen Vorrichtung, 6 a schematic representation of a wavelength filter of the device according to the invention,

7 und 8 schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Verfahren zum Bestimmen der Windgeschwindigkeit. 7 and 8th schematic representations of inventive method for determining the wind speed.

Zunächst sind Aufbau und Funktion einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel der Figur beschrieben.First of all, the structure and function of a device according to the invention for determining the wind speed are described with reference to the exemplary embodiment of the figure.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit schematisch mit einem optischen Wellenlängenfilter 2 und einem ersten Detektor 3. Ferner zeigt die 1 eine Lasereinrichtung 4, die separat zur Vorrichtung 1 oder als Teil der Vorrichtung 1 bereitgestellt sein kann. In Betrieb emittiert die Lasereinrichtung 4 Laserstrahlung L, die in der Atmosphäre 5 gestreut wird, insbesondere um Windgeschwindigkeiten in der Atmosphäre 5 bestimmen zu können. Als Streustrahlung S gestreute Laserstrahlung L empfängt die Vorrichtung 1. Der Wellenlängenfilter 2 filtert die Streustrahlung S und leitet die gefilterte Streustrahlung an den ersten Detektor 3. 1 shows a first embodiment of a device 1 for determining the wind speed schematically with an optical wavelength filter 2 and a first detector 3 , Furthermore, the shows 1 a laser device 4 Separately to the device 1 or as part of the device 1 can be provided. In operation, the laser device emits 4 Laser radiation L, which is in the atmosphere 5 scattered, in particular wind speeds in the atmosphere 5 to be able to determine. Laser radiation L scattered as scattered radiation S receives the device 1 , The wavelength filter 2 filters the scattered radiation S and passes the filtered scattered radiation to the first detector 3 ,

Beispielsweise leitet der Wellenlängenfilter 2 nur herausgefilterte Anteile T1, T2 der Streustrahlungen S oder nur Restanteile R1, R2 der Streustrahlungen S zum ersten Detektor 3.For example, the wavelength filter passes 2 only filtered-out portions T1, T2 of the scattered radiation S or only residual portions R1, R2 of the scattered radiation S to the first detector 3 ,

Zum Beispiel kann von der Stratosphäre gestreute Streustrahlung S zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit in der Stratosphäre in der Vorrichtung 1 untersucht werden. Die Laserstrahlung L wird in der Stratosphäre zumindest größtenteils aufgrund der Rayleigh-Streuung gestreut, so dass die Streustrahlung eine geringe Intensität und eine gute Polarisation aufweist. Wird als Teil der Atmosphäre 5 die Troposphäre zur Streuung der Laserstrahlung L verwendet, um Windgeschwindigkeiten in der Troposphäre zu messen, so wird die Laserstrahlung L zusätzlich aufgrund von Mie-Streuung gestreut. For example, stray radiation scattered by the stratosphere may be used to determine the wind velocity in the stratosphere in the device 1 to be examined. The laser radiation L is scattered in the stratosphere at least largely due to the Rayleigh scattering, so that the scattered radiation has a low intensity and a good polarization. Will be part of the atmosphere 5 the troposphere is used to scatter the laser radiation L to measure wind speeds in the troposphere, the laser radiation L is additionally scattered due to Mie scattering.

Der Wellenlängenfilter 2 weist zwei unterschiedliche Filterkanten auf. Die Filterkanten können so weit voneinander beabstandet sein, dass Wellenlängenverteilungen von an diesen Filterkanten zu filternden Streustrahlungen S ohne weiteres voneinander trennbar sind. Ist die Lasereinrichtung 4 Teil der Vorrichtung 1, kann die Lasereinrichtung 4 im Betrieb Laserstrahlungen L erzeugen, die unterschiedliche Spektren aufweisen. Insbesondere liegen die Maxima dieser Spektren auf den Wellenlängen der Filterkanten.The wavelength filter 2 has two different filter edges. The filter edges may be spaced far enough apart that wavelength distributions of scattered radiation S to be filtered at these filter edges are readily separable from one another. Is the laser device 4 Part of the device 1 , the laser device can 4 generate laser radiation L in operation, which have different spectra. In particular, the maxima of these spectra are at the wavelengths of the filter edges.

Werden Streustrahlungen S mithilfe der unterschiedliche Spektren aufweisenden Laserstrahlungen L beispielsweise nacheinander erzeugt, so können die gestreuten Streustrahlungen S an den unterschiedlichen Filterkanten gefiltert an den Detektor 3 geleitet werden.If scattered radiation S is generated successively by means of the laser beams L having different spectra, for example, then the scattered scattered radiation S at the different filter edges can be filtered to the detector 3 be directed.

2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau Elemente des Ausführungsbeispiels der 1 entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel der 1 eingegangen. 2 shows a further embodiment of the device according to the invention 1 , For elements that are in function and / or construction elements of the embodiment of the 1 correspond, the same reference numerals are used. For the sake of brevity, in the following only the differences from the exemplary embodiment of FIG 1 received.

Die Vorrichtung 1 ist auch im Ausführungsbeispiel der 2 mit der Lasereinrichtung 4 und der die Laserstrahlung L streuenden Atmosphäre 5 dargestellt. Ebenso zeigt die 2 die Streustrahlung S, die durch Streuung der Laserstrahlung L in der Atmosphäre 5 erzeugt wurde. Die Streustrahlung S wird zum Wellenlängenfilter 2 geleitet. Der Wellenlängenfilter 2 des Ausführungsbeispiels der 2 weist nur eine Filterkante auf, deren spektrale Lage dem Maximum des Spektrums der Streustrahlung L vorzugsweise entspricht. Der Wellenlängenfilter 2 leitet einen herausgefilterten Anteil T1 der Streustrahlung S zum ersten Detektor 3 und einen Restanteil R1 zu einem zweiten Detektor 6 der Vorrichtung 1.The device 1 is also in the embodiment of 2 with the laser device 4 and the the laser radiation L scattering atmosphere 5 shown. Likewise shows the 2 the scattered radiation S caused by scattering of the laser radiation L in the atmosphere 5 was generated. The scattered radiation S becomes the wavelength filter 2 directed. The wavelength filter 2 of the embodiment of 2 has only one filter edge whose spectral position preferably corresponds to the maximum of the spectrum of the scattered radiation L. The wavelength filter 2 directs a filtered-out portion T1 of the scattered radiation S to the first detector 3 and a remainder R1 to a second detector 6 the device 1 ,

Die Summe der Intensitäten des Restanteils R1 und des herausgefilterten Anteils T1 entspricht im Wesentlichen der Intensität der Streustrahlung S.The sum of the intensities of the residual component R1 and the filtered-out component T1 essentially corresponds to the intensity of the scattered radiation S.

3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 schematisch. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau Elementen der vorherigen Ausführungsbeispiele entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsbeispielen eingegangen. 3 shows a further embodiment of the device according to the invention 1 schematically. For elements that correspond in function and / or construction elements of the previous embodiments, the same reference numerals are used. For the sake of brevity, only the differences from the previous exemplary embodiments will be discussed below.

Auch die 3 zeigt die Vorrichtung 1 mit der Lasereinrichtung 4 und der die Laserstrahlung L streuenden Atmosphäre 5 sowie der Streustrahlung S. Die Vorrichtung 1 weist den Wellenlängenfilter 2 auf, wobei der Wellenlängenfilter 2 des Ausführungsbeispiels der 3 mit zwei Filterkanten ausgebildet ist. Ferner weist die Vorrichtung 1 den ersten Detektor 3 und den zweiten Detektor 6 auf. Da der Wellenlängenfilter 2 zwei Filterkanten aufweist, emittiert die Lasereinrichtung 4 im Betrieb vorzugsweise Laserstrahlungen L mit unterschiedlichen Spektren, deren Maxima jeweils bei der Wellenlänge einer der Filterkanten liegen. Also the 3 shows the device 1 with the laser device 4 and the atmosphere scattering the laser radiation L 5 and scattered radiation S. The device 1 has the wavelength filter 2 on, with the wavelength filter 2 of the embodiment of 3 is formed with two filter edges. Furthermore, the device 1 the first detector 3 and the second detector 6 on. Because the wavelength filter 2 has two filter edges emitted by the laser device 4 In operation, preferably laser radiations L with different spectra whose maxima are each at the wavelength of one of the filter edges.

Zum Beispiel leitet der Wellenlängenfilter 2 herausgefilterte Anteile T1, T2 zum ersten Detektor 3 und Restanteile R1, R2 der Streustrahlung S zum zweiten Detektor 6.For example, the wavelength filter passes 2 filtered out components T1, T2 to the first detector 3 and residuals R1, R2 of the scattered radiation S to the second detector 6 ,

4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau Elemente, der Ausführungsbeispiele der bisherigen Figuren entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zu den bisherigen Ausführungsbeispielen eingegangen. 4 shows a further embodiment of the device according to the invention 1 , For elements which correspond in function and / or construction elements, the embodiments of the previous figures, the same reference numerals are used. For the sake of brevity, only the differences from the previous exemplary embodiments will be discussed below.

Die Vorrichtung 1, die in der 4 ebenfalls mit der Lasereinrichtung 4 und der Atmosphäre 5 sowie der Laserstrahlung L und der Streustrahlung S dargestellt ist, weist als Wellenlängenfilter 2 ein Etalon 10 auf. Das Etalon 10 weist eine Vielzahl von Filterkanten auf, die als Filterkamm bezeichnet sein können. Emittiert die Lasereinrichtung 4 Laserstrahlung L mit unterschiedlichen Spektren, so können die Maxima dieser Spektren auf unterschiedlichen Filterkanten des Etalons 10 liegen. Emittiert die Lasereinrichtung 4 jedoch Laserstrahlung mit nur einem Spektrum, so kann dessen Maximum auf einer der Filterkanten, und insbesondere auf einer ausgewählten Filterkante des Etalons 10 liegen.The device 1 in the 4 also with the laser device 4 and the atmosphere 5 and the laser radiation L and the scattered radiation S, has as a wavelength filter 2 an etalon 10 on. The etalon 10 has a plurality of filter edges, which may be referred to as a filter comb. Emits the laser device 4 Laser radiation L with different spectra, so the maxima of these spectra on different filter edges of the etalon 10 lie. Emits the laser device 4 However, laser radiation with only one spectrum, so its maximum on one of the filter edges, and in particular on a selected filter edge of the etalon 10 lie.

Dem Etalon 10 wird die Streustrahlung S durch einen Polarisator 11 zugeführt, wobei der Polarisator 11 die Streustrahlung S beispielsweise in Richtung auf das Etalon 10 zu reflektiert. Zwischen dem Polarisator 11 und dem Etalon 10 ist entlang eines Streustrahlungspfades P der Vorrichtung 1 eine Verzögerungsplatte 12 angeordnet. Die Verzögerungsplatte 12 ist beispielsweise ein λ/4-Plättchen. Die Streustrahlung S passiert die Verzögerungsplatte 12 und trifft auf das Etalon 10. Das Etalon 10 lässt einen Anteil der Streustrahlung S, dessen Wellenlängen nur auf einer Seite einer der Filterkanten des Etalon 10 liegen, als herausgefilterten Anteil T1 zum ersten Detektor 3 passieren. Der Restanteil R1 wird vom Etalon 10 reflektiert. Die Verzögerungsplatte 12 ändert die Polarisation des Restanteil R1 so, dass der Restanteil R1 entlang des Streustrahlungspfades P durch den Polarisator 11 hindurch zum zweiten Detektor 6 geleitet werden kann.The etalon 10 the scattered radiation S is passed through a polarizer 11 fed, the polarizer 11 the scattered radiation S, for example, towards the etalon 10 to reflect. Between the polarizer 11 and the etalon 10 is along a stray radiation path P of the device 1 a delay plate 12 arranged. The delay plate 12 is for example a λ / 4 plate. The scattered radiation S passes through the retardation plate 12 and meets the etalon 10 , The etalon 10 leaves a portion of the scattered radiation S whose wavelengths only on one side of one of the filter edges of the etalon 10 lie as filtered-out portion T1 to the first detector 3 happen. The remaining portion R1 is from the etalon 10 reflected. The delay plate 12 changes the polarization of the residual portion R1 so that the residual portion R1 along the stray radiation path P through the polarizer 11 through to the second detector 6 can be directed.

5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau Elemente, der Ausführungsbeispiele der bisherigen Figuren entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zu den bisherigen Ausführungsbeispielen eingegangen. 5 shows a further embodiment of the device according to the invention 1 , For elements which correspond in function and / or construction elements, the embodiments of the previous figures, the same reference numerals are used. For the sake of brevity, only the differences from the previous exemplary embodiments will be discussed below.

Wie schon bei den bisherigen Figuren zeigt auch die 5 die Vorrichtung 1 mit der Lasereinrichtung 4 und der die Laserstrahlung L streuenden Atmosphäre 5. Auch in der 5 wird die gestreute Laserstrahlung L als Streustrahlung S zur Vorrichtung 1 geleitet. Der Wellenlängenfilter 2 der Vorrichtung 1 des Ausführungsbeispiels der 5 dreht die Polarisationsebene des Anteils der Streustrahlung S, dessen Wellenlängen auf einer Seite der Filterkante liegen. Die Polarisationsebenen anderer Anteile der Streustrahlung S, deren Wellenlängen auf der anderen Seite der Filterkante liegen, werden nicht gedreht. Die Streustrahlung S kann vollständig durch den Wellenlängenfilter 2 hindurchtreten und an einem dem Wellenlängenfilter 2 nachgeschalteten Polarisator 20 in den herausgefilterten Anteil T1 und den Restanteil R1 aufgeteilt werden. Der Restanteil R1 kann wieder zum Detektor 6 und der herausgefilterte Anteil T1 zum Detektor 3 geleitet werden. Aufgrund der Drehung der Polarisationsebene trennt der Polarisator 20 die Streustrahlung S in die beiden Anteile R1, T1. As with the previous figures also shows the 5 the device 1 with the laser device 4 and the atmosphere scattering the laser radiation L 5 , Also in the 5 the scattered laser radiation L as scattered radiation S to the device 1 directed. The wavelength filter 2 the device 1 of the embodiment of 5 rotates the polarization plane of the portion of the scattered radiation S whose wavelengths lie on one side of the filter edge. The polarization planes of other portions of the scattered radiation S whose wavelengths are on the other side of the filter edge are not rotated. The scattered radiation S can pass completely through the wavelength filter 2 pass through and on to the wavelength filter 2 downstream polarizer 20 be divided into the filtered-out portion T1 and the remaining portion R1. The remainder R1 can be returned to the detector 6 and the filtered-out portion T1 to the detector 3 be directed. Due to the rotation of the polarization plane, the polarizer separates 20 the scattered radiation S into the two components R1, T1.

Dem Wellenlängenfilter 2 kann auch im Ausführungsbeispiel der 5 das optionale Polarisationselement 13 vorgeschaltet sein, sodass die Streustrahlung S erst durch das Polarisationselement 13 polarisiert wird und danach die polarisierte Streustrahlung S zum Wellenlängenfilter 2 geleitet wird. Der Wellenlängenfilter 2 des Ausführungsbeispiels der 5 kann ein atomarer Linienfilter 21, beispielsweise eine Faraday-Filter, sein. Der Streustrahlungspfad P kann sich nach dem Polarisator 20 in zwei Streustrahlungspfadabschnitte P1, P2 verzweigen, die jeweils vom Polarisator 20 zu einem der Detektoren 3, 6 führen. The wavelength filter 2 can also in the embodiment of 5 the optional polarization element 13 be upstream, so that the scattered radiation S only by the polarization element 13 is polarized and then the polarized scattered radiation S to the wavelength filter 2 is directed. The wavelength filter 2 of the embodiment of 5 can be an atomic line filter 21 , for example a Faraday filter. The stray radiation path P may follow the polarizer 20 branch into two stray radiation path sections P1, P2, each from the polarizer 20 to one of the detectors 3 . 6 to lead.

6 zeigt schematisch die Funktion des Wellenlängenfilters 2 mit Streustrahlungen S. 6 schematically shows the function of the wavelength filter 2 with scattered radiation S.

Auf der Abszissenachse 31 des dargestellten Diagramms 30 ist die Wellenlänge λ in Nanometern aufgetragen. Die Ordinatenachse 32 des Diagramms 30 zeigt die Intensität der Streustrahlung S mit beliebiger Einheit.On the abscissa axis 31 of the diagram shown 30 the wavelength λ is plotted in nanometers. The ordinate axis 32 of the diagram 30 shows the intensity of the scattered radiation S with any unit.

Zunächst ist die Funktion des Wellenlängenfilters 2 mit nur einer Wellenlängenfilterkante beschrieben.First, the function of the wavelength filter 2 described with only one wavelength filter edge.

Die Filterkante 33 liegt bei einer ersten Wellenlänge I. Liegt das Maximum der Laserstrahlung L bei der ersten Wellenlänge I und beträgt die Windgeschwindigkeit 0 m/s, so hat die Streustrahlung S0 das als durchgezogene Linie gezeigte Spektrum, dessen Maximum ebenfalls bei der ersten Wellenlänge I liegt. Ist die Windgeschwindigkeit größer als 0 m/s, so ist das Spektrum der Streustrahlung S dopplerverschoben und als gestrichelte Linie mit dem Bezugszeichen S1 versehen. Das Maximum des Streustrahlungsspektrums S1 liegt in der 6 beispielhaft rechts von der ersten Wellenlänge I.The filter edge 33 is at a first wavelength I. If the maximum of the laser radiation L at the first wavelength I and the wind speed is 0 m / s, the scattered radiation S0 has the spectrum shown as a solid line, the maximum is also at the first wavelength I. If the wind speed is greater than 0 m / s, the spectrum of the scattered radiation S is Doppler-shifted and provided with the reference symbol S1 as a dashed line. The maximum of the scattered radiation spectrum S1 lies in the 6 by way of example, to the right of the first wavelength I.

Das Spektrum S0 ist symmetrisch zur ersten Wellenlänge I angeordnet. Auf beiden Seiten der Filterkante 33 vorhandene Anteile des Spektrum S0 sind gleich groß. Liegt die Windgeschwindigkeit jedoch über 0 m/s, so ist der Anteil des Spektrums S1 rechts der Wellenlänge I größer, als der Anteil des Spektrums S1, der links von der ersten Wellenlänge I liegt. Beispielsweise ist der Anteil links der ersten Wellenlänge I der herausgefilterte Anteil l T und der Anteil der rechts von der ersten Wellenlänge I vorhanden ist, der Restanteil R. Nimmt die Windgeschwindigkeit zu, so wandert das Maximum der Streustrahlung S weiter weg von der Filterkante 33, sodass sich die Anteile R, T immer mehr voneinander unterscheiden. The spectrum S0 is arranged symmetrically to the first wavelength I. On both sides of the filter edge 33 Existing portions of the spectrum S0 are the same size. However, if the wind speed is above 0 m / s, the proportion of the spectrum S1 to the right of the wavelength I is greater than the proportion of the spectrum S1 which is to the left of the first wavelength I. By way of example, the fraction to the left of the first wavelength I is the filtered-out component I T and the component to the right of the first wavelength I is the remainder component R. If the wind speed increases, the maximum of the scattered radiation S moves farther away from the filter edge 33 , so that the proportions R, T more and more differ from each other.

Werden der Restanteil R und der herausgefilterte Anteil T voneinander subtrahiert, wenn die Windgeschwindigkeit 0 m/s beträgt, ist das Ergebnis null. Ist die Streustrahlung jedoch dopplerverschoben, so ist das Ergebnis ungleich null. Da der Restanteil R und der herausgefilterte Anteil T voneinander subtrahiert werden, wirkt sich die Dopplerverschiebung doppelt auf das Ergebnis aus, sodass die Windgeschwindigkeit mit Streustrahlung S einer geringeren Intensität bestimmt werden kann, als bei einer Messung mit Referenz.If the residual R and the filtered-out portion T are subtracted from each other when the wind speed is 0 m / s, the result is zero. However, if the scattered radiation is Doppler-shifted, the result is not equal to zero. Since the residual portion R and the filtered-out portion T are subtracted from each other, the Doppler shift has a double effect on the result, so that the wind speed can be determined with scattered radiation S of lower intensity than in a reference measurement.

Der Wellenlängenfilter 2 kann jedoch auch noch eine zweite Filterkante 34 aufweisen, die an einer zweiten Wellenlänge II angeordnet ist. Der Abstand der beiden Wellenlängen I, II entspricht der Filterbreite und der Filter sollte so breit sein, dass der Teil, der innerhalb der Filterkurve liegt, nicht bis auf die andere Seite der jeweils anderen Filterkante ragt. The wavelength filter 2 but can also have a second filter edge 34 have, which is arranged at a second wavelength II. The distance of the two wavelengths I, II corresponds to the filter width and the filter should be so wide that the part that lies within the filter curve does not protrude to the other side of the respective other filter edge.

Vorzugsweise entspricht die Filterbreite im Wesentlichen der halben Dopplerbreite des Signals.Preferably, the filter width is substantially equal to half the Doppler width of the signal.

Ist der Wellenlängenfilter 2 ein Bandpass, so können die zwischen den Filterkanten 33, 34 vorhandenen Anteile der Streustrahlungsspektren S0, S3 die gefilterten Anteile T bilden. Die außerhalb des zwischen den Filterkanten 33, 34 vorhandenen Intervalls liegenden Anteile S1 und S4 der Streustrahlungsspektren können als herausgefilterte Anteile R verwendet werden.Is the wavelength filter 2 a bandpass, so can those between the filter edges 33 . 34 existing portions of the scattered radiation spectra S0, S3 form the filtered portions T. The outside of the between the filter edges 33 . 34 Shares S1 and S4 of the scattered radiation spectra lying in the existing interval can be used as filtered-out portions R.

Werden der Restanteil R1 und der herausgefilterte Anteil T1 sowie der Restanteil R2 und der herausgefilterte Anteil T2 jeweils voneinander subtrahiert, wenn die Windgeschwindigkeit 0 m/s beträgt, ist das Ergebnis null. Ist die Streustrahlung jedoch dopplerverschoben, so ist das Ergebnis ungleich null. Da der Restanteil R1 und der herausgefilterte Anteil T1 und zusätzlich der Restanteil R2 und der herausgefilterte Anteil T2 voneinander subtrahiert werden, wirkt sich die Dopplerverschiebung vierfach auf das Ergebnis aus, sodass die Windgeschwindigkeit mit Streustrahlung S einer noch geringen Intensität bestimmt werden kann.If the residual fraction R1 and the filtered-out component T1, as well as the residual component R2 and the filtered-out component T2, are each subtracted from one another when the wind speed is 0 m / s, the result is zero. However, if the scattered radiation is Doppler-shifted, the result is not equal to zero. Since the residual portion R1 and the filtered-out portion T1 and additionally the residual portion R2 and the filtered-out portion T2 are subtracted from each other, the Doppler shift affects four times the result, so that the wind speed can be determined with scattered radiation S of a still low intensity.

7 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen der Windgeschwindigkeit schematisch als ein Flussdiagramm. Für Elemente der bisherigen Ausführungsbeispiele, die im Folgenden zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet sind, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. 7 shows a first embodiment of the method according to the invention for determining the wind speed schematically as a flowchart. For elements of the previous embodiments, which are used in the following to explain the method according to the invention, the same reference numerals are used.

Das Verfahren 40 startet mit einem ersten Verfahrensschritt 41, in dem beispielsweise Laserstrahlung L emittiert wird. Im folgenden Verfahrensschritt 42 wird die Laserstrahlung L in der Atmosphäre 5 gestreut. Die in der Atmosphäre 5 gestreute Laserstrahlung L wird im Verfahrensschritt 43 als Streustrahlung S von der Vorrichtung 1 empfangen. The procedure 40 starts with a first process step 41 in which, for example, laser radiation L is emitted. In the following process step 42 becomes the laser radiation L in the atmosphere 5 scattered. The ones in the atmosphere 5 scattered laser radiation L is in the process step 43 as scattered radiation S from the device 1 receive.

Im nun folgenden Verfahrensschritt 44 wird die Streustrahlung S gefiltert. Die Intensität des herausgefilterten Anteils T wird im Verfahrensschritt 45 gemessen, wobei der Verfahrensschritt 45 auf den Verfahrensschritt 44 folgt. Ebenfalls auf den Verfahrensschritt 44 folgt der Verfahrensschritt 46, in dem die Intensität eines Restanteils R der Streustrahlung S gemessen wird. Im Verfahrensschritt 47, der sich den beiden Verfahrensschritten 45 und 46 anschließt, werden die Intensitäten der beiden Anteile R, T zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit untersucht.In the following process step 44 the scattered radiation S is filtered. The intensity of the filtered-out portion T is in the process step 45 measured, the process step 45 on the process step 44 follows. Also on the process step 44 follows the process step 46 in which the intensity of a residual portion R of the scattered radiation S is measured. In the process step 47 , which is the two process steps 45 and 46 The intensities of the two components R, T for determining the wind speed are investigated.

Optional kann vor den Verfahrensschritten 45, 46 zunächst ein Verfahrensschritt 48 erfolgen, in dem die Temperatur der Atmosphäre 5, in der die Windgeschwindigkeit gemessen werden soll, bestimmt werden. Die Temperatur kann beispielsweise anhand der Summe der Anteile T, R bestimmt werden.Optionally, before the process steps 45 . 46 first a procedural step 48 done in which the temperature of the atmosphere 5 , in which the wind speed is to be measured, to be determined. The temperature can be determined, for example, based on the sum of the shares T, R.

8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch als ein Flussdiagramm. Für Elemente der bisherigen Ausführungsbeispiele, die im Folgenden zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet sind, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. 8th shows a further embodiment of the method according to the invention schematically as a flowchart. For elements of the previous embodiments, which are used in the following to explain the method according to the invention, the same reference numerals are used.

Das Verfahren 50 des Ausführungsbeispiels der 8 startet mit dem Verfahrensschritt 51. Im Verfahrensschritt 51 wird Laserstrahlung L, deren spektrales Maximum bei einer ersten Wellenlänge I liegt, emittiert. Die Verfahrensschritte 52, 53 entsprechen im Wesentlichen den Verfahrensschritten 42, 43. The procedure 50 of the embodiment of 8th starts with the process step 51 , In the process step 51 is laser radiation L whose spectral maximum is at a first wavelength I emitted. The process steps 52 . 53 essentially correspond to the method steps 42 . 43 ,

Im Verfahrensschritt 54 wird die Streustrahlung S gefiltert, wobei im nun folgenden Verfahrensschritt 55 entweder der herausgefilterte Anteil T1 oder der Restanteil R1 der gefilterten Streustrahlung S gemessen wird. In the process step 54 the scattered radiation S is filtered, in the following process step 55 either the filtered-out portion T1 or the residual portion R1 of the filtered scattered radiation S is measured.

Im nun folgenden Verfahrensschritt 56 wird Laserstrahlung in die Atmosphäre 5 emittiert, deren Spektrum sein Maximum bei der zweiten Wellenlänge II aufweist. Die Verfahrensschritte 57, 58 entsprechen wieder im Wesentlichen den Verfahrensschritte 42, 43.In the following process step 56 will laser radiation into the atmosphere 5 emitted, whose spectrum has its maximum at the second wavelength II. The process steps 57 . 58 again essentially correspond to the process steps 42 . 43 ,

Im Verfahrensschritt 59 wird wie im Verfahrensschritt 54 die zurückgestreute Streustrahlung S gefiltert, sodass im nun folgenden Verfahrensschritt 60 wie im Verfahrensschritt 55 die Intensität entweder des herausgefilterten Anteils T2 oder des Restanteils R2 bestimmt wird. In the process step 59 becomes like in the process step 54 the backscattered scattered radiation S filtered so that in the subsequent process step 60 as in the process step 55 the intensity of either the filtered-out portion T2 or the remaining portion R2 is determined.

Im sich nun anschließenden Verfahrensschritt 61 wird die Geschwindigkeit anhand der herausgefilterten Anteile T1, T2 und/oder der Restanteile R1, R2 bestimmt. Vor dem Verfahrensschritt 61 kann wieder anhand der Summe der Anteile R, T die Temperatur der Atmosphäre 5, in der die Windgeschwindigkeit gemessen werden soll, bestimmt werden. Auch beim Ausführungsbeispiel der 8 kann zunächst die Temperatur des Gases, dessen Geschwindigkeit bestimmt werden soll, bestimmt werden.In the subsequent process step 61 the speed is determined on the basis of the filtered-out portions T1, T2 and / or the residual portions R1, R2. Before the process step 61 can again be the sum of the proportions R, T the temperature of the atmosphere 5 , in which the wind speed is to be measured, to be determined. Also in the embodiment of 8th First, the temperature of the gas whose velocity is to be determined can be determined.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Vorrichtung contraption
22: Wellenlängenfilter Wavelength filter
33: erster Detektor first detector
44: Lasereinrichtung laser device
55: Atmosphäre the atmosphere
66: zweiter Detektor second detector
1010: Etalon etalon
1111: Polarisator polarizer
1212: Verzögerungsplatte retardation plate
2020: Polarisator polarizer
2121: atomarer Linienfilter atomic line filter
3030: Diagramm diagram
3131: Abszissenachse abscissa
3232: Ordinatenachse axis of ordinates
33, 3433, 34: Filterkante filter edge
4040: Verfahren method
4141: Laserstrahlung emittieren Emit laser radiation
42 42: Laserstrahlung in Atmosphäre streuenScatter laser radiation in the atmosphere
4343: Streustrahlung empfangen Received scattered radiation
4444: Streustrahlung filtern Filter scattered radiation
4545: Intensität des herausgefilterten Anteils messen Measure the intensity of the fraction filtered out
4646: Intensität des Restanteils messen Measure the intensity of the remainder
4747: Windgeschwindigkeit bestimmen Determine wind speed
4848: Temperatur bestimmen Determine temperature
5050: Verfahren method
5151: Laserstrahlung mit erster Wellenlänge emittieren Emit laser radiation of the first wavelength
5252: Laserstrahlung in Atmosphäre streuen Scatter laser radiation in the atmosphere
5353: Streustrahlung empfangen Received scattered radiation
5454: Streustrahlung filtern Filter scattered radiation
5555: Intensität des herausgefilterten Anteils oder des Restanteils messen Measure the intensity of the filtered part or the remaining part
5656: Laserstrahlung mit zweiter Wellenlänge emittieren Emit laser radiation of the second wavelength
5757: Laserstrahlung in Atmosphäre streuen Scatter laser radiation in the atmosphere
5858: Streustrahlung empfangen Received scattered radiation
5959: Streustrahlung filtern Filter scattered radiation
6060: Intensität des herausgefilterten Anteils oder des Restanteils messen Measure the intensity of the filtered part or the remaining part
6161: Windgeschwindigkeit bestimmen Determine wind speed
II: erste Wellenlänge first wavelength
IIII: zweite Wellenlänge second wavelength
LL: Laserstrahlung laser radiation
PP: Streustrahlungspfad Scattered radiation path
P1, P2P1, P2: Streustrahlungspfadabschnitte Scattered radiation path sections
TT: herausgefilterter Anteil filtered-out portion
T1, T2T1, T2: herausgefilterter Anteil der gefilterten Streustrahlung Filtered portion of the filtered scattered radiation
SS: Streustrahlung scattered radiation
RR: Restanteil residual fraction
S0, S1, S2, S3S0, S1, S2, S3: gefilterte Streustrahlungen filtered scattered radiation
R1, R2R1, R2: Restanteil der gefilterten Streustrahlung Remaining portion of the filtered scattered radiation

Claims

Contraption ( 1 ) for determining the wind velocity in the atmosphere ( 5 ), characterized in that the device ( 1 ) an optical wavelength filter ( 2 ) for filtering from the atmosphere ( 5 ) backscattered scattered radiation (S) and a first detector ( 3 ) for detecting the filtered scattered radiation (S), wherein the wavelength filter ( 2 ) two filter edges ( 33 . 34 ), or an optical wavelength filter ( 2 ) for filtering from the atmosphere ( 5 ) backscattered scattered radiation (S), as well as a first detector ( 3 ) and a second detector ( 6 ) for detecting the scattered radiation (S), wherein the wavelength filter ( 2 ) a filter edge ( 33 ) and is formed, portions (T1) of the scattered radiation (S) with wavelengths only on one side of the filter edge ( 33 ) to the first detector ( 3 ) and portions (R1) of the scattered radiation (S) with wavelengths only on the other side of the filter edge ( 33 ) to the second detector ( 6 ).

Contraption ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the device ( 1 ) with the two-edge filter a laser device ( 4 ), which in operation emit laser radiation (L) for scattering in the atmosphere ( 5 ), wherein the laser device ( 4 ) emits laser radiation (L) with different spectrums during operation, and wherein the maximum of one of the spectra at the wavelength (I) of one of the filter edges ( 33 ) and the maximum of the other spectrum at the wavelength (II) of the other filter edge ( 34 ) lies.

Contraption ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the device ( 1 ) with the two-edge filter a second detector ( 6 ), wherein the wavelength filter ( 2 ), portions (T1, T2) of the scattered radiation (S) with wavelengths only on each side of the filter edges ( 33 . 34 ) to the first detector ( 3 ) and portions (R1, R2) of the scattered radiation (S) with wavelengths only on the other side of the filter edges ( 33 . 34 ) to the second detector ( 6 ).

Contraption ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the device with the single-edge filter comprises a laser device ( 4 ) which in operation emit laser radiation (L) for scattering in the atmosphere ( 5 ), wherein the spectrum of the laser radiation (L) its maximum at the wavelength (I) of the filter edge ( 33 ) Has.

Contraption ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the wavelength filter ( 2 ), the polarization plane of only the scattered radiation component whose wavelength is only on one side of the at least one filter edge ( 33 ), with the wavelength filter ( 2 ) a polarizer ( 20 ), the scattered radiation (S) after the rotation of the plane of polarization along a scattered radiation path (P) of the device ( 1 ) is supplied.

Contraption ( 1 ) according to claim 5, characterized in that the device ( 1 ) the first and the second detector ( 3 . 6 ) and the polarizer ( 20 ) the two detectors ( 3 . 6 ), wherein the first detector ( 3 ) the scattered radiation component (T1), whose plane of polarization has been rotated, and the second detector ( 6 ) the stray radiation portion (R1) whose polarization plane has not been rotated is supplied.

Contraption ( 1 ) according to claim 5 or 6, characterized in that the wavelength filter ( 2 ) for rotating the polarization plane an atomic line filter ( 21 ) having.

Contraption ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the wavelength filter ( 2 ) an etalon ( 10 ) along a stray radiation path (P) of the device (FIG. 1 ) between the two detectors ( 3 . 6 ) is arranged.

Contraption ( 1 ) according to claim 8, characterized in that the device is designed to receive one from the etalon ( 10 ) transmitted portion (T1) of the scattered radiation (S) to the first detector ( 3 ) and one from the Etalon ( 10 ) reflected portion (R1) of the scattered radiation (S) to the second detector ( 6 ).

Contraption ( 1 ) according to claim 8 or 9, characterized in that the device comprises a polarizer ( 11 ), which distributes the scattered radiation (S) along the scattered radiation path (P) to the etalon (FIG. 10 ), along the scattered radiation path (P) between the polarizer ( 11 ) and the etalon ( 10 ) a retardation plate ( 12 ) is arranged.

Procedure ( 40 ) for determining the wind velocity in the atmosphere ( 5 ), in the laser radiation (L) in the atmosphere ( 5 ) and the scattered laser radiation (L) as scattered radiation (S) for determining the wind speed is filtered and examined, characterized in that for determining the wind speed two with laser radiation (L) of different spectra whose maxima are spaced from each other, scattered radiation generated (S0, S1, S2, S3) at different filter edges ( 33 . 34 ) filtered ( 44 ) and filtered-out portions (T) of the scattered radiation (S0, S3) and / or residual portions (R) of the scattered radiation (S1, S2), or the scattered radiation (S) on a filter edge ( 33 ) and a fraction (T) filtered out of the scattered radiation (S) and a residual fraction (R) of the scattered radiation (S) are examined ( 45 . 46 . 54 . 55 . 60 ).

Procedure ( 40 . 50 ) according to claim 11, characterized in that for determining the wind speed, the intensities of the residual portions (R1, R2) of the filtered scattered radiation (S0, S1, S2, S3) are subtracted from each other and the result of the subtraction by the sum of the intensities of the residual portions (R1 , R2).

Procedure ( 40 . 50 ) according to claim 11 or 12, characterized in that for determining the wind speed, the intensities of the filtered out portions (T1, T2) of the filtered scattered radiation (S0, S1, S2, S3) are subtracted from each other and the result of the subtraction by the sum of the intensities of filtered out portions (T1, T2) are shared.

Procedure ( 40 . 50 ) according to claim 12 or 13, characterized in that for determining the wind speed the results of the calculations of claims 12 and 13 are averaged ( 47 . 61 ).

Procedure ( 40 . 50 ) according to claim 11, characterized in that for determining the wind speed, the intensities of the residual portions (R1, R2) and the filtered-out portions (T1, T2) of the filtered scattered radiation (S0, S1, S2, S3) are examined.