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Development and test of a UV lidar receiver for the measurement of wind velocities aiming at the near-range characterization of wake vortices and gusts in clear air
Development and test of a UV lidar receiver for the measurement of wind velocities aiming at the near-range characterization of wake vortices and gusts in clear air
Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung und dem Test eines Empfängerprototyps für die einachsige Messung von Windgeschwindigkeiten in der Atmosphäre. Ein Lidarsensor auf Basis dieses Prototyps soll langfristig die Vision einer automatischen Ausregelung von Turbulenzen, Böen und Wirbelschleppen ermöglichen und so auf allen Flughöhen den Komfort verbessern, Unfällen vorbeugen, und zur Gewichtsreduktion im Flugzeugbau beitragen. Hierfür werden zunächst unterschiedliche direkte Doppler-WindLidar (DWL) Empfängerkonzepte hinsichtlich der Sensoranforderungen dieser Anwendung theoretisch verglichen. Kriterien sind die Leistungsfähigkeit als spektraler Analysator, ihre Entfernungsauflösung, die Messbarkeit bei geringen Aersosolkonzentrationen, sowie der Uberlapp in Nahdistanz, und ihre Komplexität. Auf Basis dieser Kriterien wird ein streifenabbildendes Verfahren beruhend auf einem Michelson-Interferometer ausgewählt, welches eine Kompensation der im Nahfeld auftretenden Winkelverteilungen ermöglicht. Der Uberlapp in Nahdistanz (50 bis 300 m) und die Kombination mit einem schnellen Zeilendetektor erlauben die Messung an mehreren longitudinalen Messpunkten quasi gleichzeitig, und ohne Kenntnis des Partikelrückstreuverhöltnisses. Das Konzept wird durch Berechnungen und End-to-end Simulationen evaluiert. Ein fasergekoppelter Aufbau wird konzipiert. Der Empfängerprototyp wird dann realisiert und charakterisiert. Ein monolithisches Michelson Interferometer soll thermomechanische Stabilität gewährleisten und wird hinsichtlich optimaler Leistungsfähigkeit spezifiziert und von einem Zulieferer gebaut. Das Interferometer wird dann in Bezug auf Streifenkontrast und Streifenform charakterisiert. Berechnungen und optische Simulationen zur Beleuchtung des Interferometers mit einer Multimodefaser und der Abbildung des linearen Interferenzstreifen auf ein Photomultipliertubearray werden durchgeführt und der Empfänger wird aufgebaut. Zu diesem Zweck werden Verstärkerelektroniken entwickelt, gebaut, und mit Analog-Digital-Wandler Karten kombiniert. Eine Multimodefaser wird in einer Kombination aus Experimenten und Simulationen hinsichtlich ihrer Scramblingeigenschaften zum Zweck der Biasreduktion und in Bezug auf Speckleeigenschaften zum Zweck der Specklerauschunterdrückung untersucht. Für Validierungsmessungen wird ein Auswertealgorithmus der Interferenzstreifen entwickelt, welcher eine Korrektur der Beleuchtung des Interferometers beinhaltet. Für die Bestimmung der Streifenposition wird ein Downhill-Simplex-Algorithmus verwendet. Im Januar 2018 wurden mit dem aufgebaute Empänger bodengestützten einachsige Windgeschwindigkeitsmessungen durchgeführt und mit Referenzmessungen eines kohärenten DWL (Windcube 200S, Leosphere) verglichen. Es zeigt sich, dass die Horizontalmessungen beider Lidarsysteme eine hohe Korrelation von bis zu 0.89 aufweisen und dass der Prototyp Messungen mit einer Auflösung von 30 m in Entfernungen von 50 m und 76 m erlaubt. Allerdings zeigt sich auch ein entfernungsabhängiger systematischer Fehler von einigen m/s, dessen Zeitabhängigkeit durch eine Anderung der Beleuchtung hervorgerufen wird, und der korrigiert werden muss. Nach der Korrektur ist die relative Präzision beider Lidarsysteme um die 0.7 m/s für den Fall dass jeweils über ein halbe Sekunde gemittelt wird. Weitere vertikal orientierte Windgeschwindigkeitsmessungen im März 2018 erlauben langreichweitige (bis 900 m), entfernungsaufgelöste Messungen mit dem Empfängerprototyp. Ein Vergleich mit den Anforderungen für das Aussteuern von Wirbelschleppen mit einer erforderlichen Messrate von mehr als 45 Hz bei gleichzeitiger Messunsicherheit kleiner 1 m/s ergibt dass der Empfänger diesen Anforderungen noch nicht entsprechen kann. In Zukunft sind Verbesserungen der Effizienz des Empfängers, der Temperaturstabilisierung, sowie der Beleuchtungsfunktionskorrekturroutine erforderlich., This thesis describes the development and test of a lidar receiver prototype for the uniaxial measurement of wind speeds in the atmosphere. An airborne lidar sensor based on this prototype may in the long run facilitate the vision of a feed-forward control of turbulence, gusts and wake vortices, in order to enhance comfort, prevent accidents, and reduce the weight of future aircraft constructions. For this purpose, different direct-detection Doppler Wind Lidar (DWL) receiver concepts are compared theoretically with respect to the sensor requirements of this application, i.e. with respect to the performance as spectral analyzer, range-resolution, measurement capability with low aerosol concentrations, overlap in the near-range (50 m to 300 m), and complexity. With respect to these criteria, a fringeimaging Michelson interferometer is selected, which enables compensation of the angular distributions in the near-range. Full overlap in the near-range combined with a fast linear array detector permit wind speed measurements at multiple longitudinal measurment points quasi-simultaneously and without knowing the particle backscattering ratio. The concept is evaluated by calculations and end-to-end simulations. A fiber-coupled setup is conceptualized. The receiver prototype is then realized and characterized. A monolithic Michelson interferometer is to provide thermo-mechanical stability, and is specified according to optimal performance, and is built by an industrial supplier. The interferometer is then characterized with respect to interference fringe contrast and shape. Calculations and optical simulations of the multimode fiber-coupled illumination of the interferometer and of the imaging of the linear fringe on a photomultiplier tube array are carried through and the receiver is built up. For this purpose, amplifier electronics are designed, built, and combined with analog-to-digital converter cards. A frequency-tripled Nd:YAG laser is applied as transmitter. A multimode fiber is characterized in a combination of experiments and simulations with regard to its scrambling properties for reducing biases and with regard to its speckle properties for reducing speckle noise. For validation measurements a retrieval algorithm is developed, which entails a correction of the illumination of the interferometer. A fitting routine based on a Downhill-Simplex-Algorithm is applied for determining the shift of the interference fringes, yielding the Doppler frequency shift and the line-of-sight component of the wind speed. In late January 2018, ground-based, uniaxial wind speed measurements with the receiver prototype were carried out and are compared to referential measurements with a coherent DWL (Windcube 200S, Leosphere). It shows that horizontal measurements of both lidar systems yield a high correlation of up to 0.89 and that the prototype allows for wind speed measurements with a measurements resolution of 30 m at distances of 50 m and 76 m. However it shows as well that a range-dependent systematic error of several m/s exists, which has to be corrected. Its time-dependence is evoked by a long-term change of the illumination. After correction the relative precision of both lidar systems is around 0.7 m/s in case of respective averaging times of 0.5 s. Further vertically oriented wind speed measurements in March 2018 reveal that long-range (up to 900 m), range-resolved measurements can be done with the receiver prototype. A comparison with the requirements for the feed-forward control of wake vortices (i.e., a measurement update rate above 45 Hz and at the same time a measurement uncertainty of < 1 m/s) yields that the receiver prototype does not currently meet those requirements. In the future, improvements of the efficiency, of the temperature stabilization, and of the illumination function correction routine are necessary.
Doppler wind lidar, wake vortex, gust, turbulence
Herbst, Jonas
2019
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Herbst, Jonas (2019): Development and test of a UV lidar receiver for the measurement of wind velocities aiming at the near-range characterization of wake vortices and gusts in clear air. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Herbst_Jonas.pdf

114MB

Abstract

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung und dem Test eines Empfängerprototyps für die einachsige Messung von Windgeschwindigkeiten in der Atmosphäre. Ein Lidarsensor auf Basis dieses Prototyps soll langfristig die Vision einer automatischen Ausregelung von Turbulenzen, Böen und Wirbelschleppen ermöglichen und so auf allen Flughöhen den Komfort verbessern, Unfällen vorbeugen, und zur Gewichtsreduktion im Flugzeugbau beitragen. Hierfür werden zunächst unterschiedliche direkte Doppler-WindLidar (DWL) Empfängerkonzepte hinsichtlich der Sensoranforderungen dieser Anwendung theoretisch verglichen. Kriterien sind die Leistungsfähigkeit als spektraler Analysator, ihre Entfernungsauflösung, die Messbarkeit bei geringen Aersosolkonzentrationen, sowie der Uberlapp in Nahdistanz, und ihre Komplexität. Auf Basis dieser Kriterien wird ein streifenabbildendes Verfahren beruhend auf einem Michelson-Interferometer ausgewählt, welches eine Kompensation der im Nahfeld auftretenden Winkelverteilungen ermöglicht. Der Uberlapp in Nahdistanz (50 bis 300 m) und die Kombination mit einem schnellen Zeilendetektor erlauben die Messung an mehreren longitudinalen Messpunkten quasi gleichzeitig, und ohne Kenntnis des Partikelrückstreuverhöltnisses. Das Konzept wird durch Berechnungen und End-to-end Simulationen evaluiert. Ein fasergekoppelter Aufbau wird konzipiert. Der Empfängerprototyp wird dann realisiert und charakterisiert. Ein monolithisches Michelson Interferometer soll thermomechanische Stabilität gewährleisten und wird hinsichtlich optimaler Leistungsfähigkeit spezifiziert und von einem Zulieferer gebaut. Das Interferometer wird dann in Bezug auf Streifenkontrast und Streifenform charakterisiert. Berechnungen und optische Simulationen zur Beleuchtung des Interferometers mit einer Multimodefaser und der Abbildung des linearen Interferenzstreifen auf ein Photomultipliertubearray werden durchgeführt und der Empfänger wird aufgebaut. Zu diesem Zweck werden Verstärkerelektroniken entwickelt, gebaut, und mit Analog-Digital-Wandler Karten kombiniert. Eine Multimodefaser wird in einer Kombination aus Experimenten und Simulationen hinsichtlich ihrer Scramblingeigenschaften zum Zweck der Biasreduktion und in Bezug auf Speckleeigenschaften zum Zweck der Specklerauschunterdrückung untersucht. Für Validierungsmessungen wird ein Auswertealgorithmus der Interferenzstreifen entwickelt, welcher eine Korrektur der Beleuchtung des Interferometers beinhaltet. Für die Bestimmung der Streifenposition wird ein Downhill-Simplex-Algorithmus verwendet. Im Januar 2018 wurden mit dem aufgebaute Empänger bodengestützten einachsige Windgeschwindigkeitsmessungen durchgeführt und mit Referenzmessungen eines kohärenten DWL (Windcube 200S, Leosphere) verglichen. Es zeigt sich, dass die Horizontalmessungen beider Lidarsysteme eine hohe Korrelation von bis zu 0.89 aufweisen und dass der Prototyp Messungen mit einer Auflösung von 30 m in Entfernungen von 50 m und 76 m erlaubt. Allerdings zeigt sich auch ein entfernungsabhängiger systematischer Fehler von einigen m/s, dessen Zeitabhängigkeit durch eine Anderung der Beleuchtung hervorgerufen wird, und der korrigiert werden muss. Nach der Korrektur ist die relative Präzision beider Lidarsysteme um die 0.7 m/s für den Fall dass jeweils über ein halbe Sekunde gemittelt wird. Weitere vertikal orientierte Windgeschwindigkeitsmessungen im März 2018 erlauben langreichweitige (bis 900 m), entfernungsaufgelöste Messungen mit dem Empfängerprototyp. Ein Vergleich mit den Anforderungen für das Aussteuern von Wirbelschleppen mit einer erforderlichen Messrate von mehr als 45 Hz bei gleichzeitiger Messunsicherheit kleiner 1 m/s ergibt dass der Empfänger diesen Anforderungen noch nicht entsprechen kann. In Zukunft sind Verbesserungen der Effizienz des Empfängers, der Temperaturstabilisierung, sowie der Beleuchtungsfunktionskorrekturroutine erforderlich.

Abstract

This thesis describes the development and test of a lidar receiver prototype for the uniaxial measurement of wind speeds in the atmosphere. An airborne lidar sensor based on this prototype may in the long run facilitate the vision of a feed-forward control of turbulence, gusts and wake vortices, in order to enhance comfort, prevent accidents, and reduce the weight of future aircraft constructions. For this purpose, different direct-detection Doppler Wind Lidar (DWL) receiver concepts are compared theoretically with respect to the sensor requirements of this application, i.e. with respect to the performance as spectral analyzer, range-resolution, measurement capability with low aerosol concentrations, overlap in the near-range (50 m to 300 m), and complexity. With respect to these criteria, a fringeimaging Michelson interferometer is selected, which enables compensation of the angular distributions in the near-range. Full overlap in the near-range combined with a fast linear array detector permit wind speed measurements at multiple longitudinal measurment points quasi-simultaneously and without knowing the particle backscattering ratio. The concept is evaluated by calculations and end-to-end simulations. A fiber-coupled setup is conceptualized. The receiver prototype is then realized and characterized. A monolithic Michelson interferometer is to provide thermo-mechanical stability, and is specified according to optimal performance, and is built by an industrial supplier. The interferometer is then characterized with respect to interference fringe contrast and shape. Calculations and optical simulations of the multimode fiber-coupled illumination of the interferometer and of the imaging of the linear fringe on a photomultiplier tube array are carried through and the receiver is built up. For this purpose, amplifier electronics are designed, built, and combined with analog-to-digital converter cards. A frequency-tripled Nd:YAG laser is applied as transmitter. A multimode fiber is characterized in a combination of experiments and simulations with regard to its scrambling properties for reducing biases and with regard to its speckle properties for reducing speckle noise. For validation measurements a retrieval algorithm is developed, which entails a correction of the illumination of the interferometer. A fitting routine based on a Downhill-Simplex-Algorithm is applied for determining the shift of the interference fringes, yielding the Doppler frequency shift and the line-of-sight component of the wind speed. In late January 2018, ground-based, uniaxial wind speed measurements with the receiver prototype were carried out and are compared to referential measurements with a coherent DWL (Windcube 200S, Leosphere). It shows that horizontal measurements of both lidar systems yield a high correlation of up to 0.89 and that the prototype allows for wind speed measurements with a measurements resolution of 30 m at distances of 50 m and 76 m. However it shows as well that a range-dependent systematic error of several m/s exists, which has to be corrected. Its time-dependence is evoked by a long-term change of the illumination. After correction the relative precision of both lidar systems is around 0.7 m/s in case of respective averaging times of 0.5 s. Further vertically oriented wind speed measurements in March 2018 reveal that long-range (up to 900 m), range-resolved measurements can be done with the receiver prototype. A comparison with the requirements for the feed-forward control of wake vortices (i.e., a measurement update rate above 45 Hz and at the same time a measurement uncertainty of < 1 m/s) yields that the receiver prototype does not currently meet those requirements. In the future, improvements of the efficiency, of the temperature stabilization, and of the illumination function correction routine are necessary.