Doppler Lidar

Aktives Fernerkundungsinstrument zur Bestimmung von Luftströmungen in der Atmosphäre
Doppler Lidar des KITcube

Doppler-Lidar Systeme sind aktive Fernerkundungsgeräte die in erster Linie zur Bestimmung von Luftströmungen in der Atmosphäre aus Aerosol-Streustrahlung eingesetzt werden. Zusätzlich lassen sich aus den Messungen Informationen über die Schichtung z.B. die Grenzschichthöhe sowie Höhen von Wolkenuntergrenzen ableiten.

Ein Doppler-Lidar System besteht aus einem Laser-Transceiver, in dem Laserlicht erzeugt, in das interessierende atmosphärische Volumen gesendet und die rückgestreute Energie sowie die Dopplerverschiebung bestimmt wird. Als Streuer dienen Aerosolteichen in der Atmosphäre, welche keine Eigenbewegung haben, also mit der Strömung mitgetrieben werden und somit den Wind repräsentieren. Üblicherweise werden gepulste Infrarotlaser im Wellenlängenbereich 1.5 – 2 µm verwendet, sodass anhand der Signallaufzeit die Entfernung aus welcher die Messung stammt bekannt ist. Die Bestimmung der Windgeschwindigkeit erfolgt für Entfernungsgatter (Längenintervalle) von 25 bis 100 m Länge, prinzipbedingt jedoch nur in radialer Richtung (Strahlrichtung) über die Frequenzänderung durch den Doppler-Effekt. Um verschiedene atmosphärische Volumina zu untersuchen und die Komponenten des Windes zu messen, wird der Laserstrahl mit einem Ausrichtungsmechanismus (Scanner) in verschiedene Richtungen gelenkt. Einfache 1-Achs Scanner mit festem Prisma erlauben die Bestimmung des Windprofils, 2-Achs Scanner ermöglichen die Abtastung des gesamten oberen Halbraums, mehrere, koordiniert angesteuerte Geräte in Dual- oder Multi-Doppler Anwendungen ermöglichen die Bestimmung des Windvektors an virtuellen Masten oder über Größere Gebiete entlang von Schnittlinien.

Während in den 1990er Jahren erste Forschungsgeräte in den USA zum Einsatz kamen, und ab 2000 erste kommerziell erhältliche Geräte verfügbar wurden, hat sich durch den Bedarf in der Windkraftindustrie Doppler-Lidar mittlerweile als Standardfernerkundungstechnik etabliert und Sodar weitestgehend abgelöst.

Am KITcube sind insgesamt 10 bodengebundene Doppler-Lidar Systeme sowie ein flugzeuggetrages System im Einsatz. 

 

 

Kleine Doppler Lidar-Systeme mit 1-Achs Scanner zur Bestimmung des Windprofils:

  • Leosphere WLS7 / Windcube 2.1 max. 380 m Höhe

  • Leosphere WLS8 max. 600 m Höhe

Systeme mittlerer Leistung mit 2-Achsen Scanner, max. 6 km Reichweite:

  • Leosphere WLS200s

Leistungsstarke Systeme mit 2-Achsen Scanner, > 10 km Reichweite:

  • Lockheed Martin WindTracer HYB

  • Lockheed Martin WindTracer WTX

Weitere Informationen:
Probing the atmospheric boundary layer with Doppler lidar