De wolkenhoogtemeter kan
de hoogte van de bewolking meten van
vijfentwintig tot vijfentwintigduizend voet
(acht meter tot ruim acht kilometer). Het
apparaat zendt in bovenwaartse richting een
lichtpuls uit. De puls bevat geen zichtbaar
licht, maar straling in het nabije infrarood.
Indien de lichtpuls wolkendruppels of andere
deeltjes treft, wordt een gedeelte van het
uitgezonden licht teruggekaatst.
De hoogte waarop die deeltjes zich bevinden
wordt dan bepaald uit het tijdsverschil tussen
het moment waarop de puls wordt uitgezonden en
het moment waarop de gereflecteerde puls wordt
terugontvangen. Uit het verticale verloop van de
sterkte van het terugontvangen signaal, wordt de
basishoogte van wolkenlagen afgeleid. Als de
bewolking niet te zwaar is kan de
wolkenhoogtemeter ook twee of drie wolkenlagen
detecteren.
Techniek en specificaties:
Het door het KNMI operationeel gebruikte
instrument voor de meting van
de wolkenhoogte is een LD40 wolkenhoogte meter.
Fabrikant: Vaisala (voorheen: Impulsphysik).
Meetprincipe:
De sensor maakt gebruik van het zgn.
LIDAR-principe: LIght Detection And Ranging.
Wolkenhoogte meter
1: een
lichtbron zendt een verticale laserpuls uit;
2: een sensor ontvangt het
gereflecteerde cq –verstrooide signaal; 3: het tijdverschil en de
intensiteit van het teruggekeerde signaal
bepalen respectievelijk de hoogte en de
concentratie van de
deeltjes (aantal deeltjes per volume); 4: de gradiënt van het
ontvangen signaal als functie van de hoogte
bepaalt of de reflectie geschiedt als gevolg van
bewolking,
neerslag of andere objecten. In het laatste geval is sprake
van een beperkt verticaal zicht.
Lichtbron:
De lichtbron is een laser die met een frequentie
van 6494Hz pulsen uitzendt in het nabije
infrarood (855 nm).
Sensor:
De detector ontvangt het gereflecteerde cq
–verstrooide signaal. Gemeten wordt het
tijdsverschil tussen het uitzenden van een puls
en de ontvangst van het teruggekaatste c.q.
verstrooide licht. Uit dit tijdsverschil kan de
hoogte worden afgeleid van het deeltje dat de
reflectie veroorzaakte. De detector registreert
in tijdsintervallen van 50 nsec, hetgeen
correspondeert met hoogte- intervallen van 25
voet. De openingshoek van de sensor is ongeveer
1.2 mrad (ca.0,069 booggraden).
Daarmee bestrijkt het instrument een gebied met
een diameter van ongeveer 12 m op 10 km hoogte.
De zender en ontvanger hebben een gescheiden
optisch pad. Hierdoor zullen de bundels van de
uitgezonden laserstraal en de openingshoek van
de detector elkaar pas overlappen boven een
hoogte van ongeveer 300 voet.
Een wolkenbasis lager dan 300 voet wordt
gedetecteerd doordat als gevolg van meervoudige
verstrooiing in de wolk toch een signaal van de
laser in de detector komt. Door analyse van het
tijdsverschil en de sterkte van het
geregistreerde signaal kan dan, ondanks het
onbekende traject vanwege de meervoudige
reflecties, toch een goede inschatting van de
wolkenhoogte worden gemaakt.
Werking Laser ceilometer
Het verticale bereik van
de sensor is van 25 tot en met maximaal 43000
voet met een meetnauwkeurigheid van 25 voet. De
sensor geeft uiteraard alleen de bewolking die
over de sensor trekt. Het maximale verticale
bereik van de sen- sor zal in aanwezigheid van
een optisch dikke wolk of in een troebele atmos-
feer minder zijn. Met name bij neerslag zal de
sensor een groot verstorend signaal ontvangen.
In het algemeen geeft de sensor ook in deze
omstandighe- den de wolkenbasis correct weer en
niet de neerslag. In situaties dat de sensor
compleet in de mist staat meldt de sensor
bewolking op 25 voet. De sensor registreert het
maximale meetbereik bij de meting. In een
troebele atmosfeer of bij een dikke wolkenlaag
geeft de sensor hiermee aan dat geen informatie
beschikbaar is boven het maximale bereik.
Opstelling
wolkenhoogtemeter:
De wolkenhoogtemeter staat niet verticaal
opgesteld, maar helt onder een hoek van 5° naar
het noorden. Er is gekozen voor deze opstelling
omdat met deze opstelling het signaal van
neerslag enigszins wordt onderdrukt in
vergelijking met het signaal van bewolking.
Zwevende wolkendruppels zijn bolvormig en de
terugverstrooiing is daarom gelijk bij een
verticale of schuine opstelling van de
wolkenhoogtemeter. Vallende neerslag daarentegen
is afgeplat. Bij een schuine opstelling zal het
terugverstrooide signaal minder zijn dan bij een
verticale opstelling omdat het deeltje niet meer
symmetrisch is ten opzichte van de
verstrooiingsrichting.
Signaalverwerking:
De sensor meet voor iedere uitgezonden puls het
terugverstrooide vermogen als functie van de
tijd c.q. hoogte. Deze zogenaamde
backscattercoëfficiënt is een maat voor het
aantal en grootte van deeltjes zoals
wolkendruppels, regen- druppels en/of aërosol
(stof of andere vaste deeltjes) op de
betreffende hoogte in de atmosfeer. Omdat het
uitgezonden vermogen van één laserpuls
onvoldoende is om bewolking goed te kunnen
detecteren, wordt het ontvangen signaal van
meerdere pulsen geïntegreerd. Op deze manier
wordt de bijdrage van ruis onderdrukt in het
voordeel van het werkelijke signaal.
Laser ceilometer
opbouw wolkenhoogtemeter
Tevens wordt de
systematische bijdrage van ruis, die per
instrument gekarak- teriseerd is door metingen
verricht bij afgedekte ontvanger, van de meting
afgetrokken. In het aldus verkregen
backscatterprofiel, dat elke 15 seconden* door
de sensor wordt ververst, wordt vervolgens
gezocht naar de signatuur van wolken. Hiervoor
wordt gebruik gemaakt van de waarde van de
backscatterco- efficiënt alsmede de gradiënt
ervan om neerslag en aërosol van wolkendrup-
pels te kunnen onderscheiden.
Afhankelijk van de hoogte wordt het backscat-
ter signaal geïntegreerd over 15 tot 120
seconden en worden andere criteria voor
wolkendetectie gebruikt. Om de detectie van hoge
cirrus bewolking mogelijk te maken vindt zelfs
integratie over 10 minuten plaats in combinatie
met middeling over hoogte-intervallen.
Detectie meerdere wolkenlagen:
De sensor kan melding maken van de volgende
situaties:
1: een onbewolkte situatie;
2: 1, 2 of 3 wolkenlagen gedetecteerd;
3: er is een obstructie waargenomen, maar deze
voldoet niet aan de criteria voor bewolking.
De laatste situatie wordt door de sensor gemeld
als onbewolkt, maar met een verticaal zicht.
Deze situatie komt soms voor bij hevige neerslag
of sneeuw. De sensor kan maximaal 3 wolkenlagen
tegelijk detecteren (indien aanwezig en mits de
onderliggende wolkenlagen voldoende transparant
zijn). Boven- dien kunnen hogere lagen zonder
optische beperking waargenomen worden, indien
gedurende een deel van de middelingstijd
tijdelijk geen sprake was van lagere wolkenlagen
(bijvoorbeeld omdat deze lagen bestaan uit
voortdrijvende losse wolken).
