Entwicklung einer Messsonde für die vektorielle Laser-Doppler-Anemometrie

Kurzfassung

Für die Steuerung eines Flugzeugs ist es wichtig, Kenntnis über die, den momentanen Flugzustand beschreibenden, Flugparameter zu besitzen. Zu diesen Parametern zählt auch die Windgeschwindigkeit, die mithilfe von Prandtl-Rohren indirekt über eine Druckdifferenz gemessen wird. Gegenüber diesen mechanischen Messmethoden bieten laser-optische Verfahren eine Vielzahl von Vorteilen. Beispielsweise sind alle optischen Messverfahren berührungslos und nicht-intrusiv. Die Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) dient zur unmittelbaren Ermittlung der relativen Windgeschwindigkeit. Das Grundprinzip dieser Technik besteht in der Detektion von Partikelbewegungen in einem zu untersuchenden Medium. Dabei spielt der Doppler-Effekt für die Ermittlung der Geschwindigkeit eine entscheidende Rolle. Mithilfe von mindestens drei LDA-Kanälen ist es möglich, sowohl den Betrag als auch den Richtungsvektor aus den gemessenen Winddaten zu rekonstruieren. Somit können mit dieser Technik insbesondere auch der Anstell- sowie der Schiebewinkel bestimmt werden. Die zentrale Besonderheit der in dieser Arbeit entwickelten Messsonde ist die Vereinigung der vektoriellen LDA mit der FMCW-Lidar-Methode (frequenzmoduliertes Dauerstrich-Lidar), die zur Bestimmung von Entfernungen eingesetzt wird. Um diese Kombination realisieren zu können, wird eine spezielle asphärische Optik benötigt. In der Sonde sind zwei 1"-Asphären in einem Abstand von 50mm zueinander verbaut. Diese Anordnung hat zur Folge, dass der Laserstrahl einer zentral eingebauten Faser kollimiert wird (FMCW-Lidar). Die Laserstrahlen von vier kreisförmig um dieses Zentrum angeordneten Fasern werden durch die Asphären in einem Abstand von 500mm zur Abbildungsoptik fokussiert (LDA). In zwei Laborversuchen wird die Funktionsfähigkeit des verwendeten LDA-Systems demonstriert. Verglichen mit einer mehrfachen Einkanalmessung liefert dieses Mehrkanalsystem aufgrund der simultan durchführbaren Messungen deutlich genauere Ergebnisse. Ein aus den gemessenen Abweichungen berechneter 3σ-Wert liegt mit 0.173° unter den in der ARINC 738 vorgegebenen Genauigkeitswerten von ±0.25°. In einem Feldversuch wird die entwickelte Messsonde erfolgreich getestet. Dabei dienen die von einem Ultraschallanemometer gemessenen Parameter als Vergleich. Das eingesetzte System ist in der Lage die gestreuten Signale der Partikel sowohl homodyn als auch heterodyn zu detektieren. Unter Verwendung dieser beiden Methoden kann nach der Rekonstruktion des Windvektors ein vertikaler Versatz zwischen den Messergebnissen der verglichen Messsysteme beobachtet werden. Dieser Unterschied lässt sich durch die Reduzierung auf ein zweidimensionales Problem in der horizontalen Ebene kompensieren. Des Weiteren ist auch ein Betrieb der Messsonde mit niedrigen Laserleistungen von unter 1W möglich. Neben der demonstrierten Qualifikation für die vektorielle LDA wird in einer weiteren Labormessreihe zusätzlich die FMCW-Lidar-Technik erfolgreich mit der entwickelten Messsonde als Transceiver-Optik angewendet. Die Abweichung zu den dabei detektierten Objekten beträgt in einem Abstand von 8.1m höchstens 22 cm, während der Unterschied in einer Entfernung von 2.4m mit höchstens 12 cm gering ausfällt. Somit ist es möglich die vorgestellte Messsonde gleichzeitig als Transceiver-Optik für die LDA und die FMCW- Lidar-Technik einzusetzen.