1 Einleitung und kurzer Überblick .............................. 1
1.1 Gefährdung der Flugsicherheit in turbulenter
Atmosphäre .............................................. 1
1.2 Lidar-Sensoren an Bord von Flugzeugen ................... 4
1.3 Anforderungen an Windmessungen vor Flugzeugen mit Lidar
im kleinskalig-turbulenten Bereich ...................... 5
2 Monte-Carlo Simulationen eines gepulsten Laserstrahles
zur Berechnung polari-sierter Lidar-Rücksignale ............. 11
2.1 Partiell deterministische Markovsche Sprungprozesse
und Streueigenschaften zur Modellierung des
Lichttransports ........................................ 11
2.2 Messmethodik eines geeigneten Rückstreulidars (RSL)
für Simulationen und Realität .......................... 21
2.3 Monte-Carlo-Simulationen eines RSL mit pbs5:
Allgemeine Funktionsweise von pbs und Neuerungen in
pbs5 ................................................... 23
2.3.1 Der Lidar-Emitter (Laser) in pbs5 ............... 24
2.3.2 Der Lidar-Receiver (Detektor) in pbs5 ........... 28
2.3.3 Atmosphäre in pbs5: Extinktionsfunktion
und Streueigenschaften .......................... 29
2.3.4 Messzeitintervalle und Intensitäten in
pbs5-Simulationen ............................... 33
3 Eigenschaften turbulenter Strömungen in der Atmosphäre ...... 41
3.1 Navier-Stokes-Gleichungen (NSG) zur Beschreibung
(in)kompressibler Strömungen ........................... 41
3.2 Modellierung von Wirbelschleppen mittels Large Eddy
Simulation (LES) ....................................... 44
3.2.1 Numerische Lösungsmethoden für
instationäre, inkompressible NSG ................ 45
3.2.2 Mathematisch-numerische Modellierung mittels
LES ............................................. 46
3.2.3 Wirbel, Schichtung, Turbulenz und
Anfangsbedingungen für LES ...................... 50
3.2.4 Resultate von LES ............................... 54
4 Berechnung von Shift-Vektoren zur Darstellung von
Windfeldern ................................................. 57
4.1 Formulierung und Implementierung der neuen Shift-
Verfahren .............................................. 57
4.1.1 Gravity Center Shift (GCS): räumlich
gemittelte Schwerpunkt-Shifts ................... 61
4.1.2 Fourier-Shift (FS) .............................. 66
4.1.3 Kreuzkorrelation (KK) ........................... 73
4.1.4 Weight-Shift (WSh): Kreuzkorrelation mit
Gravity Center Shift ............................ 80
4.2 Anwendung und Vergleich der Leistungsfähigkeit der
Shift-Algorithmen ...................................... 82
4.2.1 Shifts einfacher Strukturen ..................... 82
4.2.2 Shifts aus Pulse-Stretching-Simulationen mit
pbs4 ............................................ 87
4.2.3 Shifts ringförmiger Strukturen .................. 94
4.2.4 Shifts aus Tracer-Simulationen .................. 94
5 Simulationen der Signale eines Rückstreulidars zur
Messung des transversalen Windes von Wirbelschleppen vor
Flugzeugen ................................................. 101
5.1 Rückstreulidar in Bodennähe bei 532 nm Wellenlänge .... 102
5.2 Rückstreulidar in großer Flughöhe bei
532 nm Wellenlänge .................................... 118
5.3 Rückstreulidar in Bodennähe bei 355 nm
Wellenlänge ........................................... 121
5.4 Rückstreulidar in großer Flughöhe bei 355 nm
Wellenlänge ........................................... 123
5.5 Rückstreulidar für alternative
Extinktionsverteilungen und mehrere Messschichten zu
einem Einzelzeitpunkt ................................. 125
6 Zusammenfassung ............................................ 139
A Auf Streuung von Laserstrahlung basierende (Wind-)
Messmethoden ............................................... 143
A.l Particle Imaging Velocimetry (PIV) .................... 143
A.2 Speckle Imaging Velocimetry (SIV) ..................... 144
A.3 Wide Angle Imaging Lidar (WAIL) ....................... 147
A.4 Volume Imaging Lidar (VIL) ............................ 148
В Windmessung mit Doppler Wind Lidar vor Flugzeugen ........... 149
B.l Fringe-Imaging Doppler Wind Lidar (FI-DWL):
Simulation von und hochpräzise Wel-
lenlängenbestimmung aus verrauschten 2D Fabry-Perot-
interferometrischen Ringen ............................ 151
B.2 3D Ray-Tracing-Simulationen eines Fabry-Perot-
Etalons ............................................... 155
Literaturverzeichnis .......................................... 161
Abbildungsverzeichnis ......................................... 173
Tabellenverzeichnis ........................................... 176
Abkürzungsverzeichnis ......................................... 177
Symbolverzeichnis ............................................. 179
Index ......................................................... 185
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