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 beschaftigt sich mit der Entwicklung und dem Test eines Empfangerprototyps fur die einachsige Messung von Windgeschwindigkeiten in der Atmosphare. Ein Lidarsensor auf Basis dieses Prototyps soll langfristig die Vision einer automatischen Ausregelung von Turbulenzen, Boen und Wirbelschleppen ermoglichen und so auf allen Flughohen den Komfort verbessern, Unfallen vorbeugen, und zur Gewichtsreduktion im Flugzeugbau beitragen. Hierfur werden zunachst unterschiedliche direkte Doppler-WindLidar (DWL) Empfangerkonzepte hinsichtlich der Sensoranforderungen dieser Anwendung theoretisch verglichen. Kriterien sind die Leistungsfahigkeit als spektraler Analysator, ihre Entfernungsauflosung, die Messbarkeit bei geringen Aersosolkonzentrationen, sowie der Uberlapp in Nahdistanz, und ihre Komplexitat. Auf Basis dieser Kriterien wird ein streifenabbildendes Verfahren beruhend auf einem Michelson-Interferometer ausgewahlt, welches eine Kompensation der im Nahfeld auftretenden Winkelverteilungen ermoglicht. 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 Partikelruckstreuverholtnisses. Das Konzept wird durch Berechnungen und End-to-end Simulationen evaluiert. Ein fasergekoppelter Aufbau wird konzipiert. Der Empfangerprototyp wird dann realisiert und charakterisiert. Ein monolithisches Michelson Interferometer soll thermomechanische Stabilitat gewahrleisten und wird hinsichtlich optimaler Leistungsfahigkeit 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 durchgefuhrt und der Empfanger wird aufgebaut. Zu diesem Zweck werden Verstarkerelektroniken 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 Specklerauschunterdruckung untersucht. Fur Validierungsmessungen wird ein Auswertealgorithmus der Interferenzstreifen entwickelt, welcher eine Korrektur der Beleuchtung des Interferometers beinhaltet. Fur die Bestimmung der Streifenposition wird ein Downhill-Simplex-Algorithmus verwendet. Im Januar 2018 wurden mit dem aufgebaute Empanger bodengestutzten einachsige Windgeschwindigkeitsmessungen durchgefuhrt und mit Referenzmessungen eines koharenten 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 Auflosung von 30 m in Entfernungen von 50 m und 76 m erlaubt. Allerdings zeigt sich auch ein entfernungsabhangiger systematischer Fehler von einigen m/s, dessen Zeitabhangigkeit durch eine Anderung der Beleuchtung hervorgerufen wird, und der korrigiert werden muss. Nach der Korrektur ist die relative Prazision beider Lidarsysteme um die 0.7 m/s fur den Fall dass jeweils uber ein halbe Sekunde gemittelt wird. Weitere vertikal orientierte Windgeschwindigkeitsmessungen im Marz 2018 erlauben langreichweitige (bis 900 m), entfernungsaufgeloste Messungen mit dem Empfangerprototyp. Ein Vergleich mit den Anforderungen fur das Aussteuern von Wirbelschleppen mit einer erforderlichen Messrate von mehr als 45 Hz bei gleichzeitiger Messunsicherheit kleiner 1 m/s ergibt dass der Empfanger diesen Anforderungen noch nicht entsprechen kann. In Zukunft sind Verbesserungen der Effizienz des Empfangers, der Temperaturstabilisierung, sowie der Beleuchtungsfunktionskorrekturroutine erforderlich.