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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von Windgeschwindigkeiten
mit einem Doppler-Lidar-System gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch
1 und ein Doppler-Lidar-System zur Erfassung von Windgeschwindigkeiten,
insbesondere an Bord von Flugzeugen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch
14.
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Die
Erfassung von Windgeschwindigkeiten und Turbulenzen in der Atmosphäre ist insbesondere für den Flugverkehr
von erheblicher Bedeutung. So können
z.B. auf ein Flugzeug schädliche
Böen einwirken,
welche zu hohen dynamischen Belastungen der Flugzeugstruktur führen. In
vielen Fällen
kommt es sogar zu kritischen Flugzuständen aufgrund von besonders
starken Luftturbulenzen in der Atmosphäre, die in einigen extremen
Situationen in der Vergangenheit sogar zu Unfällen geführt haben. Darüber hinaus
wirken sich Scherwinde und Luftturbulenzen negativ auf den Flugkomfort
aus und führen
zu einem erhöhten
Treibstoffverbrauch.
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Deshalb
wird in der Luftfahrttechnik versucht, Scherwinde und Luftturbulenzen
zu vermessen und anschließend
mit entsprechenden Ruderausschlägen
zu kompensieren, d.h. aktiv auszuregeln. Jedoch ist eine direkte
Messung der Luftbewegung am Flugzeugrumpf oder an den Tragflächen mit mechanischen
Sonden, wie beispielsweise Beschleunigungsaufnehmern oder Drucksensoren, nicht
geeignet, da keine ausreichende Zeit zur Betätigung der Flügelaktorik
verbleibt. Es ist daher notwendig, die Luftbewegung mit Sensoren
vor dem Flugzeug auf seiner Flugstrecke im Vorfeld zu messen, also
einige Sekundenbruchteile, bevor sie durchflogen wird.
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Zur
aktiven Ausregelung der Turbulenzen und Scherwinde ist z.B. bei
Verkehrsflugzeugen eine Mindestentfernung von etwa 50–200 m vor
dem Flugzeug erforderlich. Zusätzlich
ist eine Auflösung
der Geschwindigkeit der Luftteilchen in der Größenordnung von 1 m/Sek. und
ihres Ortes vor dem Flugzeug mit einer Auflö sung im Bereich der Flügelausdehnung
von etwa 5–10
m Tiefe notwendig. Für
derartige Fernmessverfahren kommen beispielsweise Wetter-Radar,
Laser-Anemometer
und Lidar in Frage.
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Bei
Wetter-Radar-Systemen besteht das Problem, dass sie für ihre Rückstreumessung
große Schwebeteilchen
hoher Dichte, wie beispielsweise Wassertropfen in Wolken, benötigen und
deshalb nur zur Frühwarnung
von Wetterwolken in größerer Entfernung
bis zu einigen 10 Kilometern geeignet sind. Die häufigsten
Luftstörungen
bei klarer Sicht, wie beispielsweise Scherwinde und sogenannte „clear
air turbulances" in
der Troposphäre
und Jetstreams in der Stratosphäre
können
dagegen vom Wetter-Radar nicht erfasst werden, da die Wellenlänge von
einigen Zentimetern (X-Band) im Vergleich zur Größe der Luftteilchen relativ
lang ist.
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Deshalb
wurde versucht, Laser-Doppler-Anemometer zu verwenden, die in der
Strömungsmechanik
zur Diagnose von Luftströmungen eingesetzt
werden. Sie benötigen
jedoch eine scharfe Fokussierung des Laser-Messstrahls, um ausreichend
starke Rückstreusignale
von einzelnen Aerosolen zu erzeugen und können daher nur für Messungen
im Nahbereich bis höchstens
einige Meter Entfernung verwendet werden. Ein derartiges System und
Verfahren ist z.B. in der Druckschrift
DE 40 13 702 C und in S.
Damp, „Battery-driven
Miniature LDA-System with Semiconductor Laser Diode", in Application
of Laser Anemometry to Fluid Mechanics, 4th International Symposium,
Lissabon, Portugal, 1989, beschrieben.
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Um
Bewegungen kleinster Luftteilchen eines ausgedehnten Volumens in
größerer Entfernung
zu messen, wurde deshalb versucht, sogenannte Doppler-Lidar-Verfahren, die in
kohärente
und inkohärente Lidars
unterteilt werden, einzusetzen. Beim Aerosol-Lidar-Verfahren können jedoch
nur Schwebeteilchen bzw. Aerosole bei einer entsprechend geringen Frequenzverbreiterung
des Doppler-Rückstreusignals
detektiert werden.
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In
dem Artikel "Tracking
weathers flight path",
in IEEE Spectrum, Sept. 2000, Seiten 38–45, wird ein Aerosol-Lidar-System
zur groben Anzeige von Wind- oder Turbulenzzonen beschrieben. Derartige
Aerosol-Lidarsysteme mit Lasern im Infra rot-Wellenlängenbereich
von 2 μm
oder 10 μm
bringen den Vorteil, dass Messungen an kleineren Aerosolen möglich sind.
Auf Grund ihrer langen Pulslänge und
niedriger Pulsfrequenz sind sie jedoch nur für große Reichweiten im Bereich von
5–20 km
und für große Messvolumen
mit einer Messtiefe von 50–500 m
verwendbar. Deshalb ist mit derartigen Systemen keine Ausregelung
durch Ruderausschläge
möglich, sondern
nur ein rechtzeitiges Umfliegen großräumiger Turbulenzzonen.
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Deshalb
wurde versucht, Aerosol-Lidar-Systeme mit kürzeren Wellenlängen und
höherer
Pulsfrequenz zu entwickeln, wie z.B. in „Aerosol and cloud backscatter
at 1.064, 1.54, and 0.53 μm
by airborne hard target calibrated Nd: YAG/methane Raman lidar", Appl. Opt. Vol
36, pp. 3475–3490
(1997) beschrieben. Dabei besteht jedoch das weitere Problem, dass
die Dichte der Aerosole in vielen Regionen der Erde und insbesondere
in Luftstraßen
in großen
Höhen über den
Ozeanen zu niedrig ist, um zuverlässige Messungen zur Ausregelung
von Luftturbulenzen durchzuführen.
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Aus
diesem Grunde wurde versucht, zusätzlich zu der Aerosolstreuung
auch die Doppler-verschobene Rückstreuung
an Luftmolekülen
zu verwenden, um ausreichend hohe Messsicherheit für Flugregelungen
in allen Flughöhen
und bei allen Wetterbedingungen zu erreichen. In dem Artikel von
D. Rees und I.S. McDermid, „Doppler
lidar atmospheric wind sensor: reevaluation of a 355-nm incoherent Doppler
lidar", Appl. Opt.
Vol. 29, No. 28, pp 4133–4144
(1990), wird die Messung der molekularen Doppler-Verschiebung in
Doppler-Lidar-Systemen mittels Fizeau- bzw. Fabry-Perot-Interferometern
mit inkohärentem
Empfang beschrieben. Bei der spektralen Messung werden die empfangenen
Photonen über
ein Interferenzmuster mit einem abbildenden, ortsauflösenden Detektor
auf mehrere Empfangskanäle
verteilt, und zwar im Fabry-Perot-Interferometer auf konzentrische
Interferenzringe und beim Fizeau-Interferometer auf Interferenzstreifen. Dabei
besteht jedoch das Problem, dass die Erkennung von schwachen Signalen
gegenüber
dem Rauschen mehrerer einzelner Empfangskanäle erschwert ist.
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Bei
Doppler-Lidarmessungen besteht deshalb das generelle Problem der
geringen Intensität der
Rückstreuung
sowohl von Molekülen
als auch von Aerosolen. Um die Laserleistung, die für zuverlässige Messungen
notwendig ist, trotzdem gering zu halten, muss ein möglichst
empfindlicher Photodetektor verwendet werden und gleichzeitig der
Einfluss von Rauschen durch Hintergrundstrahlung der Atmosphäre und durch
elektronisches Rauschen im Detektor und Verstärker entsprechend effizient
unterdrückt
werden.
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In
dem Artikel von C. Nardell et al., "GroundWinds New Hampshire and the LIDARFest
2000 Campaign",
SPI Internat. Symp. on Opt. Science and Technology, San Diego 2001,
SPIE 4484-05 wird ein Doppler-Lidar mit Direktempfang und UV-Lasern beschrieben,
das zur Messung von Winden vom Erdboden aus in verschiedenen Höhen geeignet
ist. Dabei wird die Luftbewegung von einer Bodenstation mit Hilfe
von Lasern im UV-Bereich mit einer Ausgangsleistung von mehreren
Watt und Empfangsteleskopen mit einem Durchmesser von einigen zehn
Zentimern bis zu einigen Kilometern Höhe in der Atmosphäre gemessen.
Eine Integration der schwachen Rückstreusignale über mehrere
Sekunden ist hierbei möglich,
da die Winde über
längere
Zeiten stabil sind. Derartige Systeme und Verfahren sind jedoch
zur Messung von Luftbewegungen von einem Flugzeug aus nicht geeignet,
da für
diesen Zweck wesentlich kompaktere Systeme mit Lasern geringerer
Leistung und kleineren Empfangsoptiken notwendig sind. Weiterhin
muss die Signalauswertung in nur einigen zehn Millisekunden erfolgen.
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In
dem Artikel von P.B. Hays und J. Wang „Image plane detector for
Fabry-Perot interferometers: physical model and improvement with
anticoincidence detection",
Appl. Opt. Vol. 30, No. 22, pp 3100–3107 (1991) wird ein Verfahren
zur Registrierung der Bewegung von Interferenzringen eines Fabry-Perot-Interferometers
mit einem speziell dafür ausgelegten
Detektor gezeigt. Dabei ist die Geometrie des Detektors dem Intensitätsverlauf
im Interferenzmuster angepasst. Es wird ein Photomultiplier mit
einer konventionellen Photokathode, jedoch mit spezieller Anodenstruktur,
verwendet, wobei konzentrische Anodenringe unterschiedlicher Breite
analog dem radialen Intensitätsverlauf
im Interferogramm verwendet werden. Wird das konzentrische, ringförmige Interferogramm
auf die Photokathode des Photo multipliers abgebildet, werden die
Photoelektronen verstärkt
und gelangen auf die konzentrisch angeordneten Photoanodenringe.
Auf den Anodenringen entsteht dann ein abgestufter Ladungsabdruck
des Interferenzmusters. Aus der Verschiebung der Ladungsstufen auf
den Anodenringen kann die Lage des Interferenzringes des Fabry-Perot-Interferometers
dann näherungsweise
bestimmt werden. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass
nur eine grobe Abtastung des Interferogramms möglich ist. Weiterhin entstehen
Messfehler, wenn das Interferogramm nicht konzentrisch zu den Anodenringen
abgebildet wird.
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Um
diese Nachteile zu überwinden,
beschreiben J. Wu et al. in „Performance
of a circle-to-line optical system for a Fabry-Perot-Interferometer:
a laboratory study",
Appl. Opt. Vol. 33 pp. 7823–7828
(1994) einen Empfänger,
bei dem mittels einer verspiegelten Innenfläche eines Konus ein Viertel
des kreisförmigen
Interferogramms des Fabry-Perot-Interferometers in Zeilenstrukturen
umgeformt wird und auf einen linearen Detektor oder ein CCD-Array
abgebildet wird. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass
nur ein Viertel von dem Interferogramm genutzt wird und optische
Verzerrungen bei der Abbildung entstehen, die zu zusätzlichen Messfehlern
führen.
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In
C.L. Korb et al., „Edge
technique Doppler lidar wind measurements with high vertical resolution", Appl. Opt. Vol.
36, 5976–5983
(1997) wird ein Verfahren zur Bestimmung der Dopplerverschiebung in
Molekül-Lidars
durch Flankendetektion beschrieben. Dabei wird mit einem schmalbandigen
spektralen Filter wie dem Fabry-Perot-Interferometer der spektrale
Durchlassbereich des Filters gegenüber der Doppler-verbreiterten
Linie der Rückstreuung des
Lasers aus der Atmosphäre
so eingestellt, dass nur ein Teil des Spektrums an seiner Intensitätsflanke durchgelassen
wird. Geringste spektrale Verschiebungen der Linie werden dann als
Intensitätsänderung
entlang der Flanke mit einem einkanaligen Detektor registriert,
die dann ein Maß der
Doppler-Verschiebung des gesamten Spektrums darstellen.
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Bei
diesem Verfahren der Flankendetektion in Molekulardoppler-Lidars
besteht ebenso wie bei der sogenannten „Fringe-Detektion" der Nachteil, dass
nur ein Teil des empfangenen Lichts genutzt wird und weiterhin nur
ein geringer Teil der verfügbaren
spektralen Information im Empfangslicht zur Ermittlung der Doppler-Verschiebung zum
Tragen kommt. Darüber
hinaus entstehen hohe Kosten, da spezielle und sehr teure Photoempfänger eingesetzt werden
müssen.
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In
Todd D. Irgang et al., „Two-channel
direct-detection Doppler lidar employing a charge-coupled device
as a detector",
Appl. Optics, Vol. 41, No. 6, S. 1145–1155 (2002) wird ein Doppler-Lidar-System
beschrieben, das einen CCD-Detektor umfasst. Durch Verwendung einer
Konvertierungseinrichtung, die kreisförmige Interferenzmuster eines
Fabry-Perot-Etalons in streifenförmige
Muster umwandelt, kann diese lineare Vorrichtung verwendet werden. Dadurch
sollen durch Rückstreuung
an Aerosolen und Molekülen
Winde gemessen werden. Die kreisförmigen Ringe, die vom Fabry-Perot-Etalon
ausgegeben werden, werden mittels eines reflektierenden Konus in
eine lineare Streifenserie umgewandelt. Jedoch hat auch dieses System
und Verfahren den Nachteil, dass aufgrund des Konverters optische Fehler
entstehen und ein großer
Aufwand notwendig ist.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Messung
von Windgeschwindigkeiten mit einem Doppler-Lidar-System anzugeben,
das für
eine nachfolgende Flugregelung zur Ausregelung von Turbulenzen oder
Scherwinden im Bereich der Luftfahrt geeignet ist und eine hohe Messsicherheit
gewährleistet.
Weiterhin soll ein Doppler-Lidar-System angegeben werden, mit dem Scherwinde
und Turbulenzen mit hoher Genauigkeit detektiert werden können, so
dass eine Ausregelung von Turbulenzen oder Scherwinden im Flugzeug möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch das Verfahren zur Erfassung von Windgeschwindigkeiten gemäß Patentanspruch
1 und durch das Doppler-Lidar-System zur Erfassung von Windgeschwindigkeiten,
insbesondere an Bord von Flugzeugen gemäß Patentanspruch 13. Weitere
vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben
sich aus den abhängigen
Ansprüchen,
der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Erfassung von Windgeschwindigkeiten mit einem Doppler-Lidar-System
wird ein Laserstrahl vorgegebener Wellenlänge zu einem Raumbereich hin
ausgesandt und das aus dem Raumbereich zurückgestreute Licht empfangen,
wobei zur Bestimmung einer Doppler-Verschiebung mit einem Interferometer ein
Interferogramm erzeugt und mit einem Photodetektor die Intensitätsverteilung
des Interferogramms gemessen wird, und wobei die Intensitätsverteilung des
Interferogramms mit ein oder mehreren Referenzmustern verglichen
wird, die zuvor für
definierte Parameter bestimmt wurden, und aus dem Vergleich die
Doppler-Verschiebung als Maß für die Windgeschwindigkeit
ermittelt wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
gewährleistet
eine ausreichend hohe Messsicherheit für Flugregelung in allen Flughöhen und
bei allen Wetterbedingungen, da zusätzlich zur Rückstreuung
des Lichts an Aerosolen auch die Doppler-verschobene Rückstreuung an Luftmolekülen mit
hoher Genauigkeit ermittelt und zur Windmessung verwendet wird. Da
die Dichte der Luftmoleküle
nur um höchstens
einen Faktor 5 in den typischen Flughöhen bis zu 40.000 Fuß variiert,
sind die Referenzmuster bzw. erwarteten Messsignale sehr zuverlässig und
lassen sich stabil für
jede Flughöhe
in allen Regionen der Erde ermitteln. Durch die Erfindung wird das
Empfangs- und Auswerteverfahren bei Doppler-Messungen so verbessert,
dass bei verringerter Sendeleistung des Lasers eine ausreichend
hohe Messsicherheit für
die Flugregelung bei unterschiedlichsten atmosphärischen Bedingungen möglich ist.
Somit können
Scherwinde und Böen
mit einem kompakten System bei Messentfernungen von beispielsweise 50–200 m aus
dem Flugzeug unter Verwendung des direkten, inkohärenten Empfangs
ermittelt werden, um eine Augregelung durch Flugzeugsteuerung zu ermöglichen.
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Durch
die Erfindung werden die oben beschriebenen Nachteile des Standes
der Technik beseitigt, da das Licht, das durch das Interferometer hindurchgelassen
wird, vollständig
genutzt werden kann und zusätzlich
die gesamte Information, die in der geometrischen Verteilung der
Lichtintensität
in der Abbildungsebene des Interferometers enthalten ist, zur Registrierung
der Doppler-Verschiebung verwendet werden kann. Dabei wird das verwendete Verfahren
insbesondere so aus gelegt, dass es gegenüber Signalrauschen und optischen
Aberationen und Störungen
im Interferometer möglichst
unempfindlich ist. Weiterhin sind die verwendeten Teile des ausgewählten Photoempfängers konventionell
erhältlich.
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Um
die Rückstreuung
des Laserlichts in dem Gemisch von Molekülen und Aerosolen und zusätzlich auch
an kondensierten Wassertröpfchen
in Wolken zu ermöglichen,
wird vorzugsweise kurzwelliges Laserlicht, insbesondere im UV-Bereich,
verwendet. Somit können
alle Zustände
der Atmosphäre
erfasst werden.
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Dabei
wird berücksichtigt,
dass die Zunahme der Intensität
der Rückstreusignale
an Luftmolekülen proportional
zu λ–4 erfolgt,
wobei λ die
Wellenlänge des
Laserstrahls bezeichnet. Es werden deshalb möglichst kurze Laserwellenlängen verwendet,
die vorzugsweise im UV-Bereich liegen. Es ergeben sich dadurch noch
die weiteren Vorteile, dass auch eine kurze Pulsdauer, beispielsweise < 10 ns, und eine hohe
Pulswiederholfrequenz, beispielsweise > 100 Hz, mit marktgängigen Lasern, wie z.B. Frequenz-verdreifachten
oder -vervierfachten Nd: YAG-Lasern bei 0,355 μm bzw. 0,266 μm erreicht werden
kann, so dass eine ausreichend hohe Ortsauflösung erzielt wird. Eine ausreichende
atmosphärische
Transmission ist bis zu einer unteren Grenze im UV von etwa 0,230 μm für Fernmessungen
bis zu einigen Hundert Metern bei allen Flughöhen vorhanden.
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Durch
die Erfindung wird insbesondere auch das Problem der spektralen
Verbreiterung der Laserrückstreuung
an Molekülen
auf Grund von Stößen und
thermischer Bewegung der Moleküle
gelöst.
Diese Verbreiterung kann beispielsweise um einen Faktor von 10 – 100 größer sein
als die geringste Doppler-Frequenzverschiebung
an Luftturbulenzen, die erfasst werden sollen. Diese Verbreiterung
des Empfangssignals auf einen größeren spektralen
Bereich hat bisher die Detektion der Doppler-Verschiebung in dem
spektral gleichverteilten Rauschen so erschwert, dass ausreichend
genaue Messungen nicht möglich
waren. Durch die Erfindung kann die Doppler-Verschiebung trotz der
spektralen Verbreiterung genau ermittelt werden.
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Insbesondere
wird bei der Erfindung der optische Strahlengang des Lidars so ausgelegt,
dass das gesamte Interferenzmuster bzw. Interferogramm direkt, also
ohne Umformung, Skalierung oder Ortseinstellung auf ein zweidimensionales
Detektor-Array, abgebildet wird. Gleichzeitig werden bei der Signalauswertung
z.B. alle Vorkenntnisse über
die zu erwartende örtliche
Verteilung der optischen Empfangssignale auf der Detektorfläche zur
Ermittlung der Doppler-Verschiebung verwendet.
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Die
Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Gestalt und Verbreiterung
des molekularen Rückstreuspektrums
bei einer schmalbandigen Laserfrequenz, die monomodig ist, eine
wohldefinierte spektrale Linie darstellt, deren Intensitätsverlauf
in Abhängigkeit
von der atmosphärischen
Dichte und Temperatur, d.h. der Messhöhe des Flugzeugs über dem
Meeresspiegel, vorausberechenbar ist. Insbesondere können mit
der zusätzlichen
Kenntnis der Transferfunktion des Interferometers, die auch mit hinreichender
Genauigkeit berechenbar bzw. messbar ist, die Erwartungsprofile
der Intensitätsverteilung in
der Photodetektorebene des Interferometers für jede Dichte und Lufttemperatur
bestimmt werden und als Verlaufswerte in einer beispielsweise zweidimensionalen „look-up-table" abgespeichert werden. Durch
den Vergleich dieser modellierten spektralen Profile mit den tatsächlich gemessenen
Spektren und den dabei festgestellten Abweichungen, kann die Doppler-Linienverschiebung
in Abhängigkeit
der Luftgeschwindigkeit für
jede Flughöhe
in Echtzeit bestimmt werden.
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Vorteilhafterweise
wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
das ringförmige
Interferogramm eines Fabry-Perot-Interferometers oder das streifenförmige Interferogramm
eines Fizeau-Interferometers direkt auf den 2-dimensionalen Photodetektor abgebildet.
Dadurch ergibt sich eine Abbildung auf dem flächenhaften Photoempfänger ohne
optische Umwandlung und ohne Abschattung. Somit kann beispielsweise
das gestreute, Doppler-verschobene Lasersignal eines Flugzeugs aus
der Atmosphäre
in dem Doppler-Lidar-System mit dem Fabry-Perot-Interferometer bzw.
dem Fizeau-Interferometer vollständig
genutzt werden, so dass kein Informationsverlust durch die optische
Umwandlung erfolgt.
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Bevorzugt
enthalten die Referenzmuster als Parameter unterschiedliche Dichten
und/oder Temperaturen der Atmosphäre. Dadurch sind für unterschiedliche
atmosphärische
Bedingungen, die z.B. in verschiedenen Höhen herrschen, Referenzmuster vorhanden,
aus denen dasjenige Referenzmuster ausgewählt wird, das die geringste
Abweichung zum aufgenommenen Interferogramm hat. Zur Parameterberechnung
kann die vollständige
theoretisch zu erwartende Intensitätsverteilung genutzt werden,
die vorher aus einer Modellrechnung gewonnen wird. Dabei schließt die Modellrechnung
die Modellierung des Lasersendestrahls, die Modellierung der Molekülgeschwindigkeitsverteilung
und die Modellierung der Interferometertransferfunktion ein. Aus
dem mit einer intensivierten CCD-Kamera aufgenommenen Interferogramm,
das beispielsweise in Form von 2-dimensionalen Grauwertbildern vorliegt,
kann dann durch Vergleich mit der Schar von Referenzmustern sowohl
eine Bestimmung der Luftgeschwindigkeit in dem zu messenden Raumbereich
als auch eine Bestimmung verschiedener atmosphärischer Parameter, wie beispielsweise
die Messvolumentemperatur oder der Druck des Messvolumens, durchgeführt werden.
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Das
mindestens eine Referenzmuster enthält somit beispielsweise die
Geschwindigkeit der Atmosphäre
relativ zum Doppler-Lidar-System als Parameter.
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Vorteilhafterweise
wird aus mehreren aufeinanderfolgenden Messungen die Variation der
Geschwindigkeit der Atmosphäre
relativ zum Doppler-Lidar-System ermittelt. Aus den im Vergleich
zur Fluggeschwindigkeit schnellen Variationen, die durch Turbulenzen
oder Scherwinde verursacht werden, lässt sich dann die Luftgeschwindigkeit
in dem vor dem Flugzeug liegenden Raumbereich ermitteln.
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Bevorzugt
ist der Laserstrahl gepulst und jeweils ein Teil eines Laserpulses
wird zur Festlegung eines zeitlichen Referenzpunktes verwendet.
Mittels der Laufzeit des restlichen Teils des Laserpulses kann die
Entfernung des rückstreuenden
Raumbereichs festgelegt werden.
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Vorzugsweise
wird ein Teil des Laserstrahls direkt, d.h. ohne Rückstreuung
in der Atmosphäre, empfangen
und registriert, wobei aus der Intensitätsverteilung eine Transferfunktion
der optischen Komponenten des Systems bestimmt oder auch eine Kalibrierung
durchgeführt
werden kann.
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Bevorzugt
wird aus dem Referenzmuster mit der geringsten Abweichung zum gemessenen
Interferogramm die Dichte und/oder die Temperatur des Raumbereichs
ermittelt.
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Vorteilhafterweise
wird das erfindungsgemäße Verfahren
an Bord eines bewegten Systems, beispielsweise an Bord eines Flugzeugs,
Hubschraubers oder eines anderen Luftfahrzeugs durchgeführt, ebenso
wie es auch an Bord eines Schiffes oder am Boden eingesetzt werden
kann.
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Weiterhin
kann die erwartete Intensitätsverteilung
des Referenzmusters auch aus gemessenen atmosphärischen Parametern und/oder
Flugparametern eines Luftfahrzeugs berechnet werden, oder das gespeicherte
Referenzmuster mit der geringsten Abweichung zum registrierten Interferogramm
kann durch gemessene Parameter weiter angepasst werden.
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Vorteilhafterweise
wird der Laserstrahl in verschiedene Richtungen gesandt, um den
Windgeschwindigkeitsvektor, also Betrag und Richtung der Windgeschwindigkeit
in dem zu messenden Raumbereich, zu bestimmen.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung wird ein Doppler-Lidar-System zur Erfassung
von Windgeschwindigkeiten, insbesondere an Bord von Flugzeugen,
geschaffen, mit einer Sendeeinrichtung zum Aussenden eines Laserstrahls,
einer Empfangseinrichtung zum Empfang des in der Atmosphäre zurückgestreuten
Laserstrahls, einem Interferometer zur Erzeugung eines Interferogramms
aus dem zurückgestreuten
Laserstrahl, einem Photodetektor zur Bestimmung der Intensitätsverteilung
des Interferogramms, und einer Auswerteeinheit zur Bestimmung der
Doppler-Verschiebung als Maß für die Windgeschwindigkeit
der Atmosphäre,
wobei das Interferogramm direkt auf den Photodetektor abgebildet
wird, und die Auswerteeinheit einen Speicher mit ein oder mehreren
Referenzmustern umfasst, die für
zuvor definierte atmosphärische
Parameter gelten, und eine Vergleichsein heit zum Vergleichen des
abgebildeten Interferogramms mit den Referenzmustern, um aus dem
Vergleich die Windgeschwindigkeit zu ermitteln.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Doppler-Lidar-System
ist es möglich,
mit hoher Genauigkeit die Windgeschwindigkeit bzw. Turbulenzen vor
einem Flugzeug so zu bestimmen, dass beim Durchfliegen des zu messenden
Raumbereichs eine Ausregelung durch entsprechende Klappensteuerung
erfolgen kann. Dadurch trägt
die Erfindung zum einen zur Flugsicherheit bei, zum anderen wird
der Flugkomfort spürbar
verbessert, und es erfolgt darüber
hinaus eine Reduktion der Treibstoffkosten.
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Vorteilhafterweise
ist der Photodetektor ein 2-dimensionaler Photodetektor, der einen
Bildverstärker
und ein CCD- oder CMOS-Array umfasst. Dadurch ergeben sich geringe
Kosten, da der Photodetektor marktüblich und konventionell erhältlich ist.
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Bevorzugt
ist zwischen der Sendeeinrichtung und der Empfangseinrichtung ein
Transferpfad für
einen Teil des Laserstrahls vorgesehen, um den erzeugten Laserstrahl
direkt in der Empfangseinrichtung zu registrieren. Beispielsweise
ist ein Glasfaserkabel vorgesehen, das den mittels eines Strahlteilers abgezweigten
Laserstrahl der Sendeeinrichtung an ein Empfangsteleskop der Empfangseinrichtung
koppelt. Dadurch ist es möglich,
den ausgesandten Laserstrahl direkt zu registrieren und somit die Übertragungsfunktion
der Empfangseinrichtung mit den darin vorhandenen Komponenten zu
bestimmen. Weiterhin kann von Zeit zu Zeit eine Kalibrierung der Empfangseinrichtung
durchgeführt
werden.
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Weiterhin
kann der direkt zur Empfangseinrichtung geführte Laserstrahl als zeitliche
Referenz verwendet werden, um die Laufzeit des ausgesandten und
zurückgestreuten
Laserstrahls zu definieren. Dadurch kann die Messentfernung, d.h.
die Entfernung des Raumbereichs, in dem die Luftgeschwindigkeit
ermittelt wird, festgelegt werden.
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Bevorzugt
ist das Interferometer ein Fabry-Perot-Interferometer oder ein Fizeau-Interferometer. Vorzugsweise
umfasst das Interferogramm dann die konzentrischen Ringe bzw. der
Intensitätsverteilung
eines Fabry-Perot- bzw. eines Fizeau-Interferometers.
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Vorteilhafterweise
erzeugt der Laser gepulste Laserstrahlen im UV-Bereich. Dadurch
ist die Rückstreuung
an Luftmolekülen
am stärksten,
was ermöglicht,
die Interferenzen sehr genau zu messen und die Doppler-Verschiebung
zu ermitteln.
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Bevorzugt
umfasst das Doppler-Lidar-System Feld-programmierbare-Gate-Arrays
zur Berechnung der Referenzmuster. Dadurch kann eine schnelle Berechnung
in Echtzeit erfolgen.
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Vorteilhafterweise
umfasst die Auswerteeinheit ein Modul zur Bestimmung der Transferfunktion der
Bauteile der Empfangseinrichtung.
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Bevorzugt
ist das erfindungsgemäße Doppler-Lidar-System
mit entsprechenden Komponenten zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ausgestaltet.
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Vorteile
und Merkmale, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
beschrieben werden, gelten auch für das erfindungsgemäße Doppler-Lidar-System, ebenso wie
Vorteile und Merkmale, die für
das Doppler-Lidar-System gelten, auch für das erfindungsgemäße Verfahren
gelten.
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Im
Folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand der Zeichnungen
beschrieben, in denen
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1 eine schematische Darstellung
eines Doppler-Lidar-Systems gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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2 schematisch eine Abbildung
eines Interferogramms auf dem Photoempfänger des in 1 dargestellten Systems zeigt;
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3 zeigt ein typisches 2-dimensionales Interferogramm
bei relativ niedriger Photonenzahl; und
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4 zeigt schematisch eine
Windgeschwindigkeitsmessung mit dem erfindungsgemäßen Doppler-Lidar-System.
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1 zeigt ein Doppler-Lidar-System 10 als bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung. Ein Laser 11 dient zur Erzeugung eines gepulsten
Laserstrahls und ist optisch an ein Sendeteleskop 12 gekoppelt,
das dazu dient, einen Laserstrahl in einer vorgegebenen Richtung
in die Atmosphäre
zu senden. Der Laser 11 und das Sendeteleskop 12 bilden somit
eine Sendeeinrichtung zum Aussenden des Laserstrahls. Zum Empfang
des in der Atmosphäre zurückgestreuten
Laserstrahls dient eine Empfangseinrichtung in Form eines Empfangsteleskops 13. Über eine
Lichtleitfaser 14 und eine Filtereinheit 15 wird
der empfangene Laserstrahl einem Interferometer 16 zugeführt, das
in dieser bevorzugten Ausführungsform
ein Fabry-Perot-Interferometer
bzw. ein Fizeau-Interferometer ist.
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Ein
Photodetektor 17 dient zur Bestimmung der Intensitätsverteilung
eines Interferogramms, das vom Interferometer 16 aus dem
zugeführten
Laserstrahl erzeugt wird. Dabei ist der Photodetektor 17 in Bezug
auf das Interferometer 16 so angeordnet, dass das z.B.
ringförmige
Interferogramm direkt auf den Photodetektor 17 abgebildet
wird.
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Der
Ausgang des Photodetektors 17 ist elektrisch an eine Auswerteeinheit 18 gekoppelt,
die einen Speicher 18a und eine Vergleichseinheit 18b in Form
eines Mikroprozessors umfasst. In dem Speicher 18a sind
ein oder mehrere Referenzmuster für Interferogramme gespeichert,
die für
definierte atmosphärische
und gegebenenfalls weitere Parameter gelten. Die Vergleichseinheit 17b dient
dazu, das auf dem Photoempfänger 17 abgebildete
Interferogramm mit den ein oder mehreren Referenzmustern zu vergleichen
und aus dem Vergleich die Windgeschwindigkeit zu ermitteln. Zur
Anpassung, Berechnung oder Veränderung
der Referenzmuster können der
Vergleichseinheit 18b zusätzliche Parameter als Eingangsdaten 22 zugeführt werden.
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Zwischen
dem Laser 11 und dem Sendeteleskop 12 ist ein
Strahlteiler 19 geschaltet, der dazu dient, ein Teil des
vom Laser 11 erzeugten Laserstrahls abzuzweigen und über einen
Transferpfad 20 in Form einer Lichtleitfaser oder Referenzmessfaser dem
Empfangsteleskop 13 zuzuführen. Dadurch gelangt im Betrieb
ein kleiner Teil der vom Laser 11 abgegebenen Strahlung über den
Transferpfad 20 zum Empfangsteleskop 13 und dient
zur Bestimmung des Anfangszeitpunktes der Laufzeit des ausgesandten und
in der Atmosphäre
in definierter Entfernung zurückgestreuten
Laserstrahls. Dadurch wird durch Festlegung des Zeitpunktes des
Empfangs die Entfernung definiert, in der die Windgeschwindigkeit
gemessen werden soll.
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Weiterhin
kann über
den direkt von der Sendeeinrichtung zugeführten Laserstrahl die Transferfunktion
des optischen Empfangssystems mit seinen verschiedenen Komponenten,
wie z.B. Faser 14, Filter 15 und Interferometer 16 bestimmt
werden. Dabei wird der direkt zugeführte Laserstrahl dem Interferometer 16 zugeführt und
anschließend
das dabei entstehende Interferogramm auf dem Photodetektor 17 abgebildet.
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Das
Empfangsteleskop 13 dient zur Aufnahme des aus dem Messvolumen,
das ein definierter Raumbereich ist, zurückgestreuten Lichts. Über die Faser 14 in
Form einer Glasfaser wird dieses Licht mittels einer optischen Linse 21 parallelisiert
und zum Filter 15 weitergeleitet. Der Filter 15 dient
dazu, den aus der Atmosphäre
zurückgestreuten
Laserstrahl aus der Hintergrundstrahlung der Sonne herauszufiltern.
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Im
Strahlengang schließt
sich nach dem Filter 15 das Interferometer 16 an,
das aus dem zugeführten
Licht ein Interferogramm bildet. Das Interferometer 16 kann
neben einem Fabry-Perot-Interferometer beispielsweise auch ein Fizeau-Interferometer sein.
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Das
vom Interferometer erzeugte Muster besteht beim Fabry-Perot-Interferometer
aus konzentrischen Kreisen, wobei die Intensitätsverteilung in dem Muster
und der Abstand der Kreise vom Zentrum von der Wellenlänge des
zugeführten
Lichts, vom Spektrum des Lasers, von der Doppler-Verschiebung, der Doppler-Verbreiterung in
der Atmosphäre
und der Transferfunktion der Komponenten des Empfangskanals abhängt.
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Das
erzeugte Interferogramm enthält
die gesamten gemessenen Informationen über die Atmosphäre und wird
ohne optische Umformung oder Ausblendung bzw. Zentrierung als Ganzes
auf die Detektorebene des flächenhaften
Photodetektors 17 mit seiner 2-dimensionalen Pixelstruktur
abgebildet.
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2 zeigt eine typische von
dem Photoempfänger
oder dem Photodetektor 17 wiedergebene Intensitätsverteilung
in einem Interferogramm 34. Aufgrund der diskreten Pixelstruktur
und der typischerweise schwachen optischen Empfangssignale entsteht
ein stufenartiges 2-dimensionales Intensitätsbild, das der durch einen
Mikroprozessor realisierten Vergleichseinheit 18b zugeführt wird.
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3 dient zur besseren Veranschaulichung des
typischen 2-dimensionalen Interferogramms 34 bei einer
relativ niedrigen Photonenzahl. Dort ist die Intensitätsverteilung
der konzentrischen Ringe in Form von Grauwertabstufungen gezeigt.
In der Vergleichseinheit 18b (siehe 1) wird dieses Intensitätsprofil
oder Intensitätsmuster
mit Referenzmustern verglichen, die in der Speichereinheit 18a in
Form von Look-Up-Tables vorliegen. Bei der Auswertung sucht der
Mikroprozessor aus den ein oder mehreren Look-Up-Tables dasjenige
Intensitätsverteilungsmuster
aus, das dem gemessenen am nächsten kommt.
Aus diesem Vergleich ergibt sich der gesuchte Wert der Doppler-Verschiebung,
die ein Parameter des gespeicherten Musters ist, und daraus abgeleitet die
Geschwindigkeit der Luftteilchen im Messvolumen.
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Die
Referenzmuster oder die Schar von Referenzmustern können auf
verschiedene Arten erzeugt werden. Beispielsweise können für verschiedene
Temperaturen der Atmosphäre
und verschiedene Luftgeschwindigkeiten relativ zum Messsystem unterschiedliche
Referenzmuster erzeugt und in den Look-Up-Tables abgelegt werden.
Weiterhin dienen der Druck und die Instrumentenfunktion als Parameter für die Bestimmung
der Referenzmuster. Es ist ebenso möglich, ein oder mehrere dieser
Parameter während
des Messbetriebs durch Sensoren festzustellen und die gespeicherten
Referenzmuster aufgrund der aktuellen Werte anzupassen. Die von
den weiteren Sensoren ermittelten aktuellen Parameter können dann
in Form von Eingangsdaten 22 der Vergleichseinheit 18b zugeführt werden
(s. 1).
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D.h.,
in den Interferenzmustern sind die verschiedenen Parameter, die
auf ein gemessenes Interferogramm Einfluss haben, enthalten, so
dass die Referenzmuster für
verschiedene Höhen,
Temperaturen, Geschwindigkeiten des Flugzeugs und auch unterschiedliche
Instrumentenfunktionen gelten. Dabei kann die Instrumentenfunktion
entweder gemessen oder berechnet sein.
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Zur
Vermessung der Transferfunktion des Empfangssystems wird ein Teil
der Strahlung des Lasers direkt in das Empfangsteleskop 13 geleitet.
Die Transferfunktion kann dann in den Zwischenzeiten zwischen der
Vermessung des rückgestreuten
Laserlichts der Atmosphäre
ermittelt und bei der weiteren Auswertung berücksichtigt werden.
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Bei
der Auswertung werden im Wesentlichen die Intensitätsverteilungen
der Referenzmuster mit der Intensitätsverteilung des gemessenen
Interferogramms verglichen. Das Spektrum des aus der Atmosphäre zurückgestreuten
Lichts enthält
eine Stoßverbreiterung
der Moleküle
sowie eine thermische Verbreiterung, die von der jeweiligen Temperatur
abhängig
ist. Durch die Doppler-Verschiebung ist der Schwerpunkt des Spektrums
verschoben. Wie oben erwähnt,
wirkt sich auch die Instrumentenfunktion, d.h. die Transferfunktion
der optischen Komponenten des Empfängers, auf das ermittelte Spektrum
aus. In den Referenzmustern sind all diese Faktoren berücksichtigt.
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Die
Messung der Doppler-Verschiebung geschieht mit einer bestimmten
Messfrequenz, die frei festgelegt werden kann. Zwischen dem Abstrahlen des
Sendepulses bis zum Empfang des rückgestreuten Laserlichts aus
dem Messvolumen in der Atmosphäre
besteht ein Zeitintervall, in dem der Sendepuls, der direkt über den
Transferpfad 20 dem Empfangsteleskop 13 zugeführt wird,
vom Photodetek tor 17 gemessen wird. Die Intensitätsverteilung
in diesem Interferogramm ist die Faltung des Spektrums des verwendeten
Lasers und der Transferfunktion aller Bauteile des Empfangssystems,
wie beispielsweise Empfangsteleskop 13, Glasfaser oder
Faser 14, Linse 21, Filter 15 und Interferometer 16.
Diese Intensitätsverteilung
wird bei der Messung zur Vervollständigung der Look-Up-Tables
und/oder zur Überwachung
der Einstellungen des gesamten Systems, insbesondere zur Kalibrierung,
verwendet.
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Bei
der Messung der Windgeschwindigkeit innerhalb eines vom Messsystem
beabstandeten Raumbereichs mit dem in 1 gezeigten
Doppler-Lidar-System 10 wird der Laser 11 mit
einer typischen Pulsdauer von 10 ns betrieben, was einer Pulslänge von
3,0 m entspricht. Die Empfangseinrichtung wird dabei so eingestellt,
dass das Rückstreusignal
nach einer festen Pulslaufzeit aus einer festen Entfernung, beispielsweise
100 m, empfangen wird. Als Zeitreferenz dient dabei der Zeitpunkt
des Durchgangs der gepulsten Laserstrahlung durch die Apertur des
Sendeteleskops 12. Dieser Zeitpunkt wird ermittelt, indem
ein Teil der Strahlung über
den als Glasfaser ausgestalteten Transferpfad 20 direkt dem
Empfangsteleskop 13 zugeführt wird, also ohne den Weg
durch die Atmosphäre.
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Außer diesem
Zeitpunkt bzw. Trigger, der von dem Photodetektor 17 registriert
wird, kann auch die spektrale Intensitätsverteilung des direkt zugeführten Laserstrahls
in der Abbildungsebene des Interferometers 16 auf dem Photodetektor 17 aufgezeichnet
und abgespeichert werden. Dadurch ergibt sich die Transferfunktion
F0 aller optischen Komponenten als F0 =
fLaØfFiØfFaØfIF, (1)wobei Ø den Faltungsoperator
bezeichnet und fLa, fFi, fFa und fIF die Transferfunktionen
der optischen Komponenten Laser, Filter, Faser und Interferometer
darstellen.
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Da
diese Funktion die inhärente
Instrumentenfunktion ist und nur selten, d.h. nur bei Dejustage und
Degradation des Systems verändert
wird, braucht sie nicht bei jedem Puls des Lasers abgespeichert
werden, sondern kann zur anfänglichen Selbstkalibrierung
und zur Überwachung
des Systems immer wieder neu gemessen werden. Wenn das Messsystem
stabil genug ist, besteht auch die Möglichkeit, die Instrumentenfunktion
rein rechnerisch zu ermitteln und bei weiteren Auswertungen zu berücksichtigen.
Die Auswertung dieser Tests kann bei der Berechnung zur Stützung der
Daten verwendet werden.
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Das
zum späteren
Zeitpunkt von dem Messvolumen in der Atmosphäre zurückgestreute Licht des Laserpulses
wird vom Empfangsteleskop 13 aufgenommen und über denselben
Weg wie vorher das direkt zugeführte
Laserlicht über
das Empfangsteleskop 13, die Linse 21, den Filter 14,
die Faser 15 und das Interferometer 16 dem Photoempfänger bzw. Photodetektor 17 zugeführt.
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Das
aus der Atmosphäre
zurückgestreute Laserlicht
ist spektral verbreitert und durch den Doppler-Effekt aus der Relativgeschwindigkeit
des Flugzeugs durch die Luft und die Eigenbewegung der Luftmasse
spektral verschoben. Nach dem Durchgang durch das Empfangsteleskop 13 wird
es noch mit der Transferfunktion der Optik Fo gefaltet
und stellt dann die gesamte gemessene Funktion F dar: F = FD Ø F0 (2)
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Der
gemessene Intensitätsverlauf
wird mit dem gespeicherten 2-dimensionalen Feld von möglichen
Intensitätsverläufen in
Abhängigkeit
der atmosphärischen
Parameter Dichte und Temperatur verglichen. Der Intensitätsverlauf
mit dem geringsten Unterschied zwischen Messung und Berechnung wird
in einer modellbasierten Auswertung verwendet, oder er wird durch
eine entsprechende Interpolation oder Parameteranpassung verbessert.
Aus diesem Intensitätsverlauf
kann nun die Doppler-Funktion FD durch rechnerische
Entfaltung gewonnen werden. Aus der Breite und dem Verlauf der Doppler-Funktion
können nun
Dichte und Temperatur der Luft in entsprechenden Flughöhen zusätzlich gewonnen
werden.
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Andererseits
besteht auch die Möglichkeit, aus
den bekannten Werten Luftdichte und Lufttemperatur, die mit anderen
Messinstrumenten des Flugzeugs gemessen werden, den erwarteten Verlauf
der Doppler-Funktion im Voraus zu berechnen und mit der zusätzlichen
Kenntnis der Instrumentenfunktion die Doppler-Verschiebung rechnerisch aus der gemessenen
Verschiebung der Interferogramme 34 zu gewinnen. Aus der
Doppler-Verschiebung und der Ausrichtung der Messachse aus dem Flugzeug
lässt sich
dann die Geschwindigkeit des Flugzeugs gegenüber der Luftmasse und die interne
Bewegung der Luftmasse berechnen.
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Nach
der direkten Abbildung des Interferogramms als Ganzes und ohne optische
Umformung oder Ausblendung auf dem flächenhaften Detektor, z.B. einem
CCD-Array oder CMOS-Array,
erfolgt eine Lichtverstärkung
unter Verwendung einer Multi-Channel-Plate, die einen Bildverstärker 17a bildet und
zwischen der Abbildungsebene des Interferometers 16 und
dem flächenartigen
Photodetektor 17 vorgesehen ist.
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Anschließend werden
die Interferogramme mit den Parameterberechnungen und/oder abgespeicherten
Informationen über
den erwarteten Intensitätsverlauf
bei dem verwendeten Interferometer, der Lufttemperatur und Dichte
mit Hilfe von parallelrechnenden Mikroprozessoren, wie z.B. Feld-Programmierbare-Gate-Arrays (FPGA), verglichen.
Die Referenzwerte der Interferogrammfunktion werden für unterschiedliche
Parametersätze,
insbesondere Laserwellenlänge λ, Atmosphärendichte
p und Lufttemperatur T gespeichert, um den Rechenaufwand zu reduzieren.
Dadurch können
alle im System selbst vorhandenen Informationen, sowie die in jedem
Flugzeug vorhandenen Informationen über Luftdichte, Temperatur
und Eigengeschwindigkeit gegenüber der
Luftmasse genutzt werden.
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4 zeigt schematisch eine
Windgeschwindigkeitsmessung mit dem erfindungsgemäßen Doppler-Lidar-System
an Bord eines Flugzeugs 50. Dabei werden verschiedene Messstrahlen 51 in unterschiedliche
Richtungen gesendet, um den Luftraum vor dem Flugzeug 50 abzutasten.
Die aus verschiedenen Raumbereichen 52a, 52b, 52c, 52d an Aerosolen
und Molekülen
zurückgestreuten
Laserstrahlen werden wie oben beschrieben aufgezeichnet und analysiert,
so dass die Windgeschwindigkeiten in der jeweiligen Messrichtung
in dem jeweiligen Raumbereich ermittelt werden. Dabei beträgt die Entfernung
D der Raumbereiche 52a–d vom
Flugzeug 50 beispielsweise 100 m. Die Aufteilung des Messstrahls
in die Vielzahl von Messstrahlen 51 kann z.B. mit einem
Scanner vor oder in der Sendeeinrichtung 12 bzw. der Empfangseinrichtung 13 oder
mit getrennten Sende-/Empfangseinrichtungen
für jede Raumrichtung
mit nachfolgendem Multiplexer/Demultiplexer erfolgen, wobei gleichzeitig
oder nacheinander in verschiedenen Richtungen der Luftraum vor dem
Flugzeug 50 abgetastet wird. Die Raumbereiche 52a–d haben
beispielsweise eine Ausdehnung in Messrichtung von ca. 10 m.
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Durch
Projektion in die verschiedenen Richtungen kann aus den einzelnen
Messergebnissen der Windgeschwindigkeitsvektor bestimmt werden. Die
Verarbeitung der in der jeweiligen Laser-Sendestrahlrichtung gemessenen
Doppler-Geschwindigkeitskomponenten
zu einem geschätzten
Geschwindigkeitsvektor erfolgt beispielsweise durch ein überbestimmtes
Gleichungssystem mit mindestens vier Einzelmessungen bei vier Messrichtungen,
wobei Wichtungsfaktoren zur Reduzierung des Betrags vergangener
Messungen berücksichtigt
werden. Der Geschwindigkeitsberechnung von vn aus
der Messfolge m1, m2,
m3, m4, ..., mk folgt dann die Geschwindigkeitsberechnung
vn+1 aus der Messfolge m2,
m3, m4, m5, ..., mk+1.
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Die
Erfindung ermöglicht
eine genaue Messung des Windgeschwindigkeitsvektors weit vor einem
Flugzeug in Echtzeit mit Hilfe der interferometrischen Messung der
Doppler-Linienverschiebung von an Luftmolekülen und Aerosolen rückgestreuten
gepulsten Laserstrahlen. Aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung
und dem erfindungsgemäßen Auswerteverfahren
wird eine große
Reichweite erreicht, d.h. bei der Auswertung werden nur verringerte
Rückstreuintensitäten benötigt.
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Die
Böenvermessung
in Echtzeit weit vor dem Flugzeug, beispielsweise in einer Entfernung, die
0,5 Sek. Flugzeit entspricht, erlaubt gezielte Steuerungs- und Trimmmanöver zur
Reduktion schädlicher
Böeneinwirkungen
auf das Flugzeug. Für
Systeme mit kürzerer
Reichweite, beispielsweise zur Messung des Anströmgeschwindigkeitsvektors, sind noch
weiter reduzierte Einbaumaß möglich.
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Die
Messung kann von bewegten Messplattformen, beispielsweise von Flugzeugen,
Hubschraubern, Ballonen, Satelliten oder Schiffen erfolgen, oder
auch von bodenfesten Messstationen aus durchgeführt werden.
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Zur
Einstellung der Messentfernung wird bei der Messdatenaufnahme ein
Zeitfenster festgelegt, das mit der Laser-Strahlpulsung synchronisiert
wird.
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Die
Messdatenverarbeitung kann in Echtzeit erfolgen, wobei die Referenzwerte
bzw. -muster durch Verwendung von Feld-Programmierbaren-Arrays parallel
berechnet werden. Daraus können
die optimalen Parameter für
die Wellenlänge λ und die Temperatur
T des Messvolumens bestimmt werden. Zur Reduzierung von Rechenaufwand
können
die Referenzmuster, die Referenzwerte der Interferogrammfunktion
darstellen, für
unterschiedliche Parametersätze λ und T gespeichert
werden. Neben den Speicherzugriffen werden nur Addition und Betragsbildung
für positive,
ganze Zahlen zur Berechnung der Referenzwerte benötigt, wodurch
der Flächenbedarf
der lokalen Rechnereinheiten im Feld-Programmierbaren-Gate-Array sehr klein
gehalten wird.
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Bei
dem Vergleich des Interferogramms der aus der Atmosphäre zurückgestreuten
Laserstrahlung mit der Schar von Referenzmustern wird während der
Auswertung eine Bestimmung der Wellenlänge λ und der Messvolumentemperatur
T durchgeführt.
Zur Parameterberechnung wird die vollständige, theoretisch zu erwartende
Intensitätsverteilung genutzt,
die vorher aus einer Modellrechnung gewonnen wird. Dabei schließt die Modellrechnung
die Modellierung des Laserstrahls, die Modellierung der Molekülgeschwindigkeitsverteilung
und die Modellierung der Interferometertransferfunktion ein.
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Neben
der Detektion von Böen
oder Luftturbulenzen kann das erfindungsgemäße Doppler-Lidar und das erfindungsgemäße Verfahren
zur Erfassung von Windgeschwindigkeiten auch für Anwendungen und Einsätze am Boden
verwendet werden, beispielsweise zur Detektion von Scherwinden an
Flughäfen
oder zur Messung von Windprofilen in vertikaler Richtung durch die
Atmosphäre.