Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB

Messung der optischen Turbulenzen

Messung der optischen Turbulenzen

mit einem unbemannten Luftsystem

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).

 

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Projektflyer VerTurm

 

 

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




    Setup-Vergleich Sonic System »fixed« und »hover« Cn² Messungen



    Vergleich von Sonic System »fixed« und »hover« Cn² Messungen




    Setup-Vergleich von UAS »hover« -2 m »fixed«-Modus




    Vergleich von Cn² UAS - 2 m Messungen 5 min Mittelung (3 Flüge)

 

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

 

 

Technische Daten und Ausstattung der Systeme:

UAS SIG-1

UAS SIG-2

TriSonica