DE102020126735A1 - Doppler-LiDAR - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit von beweglichen, lichtstreuenden und/oder reflektierenden Partikeln, insbesondere Aerosolen in Luft zur Windgeschwindigkeitsmessung. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein vereinfachtes, zuverlässiges LiDAR-Verfahren bereit zu stellen. Insbesondere soll das Verfahren ohne einen aufwendigen Modulator zur Pulsformung und zur Frequenzverschiebung auskommen. Hierzu umfasst das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte: Erzeugung von frequenzmodulierter Laserstrahlung, z.B. durch Modulation des Injektionsstroms eines Halbleiterlasers (2), Abstrahlen eines ersten Teils der frequenzmodulierten Laserstrahlung in Richtung der Partikel, Verzögern eines zweiten Teils der frequenzmodulierten Laserstrahlung durch Propagation entlang einer Verzögerungsstrecke (ΔI) vorgegebener Länge, Empfangen von an den Partikeln zurückgestreuter und/oder reflektierter Laserstrahlung, Erzeugen eines Schwebungssignals durch Überlagerung der empfangenen Laserstrahlung und der verzögerten frequenzmodulierten Laserstrahlung, und Ableiten der Geschwindigkeit der lichtstreuenden und/oder reflektierenden Partikel bei einer oder mehreren Messdistanzen (I0) aus dem Schwebungssignal. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeit von beweglichen, lichtstreuenden und/oder reflektierenden Partikeln, insbesondere Aerosolen in Luft zur Windgeschwindigkeitsmessung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit von beweglichen, lichtstreuenden Partikeln, insbesondere Aerosolen in Luft zur Windgeschwindigkeitsmessung. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Wind-LiDAR (Light Detection And Ranging) bezeichnet ein optisches Fernerkundungsverfahren zur Messung von Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Turbulenz. Dabei werden aus der Doppler-Frequenzverschiebung zwischen ausgesendeter und empfangener Laserstrahlung aufgrund der Rückstreuung an Aerosolen in der Erdatmosphäre Betrag und Richtung von Windvektoren bestimmt. Je nach Konzentration der vorhandenen Aerosole in der Atmosphäre kann damit Wind über Distanzen von bis zu mehreren Kilometern gemessen werden. Im Gegensatz zu Anemometern besteht der Vorteil unter anderem darin, dass über große Distanzen und räumlich aufgelöst, d.h. entfernungsselektiv mit hoher Präzision gemessen werden kann.
  • Derartige Doppler-LiDAR-Systeme verwenden häufig zeitlich kohärente Laser und Modulatoren zur Pulsformung und zur Frequenzverschiebung und ermöglichen so die Messung der Windgeschwindigkeit in einer einstellbaren Distanz. Bei üblichen Wind-LiDAR-Systemen basiert die Funktion auf einem akusto-optischen Modulator (AOM). Dieser dient zur Formung eines zeitlich transform-limitierten Laserpulses und verschiebt gleichzeitig die Frequenz der Laserstrahlung um den Betrag der AOM-Trägerfrequenz, die typischerweise zwischen 40-100 MHz liegt (vgl. F. Beier et al., „Robust 1550-nm single-frequency all-fiber ns-pulsed fiber amplifier for wind-turbine predictive control by wind lidar,“ Proc. SPIE 8601, Fiber Lasers X: Technology, Systems, and Applications, 2013). Die Messung der Doppler-Verschiebung erfolgt dabei durch Überlagerung (Interferenz) der an den Aerosolen zurückgestreuten Laserstrahlung mit einer Referenz-Laserstrahlung. Dabei entsteht ein Schwebungssignal, dessen Frequenz sich aus der AOM-Trägerfrequenz und dem Betrag der Doppler-Frequenzverschiebung ergibt. Die Doppler-Frequenzverschiebung ƒD kann dann direkt über die Formel ϑD=ƒD · λ / 2 in eine Windgeschwindigkeit ϑD umgerechnet werden (λ = Laserwellenlänge). Zusätzlich kann die Windrichtung aus der Richtung der Doppler-Verschiebung gewonnen werden. Eine Erhöhung der Frequenz gegenüber der AOM-Trägerfrequenz bedeutet Gegenwind, eine Verringerung dagegen Rückenwind. Der Betrag gibt allerdings noch keine konkrete Windrichtung an. Der Raumwinkel des Windes kann nur durch Messung aus verschiedenen Richtungen bestimmt werden.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein vereinfachtes, zuverlässiges LiDAR-Verfahren bereit zu stellen. Insbesondere soll das Verfahren ohne einen aufwendigen Modulator zur Pulsformung und zur Frequenzverschiebung auskommen.
  • Diese Aufgabe löst die Erfindung durch ein Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit von beweglichen, lichtstreuenden und/oder reflektierenden Partikeln, insbesondere Aerosolen in Luft zur Windgeschwindigkeitsmessung, mit den Verfahrensschritten:
    • - Erzeugung von frequenzmodulierter Laserstrahlung,
    • - Abstrahlen eines ersten Teils der frequenzmodulierten Laserstrahlung in Richtung der Partikel,
    • - Verzögern eines zweiten Teils der frequenzmodulierten Laserstrahlung durch Propagation entlang wenigstens einer Verzögerungsstrecke vorgegebener Länge,
    • - Empfangen von an den Partikeln zurückgestreuter und/oder reflektierter Laserstrahlung,
    • - Erzeugen eines Schwebungssignals durch Überlagerung der empfangenen Laserstrahlung und der verzögerten frequenzmodulierten Laserstrahlung, und
    • - Ableiten der Geschwindigkeit der Partikel bei einer oder mehreren Messdistanzen aus dem Schwebungssignal.
  • Die vorliegende Erfindung verzichtet auf die bislang zwingende Nutzung von zusätzlichen Modulatoren, indem der Injektionsstrom (und damit die Laserfrequenz) eines kontinuierlich emittierenden Halbleiterlasers so moduliert wird, dass interferometrisch (insofern wie im Stand der Technik) eine räumliche Zuordnung bei der Windmessung, d.h. eine gezielte Messung der Geschwindigkeit bei einer bestimmten Messdistanz realisiert werden kann. Es ist sogar möglich, eine Aussage über Windrichtung und den „Turbulenzgrad“ des Windes zu generieren. Der Verzicht auf Modulatoren macht ein auf der Erfindung basierendes Wind-LiDAR-System weniger komplex, preiswerter und technisch robuster. Diese Eigenschaften sind besonders wichtig im Bereich der Windschadenprävention großer Windenergieanlagen (WEA). Defizite in diesem Bereich verhindern aktuell noch den flächendeckenden Einsatz von Wind-LiDAR-Systemen in WEAs.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Frequenz der Laserstrahlung durch geeignete Variation des Injektionsstroms zeitlich stufenförmig moduliert. Es zeigt sich, dass bei stufenförmiger Modulation in Kombination mit der Verzögerung des zweiten Teils der frequenzmodulierten Laserstrahlung die Messdistanz bei der Messung der Geschwindigkeit der lichtstreuenden Partikel gezielt vorgegeben werden kann. Dabei kann die Geschwindigkeit der lichtstreuenden Partikel bei der Messdistanz aus der Frequenz bzw. aus dem Spektrum des Schwebungssignals direkt abgeleitet werden. Zweckmäßig wird die Frequenz der Laserstrahlung in der Weise zeitlich treppenförmig moduliert, dass die Frequenz in einer Mehrzahl von Stufen gleicher zeitlicher Dauer und gleichen Frequenzhubs von einem Anfangswert auf einen Endwert zyklisch variiert. Dabei sollte die Zyklusdauer, d.h. die Zeit, die vergeht bis die Frequenz vom Anfangswert über den Endwert zum Anfangswert zurückkehrt, länger sein als die Kohärenzzeit der Laserstrahlung. So wird sichergestellt, dass aus verschiedenen Messdistanzen zurückgestreute Laserstrahlung bei der Geschwindigkeitsbestimmung unterschieden werden kann. Bei Verwendung einer DFB-Laserdiode mit 1 MHz spektraler Bandbreite kann z.B. die Dauer jeder Stufe der treppenförmigen Modulation 10-1000 ns, vorzugsweise 20-500 ns betragen, während die Zyklusdauer mindestens 1 µs, vorzugsweise mehr als 2 µs betragen sollte. Die Stufendauer und/oder die Zyklusdauer können mit Vorteil bei der Messung variiert werden. Durch Analyse des Schwebungssignals bei verschiedenen Parametern der treppenförmigen Modulation kann die Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung verbessert werden.
  • Bei möglichen Ausgestaltungen umfasst das Ableiten der Geschwindigkeit eine Filterung und/oder eine Analyse im Hochfrequenzbereich des Schwebungssignals. Dies erfolgt zweckmäßig durch Digitalisierung und anschließende digitale Verarbeitung des Schwebungssignals, z.B. per Signalprozessor. Es zeigt sich, dass bei der beschriebenen treppenförmigen Frequenzmodulation die Geschwindigkeit bei der sich aus der zeitlichen Verzögerung des zweiten Teils der Laserstrahlung ergebenden Messdistanz sehr einfach und zuverlässig aus der Frequenz des spektralen Maximums des Schwebungssignals abgeleitet werden kann. Die Frequenz des spektralen Maximums ist die Doppler-Frequenzverschiebung ƒD, die über die Formel ϑD=ƒD·λ/2 in die Windgeschwindigkeit ϑD einfach umgerechnet werden kann.
  • Bei einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens kann die Länge der Verzögerungsstrecke variiert werden, um die Geschwindigkeit der lichtstreuenden Partikel bei mehreren verschiedenen Messdistanzen aus dem Schwebungssignal abzuleiten. Ergänzend oder alternativ ist es möglich, die Geschwindigkeit der lichtstreuenden Partikel bei mehreren verschiedenen Messdistanzen aus den Frequenzen von Seitenbändern des Schwebungssignals abzuleiten. Dies ist insbesondere bei Verwendung des oben beschriebenen treppenförmigen Modulationsschemas direkt möglich.
  • Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeit von beweglichen, lichtstreuenden Partikeln, insbesondere Aerosolen in Luft zur Windgeschwindigkeitsmessung, umfassend:
    • - einen Laser, der frequenzmodulierte Laserstrahlung emittiert,
    • - eine Abstrahloptik, die einen ersten Teil der frequenzmodulierten Laserstrahlung in Richtung der Partikel abstrahlt,
    • - eine Verzögerungsstrecke vorgegebener Länge, durch die ein zweiter Teil der frequenzmodulierten Laserstrahlung propagiert,
    • - eine Empfangsoptik, die an den Partikeln zurückgestreute und/oder reflektierte Laserstrahlung empfängt,
    • - einen Fotodetektor, auf dem die empfangene Laserstrahlung und die verzögerte frequenzmodulierten Laserstrahlung überlagert werden, so dass der Fotodetektor ein Schwebungssignal erzeugt, und
    • - eine Signalverarbeitungseinrichtung, die die Geschwindigkeit der Partikel bei einer oder mehreren Messdistanzen aus dem Schwebungssignal ableitet.
  • Diese Vorrichtung, die aus gängigen und kostengünstig verfügbaren Komponenten besteht, eignet sich zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Halbleiterlaser eine Laserdiode, insbesondere eine DFB-Laserdiode (von engl. „distributed feedback“), d.h. eine Laserdiode, bei der das aktive Material periodisch mit wechselnden Brechungsindices strukturiert ist, so dass sich ein eindimensionales Interferenzgitter bzw. ein Interferenzfilter (Bragg-Spiegel) ausbildet. Die Interferenz führt zu wellenlängenselektiver Reflexion und bewirkt die optische Rückkopplung des Lasers. Entsprechend emittiert die DFB-Laserdiode longitudinal einfrequent und schmalbandig.
  • Bei einer weiteren möglichen Ausgestaltung umfasst die Signalverarbeitungseinrichtung dem Fotodetektor nachgeschaltet ein Tiefpassfilter und/oder ein Hochpassfilter (insgesamt also ein Bandpassfilter). Die Filter sind geeignet, die für die Bestimmung der interessierenden Doppler-Frequenzverschiebung relevanten Spektralanteile des Schwebungssignals herauszufiltern.
  • Bei einer weiteren möglichen Ausgestaltung umfasst die Signalverarbeitungseinrichtung einen Analog-Digital-Wandler und, diesem nachgeschaltet, eine Fourier-Transformationseinheit. Die Fourier-Transformationseinheit wandelt das digitale transiente Schwebungssignal in ein Frequenzspektrum um. Damit wird vorteilhaft die digitale Spektralanalyse des Schwebungssignals zur Ableitung der Geschwindigkeit der lichtstreuenden Partikel, d.h. der Windgeschwindigkeit ermöglicht.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
    • 1: erfindungsgemäße Vorrichtung als Blockdiagramm;
    • 2: Illustration der Ableitung der Doppler-Frequenzverschiebung bei stufenförmiger Frequenzmodulation der Laserstrahlung;
    • 3: Zeitverlauf der Schwebungsfrequenz bei stufenförmiger Frequenzmodulation;
    • 4: Illustration der treppenförmigen Frequenzmodulation der Laserstrahlung gemäß der Erfindung;
    • 5: Spektrum des Schwebungssignals bei treppenförmiger Frequenzmodulation der Laserstrahlung;
    • 6: Spektren des Schwebungssignals bei treppenförmiger Frequenzmodulation der Laserstrahlung mit unterschiedlichen Modulationsparametern;
    • 7 schematische Darstellung einer Anordnung zur Messung des Hubs der stufenförmigen Frequenzmodulation der Laserstrahlung.
  • In der nachfolgenden Figurenbeschreibung werden für die gleichen Elemente die gleichen Bezugszeichen und die gleichen Begriffe verwendet.
  • Die in 1 dargestellte Vorrichtung umfasst eine Modulationseinrichtung 1, z.B. in Form eines Funktionsgenerators, die einen zeitlich modulierten Injektionsstrom I(t) erzeugt. Mit diesem wird eine longitudinal einfrequente DFB-Laserdiode 2 beaufschlagt. Die Modulation des Injektionsstroms I(t) bewirkt eine stufenförmige Frequenzmodulation der Strahlung der Laserdiode 2. D.h. der Injektionsstrom hat als Funktion der Zeit einen Verlauf, der zu einer Aneinanderreihung einer gewissen Anzahl von Stufen hinsichtlich der Laserfrequenz, und zwar bei einer gewissen Stufendauer und Stufenhöhe führt. Es ist eine beliebige Anordnung der Stufen möglich, z.B., wie nachfolgend als Beispiel diskutiert, in Form einer „ansteigenden Treppe“. Die Strahlung der Laserdiode 2 wird in ein Mach-Zehnder-Interferometer 3 eingekoppelt. Die Laserstrahlung wird aufgespalten. Ein erster (größerer) Teil der Strahlung durchläuft einen Verstärker (optional) und wird über ein als Abstrahloptik dienendes Teleskop 4 zur Windmessung in Richtung eines Messsegments (in Distanz I0) abgestrahlt. Das Teleskop 4 dient gleichzeitig als Empfangsoptik zum Empfang von an Partikeln (z.B Aerosolen) zurückgestreuter bzw. reflektierter Laserstrahlung. Ein zweiter (kleinerer) Teil der Laserstrahlung durchläuft innerhalb des Interferometers 3 eine Verzögerungsstrecke ΔI. Über die Länger der Verzögerungsstrecke ΔI wird die Messdistanz I0 eingestellt, gemäß der Beziehung ΔI=2×I0. Die über das Teleskop 4 empfangene Laserstrahlung und die verzögerte Laserstrahlung werden auf dem Fotodetektor PD überlagert und zur Interferenz gebracht, so dass dieser an seinem Ausgang ein Schwebungssignal erzeugt. Die Analyse des Schwebungssignals zur Bestimmung der Geschwindigkeit der Partikel, d.h. zur Ableitung der windinduzierten Doppler-Frequenzverschiebung, umfasst eine Filterung des Schwebungssignals in einem elektronischen Hochpassfilter HP und einem elektronischen Tiefpassfilter TP. Ein Analog-Digital-Wandler ADC wandelt das gefilterte Schwebungssignals in ein Digitalsignal um. Danach erfolgt die Umwandlung in ein Spektrum per Fourier-Transformationseinheit FFT.
  • Die Modulation des Injektionsstroms I(t) bewirkt eine entsprechende stufenförmige Änderung der Laserfrequenz. Dies ist beispielhaft in 2 gezeigt. Das Diagramm der 2A zeigt den zeitlichen Frequenzverlauf der von der DFB-Laserdiode 2 abgestrahlten Laserstrahlung („Referenzsignal“). In zwei Stufen wird die Laserfrequenz bei einer Stufendauer von 60 ns auf -100 MHz, 0 MHz und +100 MHz relativ zu einer Grundfrequenz eingestellt. In 2A kommt die aus der Rückstreuung bei der Messdistanz I0 stammende, um die Doppler-Frequenz fD verschobene Laserstrahlung („Messsignal“) hinzu. In dem Diagramm hat fD einen Wert von 10 MHz. Bei perfektem Abgleich des Interferometers (Verzögerungsstrecke ΔI) ist die empfangene, zurückgestreute Laserstrahlung bei der Interferenz, mit der im Interferometer 3 zeitlich verzögerten Laserstrahlung auf dem Fotodetektor PD mit dieser genau im Gleichtakt frequenzmoduliert.
  • Folglich hat das Schwebungssignal zeitlich konstant eine Frequenz gleich fD. Allerdings wird nicht nur bei I0 Laserstrahlung zurückgestreut, sondern über die gesamte Messstrecke, wo sich Partikel befinden. Laserstrahlung, die z.B. um Δt = 6 ns später am Ort des Teleskops 4 eintrifft, ist bei I0 + 90 cm zurückgestreut worden. Diese Laserstrahlung ist gegenüber der über die auf I0 eingestellte Verzögerungsstrecke dem Fotodetektor PD zugeführten Laserstrahlung entsprechend mit zeitlicher Verzögerung frequenzmoduliert, was in 2B illustriert ist. Die Frequenz des Schwebungssignals, d.h. die Differenz zwischen der im Interferometer 3 zeitlich verzögerten Laserstrahlung und der empfangenen zurückgestreuten Laserstrahlung enthält nun nicht mehr allein die Doppler-Frequenzverschiebung fD, sondern auch höhere Frequenzanteile, welche sich aus der Doppler-Frequenzverschiebung und dem Frequenzhub von 100 MHz je Stufe (in dem Beispiel) zusammensetzen. Die Frequenz des Schwebungssignals ist nun nicht mehr zeitlich konstant gleich fD, sondern besitzt ebenfalls Stufen, deren Breite von der Verzögerung Δt abhängt.
  • Dies illustriert die 3. Das Diagramm zeigt die Frequenz fD des Schwebungssignals als Funktion der Zeit. Deutlich sind die stufenförmigen Abweichungen zu erkennen, die zu der zeitlichen Verzögerung gemäß 2B korrespondieren. Durch geeignete Hoch- und Tiefpassfilterung (illustriert durch die gestrichelten horizontalen Linien in 3) kann dafür gesorgt werden, dass die entsprechenden Frequenzkomponenten in dem Schwebungssignal ausgeblendet werden. Die Doppler-Frequenzverschiebung fD muss hierfür in dem betrachteten (durch die Filter gewählten) Frequenzbereich liegen. Erhöht sich der Abstand zum Messsegment 0 (siehe 1) soweit, dass die Laufzeitdifferenz z.B. der vom Messsegment +1 und der vom Messsegment 0 jeweils zurückgestreuten Laserstrahlung größer wird als die Stufendauer der treppenförmig frequenzmodulierten Laserstrahlung, dann fällt die Schwebungsfrequenz, die der aus dem Messsegment +1 stammenden, zurückgestreuten Laserstrahlung zugeordnet ist, aus dem durch die Filterung selektierten Frequenzbereich (hier z.B. +- 50 MHz) heraus. Streustrahlung außerhalb des betrachteten Messsegments 0, d.h. Streustrahlung aus Entfernungen, die um mehr als einen durch die Filterbandbreite vorgegebenen Wert von der Messdistanz I0 abweichen, tragen nicht zu dem gefilterten Schwebungssignal bei und werden daher bei der Bestimmung der Geschwindigkeit ausgeblendet. In dem Beispiel wäre das ab ca. 10 m Entfernung von I0 der Fall. Damit wird, als Resultat der treppenförmigen Frequenzmodulation, eine Selektivität der Geschwindigkeitsmessung auf eine bestimmte Messdistanz I0 erzielt, obwohl, anders als im Stand der Technik, nicht mit gepulster Laserstrahlung, sondern mit einem kontinuierlich (CW) emittierenden Halbleiterlaser 2 gearbeitet wird.
  • Typischerweise erzeugt eine DFB-Laserdiode einen stromabhängigen Frequenzhub von einigen 100 MHz/mA. D.h. eine Stromänderung pro Stufe von ca. 0.05-0.5 mA reicht aus, um eine geeignete stufen- bzw. treppenförmige Frequenzmodulation zu erhalten. Anzumerken ist in diesem Zusammenhang, dass in der Praxis meist nicht von einer perfekten linearen Frequenzantwort des Halbleiterlasers auf den Stromverlauf I(t) ausgegangen werden darf. Neben der ladungsträgerbedingten transienten und adiabaten Frequenzänderung existiert noch eine langsamere thermische Frequenzdrift, welche durch geeignete Gegensteuerung des Injektionsstromverlaufs kompensiert werden muss. Entsprechend hat der zeitliche Stromverlauf I(t), um die gewünschte stufen- bzw. treppenförmige Frequenzmodulation zu erhalten, selbst keinen idealen stufen- bzw. treppenförmigen Verlauf. Der Stromverlauf I(t) ähnelt eher einer Abfolge von Rampen mit einem von Stufe zu Stufe sich ändernden Offset. Der genaue Stromverlauf ist an die individuellen Eigenschaften des verwendeten Halbleiterlasers anzupassen.
  • 4 illustriert eine treppenförmige Frequenzmodulation der Laserstrahlung, wobei eine zyklisch durchlaufene Treppe mit 30 Stufen erzeugt wird, mit einer Stufendauer von 100 ns, einem Frequenzhub vom 100 MHz je Stufe und einer Zyklusdauer von 3 µs. Die Zyklusdauer sollte außerhalb der Kohärenzzeit der DFB-Laserdiode 2 liegen (bei einer DFB-Laserdiode ~1 µs). Dadurch wird verhindert, dass Streustrahlung aus anderen, näheren oder ferneren Messsegmenten Einfluss auf die Geschwindigkeitsbestimmung nehmen. Dabei entspricht 1 µs einem räumlich sich wiederholenden Messegment in -170 m Entfernung von I0. Der in dem Diagramm in 4 ebenfalls dargestellte zeitliche Frequenzverlauf der zurückgestreuten Laserstrahlung ist Streupartikeln zugeordnet, die sich in einer größeren Entfernung (I0 + 100 m) befinden und damit keinen Einfluss auf die Geschwindigkeitsmessung in dem intendierten Messsegment 0 um I0 herum haben.
  • Zu berücksichtigen ist allerdings, dass auf der Fotodiode PD die Überlagerung sämtlicher zurückgestreuter Laserstrahlung aus sämtlichen Entfernungen entlang des über das Teleskop 4 abgestrahlten Laserstrahls mit, der in dem Interferometer 3 verzögerten Laserstrahlung erfasst wird. Das Schwebungssignal besteht aufgrund der treppenförmigen Frequenzmodulation der Laserstrahlung gemäß 4 entsprechend aus vielen Frequenzkomponenten. Die korrespondierende Fourier-Transformation, d.h. das Spektrum des Schwebungssignals ist in 5 gezeigt. Das Spektrum basiert auf einer Simulation, bei der davon ausgegangen wird, dass sich entlang des gesamten Strahlverlaufs Streupartikel befinden, die sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 27 km/h bewegen, so dass die Dopplerverschiebung fD jeweils 10 MHz beträgt. Zu erkennen ist, dass das Spektrum eine Vielzahl von klar zu unterscheidenden Spektrallinien aufweist, mit einem Maximum bei 10 MHz, d.h. der interessierenden Schwebungsfrequenz fD. Tatsächlich korrespondiert dieses Maximum zu dem aus dem Messsegment 0 bei I0 stammenden Streulicht, so dass daraus die Geschwindigkeit selektiv bei der Messdistanz I0 bestimmt werden kann.
  • In 6 sind mehrere simulierte Spektren des Schwebungssignals für eine Doppler-Frequenzverschiebung fD von nur 2 MHz, wiederum mit Streuung entlang des gesamten Strahlverlaufs gezeigt, und zwar für verschiedene Stufendauern der treppenförmigen Frequenzmodulation τs = 30 ns, 50 ns, 60 ns, 70 ns, 90 ns und 110 ns und für verschiedene Werte von I0 = 2.25 m, 3.75 m, 4.5 m, 5.25 m, 6.75 m und 8.25 m (entsprechend der Länge der Verzögerungsstrecke ΔI des Interferometers 3). Obwohl sich die von der Stufendauer τs abhängige Breite des entstehenden Spektrums des Schwebungssignals verändert, kann in jedem Fall das Maximum bei fD = 2 MHz eindeutig bestimmt werden. Eine flexible Einstellbarkeit von τs ist für die praktische Anwendung dennoch vorteilhaft, um die Genauigkeit optimieren zu können. Ist das Streusignal z.B. sehr schwach (wenige Aerosole), kann τs erhöht werden, um ein stärkeres Signal generieren zu können. Der Abstand zwischen den einzelnen spektralen Linien beträgt Δƒ=1/τt, wobei τt die Zyklusdauer der treppenförmigen Modulation (d.h. 3 µs in dem Beispiel der 4) ist. Es gilt τt= τS×NS, wobei NS die Anzahl der Stufen pro Zyklus ist. D.h. der spektrale Abstand der Seitenbänder des Schwebungsspektrums kann nicht nur über die Stufenbreite der Frequenzmodulation, sondern auch über die Anzahl der Stufen kontrolliert werden, die Gesamtbreite des Spektrums jedoch nur über τS, also die Stufendauer. Eine flexible Einstellbarkeit von NS ist von praktischem Vorteil, weil in bestimmten Fällen die Doppler-Frequenzverschiebung fD genauer bestimmt bzw. vom Rauschen besser unterschieden werden kann. Der Grund hierfür ist, dass sich im Gegensatz zu den Seitenbändern, die aus der gewünschten Messdistanz stammende Linie bei der Doppler-Frequenzverschiebung im Schwebungsspektrum nicht verschiebt. Auch die Stufenhöhe ΔfS der Frequenzmodulation, d.h. der Frequenzsprung von Stufe zu Stufe, sollte flexibel einstellbar sein. Ein Vergleich von Messungen mit unterschiedlichen Modulationsparametern (τs, Ns, Δfs) kann Fehlinterpretationen bei der Bestimmung der interessierenden Doppler-Frequenzverschiebung und damit Fehler bei der Ableitung der Geschwindigkeit der Partikel bei der Messdistanz I0 ausschließen.
  • Zur Ableitung der Geschwindigkeit bei verschiedenen Messdistanzen I0 kann die Verzögerungsstrecke ΔI entsprechend variiert werden, z.B. durch ein elektronisch steuerbares Umschalten oder parallelisiert durch Aufteilen der Laserstrahlung auf unterschiedlich lange Verzögerungsstrecken.
  • Mit dem Konzept der Stufenmodulation kann, wie zuvor gezeigt, der Betrag der Doppler-Frequenzverschiebung aus dem Messsegment 0 (1) ermittelt und damit der Betrag der Geschwindigkeit der dort befindlichen lichtstreuenden Partikel abgeleitet werden. Die Information zur Windrichtung geht dabei allerdings verloren. In herkömmlichen Doppler-LiDAR-Systemen wird, wie eingangs erläutert, daher meist ein AOM genutzt, um die Frequenz der zurückgestreuten Laserstrahlung gegenüber der Frequenz der damit in dem Interferometer zur Überlagerung gebrachten Laserstrahlung gezielt zu verstimmen. Anhand der 3 wurde oben erläutert, dass zur Bestimmung der Doppler-Frequenzverschiebung nur der Bereich des Schwebungssignals um die Nullfrequenz herum analysiert wird, weil damit das Messsegment 0 (1) selektiert werden kann. Die Auswertung kann aber auch gezielt (durch geeignete Filterung oder digitale Signalverarbeitung) auf ein Frequenzband bei höheren Frequenzen verlagert werden, um das Messsegment +1 oder -1 anzusprechen. Der Vorteil dieser Analyse des Schwebungssignals besteht darin, dass der Einfluss des 1/f-Rauschens deutlich verringert ist und auch die Richtung der Doppler-Frequenzverschiebung, d.h. die Richtung der Partikelbewegung (Windrichtung) bestimmt werden kann. Im Beispiel der 3 stammt das Schwebungssignal um 100 MHz herum aus den Messsegmenten +1 und -1. Messungen aus diesen beiden Messsegmenten vermischen sich. Entsprechend wird bei 200 MHz eine gemischte Messung aus den Messsegmenten -2/+2 stattfinden usw.
  • In der Praxis kann es schwierig sein, die Injektionsstrommodulation so präzise auszuführen, dass eine bestimmte Frequenzmodulation der Laserstrahlung stattfindet (z.B. 100 MHz je Stufe). Daher kann vorteilhaft der exakte Frequenzhub messtechnisch erfasst werden. Dies ist in 7 illustriert. Dabei wird an zwei Stellen (TAP) der Verzögerungsstrecke ein kleiner Teil (wenige Prozent) der Laserstrahlung abgezweigt und auf einem weiteren Fotodetektor PD2 zusammengeführt. ΔI2 sollte dabei so gewählt werden, dass die Stufendauer τS im Mittel gleich der Laufzeitdifferenz der Laserstrahlung zwischen den beiden Abzweigungen TAP ist. Damit wird am Ausgang des Fotodetektors ein Schwebungssignal erzeugt, dessen Frequenz gleich dem Betrag des Stufen-Frequenzhubs ist. Ist der genaue Stufen-Frequenzhub messtechnisch erfasst, dann kann das eigentliche Schwebungssignal am Fotodetektor PD (welches die Doppler-Frequenzverschiebung beinhaltet) mit dem Schwebungssignal am Fotodetektor PD2 verglichen werden. Liegt die Frequenz des Schwebungssignals am Fotodetektor PD unterhalb der Frequenz der Schwebung am Fotodetektor PD2, dann wird Gegenwind gemessen, liegt sie oberhalb, dann Rückenwind. Es kann auf diese Weise also die Windrichtung vermessen werden. Ein eindeutiger Windrichtungswert wird dann erfasst, wenn in zwei Messsegmenten dieselbe Windrichtung vorliegt. Es ist vorteilhaft, im Messsegment 0 den Betrag der Windgeschwindigkeit und in den Messsegmenten +1/-1 die Windrichtung zu bestimmen.
  • Da bei einer Messung der Geschwindigkeit aus Messsegmenten +1/-1 oder +2/-2 oder höher (korrespondierend zu höheren Stufen-Frequenzhüben im Schwebungssignal) die Windrichtung aus einer Messung der Geschwindigkeit aus zwei räumlich beabstandeten Messsegmenten bestimmt wird, kann es vorkommen, dass bei turbulenten Windverhältnissen auch zwei verschiedene Doppler-Frequenzverschiebungen aus zwei korrespondierenden Messsegmenten +1 und -1 bzw. +2 und -2 detektiert werden, was einer nicht eindeutigen Messung entspricht. Werden solche Differenzen festgestellt, dann lässt dies Rückschlüsse auf Windturbulenzen zu. Werden dazu noch τS und/oder ΔI variiert und/oder ein noch höheres Messsegment (+2/-2) adressiert, kann eine räumlich aufgelöste Vermessung der Windrichtungen (Turbulenzen) stattfinden.
  • Durch den Verzicht auf teure und aufwendige optische Modulatoren kann mit der Erfindung ein elektronisch steuerbarer, im Vergleich mit dem Stand der Technik preiswerterer und robuster Wind-LiDAR (Doppler-LiDAR) realisiert werden. Derzeit werden Wind-LiDAR-Systeme noch nicht standardmäßig in Windparks eingesetzt. Ein Grund dafür ist deren Anfälligkeit und Kosten. Die Erfindung hebt diese Nachteile auf und ermöglicht somit die breite Nutzung von Wind-LiDAR-Systemen in Windenergieanlagen.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit von beweglichen, lichtstreuenden und/oder reflektierenden Partikeln, insbesondere Aerosolen in Luft zur Windgeschwindigkeitsmessung, mit den Verfahrensschritten: - Erzeugung von frequenzmodulierter Laserstrahlung, - Abstrahlen eines ersten Teils der frequenzmodulierten Laserstrahlung in Richtung der Partikel, - Verzögern eines zweiten Teils der frequenzmodulierten Laserstrahlung durch Propagation entlang wenigstens einer Verzögerungsstrecke vorgegebener Länge (ΔI), - Empfangen von an den Partikeln zurückgestreuter und/oder reflektierter Laserstrahlung, - Erzeugen eines Schwebungssignals durch Überlagerung der empfangenen Laserstrahlung und der verzögerten frequenzmodulierten Laserstrahlung, und - Ableiten der Geschwindigkeit der Partikel bei einer oder mehreren Messdistanzen (I0) aus dem Schwebungssignal.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die frequenzmodulierte Laserstrahlung durch Modulation des Injektionsstroms eines Halbleiterlasers (2) erzeugt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Frequenz der Laserstrahlung stufenförmig moduliert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Frequenz der Laserstrahlung in der Weise treppenförmig moduliert wird, dass die Frequenz in einer Mehrzahl von Stufen gleicher zeitlicher Dauer und gleichen Frequenzhubs von einem Anfangswert auf einen Endwert zyklisch variiert.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Frequenz der Laserstrahlung zyklisch zwischen dem Anfangswert und dem Endwert moduliert wird, wobei die Zyklusdauer länger ist als die Kohärenzzeit der Laserstrahlung.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Stufendauer und/oder die Zyklusdauer variiert werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Ableiten der Geschwindigkeit eine spektrale Filterung und/oder eine spektrale Analyse des Schwebungssignals umfasst.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Geschwindigkeit aus der Frequenz des spektralen Maximums des Schwebungssignals abgeleitet wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Länge der Verzögerungsstrecke variiert wird, um die Geschwindigkeit der Partikel bei mehreren verschiedenen Messdistanzen aus dem Schwebungssignal abzuleiten.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Geschwindigkeit bei mehreren verschiedenen Messdistanzen aus den Frequenzen von Seitenbändern des Schwebungssignals abgeleitet werden.
  11. Vorrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeit von beweglichen, lichtstreuenden und/oder reflektierenden Partikeln, insbesondere Aerosolen in Luft zur Windgeschwindigkeitsmessung, umfassend: - einen Laser (2), der frequenzmodulierte Laserstrahlung emittiert, - eine Abstrahloptik (4), die einen ersten Teil der frequenzmodulierten Laserstrahlung in Richtung der Partikel abstrahlt, - eine Verzögerungsstrecke (ΔI) vorgegebener Länge, durch die ein zweiter Teil der frequenzmodulierten Laserstrahlung propagiert, - eine Empfangsoptik (4), die an den Partikeln zurückgestreute und/oder reflektierte Laserstrahlung empfängt, - einen Fotodetektor (PD), auf dem die empfangene Laserstrahlung und die verzögerte frequenzmodulierten Laserstrahlung überlagert werden, so dass der Fotodetektor (PD) ein Schwebungssignal erzeugt, und - eine Signalverarbeitungseinrichtung, die die Geschwindigkeit der Partikel bei einer oder mehreren Messdistanzen (I0) aus dem Schwebungssignal ableitet.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Laser (2) ein injektionsstrommodulierter Halbleiterlaser ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Halbleiterlaser (2) eine Laserdiode, insbesondere eine DFB-Laserdiode ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung dem Fotodetektor (PD) nachgeschaltet ein Tiefpassfilter (TP) und/oder ein Hochpassfilter (HP) umfasst.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung einen Analog-Digital-Wandler (ADC) und, diesem nachgeschaltet, eine Fourier-Transformationseinheit (FFT) umfasst.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE19537647C1 (de) 1995-10-10 1997-04-10 Jenoptik Jena Gmbh Verfahren und Anordnung zur Messung physikalischer Größen von lichtstreuenden bewegten Teilchen mittels eines Laser-Doppler-Anemometers
US20120106579A1 (en) 2009-04-29 2012-05-03 Bridger Photonics, Inc Precise Broadband Frequency Modulated Laser
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EP3511734A1 (de) 2018-01-11 2019-07-17 Infineon Technologies AG System und verfahren zur verbesserung der reichweitengenauigkeit im fmcw-radar unter verwendung von fsk-moduliertem chirp

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