LIDAR-Vorrichtung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Doppler-LIDAR-Messung von Geschwindigkeiten mittels Direktempfang sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

LIDAR steht für "light detection and ranging" und ist eine dem Radar ("radiowave detection and ranging") sehr verwandte Methode zur Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung sowie zur Fernmessung atmosphärischer Parameter. Statt Funkwellen wie beim RADAR werden jedoch Laserstrahlen verwendet.

Ein Beispiel für eine Doppler-LIDAR-Vorrichtung und ein damit durchführbares Verfahren zur Messung von Windgeschwindigkeiten ist aus der EP 1756620B1 , US 20080117433 A1 oder US 2006262324 A1 bekannt.

Bei Direktempfang-Doppler-Lidar-Vorrichtungen wird Laserstrahlung auf das zu messende Medium gerichtet und die daraufhin reflektierte Strahlung direkt emp- fangen und hinsichtlich einer Doppler-Verschiebung der Laserwellenlänge untersucht, um so Relativgeschwindigkeiten festzustellen.

Doppler-LIDAR-Systeme unter Verwendung der Direktempfangstechnik werden beispielsweise zur vorausschauenden Messung von Turbulenzen, Seitenwinden oder Wirbelschleppen vor einem Luftfahrzeug, insbesondere Flugzeug, verwendet. Neben einer reinen Warnfunktion können die Messsignale insbesondere auch direkt in die Flugsteuerung des Flugzeuges eingekoppelt werden, um beispielsweise Böen, Seitenwinde oder Wirbelschleppeneinflüsse proaktiv, also bevor das Flugzeug negativ auf die äußere Strömungsänderung reagiert, so auszuregeln, dass ein gleichbleibender ruhiger Flugzustand erhalten bleibt, Belastung des Flugzeuges reduziert werden und die Sicherheit im Flugzeug und für das Flugzeug gewährleistet bleibt.

Ein wesentliches Problem ist hierbei die auftretende Dynamik der Rückstreuintensität. Aufgrund Aerosolgehalt und Luftdichte kann die Intensität des rückgestreuten Signals leicht um drei Größenordnungen variieren. Starke Variation erhält man zudem, wenn das Luftfahrzeug, beispielsweise Flugzeug, in welchem sich das LIDAR-Messsystem befindet, durch Wolkenfetzen fliegt, so dass die Gesamtdy- namik leicht vier bis fünf Größenordnung betragen kann.

Heutige Detektoren weisen einen sehr viel geringeren Dynamikbereich auf. Beispielsweise verfügen CCD-Arrays, welche bei einer sogenannten Fringe-Imaging- Technik eingesetzt werden, typischerweise einen Dynamikbereich von 10 bis12 bit auf. Ausgehend von einer Mindestintensität von 6 bis 7 bit beträgt die verbleibende Dynamik etwa ein bis zwei Größenordnungen.

Eine Abschwächung des Empfangssignals mit beispielsweise elektrooptischen Modulatoren ist sehr aufwändig, teuer und aufgrund der üblicherweise großen A- perturen für CCD-Chips schwer erreichbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erhöhung eines Dynamikumfan- ges eines Doppler-Lidar-Systems mit Direktempfang sowie eine Direktempfang- Doppler-LIDAR-Vorrichtung mit vergrößertem Dynamikumfang zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des beigefügten Patentanspruches 1 sowie eine Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß werden pro Messung eine Vielzahl von Laserpulsen auf das zu messende Medium gerichtet. Bei der Messung werden eine Vielzahl von daraufhin von dem Medium kommenden, d.h. in der Regel gestreuten Laserpulsen mit einem Detektor erfasst und dort aufintegriert.

Das Messverfahren wird vorzugsweise entsprechend der bevorzugten Anwendung an Bord von Luftfahrzeugen sehr schnell durchgeführt. Beispielsweise bewegt sich die Dauer eines Messzykluses in der Größenordnung weniger Millisekunden. Laserpulse werden in einer um wenigstens ein bis zwei Größenordnung (also etwa um wenigstens einen Faktor 5-10 größer) größeren Anzahl abgestrahlt, also zum Beispiel im Kilohertz-Bereich.

Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zur LIDAR-Messung nicht ein Einzelpuls des Lasers pro Messung (Flash-Laser, typischerweise 10-100 Hz), sondern es wird ein hochrepetierender Laser verwendet, welcher pro Messung einige hundert Pulse aussendet (insbesondere Micropulse-Laser, typischerweise 5-50 kHz). Da für das Direktempfangsverfahren nicht die Lichtphase sondern nur die Frequenz und Intensität wichtig ist, entspricht die Detektion eines starken Laserpulses der Detektion vieler schwacher Laserpulse, die auf dem Detektor entsprechend integriert werden.

Weiter vorzugsweise wird die Anzahl der auf dem Detektor integrierten Lichtpulse gesteuert, so dass je nach Intensität der jeweiligen rückgestreuten Strahlung eine größere oder kleinere Zahl von Pulsen integriert wird, um eine optimale Gesamtintensität auf dem Detektor - also zum Beispiel über der erforderlichen Mindestintensität, aber deutlich unter der Sättigungsintensität - zu gewährleisten. Mit den erfindungsgemäßen Vorschlägen ist der Aufbau eines Direktempfangs- LIDAR-Sytems möglich, mit welchem ohne störende Sättigung des Detektors LIDAR-Rückstreusignale mit einem Dynamikbereich von mehreren Größenord- nungen mit einem Detektor erfassbar sind, welcher einen Dynamikbereich aufweist, der um einige Größenordnungen geringer ist, als dies für die Messaufgabe erforderlich wäre.

In bevorzugter Ausgestaltung wird bei dem Verfahren zur Messung von Ge- schwindigkeiten , beispielsweise der Luftgeschwindigkeit, unter Verwendung der Direktempfangs-Technik, vorgeschlagen, dass zur Messung ein hochrepetierender Laser mit Repetitionsrate um eine oder mehrere Größenordnungen über der De- tektionsrate verwendet wird. Weiter ist bevorzugt, dass mehrere Laserpulse auf einem lichtempfindlichen Detektor zu einer einzelnen Messung integriert werden.

In bevorzugter Ausgestaltung kann die Anzahl der gesammelten Laserpulse auf dem Detektor variiert werden. Dies kann auf unterschiedlichen Wegen geschehen, die einzeln oder kumuliert durchführbar sind.

Beispielsweise kann eine Laserquelle entsprechend zur Aussendung einer definierten, veränderbaren Anzahl von Pulsen gesteuert werden. In einer anderen Ausgestaltung wird der Laserquelle, die beispielsweise durch einen Laser gebildet wird, ein entsprechend steuerbarer Schalter nachgeordnet. In einer weiteren Ausgestaltung ist der Detektor entsprechend steuerbar, so dass empfangene Laser- pulse ausgeblendet und nicht aufintegriert werden. In einer anderen Variante wird dem Detektor ein entsprechend steuerbarer Schalter vorgeordnet. Die Steuerung erfolgt vorzugsweise derart, dass durch Veränderung der Anzahl der integrierten Laserpulse eine hohe Signalintensität erreicht aber eine Übersteuerung des Detektors vermieden wird, was bei sich ändernden Bedingungen der Rückstreuung des Lasersignals am Streuobjekt zum Schaffen eines entsprechend erhöhten Dy- namikumfangs des Meßsystems weit über der Dynamik des reinen Detektors verwendet wird.

Die erfindungsgemäße Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung ist vorzugsweise zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet. Vorzugsweise ist die Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung ein Doppler-Lidar-System zur Messung von Geschwindigkeiten, beispielsweise der Luftgeschwindigkeit, unter Verwendung der Direktempfangs-Technik, bei dem zur Messung ein hochrepe- tierender Laser mit Repetitionsrate um eine oder mehrere Größenordnungen über der Detektionsrate verwendet wird. Der Detektor ist weiter bevorzugt derart ausgebildet und/oder angesteuert, dass mehrere Laserpulse auf einem lichtempfindlichen Detektor zu einer einzelnen Messung integriert werden. Vorzugsweise ist eine Intensitäts-Steuereinrichtung vorgesehen, um die Anzahl der gesammelten Laserpulse auf dem Detektor zu variieren. Diese Intensitäts-Steuereinrichtung ist weiter bevorzugt derart ausgebildet, dass entweder der Laser entsprechend zur Aussendung einer definierten, veränderbaren Anzahl von Pulsen gesteuert wird oder dem Laser ein entsprechend steuerbarer Schalter nachgeordnet wird oder der Detektor entsprechend gesteuert wird oder empfangene Laserpulse ausge- blendet und nicht aufintegriert werden oder dem Detektor ein entsprechend steuerbarer Schalter vorgeordnet ist. Die Steuerung erfolgt bevorzugt derart, dass durch Veränderung der Anzahl der integrierten Laserpulse eine hohe Signalintensität erreicht aber eine Übersteuerung des Detektors vermieden wird. Insbesondere bei sich ändernden Bedingung der Rückstreuung des Lasersignals am Streuob- jekt lässt sich so eine entsprechend erhöhte Dynamik des Meßsystems weit über der Dynamik des reinen Detektors erreichen.

In weiter bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens und/oder der Vorrichtung wird aus einem aktuellen Messsignal berechnet oder ermittelt, ob die Intensität zu ge- ring oder zu hoch war. Dann wird entsprechend die Anzahl der zu integrierenden Pulse für die folgende Messung erhöht oder erniedrigt. Weiter vorzugsweise wird dieser Vorgang konsekutiv wiederholt, bis die Intensität weder zu hoch, noch zu niedrig ist.

Die Reduktion oder Erhöhung der Pulszahl kann um einen konstanten Faktor oder eine konstante additive Größe erfolgen. Alternativ kann die Reduktion oder Erhöhung der Pulszahl proportional zur Abweichung gegenüber dem Idealwert erfolgen.

In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird aus dem Verlauf des Intensitätsanstiegs oder -abfalls eine Voraussage für die zu erwartende Intensität der nächsten Messung abgeschätzt, woraus die Anzahl der zu integrierenden Laserpulse bestimmt wird.

Im Falle von mehreren, unterschiedlichen Messkanälen, z.B. bei mehreren Messungen in unterschiedlichen Richtungen, kann diese Bestimmung jeweils für jeden Kanal getrennt erfolgen. Bei einer Ausgestaltung mit einem Referenzkanal kann für den Referenzkanal diese Berechnung unabhängig von den Messkanälen erfolgen.

Als Detektor wird bei einer bevorzugten Ausgestaltung eine Kamera oder ein Kamerachip verwendet. Bei einer weiteren Ausgestaltung wird als Detektor eine Photodiode oder ein ein- oder zweidimensionales Photodiodenarray verwendet.

Die Auslesung kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung in einem festen Takt unabhängig der Anzahl der integrierten Laserpulse erfolgen. Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Auslesung nach Erreichen der erforderlichen Intensität, gegebenenfalls jedoch limitiert auf eine Maximalzeit.

Die Steuerung der Anzahl der zu integrierenden Laserpulse erfolgt bei einer Aus- gestaltung, in der die Anzahl der von der Laserquelle abgegebenen Laserpulse gesteuert wird, zum Beispiel über einen Güteschalter der Laserquelle.

Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung der Anzahl der zu integrierenden Laserpulse über einen dem Laser nachgeordneten elektrooptischen Schalter, e- lektromechanischen Schalter oder faseroptischen Schalter erfolgen.

Vorzugsweise erfolgt die Steuerung der zu integrierenden Laserpulse empfangs- seitig. Hierzu kann z.B. die Steuerung der Anzahl der zu integrierenden Laserpulse über einen dem Detektor vorgeordneten elektrooptischen Schalter oder über einen dem Detektor vorgeordneten faseroptischen elektrooptischen Schalter erfolgen. Besonders bevorzugt erfolgt die Steuerung der Anzahl der zu integrierenden Laserpulse über eine schaltbare Mikrokanalplatte. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Steuerung der Anzahl der zu integrierenden Laserpulse über eine elektronische Beschaltung des Detektorausganges oder entsprechende Steuerung des Kamerachips vorgesehen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Anzahl der integrierten Laserpulse mittels beispielsweise eines Zählers erfasst und zusammen mit der Intensität des Messsignals zur Bestimmung der tatsächlichen Signalamplitude verwendet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung einer flugzeuggetragenen LIDAR-

Vorrichtung;

Fig. 2a, 2b Rückstreuintensität an Luftaerosolen lokal (Fig. 2a) und aufgetragen versus Höhe für nördliche Hemisphäre, südliche Hemisphäre und

Äquator (Fig. 2b) (POLDER data, 1997);

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer bei der Vorrichtung von Fig. 1 einsetzbaren Detektoranordnung;

Fig. 4 ein Beispiel eines Interferogramms, das mit der Detektoranordnung von Fig. 3 aufgenommen ist;

Fig. 5a, 5b Veranschaulichungen der Regelung zu integrierender Laserpulse bei vorgegebener Belichtungszeit;

Fig. 6a eine Veranschaulichung eines typischen Intensitätsverlaufs versus

Zeit;

Fig. 6b eine Veranschaulichung der zu integrierenden Pulszahl in Relation zu Fig. 5b;

Fig. 6c eine Veranschaulichung der auf den Detektor treffenden Intensität nach Regelung der aufzuintegrierenden Pulszahl;

Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Detektor-Anordnung, welche gegenüber derjenigen von Fig. 3 um einen faseroptischen Schalter erweitert ist; und Fig. 8a, 8b Veranschaulichungen einer konstanten (Fig. 8a) und einer variablen (Fig. 8b) Belichtungszeit des Detektors bei unterschiedlicher aufzuintegrierender Pulszahl.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Direktempfang-Doppler-LIDAR- Vorrichtung 10. Die Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung 10 ist in dem dargestellten Beispiel in einem Luftfahrzeug, dargestellt am Beispiel eines Flugzeuges 13, eingebaut.

Die Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung 10 weist eine Laserquelle 11 mit relativ schmaler Bandbreite (Einfrequenzbetrieb, typischerweise einige MHz Linienbreite) auf. Das Licht der Laserquelle 11 - ausgesendeter Laserstrahl 15 - wird durch ein Fenster 14 in die Atmosphäre 16 gesendet. In der Atmosphäre 16 wird das Licht der Laserquelle 11 an Teilchen 17a, 17b, 17c, ... der Luft in dem hier beispielhaft dargestellten Fall elastisch gestreut. Das Streulicht 18 wird von einer Detektor-Anordnung 12 aufgenommen. In einer Auswerteeinrichtung 19 wird aus der Dopplerverschiebung des an den Streupartikeln - Teilchen 17a, 17b, 17c - , welche sich relativ zur Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung 10 bewegen, rückgestreuten Streulichts 18 die Relativgeschwindigkeit bestimmt.

Bei der dargestellten Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung 10 ist weiter eine Intensitäts-Steuereinrichtung 22 zum Steuern von einem Detektor der Detektor- Anordnung 12 zu empfangenden Intensität vorgesehen.

Bei der Streuung an den Teilchen 17a. 17b und 17c unterscheidet man in diesem Zusammenhang einerseits die Streuung an Molekülen der Luft (Rayleigh- Streuung) und die Streuung an Aerosolen (Staubpartikel, Salzpartikel etc., Mie- Streuung). Die Rayleighstreuung kann zuverlässig in allen atmosphärischen Schichten und unabhängig von meteorologischen Einflüssen gemessen werden; sie ist nur abhängig von der Teilchendichte, welche kontinuierlich zu größeren Höhen abnimmt. Dagegen ist die Streuung an Aerosolen sehr stark von deren lokaler Dichte abhängig, die örtlich und insbesondere in Abhängigkeit von Wettereinflüssen und anderen Einflüssen stark variieren kann.

In den Fig. 2a und 2b sind unterschiedliche Aerosolstreuungen und Aerosolverteilungen veranschaulicht. Beispielsweise ist die Aerosolstreuung sehr stark in Gebieten mit hoher Schadstoffemission, wie beispielsweise in Industriegebieten oder vulkanischen Gebieten. Dagegen ist die Aerosolstreuung recht niedrig im Bereich von großen Gewässern, beispielsweise über den Ozeanen oder im Bereich der südlichen Hemisphäre der Erde, siehe Fig. 2a. Insbesondere werden die Aerosole aber auch durch beispielsweise starken Regen ausgewaschen, so dass deren Konzentration dann sehr gering sein kann.

Insgesamt nimmt die auf der Aerosoldichte beruhende Mie-Streuung überproportional gegenüber der Rayleighstreuung an Molekülen der Luft ab für eine Höhe größer als 2km; siehe Fig. 2b. Unter einer solchen Höhe von 2km ist die Mie- Streuung extrem umweltabhängig und teilweise sehr stark oder auch sehr gering möglich. Die Rayleighstreuung nimmt proportional mit der Dichte ab, also etwa auf 30% bei einer Höhe von 10 km. Für eine zuverlässige Messung von Turbulenzen etc. ist daher eine rein auf Aerosolen beruhende Messung nicht geeignet, vielmehr sollte die Rayleighstreuung auch gemessen werden können.

Da die Intensität der Rayleighstreuung proportional dem Kehrwert der Wellenlänge zur vierten Potenz ist, verwendet man sinnvollerweise eine Laserquelle 11 bei möglichst kurzer Wellenlänge, also beispielsweise im UV-Bereich. Ein Beispiel für die Detektor-Anordnung 12 der Direktempfang-Doppler-LIDAR- Vorrichtung 10 ist in Fig. 3 näher dargestellt. Die gestreute Strahlung - Streulicht 18 - wird über eine Optik 26 auf einen Detektor 35 geleitet und detektiert.

Zur Messung einer Frequenzverschiebung sind prinzipiell zwei Messmethoden denkbar. Bei einer hier nicht in Rede stehenden Messmethode, der sogenannten kohärenten Detektion, wird die feste Phasenbeziehung zwischen dem ausgesandten Laserstrahl hinreichend schmaler Linienbreite und der empfangenen Streustrahlung ausgenutzt. Aufgrund der Kohärenz ist dieses Messverfahren sehr emp- findlich. Zur Messung der Frequenzverschiebung wird ein Teil des Laserstrahls vor Aussendung in die Atmosphäre umgeleitet, zeitverzögert und kollinear mit der empfangenen Streustrahlung auf einem Photodetektor hinreichend großer Bandbreite gemischt. Aufgrund der Nichtlineahtät des Photodetektors kann die Differenzfrequenz als elektrisches Signal direkt abgegriffen werden, welche direkt der Dopplerverschiebung entspricht und daher der Relativgeschwindigkeit proportional ist.

Voraussetzung für diese Meßmethode ist eine hinreichend schmalbandige Laserquelle, so dass die Kohärenzlänge des Lichts größer als die Wegdifferenz zwi- sehen verzögerter Referenzstrahlung und empfangener Streustrahlung ist. Weiter darf die Streustrahlung selbst aber zu keiner wesentlichen Linienverbreiterung beitragen, da ansonsten die Kohärenz zerstört würde. Typische Grenzwerte für die maximale Linienbreite sowie Verbreiterung bei Streuung liegen im Bereich einiger kHz oder MHz.

Nun ist die an Aerosolen gestreute Strahlung zwar nahezu gleich schmalbandig wie die einfallende Strahlung, dies gilt jedoch nicht für die an Molekülen gestreute Strahlung: Aufgrund der Boltzmannverteilung der Partikelgeschwindigkeiten bewegen sich die sehr leichten Moleküle bei üblichen Temperaturen weit über dem absoluten Nullpunkt mit hoher Geschwindigkeit (Brown ^' sehe Molekularbewegung), welche zu einer erheblichen Dopplerverbreiterung alleine aufgrund dieses Effektes führt. Typische Werte liegen im Bereich um 3 GHz. Eine kohärente Detektion gemäß des oben beschriebenen Verfahrens (Mischung auf einem Photodetektor) ist daher für das hier interessierende Messverfahren nicht möglich.

Zur Messung der Rayleighstreuung (Streuung an Molekülen) wird daher bei dem hier dargestellten Verfahren und bei der hier dargestellten Direktempfang-Doppler- LIDAR-Vorrichtung 10 die in Fig. 3 dargestellte sogenannte Direktempfangstech- nik verwendet, welche die Phase der Strahlung nicht benötigt und lediglich eine Intensitätsmessung vornimmt. Um die Doppler-Frequenzverschiebung zu bestimmen, ist ein weiteres Element vorgesehen, welches eine Frequenzdiskriminierung oder Wellenlängen-Dispersion aufweist.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Detektor-Anordnung 12 wird hierzu die empfangene Strahlung 32 mittels einer Lichtleitfaser 37 der Detektor-Anordnung 12 zugeführt. Die empfangene Strahlung wird über eine erste Optik - Kollimationsoptik 31 - einem sogenannten Fabry-Perot-Etalon 33, welches zwei planparallele, teilreflektierende Platten oder eine einzelne planparallelen Platte mit Teilreflexion auf beiden Oberflächen aufweist, zugeführt, was durch Selbstüberlagerung der Welle in einem Resonator zu einer Interferenz der Welle mit sich selbst führt.

Auf diese Weise entsteht durch Abbildung mittels einer zweiten Optik 38 auf den Detektor 35 eine räumliche Intensitätsverteilung. In dem dargestellten Beispiel ent- steht durch Vielfachreflexion eine kreisförmige Interferenzfigur - sogenannte Ringe oder engl. Fringes, siehe Fig. 4. Maxima und Minima entsprechen dabei jeweils Überlagerungen gleichen Winkels. Eine Änderung des Radius dieses Interferenzmusters ist direkt proportional der Änderung der Wellenlängen bzw. Frequenzänderung des detektierten Signals und damit der Änderung der Dopplershift und so- mit der Änderung der Relativgeschwindigkeit der Streu partikel, also beispielsweise der streuenden Teilchen 17a, 17b, 17c der Luft (Moleküle, Aerosole) gegenüber dem Messsystem. Beispielsweise lässt sich damit bei flugzeuggetragenen Systemen auch die Relativgeschwindigkeit der Luft in Bezug auf das Flugzeug 13 bestimmen.

Vergleicht man die Radien des Interferenzmusters beispielsweise mit einem gleichzeitig oder zu einem anderen Zeitpunkt gemessenen Signal des direkt abgeleiteten Lasersignals, so kann auch die absolute Relativgeschwindigkeit (im Unter- schied zur vorher beschriebenen Änderung der Relativgeschwindigkeit) bestimmt werden. Erfolgt diese Messung gleichzeitig oder hintereinander in unterschiedliche Raumrichtungen (Aussenden des Laserstrahls in unterschiedliche Raumrichtungen und Messung der Rückstreuung daraus), so kann der zwei- oder auch dreidimensionale relative Geschwindigkeitsvektor bestimmt werden. Entsprechend kön- nen die hier vorgeschlagenen Prinzipien und Lösungen für eine oder mehrere Messrichtungen angewandt werden.

Statt des hier beschriebenen Fabry-Perot-Interferometers können auch andere frequenzdiskriminierende Elemente oder andere Interferometer verwendet wer- den, bspw. Michelson-Interferometer, Fizeau-Interferometer o.ä.

Dieses in Fig. 4 als Beispiel dargestellte Interferenzmuster ist nun mit einem geeigneten Detektor 35, siehe Fig. 3, aufzunehmen. Der Detektor 35 kann unterschiedlich aufgebaut sein. Verschiedene Lösungen beinhalten die Verwendung von Filtern an den Kanten der Interferenzmaxima, dem Interferenzmuster nachempfundene konzentrische Ringelektroden eines Photomultipliers, die Umformung des kreisförmigen Musters in ein lineares mittels beispielsweise Faseroptik und Detektion mit einem CCD-Zeilendetektor oder die Detektion mit einem zweidimensionalem Photo-Detektor (beispielsweise CCD-Kamera). Für die dargestellte Di- rektempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung 10 sind alle diese Detektoren und auch andere geeignet. Der Einfachheit halber wird die Direktempfang-Doppler-LIDAR- Vorrichtung 10 sowie ein damit durchführbares Messverfahren jedoch am Beispiel der Verwendung einer CCD-Kamera als Detektor 35 mit einer vorgeschalteten Mikrokanalplatte 34 zur Verstärkung weiter beschrieben.

Typischerweise ist das detektierte Rückstreusignal sehr schwach, kann aber in der Intensität wesentlich schwanken, einerseits durch Änderungen der Luftdichte und damit der Anzahl der rückstreuenden Moleküle im Messvolumen, andererseits durch im Messvolumen befindliche Aerosole.

Es ist anzumerken, dass das hier beschriebene Direktempfangs- Detektionsverfahren sowie die hier beschriebene Direktempfang-Doppler-LIDAR- Vorrichtung 10 durchaus die Messung in absolut aerosolfreier Atmosphäre ermög- licht (reine Rayleigh-Streuung), dass darüber hinaus aber auch die Streuung an Aerosolen detektiert und ausgewertet werden kann. In diesem Falle ist sogar mit einem sehr starken Rückstreusignal zu rechnen.

Während die Unterschiede durch die Luftdichteänderungen typisch eine Größen- Ordnung oder weniger betragen (je nach maximaler Flughöhe), betragen die Schwankungen durch aerosolhaltige/aerosolarme Rückstreuung mehrere Größenordnungen (Extremfälle: Kumuluswolke und große Flughöhe), so dass insgesamt das detektierte Signal um mehrere Größenordnungen schwanken kann.

Weiter kann bei einer Umschaltung von Messentfernung und Messtiefe ebenfalls die Rückstreuintensität schwanken.

Diese möglichen Schwankungen des Messsignals um mehrere Größenordnungen liegt typischerweise weit über dem Dynamikbereich der Sensoren des Detektors 35. Bei dem hier beschriebenen Messverfahren werden weitere Maßnahmen ergriffen, um den erforderlichen Dynamikbereich zu erreichen.

Eine erste, naheliegende Lösung wäre die Abschwächung des Empfangssignals in Abhängigkeit von dessen Stärke. Diese naheliegende Lösung ist aber aus mehreren Gründen unvorteilhaft: Absorbierende Abschwächer müssten gegebenenfalls mechanisch bewegt werden. Elektrisch ansteuerbare Abschwächer beruhen meist auf der Transmission von polarisiertem Licht, wohingegen das empfangene Rückstreusignal höchstens teilpolarisiert ist und zudem meist nicht- polahsationserhaltende Elemente der Strahlübertragung verwendet werden. Weiter wäre der genaue Wert der Abschwächung zur Bestimmung bestimmter Parameter wichtig (Rückrechnung auf die tatsächliche Signalintensität), was bei Absorbern oder anderen Abschwächern nur schwer zu bestimmen ist.

Es wird daher ein anderer Lösungsweg vorgeschlagen, um den Dynamikbereich des Eingangssignals (in Fig. 6a als Intensität über die Zeit skizziert) wesentlich zu erweitern. Vorteilhafterweise soll zudem eine definierte Abschwächung in digitaler Form ermöglicht werden, so dass zudem auch die exakte Signalintensität aus der detektierten Intensität und dem digital festgelegten Abschwächungsverhältnis rückgerechnet werden kann. Weiter lassen sich in vorteilhaften Ausgestaltungen der Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung 10 sowie des damit durchführbaren Direktempfang-Doppler-LIDAR-Messverfahrens zugleich Störparameter wie Hintergrundlicht etc. minimieren.

Ein Grundprinzip der hier vorgestellten Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung 10 und des damit durchführbaren Verfahrens beruht darauf, dass zur Geschwindigkeitsmessung nicht wie üblich Einzelpulse pro Messung verwendet werden, sondern es werden Pulszüge bzw. viele Laserpulse 51 (Fig. 5a und b) eines hochrepetierenden Lasers (typisch im kHz-Bereich) verwendet, welche auf dem Detek- tor 35 zu einer einzigen Messung integriert werden. Dies ist schematisch in den Fig. 5a und 5b gezeigt, wobei die Laserpulse 51 und das Messintervall 52 (Dauer des Messzyklus) über die Zeit dargestellt sind. Die Belichtungszeiten liegen dabei typischerweise bei etwa 10ms pro Messung, allgemeiner zwischen etwa 1 ms und 100ms.

Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des Messverfahrens zur Geschwindigkeitsmessung mittels Direktempfang-Doppler-LIDAR wird weiter die ansteuerbare Schalteinrichtung 24 verwendet, welcher so angesteuert wird, dass die Anzahl der aufintegrierten Laserpulse 51 gesteuert werden kann. Zur Veranschaulichung ist in Fig. 5a eine große Pulszahl der Laserpulse 51 pro Messung 52 bei geringer Rückstreuung und in Fig. 5b eine kleine Pulszahl der Laserpulse 51 pro Messung 52 bei starker Rückstreuung dargestellt.

In Abhängigkeit der empfangenen Rückstreuintensität wird zum Beispiel eine definierte, aber pro Messung individuell einstellbare Anzahl von Laserpulsen 51 aufintegriert. Bei einer alternativen Vorgehensweise wird der Detektor 35 selbst, soweit dieser ansteuerbar ist, entsprechend angesteuert. Eine weitere Verfahrensweise zur Steuerung der aufzuintegrierenden Laserpulse 51 beinhaltet die Ansteuerung des Detektorausgangs.

Zur Veranschaulichung sind in Fig. 6a ein empfangenes Rückstreusignal mit starker Dynamik, in Fig. 6b die Anzahl der jeweils zu detektierenden Laserpulse 51 und in Fig. 6c die relativ gleichmäßige Intensität auf dem Detektor 35 dargestellt.

Auf diese Weise wird eine Übersteuerung des Detektors 35 vermieden. Zugleich wird bei schwächeren Signalen eine optimale Anzahl von Pulsen aufintegriert. Die Intensität wird in definierten Schritten einzelner Laserpulse reduziert, so dass die gemessenen Intensität zur Rekonstruktion der tatsächlichen Rückstreuintensität lediglich auf die volle Pulszahl rückgerechnet werden muss.

Eine bevorzugte Anordnung sieht beispielsweise eine Laserpulsrate von 20 kHz bei Belichtungszeiten (Integrationszeiten) des Detektors von 16 ms pro Messung vor, so dass in diesem Falle bis zu 333 Pulse zu einer Messung integriert werden können. Im Falle sehr starker Rückstreuung kann die Anzahl aufzuintegrierender Pulse bis auf einen einzelnen Puls reduziert werden. Auf diese Weise wird zusätzlich zur Dynamik des Detektors 35 eine weitere Dynamik von über 333 erreicht, welche mit der Detektordynamik zur Gesamtsystemdynamik zu multiplizieren ist. Typische Werte für Detektordynamik liegen bei etwa 100; die Gesamtdynamik beträgt dann bis zu mehr als vier Größenordnungen.

Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, insbesondere bei Verwendung einer Schalteinrichtung 24 vor dem Detektor 35. In dem in Fig. 3 dargestellten Beispiel ist eine solche Schalteinrichtung 24 im wesentlichen durch eine sehr schnell schaltbare Mikrokanalplatte 34 gebildet.

Ein gegenüber der Ausführungsform der Detektor-Anordnung 12 von Fig. 3 erwei- terte Ausführungsform einer Detektor-Anordnung 70 ist in Fig. 7 dargestellt, wobei für entsprechende Elemente die gleichen Bezugsziffern verwendet worden sind. In

Fig. 7 weist die Schalteinrichtung 24 die Mikrokanalplatte 34 vor dem Detektor 35

(beispielsweise vor einer CCD-Kamera) sowie einen faseroptischen oder elektro- optischen Schalter 76 im Empfangspfad der Lichtleitfaser 37 auf. Die Mikrokanal- platte 34 kann auch weggelassen oder in einer anderen Funktion, beispielsweise als Intensitätsverstärker, verwendet werden.

Die Intensitäts-Steuereinrichtung 22 steuert demnach die Anzahl der zu dem Detektor 35 durchgelassenen Laserpulse durch die vor dem Detektor 35 angeordnete Schalteinrichtung 24. Alternativ oder zusätzlich steuert die Intensitäts- Steuereinrichtung 22 die Anzahl der zu integrierenden Pulse durch Ansteuerung des Detektors 35 selbst.

Auf die verschiedenen dargestellten Weisen kann die Schaltzeit für Detektion nun auch gerade so kurz gewählt werden, dass das erwartete und gewünschte Streusignal aufgenommen wird, wobei davor und danach jedoch keine Detektion stattfindet, so dass der Hintergrundlichteinfluss minimiert werden kann.

Bezüglich der schnell schaltbaren Mikrokanalplatte 34 sei angemerkt, dass diese vorzugsweise entweder durch Ansteuerung der Beschleunigungsspannung oder durch Ansteuerung einer Gate-Elektrode, meist eine netzförmige Elektrode auf der Photokathode, oder durch beides zugleich geschaltet werden kann. Die Schaltzeiten liegen typischerweise im Nanosekunden-Bereich oder darunter (zumindest für die Gateelektrode).

Eine andere, in den Zeichnungen nicht näher dargestellte Ausführung, die den vorerwähnten Vorteil einer Minimierung des Hintergrundlichteinflusses nicht aufweist, jedoch ebenfalls anwendbar ist, ist eine Anordnung, bei der die Anzahl der ausgesendeten Laserpulse gesteuert wird (im Gegensatz zur oben beschriebenen Steuerung der Anzahl der empfangenen Laserpulse). Dies kann wiederum entweder durch inhärente Steuerung des Lasers (z.B. mittels eines - nicht dargestellten - Güteschalters in der Laserquelle 11 ) oder durch einen am Laserausgang angebrachten schnellen Schalter (elektrooptischer Schalter, Faserschalter; ebenfalls nicht dargestellt) erzielt werden.

Um die gewünschte Anzahl der zu detektierenden Pulse zu bestimmen, ist gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung 10 und des Messverfahrens vorgesehen, die Intensität auf dem Detektor 35 zu messen und entsprechend keine Pulse mehr weiter aufzuintegrieren (z.B. den Schalter 76 geschlossen zu halten, die Mikrokanalplatte 34 entsprechend zu schalten o.a.), wenn die erforderliche Intensität erreicht ist. Im Falle einer CCD- Kamera ist diese Intensitätsmessung jedoch nicht während der Integration mög- lieh, da zur Bestimmung der Intensität der CCD-Chip ausgelesen werden muss. Eine Möglichkeit besteht aber darin, die Intensität des jeweils letzen Messzyklus zur Intensitätsmessung zu verwenden und darauf basierend die Sollzahl der aufzuintegrierenden Pulse für die nächste Detektion zu bestimmen (welche größer, kleiner oder gleich wie die vorige Pulszahl sein kann). Wenn in mehreren Mess- richtungen gemessen wird, ist dies für jede Messrichtung gesondert durchzuführen.

Wird zudem noch ein Referenzsignal (direktes Lasersignal) von Zeit zu Zeit gemessen, kann dieses Verfahren auch für das Referenzsignal durchgeführt werden und eine optimale Detektorintensität auch bei schwankender Laserleistung erzielt werden. Das beschriebene Verfahren der Verwendung des jeweils letzten Messwerts funktioniert immer dann gut, wenn die Intensitätsänderungen langsam im Vergleich zur Messrate sind. Schnelle Intensitätsänderungen können so nicht oder zumindest nicht vollständig erfasst werden. Es kann dann durchaus vorkommen, dass trotzdem eine Messung überstrahlt ist oder eine zu geringe Intensität aufweist. In diesem Falle ist das beschriebene Vorgehen konsekutiv zu wiederholen, bis man sich im gewünschten Sensitivitätsbereich befindet, oder aber anhand einer Schätzung ein größerer Sprung vorzusehen. Für typische Anwendungen ist dies jedoch hinreichend. Insbesondere werden keine zusätzlichen Detektoren be- nötigt und die Intensität kann sehr einfach aus dem Detektorsignal selbst abgeleitet werden. Ein entsprechender Zähler - beispielsweise durch Hard- oder Software in der Intensitäts-Steuereinrichtung 22 realisiert und daher nicht näher dargestellt - wird dann je nach bestimmter Signal-Intensität der letzten Messung mit einem entsprechenden Wert der für die nächste Messung aufzuintegrierenden Pulszahl beaufschlagt. Diese Werte können kontinuierlich sein. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine stufenweise Anpassung der zu integrierenden Pulszahl vorzugeben (beispielsweise Verdopplung/Halbierung: 1 -2-4-8-16-32-65-128-256- MAX Pulszahl oder additive Erhöhung/Subtraktion 1 -31-61 -91 -...). Es kann je- doch auch aus dem gemessenen Intensitätswert und dem gewünschten ein direkter Proportionalfaktor abgeleitet werden.

In Fig. 8a und 8b sind unterschiedliche Möglichkeiten zur Auslesung des Detektors 35 dargestellt. In dem Beispiel sind bei drei aufeinanderfolgenden Messungen un- terschiedliche Anzahlen von Laserpulsen 81 a, 81 b, 81c aufgenommen worden. Mit 82a, 82b und 82c sind die Gesamt-Integrationszeiten bei der ersten bis dritten Messung bezeichnet.

Wie aus Fig. 8a ersichtlich kann die Gesamt-Integrationszeit 82a, 82b, 82c des Detektors 35 bei einer ersten Verfahrensweise unabhängig von der Anzahl der aufzuintegrierenden Laserpulse bzw. der Länge des aufzuintegrierenden Pulszugs (bei 81 a, 81 b, 81c) fest vorgegeben sein. Fig. 8a zeigt somit eine Verfahrensweise zum Auslesen des Detektors 35 mit festem Auslesetakt.

Fig. 8b zeigt eine Verfahrensweise zum Auslesen des Detektors 35, bei dem die Gesamt-Integrationszeit 82a, 82b, 82c abhängig von der gemessenen Signalintensität ist. Wie bei Fig. 8b bei der mit b bezeichneten Messung dargestellt, können für den Fall ausreichender Intensität bereits wenige Laserpulsen 81 b zur Erzielung der gewünschten Intensität ausreichen, so dass die Gesamt- Integrationszeit 82b (Belichtungszeit) im Vergleich zu der ersten Messung mit der Gesamt-Integrationszeit 82a verkürzt werden kann. Die Auslesung erfolgt dann nach Erreichen der gewünschten Intensität oder nach Erreichen einer aufgrund der Vormessung zu erwartenden Intensität. Die Gesamt-Integrationszeit 82a, 82b, 82c wird gegebenenfalls durch eine vorgegebene Maximalzeit limitiert. In einem wie oben beschriebenen LIDAR-System soll oftmals nicht nur die Änderung der Geschwindigkeit, sondern die Geschwindigkeit selbst gemessen werden. Hierzu wäre die Messung der zeitliche Änderung des Interferenzsignals alleine noch nicht ausreichend. Zum Beispiel wird zur Messung der Geschwindigkeit selbst die Änderung des Interferenzsignals in Bezug auf einen Bezugspunkt (zum Beispiel bekannte Geschwindigkeit oder Geschwindigkeit gleich Null) gemessen. Eine Möglichkeit unter Verwendung der hier dargestellten Direktempfang-Doppler- LIDAR-Vorrichtung 10 besteht im wesentlichen darin, einen Teil des ausgesandten Laserlichts - Laserstrahl 15 - direkt (d.h. ohne Aussenden in die Atmosphäre) in die Detektor-Anordnung 12 zu koppeln. Da dieser Teil des Laserlichts keine Streuung an relativ zum System bewegten Partikeln - Teilchen 17a, 17b, 17c - erfährt, beträgt hier die Dopplerverschiebung 0. Das Signal kann damit als Nullpunkts-Referenzsignal verwendet werden.

Bei einer Ausführung des hier dargestellten Messverfahrens wird dieses Signal nun so gewonnen, dass ein Teil des ausgesandten Signals auf den Detektor 35 geleitet wird und die Anzahl der detektierten Laserpulse 51 nun so gewählt wird, dass keine Sättigung des Detektors 35 auftritt. Typischerweise ist das direkt zuge- führte Signal wesentlich intensiver als das aus der Rückstreuung aus der Atmosphäre gewonnene Signal, so dass auch hier die hier dargestellte Lösung wesentlich zur Verhinderung einer Detektorsättigung und damit Gewinnung eines guten Referenzsignals beiträgt. Diese Messung des Referenzsignals kann nun periodisch oder zufällig im gesamten Messvorgang der LIDAR-Messung erfolgen. Bezugzeichenliste:

10 Direktempfang-Doppler-LIDAR-Vorrichtung

11 Laserquelle

12 Detektor-Anordnung

13 Flugzeug

14 Fenster

15 ausgesendeter Laserstrahl

16 Atmosphäre

17a Teilchen der Luft

17b Teilchen der Luft

17c Teilchen der Luft

18 Streulicht

19 Auswerteeinrichtung

22 Intensitäts-Steuereinrichtung

24 Schalteinrichtung

26 Optik

31 Kollimationsoptik

32 empfangene Strahlung

33 Fabry-Perot-Etalon

34 Mikrokanalplatte

35 Detektor

37 Lichtleitfaser

38 zweite Optik

51 Laserpulse

52 Messung

70 Detektor-Anordnung

76 Schalter

81 a Laserpulse erste Messung

81 b Laserpulse zweite Messung 81 c Laserpulse dritte Messung

82a Gesamt-Integrationszeit erste Messung

82b Gesamt-Integrationszeit zweite Messung

82c Gesamt-Integrationszeit dritte Messung