Doppler Lidar

Aktives Fernerkundungsmessgerät zur Bestimmung von Wind

Doppler-Lidar Systeme sind aktive Fernerkundungsgeräte zur Bestimmung von Wind aus Aerosol-Streustrahlung. 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, der Laserlicht in das betrachtete atmosphärische Volumen aussendet. Normalerweise werden gepulste Laser mit einer Infrarot-Wellenlänge zwischen 1,5 µm und 2 µm verwendet, die eine unsichtbare und augensichere Laserstrahlung erzeugen. Aufgrund der Streuung des Lichts an Aerosolen wird ein Teil des Lichts zum Messgerät zurück reflektiert. Die Wellenlänge des zurückgestreuten Lichts ist in Abhängigkeit der Geschwindigkeit des rückstreuenden Aerosolpartikels in Richtung des Laserstrahls Doppler-verschoben. Da die Aerosolpartikel mit dem Wind transportiert werden, kann die Windgeschwindigkeit in Laserstrahlrichtung aus der gemessenen Dopplerverschiebung bestimmt werden. Der Abstand des Rückstreuers vom Messgerät wird über die Laufzeit des Lichts zwischen Aussendung und Messung bestimmt. Das ermöglicht die Auflösung der Windgeschwindigkeit in verschiedenen Entfernungen.
Die Messung der Dopplerverschiebung ermöglicht die Bestimmung der Windgeschwindigkeit nur in Richtung des Laserstrahls (Radialgeschwindigkeit). Um den 3D Windvektor (Abb. 3) bestimmen zu können, sind Messungen in verschiedene Richtungen nötig. Dazu kann der Laserstrahl mit einem Ein-Achsen-Scanner (z. B. mit einem festen Prisma) oder mit Zwei-Achsen-Scannern (siehe WLS200s in Abb. 1 oder WindTracer HYB in Abb. 2) gesteuert werden.

Der koordinierte Betrieb mehrerer Doppler Lidare ermöglicht Dual-Doppler und Multi-Doppler Anwendungen bei welchen der Windvektor an spezifischen Orten aus sich überschneidenden Messungen der verschiedenen Doppler Lidare bestimmt wird. Das ermöglicht 2D Windmessungen über größere Bereiche (siehe Abb. 4) oder an sogenannten virtual towers.

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

Drei kleine Doppler Lidar-Systeme mit 1-Achs Scanner zur Bestimmung von niedrigen vertikalen Windprofilen:

  • Leosphere WLS7 / Windcube 2.1 (max. 350 m Höhe)

  • Leosphere WLS8 (max. 600 m Höhe)

Fünf Doppler Lidar Systeme mittlerer Leistung mit 2-Achsen Scanner, die die gesamte Grenzschicht untersuchen können:

  • Leosphere WLS200s

Zwei leistungsstarke Doppler Lidar Systeme mit 2-Achsen Scanner, die mehr als 10 km Reichweite ermöglichen:

  • Lockheed Martin WindTracer HYB

  • Lockheed Martin WindTracer WTX

Um die Prozessierung von Daten verschiedener Typen von Doppler Lidar-Systemen zu ermöglichen haben wir das Atomspheric Profile Processing toolKIT (AtmoProKIT) entwickelt. Die Software berechnet qualitätskontrollierte veritkale Windprofile aus heterogenen Doppler Lidar Messdaten, das heißt unabhängig vom Systemtyp, Datenerfassungseinstellungen oder dem angewandten Scanmuster. Abb. 3 zeigt mit AtmoProKIT berechnete Windprofile.

Weitere Informationen:
Präsentation Probing the atmospheric boundary layer with Doppler lidar
Doppler Lidar Windprofil Retrieval Software AtmoProKIT

Doppler Lidar WLS200s in Stuttgart Andreas Wieser
Abb. 1: Doppler Lidar WLS200s in Stuttgart
Abb. 2: Doppler Lidare WindTracer HYB (Hintergrund) und WLS8 (Vordergrund) des KITcubes während der DESERVE Kampagne.
3D Windprofil von Schallstadt während Swabian MOSES 2023. Die horizontalen Windvektorkomponenten sind u und v, w beschreibt den vertikalen Wind.
Abb. 3: Vertikales 3D Windprofil von Schallstadt während Swabian MOSES 2023. Ein Windvektor setzt sich aus den horizontalen Komponenten u und v, sowie diem Vertikalwind w zusammen.
Abb. 4: Vertikalwind im Inntal, berechnet aus den Messungen von drei Doppler Lidaren (Dreiecke) im Multi-Doppler Betrieb.