Ανάπτυξη έξυπνου επιχειρησιακού συστήματος 3-διάστατης σάρωσης laser για τη μέτρηση μετεωρολογικών παραμέτρων στην ατμόσφαιρα με συστήματα τηλεπισκόπησης laser (τεχνική 3D Lidar) με εφαρμογή στην ασφάλεια πτήσεων σε αεροδρόμια

Abstract

The subject of this Doctoral Thesis is the study of a new innovative three-dimensional (3D) Light Detection And Ranging (LIDAR) system for measuring meteorological and atmospheric parameters with applications in transportation(Aviation-Flight Safety-Air Aviation Management, Marine Navigation, Spaceapplications, etc) and Meteorology (Visibility and wind speedmeasurement, fog detection, etc). This system is based on the laser remote sensing technique with laser transmittance, able to provide information on atmospheric parameters, by exporting user “products” such as: Vertical - Horizontal and Slant Visual Range (3D Visibility or Slant Visual Range - SVR), Runway Visual Range (RVR) or road network Visibility, height - thickness and cloud layout as well as their optical geometry, detection of Atmospheric Layers and their precise categorization (such as fog, haze) as well as height and wideness of those, 3D Planetary Boundary Layer Height (Vertical or 3D PBLH) and 2D / 3D wind velocity without any necessary use of additional expensive equipment, such as the Doppler lidar or radar device. Such a device is based on its ability to perform measurements of atmospheric parameters remotely and in 3D, even in inhomogeneous atmospheric conditions, in contrast to the existing conventional instrumentation, to the above mentioned applications, where in situ measurements are performed as main way of measurement. This greatly helps Airport Air Traffic Controllers and their Meteorologists and it results in a significant reduction in aircraft overall flight time and fuel consumption, a reduction in CO2 emissions and other pollutants in the area, a reduction in flight costs and so in this way this project contributes to the ecology of the area and to the economy and increases the capacity of the Airport to be able to control a lot more aircrafts at the same time. The implementation of such a device at the airports is about to change the future, but in a positive way, of the standardization and its limits, of atmospheric measurements devices by the International Civil Aviation Organization (ICAO) and / or International Maritime Organization (ΙΜΟ) and Weather Meteorological Organization (WΜΟ), as in the case of visibility and scatterometer, where it now accepts as such a device can provide visibility up to distances of 10 km with only in situ (local) measurements. It will also challenge the formal, reliable but expensive way, that PBLH is produced today with the radiosondes method and the limitations that in situ measurements are bound from in space and time. This Doctoral Thesis is developed under the prism of the above mentioned applications and with the aim of integrated research. Ιn the 1st Chapter, the structure of the Atmosphere and definition of visibility is presented. Continuing to Chapter 2, a bibliographical survey around lidar technique and its applications is presented. In Chapter 3, the currently existing techniques for measuring the visibility, the PBLH and wind speed are presented. In Chapter 4, the lidar system is presented as a meteorological device through corresponding simulations, for the type (and emission wavelength) of the laser that can be used for the device under investigation. Then, in Chapter 5, lidar signal processing techniques and algorithms developed in this PhD are analyzed, while in Chapter 6, the conclusions and perspectives of all, of this Thesis, are presented. Finally, in the Appendix, we present the atmospheric measuring devices present today worldwide.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη ενός έξυπνου συστήματος Light Detection And Ranging (LIDAR), τριών διαστάσεων (3D), με βασική εφαρμογή στη μέτρηση μετεωρολογικών και ατμοσφαιρικών παραμέτρων και εφαρμογές στις μεταφορές (Αεροπλοΐα-ασφάλεια των πτήσεων-διαχείριση εναέριας κυκλοφορίας, ναυσιπλοΐα, Διαστημική κλπ.), και τη Μετεωρολογία (μέτρηση ορατότητας και ταχύτητας ανέμου, καταγραφή ομίχλης κλπ.). Το σύστημα αυτό βασίζεται στην ενεργό τηλεπισκόπηση (active Remote Sensing) με χρήση δέσμης laser, προκειμένου να παρέχει πληροφορίες παραμέτρων της ατμόσφαιρας, εξάγοντας «προϊόντα» - πληροφορίες όπως: Kάθετη - Οριζόντια και Επικλινής Ορατότητα (3D Visibility or Slant Visual Range - SVR), Ορατότητα διαδρόμου Απο-Προσγείωσης αεροδρομίων (Runway VisualRange - RVR) ή οδικού δικτύου, διάταξη νεφών και οπτική γεωμετρία τους, εντοπισμός ατμοσφαιρικών στρωματώσεων και ακριβής κατηγοριοποίησή τους (πχ.υγρά αχλύς, ομίχλη), ύψος και πάχος αυτών, 3D καταγραφή του ύψους του Ατμοσφαιρικού Οριακού Στρώματος (ΑΟΣ ή Planetary Boundary Layer Height), αλλά και την ταχύτητα ανέμου σε 2D / 3D χωρίς την αναγκαστική χρήση επιπλέον ακριβού εξοπλισμού, όπως για παράδειγμα συστήματα Doppler lidar ή radar. Τα οφέλη μιας τέτοιας συσκευής lidar, ανάγονται στην ικανότητά της να πραγματοποιεί μετρήσεις ατμοσφαιρικών παραμέτρων ακόμα και σε ανομοιογενείς ατμόσφαιρες από απόσταση και σε 3D, σε αντίθεση με την υπάρχουσα συμβατική οργανολογία που στηρίζεται σε επιτόπιες (in situ) μετρήσεις. Ειδικότερα, με τον τρόπο αυτό, μπορεί να βοηθηθούν σημαντικά οι Ελεγκτες Εναερίου Κυκλοφορίας (ΕΕΚ) των αεροδρομίων και οι μετεωρολόγοι αυτών και έχει ως αποτέλεσμα, την σημαντική μείωση του συνολικού χρόνου πτήσης και της κατανάλωσης καυσίμων από τα αεροσκάφη, τη μείωση των εκπομπών CO2 και άλλων αέριων ή σωματιδιακών ρύπων στο περιβάλλον, αλλά την μείωση του κόστους πτήσης. Παράλληλα, το όλο εγχείρημα συμβάλλει στην βιώσιμη ανάπτυξη και την ενίσχυση της οικονομίας, καθώς και την αύξηση ικανότητας των αεροδρομίων να ελέγχουν περισσότερα αεροσκάφη στον ίδιο χρόνο. Η υλοποίηση μίας τέτοιας συσκευής στα αεροδρόμια, προβλέπεται να αλλάξει μελλοντικά, με θετικό τρόπο, τα όρια -προτυποποίηση των συσκευών ατμοσφαιρικών μετρήσεων από τον International Civil Aviation Organization (ICAO) ή / και International Maritime Organization (ΙΜΟ), Weather Meteorological Organization (WΜΟ), όπως στην περίπτωση μέτρησης της ορατότητας από scatterometer, όπου σήμερα γίνεται αποδεκτό ότι η συσκευή αυτή, μπορεί να παρέχει την ορατότητα σε αποστάσεις έως 10 km με επιτόπιες μετρήσεις, καθώς και τον αξιόπιστο, αλλά αρκετά κοστοβόρο και τοπικό σε χώρο και χρόνο, τρόπο εύρεσης ύψους του ΑΟΣ με την τεχνική των ραδιοβολίσεων. Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή αναπτύσεται υπό το πρίσμα των παραπάνω εφαρμογών και με στόχο την ολοκληρωμένη έρευνα. Στο Κεφάλαιο 1 παρουσιάζεται η δομή της Ατμόσφαιρας και ορίζεται η ατμοσφαιρική ορατότητα. Συνεχίζοντας στο 2ο Κεφάλαιο αναφέρεται μία βιβλιογραφική έρευνα της τεχνικής lidar και εφαρμογών αυτής. Στο Κεφάλαιο 3, παρουσιάζονται οι υφιστάμενες τεχνικές μέτρησης της μετεωρολογικής ορατότητας, του ύψους του Ατμοσφαιρικού Οριακού Στρώματος (ΑΟΣ) και της ταχύτητας του ανέμου. Στο Κεφάλαιο 4, παρουσιάζεται το σύστημα lidar ως μετεωρολογική συσκευή, καθώς και το είδος (και το μήκος κύματος εκπομπής) του laser που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αναφερόμενη συσκευή, με αντίστοιχες προσομοιώσεις. Ακολούθως,στο Κεφάλαιο 5, αναλύονται οι αναπτυχθέντες τεχνικές και οι αντίστοιχοι αλγόριθμοι επεξεργασίας σημάτων lidar στο πλαίσιο του Διδακτορικού αυτού, ενώ, τέλος, στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται τα βασικότερα συμπεράσματα και προοπτικές όλων των ανωτέρω. Τέλος, στο Παράρτημα καταγράφονται οι κυριότερες συσκευές μέτρησης ατμοσφαιρικών παραμέτρων, που είναι διαθέσιμες σήμερα, παγκοσμίως.