Optical fibres in cloud height measurement validation

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2018-10-08
Department
Major/Subject
Space Science and Technology
Mcode
ELEC3039
Degree programme
NanoRad - Master’s Programme in Nano and Radio Sciences (TS2013)
Language
en
Pages
59+2
Series
Abstract
Cloud height measurements are important for climate research and are an essential part of aviation safety. Ceilometers are light detecting and ranging LIDAR instruments that provide cloud height measurements. LIDAR instrument measurements need to be validated before a unit is taken into use. This thesis focuses on development of a new cloud height measurement validation method for LIDAR instruments using optical fibres as reference heights. The new method was evaluated and compared to existing validation methods: real cloud base and hard target. Different length optical fibres were tested with ceilometers. In this thesis we study the concept of cloud height detection with optical fibres, a test setup that was built and a test program that was developed. Several tests were performed, including a comparison test between optic fibres and a hard target, ceilometer temperature dependence and linearity tests. The study shows that optical fibres provided accurate apparent height measurements from 78 m to 1032 m and the results support that optical fibres can be used in ceilometers measurement capabilities up to 15 km. Additionally, measurements with different length optical fibres provided a setup for multiple cloud layer detection, which was not previously possible or was impractical.

Pilvenkorkeusmittaus on tärkeä osa ilmastotutkimusta ja tärkeä osa lentoliikenneturvallisuutta. Ceilometrit ovat pilvenkorkeusmittareita, jotka pääasiassa tuottavat pilvenkorkeustietoa. Nämä etäisyysmittaukset pitää validoida ennen laitteen käyttöönottoa. Tämä diplomityö keskittyy uuden validointimenetelmän kehittämiseen valokuiduilla. Uutta menetelmää arvioitiin ja verrattiin jo olemassa oleviin validointimenetelmiin: oikeaan pilveen sekä kiinteään kohteeseen. Menetelmää testattiin ceilometeillä ja muutamalla eri mittaisella valokuiduilla. Valokuitumenetelmän perusperiaatteen toimivuutta tutkittiin mittaamalla aikaviiveen pituutta erimittaisilla valokuiduilla. Työssä rakennettiin mittauslaitteisto sekä kehitettiin mittausohjelmistoa. Valokuiduilla ja ceilometreillä tehtiin useita validointitestejä, muun muassa vertailtiin etäisyysmittaustuloksia valokuitujen ja kiinteän kohteen mittausten välillä. Lisäksi tehtiin ceilometrin lämpötilariippuvuus- ja lineaarisuusmittaukset. Tutkimus osoittaa, että valokuiduilla voidaan mitata näennäinen etäisyys tarkasti referenssikorkeuksissa 78 metristä 1032 metriin. Tuloksista päätellen voidaan olettaa, että valokuiduilla voidaan mitata ceilometrin mittausrajoille 15 kilometriin asti. Lisäksi voidaan mitata ceilometrillä useampi pilvikerros samanaikaisesti valokuituja käyttämällä, jota ennen ei ole voitu tehdä tai olisi ollut hyvin epäkäytännöllistä.
Description
Supervisor
Praks, Jaan
Thesis advisor
Kilpi, Niko
Keywords
cloud height, measurement validation, optical fibres, distance measure
Other note
Citation