ES2298741T3 - Procedimiento para detectar velocidades del viento con un sistema dopple-lidar, en particular a bordo de aviones, y sistema doppler-lidar. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para detectar velocidades del viento con un sistema Doppler-Lidar (10), en el que se emite un rayo láser de longitud de onda prefijada hacia una región espacial (52a, 52b, 52c, 52d) y se recibe la luz retrodifundida desde la región espacial, en donde para determinar un desplazamiento Doppler se crea con un interferómetro (16) un interferograma (34) y se mide con un fotodetector (17) la distribución de intensidad del interferograma, caracterizado porque la distribución de intensidad se compara con una familia de modelos de referencia, que se han determinado anteriormente para parámetros definidos, que comprenden diferentes densidades y/o temperaturas de la atmósfera, en donde a partir de la comparación con la familia de diferentes modelos de referencia se establece el desplazamiento Doppler como medida de la velocidad del viento.

Description

Procedimiento para detectar velocidades del viento con un sistema Doppler-Lidar, en particular a bordo de aviones, y sistema Doppler-Lidar.

La presente invención se refiere a un procedimiento para detectar velocidades del viento con un sistema Doppler-Lidar conforme a la reivindicación 1 y un sistema Doppler-Lidar para detectar velocidades del viento, en especial a bordo de aviones, conforme a la reivindicación 13.

La detección de velocidades del viento y turbulencias en la atmósfera tiene una importancia considerable, en especial para el tráfico aéreo. De este modo pueden actuar p.ej. sobre un avión ráfagas dañinas, que conducen a elevadas cargas dinámicas de la estructura del avión. En muchos casos se producen incluso estados críticos del avión a causa de turbulencias del aire especialmente fuertes en la atmósfera, que en algunas situaciones extremas han conducido en el pasado incluso a accidentes. Aparte de esto los vientos térmicos y las turbulencias de aire actúan negativamente sobre la comodidad de vuela y conducen a un mayor consumo de carburante.

Por ello se intenta en la técnica aeronáutica medir vientos térmicos y turbulencias del aire y, a continuación, compensarlos con desviaciones del timón correspondientes, es decir, regularlos activamente. Sin embargo, no es adecuada una medición directa del movimiento del aire sobre el fuselaje del avión o sobre las superficies sustentadoras con sondas mecánicas, como por ejemplo captadores de aceleración o sensores de presión, ya que no resta tiempo suficiente para accionar los actuadores de las alas. Por ello es necesario medir el movimiento del aire con sensores delante del avión de forma previa en su trayectoria de vuelo, es decir, algunas fracciones de segundo antes de la cubra en vuelo.

Para regular activamente las turbulencias y los vientos térmicos se necesita, p.ej. en el caso de aviones de pasajeros, una distancia mínima de aproximadamente 50 - 200 m delante del avión. Adicionalmente se necesita una resolución de la velocidad de las partículas de aire en un orden de magnitudes de 1 m/s y de su situación delante del avión, con una resolución en un margen de extensión de ala de aproximadamente 5 - 10 m de profundidad. Para procedimientos de telemedición de este tipo entran en cuestión por ejemplo radares meteorológicos, anemómetros láser y Lidar.

En el caso de sistemas de radar meteorológico existe el problema de que para su medición de retrodispersión necesitan grandes partículas en suspensión de elevada densidad, como por ejemplo gotas de agua en nubes, y por ello sólo son adecuados para la alerta temprana de nubes de lluvia a una distancia mayor de hasta unos 10 kilómetros. Las perturbaciones del aire más frecuentes con buena visibilidad, como por ejemplo vientos térmicos y las llamadas "clear air turbulances" en la troposfera y jetstreams en la atmósfera, no pueden por el contrario ser detectadas por el radar meteorológico, ya que la longitud de onda de algunos centímetros (banda X) es relativamente larga en comparación con el tamaño de las partículas de aire.

Por ello se ha intentado utilizar anemómetros láser-doppler que se utilizan en la mecánica de circulación para diagnosticar corrientes de aire. Sin embargo, necesitan un enfoque agudo del rayo de medición láser, para generar señales de retrodispersión suficientemente intensas de aerosoles aislados y por tanto sólo pueden utilizarse para mediciones de corto alcance con una distancia máxima de algunos metros. Un sistema y un procedimiento de este tipo se describen p.ej. en el documento DE 40 13 702 C y en S. Damp, "Battery-driven Miniature LDA System with Semiconductor Laser Diode", en Application of Laser Anemometry to Fluid Mechanics, 4º Simposio Internacional, Lisboa, Portugal, 1989.

Para medir movimientos de partículas de aire mínimas de un volumen extendido a una mayor distancia se ha intentado por lo tanto usar los llamados procedimientos Doppler-Lidar, que se dividen en Lidar coherentes y no coherentes. En el caso del procedimiento aerosol-Lidar, sin embargo, sólo pueden detectarse partículas en suspensión o aerosoles con una distribución de frecuencia correspondientemente reducida de la señal de retrodispersión Doppler.

En el artículo "Tracking weathers flight path", en IEEE Spectrum, septiembre de 2000, páginas 38-45, se describe un sistema aerosol-Lidar para la indicación aproximada de zonas de viento o turbulencias. Los sistemas aerosol-Lidar de este tipo con láseres en el margen de longitudes de onda de infrarrojos de 2 \mum o 10 \mum ofrecen la ventaja de que son posibles mediciones en aerosoles más pequeños. A causa de su gran longitud de pulso y reducida frecuencia de pulsación, sin embargo, sólo pueden usarse para grandes distancias en un margen de 5-20 km y para grandes volúmenes de medición con longitudes de canto de 50-500 m. Por ello con estos sistemas no es posible una regulación mediante desviaciones del timón, sino sólo un vuelo a tiempo rodeando zonas de turbulencias de grandes dimensiones.

Por este motivo se ha intentado utilizar, además de la dispersión de aerosoles, también la retrodispersión con desplazamiento Doppler en moléculas de aire, para obtener una seguridad de medición suficientemente alta a todas las altitudes de vuelo y en cualquier condición meteorológica. En el artículo de D. Rees e I.S. McDermid, "Doppler lidar atmospheric wind sensor: reevaluation of a 355-nm incoherent Doppler lidar", Appl. Opt. Vol. 29, nº 28, págs. 4.133-4.144 (1990), se describe la medición del desplazamiento Doppler en sistemas Doppler-Lidar mediante interferómetros Fizeau o Fabry-Perot con recepción no coherente. En el caso de la medición espectral se distribuyen los fotones recibidos a través de un modelo de interferencia con un detector reproductor, analizador de posición entre varios canales de recepción, y precisamente en el interferómetro Fabry-Perot entre anillos de interferencia concéntricos y en el interferómetro Fizeau entre tiras de interferencias. Sin embargo, con ello se plantea el problema de que la detección de señales débiles se dificulta con relación a los ruidos de varios canales de recepción aislados.

En el caso de mediciones Doppler-Lidar existe por lo tanto el problema general de la menor intensidad de la retrodispersión tanto de moléculas como de aerosoles. Para mantener a pesar de ello reducida la potencia láser, que es necesaria para mediciones fiables, es necesario utilizar un fotodetector lo más sensible posible y al mismo tiempo suprimir de forma correspondientemente eficiente la influencia de ruidos a causa de radiación de fondo de la atmósfera y a causa de ruidos electrónicos en el detector y el amplificador.

En el artículo de 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 se describe un Doppler-Lidar con recepción directa y láseres UV, que es adecuado para medir vientos desde la superficie terrestre a diferentes altitudes. Con ello se mide el movimiento del viento desde una estación terrestre con ayuda de láseres en el margen UV con una potencia de salida de varios vatios y telescopios de recepción con un diámetro de algunas decenas de centímetros hasta algunos kilómetros de altitud en la atmósfera. Una integración de las señales de retrodispersión débiles a lo largo de varios segundos es aquí posible, ya que los vientos son estables a lo largo de tiempos más prolongados. Los sistemas y procedimientos de este tipo no son sin embargo adecuados para medir movimientos del aire desde un avión, ya que con este fin se necesitan sistemas bastante más compactos con láseres de menor potencia y ópticas de recepción más pequeñas. Asimismo la valoración de señales tiene que realizarse en tan solo unas decenas de milisegundos.

En el artículo de P.B. Hays y J.Wang "Image plane detector for Fabry-Perot interferometers: phisical model and improvement with anticoincidence detection", Appl. Opt. Vol. 30, nº 22, págs. 3.100-3.107 (1991) se muestra un procedimiento para registrar el movimiento de anillos de interferencias de un interferómetro Fabry-Perot con un detector diseñado especialmente para ello. Con ello se ha adaptado la geometría del detector al desarrollo de intensidad en el modelo de interferencia. Se utiliza un fotomultiplicador con un fotocátodo convencional, pero con estructura anódica especial, en donde se utilizan anillos anódicos concéntricos de diferente anchura, análogamente al desarrollo de intensidad radial en el interferograma. Si se reproduce el interferograma anular, concéntrico, sobre el fotocátodo del fotomultiplicador, se amplifican los fotoelectrones y llegan a los anillos fotoanódicos dispuestos concéntricamente. Sobre los anillos anódicos se produce después una reproducción de carga escalonada del modelo de interferencia. A partir del desplazamiento de las etapas de carga sobre los anillos anódicos puede determinarse después aproximadamente la posición del anillo de interferencia del interferómetro Fabry-Perot. Este procedimiento tiene sin embargo el inconveniente de que sólo es posible una exploración aproximada del interferograma. Asimismo se producen errores de medición, si no se reproduce el interferograma concéntricamente respecto a los anillos anódicos.

Para superar estos inconvenientes, J.Wu et al. describen en "Performance of a circle-to-line optical system for a Fabry-Perot-Interferometer: a laboratory study", Appl. Opt. Vol. 33 págs. 7.823-7.828 (1994) un receptor, en el que mediante una superficie interior vaporizada con aluminio de un cono se transforma una cuarta parte del interferograma circular del interferómetro Fabry-Perot en estructuras celulares y se reproduce en un detector lineal o un conjunto CCD. Sin embargo, este procedimiento tiene el inconveniente de que sólo se aprovecha una cuarta parte del interferograma y se producen deformaciones ópticas durante la reproducción, que conducen a errores de medición adicionales.

En C.L. Korb et al., "Edge technique Doppler lidar wind measurements with high vertical resolution", Appl. Opt. Vol. 36, 5.976-5.983 (1997) se describe un procedimiento para determinar el desplazamiento Doppler en Lidar molecular mediante detección de flancos. Con ello se ajusta con un filtro espectral de banda estrecha como el interferómetro Fabry-Perot del margen espectral de paso del filtro con relación a la línea de propagación Doppler de la retrodispersión del láser procedente de la atmósfera, de tal modo que sólo se deja pasar una parte del espectro por su flanco de intensidad. Los mínimos desplazamientos espectrales de la línea se registran después como variación de intensidad a lo largo del flanco con un detector monocanal, que después representan una medida del desplazamiento Doppler de todo el espectro.

En el caso de este procedimiento de la detección de flanco en Doppler-Lidar molecular existe el inconveniente, al igual que en la llamada "detección de borde", de que sólo se aprovecha una parte de la luz recibida y asimismo sólo se tiene en cuenta una pequeña parte de la información espectral disponible en la luz de recepción para establecer el desplazamiento Doppler. Aparte de esto se producen costes elevados, ya que es necesario usar fotorreceptores especiales y muy caros.

En 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, págs. 1.145-1.155 (2002) se describe un sistema Doppler-Lidar que comprende un detector CCD. Mediante el uso de un dispositivo de conversión que transforma modelos de interferencia circulares de un etalon Fabry-Perot en modelos en forma de tira, puede utilizarse este dispositivo lineal. Por medio de esto se pretende medir vientos mediante retrodispersión en aerosoles y moléculas. Los anillos circulares que son emitidos por el etalon Fabry-Perot, se transforman mediante un cono reflectante en una serie lineal de tiras. Sin embargo, también este sistema y este procedimiento tienen el inconveniente de que, a causa del convertidor, se producen fallos ópticos y se requiere una gran complejidad.

La misión de la presente invención es indicar un procedimiento para medir velocidades del viento con un sistema Doppler-Lidar, que sea adecuado para una regulación de vuelo subsiguiente para regular turbulencias o vientos térmicos en el campo de la aeronáutica y garantice una elevada seguridad de medición. Asimismo se pretende indicar un sistema Doppler-Lidar con el que puedan detectarse vientos térmicos y turbulencias con elevada precisión, de tal modo que sea posible una regulación de turbulencias o vientos térmicos en el avión.

Esta misión es resuelta mediante el procedimiento para detectar velocidades del viento conforme a la reivindicación 1 y mediante el sistema Doppler-Lidar para detectar velocidades del viento, en especial a bordo de aviones conforme a la reivindicación 13. Se deducen particularidades, aspectos y detalles ventajosos de las reivindicaciones subordinadas, de la descripción y de los dibujos.

En el caso del procedimiento conforme a la invención para detectar velocidades del viento con un sistema Doppler-Lidar se emite un rayo láser de frecuencia prefijada hacia una región espacial y se recibe la luz retrodifundida desde la región espacial, en donde para determinar un desplazamiento Doppler se crea con un interferómetro un interferograma y se mide con un fotodetector la distribución de intensidad del interferograma con uno o más modelos de referencia, que se han determinado anteriormente para parámetros definidos, y a partir de la comparación de establece el desplazamiento Doppler como medida de la velocidad del viento.

El procedimiento conforme a la invención garantiza una seguridad de medición suficientemente elevada para regulación de vuelo a todas las altitudes de vuelo y en cualquier situación meteorológica, ya que además de la retrodispersión de la luz en aerosoles, se establece también la retrodispersión con desplazamiento Doppler en moléculas de aire con elevada precisión y se utiliza para medir el aire. Debido a que la densidad de las moléculas de aire sólo varía como máximo en un factor 5 a las altitudes de vuelo normales de hasta 40.000 pies, los modelos de referencia o las señales de medición esperadas son muy fiables y pueden establecerse de forma estable para cada altitud de vuelo en todas las regiones de la tierra. Mediante la invención se mejora el procedimiento de recepción y valoración durante mediciones Doppler, de tal modo que en el caso de una potencia de emisión reducida del láser es posible una seguridad de medición suficientemente alta para la regulación de vuelo en las condiciones atmosféricas más diferentes. De este modo pueden establecerse vientos térmicos y ráfagas con un sistema compacto a distancias de medición de por ejemplo 50-200 m desde el avión, con el uso de la recepción directa no coherente, para hacer posible una regulación mediante control del avión.

Mediante la invención se eliminan los inconvenientes descritos anteriormente del estado de la técnica, ya que la luz que se hace pasar por el interferómetro puede aprovecharse por completo y además puede utilizarse toda la información, que está contenida en la distribución geométrica de la intensidad luminosa en el plano de la reproducción del interferómetro, para registrar el desplazamiento Doppler. Con ello se diseña el procedimiento utilizado, de tal manera que sea lo más insensible posible a los ruidos de señal y a las aberraciones y perturbaciones ópticas en el interferómetro. Asimismo pueden obtenerse convencionalmente las partes utilizadas del fotorreceptor elegido.

Para hacer posible la retrodispersión de la luz láser en la mezcla formada por moléculas y aerosoles y adicionalmente también de gotitas de agua condensadas en las nubes, se utiliza con preferencia luz láser de onda corta, en especial en el margen UV. De este modo pueden detectarse todos los estados de la atmósfera.

Con ello se tiene en cuenta que el aumento de la intensidad de las señales de retrodispersión en moléculas de aire se produce proporcionalmente a \lambda^{-4}, en donde \lambda designa la longitud de onda del rayo láser. Por ello se utilizan longitudes de onda láser lo más cortas posible, que con preferencia están situadas en el margen UV. Por medio de esto se obtienen además las ventajas adicionales de que puede conseguirse también una duración de impulso corta, por ejemplo < 10 ns, y una elevada frecuencia de repetición de impulsos, por ejemplo > 100 Hz, con láseres comerciales como p.ej. láseres de Nd-YAG de triple o cuádruple frecuencia con 0,355 \mum o 0,266 \mum, de tal modo que se obtiene una resolución de situación suficientemente elevada. Se dispone de una transmisión atmosférica suficiente hasta un límite inferior en el margen UV de aproximadamente 0,230 \mum para mediciones lejanas de hasta algunos cientos de metros a todas las altitudes de vuelo.

Mediante la invención se resuelve en especial también el problema de la propagación espectral de la retrodispersión láser en moléculas, a causa de choques y de movimiento térmico de las moléculas. Esta propagación puede ser por ejemplo mayor en un factor 10-100 que el mínimo desplazamiento de frecuencia Doppler en turbulencias del aire, que se pretende detectar. Esta propagación de la señal de frecuencia en un mayor margen espectral ha dificultado hasta ahora la detección del desplazamiento Doppler en el ruido espectral uniformemente distribuido, de tal modo que no eran posibles mediciones suficientemente precisas. Mediante la invención puede establecerse con precisión el desplazamiento Doppler a pesar de la propagación espectral.

En el caso de la invención se diseña en especial la trayectoria óptica de los rayos del Lidar de tal modo, que todo el modelo de interferencia o el interferograma se reproduce sobre un conjunto detector bidimensional directamente, es decir sin conversión, escalado o ajuste de posición. Al mismo tiempo se utilizan para la valoración de señal p.ej. todos los conocimientos previos sobre la distribución local a esperar de las señales ópticas de recepción sobre la superficie de detector, para establecer el desplazamiento Doppler.

La invención se basa en el reconocimiento de que la forma y la propagación del espectro de retrodispersión molecular, en el caso de una frecuencia láser de banda estrecha que es mono-modo, representan una línea espectral bien definida, cuyo desarrollo de intensidad puede precalcularse dependiendo de la densidad atmosférica y temperatura, es decir, de la altitud de medición del avión sobre el nivel del mar. Con el conocimiento adicional de la función de transferencia del interferómetro, que también puede calcularse o medirse con una precisión suficiente, pueden en especial determinarse los perfiles esperados de la distribución de intensidad en el plano fotodetector del interferómetro para cada densidad y temperatura y archivarse, como valores de desarrollo, en una "tabla de consulta" por ejemplo bidimensional. Mediante la comparación de estos perfiles espectrales modelados con los espectros medidos realmente y las desviaciones con ello fijadas, puede determinarse el desplazamiento lineal Doppler dependiendo de la velocidad del aire para cada altura de vuelo en tiempo real.

En el caso del procedimiento conforme a la invención del interferograma anular de un interferómetro Fabry-Perot se reproduce ventajosamente sobre el fotodetector bidimensional. Por medio de esto se obtiene una reproducción sobre el fotorreceptor superficial sin conversión óptica y sin oscurecimiento. De este modo puede aprovecharse por completo por ejemplo la señal láser dispersada, con desplazamiento Doppler, de un avión procedente desde la atmósfera al sistema Doppler-Lidar con el interferómetro Fabry-Perot, de tal modo que no se produce una pérdida de información a causa de la conversión óptica.

Los modelos de referencia contienen con preferencia como parámetros diferentes densidades y/o temperaturas de la atmósfera. Por medio de esto se dispone de modelos de referencia, para diferentes condiciones atmosféricas que reinan p.ej. a diferentes altitudes, de los que se elige aquel modelo de referencia que tenga la mínima desviación con relación al interferograma recogido. Para el cálculo de parámetros puede aprovecharse toda la distribución de intensidad teóricamente a esperar, que se ha obtenido previamente de un cálculo con modelos. Con ello el cálculo con modelos abarca el modelado del rayo láser terminal, el modelado de la distribución de velocidad de moléculas y el modelado de la función de transferencia de interferómetro. Del interferograma recogido de la cámara CCD amplificada, que se presenta por ejemplo en forma de imágenes de medio tono bidimensionales, puede llevarse a cabo mediante la comparación con la familia de modelos de referencia tanto una determinación de la velocidad del aire en la región espacial a medir como una determinación de diferentes parámetros atmosféricos, como por ejemplo la temperatura del volumen de medición o la presión del volumen de medición.

Al menos un modelo de referencia contiene de este modo por ejemplo la velocidad de la atmósfera con relación al sistema Doppler-Lidar como parámetro.

A partir de varias mediciones consecutivas se establece ventajosamente la variación de la velocidad de la atmósfera con relación al sistema Doppler-Lidar. A partir de las rápidas variaciones en comparación con la velocidad de vuelo, que son causadas por turbulencias o vientos térmicos, puede establecerse después la velocidad del aire en la región espacial situada delante del avión.

El rayo láser está preferiblemente pulsado y en cada caso se utiliza una parte de un impulso láser para fijar un punto de referencia temporal. Mediante la duración de la parte restante del impulso láser puede fijarse la distancia a la región espacial que retrodispersa.

Con preferencia se recibe y registra una parte del rayo láser directamente, es decir sin retrodispersión en la atmósfera, en donde a partir de la distribución de intensidad puede determinarse una función de transferencia de los componentes ópticos del sistema o incluso llevarse a cabo una calibración.

Con preferencia se establece a partir del modelo de referencia, con la mínima desviación con relación al interferograma medido, la densidad y/o la temperatura de la región espacial.

El procedimiento conforme a la invención se lleva a cabo ventajosamente a bordo de un sistema móvil, por ejemplo a bordo de un avión, helicóptero o de otra aeronave, del mismo modo que también puede usarse a bordo de un barco o sobre el terreno.

La distribución de intensidad esperada del modelo de referencia puede calcularse asimismo a partir de parámetros atmosféricos medidos y/o parámetros de vuelo de una aeronave, o el modelo de referencia archivado con la mínima desviación con relación al interferograma registrado puede adaptarse ulteriormente mediante parámetros medidos.

El rayo láser se emite ventajosamente en diferentes direcciones, para determinar el vector de velocidad del viento, es decir el importe y la dirección de la velocidad del viento en la región espacial a medir.

Conforme a otro aspecto de la invención se crea un sistema Doppler-Lidar para detectar velocidades del viento, en especial a bordo de aviones, con un dispositivo emisor para emitir un rayo láser, un dispositivo receptor para recibir el rayo láser retrodispersado en la atmósfera, un interferómetro para crear un interferograma a partir del rayo láser retrodispersado, un fotodetector para determinar la distribución de intensidad del interferograma, y una unidad de valoración para determinar el desplazamiento Doppler como medida de la velocidad del viento de la atmósfera, en donde el interferograma se reproduce directamente sobre el fotodetector, y la unidad de valoración comprende una memoria con uno o varios modelos de referencia, que son válidos para parámetros atmosféricos definidos anteriormente, y una unidad comparativa para comparar el interferograma reproducido con los modelos de referencia, para establecer la velocidad del viento a partir de la comparación.

Con el sistema Doppler-Lidar conforme a la invención es posible determinar con elevada precisión la velocidad del viento o las turbulencias delante de un avión, de tal modo que al volar a través de la región espacial a medir puede realizarse una regulación mediante el control de flaps correspondiente. Por medio de esto la invención contribuye por un lado a la seguridad en vuelo y, por otro lado, se mejora notablemente la comodidad del vuelo y se produce además una reducción de los costes de carburante.

El fotodetector es ventajosamente un fotodetector bidimensional, que comprende un amplificador de imagen y un conjunto CCD o CMOS. Por medio de esto se obtienen costes reducidos, ya que el fotodetector puede obtenerse de forma comercial y convencional.

Entre el dispositivo emisor y el dispositivo receptor se ha previsto con preferencia una trayectoria de transferencia para una parte del rayo láser, para registrar el rayo láser directamente en el dispositivo receptor. Por ejemplo está previsto un cable de fibra de vidrio que acopla el rayo láser del dispositivo emisor, derivado mediante un divisor de rayo, a un telescopio receptor del dispositivo receptor. Por medio de esto es posible registrar directamente el rayo láser emitido y, de este modo, determinar la función de transmisión del dispositivo receptor con los componentes disponibles en el mismo. Asimismo puede llevarse a cabo de cuando en cuando una calibración del dispositivo
receptor.

Asimismo el rayo láser guiado directamente hacia el dispositivo receptor puede utilizarse como referencia temporal, para definir la duración del rayo láser emitido y retrodispersado. Por medio de esto puede fijarse la distancia de medición, es decir, la distancia a la región espacial en la que se establece la velocidad del viento.

El interferómetro es con preferencia un interferómetro Fabry-Perot. El interferómetro es con preferencia anular y comprende anillos concéntricos de la distribución de intensidad.

El láser genera ventajosamente rayos láser pulsados en el margen UV. Por medio de esto es posible medir con mucha precisión la retrodispersión en moléculas de aire y establecer el desplazamiento Doppler.

El sistema Doppler-Lidar comprende con preferencia sistemas de compuerta con programación de campo para calcular el modelo de referencia. Por medio de esto puede realizarse un cálculo rápido en tiempo real.

La unidad de valoración comprende ventajosamente un módulo para determinar la función de transferencia de las piezas constructivas del dispositivo receptor.

El sistema Doppler-Lidar conforme a la invención está configurado con componentes correspondientes para llevar a cabo el procedimiento conforme a la invención.

Las ventajas y propiedades que se describen con relación al procedimiento conforme a la invención son también válidas para el sistema Doppler-Lidar conforme a la invención, al igual que las ventajas y propiedades que son válidas para el sistema Doppler-Lidar velen también para el procedimiento conforme a la invención.

A continuación se describe la invención a modo de ejemplo con base en los dibujos, en los que

la fig. 1 muestra una representación esquemática de un sistema Doppler-Lidar conforme a una forma de ejecución preferida de la invención;

la fig. 2, esquemáticamente, una reproducción de un interferograma sobre el fotorreceptor del sistema representado en la fig. 1;

la fig. 3 muestra un interferograma bidimensional normal con un número de fotones relativamente reducido; y

la fig. 4 muestra esquemáticamente una medición de la velocidad del viento con el sistema Doppler-Lidar conforme a la invención.

La fig. 1 muestra un sistema Doppler-Lidar 10 como forma de ejecución preferido de la invención. Un láser 11 sirve para generar un rayo láser pulsado y está acoplado ópticamente a un telescopio emisor 12, que sirve para emitir un rayo láser en una dirección prefijada en la atmósfera. El láser 11 y el telescopio emisor 12 forman de este modo un dispositivo emisor para emitir el rayo láser. Para recibir el rayo láser retrodispersado en la atmósfera se utiliza un dispositivo receptor en forma de un telescopio receptor 13. A través de una fibra conductora de luz 14 y una unidad de filtrado 15 se alimenta el rayo láser recibido a un interferómetro 16, que en esta forma de ejecución preferida es un interferómetro Fabry-Perot.

Un fotodetector 17 sirve para determinar la distribución de intensidad de un interferograma, que es creado por el interferómetro 16 a partir del rayo láser alimentado. Con ello el fotodetector 17 está dispuesto de tal modo con relación al interferómetro 16, que el interferograma p.ej. anular se reproduce directamente sobre el fotodetector 17.

La salida del fotodetector 17 está acoplada eléctricamente a una unidad de valoración 18, que comprende una memoria 18a y una unidad comparativa 18b en forma de un microprocesador. En la memoria 18a se han archivado uno o varios modelos de referencia para interferogramas, que son válidos para parámetros atmosféricos definidos y dado el caso para otros adicionales. La unidad comparativa 17b sirve para comparar el interferograma reproducido sobre el fotorreceptor 17 con uno o varios modelos de referencia y, a partir de la comparación, establecer la velocidad del viento. Para adaptar, calcular o modificar el modelo de referencia pueden alimentarse a la unidad comparativa 18b parámetros adicionales como datos de entrada 22.

Entre el láser 11 y el telescopio emisor 12 está conectado un divisor de rayo 19, que sirve para derivar una parte del rayo láser generado por el láser 11 y alimentarla al telescopio receptor 13, a través de una trayectoria de transferencia 20 en forma de una fibra conductora de luz o una fibra de medición de referencia. Por medio de esto entra en funcionamiento una pequeña parte de la radiación entregada por el láser 11, a través de la trayectoria de transferencia 20, hasta el telescopio receptor 13 y sirve para determinar el momento de inicio de la duración del rayo láser, emitido y retrodispersado en la atmósfera a una distancia definida. Por medio de esto se define mediante la fijación del momento de la recepción la distancia a la que se desea medir la velocidad del viento.

Asimismo puede determinarse a través del rayo láser alimentado directamente desde el dispositivo emisor la función de transferencia del sistema receptor óptico con sus diferentes componentes, como p.ej. fibra 14, filtro 15 e interferómetro 16. Con ello se alimenta al interferómetro 16 el rayo láser alimentado directamente y, a continuación, se reproduce sobre el fotodetector 17 el interferograma que con ello se produce.

El telescopio receptor 13 sirve para recoger la luz retrodispersada desde el volumen de medición, que es una región espacial definida. A través de la fibra 14 en forma de una fibra de vidrio se paraleliza esta luz mediante una lente óptica 21 y se transmite al filtro 15. El filtro 15 sirve para filtrar el rayo láser retrodispersado desde la atmósfera, desde la radiación secundaria del sol.

A la trayectoria del rayo se conecta después del filtro 15 el interferómetro 16, que forma un interferograma a partir de la luz alimentada. El interferómetro 16 puede ser, aparte de un interferómetro Fabry-Perot, por ejemplo también un interferómetro Fizeau.

El modelo creado por el interferómetro se compone de círculos concéntricos en el caso del interferómetro Fabry-Perot, en donde la distribución de intensidad en el modelo y la distancia de los círculos al centro depende de la longitud de onda de la luz alimentada, desde el espectro del láser, del desplazamiento Doppler, de la propagación Doppler en la atmósfera y de la función de transferencia de los componentes del canal de recepción.

El interferograma creado contiene todas las informaciones medidas sobre la atmósfera y se reproduce sin conversión o supresión óptica, y sin centrado, como un todo sobre el plano detector del fotodetector superficial 17 con su estructura de pixels bidimensional.

La figura 2 muestra una distribución de intensidad normal reproducida por el fotorreceptor o el fotodetector 17 en un interferograma 34. A causa de la estructura de pixels discreta y de las señales receptoras óptica normalmente débiles se obtiene una imagen de intensidad bidimensional escalonada, que se alimenta a la unidad comparativa 18b materializada mediante un microprocesador.

La figura 3 sirve para ilustrar mejor el interferograma 34 bidimensional normal con un número de fotones relativamente bajo. Allí se muestra la distribución de intensidad de los anillos concéntricos en forma de graduaciones de medio tono. En la unidad comparativa 18b (véase la fig. 1) se compara este perfil de intensidad o modelo de intensidad con modelos de referencia, que se presentan en la unidad de memoria 18a en forma de tablas de consulta. Durante la valoración el microprocesador busca entre una o varias tablas de consulta aquel modelo de distribución de intensidad que sea más próximo al medido. De esta comparación se obtiene el valor buscado del desplazamiento Doppler, que es un parámetro del modelo archivado, y derivado de ello la velocidad de las partículas de aire en el volumen de medición.

El modelo de referencia o la familia de modelos de referencia pueden generarse de diferentes formas. Por ejemplo pueden crearse para diferentes temperaturas de la atmósfera y diferentes velocidades del aire, con relación al sistema de medición, diferentes modelos de referencia y almacenarse en las tablas de consulta. Asimismo se usan la presión y la función instrumental como parámetros para determinar el modelo de referencia. Es igualmente posible fijar uno o varios de estos parámetros durante el funcionamiento de medición mediante sensores y adaptar, a causa de los valores actuales, los modelos de referencia archivados. Los parámetros actuales establecidos por los sensores adicionales pueden alimentarse después en forma de datos de entrada 22 a la unidad comparativa 18b (véase la fig. 1).

Es decir, en los modelos de interferencia están contenidos los diferentes parámetros que influyen en el interferograma medido, de tal modo que los modelos de referencia son válidos para diferentes altitudes, temperaturas, velocidades del avión y también diferentes funciones instrumentales. Con ello la función instrumental puede medirse o calcularse.

Para medir la función de transferencia del sistema receptor se dirige una parte de la radiación del láser directamente al telescopio receptor 13. La función de transferencia puede establecerse después en los tiempos intermedios entre la medición de la luz láser retrodispersada de la atmósfera y tenerse en cuenta para la ulterior valoración.

Durante la valoración se comparan fundamentalmente las distribuciones de intensidad de los modelos de referencia con la distribución de intensidad del interferograma medido. El espectro de la luz retrodispersada desde la atmósfera contiene una propagación por choques de las moléculas así como una propagación térmica, que depende de la respectiva temperatura. Mediante el desplazamiento Doppler se desplaza el centro de gravedad del espectro. Como se ha citado anteriormente actúa también la función instrumental, es decir la función de transferencia de los componentes ópticos del receptor, sobre el espectro establecido. En los modelos de referencia se tienen en cuenta todos estos factores.

La medición del desplazamiento Doppler se produce con una determinada frecuencia de medición, que puede fijarse libremente. Entre la irradiación del impulso emisor hasta la recepción de la luz láser retrodispersada desde el volumen de medición en la atmósfera transcurre un intervalo de tiempo, en el que se mide con el fotodetector 17 el impulso emisor, que se alimenta directamente al telescopio receptor 13 a través de la trayectoria de transferencia 20. La distribución de intensidad en este interferograma es el plegado del espectro del láser utilizado y de la función de transferencia de todas las piezas constructivas del sistema receptor, como por ejemplo telescopio receptor 13, fibra de vidrio o fibra 14, lente 21, filtro 15 e interferómetro 16. Esta distribución de intensidad se utiliza durante la medición para completar las tablas de consulta y/o para vigilar los ajustes de todo el sistema, en especial para calibrar.

Durante la medición de la velocidad del viento dentro de una región espacial distanciada del sistema de medición con el sistema Doppler-Lidar 10 mostrado en la fig. 1 se hace funcionar el láser 11 con una duración de impulso normal de 10 ns, lo que se corresponde con una longitud de impulso de 1,5 m. El dispositivo receptor se ajusta con ello de tal modo que la señal de retrodispersión se recibe después de una duración de impulso fija desde una distancia fija, por ejemplo 100 m. Como referencia de tiempo se usa con ello el momento del paso de la radiación láser pulsada a través de la apertura del telescopio emisor 12. Este momento se establece por medio de que una parte de la radiación se alimenta, a través de la trayectoria de transferencia 20 configurada como fibra de vidrio, directamente al telescopio receptor 13, es decir sin el recorrido a través de la atmósfera.

Aparte de este momento o activador, que se registra mediante el fotodetector 17, puede registrarse y archivarse también la distribución de intensidad espectral del rayo láser alimentado directamente, en el plano de reproducción del interferómetro 16, sobre el fotodetector 17. Por medio de esto se obtiene la función de transferencia F_{O} de todos los componentes ópticos como:

(1)F_{O} = f_{La}\diameter f_{Fi}\diameter f_{Fa}\diameter f_{IF},

en donde \diameter designa el operador de plegado y f_{La}, f_{Fi}, f_{Fa} y f_{IF} representan las funciones de transferencia de los componentes ópticos láser, filtro, fibra e interferómetro.

Debido a que esta función es la función instrumental inherente y sólo se modifica raramente, es decir, sólo en caso de desajuste y degradación del sistema, no es necesario que se archive con cada impulso del láser, sino que puede medirse nuevamente cada vez para el auto-calibrado inicial y para vigilar el sistema. Si el sistema de medición es suficientemente estable, existe también la posibilidad de establecer la función instrumental puramente mediante cálculo y tenerla en cuenta para valoraciones ulteriores. La valoración de estas pruebas puede utilizarse para el cálculo en apoyo de los datos.

La luz del impulso láser retrodispersada en un momento posterior por el volumen de medición en la atmósfera es recogida por el telescopio receptor 13 y, siguiendo el mismo recorrido que anteriormente, la luz láser alimentada directamente se alimenta al fotorreceptor o al fotodetector 17 a través del telescopio receptor 13, de la lente 21, del filtro 14, de la fibra 15 y del interferómetro 16.

La luz láser retrodispersada desde la atmósfera se propaga espectralmente y es desplazada espectralmente mediante el efecto Doppler a partir de la velocidad relativa del avión a través del aire y el movimiento propio de la masa de aire. Después de pasar a través del telescopio receptor 13 se pliega todavía con la función de transferencia de la óptica F_{O} y representa después la función F medida total:

(2)F = F_{D}\diameter F_{O}

El desarrollo de intensidad medido se compara con el campo bidimensional archivado de posibles desarrollos de intensidad, dependiendo de los parámetros atmosféricos densidad y temperatura. El desarrollo de intensidad con la mínima diferencia entre medición y cálculo se utiliza en una valoración basada en modelos, o se mejora mediante una interpolación o adaptación de parámetros correspondiente. A partir de este desarrollo de intensidad puede obtenerse a continuación la función Doppler F_{D} mediante despliegue por cálculo. De la anchura y del desarrollo de la función Doppler pueden obtenerse a continuación adicionalmente la densidad y la temperatura del aire a altitudes de vuelo correspondientes.

Por otro lado existe también la posibilidad de calcular con antelación, a partir de los valore conocidos densidad del aire y temperatura del aire que se miden con otros instrumentos de medición del avión, el desarrollo esperado de la función Doppler y de obtener el desplazamiento Doppler por cálculo, a partir del desplazamiento medido de los interferogramas 34, con el conocimiento adicional de la función instrumental. A partir del desplazamiento Doppler y de la orientación del eje de medición desde el avión puede calcularse después la velocidad del avión con relación a la masa de aire y el movimiento interno de la masa del aire.

Después de la reproducción directa del interferograma como un todo y sin conversión o supresión óptica sobre el detector superficial, p.ej. un conjunto CCD o conjunto CMOS, se produce una amplificación luminosa con la utilización de una placa multi-canal, que forma un amplificador de imagen 17a y está prevista entre el plano de reproducción del interferómetro 16 y el fotodetector superficial 17.

A continuación se comparan los interferogramas con los cálculos paramétricos y/o las informaciones archivadas sobre el desarrollo de intensidad esperado con el interferómetro utilizado, de la temperatura del aire y densidad con ayuda de microprocesadores que calculan en paralelo, como p.ej. sistemas de compuerta programables por campo (FPGA). Los valores de referencia de la función de interferograma se archivan para diferentes juegos de parámetros, en especial longitud de onda láser \lambda, densidad atmosférica \rho y temperatura del aire T, para reducir la complejidad de cálculo. Por medio de esto pueden aprovecharse todas las informaciones disponibles en el propio sistema, así como las informaciones disponibles en cada avión sobre densidad del aire, temperatura y velocidad propia con relación a la masa del aire.

La fig. 4 muestra esquemáticamente una medición de velocidad del aire con el sistema Doppler-Lidar conforme a la invención a bordo de un avión 50. Con ello se envían diferentes rayos de medición 51 en diferentes direcciones, para explorar el espacio aéreo delante del avión 50. Los rayos láser retrodispersados desde diferentes regiones espaciales 52a, 52b, 52c, 52d en aerosoles y moléculas se registran y analizan como se ha descrito anteriormente, de tal modo que se establecen las velocidades del viento en la respectiva dirección de medición en la respectiva región espacial. Con ello la distancia D entre las regiones espaciales 52a - d y el avión 50 es por ejemplo de 100 m. La división del rayo de medición en la multitud de rayos de medición 51 puede realizarse p.ej. con un escáner colocado delante, en donde se explora simultánea o consecutivamente en diferentes direcciones del espacio aéreo delante del avión 50. Las regiones espaciales 52a - d tienen por ejemplo una extensión en dirección de medición de aproximadamente 10 m.

Mediante proyección en las diferentes direcciones puede determinarse el vector de velocidad del aire a partir de los resultados de medición aislados. El tratamiento de los componentes de velocidad Doppler medidos en la respectiva dirección de rayo emisor láser para formar un vector de velocidad estimado se realiza por ejemplo mediante un sistema de ecuaciones redundante con al menos cuatro mediciones aisladas en cuatro mediciones de medición, en donde se tienen en cuenta factores de ponderación para reducir el importe de mediciones anteriores. Al cálculo de la velocidad de v_{n} a partir de la secuencia de medición m_{1}, m_{2}, m_{3}, m_{4},..., m_{k} le sigue el cálculo de la velocidad v_{n+1} a partir de la secuencia de medición m_{2}, m_{3}, m_{4}, m_{5},..., m_{k+1}.

La invención hace posible una medición precisa del vector de medición del viento lejos de un avión, en tiempo real, con ayuda de la medición interferómetrica del desplazamiento lineal Doppler de rayos láser pulsados, retrodispersados a moléculas de aire y aerosoles. A causa de la disposición conforme a la invención y del procedimiento de valoración conforme a la invención se consigue un gran alcance, es decir, durante la valoración sólo se necesitan intensidades de retrodispersión reducidas.

La medición de ráfagas en tiempo real lejos del avión, por ejemplo a una distancia que se corresponde con 0,5 s de tiempo de vuelo, permite maniobras de control y ajuste específicas para reducir acciones de ráfagas dañinas sobre el avión. Para sistemas con menor alcance, por ejemplo para medir el vector de velocidad de corriente de ataque, son posibles dimensiones de instalación todavía más reducidas.

La medición puede realizarse desde plataformas de medición móviles, por ejemplo desde aviones, helicópteros, globos, satélites o barcos, o incluso desde estaciones de medición terrestres.

Para ajustar la distancia de medición se fija una ventana de tiempo durante la recogida de datos de medición, que se sincroniza con la pulsación de rayos láser.

El tratamiento de datos de medición puede realizarse en tiempo real, en donde los valores o modelos de referencia se calculan en paralelo mediante el uso de conjuntos programables por campo. De aquí pueden determinarse los parámetros óptimos para la longitud de onda \lambda y la temperatura T del volumen de medición. Para reducir la complejidad de cálculo pueden archivarse los modelos de referencia, que representan los valores de referencia de la función de interferograma, para diferentes juegos de parámetros \lambda y T. Aparte de los accesos a la memoria sólo se necesitan adición y formación de importe para números enteros, positivos, para calcular los valores de referencia, con lo que la necesidad de superficie de las unidades de cálculo locales se mantiene muy reducida en el sistema de compuerta programable por campo.

Para la comparación del interferograma de la radiación láser retrodispersada desde la atmósfera con la familia de modelos de referencia se lleva a cabo, durante la valoración, una determinación de la longitud de onda \lambda y de la temperatura de volumen de medición T. Para el cálculo de parámetros se aprovecha la distribución de intensidad completa, a esperar teóricamente, que se ha obtenido previamente de un cálculo con modelos. Con ello el cálculo con modelos comprende el modelado del rayo láser, el modelado de la distribución de velocidad molecular y el modelado de la función de transferencia de interferómetro.

Aparte de la detección de ráfagas o turbulencias del aire el Doppler-Lidar conforme a la invención y el procedimiento conforme a la invención para detectar velocidades del viento también pueden utilizarse para aplicaciones y usos sobre el terreno, por ejemplo para detectar vientos térmicos en aeropuertos o para medir perfiles de viento en dirección vertical a través de la atmósfera.

Claims (20)

1. Procedimiento para detectar velocidades del viento con un sistema Doppler-Lidar (10), en el que se emite un rayo láser de longitud de onda prefijada hacia una región espacial (52a, 52b, 52c, 52d) y se recibe la luz retrodifundida desde la región espacial, en donde para determinar un desplazamiento Doppler se crea con un interferómetro (16) un interferograma (34) y se mide con un fotodetector (17) la distribución de intensidad del interferograma, caracterizado porque la distribución de intensidad se compara con una familia de modelos de referencia, que se han determinado anteriormente para parámetros definidos, que comprenden diferentes densidades y/o temperaturas de la atmósfera, en donde a partir de la comparación con la familia de diferentes modelos de referencia se establece el desplazamiento Doppler como medida de la velocidad del viento.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el interferograma (34) es anular y se reproduce directamente sobre el fotodetector (17) bidimensional.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el interferograma tiene forma de tira y se reproduce directamente sobre el fotodetector bidimensional.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se utiliza el modelo de referencia con la mínima desviación con relación al interferograma (34) medido para determinar el desplazamiento Doppler.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el modelo de referencia contiene la velocidad de la atmósfera con relación al sistema Doppler-Lidar (10) como parámetro.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque a partir de varias mediciones consecutivas se establece la variación de la velocidad de la atmósfera con relación al sistema Doppler-Lidar (10).

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el rayo láser está pulsado y en cada caso se utiliza una parte de un impulso láser para fijar un punto de referencia temporal para, mediante la duración de la parte restante del impulso láser, fijar la distancia a la región espacial (52a, 52b, 52c, 52d) que retrodispersa.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se recibe y registra una parte del rayo láser directamente y sin retrodispersión en la atmósfera, en donde a partir de la distribución de intensidad se lleva a cabo una función de transferencia de los componentes ópticos y/o se lleva a cabo una calibración.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque a partir del modelo de referencia, con la mínima desviación con relación al interferograma (34) medido, se establece la densidad y/o la temperatura de la región espacial (52a, 52b, 52c, 52d).

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se lleva a cabo a bordo de un sistema móvil, con preferencia a bordo de una aeronave (50).

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la distribución de intensidad esperada del modelo de referencia se calcula a partir de parámetros atmosféricos medidos y/o parámetros de vuelo de una aeronave (50).

12. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el rayo láser se emite en diferentes direcciones, para determinar el vector de velocidad del viento mediante la medición de desplazamiento Doppler en estas direcciones.

13. Sistema Doppler-Lidar (10) para detectar velocidades del viento, en especial a bordo de aviones (50), con un dispositivo emisor (12) para emitir un rayo láser, un dispositivo receptor (13) para recibir el rayo láser retrodispersado en la atmósfera, un interferómetro (16) para crear un interferograma (34) a partir del rayo láser retrodispersado, un fotodetector (17) para determinar la distribución de intensidad del interferograma (34), en donde el interferograma (34) se reproduce directamente sobre el fotodetector (17) y una unidad de valoración (18a, 18b) para determinar el desplazamiento Doppler como medida de la velocidad del viento de la atmósfera, caracterizado porque la unidad de valoración (18a, 18b) comprende una memoria (18a) con una familia de modelos de referencia, que son válidos para parámetros atmosféricos definidos anteriormente, que comprenden diferentes densidades y/o temperaturas de la atmósfera, y una unidad comparativa (18b) que, a partir de una comparación del interferograma (34) reproducido con la familia de modelos de referencia, establece la velocidad del viento.

14. Sistema Doppler-Lidar según la reivindicación 13, caracterizado porque el fotodetector (17) es un fotodetector bidimensional, que comprende un amplificador de imagen (17a) y un conjunto CCD o CMOS.

15. Sistema Doppler-Lidar según la reivindicación 13 ó 14, caracterizado porque entre el dispositivo emisor (12) y el dispositivo receptor (13) se ha previsto una trayectoria de transferencia (20) para una parte del rayo láser, para registrar el rayo láser generado directamente en el dispositivo receptor (13).

16. Sistema Doppler-Lidar según una de las reivindicaciones 13 a 15, caracterizado porque el interferómetro (34) es un interferómetro Fabry-Perot que crea modelos de interferencia anulares.

17. Sistema Doppler-Lidar según una de las reivindicaciones 13 a 16, caracterizado porque el interferómetro (34) es un interferómetro Fizeau que crea modelos de interferencia en forma de tira.

18. Sistema Doppler-Lidar según una de las reivindicaciones 13 a 17, caracterizado por un láser (11) que genera rayos láser pulsados en el margen UV.

19. Sistema Doppler-Lidar según una de las reivindicaciones 13 a 18, caracterizado por sistemas de compuerta programables por campo para calcular el modelo de referencia.

20. Sistema Doppler-Lidar según una de las reivindicaciones 13 a 19, caracterizado porque la unidad de valoración (18a, 18b) comprende un módulo para determinar la función de transferencia de piezas constructivas en el lado de recepción del sistema Doppler-Lidar (10).