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Erfolgreiche Vergleichsmessung mit PTB-Wind-Lidar-System

20.10.2014

Ein neu entwickeltes Lidar-System erlaubt die vektorielle Bestimmung der Windgeschwindigkeit anhand des Streulichts einzelner Aerosole innerhalb eines räumlich hochaufgelösten Messvolumens in Höhen von 5 m bis über 200 m mit einer Geschwindigkeitsauflösung von 0,1 m/s. Im Gegensatz zu konventionellen Wind-Lidar-Systemen, welche für die präzise Messung des Windvektors nahezu homogene Strömungsfelder im Umkreis von 100 m voraussetzen, kann das von der PTB entwickelte Wind-Lidar damit auch in komplexen Geländestrukturen eingesetzt werden.

Lidar-Systeme ermöglichen die bodengestützte Messung von Windgeschwindigkeiten, indem ausgesendetes Laserlicht an Partikeln (Aerosolen) in der Strömung gestreut und wieder empfangen wird. Die aufgrund des Dopplereffekts entstandene Frequenzverschiebung des Streulichts wird ausgewertet und dient zur Bestimmung der Geschwindigkeit des Aerosols.

Konventionelle, sogenannte monostatische Wind-Lidar-Systeme erfassen dabei nur die Geschwindigkeitskomponente in Strahlrichtung, so dass sie zur Bestimmung eines Windvektors ihren Laserstrahl in verschiedene Richtungen schwenken müssen, wie in Bild 1 links dargestellt ist. Voraussetzung für dieses Verfahren sind nahezu homogene Strömungsfelder im Schwenkbereich des Laserstrahls, also im Umkreis bis zu 100 m. In komplexen Geländestrukturen jedoch können Inhomogenitäten des Strömungsfeldes zu Messabweichungen in der Größenordnung von 10 % führen.


Bild 1: Monostatischer (links) und bistatischer (rechts) Lidar-Aufbau

Im Gegensatz hierzu nutzt das von der PTB neu entwickelte, sogenannte bistatisches Wind-Lidar-System eine Sendeeinheit (TX) und drei Empfangseinheiten (RX), wie in Bild 1 rechts dargestellt ist. Dies erlaubt die Bestimmung des Geschwindigkeitsvektors einzelner Aerosole, so dass Inhomogenitäten des Strömungsfeldes die Messung nicht verfälschen können. Zudem ermöglicht die gleichzeitige Bestimmung aller Geschwindigkeitskomponenten eine hohe Zeitauflösung und das räumlich stark begrenzte Messvolumen von unter einem Kubikdezimeter eine hohe Ortsauflösung.

Zur Charakterisierung wurden mit einem Versuchsaufbau des PTB-Systems auf einer Basis von 2 m × 2 m Vergleichsmessungen sowohl mit einem kalibrierten Ultraschall-Anemometer als auch mit einem konventionellen Lidar-System durchgeführt. Der in Bild 2 dargestellte Vergleich mit den Messwerten des an einem 10 m hohen Masten montierten Ultraschall-Anemometers in flachem Gelände zeigt eine mittlere systematische Abweichung im Bereich von einem Prozent. Ein in 200 m Messhöhe  ebenfalls über flachem Gelände durchgeführter Vergleich zwischen dem neu entwickelten bistatischen und einem konventionellen monostatischen Wind-Lidar-System ist in Bild 3 dargestellt. Hier zeigen die Mittelwerte der über eine Stunde aufgenommenen Geschwindigkeitswerte ebenfalls eine Abweichung im Bereich von einem Prozent. Hingegen zeigten erste Messungen im komplexen Gelände Abweichungen von bis zu 15 % zwischen dem konventionellen und dem PTB-System.

Bild 2: Vergleich der gemessenen Geschwindigkeiten zwischen dem bistatischen Wind-Lidar und einem kalibrierten Ultraschall-Anemometer auf 10 m Messhöhe.

Bild 3: Zeitverlauf der Windgeschwindigkeit 200 m über flachem Gelände, gemessen mit dem bistatischen Wind-Lidar und einem konventionellen, monostatischen Wind-Lidar.

Die vorgestellten Vergleichsmessungen zwischen dem bistatischen Wind-Lidar, einem kalibrierten Ultraschallanemometer und einem konventionellen monostatischen Wind-Lidar-System sind ein erster Schritt auf dem vielversprechenden Entwicklungsweg des PTB-Lidar-Systems zu einem Bezugsnormal für auf die SI-Einheiten rückgeführte Windgeschwindigkeitsmessungen mit hoher Zeit- und Ortsauflösung und unabhängig von der Geländestruktur.

Literatur:

[1] M. Eggert, C. Gutsmuths, H. Müller, H. Többen: „Zeitaufgelöste, vektorielle Vergleichsmessungen zwischen dem Doppler-Lidar-Transfernormal der PTB und einem Referenz-Ultraschallanemometer“, Proceedings der 22. GALA-Fachtagung "Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik", 11/1-11/8, 2014

Ansprechpartner:

Michael Eggert, FB 1.4, AG 1.41, E-Mail:Opens window for sending email michael.eggert(at)ptb.de