Ανάπτυξη έξυπνου επιχειρησιακού συστήματος 3-διάστατης σάρωσης LASER για την μέτρηση μετεωρολογικών παραμέτρων στην ατμόσφαιρα με συστήματα τηλεπισκόπησης LASER (τεχνική 3D LIDAR) με εφαρμογή στην ασφάλεια πτήσεων σε αεροδρόμια.

Abstract

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.