DE4013702C2 - Verfahren zur Erfassung von Turbulenzen in der Atmosphäre sowie Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von Turbulenzen in der Atmosphäre durch Bestimmung der Windgeschwindigkeit in ausgewählten Raumbereichen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist bekannt, daß insbesondere startende und landende Flugzeuge durch atmosphärische Turbulenzen in hohem Maße gefährdet werden können. Aus diesem Grunde besteht zur Erhöhung der Flugsicherheit ein großes Bedürfnis, möglichst vom Flugzeug aus Richtung und Betrag der Windgeschwindigkeit zu bestimmen, um rechtzeitig zu erkennen, ob sich das Flugzeug einem Gebiet nähert, in dem mit erhöhten Turbulenzen oder Fallwinden zu rechnen ist. Es ist unter der Bezeichnung "Laser-Doppler-Anemometrie" ein Verfahren zur Windmessung bekannt, das die Merkmale aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 aufweist. Bei dem Verfahren wird die Rückstreuung des Lichtes an in der Atmosphäre schwebenden bewegten Aerosolen ausgenutzt. Wegen ihrer geringen Abmessungen sind diese Aerosole ein Abbild der an ihrem Aufenthaltsort herrschenden Windgeschwindigkeit.

Bei den bisher bekannten Verfahren wird die kontinuierlich erzeugte Strahlung eines Lasers in den zu vermessenden Raumbereich gerichtet und das aus dem Raumbereich rückgestreute Licht in der angegebenen Weise ausgewertet. Das Verfahren hat den Nachteil, daß ab einer gewissen Entfernung des Meßgebietes von der aussendenden Lichtquelle bei der Verwendung normaler Sendeaperturen eine zufriedenstellende räumliche Auflösung in Ausbreitungsrichtung nicht mehr möglich ist.

Dies ist darauf zurückzuführen, daß das Auflösungsvermögen gegeben ist durch die folgende Formel:

Hierbei bedeutet R= Entfernung des Meßgebietes, D= Sendeapertur und λ= Wellenlänge des Laserlichtes.

Nimmt man eine Start- und Landegeschwindigkeit von 100 m/s und eine erwünschte Vorwarnzeit von 40 s an, was einer Entfernung von 4000 m entspricht, die zwischen dem Flugzeug und dem zu vermessenden Gebiet liegt, so ist, um Turbulenzen zu lokalisieren, deren räumliche Abmessungen im Größenbereich einiger Kilometer liegen, eine räumliche Auflösung des Meßgebietes in der Größenordnung von etwa 200 m erforderlich.

Diese Bedingung würde gemäß der angegebenen Formel bei der Verwendung eines Dauerstrichlasers zu einer Sendeapertur D von mehreren Metern führen.

In der europäischen Patentanmeldung EP 03 03 156 A2 ist ein Laser-Doppler-Anemometer beschrieben, bei dem zwei von einer Laser-Lichtquelle ausgehende Laserstrahlen in hochfrequenten Impulsen in den zu untersuchenden Raumbereich ausgesandt und dort zur Interferenz gebracht werden. Durch die, das Interfe­ renzmuster durchquerenden Partikel werden Streulichtimpulse erzeugt, aus deren zeitlichen Abständen die Doppelfrequenz bestimmt und daraus die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der oben erwähnten Art so auszubilden, daß Reichweite und Auflösungsvermögen erheblich gesteigert werden können, so daß das Verfahren mit einer für den Flugbetrieb ausreichenden Vorwarnzeit, Sicherheit und Genauigkeit eingesetzt werden kann. Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens sollte so ausbaubar sein, daß sie im Flugzeug installiert werden kann und nicht nur beim Landeanflug, sondern möglichst auch beim Reiseflug einsetzbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 beschrieben.

Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Gegenstand von Patentanspruch 5. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Einrichtung sind in den Unteransprüchen 6 und 7 beschrieben.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, das zur Messung verwendete Laserlicht in Einzelimpulsen auszusenden und das rückgestreute Licht mit dem kohärenten kontinuierlich erzeugten ursprünglichen Laserlicht zu überlagern. Durch die Verwendung von Einzelimpulsen steht für die Messung erheblich mehr Leistung zur Verfügung als bei einem Dauerstrichlaser, und es wird somit eine größere Reichweite erzielt. Ein weiterer Vorteil des Impulsbetriebes besteht in der Möglichkeit, beim rückgestreuten Licht nur Strahlung aus einer definierten Meßentfernung zu erfassen. Dies geschieht indem die Auswertung, d. h. die Bestimmung der Dopplerverschiebung, innerhalb von einzelnen Zeitabschnitten durchgeführt wird, die auf den Aussendezeitpunkt des Einzelimpulses bezogen sind. Somit entspricht jedem Zeitabschnitt ein begrenzter Entfernungsbereich und die Länge des Zeitabschnitts bzw. die Breite des Zeitfensters bestimmt die räumliche Auflösung in Ausbreitungsrichtung.

Die Überlagerung der rückgestreuten Impulse mit dem kontinuierlich erzeugten Laserlicht umgeht die Schwierigkeit, daß eine Überlagerung zwischen ausgesandter und rückgestreuter Strahlung in direkter Weise bei Impulsen, deren Dauer kürzer ist als die der Meßentfernung entsprechende Laufzeit, nicht möglich wäre.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet zudem die Möglichkeit, durch eine Frequenzverschiebung bei dem kontinuierlich erzeugten Laserlicht, also dem zweiten Teilbündel, gegenüber dem in Einzelimpulsen ausgesandten Licht, also dem ersten Teilbündel, eine heterodyne Dopplermessung durchzuführen. Diese erlaubt sowohl den Betrag als auch die Richtung des Windgeschwindigkeitsvektors zu bestimmen. Die für einen Fallwind charakteristische Richtungsumkehr des Windgeschwindigkeitsvektors innerhalb eines engen Raumbereiches ist so erkennbar.

Da allerdings die in der Praxis zu erwartenden Geschwindigkeitskomponenten in Flugrichtung stets kleiner als die Eigengeschwindigkeit des Flugzeugs sind, tritt bei der Auswertung der Messungen nur ein Vorzeichen auf. Dabei ist eine Beschränkung auf einen reinen Homodynempfang möglich. Zur Erkennung eines Fallwindsystems anhand einer Geschwindigkeitsumkehr muß dann die Eigenbewegung des Flugzeugs über Boden von den gemessenen Windgeschwindigkeiten abgezogen werden.

Wie weiter unten anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, ist die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens einfach aufzubauen und kann im Flugzeug installiert werden.

Durch Zwischenspeichern der erhaltenen Meßwerte und deren Weiterverarbeitung in den Pausen zwischen zwei Einzelimpulsen, ist eine quasi "On-line-Analyse" möglich.

Es zeigt sich, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Einrichtung die Bestimmung der Windgeschwindigkeit in radialer Richtung in eine Entfernung größer als 2 km, mit einer Ortsauflösung kleiner als 1 km unter Verwendung einer Sendeapertur kleiner 30 cm Durchmesser möglich ist. Durch die gleichzeitige Messung der Dopplerverschiebung und der Pulslaufzeit wird diese genaue Ortsauflösung über große Entfernungen ohne geometrische Fokussierung erreicht. Die Kopplung der kontinuierlichen Strahlung mit dem impulsgesteuerten Laserverstärker ermöglicht die für die Interferenz benötigten gleichen Strahlparameter zwischen der mit der rückgestreuten Strahlung zu überlagernden kontinuierlichen Strahlung und den ausgesandten Einzelimpulsen. Weiterhin ist eine Reduktion der benötigten elektrischen Bandbreite durch Eliminieren des durch die Eigengeschwindigkeit des Flugzeugs bedingten Frequenz-Offsets des Dopplerspektrums möglich.

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele für das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Einrichtung näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 in einem Prinzipschaltbild eine Einrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Erfassung von Turbulenzen in der Atmosphäre;

Fig. 2 eine graphische Darstellung eines möglichen Amplitudenverlaufs des auszuwertenden Signals am Detektor der Auswertevorrichtung in Abhängigkeit von der Zeit;

Fig. 3.1 und 3.2 jeweils Beispiele für Ergebnisse der Auswertung des Signals nach Fig. 2 in zwei verschiedenen Zeitabschnitten, wobei die Intensität der ermittelten Signalkomponente in Abhängigkeit von der Dopplerfrequenz angegeben ist.

Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung besitzt einen Dauerstrichlaser L, der ein die zur Überlagerung nötigen Strahlparameter aufweisendes Lichtbündel EB erzeugt, das auf einen ersten Strahlteiler ST1 gerichtet wird und an diesem Strahlteiler in zwei Teilbündel TB1 und TB2 aufgeteilt wird. Das erste Teilbündel TB1 gelangt über einen Umlenkspiegel M zu einem Laserverstärker V und von dort über einen zweiten Strahlteiler ST2 zu einem Teleskop T, von dem aus ein gegenüber dem erzeugten Bündel aufgeweiteten Lichtbündel AB in einer vorgegebenen Raumrichtung Ri in den zu untersuchenden Raumbereich MV ausgesandt wird. Im Laserverstärker V wird das erste Teilbündel TB1 verstärkt und angesteuert von einer Steuervorrichtung 1 aus in Einzelimpulsen abgegeben.

Das vom ersten Strahlteiler ST1 ausgehende zweite Teilbündel TB2 durchquert einen dritten Strahlteiler ST3 und gelangt auf einen Detektor 5, welcher Teil einer elektronischen Auswertevorrichtung ist, die außer dem Detektor 5 und der Steuervorrichtung 1 einen Analog/Digital-Wandler 4, eine Speicher-Vorrichtung 3 und eine Rechenvorrichtung 2 enthält. Das Ergebnis der Auswertung wird durch eine Anzeigevorrichtung 6 dargestellt.

Das vom zu untersuchenden Raumbereich MV rückgestrahlte Laserlicht gelangt über das Teleskop T sowie den zweiten Strahlteiler ST2 und den dritten Strahlteiler ST3 ebenfalls auf den Detektor 5.

Im folgenden wird der zeitliche Ablauf eines Meßzyklus anhand der Fig. 1 und 2 dargestellt.

Zum Zeitpunkt t0 wird der Laserverstärker V getriggert und ein Impulszug verläßt das Teleskop T. Von diesem Zeitpunkt t0 an empfängt der Detektor 5 die Überlagerung des über das zweite Teilbündel TB2 zugeführten kontinuierlichen Lichtsignals des Lasers L mit dem rückgestreuten und in das Bündel RB verwandelten Lichtes. Da der Detektor 5 den schnellen Schwingungen des Lichtes nicht folgen kann, werden nur Differenzfrequenzen aus den sich überlagerten Signalen in eine elektrische Spannung umgewandelt. Dieser Spannungsverlauf ist in Fig. 2 beispielsweise dargestellt. Dadurch, daß die aus dem zu untersuchenden Raumbereich zurückgestreuten Anteile aus verschiedenen Entfernungen stammen, erscheint der zum Zeitpunkt t0 einsetzende rückgestreute Impuls wegen der verschiedenen Laufzeiten der Signalanteile verbreitert. Zur Auswertung wird das am Detektor 5 sich ändernde Spannungssignal in einzelne Zeitfenster einer vorgegebenen Breite Δt aufgegliedert. Mit dieser Breite ist die Ausdehnung des jeweils erfaßten Meßvolumens aus dem Raumbereich in Strahlrichtung durch die Laufzeit des Lichtes festgelegt. Durch die Auswahl eines bestimmten Zeitfensters ist die Entfernung des Meßvolumens in Aussenderichtung Ri festgelegt. Es gilt hierbei R=c · t/2. Hierbei ist R die Entfernung, t die Laufzeit und c die Lichtgeschwindigkeit.

Durch eine Frequenzanalyse des in Fig. 2 dargestellten Spannungsverlaufs innerhalb eines Zeitfensters können die auftretenden Dopplerfrequenzen und damit die Windgeschwindigkeiten in dem dem betreffenden Zeitfenster zugeordneten Meßvolumen bestimmt werden.

Durch das Auswerten mehrerer aufeinanderfolgender Zeitfenster wird eine örtliche Auflösung der Meßreichweite in mehrere Meßvolumina erreicht.

Die Frequenzanalyse des in Fig. 2 dargestellten Signals kann mit Hilfe einer bekannten "Fast-Fourier-Transformation" erfolgen. Hierzu wird der in Fig. 2 dargestellte Spannungsverlauf eines Zeitfensters mit einer Frequenz, die einem Vielfachen der höchsten auftretenden Dopplerfrequenz entspricht, abgetastet, digitalisiert und gespeichert. Die Abtastung und Digitalisierung geschieht mittels eines Analog/Digital-Wandlers 4, der von der Steuervorrichtung 1 aus getaktet ist. Die Speicherung der erhaltenen Werte geschieht in einem RAM-Speicher 3, der ebenfalls von der Steuervorrichtung 1 angesteuert ist.

Es werden jeweils die in einem der Zeitfenster abgetasteten Werte in einem Rechner 2 nach der oben beschriebenen Transformation weiter verarbeitet. Die Weiterverarbeitung kann in den Pausen zwischen zwei ausgesendeten Impulsen geschehen. Die Auswertung ermittelt aus den digitalisierten Amplitudenwerten des Signals am Detektor 5 die dem Signalanteil eines Zeitfensters zugrunde liegenden Dopplerfrequenzen.

Das erhaltene Auswertesignal kann beispielsweise in zwei aufeinanderfolgenden Zeitfenstern, die in Fig. 2 mit Δt1 und Δt2 bezeichnet sind, durchaus sehr unterschiedlich sein, wie dies beispielsweise in Fig. 3.1 für das Zeitfenster Δt1 und Fig. 3.2 für das Zeitfenster Δt2 dargestellt ist. Es sind jeweils die Intensitäten in Abhängigkeit von der Dopplerfrequenz fD dargestellt. Die zugehörigen Windgeschwindigkeiten errechnen sich nach der Formel V=1/2 · fD · λ, wobei λ die Wellenlänge des Laserlichts ist.

Die Bandbreite des erhaltenen Spektrums an Dopplerfrequenzen wird durch die möglichen Flug- und Windgeschwindigkeiten bestimmt. Will man nicht nur die langsamen Lande- sondern auch die schnellen Reisegeschwindigkeiten berücksichtigen, läßt sich die erforderliche Bandbreite nicht mehr elektrisch verarbeiten.

Mit Hilfe einer von der Fluggeschwindigkeit abhängigen Frequenverschiebung zwischen dem kontinuierlichen Lichtsignal im zweiten Teilbündel TB2 und dem gepulsten Lichtsignal des schließlich ausgesendeten ersten Lichtbündels TB1, die der Dopplerverschiebung der Flugzeugeigenbewegung entspricht, läßt sich der durch diese Eigenbewegung entstehende Frequenzoffset eliminieren. Die Bandbreite wird dann allein durch den Bereich der unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten bestimmt.

Die Frequenzverschiebung kann bei der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung beispielsweise dadurch erreicht werden, daß in den Strahlengang des zweiten Teilbündels TB2 eine von der Steuervorrichtung 1 aus angesteuerte Vorrichtung zur Frequenzverschiebung des Lichtes beispielsweise eine Braggzelle eingeschaltet wird.

Hierbei erzeugt die Steuervorrichtung 1 ein von der Fluggeschwindigkeit abhängiges Ansteuersignal für die Vorrichtung FV.

Im folgenden werden anhand von zwei Zahlenbeispielen die Möglichkeiten der Messung mittels der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung illustriert.

Beispiel 1 (Landeanflug)

Auftretende Fluggeschwindigkeiten: 250-400 km/h,
Auftretende Windgeschwindigkeiten, über Boden: ±200 km/h,
Relativgeschwindigkeiten: 50-600 km/h,
Elektrische Bandbreite: 1,5-30 MHz,
Vorwarnzeit: 40 s,
Meßreichweite: 4,5 km.

Aus dem relativen Geschwindigkeitsbereich errechnet sich die oben angegebene Bandbreite. Die kleinste zu verarbeitende Frequenz von 1,5 MHz entspricht einer Schwingungsdauer von 660 ns, die sich mit Hilfe der Lichtgeschwindigkeit c in eine Strecke von 200 m umrechnen läßt. Innerhalb dieser Strecke kann man keine Geschwindigkeiten räumlich auflösen.

Beispiel 2 (Fliegen mit Reisegeschwindigkeit)

Auftretende Fluggeschwindigkeiten: 800-1000 km/h,
Auftretende Windgeschwindigkeiten, über Boden: ±200 km/h,
Relativgeschwindigkeiten: 600-1200 km/h,
Elektrische Bandbreite (ohne Offseteliminierung): 40-60 MHz,
Erforderliche max. Frequenzverschiebung für die Offseteliminierung: 38,5 MHz,
Elektrische Bandbreite (mit Offseteliminierung): 1,5-20 MHz.

Claims (7)

1. Verfahren zur Erfassung von Turbulenzen in der Atmosphäre durch Bestimmung der Windgeschwindigkeit in ausgewählten Raumbereichen, bei dem ein Laser-Lichtbündel vorgegebener Frequenz in einer vorgegebenen Meßrichtung in den ausgewählten Raumbereich ausgesandt wird und das aus dem Raumbereich rückgestreute Licht aufgefangen und mit dem ausgesandten Licht überlagert wird und die Dopplerverschiebung zwischen den Frequenzen des ausge­ sandten und des rückgestreuten Lichtes bestimmt und hieraus Richtungssinn und Betrag der Windgeschwindigkeit in Meßrichtung ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das kontinuierlich erzeugte Laser-Lichtbündel (EB) in zwei Teilbündel (TB1, TB2) zerlegt wird, wobei das erste Teilbündel (TB1) nach Verstärkung und Zerlegung in Einzelimpulse mit vorgegebener zeitlicher Länge und vorgegebenen Zeitabständen in den ausgewählten Raumbe­ reich (MV) ausgesandt wird und das aus dem Raumbereich (MV) rückgestreute Licht (RB) mit dem zweiten unveränderten Teilbündel (TB2) überlagert wird und die Doppler­ verschiebung jeweils innerhalb von Zeitabschnitten bestimmt wird, die einen vorgegebenen zeitlichen Abstand vom Aussendezeitpunkt eines Einzelimpulses und eine vor­ gegebene zeitliche Länge besitzen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Überlagerung des rückgestreuten Lichtes (RB) mit dem zweiten Teilbündel (TB2) die Frequenz des Lichtes im zweiten Teilbündel (TB2) um einen vorgegebenen Betrag verschoben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das aus der Überlagerung des zweiten Teilbündels (TB2) mit dem rückgestreuten Licht (RB) gewonnene Dopplersignal innerhalb jedes Zeitab­ schnittes einer Frequenzanalyse unterworfen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Amplitudenverlauf des Dopplersignals innerhalb jedes Zeitabschnitts abgetastet und digitalisiert wird, wobei die Abtastfrequenz einem Vielfachen der höchsten auftre­ tenden Dopplerfrequenz entspricht und die erhaltenen Amplitudenwerte gespeichert und jeweils nach Ablauf des betreffenden Zeitabschnitts einer Fourier-Analyse unter­ worfen werden.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Laser (L) zur Erzeugung eines kontinuierlichen Lichtbündels (EB), einer Vorrichtung (T) zur Aussendung des erzeugten Lichtbündels in einer vorgegebenen Raumrichtung, einer Vorrichtung (5) zum Empfang des erzeugten und des rückgestreuten Lichtes und einer elektronischen Auswertevorrichtung (1-6), dadurch gekennzeichnet, daß dem Laser (L) ein Strahlteiler (ST1) zur Erzeugung von zwei Teilbündeln (TB1, TB2) nachgeschaltet ist und im Strahlengang des ersten Teil­ bündels (TB1) ein mit Steuerimpulsen ansteuerbarer Laserverstärker (V) angeordnet ist, dem die Vorrichtung (T) zur Aussendung des erzeugten Lichtbügels (TB1) nachgeschaltet ist und daß die Vorrichtung (5) zum Empfang des erzeugten und rückgestreuten Lichts im Strahlengang des zweiten Teilbündels (TB2) und des rückgestreuten Lichtes (RB) angeordnet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang des zweiten Teilbündels (TB2) eine ansteuerbare Vorrichtung (FV) zur Frequenzverschiebung des Laserlichtes angeordnet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elektronische Auswertevorrichtung einen der Vorrichtung zum Empfang des erzeugten und des rückgestreuten Lichtes nachgeschalteten Analog/Digital- Wandler, einen Speicher und einen Rechner aufweist.