Messung der optischen Turbulenz mit einem UAS

© Fraunhofer IOSB, Erik Sucher
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Vergleich von UAS »hover« -2 m »fixed«-Modus
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Einfluss der Turbulenz

Für die Konzeption und den Einsatz von elektro-optischen Systemen müssen die zu erwartenden Turbulenzeffekte berücksichtigt werden. Eine Ursache der Turbulenz in der atmosphärischen Grenzschicht (bis 1–2 km Höhe) ist der Temperaturunterschied zwischen Boden und der darüber liegenden Luftschicht. Während des Tages lösen sich wärmere Luftblasen vom Boden, steigen nach oben und bewirken eine turbulente Durchmischung.

Die Turbulenzstärke wird sehr stark vom Wetter, d.h. von Sonneneinstrahlung, Temperaturfluktuationen und Windstärke, beeinflusst. Sie variiert mit der Tages- und Jahreszeit im jeweils vorherrschenden Klima. Beschrieben wird die Turbulenzstärke durch den Strukturparameter der Brechungsindexfluktuation Cn2.

Da die Turbulenzstärke mit zunehmender Höhe über dem Boden abnimmt, ist außerdem für nicht-horizontale Ausbreitungsstrecken die Kenntnis des Höhenprofils von Cn2. notwendig. Um das Höhenprofil von Cn2 bestimmen zu können, müssen die Höhenprofile der folgenden meteorologischen Größen in verschiedenen Höhen (h) bekannt sein: Lufttemperatur T (h), Luftdruck p (h) und Strukturparameter der Temperaturfluktuation CT2 (h).

 

Motivation

  • Ein flexibles System Aufbauen und Einrichten
  • Einfache und flexible Messungen über dem gewünschten Messgelände
  • Einfache und flexible Messungen von vertikalen und horizontalen Profilen.

 

Herausforderung

  • Turbulenzen begrenzen die Leistung des optischen Sensors
  • Die optische Turbulenz ist abhängig von Höhe, Oberfläche, Klima und Temperatur.
  • Notwendigkeit von Überwassermessungen
  • Fest installierte Sensoren an Meteorologischen Türmen sind nicht flexibel.
  • Regelungs- und Genehmigungsverfahren beim Arbeiten mit Drohnen
  • Batteriekapazität und Gewicht begrenzen die Flugzeit des unbemannten Luftsystem.
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Vergleich von Cn² UAS - 2 m Messungen 5 min Mittelung (3 Flüge)

Lösungsansatz

Für die Bestimmung von Turbulenzeffekten mit einem unbemannten Flugsystem werden 3D Ultraschallanemometer eingesetzt. Diese messen mit einer hohen zeitlichen Auflösung Zeitreihen der Schallgeschwindigkeit zwischen 3 gegenüberliegenden Paaren von Sender- und Empfängereinheiten in 3 Richtungen. Aus den Laufzeitdifferenzen der Schallgeschwindigkeit können die horizontalen Windgeschwindigkeitskomponenten u und v, sowie die vertikale Windgeschwindigkeit w abgeleitet werden. Aus der Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der Temperatur kann die Zeitreihe von Temperaturschwankungen bestimmt werden.

Für Wellenlängen im sichtbaren und nahen Infrarot sind Temperaturschwankungen hauptsächlich für Variationen im Brechungsindex verantwortlich. Aus der Spektralanalyse der Zeitreihe der Temperaturschwankungen kann über eine Fourier-Transformation die Strukturfunktionskonstante der Temperatur CT2 ermittelt werden. Cn2 ist für den betrachteten Wellenlängenbereich proportional zu CT2 .

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Es ist wichtig, die Eigenbewegung der mobilen Plattform zu berücksichtigen bzw. zu kompensieren. Durch unsere umfangreiche Expertise in diesem Bereich werden die messtechnischen Verfahren kontinuierlich verfeinert.

Fazit

  • Messungen der optischen Turbulenz mit einem unbemannten Flugsystem sind möglich.
  • Messungen der optischen Turbulenz mit dem kleinen »TriSonica«-Sensor ist möglich.
  • Gute Übereinstimmung zwischen »hover«- und »fixed«-Punktmessungen
  • Reduzierte Mittelungszeit auf 1 min ist möglich.

Ausblick

  • Weitere Untersuchungen, für die vertikale Profilierung im kontinuierlichen Flug sind notwendig.
  • Eine weitere Gewichtsreduktion der Sensorik ermöglicht längere Flugzeit
  • Turbulenzmessungen im vertikalen und horizontalen Flugmodus

Unbemannte Systeme

Technische Daten und Ausstattung der unbemannten Systeme

Abteilung Signatorik des Fraunhofer IOSB

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