Die im Nachlauf von Flugzeugen durch Auftrieb generierten, langlebigen Wirbelschleppen stellen aufgrund ihres in Kernnähe starken Windfeldes ein Risiko für die Flugstabilität nachfliegender Flugzeuge dar. Als Fernerkundungsinstrumente zur Windmessung eignen sich sog. Lidars ("Light Detection and Ranging"). Von einem Lidar wird gepulste Laserstrahlung emittiert und die von Partikeln der Atmosphäre rückgestreuten Photonen werden reichweitenaufgelöst wieder am Ort der Emission empfangen. Im Rahmen dieser Dissertation wird die Machbarkeit flugzeuggetragener Lidar-Sensoren zur aktiven Steuerung bei Durchfliegen von Scherwinden und turbulenten Luftströmungen (speziell Wirbelschleppen) mittels realitätsnaher Simulationen untersucht. Dazu wird die Ausbreitung der Photonen des gepulsten Laserlichts des Lidar-Sensors in der Atmosphäre mittels eines partiell deterministischen Markovschen (Sprung-)Prozesses (PDMP) modelliert. Auf einem geeignet gewählten Zustandsraum und mit Übergangswahrscheinlichkeiten, bestehend aus Markov-Kernen für zufällige Kollision, Streuerselektion, Wellenlängenänderung, Richtungsänderung sowie deterministischer Referenzund Stokesvektoränderung, ergibt sich ein zeitdiskreter stationärer Markovscher Prozess. Daraus kann ein zeitstetiger stationärer korpuskularer Prozess mit Mehrfachstreuung, ein PDMP, inklusive Polarisation und Wellenlänge, hergeleitet werden. Dieser Prozess ist in Form eines Monte-Carlo-Programmes zur Simulation mit Mehrfachstreuung und Polarisation realisiert. Für Messentfernungen über mehrere hundert Meter muss Mehrfachstreuung für eine realistische Analyse ebenso berücksichtigt werden wie Polarisation wegen nichtsphärischer Streupartikel in der Atmosphäre. Eine aufgrund der Messanforderungen notwendige, für die Simulationen neu entwickelte Messgeometrie erlaubt die Emission und Detektion der Photonen in viele Einzelrichtungen gleichzeitig, normiert auf Richtung und Distanz. Dadurch kann die rückgestreute Intensität in zur Flugrichtung transversalen Schichtebenen vor einem bewegten Objekt gemessen werden. Realistische Verteilungen von Extinktionskoeffizienten dienen als Maß für das variable Streuvermögen auf dem Photonenpfad. Solche Extinktionsprofne werden unter anderem aus den Konzentrationen passiver Tracerverteilungen von Wirbelschleppen generiert, die über Large-Eddy-Simulationen (LES) durch numerische Lösung von Navier-Stokes-Gleichungen erzeugt werden. Aus dem zu einem Zeitpunkt t1 gegebenen Extinktionsprofil kann für einen kleinen Zeitschritt Δt ein gemäß dem LES-Windfeld zu t1 verschobenes Extinktionsprofil zum Zeitpunkt t2 erzeugt werden. Die aus vielen Richtungen in den Extinktionsprofilen zu Zeiten t1 und t2 rückgestreuten Photonen werden im Lidar-Detektor gesammelt, wodurch 2D-Bilder der Rückstreuung entstehen. Zur Berechnung der 2D-Verschiebungs- bzw. Windvektoren werden vier Methoden entwickelt, bei denen je zwei Bilder miteinander verglichen werden. Zum Ersten kann eine Bewegung durch Verschiebung der räumlich gemittelten Schwerpunktpositionen erfasst werden. Der Schwerpunkt wird dabei als Position des Mittelwertes aufgefasst. Zum Zweiten wird ein Algorithmus entwickelt, der über das Shift-Theorem für Fourier-Transformierte eine Berechnung der Translation erlaubt. Zum Dritten lassen sich Windvektoren durch eine Variante der Kreuzkorrelation mit Subpixelgenauigkeit statistisch berechnen. Zum Vierten kombiniert eine neue, als Weight-Shift" bezeichnete Methode die Prinzipien von Kreuzkorrelation und Verschiebung der räumlich gemittelten Schwerpunktpositionen. Berechnungen in Echtzeit im Flugzeug sind im Prinzip mit allen vier Methoden möglich. Je nach Extinktionsmuster und Windfeld sind die Methoden unterschiedlich gut zur Auswertung geeignet. Die Rückstreuintensitäten der Simulationen obigen Lidars für variable Laser-Wellenlängen und Flughöhen werden mit durch Zufallszahlen erzeugtem Rauschen versehen. Kreuzkorrelation liefert für Wirbelschleppen eine Auswertung solcher verrauschten Signalbilder in weniger als einer Sekunde. Die zur Flugrichtung transversalen Wind-Geschwindigkeiten und -Richtungen ließen sich mit dem simulierten Lidar sehr viel genauer rekonstruieren als mit bisherigen Lidar-Windmessmethoden.

    The long-lived wake vortices generated by lift behind aircraft pose a severe risk to the flight stability of following aircraft due to their powerful wind field near the core. Lidars ("Light detection and ranging") are suited remote sensing instruments for wind measurements. A lidar emits pulsed laser radiation and the photons backscattered by the particles of the atmosphere are received range resolved at the point of emission. Within the scope of this dissertation the feasibility of aircraft-based lidar sensors for active control at fly-throughs of crosswinds and turbulent air motion (especially wake vortices) is investigated by realistic simulations. For this the propagation of the photons of pulsed laser light of the lidar sensor in the atmosphere is modelled by a partially deterministic Markovian process (PDMP). On a suitably chosen state space and with transition probabilities including Markov kernels for random collision, scatterer selection, change of wavelength, change of direction as well as deterministic change of reference and Stokes vector, a time-discrete stationary Markovian process is constructed. Prom this stationary corpuscular process with multiple scattering in continuous time, a PDMP, including polarization and wavelength can be derived. This process is transferred in the form of a Monte Carlo program for simulations including multiple scattering and polarization. For measurement distances of a few hundred meters multiple scattering has to be taken into consideration for realistic analyses as well as polarization due to non-spherical scattering particles in the atmosphere. With a newly developed measurement geometry for the simulations, necessary due to the measurement requirements, emission and detection of photons in a multitude of single directions simultaneously and normalized relating to direction and distance is possible. This way the backscattered intensity can be measured in slabs transverse to flight direction in front of a moving object. Realistic distributions of extinction coefficients serve as a measure for the variable scattering potential on the photon path. Such extinction profiles are created for instance from the concentrations of passive tracer distributions of wake vortices that were generated with Large Eddy Simulations (LES) by solving the Navier-Stokes equations numerically. From the extinction profile at a time t1 for a small time step Δt a shifted extinction profile at a time t2 can be created by using the wind field from LES. The photons backscattered from many directions in the extinction profiles at times t1 and t2 are collected in the lidar detector, whereby 2D images of backscattered radiation are created. For the calculation of 2D shift or wind vectors four methods are developed, that compare two images with each other. The first one uses shifts of spatially averaged gravity centers for detecting motion. The gravity center is interpreted here as the position of the mean value. The second one is an algorithm that makes use of the shift theorem for Fourier transforms in order to calculate the translation. The third one calculates the wind vectors statistically by a variant of the cross-correlation with sub-pixel accuracy. The fourth one, called "Weight-Shiff-method", combines the principles of cross-correlation and shifts of spatially averaged gravity centers. Real-time processing in the aircraft is possible with all four methods in principle. Depending on the extinction pattern and wind field, the methods are suited for evaluation differently well. The backscattering intensities of simulations of the above lidar for variable laser wavelengths and flying altitudes are provided with noise created by random numbers. Cross-correlation of such noisy signal images for wake vortices yields an evaluation in less than one second. The wind velocities and directions transversal to the flight path could be reconstructable much more precisely with the simulated lidar than with present lidar wind measurement methods.


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    Title :

    Beiträge zur Erfassung von Wirbelschleppen mit Lidar: Simulation und Analyse rückgestreuter Signale zur Windfeldbestimmung vor Flugzeugen


    Contributors:


    Publication date :

    2014


    Size :

    188 Seiten, Bilder, Tabellen, 200 Quellen



    Type of media :

    Theses


    Type of material :

    Print


    Language :

    German